【學(xué)習(xí)目標(biāo)】1．通過對(duì)自然界中與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過程方向性的實(shí)例分析，了解歸納熱力學(xué)第二定律的過程和方法。2．理解熱力學(xué)第二定律的含義，能用其分析相關(guān)問題。3．了解能量與能源的區(qū)別以及能源的有限性。
1．熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述(1)內(nèi)容：熱量不能自發(fā)地從________物體傳到________物體。即傳熱的過程具有__________。(2)傳熱的方向性①熱量可以自發(fā)地由________物體傳給________物體。②熱量不能自發(fā)地由________物體傳給________物體。③一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀自然過程都是____________。說明：在表述中強(qiáng)調(diào)“自發(fā)”，就是不需要任何第三者介入，就能發(fā)生。
2．熱力學(xué)第二定律的另一種表述(1)熱機(jī)①熱機(jī)工作的兩個(gè)階段：第一個(gè)階段是燃燒燃料，把燃料中的__________變成工作物質(zhì)的________。第二個(gè)階段是工作物質(zhì)對(duì)外________，把自己的內(nèi)能變成__________。②熱機(jī)的效率：熱機(jī)輸出的____________與燃料產(chǎn)生的__________的比值。用公式表示：η＝______。
(2)開爾文表達(dá)不可能從單一熱庫吸收熱量，使之______________，而不產(chǎn)生其他影響。(該表述闡述了機(jī)械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化的方向性)注意：熱力學(xué)第二定律的克勞修斯和開爾文表述是等價(jià)的。
1．能量耗散：有序度較高(集中度較高)的能量轉(zhuǎn)化為________，流散到環(huán)境中無法重新收集起來加以利用的現(xiàn)象。2．各種形式的能量向內(nèi)能的轉(zhuǎn)化，是無序程度________的狀態(tài)向無序程度________的狀態(tài)的轉(zhuǎn)化，是能夠________發(fā)生、全額發(fā)生的。3．能量耗散從能量轉(zhuǎn)化的角度反映出自然界中的自發(fā)變化過程具有________性。
4．能量耗散雖然不會(huì)導(dǎo)致能量總量的減少，卻會(huì)導(dǎo)致能量_______的降低，它實(shí)際上是將能量從高度有用的__________形式降級(jí)為不大可用的__________形式。說明：雖然能量總量不會(huì)減少，但能源會(huì)逐步減少，因此能源是有限的資源。
『判一判』(1)機(jī)械能可以完全轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。(　　)(2)內(nèi)能不可能完全轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。(　　)(3)能夠制成的熱機(jī)既不違背能量守恒定律，也不違背熱力學(xué)第二定律。(　　)(4)一個(gè)系統(tǒng)中個(gè)體排列的“有序”和“無序”是絕對(duì)的。(　　)(5)科技發(fā)達(dá)后，熱機(jī)的效果可以達(dá)到100%。(　　)(6)熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳遞到高溫物體。(　　)
√　×　√　×　×　√　
『選一選』下列說法正確的是(　　)A．熱量不能從低溫物體傳到高溫物體B．功可以完全變成熱，熱不能完全變成功C．改進(jìn)熱機(jī)的生產(chǎn)工藝，總有一天熱機(jī)的效率可以達(dá)到100%D．氣體向真空的自由膨脹是不可逆的解析：在一定條件下熱量可以從低溫物體傳到高溫物體，A錯(cuò)；在一定條件下熱可以全部變成功，B錯(cuò)；熱機(jī)的效率在任何條件下都不可能達(dá)到100%，C錯(cuò)；一切宏觀自然過程的進(jìn)行都具有方向性，D正確。
『想一想』成語“覆水難收”指的是一盆水潑出去后是不可能再倒回盆中的。請(qǐng)從不同宏觀態(tài)所對(duì)應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)目不同這個(gè)角度，解釋為什么水不會(huì)自發(fā)地聚到盆中。
答案：由于盆的形狀確定，水在盆中所處的宏觀態(tài)對(duì)應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)目少，較為有序。當(dāng)把水潑出后，它的形狀不受盆的限制，各種可能的形狀都有，此時(shí)所處的宏觀態(tài)對(duì)應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)目將變得非常多，較為無序。因?yàn)樽园l(fā)的過程總是從有序向無序發(fā)展，所以水不會(huì)自發(fā)地聚到盆中。
對(duì)熱力學(xué)第二定律的理解
一種冷暖兩用型空調(diào)，銘牌標(biāo)注：輸入功率1 kW，制冷能力1.2×104 kJ/h，制熱能力1.3×104 kJ/h。這樣，該空調(diào)在制熱時(shí)，每消耗1 J電能，將放出3 J多熱量，是指標(biāo)錯(cuò)誤還是能量不守恒？
提示：都不是?？照{(diào)制冷(制熱)靠壓縮機(jī)做功，從室內(nèi)(室外)吸收熱量放到室外(室內(nèi))。在制熱時(shí)，放出的熱量等于消耗的電能與從室外吸收的熱量之和，完全可以大于電能消耗。這既不違背熱力學(xué)第一定律，也不違背熱力學(xué)第二定律。
1．自然過程的方向性(1)熱傳導(dǎo)具有方向性兩個(gè)溫度不同的物體相互接觸時(shí)，熱量會(huì)自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體，而低溫物體不可能自發(fā)地將熱量傳給高溫物體，要實(shí)現(xiàn)低溫物體向高溫物體傳遞熱量，必須借助外界的幫助，因而產(chǎn)生其他影響或引起其他變化。
(2)氣體的擴(kuò)散現(xiàn)象具有方向性兩種不同的氣體可以自發(fā)地進(jìn)入對(duì)方，最后成為均勻的混合氣體，但這種均勻的混合氣體，絕不會(huì)自發(fā)地分開，成為兩種不同的氣體。(3)機(jī)械能和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化過程具有方向性物體在水平面上運(yùn)動(dòng)，因摩擦而逐漸停止下來，但絕不可能出現(xiàn)物體吸收原來傳遞出去的熱量后，在地面上重新運(yùn)動(dòng)起來。(4)氣體向真空膨脹具有方向性氣體可自發(fā)地向真空容器內(nèi)膨脹，但絕不可能出現(xiàn)氣體自發(fā)地從容器中流出，使容器內(nèi)變?yōu)檎婵铡?br/>2．在熱力學(xué)第二定律的表述中，“自發(fā)地”“不產(chǎn)生其他影響” “單一熱庫”“不可能”的含義(1)“自發(fā)地”是指熱量從高溫物體“自發(fā)地”傳給低溫物體的方向性。在傳遞過程中不會(huì)對(duì)其他物體產(chǎn)生影響或借助其他物體提供能量等。(2)“不產(chǎn)生其他影響”的含義是發(fā)生的熱力學(xué)宏觀過程只在本系統(tǒng)內(nèi)完成，對(duì)周圍環(huán)境不產(chǎn)生熱力學(xué)方向的影響，如吸熱、放熱、做功等。
(3)“單一熱庫”：指溫度均勻并且恒定不變的系統(tǒng)。若一系統(tǒng)各部分溫度不相同或者溫度不穩(wěn)定，則構(gòu)成機(jī)器的工作物質(zhì)可以在不同溫度的兩部分之間工作，從而可以對(duì)外做功。據(jù)報(bào)道，有些國家已在研究利用海水溫度差來發(fā)電。(4)“不可能”：實(shí)際上熱機(jī)或制冷機(jī)系統(tǒng)循環(huán)終了時(shí)，除了從單一熱庫吸收熱量對(duì)外做功，以及熱量從低溫?zé)釒靷鞯礁邷責(zé)釒煲酝?，過程所產(chǎn)生的其他一切影響，用任何辦法都不可能加以消除。
(1)熱力學(xué)第二定律的兩種表述是等效的。(2)熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)：熱力學(xué)第二定律的每一種表述，都揭示了大量分子參與宏觀過程的方向性，使人們認(rèn)識(shí)到自然界中進(jìn)行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性。
　　　　　根據(jù)熱力學(xué)定律，下列判斷正確的是(　　)A．我們可以把火爐散失到周圍環(huán)境中的能量全部收集到火爐中再次用來取暖B．利用淺層海水和深層海水間的溫度差制造出一種熱機(jī)，將海水的一部分內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，這在原理上是可行的C．制冷系統(tǒng)能將冰箱內(nèi)的熱量傳給外界較高溫度的空氣，而不引起其他變化D．滿足能量守恒定律的客觀過程都可以自發(fā)地進(jìn)行
解題指導(dǎo)：利用熱力學(xué)第二定律解決問題時(shí)：(1)明確熱力學(xué)第二定律的兩種表述是等效的。其實(shí)質(zhì)是自然界中進(jìn)行的所有涉及熱現(xiàn)象的宏觀物理過程都具有方向性。(2)特別注意“不產(chǎn)生其他影響”和“產(chǎn)生其他影響”。熱量可以從低溫物體傳到高溫物體，但要“產(chǎn)生其他影響”。(3)熱機(jī)的效率總是小于1，因?yàn)樗傄虻蜏責(zé)嵩瓷帷?br/>解析：熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體，所以不能把散失的能量全部收集起來重新加以利用，A錯(cuò)；由熱力學(xué)第二定律可知，B正確；熱量從低溫物體傳給高溫物體時(shí)一定會(huì)發(fā)生其他變化，C錯(cuò)；只滿足能量守恒定律而不滿足熱力學(xué)第二定律的過程是不可能發(fā)生的，D錯(cuò)。
A．氣體是從單一熱源吸熱，全用來對(duì)外做功，因此此過程違反熱力學(xué)第二定律B．氣體從單一熱源吸熱，但并未全用來對(duì)外做功，所以此過程不違反熱力學(xué)第二定律C．氣體是從單一熱源吸熱，全用來對(duì)外做功，但此過程不違反熱力學(xué)第二定律D．ABC三種說法都不對(duì)答案：C
解析：熱力學(xué)第二定律從機(jī)械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化過程的方向性來描述是：不可能從單一熱源吸收熱量并把它全部用來做功，而不引起其他變化。本題中如果沒有外界的幫助，比如外力拉動(dòng)活塞桿使活塞向右移動(dòng)，使氣體膨脹對(duì)外做功，導(dǎo)致氣體溫度略微降低，是不可能從外界吸收熱量的，即這一過程雖然是氣體從單一熱源吸熱，全用來對(duì)外做功，但引起了其他變化，所以此過程不違反熱力學(xué)第二定律。
(1)流動(dòng)的水帶動(dòng)水磨做功，由于磨盤和糧食之間的摩擦和擠壓，使磨盤和糧食的溫度升高，水流的一部分機(jī)械能轉(zhuǎn)變成了內(nèi)能，這些內(nèi)能最終流散到周圍的環(huán)境中，我們沒有辦法把這些流散的內(nèi)能重新收集起來加以利用，可見，內(nèi)能與機(jī)械能相比，哪種能量的品質(zhì)低？
(2)如圖所示是兩幅宣傳節(jié)約能源的圖片。請(qǐng)問：既然能量是守恒的，我們?yōu)槭裁催€要節(jié)約能源？
提示：(1)內(nèi)能(2)能量是守恒的，但能量耗散卻導(dǎo)致能量品質(zhì)的降低，在利用它們的時(shí)候，高品質(zhì)的能量釋放出來并最終轉(zhuǎn)化為低品質(zhì)的能量。
2．能源開發(fā)和利用加強(qiáng)新能源，特別是清潔能源的開發(fā)和利用，控制化石能源開采，提高能源的利用率，降低對(duì)環(huán)境的污染。
　　　　　(2021·貴州遵義航天高級(jí)中學(xué)高二期中)關(guān)于能量和能源，下列說法中正確的是(　　)A．能量在轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移過程中，其總量有可能增加B．能量在轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移過程中，其總量會(huì)不斷減少C．能量在轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移過程中總量保持不變，故節(jié)約能源沒有必要D．能量的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移具有方向性，且現(xiàn)有可利用的能源有限，故必須節(jié)約能源
解析：能量在轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移過程中，總量是守恒的，A、B錯(cuò)誤；能量在轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移過程中總量保持不變，但能量的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移具有方向性，且現(xiàn)有可利用的能源有限，我們要注意節(jié)約能源，C錯(cuò)誤D正確。
2．關(guān)于能源的開發(fā)和節(jié)約，你認(rèn)為下列哪些觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的(　　)A．常規(guī)能源是有限的，無節(jié)制地利用常規(guī)能源，如石油之類，是一種盲目的短期行為B．根據(jù)能量守恒定律，擔(dān)心能源枯竭是一種杞人憂天的表現(xiàn)C．能源的開發(fā)和利用，必須要同時(shí)考慮其對(duì)環(huán)境的影響D．通過核聚變和平利用核能是目前開發(fā)新能源的一種新途徑
解析：能量雖然守恒，但能量耗散導(dǎo)致能量的品質(zhì)降低即不可再利用，也往往對(duì)環(huán)境產(chǎn)生破壞，從而應(yīng)開發(fā)新型的清潔型的能源，故B選項(xiàng)錯(cuò)。
熱力學(xué)第一定律與熱力學(xué)第二定律的區(qū)別與聯(lián)系
　　　　(多選)關(guān)于熱力學(xué)兩大定律，下列說法正確的是 (　　　)A．熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律是相互獨(dú)立的B．熱力學(xué)第二定律的兩種表述是等效的C．由熱力學(xué)第一定律可知做功不一定改變內(nèi)能，傳熱也不一定改變內(nèi)能，但同時(shí)做功和傳熱一定會(huì)改變內(nèi)能D．由熱力學(xué)第二定律可知熱量從低溫物體傳向高溫物體是可能的，從單一熱庫吸收熱量，完全變成功也是可能的
解析：熱力學(xué)第二定律有幾種不同的表述形式，但它們是等效的，它與熱力學(xué)第一定律是各自獨(dú)立的，A、B正確；由熱力學(xué)第一定律可知W≠0，Q≠0，但ΔU＝W＋Q可以等于0，C錯(cuò)誤；由熱力學(xué)第二定律可知D中現(xiàn)象是可能的，但不引起其他變化是不可能的，D正確。
規(guī)律總結(jié)：(1)熱力學(xué)第一定律是能量守恒定律在熱學(xué)中的一種表述形式，是從能的角度揭示不同物質(zhì)運(yùn)動(dòng)形式相互轉(zhuǎn)化的可能性。告誡人們：第一類永動(dòng)機(jī)不可能制成。(2)熱力學(xué)第二定律揭示了大量分子參與的宏觀過程的方向性。如機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，內(nèi)能卻不可以全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能而不引起其他變化，進(jìn)一步揭示了各種有關(guān)熱的物理過程都具有方向性。告誡人們：第二類永動(dòng)機(jī)也不可能制成。
1．(多選)(2021·山東青州一中高二下學(xué)期月考)下列說法正確的是(　 　)A．1 kg的0 ℃的冰比1 kg的0 ℃的水的內(nèi)能小些B．機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，但內(nèi)能卻不能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能C．熱力學(xué)第一定律也可表述為“第一類永動(dòng)機(jī)不可能制成”D．熱力學(xué)第二定律可描述為“不可能使熱量由低溫物體傳遞到高溫物體”
解析：1 kg的0 ℃的冰熔化成0 ℃的水要吸收熱量，則1 kg的0 ℃的冰比1 kg的0 ℃的水的內(nèi)能小些，選項(xiàng)A正確；機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，內(nèi)能也能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，只是會(huì)引起其他變化，故B錯(cuò)誤；熱力學(xué)第一定律也可表述為“第一類永動(dòng)機(jī)不可能制成”，選項(xiàng)C正確；熱力學(xué)第二定律可描述為“不可能使熱量自發(fā)地由低溫物體傳遞到高溫物體”，故D錯(cuò)誤。
2．(2020·山東省濟(jì)南市章丘區(qū)校級(jí)模擬)關(guān)于熱力學(xué)定律，下列說法中正確的是(　　)A．可以從單一熱源吸收熱量，使之完全變?yōu)楣．理想氣體的等壓膨脹過程一定放熱C．熱量不可能從低溫物體傳遞到高溫物體D．壓縮氣體做功，該氣體的內(nèi)能一定增加
3．(2021·陜西寶雞中學(xué)高二期中)隨著世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源短缺問題日顯突出，油價(jià)的不斷攀升，已對(duì)各國人民的日常生活造成了各種影響，如排長隊(duì)等待加油的情景已經(jīng)多次在世界各地發(fā)生，能源成為困擾世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重大難題之一。下列有關(guān)能量轉(zhuǎn)化的說法正確的是(　　)A．只要對(duì)內(nèi)燃機(jī)不斷改進(jìn)，就可以把內(nèi)燃機(jī)得到的全部內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能B．滿足能量守恒定律的物理過程都能自發(fā)地進(jìn)行C．可以直接利用空氣中的內(nèi)能，減少“溫室效應(yīng)”D．物體吸收熱量，物體的內(nèi)能可能減小

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4 熱力學(xué)第二定律

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