第五章：热力学定律 第3节　热力学第二定律

1．应用：为什么第二类永动机不可能制成 2．理解：①热力学第二定律的实质 ②热传导的方向性 3．认识：热力学第二定律的两种不同表述

一、热传递的方向性 热传递的过程是有______的，这个过程可以向一个方向____ 地进行，但是向相反的方向却___________进行，要实现相反方向的过程，必须借助外界的帮助，因而产生_________或引起_________．例如：热量只能自发地从高温物体传递给低温物体． 方向性 自发 不能自发地 其他影响 其他变化

二、热力学第二定律 克劳修斯描述：____不可能自发地从________传到____ _____而不引起其他变化．(即热传递具有方向性) 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) 意义：揭示了有大量分子参与的宏观过程的______，是 独立于热力学第一定律的一个重要自然规律． 热量 低温物体 高温 物体 单一热源 方向性

三、第二类永动机 机械功 热量 第二类永动机：人们把没有_______，只有________，从单一热源吸收热量，可以全部用来_____的热机叫做第二类永动机，第二类永动机不可能制成．  冷凝器 单一热源 做功

温馨提示 热机必须有热源和冷凝器；热机不能把它得到的全部内能转化为机械能；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；热机的效率不可能达到100%，即是理想热机，没有摩擦，也没有漏气等能量损失，它也不可能把吸收的能量百分之百地转化为机械能．

一、宏观过程的方向性 热传导具有方向性：两个温度不同的物体相互接触时，热 量会自发地从高温物体传给低温物体，结果使高温物体的 温度降低，低温物体的温度升高． 气体的扩散现象具有方向性：两种不同的气体可以自发地 进入对方，最后成为均匀的混合气体，但这种均匀的混合 气体，决不会自发地分开，成为两种不同的气体． 机械能和内能的转化过程具有方向性：物体在水平面上运 动，因摩擦而逐渐停止下来，但绝不可能出现物体吸收 原来传递出去的热量后，在地面上重新运动起来．

气体向真空膨胀具有方向性：气体可自发地向真空容器 膨胀，但绝不可能出现气体自发地从容器中流出，容 器变为真空． 在整个自然界中，无论有生命的还是无生命的，所有的 宏观自发过程都具有单向性，都有一定的方向性，都 是一种不可逆过程．如河水向下流，重物向下落，山 岳被侵蚀，房屋衰朽倒榻，人的一生从婴儿到老年到 死亡等．

二、热机 热机：热机是把内能转化成机械能的一种装置．如蒸汽机 把水蒸汽的内能转化为机械能，内燃机是把燃烧后的高温 高压气体的内能转化为机械能． 热机的组成部分 (1)热源：指燃烧燃料而获得能量的部件． (2)工作物质：指利用获得的热量来做功的物质，如蒸汽机 的蒸机，内燃机里燃烧后的高温气体． (3)冷凝器：把做功后工作物质所剩余的热量进行再吸收的 部分．如推动活塞做功后放出的蒸汽的温度也很高，如果 把这种蒸汽直接放入大气中，则大气就是冷凝器．当然这 样就白白浪费了剩余蒸汽所具有的能量，通常把这种工作 后剩余蒸汽通过管道送入居民区用于烧水、做饭、取暖 等．

热机的工作原理 工作物质从热源吸收热量Q1，推动活塞做功W，然后排出废气，同时把热量Q2散发到冷凝器中． 根据能量守恒有Q1＝W＋Q2. 热机的效率 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成机械能，总有一部分要散失到冷凝器中．

三、热力学第二定律的理解 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． 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．

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． 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． 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．   

四、热力学第一定律、第二定律的比较 两个定律的比较 热力学第一定律是能量守恒定律在热学中的具体表现形式．能量既不能凭空产生也不能凭空消失，只能从一种形式转化为另一种形式，在转化的过程中，总的能量保持不变． 热力学第二定律是指在有限的时间和空间内，一切和热现象有关的物理过程、化学过程具有不可逆性． 第一类永动机：不消耗任何能量，可以不断做功(或只给予很小的能量启动后，可以永远运动下去) 第二类永动机：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) 两类永动机的比较

特别提醒　热力学第二定律有许多表述方法，对任何一类宏观自然过程进行方向的说明，都可以作为热力学定律的表述，其每一种表述都揭示了大量分子参与宏观过程的方向性．

热传递的方向性 下列说法正确的是 ( )． A．热量能自发地从高温物体传给低温物体 B．热量不能从低温物体传到高温物体 C．热传递是有方向性的 D．气体向真空中膨胀的过程是有方向性的 【例1】

解析 如果是自发地进行，热量只能从高温物体传到低温物体，但这并不是说热量不能从低温物体传到高温物体，只是不能自发地进行，在外界条件的帮助下，热量也能从低温物体传到高温物体，A、C对，B错；气体向真空中膨胀的过程也是不可逆，具有方向性的，D对． 答案 ACD 借题发挥 两个温度不同的物体相互接触时，热量会自发地从高温物体传给低温物体，使高温物体的温度降低，低温物体的温度升高，这个过程是自发进行的，不需要任何外界的影响或者帮助，有时我们也能实现热量从低温物体传给高温物体，如电冰箱，但这不是自发地进行的，需要消耗电能，其实自然界中所有的热现象都是具有单向性的．

下列哪个过程具有方向性 ( )． A．热传导过程 B．机械能向内能的转化过程 C．气体的扩散过程 D．气体向真空中的膨胀 解析 这四个过程都是与热现象有关的宏观过程，根据热力学第二定律可知，它们都是不可逆的，具有方向性． 答案 ABCD 【变式1】

热力学第二定律 根据热力学第二定律可知，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 【例2】

解析 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，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借助外部的帮助，即会引起其他变化，A选项正确、B选项错误；热传递过程也具有方向性，热量能自发地从高温物体传给低温物体，但是热量要从低温物体传到高温物体，必然要引起其他变化(外界对系统做功)，故C选项错误、D选项正确． 答案 AD

借题发挥 (1)一切物理过程均遵守能量转化与守恒定律，但遵守能量守恒的物理过程不一定均能实现． (2)热力学第二定律的关键在于“自发性”和“方向性”．

下列说法正确的是 ( )． A．机械能全部变成内能是不可能的 B．第二类永动机不可能制造成功的原因是因为能量既不 会凭空产生，也不会凭空消失，只能从一个物体转移 到另一个物体，或从一种形式转化成另一种形式 C．根据热力学第二定律可知，热量不可能从低温物体传 到高温物体 D．从单一热库吸收的热量全部变成功是可能的 【变式2】

解析 机械能可以完全转化为内能，摩擦生热就是个例子，A错误．所谓的第二类永动机是违背热力学第二定律的机器，但不违背能量的转化与守恒定律，B错误．采取其他措施可以把热量从低温物体传到高温物体，如空调机，通过做功将热量从低温物体传到高温物体，C选项错误．热力学第二定律的表述是“不可能从单一热源吸收热量，使之完全变为有用的功而不产生其他影响．”例如，理想气体的等温膨胀．理想气体可以把吸收的热量全部用来做功，但是却产生了其他影响，即理想气体的体积膨胀了，D选项正确． 答案 D

第二类永动机是不可能制成的 第二类永动机不可能制成的原因是 ( )． A．违背了能量守恒定律 B．热量总是从高温物体传递到低温物体 C．机械能不能全部转化为内能 D．内能不能全部转化为机械能而不引起其他变化 解析 第二类永动机的设想并不违背能量守恒定律，但是违背了热力学第二定律，所以不可能制成． 答案 D 借题发挥 凡是与热现象有关的宏观过程都具有方向性，机械能可全部转化成内能，而内能不能全部转化成机械能，而不引起其他变化． 【例3】

我们绝不会看到：一个放在水平地面上的物体，靠降低温度可以把内能自发地转化为机械能，使这个物体运动起来，其原因是 ( )． A．违反了能量守恒定律 B．在任何条件下热能都不可能转化成机械能，只有机械能 才能转化成热能 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．以上说法均不正确 解析 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不可逆性，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． 答案 C 【变式3】

热传递的方向性 关于热传导的方向性，下列说法正确的是 ( )． A．热量能自发地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．热量不可能从低温物体传给高温物体 解析 在有外力做功的情况下，热量可以从低温物体传给高温物体，但热量只能自发地从高温物体传给低温物体． 答案 AC 1．

热力学第二定律 2． 根据热力学第二定律，下列判断正确的是 ( )． A．电流的能不可能全部变为内能 B．在火力发电机中，燃气的内能不可能全部变为电能 C．热机中，燃气内能不可能全部变为机械能 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 解析 根据热力学第二定律可知，凡与热现象有关的宏观过程都具有方向性，电流的能可全部变为内能(由焦耳定律可知)，而内能不可能全部变成电流的能，而不产生其它影响．机械能可全部变为内能，但内能不可能全部变成机械能而不产生其它影响．在热传导中，热量只能自发地从高温物体传递给低温物体，而不能自发地从低温物体传递给高温物体． 答案 BCD

3． 下列关于制冷机制冷过程的说法中，正确的是 ( )． A．此过程违反了热力学第二定律 B．此过程没有违反热力学第二定律 C．此过程违反了能量守恒定律 D．此过程没有违反能量守恒定律 解析 制冷机可以从低温物体吸收热量传给高温物体，但必须消耗电能．热力学第二定律并不否认热量可从低温物体传给高温物体，关键是“不产生其他影响”，A错误、B正确．任何物理过程都不违反能量守恒定律，C错误、D正确． 答案 BD

第二类永动机是不可能制成的 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．第二类永动机遵从能量守恒故能做成 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 由热力学第二定律知，B、C错；绝对零度不可能达到，A错；由热力学第一定律知D正确． 答案 D 4．

下列说法正确的是 ( )． A．第二类永动机和第一类永动机一样，都违背了能量守 恒定律 B．第二类永动机违背了能量转化的方向性 C．自然界中的能量是守恒的，所以不用节约能源 D．自然界中的能量尽管是守恒的，但有的能量便于利 用，有的不便于利用，故要节约能源 解析 第一类永动机违背了能量守恒定律；第二类永动机违背了能量转化的方向性，故B、D选项正确． 答案 BD 5．