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- 2021-05-26 发布
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§4.热力学第二定律
§ 一、热力学第二定律的一种表述
§ 1.热传导的方向性
§ (1)凡是实际的过程,只要涉及热现象,都有特定的
性;这些过程可以自发地朝某个 进行,而相反的过
程.即使不违背能量守恒定律,它们也不会 地进行.
§ (2)一切与热现象有关的宏观自然过程都是 的.
§ 2.热力学第二定律的一种表述
§ 热量不能 地从低温物体传到高温物体.这是热力学第二定
律的克劳修斯表述,阐述的是 的方向性.
方向
方向
自发
不可逆
自发
传热
§ 二、热力学第二定律的另一种表述
§ 1.热机
§ (1)热机工作的两个阶段
§ 第一个阶段是 ,把燃料中的 变
成工作物质的内能.
§ 第二个阶段是工作物质对外 ,把自己的内能
变成 .
§ (2)热机的效率:热机输出的 与燃料产生的
§ 的比值.用公式表示为η= .
燃烧燃料 化学能
做功
机械能
机械功
热量
§ 2.开尔文表述:不可能从 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).
单一热源
§ 一、热力学第二定律理解中的几个问题
§ 1.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.
§ 2.其他影响:指除了从单一热库吸收的热量,
以及所做的功以外的其他一切影响;或者除了
从低温物体吸收热量、高温物体得到相同的热
量外,其他一切影响和变化.不是不能从单一
热库吸收热量而对外做功,而是这样做的结果,
一定伴随着其他变化或影响.同样,也不是热
量不能从低温物体传到高温物体,而是指不产
生其他影响的自动热传递是不可能的.
§ 3.关于“不可能”:实际上热机或制冷机系
统循环终了时,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,不论用任何曲折
复杂的办法都不可能加以消除.
§ 4.两种表述是等价的
§ 如果克劳修斯表达不成立,则开尔文表述也不
成立.
§ 5.热力学第二定律的实质
§ 热力学第二定律的每一种描述,都揭示了
大量分子参与宏观过程的方向性,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.
§ 二、热力学第一、第二定律的比较及两类永动机的比较
§ 1.热力学第一定律与热力学第二定律的比较
规律
区别
联系
热力学第一定律 热力学第二定律
区别
热力学第一定律是能量守
恒定律在热力学中的体现,
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
热力学第二定律反映了
一切与热现象有关的宏
观自然过程都是不可逆
的,从而否定了第二类
永动机
联系
两定律都是热力学基本定律,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
比较项 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
不断地对外做功(或只给
予很小的能量启动后,
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
有一个热源,实现内能与
机械能的转化)
不可能
的原因
违背了能量守恒定律 违背了热力学第二定律
§ 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,传热也不一定改变内能,但同时做功和传
热一定会改变内能
§ 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,从单一热源吸收热量,
完全变成功也是可能的
§ 解析:
§ 答案: D
§ 【反思总结】 第一类永动机违反能量守恒定律,第
二类永动机不违反能量守恒定律,但违反热力学第二
定律.热力学第一定律是能量守恒定律的一种具体形
式,而热力学第二定律反映的是热现象的方向性.
§ ◎ 教材资料分析
§ 〔思考与讨论〕
§ 地球上海水的总质量达1.4×1021 kg.如果把
这些海水的温度降低1 ℃,放出的热量就达
9×1018 kW·h,足够全世界使用4 000年.这
个设想不违背能量守恒定律,但是不能实现,
所以叫做第二类永动机.前面学到的,违背能
量守恒定律的永动机,叫做第一类永动机.
§ 学过热力学第二定律之后,你能说出为什么不
能制成第二类永动机吗?
§ 【点拨】 虽然第二类永动机不违反能量
守恒定律,大量的事实证明,在任何情况
下热机都不可能只有一个热源,热机要不
断地把吸取的热量变为有用的功,就不可
避免地将一部分热量传给低温热源.
§ 根据热力学第二定律分析,下列说法中正确的是(
)
§ A.热量能够从高温物体传到低温物体,但不能从低温物体传
到高温物体
§ B.热量能够从高温物体传到低温物体,也可以从低温物体传
到高温物体
§ C.机械能可以全部转化为内能,但变化的内能不可以全部转
化为机械能
§ D.机械能可以全部转化为内能,变化的内能也可以全部转化
为机械能
§ 解析:
§ 答案: BD
选项 个性分析
A错误 根据传热的规律可知,热量可以自发地从高温物
体传到低温物体,但不能自发地(不需要外界帮助)
从低温物体传到高温物体。但是如果借助外界的
帮助.热量可以从低温物体传到高温物体
B正确
C错误 机械能可以全部转化为内能(如一个运动物体克服
摩擦力做功而最终停止运动时,机械能全部转化
为内能);在一定条件下,变化的内能也可以全部
转化为机械能,如理想气体在等温膨胀过程中,
将吸收来的热量全部用来做功
D正确
§ 【反思总结】 热量可以从高温物体传到
低温物体.也可以从低温物体传到高温物
体,只不过前者能自发地进行,后者必须
借助外界的帮助;机械能可以全部转化为
内能,而内能要全部转化为机械能,肯定
会引起其他变化
§ 【跟踪发散】 1-1: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: 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
第二定律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
或只知道传热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.
§ 答案: D
§ 如图所示为电冰箱的工作原理示意图.压缩机
工作时,强迫制冷剂在冰箱内外的管道中不断循环.在蒸
发器中制冷剂汽化吸收箱体内的热量,经过冷凝器时制冷
剂液化,放出热量到箱体外,下列说法正确的是( )
§ A.热量可以自发地从冰箱内传到冰箱外
§ B.电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的
热量传到外界,是因为其消耗了电能
§ C.电冰箱的工作原理不违反热力学第一定律
§ D.电冰箱的工作原理违反热力学第一定律
§ 解析: 热力学第一定律是热现象中内能与其
他形式能的转化规律,是能的转化和守恒定律
的具体表现,适用于所有的热学过程,故C正
确,D错误;再根据热力学第二定律,热量不
能自发地从低温物体传到高温物体,必须借助
于其他系统做功.A错误,B正确,故选B、C.
§ 答案: BC
§ 【跟踪发散】 2-1:关于热现象和热学规律,
下列说法中正确的是( )
§ A.随着低温技术的发展,我们可以使温度逐
渐降低,并达到绝对零度,最终实现热机效率
100%
§ B.热量是不可能从低温物体传递给高温物体
的
§ C.第二类永动机遵守能量守恒定律故能制成
§ D.用活塞压缩汽缸里的空气,对空气做功
2.0×105 J,同时空气向外界放出热量1.5×105
J,则空气的内能增加了0.5×105 J
§ 解析: 绝对零度不可能达到,A错误;由
热力学第二定律知,B、C错误;由热力学
第一定律知,D正确.
§ 答案: D
§ 1.下列哪些物理过程具有方向性( )
§ A.热传导过程
§ B.机械能和内能的转化过程
§ C.气体的扩散过程
§ D.气体向真空中膨胀的过程
§ 解析: 一切与热现象有关的自然现象都具有
方向性,应选ABCD.
§ 答案: ABCD
§ 2.关于热传导的方向性,下列说法正确的是(
)
§ A.热量只能由高温物体传给低温物体
§ B.热量能自发地由低温物体传给高温物体
§ C.在一定条件下,热量也可以从低温物体传
给高温物体
§ D.热量一定不可能从低温物体传给高温物体
§ 解析: 在有外力做功情况下,热量可以从低
温物体传递给高温物体,而热量只能自发地从
高温物体传给低温物体,故C选项正确.
§ 答案: C
§ 3.关于热力学定律,下列说法正确的是( )
§ A.在一定条件下物体的温度可以降到0 K
§ B.物体从单一热源吸收的热量可全部用于做
功
§ C.吸收了热量的物体,其内能一定增加
§ D.压缩气体总能使气体的温度升高
§ 解析: 热力学零度,即我们所说的-273.15
℃,这个温度只能无限接近而不能达到,A错;
由热力学第二定律知,物体不可能从单一热源
吸收热量全部用来做功而不引起其他变化,换
句话说,在引起其他变化的情况下,物体可以
从单一热源吸收热量全部用来做功,所以B正
确;根据热力学第一定律,ΔU=W+Q知,改
变物体内能的方式是做功和热传递,所以物体
吸收了热量或对物体做功其内能都不一定增加,
故C、D错.
§ 答案: B
§ 4.下列宏观过程能用热力学第二定律解释的
是( )
§ A.大米和小米混合后小米能自发地填充到大
米空隙中而经过一段时间大米、小米不会自动
分开
§ B.将一滴红墨水滴入一杯清水中,会均匀扩
散到整杯水中,经过一段时间,墨水和清水不
会自动分开
§ C.冬季的夜晚,放在室外的物体随气温的降
低,不会由内能自发地转化为机械能而动起来
§ D.随着节能减排措施的不断完善,最终也不
会使汽车热机的效率达到100%
§ 解析: 热力学第二定律反映的是与热现
象有关的宏观过程的方向性的规律,A不属
于热现象,A错;由热力学第二定律可知B、
C、D正确.
§ 答案: BCD
§ 5.关于热力学第一定律和热力学第二定律,
下列论述正确的是( )
§ A.热力学第一定律指出内能可以与其他形式
的能相互转化,而热力学第二定律则指出内能
不可能完全转化为其他形式的能,故这两条定
律是相互矛盾的
§ B.内能可以转化为其他形式的能,只是会产
生其他影响,故两条定律并不矛盾
§ C.两条定律都是有关能量的转化规律,它们
不但不矛盾,而且没有本质区别
§ D.其实,能量守恒定律已经包含了热力学第
一定律和热力学第二定律
§ 答案: BCD
§ 6.随着世界经济的快速发展,能源短缺问
题日显突出,近期油价不断攀升,已对各
国人民的日常生活造成了各种影响,如排
长队等待加油的情景已经多次在世界各地
发生,能源成为困扰世界经济发展的重大
难题之一,下列有关能量转化的说法中错
误的是( )
§ A.不可能从单一热源吸收热量并把它全部用
来做功,而不引起其他的变化
§ B.只要对内燃机不断改进,就可以把内燃机
得到的全部内能转化为机械能
§ C.满足能量守恒定律的物理过程都能自发的
进行
§ D.外界对物体做功,物体的内能必然增加
§ 解析: 由热力学第二定律的开尔文表述可知
A对.热机效率总低于100%,B错.满足能量
守恒的过程未必能自发进行,任何过程一定满
足热力学第二定律,C错.由热力学第一定律
ΔU=W+Q可知,W>0,ΔU不一定大于0,即
内能不一定增加,D错.
§ 答案: BCD
§ 7.(2011·大纲全国卷·14)关于一定量的气体,
下列叙述正确的是( )
§ A.气体吸收的热量可以完全转化为功
§ B.气体体积增大时,其内能一定减少
§ C.气体从外界吸收热量,其内能一定增加
§ D.外界对气体做功,气体内能可能减少
§ 解析: 由热力学第二定律知,热量可以完全
转化为功,但要引起其他变化,A选项对.由
热力学第一定律ΔU=W+Q知,改变物体内能
的两种方式是做功和热传递,B项只说明气体
对外做功,没有考虑热传递;C项只说明气体
从外界吸收热量,没有考虑做功情况,故B、
C选项均错,D选项对.
§ 答案: AD
§ 8.如图所示是制冷机的工作原理图,试分
析每个过程中工作物质的内能改变情况和
引起改变的物理过程:
§ (1)工作物质的内能________,是________的过程;
§ (2)工作物质的内能________,是________的过程;
§ (3)工作物质的内能________,是________的过程.
§ 解析: 在(1)中电动机推动活塞,压缩气体,对气体做功,
内能增加,在(2)中,气体液化要放出热量,内能减小;在(3)
中,是工作物质的汽化过程,要吸收热量,内能增加.
§ 答案: (1)增加 做功 (2)减小 放热 (3)增加 吸热
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