文档文本内容
3.4 热力学第二定律
目录
【学习目标】.....................................................................................................................................................................................1
【思维导图】.....................................................................................................................................................................................2
【知识梳理】.....................................................................................................................................................................................2
知识点1：热力学第二定律.................................................................................................................................................2
知识点2：热力学第一定律和热力学第二定律的比较...............................................................................................4
知识点3：能源是有限的......................................................................................................................................................6
【方法技巧】.....................................................................................................................................................................................7
方法技巧1热力学第二定律的关键词..............................................................................................................................7
方法技巧2 热力学第二定律的实质.................................................................................................................................7
【巩固训练】.....................................................................................................................................................................................7
【学习目标】
学习目标：
1.知道一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的。
2.知道热力学第二定律的两种表述内容，并能运用该定律解决一些实际问题。
3.了解自然界中的能量转化和转移，知道能量耗散的概念。
学习重点：
1.热力学第二定律的两种不同表述，以及两种表述的物理实质。
学习难点：
1.运用热力学第二定律解释自然界中的能量转化、转移以及宏观自然过程的方向性问题。【思维导图】
【知识梳理】
知识点 1：热力学第二定律
1．方向性
一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的，反映宏观自然过程的方向性的定律就是热力学第二
定律。
2．热力学第二定律
(1) 克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传到高温物体。这里阐述的是传热的方向性。
(2) 开尔文表述：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。
(3) 热力学第二定律的克劳修斯表述和开尔文表述是等价的。3．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) 热机用于做功的热量一定小于它从高温热库吸收的热量，即W<Q。
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的宏观过程的方向性，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。
【归纳总结】
(1)一切物理过程均遵循能量守恒定律，但遵循能量守恒定律的物理过程不一定均能实现。
(2)热力学第二定律的两种表述分别对应着一种“不可能”，但都有一个前提条件“自发地”或“不产
生其他影响”，如果去掉这种前提条件，就都是有可能的。例如电冰箱的作用就是使热量从低温物体
传到高温物体，等温膨胀就是从单一热库吸收热量，使之完全用来做功，但不是自发地或是产生了其
他影响。
【典例1】（多选）根据热力学定律，下列说法正确的是( )
A. 电冰箱的工作原理表明，热量可以从低温物体向高温物体传递
B. 空调机在制冷过程中，将热量从温度较低的室内送到温度较高的室外，这一过程不遵守热力学第二
定律
C. 科技的不断进步使得人类有可能生产出单一热源的热机
D. 尽管科技不断进步，热机的效率仍不能达到100%
【典例2】（单选）关于热力学定律，下列说法正确的是( )
A. 气体吸热后温度一定升高
B. 热量不可能从低温物体传到高温物体
C. 若系统𝐴和系统𝐵之间达到热平衡，则它们的温度一定相同
D. 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
【变式1】（单选）全球能源互联网发展合作组织与国家气候中心2025年4月21日联合发布《2025年全
球新能源发电年景预测报告》。能源问题是当今世界最为重要的问题之一，热力学的研究对能源利用
率的提高起到了关键作用，为热机的设计与制造提供了足够的理论支持。关于热机和热力学定律，以
下表述正确的是( )
A. 第二类永动机并没有违背能量守恒定律，故热机的效率可能达到100%B. 因为能量守恒，随着科技的发展，能量可以循环利用，从而可以解决能源危机问题
C. 一切自发过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行
D. 热力学第二定律可表述为“不可能使热量由低温物体传递到高温物体”
【变式2】（单选）关于热学问题，下列说法正确的是( )
A. 液体温度越高，布朗运动越显著
B. 花粉颗粒的无规则运动就是分子的热运动
C. 第二类永动机不可制成是由于它违背了能量守恒定律
D. 热量只能从高温物体传向低温物体，而不能从低温物体传向高温物体
【变式3】（单选）两种不同的金属丝组成一个回路，接触点1插在热水中，接触点2插在冷水中，如图
所示，电流计指针会发生偏转，这就是温差发电现象。关于这一现象，下列说法中正确的是( )
A. 这一实验过程违反了热力学第二定律
B. 在实验过程中，热水和冷水的温差可以保持不变
C. 在实验过程中，热水减少的内能等于冷水增加的内能
D. 在实验过程中，热水减少的内能部分转化为电能，电能部分转化为冷水的内能
知识点 2：热力学第一定律和热力学第二定律的比较
1．两定律的比较
热力学第一定律 热力学第二定律
从能量守恒的角度揭示了功、热量和内 指出自然界中出现的宏观过程是
定律揭示的问题
能改变量三者的定量关系 有方向性的
当摩擦力做功时，机械能可以全部转化 内能不可能在不引起其他变化的
机械能和内能的转化
为内能 情况下完全转化为机械能
热量可以从高温物体自发地传向低温物 热量不能自发地从低温物体传向
热量的传递
体 高温物体
表述形式 只有一种表述形式 有多种表述形式
在热力学中，两定律既相互独立，又互为补充，共同构成了热力学知识的
两定律的关系
理论基础2．两类永动机的比较
第一类永动机 第二类永动机
不消耗任何能量，可以不断 将内能全部转化为机械能，
设计要求
做功 而不引起其他变化
不可能制成的原因 违背了能量守恒定律 违背了热力学第二定律
【典例1】（单选）在热学中，下列说法正确的是( )
A. 热力学第二定律告诉我们：机械能可以转化为内能，而内能不能转化为机械能
B. 热量只能从高温物体传向低温物体，而不能从低温物体传向高温物体
C. 第一类永动机不可制成是由于它违背了能量守恒定律
D. 第二类永动机不可制成是由于它违背了能量守恒定律
【典例2】（单选）对于热力学第一定律和热力学第二定律的理解，下列说法正确的是( )
A. 第二类永动机违反了热力学第一定律
B. 物体从外界吸收热量，其内能一定增加；物体对外界做功，其内能一定减少
C. 凡与热现象有关的宏观过程都具有方向性，在热传递中，热量只能从高温物体传递给低温物体，而
不能从低温物体传递给高温物体
D. 一定质量的气体膨胀对外做功100𝐽，同时从外界吸收120𝐽的热量，则它的内能增大20𝐽
【变式1】（单选）关于两类永动机和热力学的两个定律，下列说法正确的是( )
A. 第二类永动机不可能制成是因为违反了热力学第一定律
B. 第一类永动机不可能制成是因为违反了热力学第二定律
C. 由热力学第一定律可知做功不一定改变内能，热传递也不一定改变内能，但同时做功和热传递一定
会改变内能
D. 由热力学第二定律可知从单一热库吸收热量，完全变成功是可能的
【变式2】（单选）能源是当今社会快速发展面临的一大难题。由此，人们想到了永动机，关于第二类
永动机，4名同学各有以下观点。
甲：第二类永动机违反了能量守恒定律，因此不可能制造成功。
乙：第二类永动机不违反能量守恒定律，之所以还没制造成功，是因为科技还不够先进。
丙：只要没有摩擦、漏气因素导致的能量损失，第二类永动机就有可能制造成功。
丁：内能与机械能之间的转化具有方向性才是第二类永动机不可能制成的原因。
你认为以上观点正确的是( )
A. 甲 B. 乙 C. 丙 D. 丁
【变式3】下列关于能量转换过程的叙述，违背热力学第一定律的有 ，不违背热力学第一定律、但违背热力学第二定律的有 。(填正确答案标号)
A.汽车通过燃烧汽油获得动力并向空气中散热
B.冷水倒入保温杯后，冷水和杯子的温度都变得更低
C.某新型热机工作时将从高温热源吸收的热量全部转化为功，而不产生其他影响
D.冰箱的制冷机工作时从箱内低温环境中提取热量散发到温度较高的室内
知识点 3：能源是有限的
1．能源
容易利用的高品质储能物质。
2．能量耗散
(1) 使用的能源转化成内能，分散在环境中，不能自动聚集起来驱动机器做功，这样的转化过程叫作
“能量耗散”。
(2) 能源的使用过程中虽然能的总量保持守恒，但能量的品质下降了，能源减少了。
【归纳总结】
能量与能源的区别
(1)能量是守恒的，既不会增加也不会减少。
(2)能源是能够提供可利用能量的物质。
(3)能量耗散，能量总量不变，但能量品质会下降，即能源减少，故我们要节约能源。
【典例1】（单选）在能源消耗的过程中，我们无法把一些能源消耗产生的内能收集起来重新利用，这
种现象叫作能量的耗散。对于能量耗散理解正确的是( )
A. 能量耗散说明能量在不断的减少
B. 能量耗散不遵循能量守恒定律
C. 能量耗散说明能量不能凭空产生，但能量却可以凭空消失
D. 能量耗散从能量的角度反映出自然界中的宏观过程具有方向性
【典例2】（单选）根据热力学定律，下列说法中正确的是( )
A. 利用永久磁体间的作用力可以造一台永远转动的机械
B. 对能源的过度消耗使自然界的能量不断减少，形成“能源危机”C. 一定质量的理想气体通过等压变化和等容变化升高1℃吸收的热量不同
D. 电冰箱通电后把箱内低温物体的热量传到箱外高温物体说明热传递不存在方向性
【变式1】（单选）能源是人类社会活动的基础，节约能源应成为公民的行为习惯．下列说法中正确的
是( )
A. 太阳能转化为电能过程中能量增加 B. 能量耗散过程中能量在不断减少
C. 能量耗散会降低能源的利用品质 D. 能量转化在宏观上没有方向性
【变式2】（单选）下列说法正确的是( )
A. 空调在制冷过程中，从室内吸收的热量等于向室外放出的热量
B. 海水降低温度可以放出大量的热量，科技的不断进步使得人类有可能通过降低海水的温度来发电，
从而解决能源短缺的问题
C. 即使没有漏气、摩擦、不必要的散热等损失，热机也不可能把燃料产生的内能全部转化为机械能
D. 对能源的过度消耗使自然界的能量不断减少，形成“能源危机”
【方法技巧】
方法技巧 1 热力学第二定律的关键词
指明了热传递等热力学宏观现象的方向性，在传递过程中不会对其他物体产生影响或
自发地
借助其他物体提供能量等
不产生其 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
他影响 吸热、放热、做功等
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
单一热库
系统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
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
不可能 热库传到高温热库以外，过程所产生的其他一切影响，不论用任何的办法都不可能加
以消除
方法技巧 2 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，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。
【巩固训练】
一、单选题。1.下列说法中正确的是( )
A. 物体自由下落时速度增大，所以物体内能也增大
B. 当分子间距离从𝑟 (此时分子间引力与斥力平衡)增大到𝑟 时，分子力先减小后增大，分子势能也先
0 1
减小后增大
C. 热量一定从内能大的物体向内能小的物体传递
D. 根据热力学第二定律可知，热量不可能自发地从低温物体传到高温物体
2.根据热力学定律，下列说法错误的是( )
A. 电冰箱的工作表明，热量可以从低温物体向高温物体传递
B. 第一类永动机不可能制成，是因为其违背了热力学第一定律；第二类永动机不可能制成，是因为其
违背了热力学第二定律
C. 科技的不断进步使得人类有可能生产出从单一热源吸热全部用来对外做功而不引起其他变化的热
机
D. 即使没有漏气、摩擦、不必要的散热等损失，热机也不可以把燃料产生的内能全部转化为机械能
3.如图所示为家用电冰箱的工作原理简化图。压缩机工作时，强迫制冷剂在冰箱内外的管道中不断循
环，在蒸发器中的制冷剂汽化吸收箱体内的热量，经过冷凝器时制冷剂液化，放出热量到箱体外，下列
说法正确的是( )
A. 热量可以自发地从冰箱内传到冰箱外
B. 电冰箱的工作原理违反热力学第二定律
C. 冷凝器中的制冷剂在液化过程中体积增大，内能增加
D. 电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界，是因为其消耗了电能
4.下列哪种现象违背热力学第二定律( )
A. 一杯热茶自然放置，慢慢变凉
B. 桶中混浊的泥水在静置一段时间后，泥、水自动分离
C. 一滴红色颜料滴进一杯清水中，整杯水将均匀地变红
D. 蒸汽机把蒸汽的内能全部转化成机械能，效率达100%
5.关于以下四幅图片，说法正确的是( )A. 在图1中，向上拉动下表面紧贴水面的玻璃板时，拉力大于重力，主要是受到了大气压力的影响
B. 在图2中，随着活塞上砝码个数的增加，气缸内封闭的气体越来越难压缩(始终为气体状态)，主要原
因是由于随着气体体积的减小，分子间的斥力越来越大
C. 用烧热的针尖接触表面涂有蜂蜡层的云母片，蜂蜡层形成了如图3所示的熔化区域，说明蜂蜡对于
导热性存在着各向异性
D. 图4为热机能流图，随着机械制造工艺、机械材料等科学技术的不断发展，热机的效率仍无法达到
100%
二、多选题。
6.下列说法正确的是( )
A. 空调机既能制热又能制冷，说明热传递不存在方向性
B. 第一类永动机不可能制成是因为它违背了能量的转化和守恒
C. 对于一定质量的理想气体，只要温度升高其内能就一定增大
D. 随着科技的发展，热机的效率定能达到100%
7.利用“涡流效应”可实现冷热气体的分离。如图，一冷热气体分离装置由喷嘴、涡流室、环形管、分
离挡板和冷热两端管等构成。高压氮气由喷嘴切向流入涡流室中，然后以螺旋方式在环形管中向右旋
转前进，分子热运动速率较小的气体分子将聚集到环形管中心部位，而分子热运动速率较大的气体分
子将聚集到环形管边缘部位。气流到达分离挡板处时，中心部位气流与分离挡板碰撞后反向，从𝐴端流
出，边缘部位气流从𝐵端流出。下列说法正确的是( )
A. 𝐴端为冷端，𝐵端为热端
B. 𝐴端流出的气体分子热运动平均速率一定小于𝐵端流出的
C. 𝐴端流出的气体内能一定大于𝐵端流出的
D. 该装置气体进出的过程满足能量守恒定律，但违背了热力学第二定律
E. 该装置气体进出的过程既满足能量守恒定律，也满足热力学第二定律8.下列现象及关于热力学第一、第二定律的叙述正确的是( )
A. 一定质量的理想气体在等温膨胀过程中，气体一定从外界吸收热量
B. 热力学第一定律和热力学第二定律是从不同角度阐述了能量守恒定律
C. 0℃的冰融化为0℃的水，此过程系统吸收热量，内能增加
D. “覆水难收(泼出去的水难以收回)”反映了与热现象有关的宏观过程具有方向性
9.关于永动机和热力学定律的讨论，下列叙述正确的是( )
A. 第二类永动机违反能量守恒定律
B. 如果物体从外界吸收了热量，则物体的内能一定增加
C. 保持气体的质量和体积不变，当温度升高时，每秒撞击单位面积器壁的气体分子数增多
D. 做功和热传递都可以改变物体的内能，但从能量转化或转移的观点来看，这两种改变方式是有区别
的
10.（多选）关于热力学定律，下列说法正确的是( )
A. 为了增加物体的内能，必须对物体做功或向它传递热量
B. 对某物体做功，必定会使该物体的内能增加
C. 可以从单一热源吸收热量，使之完全变为功
D. 不可能使热量从低温物体传向高温物体
