第四章 第3、4节 宏观过程的方向性 热力学第二定律

第3、4节宏观过程的方向性__热力学第二定律

一、宏观过程的方向性

1．热传递的方向性

在无外界影响的情况下，热只能从高温物体传向低温物体，要使热量从低温物体传向高温物体，外界必须对物体做功，即热传递具有方向性。

2．扩散现象的方向性

实事表明大量分子从某一位置扩散到其他空间，在没有其他影响时，不可能再全部回到原位置，即扩散现象具有方向性。

3．机械能与内能转化的方向性

(1)物体的内能不会自发地转化为物体的动能，即机械能与内能之间转化存在方向性。

(2)热机的效率η＝W

Q1＝1－

Q2

Q1(Q1表示热机从高温热源吸收的热量，Q2表示向低温热源

放出的热量，W表示对外做功)。

4．其他过程的方向性

(1)燃烧现象、爆炸现象也具有方向性。

(2)在事件发生时，只沿某个方向发生，而不可能在没有外界影响的情况下沿相反方向发生的过程称不可逆过程。

二、热力学第二定律

1．热力学第二定律的表述

(1)克劳修斯表述

不可能把热量从低温物体传递到高温物体而不产生其他影响。

(2)开尔文表述

不可能从单一热源吸收热量使之全部变为有用的功而不产生其他影响。

2．意义

热力学第二定律是反映宏观自然过程的方向性的定律。

1．判断：(1)温度不同的两个物体接触时，温度会自发地从高温物体传给低温物体。()

(2)一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的。()

(3)机械能可以全部转化为内能，而内能无法全部用来做功以转换成机械能。()

答案：(1)×(2)√(3)×

2．思考：热传递的方向性能否简单理解为“热量不会从低温物体传给高温物体”？

提示：不能。“自发地”是指没有第三者影响，例如空调、冰箱等制冷机就是把热量从低温物体传到了高温物体，但是也产生了影响，即外界做了功。

1.

观过程)都具有方向性。热现象是与大量分子的无规则运动相联系的，因此，自然界中存在的凡涉及与分子热运动有关的宏观过程都是有方向性的。这就是热力学第二定律的实质。

2．热力学第二定律说明自然界中各种不可逆过程都是相关联的，即由某一过程的不可逆性可推出另一过程的不可逆性。

3．热力学第二定律已在物理、化学、生物等自然学科中有着重要的应用，对我们认识自然、利用自然有重要的指导意义。

(1)在可以引起其他影响的情况下，热量可以从低温物体传到高温物体，如空调、冰箱等。

(2)分析热力学第二定律的应用问题时都不能忽视“自发性”和“不引起其他变化”的物理意义。

1．[多选]下列说法正确的是()

A．热量能自发地从高温物体传给低温物体

B．热量不能从低温物体传到高温物体

C．热传导是有方向性的

D．气体向真空中膨胀的过程是有方向性的

解析：选ACD如果是自发的过程，热量只能从高温物体传到低温物体，但这并不是说热量不能从低温物体传到高温物体，只是不能自发地进行，在外界条件的帮助下，热量也能从低温物体传到高温物体，选项A对，B错，C对；气体向真空中膨胀的过程是不可逆的，具有方向性，选项D对。

1．热力学第一定律与热力学第二定律的关系

热力学第一定律中，摩擦力做功可以全部转化为热，热力学第二定律却说明这一热量

不可能在不引起其他变化的情况下由热完全转化为功，热量可以从高温物体自发地传向低温物体。而热力学第二定律却说明热量不能自发地从低温物体传向高温物体。热力学第一定律说明在任何过程中能量必守恒，热力学第二定律却说明并非所有能量守恒的过程均能实现。热力学第二定律是反映自然过程进行的方向和条件的一个规律，它指出自然界中出现的过程是具有方向性的，某些方向的过程可以实现，而另一些方向的过程则不能实现。在热力学中，它和第一定律相辅相成，缺一不可。

2．两类永动机的比较

热力学第二定律的实质，即自然界中进行的所有涉及热现象的宏观过程都具有方向性。理解的关键在于“自发”和“不引起其他变化”。另外，还要正确区分热力学第一定律和热力学第二定律。

2．关于永动机和热力学定律的讨论，下列叙述正确的是( )

A ．第二类永动机违反能量守恒定律

B ．如果物体从外界吸收了热量，则物体的内能一定增加

C ．外界对物体做功，则物体的内能一定增加

D ．做功和热传递都可以改变物体的内能，但从能量转化或转移的观点来看这两种改变方式是有区别的

解析：选D 第二类永动机违反热力学第二定律，并不是违反能量守恒定律，故A 错；据热力学第一定律ΔU ＝Q ＋W 知内能的变化由做功W 和热传递Q 两个方面共同决定，只知道做功情况或只知道热传递情况无法确定内能的变化情况，故B 、C 项错误；做功和热传递都可改变物体内能。但做功是不同形式能的转化，而热传递是同种形式能间的转移，这两种方式是有区别的，故D 正确。

[例1]

案，从理论上讲可行的是()

A．制作一个装置从海水中吸收内能全部用来做功

B．制作一种制冷设备，使温度降至绝对零度以下

C．汽车尾气中各类有害气体排入大气后严重污染了空气，想办法使它们自发地分离，既清洁了空气，又变废为宝

D．将房屋顶盖上太阳能板，可直接用太阳能来解决照明和热水问题

[解析]根据热力学第二定律知道，在不产生其他影响时，内能不能全部转化为机械能，因此从海水中吸收内能全部用来做功而不产生其他影响是不可能实现的，选项A错误；绝对零度是温度的极值，是不能达到的，选项B错误；有害气体和空气不可能自发地分离，选项C错误；利用太阳能最有前途的领域是通过太阳能电池将太阳能转化为电能再加以利用，选项D正确。

[答案] D

[借题发挥]理解热力学第二定律的两种表述，抓住其实质，即自然界中进行的所有涉及热现象的宏观过程都具有方向性。

[例2][多选]

A．热传递的过程是有方向性的

B．第二类永动机不可能制成，因为它违反能量守恒定律

C．第二类永动机不可能制成，因为机械能和内能的转化过程具有方向性

D．热力学第二定律表明，所有的物理过程都具有方向性

[解析]根据热力学第二定律和实验事实都可以说明，热传递的过程是有方向性的，所以选项A正确；第二类永动机是一种热机，这种设想并不违反能量守恒定律，但违反热力学第二定律，所以选项B错误，选项C正确；热力学第二定律指出了所有与热现象有关的宏观物理过程都具有方向性，并不是所有的物理过程都具有方向性，因此选项D的说法错误。

[答案]AC

[借题发挥]第二类永动机虽然没有违反能量的转化和守恒定律，但是机械能和内能的转化具有方向性，尽管机械能可以全部转化为内能，但是内能却不能全部转化为机械能而