4.热力学第二定律 学习目标：1．[物理观念]知道传热、扩散现象、机械能与内能的转化具有方向性，了解能量耗散和品质降低的内容，能解释相关现象。　2.[科学思维]理解热力学第二定律的两种表述，学会用热力学第二定律解释自然界中的能量转化、转移及方向性问题，提高分析推理能力。　3.[科学探究]通过对热机效率的探讨，揭示热机效率不能达到100%的实质，学会与他人交流合作，提高探索科学的能力。　4.[科学态度与责任]学会科学家探索问题的方法，实事求是的科学态度，培养学习科学的兴趣。 阅读本节教材，回答第59页“问题”并梳理必要的知识点。 教材P59“问题”提示：扩散具有方向性，颜料不能自发地重新聚集在一起，其余部分不能变成清水。 一、热力学第二定律 1．热力学第二定律的克劳修斯表述 (1)内容：热量不能自发地从低温物体传到高温物体。即传热的过程具有方向性。 (2)传热的方向性 ①热量可以自发地由高温物体传给低温物体。 ②热量不能自发地由低温物体传给高温物体。 ③一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的。 说明：在表述中强调“自发”，就是不需要任何第三者介入，就能发生。 2．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：η＝。 (2)开尔文表达 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。(该表述阐述了机械能与内能转化的方向性) 注意：热力学第二定律的克劳修斯和开尔文表述是等价的。 二、能源是有限的 1．能量耗散：有序度较高(集中度较高)的能量转化为内能，流散到环境中无法重新收集起来加以利用的现象。 2．各种形式的能量向内能的转化，是无序程度较小的状态向无序程度较大的状态的转化，是能够自动发生、全额发生的。 3．能量耗散从能量转化的角度反映出自然界中的自发变化过程具有方向性。 4．能量耗散虽然不会导致能量总量的减少，却会导致能量品质的降低，它实际上是将能量从高度有用的高品质形式降级为不大可用的低品质形式。 说明：虽然能量总量不会减少，但能源会逐步减少，因此能源是有限的资源。 1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”) (1)传热的过程是具有方向性的。 (√) (2)科技发达后，热机的效率可以达到100%。 (×) (3)机械能可以全部转化为内能，而内能不能自发地全部转化为机械能。 (√) (4)根据能量守恒定律可知，节约能源是没有必要的。 (×) 2．(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热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而不引起其他变化 D．在火力发电中，燃气的内能不可能全部变成电能 AD　[热力学第二定律揭示了与热现象有关的物理过程的方向性，故A正确；机械能和内能的转化过程具有方向性，机械能可以全部转化为内能，而内能要全部转化为机械能必须有外界的帮助，故B错误；冰箱向外传递热量时消耗了电能，故C错误；火力发电时，能量转化的过程为内能→机械能→电能，因为内能向机械能转化过程中会对外放出热量，故燃气的内能必然不会全部变为电能，故D正确。] 3．(多选)热现象过程中不可避免地出现能量耗散的现象。所谓能量耗散是指在能量转化的过程中无法把流散的能量重新收集、重新加以利用。下列关于能量耗散的说法中正确的是(　　) A．能量耗散说明能量不守恒 B．能量耗散不符合热力学第二定律 C．能量耗散过程中能量仍守恒 D．能量耗散是从能量转化的角度反映出自然界中的宏观过程具有方向性 CD　[能量耗散过程能量仍守恒，但可利用的能源越来越少，这说明自然界中的宏观过程具有方向性，恰恰符合热力学第二定律，故C、D正确。] 热力学第二定律 “火中取栗”是大家非常熟悉的成语，如图所示，这其中包含什么物理知识呢？ 提示：当手伸到火中拿栗子时会被灼伤，即热量从火传到了手上，从而使手的温度升高，这是由热现象的方向性决定的，绝对不会出现手伸到火中后，热量从手上传到火中，而使手的温度降低，而火的温度更高的情况。 1．对热力学第二定律的理解 在热力学第二定律的表述中，正确地理解“自发地”“不产生其他影响”的确切含义是理解热力学第二定律的关键所在。 (1)“自发地”过程就是不受外来干扰进行的自然过程，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，它不受外界干扰。在传热过程中，热量可以自发地从高温物体传向低温物体，却不能自发地从低温物体传向高温物体。要将热量从低温物体传向高温物体，必须有“对外界的影响或有外界的帮助”，就是要有外界对其做功才能完成。电冰箱就是一例，它是靠电流做功的帮助把热量从低温处“搬”运到高温处的。 (2)“不产生其他影响”的含义是发生的热力学宏观过程只在本系统内完成，对周围环境不产生热力学方面的影响。如吸热、放热、做功等。 2．热机 (1)热机：把内能转化成机械能的一种装置。 如蒸汽机把水蒸气的内能转化为机械能；内燃机把燃烧后的高温高压气体的内能转化为机械能。 (2)热机的工作原理 工作物质从热库吸收热量Q1，推动活塞做功W，然后排出废气，同时把热量Q2散发到冷凝器或大气中。 根据能量守恒有Q1＝W＋Q2。 (3)热机的效率 把热机做的功W与它从热库中吸收的热量Q1的比值叫作热机的效率，用η表示，有η＝。 因为Q1＝W＋Q2，所以Q1>W，η<1。 这说明热机不可能把吸收的热能全部转化为机械能，总有一部分要散失到冷凝器或大气中。 (4)特别提示：①热机必须有热源和冷凝器。 ②热机不能把它得到的全部内能转化为机械能。 ③因热机工作时，总要向冷凝器散热，不可避免地要释放一部分热量Q2，所以总有Q1>W。 ④热机的效率不可能达到100%，即使是理想热机，没有摩擦，也没有漏气等能量损失，它也不可能把吸收的热量百分之百地转化为机械能，总要有一部分热量散发到冷凝器或大气中。 3．热力学第二定律的实质 热力学第二定律的每一种表述，都揭示了大量分子参与宏观过程的方向性，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。 4．对热力学第二定律的两种表述等价性的证明 两种表述是等价的，即一个说法是正确的，另一个说法也必然是正确的；如一个说法是错误的，另一个说法必然是不成立的。 【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 思路点拨：(1)热机效率不可能达到100%。 (2)对“自发”的正确理解。 ACD　[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，热机的效率不可能达到100%，故热机中燃气的内能不能全部转化为机械能，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转变为电能，故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(克劳修斯)表述的主要思想，故D正确。] 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“不产生其他影响”。 [跟进训练] 1．(多选)如图中汽缸内盛有定量的理想气体，汽缸壁是导热的，缸外环境保持恒温，活塞与汽缸壁的接触是光滑的，但不漏气，现将活塞杆缓慢向右移动，这样气体将等温膨胀并通过杆对外做功。若已知理想气体的内能只与温度有关，则下列说法正确的是(　　) A．气体是从单一热源吸热，全部用来对外做功，此过程违背热力学第二定律 B．气体是从单一热源吸热，但并未全部用来对外做功，此过程不违背热力学第二定律 C．气体是从单一热源吸热，全部用来对外做功，此过程不违背热力学第二定律 D．气体是从单一热源吸热，全部用来对外做功，此过程不违背热力学第一定律 CD　[由于气体始终通过汽缸与外界接触，外界温度不变，活塞杆与外界连接并使其缓慢地向右移动过程中，有足够时间进行热交换，气体等温膨胀，所以汽缸内的气体温度不变，内能也不变，该过程气体是从单一热源即外部环境吸收热量，即全部用来对外做功才能保证内能不变，此过程既不违背热力学第二定律，也不违背热力学第一定律，此过程由外力对活塞做功来维持，如果没有外力F对活塞做功，此过程不可能发生，C、D正确。] 能源是有限的 如图，质量和温度相同的水，分别处于固态、液态和气态三种状态下，它们的熵的大小有什么关系？为什么？ 气体　　　　　 液体　　　 固体 提示：根据大量分子运动对系统无序程度的影响，热力学第二定律又有一种表述：由大量分子组成的系统自发变化时，总是向着无序程度增加的方向发展，至少无序程度不会减少。这就是说，任何一个系统自发变化时，系统的熵要么增加，要么不变，但不会减小。质量相同，温度相同的水，可以由固体自发地向液态、气态转化，所以，气态时的熵最大，其次是液态，固态时的熵最小。 1．如何正确理解能量耗散和品质降低 (1)各种形式的能最终都转化为内能，流散到周围的环境中，分散在环境中的内能不管数量多么巨大，它也不过只能使地球、大气稍稍变暖一点，却再也不能驱动机器做功了。 (2)从可被利用的价值来看，内能较之机械能、电能等，是一种低品质的能量。由此可知，能量耗散虽然不会导致能量的总量减少，却会导致能量品质的降低，实际上是将能量从高度有用的形式降级为不大可用的形式。 (3)能量耗散导致可利用能源减少，所以要节约能源。 2．熵增加原理 (1)熵是无序程度的量度：根据熵的含义，热力学系统处于非平衡态时的粒子热运动有一定的有序性，因此，其熵值较小；当其达到平衡态后，其粒子热运动的无序性达到极高程度，使其熵值达到最大值。 (2)热力学系统演化的方向性：对于绝热或孤立的热力学系统而言，所发生的是由非平衡态向着平衡态的变化过程，因此，总是朝着熵增加的方向进行，或者说，一个孤立系统总是从熵小的状态向熵大的状态发展，这就是熵增加原理，也就是热力学第二定律的另一种表述形式。 如果过程可逆，则熵不变；如果过程不可逆，则熵增加，熵增加原理的适用对象是对于孤立系统，如果是非孤立系统，熵有可能减少。 【例2】　(多选)下列关于能量耗散的说法正确的是(　　) A．能量耗散使能的总量减少，违背了能量守恒定律 B．能量耗散是指耗散在环境中的内能再也不能被人类利用 C．各种形式的能量向内能的转化，是能够自动全额发生的 D．能量耗散导致能量品质的降低 思路点拨：(1)能量转化与转移是守恒的。 (2)能量耗散使品质降低，不好利用。 BCD　[能量耗散是能量在转化的过程中有一部分以内能的形式被周围环境吸收，遵守能量守恒定律，但使得能量品质降低，选项A错误，D正确；耗散的内能无法再被利用，选项B正确；其他形式的能在一定的条件下可以全部转化为内能，但相反过程却不能够全额进行，选项C正确。故B、C、D正确。] 能量耗散不仅遵循能量守恒定律，而且从能量转化的角度反映出自然界的宏观过程具有方向性。 [跟进训练] 2．(多选)下列关于能源的说法中正确的是(　　) A．能源是取之不尽，用之不竭的 B．能源是有限的，特别是常规能源，如煤、石油、天然气等 C．大量消耗常规能源会使环境恶化，故提倡开发利用新能源 D．核能的利用