第四节　热力学第二定律

知识点归纳

知识点一、热力学第二定律的一种表述

1．热力学第二定律的一种表述——克劳修斯表述

热量不能自发地从低温物体传到高温物体．

2．对克劳修斯表述的理解

阐述的是热传递的方向性．在这个表述中，“自发”二字指的是：当两个物体接触时，不需要任何第三者的介入、不会对任何第三者产生任何影响，热量就能从一个物体传到另一个物体．当两个温度不同的物体接触时，这个“自发”的方向是从高温物体指向低温物体．

3．要使与热现象有关的宏观自然过程逆向完成，必须有第三者的介入，即提供必要的帮助，如做功等．

4．对任何一类宏观自然过程进行方向的说明，都可以作为热力学第二定律表述的理解.

知识点二、热力学第二定律的另一种表述

1．热机

(1)热机是把内能转化成机械能的一种装置．例如：蒸汽机把水蒸气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．

(2)热机由热源、工作物质、冷凝器组成．内燃机没有冷凝器，大气就是它的低温热库．

(3)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.

(4)热机的效率：把热机做的功W与它从热源中吸收的热量Q₁的比值叫做热机的效率，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中．热机的效率不可能达到100%.

2．热力学第二定律的另一种表述——开尔文表述

(1)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．

(2)热力学第二定律的开尔文表述阐述了机械能与内能转化的方向性：通过做功，机械能可以全部转化为内能，而内能无法全部用来做功以转换成机械能而不产生其他影响．

3．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，而是这样做功的过程中，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发热传递是不可能的．

(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)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．

(5)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．

(6)两种表述是等价的：两种表述都揭示了热现象宏观过程的方向性．两种表述可以相互推导．

如果克劳修斯表述不成立，则开尔文表述也不成立．

4．第二类永动机

(1)定义：只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的热机．

(2)热力学第二定律的一种表述：第二类永动机不可能制成．

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．很显然，如果第二类永动机能制成，那么就可以利用空气或海洋作为热源，从它们那里不断吸取热量而做功．这是最经济不过的，因为海洋的内能实际上是取之不尽的．

知识点三、热力学第一、第二定律的比较

	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表现，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	热力学第二定律是关于在有限空间和时间内，一切和热现象有关的物理过程、化学过程具有不可逆性的经验总结，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

知识点四、两类永动机的比较

分类	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	违背了能的转化与守恒定律	违背了热力学第二定律

 

知识点四、有序和无序　宏观态和微观态

1．有序和无序

2．宏观态和微观态

(1)宏观态：一个系统整体所处的状态就叫做宏观态．

(2)微观态：宏观态系统内部各个体的不同分布状态就叫微观态，一个“宏观态”往往对应多个“微观态”，对应的“微观态”越多，就说这个“宏观态”无序度越大．

(3)对宏观态和微观态的理解

①规定了某种规则，我们就规定了一个“宏观态”，这个“宏观态”可能包含一种或几种“微观态”，不同的“宏观态”对应的微观态的个数不同．如果一个“宏观态”对应的“微观态”比较多，就说这个“宏观态”是比较无序的．

②在热力学系统中，由于存在大量粒子的无规则热运动，任一时刻各个粒子处于何种运动状态完全是偶然的，而且又都随时间无规则地变化着．系统中各个粒子运动状态的每一种分布，都代表系统的一个微观态，系统的微观态的数目是大量的，在任意时刻系统随机地处于其中任意一个微观态.

知识点五、气体向真空扩散

气体向真空扩散说明：一切自然过程总是沿着分子热运动无序性增大的方向进行．

我们所说的有序状态，指的是对应着较少微观态的那样的宏观态．自发的过程总是倾向于出现与较多微观态对应的宏观态，因此自发的过程总是从有序向着无序发展的.

知识点六、熵

1．熵的定义：物理学中用字母Ω表示一个宏观状态所对应的微观状态的数目，用字母S表示熵，有S＝kln Ω，式中k叫做玻耳兹曼常量．

2．熵增加原理：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度更大的方向发展．因此热力学第二定律也叫做熵增加原理．

3．对熵的理解

(1)熵是反映系统无序程度的物理量，正如温度反映物体内分子平均动能大小一样．系统越混乱，无序程度越大，就称这个系统的熵越大．

(2)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．也就是说，系统自发变化时，总是由热力学概率小的状态向热力学概率大的状态进行．从熵的意义上说，系统自发变化时总是向着熵增大的趋势发展．

(3)用熵的概念来表示热力学第二定律，可以表述为：在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小．

(4)热力学系统的一个宏观态对应多个微观态，不同的宏观态对应的微观态个数一般不同，对应微观态个数较少的为有序状态，熵小；对应微观态个数多的为无序状态，熵大．宏观上的平衡态，对应微观态个数最多，熵最大．

(5)熵增加原理只适用于孤立的有限系统，对于有能量输入的系统，熵可以增加；在整个宇宙中，熵增加原理也不适用，因为宇宙中万有引力起决定作用，无序的星云可以在引力作用下形成有序运动的恒星—行星—卫星系统．

典例分析

一、热力学第二定律的理解和应用

例1 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．从单一热源吸收的热量全部变成功是可能的

解析 机械能可以全部转化为内能。故A错；第二类永动机不可能制造成功是因为它违背了热力学第二定律，故B项错；热量不能自发地从低温物体传到高温物体，但如果不是自发地，是可以进行的，故C项错；从单一热源吸收热量全部用来做功而不引起其他变化，是不可能的，但如果是从单一热源吸收热量全部变为功的同时也引起了其他的变化，是可能的，故D项对。

答案 D

归纳总结：本题易错选C，原因是忽略了在“引起其他变化”时，热量可以从低温物体传到高温物体。

二、第二类永动机

例2 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

归纳总结：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．

自我检测

1．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

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，而内能不可能全部变成机械能．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．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．内能可以全部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

解析　热力学第一定律揭示了内能与其他形式能量之间的转化关系，是能量守恒定律在热学中的具体体现．热力学第二定律则进一步阐明了内能与其他形式能量转化时的方向性，二者表述的角度不同，本质不同，相互补充，并不矛盾，故选项C、D错误，选项B正确；内能在一定条件下可以全部转化为机械能，热量也可以由低温物体传递到高温物体，但是要引起其他变化，如电冰箱制冷机工作还要消耗电能，故选项A错误．

答案　B

4．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

5．下列关于气体在真空中的扩散规律的叙述中正确的是(　　)

A．气体分子数越小，扩散到真空中的分子全部回到原状态的可能性越大

B．气体分子数越大，扩散到真空中的分子全部回到原状态的可能性越大

C．扩散到真空容器中的分子在整个容器中分布越均匀，其宏观态对应的微观态数目越大

D．气体向真空中扩散时，总是向着分子热运动的无序性增大的方向进行

解析　由热力学第二定律的微观解释“一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大方向进行”和熵的概念可知，A、C、D正确．

答案　ACD

6．关于孤立体系中发生的实际过程，下列说法中正确的是(　　)

A．系统的总熵只能增大，不可能减小

B．系统的总熵可能增大，可能不变，还可能减小

C．系统逐渐从比较有序的状态向更无序的状态发展

D．系统逐渐从比较无序的状态向更加有序的状态发展

解析　在孤立体系中发生的实际过程，其系统的总熵总是增加的，它不可能减小，故A正确、B错误；根据熵增加原理，该系统只能是从比较有序的状态向更无序的状态发展，故C正确、D错误．

答案　AC

7．CO₂气体有个“怪脾气”，它几乎不吸收太阳的短波辐射，大气中CO₂浓度增加，能使地表温度因受太阳辐射而上升；另外，它还有强烈吸收地面红外热辐射的作用，阻碍了地球周围的热量向外层空间的排放，使整个地球就像一个大温室一样．因此，大气中CO₂浓度的急剧增加已导致气温的逐步上升，使全球气候变暖．

(1)这种大气中以CO₂为主的气体产生的效应称为(　　)

A．光热效应       B．光电效应       C．光气效应             D．温室效应

(2)导致大气中CO₂浓度增加的主要原因是(　　)

A．大量植物和生物物种灭绝

B．大量燃料如石油、煤炭、天然气等的燃烧

C．人口剧增，呼出的二氧化碳增多

D．自然因素破坏了地球环境生态平衡

解析　大气中CO₂浓度的增加，导致了温室效应；为了缓解这种局面，一方面要尽量少使用煤、石油等常规能源，另一方面要开发利用新能源，并植树造林，改善环境．

答案　(1)D　(2)B