2022年高中物理同步讲义(选修性必修3)第13讲-热力学第二定律(原卷版).docx

第13讲 热力学第二定律
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通过自然界中宏观过程的方向性，了解热力学第二定律

1.通过自然界中客观过程的方向性，了解热力学第二定律。
2.了解热力学第二定律的两种不同表述，以及两种表述的物理实质。
3.能运用热力学第二定律解释自然界中的能量转化、转移以及宏观自然过程的方向性问题。
4.认识能量耗散，知道能源是有限的。

知识精讲

知识点01 热力学第二定律
1．定义：在物理学中，反映宏观自然过程的方向性的定律；
2．热力学第二定律的克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传到高温物体；阐述的是传热的方向性。
3．热力学第二定律的开尔文表述：
(1)热机
①热机工作的两个阶段：第一个阶段是燃烧燃料，把燃料中的化学能变成工作物质的内能；第二个阶段是工作物质对外做功，把自己的内能变成机械能。
②热机用于做功的热量一定小于它从高温热库吸收的热量，即W
(2)气体的扩散现象具有方向性：两种不同的气体可以自发地进入对方，最后成为均匀的混合气体，但这种均匀的混合气体，决不会自发地分开，成为两种不同的气体。
(3)机械能和内能的转化过程具有方向性：物体在地面上运动，因摩擦而逐渐停止下来，但绝不可能出现物体吸收原来传递出去的热量后，在地面上重新运动起来。
(4)气体向真空膨胀具有方向性：气体可自发地向真空容器内膨胀，但绝不可能出现气体自发地从容器中流出，使容器内变为真空。
2．在热力学第二定律的表述中，“自发地”“不产生其他影响”“单一热库”“不可能”的含义
(1)“自发地”是指热量从高温物体“自发地”传给低温物体的方向性．在传递过程中不会对其他物体产生影响或借助其他物体提供能量等；
(2)“不产生其他影响”的含义是发生的热力学宏观过程只在本系统内完成，对周围环境不产生热力学方面的影响．如吸热、放热、做功等；
(3)“单一热库”：指温度均匀并且恒定不变的系统．若一系统各部分温度不相同或者温度不稳定，则构成机器的工作物质可以在不同温度的两部分之间工作，从而可以对外做功．据报道，有些国家已在研究利用海水上下温度不同来发电；
(4)“不可能”：实际上热机或制冷机系统循环时，除了从单一热库吸收热量对外做功，以及热量从低温热库传到高温热库以外，过程所产生的其他一切影响，不论用任何的办法都不可能加以消除。
【即学即练1】关于两类永动机和热力学的两个定律，下列说法正确的是（　　）
A．第二类永动机不可能制成是因为违反了热力学第一定律
B．第一类永动机不可能制成是因为违反了热力学第二定律
C．由热力学第一定律可知做功不一定改变内能，热传递也不一定改变内能，但同时做功和热传递一定会改变内能
D．由热力学第二定律可知热量从低温物体传向高温物体是可能的。
知识点02 能源是有限的
1．能源：具有高品质的容易利用的储能物质．
2．能量耗散：使用的能源转化成内能分散在环境中不能自动聚集起来驱动机器做功，这样的转化过程叫作“能量耗散”．
3．能源的使用过程中虽然能的总量保持不变，但能量的品质下降了，能源减少了．
【知识拓展】
（一）能量与能源的区别
1．能量是守恒的，既不会增加也不会减少。
2．能源是能够提供可利用能量的物质。
3．能量耗散，能量总量不变，但能量品质会下降即能源减少，故我们要节约能源。
（二）热力学第一定律和热力学第二定律的比较
1．两定律的比较

热力学第一定律
热力学第二定律
区别
是能量守恒定律在热力学中的表现，否定了创造能量和消灭能量的可能性，从而否定了第一类永动机
是关于在有限空间和时间内，一切和热现象有关的物理过程、化学过程具有不可逆性的经验总结，从而否定了第二类永动机
联系
两定律分别从不同角度揭示了与热现象有关的物理过程所遵循的规律，二者既相互独立，又相互补充，都是热力学的理论基础

2.两类永动机的比较

第一类永动机
第二类永动机
设计要求
不消耗任何能量，可以不断做功(或只给予很少的能量启动后，可以永远运动下去)
将内能全部转化为机械能，而不引起其他变化(或只有一个热库，实现内能向机械能的转化)
不可能制成的原因
违背了能量守恒定律
违背了热力学第二定律

【即学即练2】下列说法不正确的是（　　）
A．利用太阳能、风能和氢能等能源替代化石能源，可减少环境污染
B．用纯电动汽车代替燃油汽车，可改善空气质量
C．能量是守恒的，我们不需要节约能源
D．能量的耗散从能量转化的角度反映出自然界中宏观过程的方向性.能源的利用受这种方向性的制约，所以能源的利用是有条件的，也是有代价的
能力拓展

考法01 热力学第二定律
【典例1】大约在1670年，英国的一个主教维尔金斯设计了一种磁力“永动机”。如图所示，在斜面顶上放一块强有力的磁铁，斜面上端有一个小孔，斜面下有一个连接小孔直至底端的弯曲轨道。维尔金斯认为：如果在斜面底放一个小铁球，那么由于磁铁的吸引，小铁球就会向上运动；当小铁球运动到小孔P处时，它就要掉下，再沿着斜面下的弯曲轨道返回斜面底端Q；由于小球有速度而可以对外做功，然后又被磁铁吸引回到斜面上端，到小孔P处又掉下。在以后的200多年里，维尔金斯的永动机居然改头换面地出现过多次，其中一次在1878年，即能量转化和守恒定律被确定20年后，而且竟在法国取得了专利权！请你分析一下，维尔金斯的“永动机”能实现吗？

考法02 能源与环境
【典例2】大规模开发利用太阳能，将会满足人类长期对大量能源的需求。太阳能的光一热转换是目前技术最为成熟、成本最低廉、应用最广泛的形式。太阳能热水器的构造示意图如图甲所示，下方是象日光灯管似的集热管，外有透明玻璃管，内有黑色管子（管内蓄水），由导热性能良好的材料制成，在黑色管和外面透明管间有空隙，并抽成真空，集热管的下方是一块光亮的铝合金板子，做成凹凸一定的曲面。试分析下列有关太阳能的利用问题：
(1)说明太阳能热水器哪些结构与其功能相适应？水箱为何安装在顶部而非下部？
(2)图乙中A是集热器，B是储水容器，在阳光直射下水将沿什么方向流动，这是为什么？，C是附助加热器，其作用是什么？。请在图中适当位置安上进水阀门和出水阀门，并说明选择位置的理由。
(3)试举例分析说明太阳能与电能、化学能、生物能的转换。

分层提分

题组A 基础过关练
1．产生酸雨的祸首是（　　）
A．二氧化碳 B．氟利昂 C．二氧化硫 D．一氧化碳
2．随着人们对社会发展、全球环境问题认识的加深，可持续能源的开发和利用，已成为人类社会可持续发展的重要前提之一。以下关于能源开发和利用的认识，正确的是（　　）
A．地球上的能源是取之不尽，用之不竭的
B．节约能源是人类社会可持续发展的重要方面
C．提倡“低碳生活”就是提倡生活中不用或少用二氧化碳
D．能源的利用过程是可逆的
3．关于能源的开发和节约，你认为下列哪些观点是错误的（　　）
A．常规能源是有限的，无节制地利用常规能源，如石油之类，是一种盲目的短期行为
B．根据能量守恒定律，担心能源枯竭是一种杞人忧天的表现
C．能源的开发和利用，必须要同时考虑其对环境的影响
D．通过核聚变利用核能是目前开发新能源的一种新途径
4．下列关于能量转化或转移过程的叙述中，正确的是（　　）
A．汽车的内燃机通过燃烧汽油而对外做功，同时还向空气中散热，这违背热力学第一定律
B．冷水倒入保温杯后，冷水和杯子的温度都变得更低，这是不可能的，因为违背热力学第一定律
C．某新型热机工作时将从高温热源吸收的热量全部转化为功，而不产生其他影响，这不违背热力学第一定律、也不违背热力学第二定律
D．冰箱的制冷机工作时实现了热量从箱内低温环境散发到箱外温度较高的室内，这违背热力学第二定律
5．下列有关现象的描述或判断正确的是（ ）
A．露珠通常呈现球状，是水的表面张力作用的结果
B．气体可以被压缩，但又不能无限地被压缩说明气体分子间存在相互作用的斥力
C．悬浮在液体中的微小颗粒的无规则运动就是分子热运动
D．在一个孤立的系统内，一切自然过程总是沿着分子热运动无序性减小的方向进行
6．关于热力学定律，下列说法正确的是（　　）
A．随着高科技的不断发展，绝对零度是可以达到的
B．热力学第一定律也可表述为第一类永动机不可能制成
C．因为第二类永动机不违背能量守恒定律，所以它将会被制造出来
D．热量能够白发地从高温物体传递到低温物体，不能从低温物体传递到高温物体
7．下列说法中正确的是（　　）
A．悬浮在水中花粉颗粒的布朗运动反映了花粉中分子做无规则的热运动
B．足球充足气后很难压缩，是足球内气体分子间斥力作用的结果
C．温度相同的氢气和氧气中，氢气分子和氧气分子的平均速率不同
D．热量不能从低温物体传到高温物体
8．如图所示，两种不同的金属组成一个回路，接触头1置于热水杯中，接触头2置于冷水杯中，此时回路中电流计发生偏转，这是温差电现象假设此过程电流做功为W，接触头1从热水中吸收的热量为Q1，冷水从接触头2吸收的热量为Q2，根据热力学第二定律可得（　　）

A．Q1=W B．Q1>W C．Q1机可以使温度降到
D．满足能量守恒定律的物理过程都能自发进行
10．根据热力学定律和分子动理论，可知下列说法正确的是（ ）
A．不管科技如何进步，绝对零度都不能达到
B．为了增加物体的内能，必须给物体传递热量
C．空气压缩到一定程度很难再压缩是因为分子间存在斥力的作用
D．可以利用高科技手段，将散失到环境中的内能重新收集起来加以利用而不引起其他变化

题组B 能力提升练
1．下列有关能的转化的说法中正确的是（　　）
A．热传递是其他形式的能与内能之间的转化过程
B．自然界的能量是守恒的，能源危机是不存在的
C．摩擦生热、热传递的过程是具有方向性的
D．能量的耗散否定了能量的转化与守恒定律
2．选用下列八种表述组合出的四个选项中全都正确的一项是（　　）
①布朗运动反映了微粒分子在做无规则热运动
②水黾可以停在水面上是因为液体有表面张力
③一定质量的的水变成的水蒸气其内能增加
④第一类永动机由于违反热力学第一定律而不可能制成
⑤当分子间距离增大时分子间引力和斥力都减小
⑥各个方向导热性能均相同的晶体一定是多晶体
⑦若气体从外界吸收热量则内能一定增大
⑧热量可以从低温物体向高温物体传递
A．①③⑤⑦ B．①②⑥⑧ C．③④⑤⑥ D．②③⑤⑧
3．在人类经济发展中环境保护日益重要，而利用太阳能发电投资少，见效快。如果用太阳能替代化石燃料可以减少温室气体的排放，减轻污染，有利于环境保护。以农村住宅屋顶发电为例，如屋顶放置垂直太阳光线的光电池板，面积为10米×5米，已知太阳光垂直照射到地球表面的光能平均为1400焦/米2•秒，如果太阳平均每天有6小时的垂直照射，现在的光电转化率大约为23％，那么这个屋顶在一天内发电大约有（　　）
A．10000度 B．1000度 C．100度 D．10度
4．下列说法正确的是（　　）
A．熵增加原理说明一切自然过程总是向着分子热运动的无序性减小的方向进行
B．质量相等的80 ℃的液态萘和80 ℃的固态萘相比，具有相同的分子势能
C．液体具有流动性是因为液体分子具有固定的平衡位置
D．气体分子单位时间内与单位面积器壁碰撞的次数与单位体积内气体的分子数和温度都有关
5．下列说法正确的是（　　）
A．因为能量守恒，所以能源危机是不可能的
B．热力学第二定律可表述为所有自发的热现象的宏观过程都具有方向性
C．摩擦力做功的过程，必定有机械能转化为内能
D．第二类永动机不可能制造成功的原因是违背了能量守恒定律
6．关于热力学第二定律，下列表述正确的是（　　）
A．不可能使热量从低温物体传递到高温物体
B．不可能从单一热库吸收热量并把它全部用来做功
C．一切自然过程总是沿着分子热运动无序性增大的方向进行
D．在任何的自然过程中，一个孤立系统的总熵一定增加
7．下列说法错误的是（　　）
A．悬浮在水中的花粉做布朗运动反映了花粉分子的热运动
B．并不是所有晶体都具有各向异性
C．温度是描述热运动的物理量，一个系统与另一个系统达到热平衡时两系统温度相同
D．不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化
8．根据你所学过的知识判断以下说法不正确的是（　　）

A．在图1中，向上拉动下表面紧贴水面的玻璃板时，拉力大于重力，主要是分子力作用的影响
B．在图2中，随着活塞上砝码个数的增加，气缸内封闭的气体越来越难压缩（始终为气体状态），主要原因是由于随着气体体积的减小，分子间的斥力越来越大
C．用烧热的针尖接触表面涂有蜂蜡层的云母片蜂蜡层形成了如图3所示的熔化区域，说明云母片对于导热性存在着各向异性
D．图4为热机能流图，随着机械制造工艺、机械材料等科学技术的不断发展，热机的效率仍无法达到100%
9．下列说法中正确的是（　　）
A．固体可以分为晶体和非晶体两类，非晶体和多晶体都没有固定的熔点
B．液晶像液体一样具有流动性，而其光学性质与某些多晶体相似，具有各向同性
C．热量能够从高温物体传到低温物体，但不可能从低温物体传到高温物体
D．密封在体积不变的容器中的气体，若温度升高，则气体分子对器壁单位面积上的平均作用力增大
10．如图所示，一定质量的理想气体从状态A依次经过状态B、C和D后再回到状态A。其中A→B和C→D为等温过程，B→C和D→A为绝热过程（气体与外界无热量交换）。这就是著名的“卡诺循环”。在该循环过程中，下列说法正确的是（　　）

A．A→B过程中，气体从外界吸热并全部用来对外做功，所以违反了热力学第二定律
B．C→D过程中，单位时间内碰撞单位面积器壁的分子数减少
C．D→A过程中，气体分子的速率分布曲线不发生变化
D．气体在完成一次循环过程中（A→B→C→D→A）对外做功

题组C 培优拔尖练
1．下列说法中正确的是（　　）
A．只要知道水的摩尔质量和水分子的质量，就可以计算出阿伏伽德罗常数
B．内能向机械能转化是有条件的，即环境中必须存在温度差，通过科技创新，我们能够研制出内能全部转化为机械能的热机
C．在使两个分子间的距离由很远（r＞10-9m）减小到很难再靠近的过程中，分子间作用力先减小后增大；分子势能不断增大
D．温度升高，分子热运动的平均动能一定增大，但并非所有分子的速率都增大
E.一定质量的理想气体经等温压缩后，其压强一定增大
2．下列说法正确的是（　　）
A．空调既能制热又能制冷，说明热传递不存在方向性
B．水蒸气的实际压强越大，相对湿度越大
C．布朗运动是悬浮在液体或气体中的小颗粒的无规则运动
D．实际气体的内能包括气体分子之间的相互作用的势能
E.对一定质量的理想气体，当它的压强、体积都增大时，其内能一定增大
3．下列有关热现象分析与判断正确的是 （　　）
A．布朗运动是由于液体分子对固体小颗粒的撞击引起的，固体小颗粒的体积越大，液体分子对它的撞击越多，布朗运动就越显著
B．在墙壁与外界无热传递的封闭房间里，夏天为了降低温度，同时打开电冰箱门和电风扇，两电器工作较长时间后，房子内的气温将会增加
C．温度升高，单位时间里从液体表面飞出的分子数增多，液体继续蒸发，饱和气压强增大
D．在一个大气压下，1克100℃的水吸收2.26×103J热量变为1克100℃的水蒸气，在这个过程中，2.26×103J=水蒸气的内能+水的内能+水变成水蒸气体积膨胀对外界做的功
4．关于热现象，下列说法正确的是（　　）
A．在“用油膜法估测分子的大小”的实验中，油酸分子的直径（也就是单层油酸分子组成的油膜的厚度）等于一小滴溶液中纯油酸的体积与它在水面上摊开的面积之比
B．两个邻近的分子之间同时存在着引力和斥力，它们都随距离的增大而减小，当两个分子的距离为r0时，引力与斥力大小相等，分子势能最小
C．同种物质要么是晶体，要么是非晶体，不可能以晶体和非晶体两种不同的形态出现
D．如果用Q表示物体吸收的能量，用W表示物体对外界所做的功，ΔU表示物体内能的增加，那么热力学第一定律可以表达为Q=ΔU+W
E.如果没有漏气没有摩擦，也没有机体热量的损失，这样的热机的效率可以达到100%
5．关于分子动理论和热力学定律，下列说法中正确的是（　　）
A．一定质量的理想气体，若吸收热量100J时，内能减少了10J，则气体一定对外做了110J的功
B．布朗运动是由于分子无规则运动直接形成的，而扩散现象是分子热运动的间接反映
C．阿伏加德罗常数是联系微观物理量和宏观物理量的桥梁，已知水的摩尔质量和水分子的质量，可以求出该常数
D．第二类永动机虽然不违反热力学第二定律，但它违背了能量守恒定律
E.水面上的单分子油膜，在测量油膜分子直径时可把它们当作球形处理
6．下列说法正确的是（　　）
A．可以从单一热源吸收热量，使其全部转化成内能而不引起其他变化
B．所有晶体都有固定熔点
C．做布朗运动的花粉颗粒，温度越高，运动越剧烈
D．单位时间内气体分子对容器壁单位面积上碰撞次数减少，气体的压强一定减小
E.由于液体表面层的分子间距离大于液体内部分子间的距离，所以液体表面具有收缩的趋势
7．关于热力学定律，下列说法正确的是（　　）
A．第一类永动机不可能制成是因为违反了能量守恒定律
B．电冰箱的工作表明，热量可以自发地从低温物体向高温物体传递
C．一定质量的理想气体密封在容积不变的容器内，若温度升高，则气体一定吸收热量
D．一定质量的理想气体，在等压膨胀过程中，气体一定放出热量
E.一定质量的理想气体从外界吸收热量，则气体的内能不一定增大
8．如图所示，导热气缸内封闭一定质量的理想气体，外界环境保持恒温，活塞与气缸壁光滑接触，现将活塞杆缓慢向右移动，这样气体将等温膨胀并通过活塞对外做功，下列说法正确的是（ ）

A．所有气体分子热运动的速率都相等
B．气体的压强减小
C．气体分子在单位时间内撞击气缸壁上单位面积的平均次数增加
D．气体对外做功，从外界吸收热量，但内能不变
E.气体从单一热源吸热，全部用来对外做功，但不违反热力学第二定律
9．对于以下教材中配图说明，说法正确的是（　　）

A．甲图为油膜法估算分子直径的实验图。实验中需注意待油酸薄膜形状稳定后再描绘油酸膜的形状
B．乙图为布朗运动产生原因示意图。说明微粒越大液体分子沿各方向撞击它的数量越多，布朗运动越明显
C．丙图为模拟气体压强产生机理实验图。说明气体压强是由气体分子对器壁频繁碰撞产生的
D．丁图为热机工作时的能流分配图。说明热机的效率可能达到100%
10．下列说法中正确的是（　　）
A．高原地区水的沸点较低，这是高原地区温度较低的缘故
B．空调制冷说明热量可以自发地由低温物体传递给高温物体
C．一切与热现象有关的宏观自然过程都具有方向性，都是不可逆的
D．液体中悬浮微粒的布朗运动是周围液体分子对它的撞击作用不平衡所引起的
E.在毛细现象中，毛细管中的液面有的升高，有的降低，这与液体的种类和毛细管的材质有关
11．据《中国环境报》报道：从一份简单科技攻关课题研究结果显示，1999年我国酸雨区已占国土面积的40%以上，研究结果还表明，我国农业每年因遭受酸雨而造成的经济损失高达15亿多元。为了有效控制酸雨，目前国务院已批准《酸雨控制区和二氧化硫污染控制区划分方案》等法规。在英国进行的一项研究结果表明：高烟囱可有效地降低地面SO2浓度。在20世纪的60~70年代的10年间，由发电厂排放的SO2增加了35%，但由于建造高烟囱的结果，地面浓度降低了30%之多。
（1）请你从全球环境保护的角度，分析这种做法是否可取？说明其理由并举出几种控制酸雨的有效途径。
（2）用传统的煤、石油作燃料，其主要缺点是什么？与传统的煤、石油作燃料相比，哪种物质可以作为新能源？主要优点是什么，缺点又是什么？
12．回答下列问题：
（1）用简明的语言表述热力学第二定律（只要求写出一种描述）．
（2）理想气体等温膨胀时从单一热源吸收的热量全部用来对外做功，这一过程是否违反热力学第二定律？为什么？
（3）已知1kg的柴油完全燃烧放出热量Q=3.3×107J，某手扶拖拉机的效率η=30%，耕地时在水平方向匀速前进s=5km消耗柴油1kg，求该手扶拖拉机的牵引力F．