高中物理選修三 題庫 第三章 第4節　熱力學第二定律

第4節熱力學第二定律[學習目標要求]1.知道一切與熱現象有關的宏觀自然過程都是不可逆的。2.知道熱力學第二定律的兩種表述內容，并能運用該定律解決一些實際問題。3.了解自然界中的能量轉化和轉移，知道能量耗散的概念。一、熱力學第二定律1.一切與熱現象有關的宏觀自然過程都是不可逆的。如物體間的傳熱、氣體的膨脹、擴散、有摩擦的機械運動……都有特定的方向性。2.反映宏觀自然過程的方向性的定律就是熱力學第二定律。【判一判】(1)熱量能自發地從高溫物體傳給低溫物體。(√)(2)傳熱是有方向性的。(√)(3)氣體向真空中膨脹的過程是有方向性的。(√)二、熱力學第二定律的兩種表述1.熱力學第二定律的克勞修斯表述：熱量不能自發地從低溫物體傳到高溫物體。闡述的是傳熱的方向性。2.熱機熱機工作的兩個階段：第一個階段是燃燒燃料，把燃料中的化學能變成工作物質的內能。第二個階段是工作物質對外做功，把自己的內能變成機械能。3.熱力學第二定律的開爾文表述：不可能從單一熱庫吸收熱量，使之完全變成功，而不產生其他影響。(該表述闡述了機械能與內能轉化的方向性)【判一判】(1)熱量不能從低溫物體傳到高溫物體。(×)(2)不可逆過程指的是某過程只沿某個方向發生，而不可能在沒有外界影響(或不產生其他影響)的情況下沿相反方向發生。(√)(3)內能不可能完全轉化為機械能。(×)(4)一切形式的能量間的相互轉化都不具有可逆性。(×)三、能源是有限的1.能量的轉移和轉化具有方向性：在各種生產生活中，人們利用的各種形式的能最終都轉化成內能流散到周圍的環境中。2.能量耗散根據熱力學第二定律，分散在環境中的內能不管數量多么巨大，它也只不過能使地球、大氣稍稍變暖一點，卻再也不能自動聚集起來驅動機器做功了。這樣的轉化過程叫作“能量耗散”。3.能源：是指具有高品質的容易利用的儲能物質。探究1熱力學第二定律的理解1.單一熱庫：指溫度均勻并且恒定不變的系統。若一系統各部分溫度不相同或者溫度不穩定，則構成機器的工作物質可以在不同溫度的兩部分之間工作，從而可以對外做功。據報道，有些國家已在研究利用海水上下溫度不同來發電。2.其他影響：指除了從單一熱庫吸收的熱量，以及所做的功以外的其他一切影響；或者除了從低溫物體吸收熱量、高溫物體得到相同的熱量外，其他一切影響和變化，不是不能從單一熱庫吸收熱量而對外做功，而是這樣做的結果，一定伴隨著其他變化或影響。同樣，也不是熱量不能從低溫物體傳到高溫物體，而是指不產生其他影響的自動傳熱是不可能的。3.關于“不可能”：實際上熱機或制冷機系統循環終了時，除了從單一熱庫吸收熱量對外做功，以及熱量從低溫熱庫傳到高溫熱庫以外，過程所產生的其他一切影響，不論用任何曲折復雜的辦法都不可能加以消除。4.兩種表述是等價的如果克勞修斯表達不成立，則開爾文表述也不成立。5.適用條件：只能適用于由很大數目分子所構成的系統及有限范圍內的宏觀過程，而不適用于少量的微觀體系，也不能把它擴展到無限的宇宙。【例1】關于熱力學第二定律，下列說法中正確的是()A．不可能從單一熱庫吸熱并把它全部用來做功，而不引起其他變化B．沒有冷凝器，只有單一的熱庫，能將從單一熱庫吸收的熱量全部用來做功，而不引起其他變化的熱機是可以實現的52頁C.制冷系統將冰箱里的熱量傳給外界較高溫度的空氣而不引起其他變化D．在火力發電中，燃氣的內能可能全部變成電能答案A解析熱力學第二定律揭示了與熱現象有關的物理過程的方向性，A正確；機械能和內能的轉化過程具有方向性，機械能可以全部轉化為內能，而內能要全部轉化為機械能必須有外界的幫助，故B錯誤；冰箱向外傳遞熱量時消耗了電能，故C錯誤；火力發電時，能量轉化的過程為內能→機械能→電能，因為內能向機械能轉化過程中會對外放出熱量，故燃氣的內能不會全部變為電能，故D錯誤。【例2】如圖所示為電冰箱的工作原理示意圖。壓縮機工作時，強迫制冷劑在冰箱內、外的管道中不斷循環。在蒸發器中制冷劑汽化吸收箱體內的熱量，經過冷凝器時制冷劑液化，放出熱量到箱體外。下列說法正確的是()A．熱量可以自發地從冰箱內傳到冰箱外B．電冰箱的制冷系統能夠不斷地把冰箱內的熱量傳到外界，是因為其消耗了電能C．電冰箱的工作原理違背熱力學第一定律D．電冰箱的工作原理違背熱力學第二定律答案B解析根據熱力學第二定律，熱量不能自發地從低溫物體傳到高溫物體，要想使熱量從低溫物體傳到高溫物體必須借助于其他系統做功，故A錯誤，B正確；電冰箱的工作原理不違背熱力學第一定律和第二定律，故C、D錯誤。【針對訓練1】對于孤立體系中發生的實際過程，下列說法中正確的是()A．系統的總熵只能減小，不可能增大B．系統的總熵可能增大，可能不變，還可能減小C．系統逐漸從比較有序的狀態向更無序的狀態發展D．系統逐漸從比較無序的狀態向更有序的狀態發展答案C解析在孤立體系中發生的實際過程，其系統的總熵是增加的，它不可能減小，故A、B錯誤；根據熵增加原理，系統總是自發地從比較有序的狀態向更無序的狀態發展，故C正確，D錯誤。探究2永動機不可能制成1.永動機：不需要任何動力或燃料，卻能不斷地對外做功的一種機器，永動機是不可能制成的。2.人類通過對大量的實踐經驗進行總結得知，要獲得一種能量，一定需要利用另一種能量通過做功的方式進行轉化，能量不能被產生。即不可能設計、創造出一種不消耗任何能量而能源源不斷地對外做功的永動機。3.永動機失敗的原因分析：如果沒有外界熱庫供給熱量，則有U2－U1＝W，就是說，如果系統內能減少，即U2＜U1，則W＜0，系統對外做功是要以內能減少為代價的。若想源源不斷地做功，就必須使系統不斷回到初始狀態，在無外界能量供給的情況下是不可能的。【例3】如圖所示，一演示用的“永動機”轉輪由5根輕桿和轉軸構成，輕桿的末端裝有形狀記憶合金制成的葉片，輕推轉輪后，進入熱水的葉片因伸展而“劃水”，推動轉輪轉動。離開熱水后，葉片形狀迅速恢復，轉輪因此能較長時間轉動。下列說法正確的是()A.轉輪依靠自身慣性轉動，不需要消耗外界能量B.轉輪轉動所需能量來自形狀記憶合金自身C.轉動的葉片不斷攪動熱水，水溫升高D.葉片在熱水中吸收的熱量一定大于在空氣中釋放的熱量答案D解析形狀記憶合金從熱水中吸收熱量后，一部分能量在伸展劃水時轉化為水和轉輪的動能，另一部分釋放到空氣中，根據能量守恒定律可知只有D項正確。【針對訓練2】下列說法正確的是()A.一個熱力學系統吸收了熱量，其內能不一定增加B.絕熱情況下，外界對物體做了正功，物體的內能也不一定增加C.根據熱力學第二定律可知，熱機的效率可以達到100%D.第二類永動機是不可能制造出來的，因為它不僅違反熱力學第一定律，也違反熱力學第二定律答案A解析一個熱力學系統的內能增量等于氣體從外界吸收的熱量與外界對它所做的功的和，故A正確，B錯誤；根據熱力學第二定律“不可能從單一熱庫吸收熱量，使之完全變成功，而不產生其他影響”，故C錯誤；第二類永動機不違反熱力學第一定律，但違反熱力學第二定律，故D錯誤。探究3能量耗散和品質降低的理解1.能量耗散自然界中集中度較高(即有序度較高)的能量，如機械能、電能、化學能，當它們變為環境的內能后，就成為更加分散的能量，沒有辦法把這些分散的內能重新變成品質高的能量加以利用，這樣的現象叫作能量耗散。各種形式的能量向內能的轉化，是能夠自動發生、全額發生的，能量耗散從能量轉化的角度反映出自然界中的宏觀過程具有方向性。2.能量品質的降低能量耗散雖然不會使能量減少，卻會導致能量品質的降低，它實際上將能量從高度有用的形式降級為不大可用的形式。煤、石油、天然氣等能源儲存著高品質的能量，在利用它們的時候，高品質的能量釋放出來并最終轉化為低品質的內能。內能較之機械能、電能、光能、核能等是一種低品質能量。雖然能量不會減少但能源越來越少，所以要節約能源。【例4】下列說法正確的是()A.能量耗散說明能量在不斷減少B.能量耗散從能量轉化角度反映出自然界的宏觀過程具有方向性C.對能源的過度消耗將使自然界的能量不斷減少，形成能源危機D.根據熱力學第二定律，在火力發電機中，燃氣的內能可以全部轉化為電能答案B解析能量耗散是指能量的可利用率越來越低，由于能量守恒，故能量不會減少，A錯誤；根據熱力學第二定律可知，與熱現象有關的宏觀自然過程具有方向性，能量耗散就是從能量的角度反映了這種方向性，B正確；根據能量守恒定律，自然界的能量不會減少，C錯誤；火力發電機發電時，能量轉化的過程為化學能—內能—機械能—電能，因為內能—機械能的轉化過程中會對外放出熱量，故燃氣的內能必然不能全部變為電能，D錯誤。1．(熱力學第二定律的理解)下列說法正確的是()A．熱量能自發地從低溫物體傳給高溫物體B．熱量不能從低溫物體傳到高溫物體C．傳熱是有方向性的D．氣體向真空中膨脹的過程是可逆的答案C解析如果是自發地進行，熱量只能從高溫物體傳到低溫物體，但這并不是說熱量不能從低溫物體傳到高溫物體，只是不能自發地進行，在外界條件的幫助下，熱量也能從低溫物體傳到高溫物體，C正確，A、B錯誤；氣體向真空中膨脹的過程也是不可逆，具有方向性的，D錯誤。2.(熱力學第二定律的理解)關于熱力學第二定律，下列說法正確的是()A.熱力學第二定律是通過實驗總結出來的實驗定律B.熱力學第二定律是通過大量自然現象的不可逆性總結出來的經驗定律C.熱力學第二定律是物理學家從理論推導得出來的結果D.熱力學第二定律沒有理論和實驗的依據，因此沒有實際意義答案B解析熱力學第二定律是物理學家通過對大量自然現象的分析，又總結了生產和生活經驗得到的結論，是一個經驗定律，它并不能通過理論和實驗來證明，但它符合客觀事實，因此是正確的。它揭示了熱現象宏觀自然過程的方向性，使人們認識到第二類永動機不可能制成，對我們認識自然和利用自然有著重要的指導意義。3．(能量耗散和品質降低的理解)熱現象過程中不可避免地出現能量耗散的現象。所謂能量耗散是指在能量轉化的過程中無法把流散的能量重新收集、重新加以利用。下列關于能量耗散的說法中正確的是()A．能量耗散說明能量不守恒B．能量耗散不符合熱力學第二定律C．能量耗散過程中能量消失了D．能量耗散是從能量轉化的角度反映出自然界中的宏觀過程具有方向性答案D解析能量耗散說明能量轉化的宏觀過程具有方向性，符合熱力學第二定律，B錯誤，D正確；能量耗散過程中，能量并沒有消失，能量仍然守恒，A、C錯誤。課時定時訓練(限時20分鐘)1．下列關于能源的說法中正確的是()A．能源是取之不盡，用之不竭的B．能源是有限的，特別是常規能源，如太陽能、核能等C．大量消耗常規能源會使環境惡化，故提倡開發利用新能源D．核能的利用對環境的影響比燃燒石油、煤炭大答案C解析盡管能量守恒，但耗散能量無法重新收集利用，所以能源是有限的，特別是常規能源，但太陽能、核能不是常規能源，A、B錯誤；常規能源的利用比新能源核能的利用對環境影響大，C正確，D錯誤。2.(2021·山東威海市高二期末)下列現象可以用熱力學第一定律解釋的是()A.兩物體接觸后，熱量自發地從高溫物體傳遞到低溫物體B.蒸汽機不能把蒸汽的內能全部轉化為機械能而不引起其他變化C.葉片攪拌絕熱容器中的水，引起水溫升高D.利用能源的過程中會發生“能量耗散”現象答案C解析根據熱力學第二定律，兩物體接觸后，熱量自發地從高溫物體傳遞到低溫物體，A錯誤；根據熱力學第二定律，蒸汽機不能把蒸汽的內能全部轉化為機械能而不引起其它變化，B錯誤；根據熱力學第一定律，葉片攪拌絕熱容器中的水，引起水溫升高，C正確；根據熱力學第二定律，利用能源的過程中會發生“能量耗散”現象，D錯誤。3．下列關于熱力學定律和能量守恒定律的說法中正確的是()A．一切達到熱平衡的系統都具有相同的內能B．熱量可以從低溫物體向高溫物體傳遞，但必須有第三者的介入C．能量在轉化和轉移過程中，能量的總量保持不變，所以不用節約能源D．隨著技術的發展，汽車發動機可以將內能全部轉化為機械能答案B解析一切達到熱平衡的系統都具有相同的溫度，但內能不一定相同，所以A錯誤；熱量不能自發地從低溫物體傳到高溫物體，例如電冰箱，熱量的確從低溫物體—箱內食品，傳到了高溫物體—箱外空氣，但這不是自發的過程，這個過程必須有第三者的介入：必須開動冰箱的壓縮機，所以B正確；能量在數量上雖然守恒，但其轉移和轉化具有方向性，雖然能量不會減少但能源會越來越少，所以要節約能源，增強學生環保意識和可持續發展意識，所以C錯誤；熱力學第二定律的另一種表述為“不可能從單一熱庫吸收熱量，使之完全變成功，而不產生其他影響”，即機械能可以全部轉化為內能，而內能無法全部用來做功轉換成機械能，所以D錯誤。4.關于熱力學定律，下列說法正確的是()A.功轉變為熱的實際宏觀過程是不可逆過程B.對某物體做功，必定會使該物體的內能增加C.不可能從單一熱庫吸收熱量，使之完全變為功D.不可能使熱量從低溫物體傳向高溫物體答案A解析熱力學第二定律的實質：一切與熱現象有關的實際宏觀過程都是不可逆的，根據熱力學第二定律可知，功轉變為熱的實際宏觀過程是不可逆過程，故A正確；做功和傳熱是改變物體內能的兩種方法，由熱力學第一定律知：為了增加物體的內能，可以對物體做功或向它傳熱，單獨地對物體做功，內能不一定增加，故B錯誤；根據熱力學第二定律可知，不可能從單一熱庫吸收熱量，使之完全變為功，而不引起其他變化，故C錯誤；根據熱力學第二定律，不可能使熱量自發地從低溫物體傳向高溫物體，但在外界的作用下，能使熱量從低溫物體傳向高溫物體，比如電冰箱，故D錯誤。5.下列說法正確的是()A.功可以完全轉化為熱量，而熱量不可以完全轉化為功B.熱機必須具有兩個熱庫，才能實現熱功轉化C.熱機的效率不可能大于1，但可能等于1D.熱機的效率必定小于1答案D解析開爾文表述沒有排除熱量可以完全轉化為功，但必然要產生其他變化，比如氣體等溫膨脹，氣體內能完全轉化為功，但氣體體積增大了，A錯誤；開爾文表述指出，熱機不可能只有單一熱庫，但未必就是兩個熱庫，可以具有兩個以上熱庫，B錯誤；由η＝eq\f(Q1－Q2,Q1)可知，只要Q2≠0，就有η＜1，如果Q2＝0，則低溫熱庫不存在，違背了開爾文表述，C錯誤，D正確。6.隨著世界經濟的快速發展，能源短缺問題日顯突出，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.不可能從單一熱庫吸收熱量并把它全部用來做功，而不產生其他的變化B.只要對內燃機不斷進行改進，就可以把內燃機得到的全部內能轉化為機械能C.滿足能量守恒定律的物理過程都能自發進行D.外界對物體做功，物體的內能必然增加答案A解析由熱力學第二定律的開爾文表述可知，A正確；熱機效率總低于100%，B錯誤；滿足能量守恒定律的物理過程未必能自發進行，任何過程一定都滿足熱力學第二定律，C錯誤；由熱力學第一定律ΔU＝W＋Q可知，W＞0，ΔU不一定大于0，即內能不一定增加，D錯誤。7．根據熱力學第二定律，下列判斷正確的是()A．電流的能不可能全部變為內能B．在火力發電機中，燃氣的內能可能全部變為電能C．熱機中，燃氣內能可能全部變為機械能D．在傳熱中，熱量不可能自發地從低溫物體傳遞給高溫物體答案D解析根據熱力學第二定律可知，凡與熱現象有關的宏觀過程都具有方向性，電流的能可以全部變為內能(由焦耳定律可知)，但內能不可能全部變成電流的能