高中物理 第十章 热力学定律 第4节 热力学第二定律学案(含解析)新人教版选修3-3

第4节 热力学第二定律

1．了解热传递、扩散现象、机械能与内能的转化等都具有方向性，了解什么是热力学第二定律。

2．了解热力学第二定律的两种表述，以及两种表述的物理实质。

3．了解什么是第二类永动机，知道第二类永动机不能制成的原因。

4．能运用热力学第二定律解释自然界中的能量转化、转移及宏观自然过程的方向性问题。

一、热力学第二定律的两种表述

1．热力学第二定律的克劳修斯表述 (1)热力学第二定律(概念)：反映□01宏观自然过程的方向性的定律。 (2)克劳修斯表述：热量不能自发地从□

02低温物体传到□03高温物体。即热传导的过程具有□04方向性。

2．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□05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□

06对外做功，把自己的内能变成机械能。 ②热机的效率：热机输出的机械功W 与燃料产生的热量Q 的比值。用公式表示为□07η＝W Q

。 (2)开尔文表述：不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响。即机械能与内能转化具有方向性。

(3)热力学第二定律的其他描述

①气体向真空的自由膨胀是□

08不可逆的。 ②一切宏观自然过程的进行都具有□

09方向性。 (4)第二类永动机

①定义 只从单一热源吸收热量，使之完全变为有用功而不引起其他变化的□

10热机。 ②第二类永动机不可能制成 第二类永动机不违背□11能量守恒定律，但违背□12热力学第二定律。 二、热力学第一定律、热力学第二定律的比较及两类永动机的比较

1．热力学第二定律与热力学第一定律

(1)热力学第一定律揭示了□01做功和□02热传递对改变物体内能的规律关系ΔU ＝□03W ＋Q ，指明内能不但可以转移，而且还能跟其他形式的能相互转化。热力学第一定律就是内能与其他能量发生转化时的能量守恒定律，是从能的角度揭示不同物质运动形式相互转化的可能性。告诫人们：第一类永动机不可能制成。热力学第一定律只有一种表述形式。

(2)热力学第二定律的每一种表述都揭示了大量分子参与的宏观过程的方向性。如机械能可以全部转化为内能，内能却不可能全部转化为机械能而不引起其他变化，进而使人们认识到自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性。告诫人们：第二类永动机不可能制

成。热力学第二定律有□

04多种表述形式。 (3)两定律的关系：热力学第一定律是和热现象有关的物理过程中能量守恒的表达形式，说明功及热量与内能改变的定量关系，而第二定律指出了能量转化与守恒能否实现的条件和过程进行的方向，指出了一切变化过程的自然发展方向不可逆，除非靠外界影响。所以二者相互独立，又相互补充。

2．两类永动机的比较

判一判

(1)任何物体的内能就是组成该物体的所有分子热运动动能的总和。( )

(2)满足能量守恒定律的物理过程都能自发进行。( )

(3)将海水温度自动下降时释放的内能可以全部转化为机械能。( )

(4)能够制成的热机既不违背能量守恒定律，也不违背热力学第二定律。( )

提示：(1)× (2)× (3)× (4)√

课堂任务对热力学第二定律的理解

1．热力学第二定律克劳修斯表述阐述了热传递的方向性。其含义是热量从高温物体传递到低温物体是一个自发过程，不需要任何第三者的介入，不会对任何第三者产生任何影响。“自发地”是指没有任何外界的影响或帮助。如：重物下落、植物的开花结果等都是自然界客观存在的一些过程，它们不受外界干扰，这就是自发的过程。

2．热量也可以由低温物体传到高温物体，但这一定不是一个自发过程，这个过程必须有第三者的介入。

3．热力学第二定律的开尔文表述阐述了机械能与内能转化的方向性：通过做功，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化成机械能而不产生其他影响。

4．热力学第二定律的实质：一切与热现象有关的宏观过程都具有方向性。

热力学第二定律的每一种表述，揭示了大量分子参与的宏观过程的方向性，使人们认识到自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性。

例1 (多选)根据热力学第二定律，下列说法正确的是( )

A．热机中燃气的内能不可能全部变成机械能

B．电能不可能全部转变成内能

C．在火力发电机中，燃气的内能不可能全部转变成电能

D．在热传导中，热量不可能自发地从低温物体传递给高温物体

[规范解答] 热力学第二定律指明了宏观热现象具有方向性，利用这一方向性特点进行分析。凡是与热现象有关的宏观热现象都具有方向性。无论采用任何设备和手段进行能量转化，根据热机工作原理，热机工作时从高温热库吸热，一部分对外做功，一部分产生热量排出，热机的机械效率总小于100%，故A正确。火力发电机发电时，能量转化的过程为内能→机械能→电能，因为内能→机械能的转化过程中会对外放出热量，故燃气的内能必然不能全部变为电能，C正确。热量从低温物体传递到高温物体不能自发进行，必须借助外界的帮助，结果会带来其他影响，这正是热力学第二定律第一种表述的主要思想，故D正确。由电流热

效应中的焦耳定律可知，电能可以全部转化为内能，故B错误。

[完美答案] ACD

对热力学第二定律的理解

(1)理解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”。

(2)还要正确理解哪些过程不会达到100%的转化而不产生其他影响。

[变式训练1](多选)根据热力学第二定律，下列说法中正确的是( )

A．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

B．没有冷凝器，只有单一的热源，能将从单一热源吸收的热量全部用来做功，而不引起其他变化的热机是可以实现的

C．制冷系统将冰箱里的热量传给外界较高温度的空气中而不引起其他变化

D．不可能使热量由低温物体传递到高温物体，而不引起其他变化