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第四节热力学第二定律1．“第一类永动机”不可能制成，是因为()A．不符合机械能守恒定律B．违背了能的转化和守恒定律C．做功产生的热不符合热功当量D．找不到合适的材料和合理的设计方案【答案】B2．一定量的理想气体在某一过程中，从外界吸收热量2.5×104J，气体对外界做功1.0×104J，则该理想气体的()A．温度降低，密度增大B．温度降低，密度减小C．温度升高，密度增大D．温度升高，密度减小【答案】D[由热力学第一定律ΔU＝W＋Q，Q＝2.5×104J，W＝－1.0×104J可知ΔU大于零，气体内能增加，温度升高，A、B错；气体对外做功，体积增大，密度减小，C错、D对．]3．(2017年凉山名校期末)一定质量的理想气体(分子力不计)，体积由V膨胀到V′.如果通过压强不变的过程实现，对外做功大小为W1，传递热量的值为Q1，内能变化为ΔU1；如果通过温度不变的过程来实现，对外做功大小为W2，传递热量的值为Q2，内能变化为ΔU2，则()A．W1＞W2，Q1＜Q2，ΔU1＞ΔU2B．W1＞W2，Q1＞Q2，ΔU1＞ΔU2C．W1＜W2，Q1＝Q2，ΔU1＞ΔU2D．W1＝W2，Q1＞Q2，ΔU1＞ΔU2【答案】B[第一种情况，根据pVT＝C可知，气体压强不变，体积增大，因此温度升高，ΔU1＞0，根据热力学第一定律有ΔU1＝Q1－W1；第二种情况，气体等温变化，ΔU2＝0，根据热力学第一定律有ΔU2＝Q2－W2.第二种情况下，压强减小，体积变化相同，因此W1＞W2，且ΔU1＞ΔU2＝0，因此Q1＞Q2，故选B．]4．一定质量的气体从外界吸收了4.2×105J的热量，同时气体对外做了6×105J的功．问：(1)物体的内能是增加还是减少？变化量是多少？(2)分子势能是增加还是减少？(3)分子的平均动能是增加还是减少？【答案】(1)减少1.8×105J(2)增加(3)减少解析：(1)因为气体从外界吸热，所以Q＝＋4.2×105J，又因气体对外做功，所以W＝－6×105J．由热力学第一定律ΔU＝W＋Q，有ΔU＝W＋Q＝－6×105J＋4.2×105J＝－1.8×105J．ΔU为负，说明气体的内能减少了1.8×105J．(2)因为气体对外做功，所以气体的体积膨胀，分子间的距离增大了，分子力做负功，气体分子势能增加．(3)因为气体内能减少了，同时气体分子势能增加，说明气体分子的平均动能减少了．一、热传导的方向性1．两个温度不同的物体互相接触时，热量会自发地从________物体传给________物体，但不会自发地从________物体传给________物体．这说明：热传导过程是有________的．2．热力学第二定律是一条反映自然过程进行________和________的规律．高温低温低温高温方向性方向条件二、机械能和内能转化过程的方向性1．机械能和内能转化过程具有________性，即机械能全部转化为内能的过程是可以________进行的，内能全部转化为机械能的过程，是不能________进行的，要将内能全部转化为机械能，必然会引起其他影响．2．第二类永动机(1)定义从___________吸热全部用来_______，而不引起其他变化的热机．(2)第二类永动机不可能制成原因是它违背了___________定律．方向自发自发单一热源做功热力学第二三、热力学第二定律的表述1．第一种表述(克劳修斯表述)：热量不能________从低温物体传递到高温物体．(按照热传导的方向性来表述的)2．第二种表述(开尔文表述)：不可能从______________吸收热量并把它全部用来________，而不引起其他变化．(按照机械能与内能转化过程的方向性来表述的)热力学第二定律的这两种表述是________的．热现象的宏观过程都具有________．3．自然界中一切与________有关的自然过程都具有方向性．自发地单一热源做功等价方向性热现象热传导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”？【答案】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．四、热力学第二定律的微观实质1．做功是与分子群体的________运动联系在一起的，内能是和分子的________运动联系在一起的，机械能转化为内能的过程，从微观上来说，是大量分子的______运动朝________运动的方向转换的过程，其相反方向的过程是大量分子从________运动朝________运动方向转换的过程．有序无序有序无序无序有序2．热传导过程是使物体内部分子的热运动由比较______的状态向________的状态转化的过程．3．热力学第二定律的微观实质与热现象有关的自发的宏观过程，总是朝着分子热运动状态________增加的方向进行的．有序无序无序性五、熵意义：描述物体的无序程度，物体内部分子热运动无序程度越高，物体的熵就________．越大随着科技的不断发展，假如能够使热机没有漏气没有摩擦也没有机体热量损失，是不是能够使热机效率达100%?【答案】不能，原因是热机的工作物质吸收的热量不能全部用来做功，如汽车尾气会带走一部分热量．1．可逆过程与不可逆过程一个系统由某一状态出发，经过某一过程到达另一状态，如果存在另一过程，它能使系统和外界完全复原，即系统回到原来的状态，同时消除原来过程对外界的一切影响，则原来的过程称为可逆过程；如果用任何方法都不能使系统和外界完全复原，则原来的过程称为不可逆过程．自然过程的方向性2．热传递的方向性热量能够自发地从高温物体传到低温物体，使高温物体的温度降低，低温物体的温度升高，却不能自发地从低温物体传到高温物体．3．热机(1)定义一种把内能转化为机械能的装置．(2)原理热机从热源吸收热量Q1，推动活塞做功W，然后向冷凝器释放热量Q2．(3)效率由能量守恒定律Q1＝W＋Q2，我们把热机做的功W和它从热源吸收的热量Q1的比值叫做热机效率，用η表示，即η＝WQ1×100%．特别提醒：(1)“自发地”过程就是不受外来干扰进行的自然过程．(2)要将热量从低温物体传向高温物体，必须有“外界的影响或帮助”，就是要有外界对其做功才能完成．电冰箱就是一例．(3)凡是与热现象有关的宏观过程都是不可逆的，都具有方向性．例1下列说法正确的是()A．热传导的过程是有方向性的B．根据热力学第二定律可知，热量不可能从低温物体传给高温物体C．机械能全部变成内能是不可能的D．热力学第二定律表明，所有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，热传导的过程是有方向性的，热量可以从高温物体自发地传给低温物体，却不能自发地从低温物体传给高温物体，A选项正确；如果借助外界的帮助，热量是可以从低温物体传给高温物体的，但肯定引起其他的变化，比如电冰箱制冷时需要消耗电能，B选项错误；机械能可以全部转变成内能，而内能却不能全部转变成机械能，C选项错误．热力学第二定律指出了所有大量分子参与的宏观过程具有方向性，即涉及热现象的宏观过程具有方向性，但并不是指所有的物理过程都具有方向性，D选项错误．答案：A【题后反思】热力学第二定律反映了一个自然规律，即大量分子参与的、与热现象有关的宏观过程具有方向性，主要是热传导的方向性和机械能转化为内能的方向性．但热力学第二定律并不反映所有物理过程的方向性，也不是违反能量守恒定律．1．(多选)下列说法不正确的是()A．热量不可能由低温物体传递到高温物体B．外界对物体做功，物体的内能一定增加C．第一类永动机违反了热力学第二定律D．第二类永动机不能制成，说明自然界中涉及热现象的宏观过程都具有方向性【答案】ABC[热量在一定的条件下可以由低温物体传递到高温物体，比如电冰箱，故A错误；由公式ΔU＝W＋Q知做功和热传递都能改变物体内能，外界对物体做功若物体同时放出热量，物体的内能不一定增加，故B错误；第一类永动机不消耗能量而对外做功，违反了能量守恒定律，故C错误；第二类永动机违背了热力学第二定律，说明自然界中涉及热现象的宏观过程都具有方向性，故D正确．]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．热力学第二定律理解中的几个问题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．适用条件：只能适用于由很大数目分子所构成的系统及有限范围内的宏观过程．而不适用于少量的微观体系，也不能把它扩展到无限的宇宙．5．两种表述是等价的．如果克劳修斯表述不成立，则开尔文表述也不成立．例2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地进行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，W0，ΔU不一定大于0，即内能不一定增加，D错．答案：A【题后反思】1.注意热力学第二定律的克劳修斯及开尔文表述的完整性，不能断章取义．2．热力学第一定律与热力学第二定律的区别与联系．3．内能改变的两种方式．2．我们绝不会看到：一个放在水平地面上的物体，靠降低温度把内能自发地转化为动能，使这个物体运动起来，其原因是()A．违反了能量守恒定律B．在任何条件下内能都不可能转化为机械能，只有机械能可能转化成内能C．机械能和内能的转化过程具有方向性，内能转化成机械能是有条件的D．以上原因都不正确【答案】C[根据热力学第二定律的开尔文表述：热量不可能自发地从低温物体传给高温物体，也不可能从单一热库吸收热量，使之完全变为有用功而不产生其他影响．这里所说的“产生其他影响”就是“有条件的”，C选项正确．]1．有序与无序所谓有序，是指事物内部的要素或事物之间有规则的联系和运动转化；无序是指事物内部各种要素或事物之间混乱而无规则的组合和运动变化．2．热力学第二定律的微观本质一切不可逆过程总是沿着大量分子热运动无序程度增大的方向进行．熵——无序程度的量度3．熵和熵增加原理(1)定义在物理学中，用来量度系统无序程度的物理量叫做熵．(2)熵增加原理在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小，如果过程可逆，则熵不变；如果过程不可逆，则熵增加．①每一个不可逆过程都会导致熵的增加．②从微观的角度看，热力学第二定律是一个统计规律：一个孤立系统总是从熵小的状态向熵大的状态发展，而熵值较大代表着较为无序，所以自发的宏观过程总是向无序程度更大的方向发展．例3下面关于熵的说法中错误的是()A．熵是系统内分子运动无序性的量度B．在自然过程中一个孤立系统的熵总是增加或不变的C．热力学第二定律也叫做熵减小原理D．熵值越大代表着越无序解析：一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行，这就是热力学第二定律的微观意义．系统的热力学过程就是大量分子向无序程度大的状态变化的过程．自然过程的方向性可以表述为：在任何自然过程中，一个孤立系