第四節 熱力學第二定律

撰文|馮嘉美

學習說明

1本節微課適用於課前預習和課後鞏固複習。

2播放視頻過程你要及時點擊暫停鍵梳理筆記，不懂的地方可以回播反覆觀看學習，這樣學習才會有效果。

3微課習題及課後練習題都需要你認真完成。

 

一、學習目標和重難點

二、知識儲備

知識點一、自然過程的方向性

1．基本知識

(1)熱傳導的方向性

①兩個溫度不同的物體互相接觸時，熱量會自發地從高溫物體傳給低溫物體，最後兩個物體溫度相同達到熱平衡．

②熱傳導過程是有方向性的．即熱量從高溫物體向低溫物體的熱傳導過程是能自發進行的．

(2)機械能和內能轉化過程的方向性

①機械能全部轉化為內能的過程是可以自發進行的．

②內能全部轉化為機械能，是不能自發進行的．

③第二類永動機

(ⅰ)定義：從單一熱源吸熱全部用來做功，而不引起其他變化的熱機．

(ⅱ)不可能製成原因：違背了熱力學第二定律．

2．思考判斷

(1)在一定條件下，熱量也可以從低溫物體傳給高溫物體．(√)

(2)第二類永動機不可能製造成功是因為能量既不會憑空產生，也不會憑空消失，只能從一個物體轉移到別的物體，或者從一種形式轉化成為另一種形式．(×)

(3)熱量不可能從低溫物體傳到高溫物體．(×)

3．探究交流

熱量能自發地從高溫物體傳給低溫物體，我們所說的「自發地」指的是沒有任何外界影響或者幫助．

電冰箱是讓「熱」由低溫環境傳遞到高溫環境．這是不是自發進行的？說明理由．

【提示】電冰箱能夠把熱量從低溫物體傳給高溫物體，在該過程中電冰箱要消耗電能．電冰箱能夠把熱量從低溫物體傳給高溫物體，一旦切斷電源，電冰箱就不能把其內部的熱量傳給外界的空氣了，相反，外界的熱量會自發地傳給電冰箱，使其溫度逐漸升高．

 

知識點二、熱力學第二定律及微觀解釋

1．基本知識

(1)熱力學第二定律的表述

①克勞修斯的表述

熱量不能自動地從低溫物體傳遞到高溫物體．或者說，不可能使熱量由低溫物體傳遞到高溫物體，而不引起其他變化．

②開爾文的表述

不可能從單一熱源吸收熱量並把它全部用來做功，而不引起其他變化．

(2)熱力學第二定律的微觀實質

①做功是與分子群體的有序運動聯繫在一起的，內能是和分子的無序運動聯繫在一起的，機械能轉化為內能的過程，從微觀上來說，是大量分子的有序運動朝無序運動的方向轉換的過程，其相反方向的過程是大量分子從無序運動朝有序運動方向轉換的過程．

②熱傳導過程是使物體內部分子的熱運動由比較有序的狀態向無序的狀態轉化的過程．

③與熱現象有關的自發的宏觀過程，總是朝著分子熱運動狀態無序性增加的方向進行的．

2．思考判斷

(1)我們可以利用高科技手段，將流散到周圍環境中的內能重新收集起來加以利用而不引起其他變化．(×)

(2)利用淺層海水和深層海水之間的溫度差製造一種熱機，將海水的一部分內能轉化為機械能，這在原理上是可行的．(√)

3．探究交流

隨著科技的不斷發展，假如能夠使熱機沒有漏氣、沒有摩擦、也沒有機體熱量損失，是不是能夠使熱機效率達到100%.

【提示】不能，原因是熱機的工作物質吸收的熱量不能全部用來做功，如汽車尾氣會帶走一部分熱量．

 

知識點三、熵

基本知識

(1)意義：描述物體的無序程度，物體內部分子熱運動無序程度越高，物體的熵就越大．

(2)分子自由膨脹過程是一個向大量分子運動的無序性增加的方向進行的過程，氣體的熵是增加的，這個過程可以自發進行．

 

 

三、視頻學習

四、重點探究

探究一、對熱力學第二定律實質的理解

【問題導思】

1．熱力學第二定律的各種表述的內容是什麼？

2．熱力學第二定律的不同表述有什麼共同的物理意義？

1．克勞修斯表述指明熱傳遞等熱力學宏觀現象的方向性，不需要藉助外界提供能量的幫助，其物理本質是揭示了熱傳遞過程是不可逆的．

2．開爾文表述中的「單一熱源」指溫度恆定且均勻的熱源．「不引起其他變化」是指唯一效果是熱量全部轉變為功而外界及系統都不發生任何變化．其物理實質揭示了熱變功過程是不可逆的．

3．兩種表述是等價的

如果克勞修斯表述不成立，則開爾文表述也不成立．

4．熱力學第二定律的每一種表述都揭示了大量分子參與的宏觀過程的方向性，進而使人們認識到自然界中一切與熱現象有關的宏觀過程都具有方向性，都是不可逆的．

特別提醒

①在可以引起其他影響的情況下，熱量可以從低溫物體傳到高溫物體，如空調、冰箱等．

②分析熱力學第二定律的應用問題時都不能忽視「自發性」和「不引起其他變化」的物理意義．

【例1】隨著世界經濟的快速發展，能源短缺問題日顯突出，近期油價不斷攀升，已對各國人民的日常生活造成了各種影響，如排長隊等待加油的情景已經多次在世界各地發生，能源成為困擾世界經濟發展的重大難題之一，下列有關能量轉化的說法中正確的是(     )

A．不可能從單一熱源吸收熱量並把它全部用來做功，而不引起其他的變化

B．只要對內燃機不斷改進，就可以把內燃機得到的全部內能轉化為機械能

C．滿足能量守恆定律的物理過程都能自發地進行

D．外界對物體做功，物體的內能必然增加

【審題指導】(1)與熱現象有關的宏觀現象具有方向性．

(2)熱力學第二定律的兩種表述的理解．

【解析】由熱力學第二定律的開爾文表述可知A對．熱機效率總低於100%，B錯．滿足能量守恆的過程未必能自發進行，任何過程一定滿足熱力學第二定律，C錯．由熱力學第一定律ΔU＝W＋Q可知，W>0，ΔU不一定大於0，即內能不一定增加，D錯．

【答案】A

 

【針對練習1】(雙選)下列關於熱力學第二定律說法正確的是(    )

A．所有符合能量守恆定律的宏觀過程都能真的發生

B．機械能可以全部轉化為內能，而內能無法全部用來做功以轉換成機械能

C．氣體向真空的自由膨脹是可逆的

D．熱運動的宏觀過程會有一定的方向性

【解析】熱運動的宏觀過程會有一定的方向性，符合能量守恆定律的宏觀過程並不能都真的發生，故A錯誤，D正確；根據熱力學第二定律，一切與熱現象有關的宏觀自然過程都是不可逆的，所以氣體向真空的自由膨脹是不可逆的．故C錯誤；根據熱力學第二定律，不可能從單一熱源吸熱使之完全轉換為有用的功而不產生其他影響，所以機械能可以全部轉化為內能，而內能無法全部用來做功以轉換成機械能．故B正確．故選BD.

【答案】BD

 

 

探究二、熱力學第一、第二定律的比較及兩類永動機的比較

【問題導思】

1．熱力學第一定律和第二定律有什麼區別和聯繫？

2．對比兩類永動機不能製成的原因各是什麼？

1．熱力學第一定律與熱力學第二定律比較

2.兩類永動機的比較

【例2】　關於兩類永動機和熱力學兩個規律，下列說法正確的是(     )

A．第二類永動機不可能製成是因為違背了熱力學第一定律

B．第一類永動機不可能製成是因為違背了熱力學第二定律

C．由熱力學第一定律可知做功不一定改變內能，熱傳遞也不一定改變內能，但同時做功和熱傳遞一定會改變內能

D．由熱力學第二定律可知熱從低溫物體傳向高溫物體是可能的，從單一熱源吸收熱量，完全變成功也是可能的

【解析】第一類永動機違背能量守恆定律，第二類永動機違背熱力學第二定律，A、B錯；由熱力學第一定律可知W≠0，Q≠0，但ΔU＝W＋Q可以等於0，C錯；由熱力學第二定律可知D中現象是可能的，但不引起其他變化是不可能的，D對．

【答案】D

 

【本題小結】

熱力學第一定律和熱力學第二定律的應用技巧

1．應用熱力學第一定律，一定要考慮改變物體內能的兩種方式，只有做功和熱傳遞兩方面都確定，才能確定物體內能的變化．

2．熱力學第二定律的理解，關鍵是對熱現象宏觀過程的方向性的理解，要抓住「自發」和「不引起其他變化」等所表述的物理意義．

 

【針對練習2】(雙選)關於第二類永動機，下列說法中正確的是(   )

A．沒有冷凝器，只有單一的熱源，能將從單一熱源吸收的熱量全部用來做功，而不引起其他變化的熱機叫作第二類永動機

B．第二類永動機違背了能量守恆定律，所以不可能製成

C．第二類永動機不可能製成，說明機械能可以全部轉化為內能，內能卻不能全部轉化為機械能

D．第二類永動機不可能製成，說明機械能可以全部轉化為內能，內能卻不能全部轉化為機械能，同時不引起其他變化

【解析】沒有冷凝器，只有單一的熱源，能將從單一熱源吸收的熱量全部用來做功，而不引起其他變化的熱機叫作第二類永動機．故A正確；第二類永動機違背了熱力學第二定律．故B錯誤；機械能可以全部轉化為內能，內能卻不能全部轉化為機械能，同時不引起其他變化．故D正確，C錯誤．故選A、D.

【答案】AD

 

探究三、熵——無序程度的量度

【問題導思】　

1．什麼是熵？它是由什麼決定的？

2．從熵的概念分析，熱力學第二定律的實質是什麼？

1．熵是反映系統無序程度的物理量，正如溫度反映物體內分子平均動能大小一樣，系統越混亂無序程度越大，這個系統的熵就越大．

2．從微觀的角度看，熱力學第二定律是一個統計規律：一個孤立系統總是從熵小的狀態向熵大的狀態發展，而熵值較大代表著較為無序，所以自發的宏觀過程總是向無序程度更大的方向發展．

【例3】　下面關於熵的說法中錯誤的是(   )

A．熵是系統內分子運動無序性的量度

B．在自然過程中一個孤立系統的熵總是增加或不變的

C．熱力學第二定律也叫作熵減小原理

D．熵值越大代表著越無序

【解析】一切自然過程總是沿著分子熱運動的無序性增大的方向進行，這就是熱力學第二定律的微觀意義．系統的熱力學過程就是大量分子向無序程度大的狀態變化的過程．自然過程的方向性可以表述為：在任何自然過程中，一個孤立系統的熵值不會減小，因此，熱力學第二定律又稱為熵增加原理，因此，A、B、D正確，C錯誤．

【答案】C

 

【針對練習3】　將一滴紅墨水滴入一杯清水中，紅墨水會逐漸擴散到整杯水中，呈均勻分布，試說明這個過程中熵的變化．

【解析】一滴紅墨水和一杯清水這兩個系統是比較有序的，也可以說無序程度較小，即熵值較小．當把這兩個系統混合後，隨著紅墨水擴散的進行，系統內這種宏觀狀態的無序程度大大增強，所以系統的熵值大大增加．

【答案】熵是增加的

 

探究四、對熱力學第二定律的兩種表述是等價的證

【例4】　熱力學第二定律常見的表述有兩種．

第一種表述：不可能使熱量由低溫物體傳遞到高溫物體，而不引起其他變化；

第二種表述：不可能從單一熱源吸收熱量並把它全部用來做功，而不引起其他變化．

圖甲是根據熱力學第二定律的第一種表述畫出的示意圖：外界對制冷機做功，使熱量從低溫物體傳遞到高溫物體．請你根據第二種表述完成示意圖乙．根據你的理解，熱力學第二定律的實質是________．

【解析】觀察甲圖說明制冷機是通過外力做功把熱量從低溫物體傳遞到高溫物體的．圖乙如圖所示．

【答案】一切與熱現象有關的宏觀過程都具有方向性

 

【本題小結】

1．明確熱力學第二定律的兩種表述是等效的．其實質是自然界中進行的所有涉及熱現象的宏觀過程都具有方向性．

2．特別注意「不引起其他變化」和「引起其他變化」．熱量從低溫物體可以傳到高溫物體，但要「引起其他變化」．

 

 

五、課堂小結

 

六、課堂小測

 

1．(雙選)關於熱傳導的方向性，下列說法正確的是(     )

A．熱量能自發地由高溫物體傳給低溫物體

B．熱量能自發地由低溫物體傳給高溫物體

C．在一定條件下，熱量也可以從低溫物體傳給高溫物體

D．熱量不可能從低溫物體傳給高溫物體

2．下列說法正確的是(          )

A．熱力學第二定律否定了以特殊方式利用能量的可能性

B．電流流過導體轉化為內能，反過來，可將內能收集起來，再轉化成相同大小的電流

C．可以做成一種熱機，由熱源吸取一定的熱量而對外做功

D．冰可以融化成水，水也可以結成冰，這個現象違背了熱力學第二定律

3．第二類永動機不可能製成，是因為(       )

A．違背了能量守恆定律

B．熱量總是從高溫物體傳遞到低溫物體

C．機械能不能全部轉化為內能

D．內能不能全部轉化為機械能，同時不引起其他變化

4．(雙選)關於氣體向真空中擴散的規律的敘述中正確的是(      )

A．氣體分子數越少，擴散到真空中的分子全部回到原狀態的可能性越小

B．氣體分子數越多，擴散到真空中的分子全部回到原狀態的可能性越大

C．擴散到真空中的分子在整個容器中分布越均勻，其宏觀態對應的微觀態數目越大

D．氣體向真空中擴散時，總是沿著分子熱運動的無序性增大的方向進行

小測答案：

Ex1  AC

【解析】在有外力做功的情況下，熱量可以從低溫物體傳給高溫物體，而熱量只能自發地從高溫物體傳給低溫物體．

Ex2  C

【解析】熱力學第二定律說明了一切與熱現象有關的宏觀過程都是有方向性的，但並沒有否認以特殊方式利用能量的可能性，故A錯；功和內能的轉化具有方向性，其逆過程是不可能自發實現的，故B錯；冰融化成水，水結成冰，伴隨著能量的轉移，不是自發進行的，沒有違背熱力學第二定律．

Ex3  D

【解析】第二類永動機的設想並不違背能量守恆定律，但卻違背了涉及熱現象的能量轉化過程是有方向性的規律，A錯；在引起其他變化的情況下，熱量也可由低溫物體非自發地傳遞到高溫物體，B錯；機械能可以全部轉化為內能，如物體克服摩擦力做功的過程，C錯；但在不引起其他變化的情況下，內能卻不能全部轉化成機械能，D對．

Ex4  CD

【解析】氣體分子向真空中擴散時，分子數越少，分子全部分布於原狀態下即全部回到原狀態的概率越大；分子數越多，分子全部分布於原狀態下即全部回到原狀態的概率越小，則A、B錯誤．擴散到真空中的分子在整個容器中均勻分布的概率最大，即其宏觀態對應的微觀態最多，並且這一宏觀態的無序性最強，C、D正確．

請同學們把小測的答案+筆記+分層作業答案寫到作業本上，用掃描王掃描後上傳到小小籤到物理作業處。

課後請完成調查問卷

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