一、熱現(xiàn)象的方向性1．填一填(1)熱傳導(dǎo)的方向性①熱量可以自發(fā)地從______物體傳遞給______物體，或者由物體的_____部分傳遞給______部分。②熱量不能自發(fā)地由_____物體傳遞給______物體，或者由物體的_____部分傳遞給______部分。③熱傳導(dǎo)過程是________過程，具有_________。
(2)機(jī)械能和內(nèi)能轉(zhuǎn)化的方向性①機(jī)械能和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化過程具有________。②機(jī)械能可以_______轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，內(nèi)能卻無法全部用來做功以轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，而不______________。③第二類永動機(jī)：從_________吸收熱量并全部用來做功的熱機(jī)。由于違反能量轉(zhuǎn)化的________，因此第二類永動機(jī)是不可能制造出來的。(3)擴(kuò)散的方向性兩種不同的氣體可以_______混合，相反，一種均勻的混合氣體卻不會_______分開成為兩種氣體。
2．判一判(1)熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳向高溫物體。( )(2)第二類永動機(jī)違反了能量守恒定律。( )(3)只要對內(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。( )3．想一想我們假想：發(fā)明一種熱機(jī)，并用來對物體做功，將內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為動能，而不引起其他變化。這是否可能？提示：熱機(jī)不能把它得到的內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，因為熱機(jī)必須有熱源和冷凝器，熱機(jī)工作時，總要向冷凝器放熱，不可避免地要從工作物質(zhì)帶走一部分熱量Q，即使是理想熱機(jī)，沒有摩擦，沒有漏氣等能量損失，它也不可能把吸收的熱量百分之百地轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，總要有一部分熱量散發(fā)到冷凝器中。
二、熱力學(xué)第二定律1．填一填(1)克勞修斯表述：熱量不能________從低溫物體傳遞到高溫物體?；蛘哒f，不可能使熱量由___________傳遞到__________，而不引起其他變化。(說明熱傳導(dǎo)的方向性)(2)開爾文表述：不可能從__________吸收熱量并把它全部用來______，而不產(chǎn)生其他影響。(說明機(jī)械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化的方向性)
2．判一判(1)熱量可以自發(fā)地從高溫物體傳遞給低溫物體。( )(2)熱量不可能從低溫物體傳遞到高溫物體。( )(3)熱機(jī)工作時從高溫?zé)嵩次盏臒崃恳欢ù笥跓釞C(jī)對外界所做的功。( )3．想一想兩個不同的物體接觸時，熱量自發(fā)地從高溫物體傳遞給低溫物體。此處“自發(fā)地”的含義是什么？提示：“自發(fā)地”的含義是指沒有任何外界影響或者其他幫助。
探究(一)　　熱力學(xué)第二定律的理解及應(yīng)用[問題驅(qū)動]如圖是熱量在傳遞過程中的情景。
討論：(1)在自然過程中熱量是如何傳遞的？提示：熱量由溫度高的物體傳遞給溫度低的物體，或由溫度高的地方傳遞到溫度低的地方。(2)空調(diào)和冰箱是如何傳遞熱量的？提示：空調(diào)和冰箱可以通過電機(jī)做功，把熱量從溫度比較低的房間內(nèi)或冰箱內(nèi)傳遞到房間外或冰箱外?！　　　?
[重難釋解]1．對熱力學(xué)第二定律的理解(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。在熱傳遞過程中不會對其他物體產(chǎn)生影響或借助其他物體提供能量等。(2)“不引起其他變化”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，對周圍環(huán)境不產(chǎn)生熱力學(xué)方面的影響。如吸熱、放熱、做功等。(3)“單一熱源”：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，從而可以對外做功。據(jù)報道，有些國家已在研究利用海水上下溫度不同來發(fā)電。(4)“不可能”：實際上熱機(jī)或制冷機(jī)系統(tǒng)循環(huán)終了時，除了從單一熱源吸收熱量對外做功，以及熱量從低溫?zé)嵩磦鞯礁邷責(zé)嵩匆酝?，過程中所產(chǎn)生的其他一切影響，不論用任何的辦法都不可能加以消除。
典例1　(多選)下列現(xiàn)象不可能發(fā)生的是(　　)A．在一與外界絕熱的房間內(nèi)，將一臺正在工作的電冰箱的門打開，能使該房間降溫B．蒸汽機(jī)把蒸汽的內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能C．一個在粗糙的水平地面上運(yùn)動的物體最終要停下來，物體的動能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能D．在熱傳導(dǎo)中，熱量可以自發(fā)地從高溫物體傳向低溫物體[解析]　在一與外界絕熱的房間內(nèi)，將一臺正在工作的電冰箱的門打開，消耗了電能，產(chǎn)生了焦耳熱，所以房間溫度不僅不能降低還會升高，故A不可能發(fā)生；蒸汽機(jī)不可能把蒸汽的內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，轉(zhuǎn)化過程中必然存在能量耗散，故B不可能發(fā)生；一個在粗糙的水平地面上運(yùn)動的物體最終要停下來，物體的動能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，C可能發(fā)生；在熱傳導(dǎo)中，熱量可以自發(fā)地從高溫物體傳向低溫物體，D可能發(fā)生。[答案]　AB
對熱力學(xué)第二定律理解的兩個誤區(qū)(1)誤認(rèn)為熱量只能由高溫物體傳到低溫物體，不能由低溫物體傳到高溫物體。熱量可以由高溫物體傳到低溫物體，也可以由低溫物體傳到高溫物體；但是，前者可以自發(fā)完成，而后者則必須有外界參與。(2)誤認(rèn)為機(jī)械能可以完全轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，而內(nèi)能不能完全轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。機(jī)械能可以完全轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，內(nèi)能也可以完全轉(zhuǎn)化為機(jī)械能；但是，前者可以不產(chǎn)生其他影響，而后者一定會產(chǎn)生其他影響。
[素養(yǎng)訓(xùn)練]1．(多選)下列哪些過程具有方向性(　　)A．熱傳導(dǎo)過程　　　　B．動能向勢能的轉(zhuǎn)化過程C．氣體的擴(kuò)散過程 D．氣體向真空中的膨脹過程解析：熱傳遞、氣體的擴(kuò)散和氣體在真空中的膨脹都是與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀自然過程，由熱力學(xué)第二定律可知，它們都是不可逆的，具有方向性，故選項A、C、D正確；動能向勢能的轉(zhuǎn)化與熱現(xiàn)象無關(guān)，是可逆的，不具有方向性，故選項B錯誤。答案：ACD
2．(多選)下列關(guān)于宏觀物體的熱現(xiàn)象的說法中正確的是(　　)A．一切涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性B．一切不違背能量守恒定律的物理過程都是可能實現(xiàn)的C．由熱力學(xué)第二定律可以判斷物理過程能否自發(fā)進(jìn)行D．一切物理過程都不可能自發(fā)地進(jìn)行解析：熱力學(xué)第二定律是反映宏觀自然過程的方向性的定律，熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體，但可以自發(fā)地從高溫物體傳到低溫物體；并不是所有符合能量守恒定律的宏觀過程都能實現(xiàn)，故A、C正確，B、D錯誤。答案：AC
3． (多選)用兩種不同材料的金屬絲組成一個回路，接觸點(diǎn)1插在熱水中，接觸點(diǎn)2插在冷水中，如圖所示，電流計指針會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這就是溫差發(fā)電現(xiàn)象。關(guān)于這一現(xiàn)象的正確說法是 (　　)A．這一實驗不違背熱力學(xué)第二定律B．在實驗過程中，熱水溫度降低，冷水溫度升高C．在實驗過程中，熱水的內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化成電能，電能則部分轉(zhuǎn)化成冷水的內(nèi)能D．在實驗過程中，熱水的內(nèi)能只有部分轉(zhuǎn)化成電能，電能則全部轉(zhuǎn)化成冷水的內(nèi)能
解析：自然界中的任何自然現(xiàn)象或過程都不違反熱力學(xué)第二定律，本實驗現(xiàn)象也不違反熱力學(xué)第二定律，A正確；整個過程中能量守恒且熱傳遞有方向性，B正確；在實驗過程中，熱水中的內(nèi)能除轉(zhuǎn)化為電能外，還升高了金屬絲的溫度，內(nèi)能不能全部轉(zhuǎn)化為電能；電能除轉(zhuǎn)化為冷水的內(nèi)能外，還升高了金屬絲的溫度，電能不能全部轉(zhuǎn)化為冷水的內(nèi)能，C、D錯誤。答案：AB
探究(二)　　熱機(jī)和第二類永動機(jī)[問題驅(qū)動]如圖所示是制冷機(jī)和熱機(jī)的工作過程示意圖，請在圖片基礎(chǔ)上思考以下問題：(1)制冷機(jī)工作時熱量是自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體嗎？提示：不是。熱量從低溫物體傳到高溫物體時需要有外界做功。(2)熱機(jī)工作時是否將從高溫?zé)嵩次盏臒崃咳坑脕碜龉?？提示：否。熱機(jī)工作時只將從高溫?zé)嵩次諢崃康囊徊糠钟脕碜龉?，剩余的釋放到低溫?zé)嵩础！　　　?
[重難釋解]1．熱機(jī)的特點(diǎn)(1)熱機(jī)不僅僅只有一個熱源。(2)熱機(jī)的效率不可能達(dá)到100%。2．第二類永動機(jī)不能制成的原因：違反了熱力學(xué)第二定律(不違反能量守恒定律)。3．第二類永動機(jī)不能制成的意義(1)機(jī)械能可全部轉(zhuǎn)化成內(nèi)能，但內(nèi)能不能全部轉(zhuǎn)化成機(jī)械能。(2)機(jī)械能和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化過程具有方向性。(3)兩類永動機(jī)的比較。第一類永動機(jī)：不消耗任何能量，可以不斷做功(或只給予很小的能量啟動后，可以永遠(yuǎn)運(yùn)動下去)。第二類永動機(jī)：將內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，而不引起其他變化(或只有一個熱源，實現(xiàn)內(nèi)能與機(jī)械能的轉(zhuǎn)化)。
典例2　在熱學(xué)中，下列說法正確的是(　　)A．第一類永動機(jī)不可制成是由于它違背了能量守恒定律B．第二類永動機(jī)不可制成是由于它違背了能量守恒定律C．熱力學(xué)第二定律告訴我們機(jī)械能可以轉(zhuǎn)化為內(nèi)能而內(nèi)能不能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能D．熱量只能從高溫物體傳向低溫物體，而不能從低溫物體傳向高溫物體[解析]　不消耗能量而不斷對外做功的第一類永動機(jī)是不可能制成的，因為它違背了能量守恒定律，故A正確；從單一熱源吸收熱量而對外做功的第二類永動機(jī)不違反能量守恒定律，但違反了熱力學(xué)第二定律，故B錯誤；熱力學(xué)第二定律告訴我們機(jī)械能可以轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，而內(nèi)能在“一定的條件下”也能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，故C錯誤；熱量能從高溫物體傳向低溫物體，在“一定的條件下”也能從低溫物體傳向高溫物體，故D錯誤。[答案]　A
[素養(yǎng)訓(xùn)練]1．(多選)關(guān)于熱機(jī)的效率，下列說法正確的是(　　)A．有可能達(dá)到80%　　　B．有可能達(dá)到100%C．有可能超過80% D．一定能達(dá)到100%解析：根據(jù)熱力學(xué)第二定律，熱機(jī)效率永遠(yuǎn)也達(dá)不到100%。答案：AC　
2．下列有關(guān)熱學(xué)知識的論述正確的是(　　)A．兩個溫度不同的物體相互接觸時，熱量既能自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體，也可以自發(fā)地從低溫物體傳給高溫物體B．無論用什么方式都不可能使能量從低溫物體向高溫物體傳遞C．第一類永動機(jī)違背能量守恒定律，第二類永動機(jī)不違背能量守恒定律，隨著科技的進(jìn)步和發(fā)展，第二類永動機(jī)可以制造出來D．溫度是物體分子熱運(yùn)動平均動能的標(biāo)志解析：兩個溫度不同的物體相互接觸時，熱量能自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體，但不能自發(fā)地從低溫物體傳給高溫物體，故A錯誤；在外界的影響下，能使能量從低溫物體向高溫物體傳遞，空調(diào)、冰箱就是這個原理，故B錯誤；第一類永動機(jī)違背能量守恒定律，不能制造出來，第二類永動機(jī)不違背能量守恒定律，但違反了熱力學(xué)第二定律，同樣不能制造成功，故C錯誤；溫度是物體分子熱運(yùn)動激烈程度的反映，是物體分子熱運(yùn)動平均動能的標(biāo)志，溫度越高，分子熱運(yùn)動平均動能越大，故D正確。
一、培養(yǎng)創(chuàng)新意識和創(chuàng)新思維(選自魯科版新教材“物理聊吧”)一只完好的杯子從高處落到地上摔碎了(如圖所示)，這是一個可逆過程還是不可逆過程？在這個過程中熵是增加還是減少？為什么？提示：完好的杯子落到地上摔碎了，它不可能自發(fā)地恢復(fù)到原來的狀態(tài)，此過程是一個不可逆過程，這個過程中杯子的無序程度增加了，所以熵增加了。
二、注重學(xué)以致用和思維建模1． 17世紀(jì)70年代，英國人設(shè)計了一種磁力“永動機(jī)”，其結(jié)構(gòu)如圖所示，在斜面頂端放一塊強(qiáng)磁鐵M，斜面上、下端各有一個小孔P、Q，斜面下有一個連接兩小孔的彎曲軌道。設(shè)計者認(rèn)為：如果在斜坡底放一個鐵球，那么在磁鐵的引力作用下，鐵球會沿斜面向上運(yùn)動，當(dāng)球運(yùn)動到P孔時，它會漏下，再沿著彎曲軌道返回到Q，由于這時球具有速度，所以可以對外做功，然后鐵球又被磁鐵吸引回到上端，到P處又漏下……對于這個設(shè)計，下列判斷正確的是 (　　)A．滿足能量守恒定律，所以可行B．不滿足熱力學(xué)第二定律，所以不可行C．不滿足機(jī)械能守恒定律，所以不可行D．不滿足能量守恒定律，所以不可行解析：該裝置可以持續(xù)不斷的對外做功，違背了能量守恒定律，故不可行，D正確。答案：D
2． (2021·中山高二調(diào)研)(多選)如圖為電冰箱的工作原理示意圖。壓縮機(jī)工作時，強(qiáng)迫制冷劑在冰箱內(nèi)外的管道中不斷循環(huán)。在蒸發(fā)器中制冷劑汽化吸收箱體內(nèi)的熱量，經(jīng)過冷凝器時制冷劑液化，放出熱量到箱體外。下列說法正確的是(　　)A．熱量可以自發(fā)地從冰箱內(nèi)傳到冰箱外B．電冰箱消耗電能，其制冷系統(tǒng)能夠不斷地把冰箱內(nèi)的熱量傳到外界，在室內(nèi)打開冰箱門并不能起到制冷的效果C．電冰箱的工作原理違反熱力學(xué)第一定律D．電冰箱的工作原理不違反熱力學(xué)第二定律
解析：由熱力學(xué)第二定律可知，熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體，除非有外界的影響或幫助，電冰箱把熱量從低溫物體傳到高溫物體，需要壓縮機(jī)的幫助并消耗了電能，電冰箱的工作原理不違反熱力學(xué)第二定律，B、D正確，A錯誤；熱力學(xué)第一定律是熱現(xiàn)象中內(nèi)能與其他形式能的轉(zhuǎn)化或內(nèi)能轉(zhuǎn)移的規(guī)律，是能量守恒定律的具體表現(xiàn)，適用于所有的熱學(xué)過程，所以電冰箱的工作原理不違反熱力學(xué)第一定律，C錯誤。答案：BD
3．如圖所示的皮筋輪子發(fā)動機(jī)將一結(jié)實而富有彈性的條形材料(塑料或薄紙板)，圍成一個直徑為30 cm的環(huán)，用一些皮筋固定在這個環(huán)和中心軸之間。該中心軸可以在兩個支架上做摩擦很小的轉(zhuǎn)動。如果輪子的一邊接近一個熱源，如一電燈，接收了更多熱量的皮筋就會變短，迫使輪子變成橢圓形，重心不再位于旋轉(zhuǎn)軸上，這就迫使輪子轉(zhuǎn)動，其他的皮筋接近電燈，輪子持續(xù)變形就保證了運(yùn)動無休止地進(jìn)行下去。分析上述發(fā)動機(jī)能實現(xiàn)嗎？(該皮筋受熱形變后不能自發(fā)地恢復(fù)原狀)

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