【新步步高】2014-2015学年高中物理-3.4热力学第二定律课时作业(含解析)粤教版选修3-3.doc

第四节　热力学第二定律

1．热量不能自动地从____________传递到____________，或者说，不能使热量由____________传递到____________，而不引起其他变化．这就是热力学第二定律的克劳修斯表述，它阐述的是____________的方向性．
2．不可能从____________吸收热量并把它________________，而不引起其他变化，这就是热力学第二定律的开尔文表述．开尔文表述阐述了________________________过程的方向性，即通过做功，机械能可以________转化为内能，而内能无法________用来做功以转换成机械能，而不引起其他变化．
3．有一类永动机，不违反________________，但违反__________________，这样的永动机叫做第二类永动机．第二类永动机是不可能制成的．
4．热力学第二定律的微观实质是：与热现象有关的________的宏观过程，总是朝着分子热运动状态无序性________的方向进行．熵是描述物体的____________的物理量，物体内部分子热运动无序程度越高，物体的熵就________．因此热力学第二定律又称为熵增加原理．
5．(双选)下列说法中正确的是(　　)
A．一切涉及热现象的宏观过程都具有方向性
B．一切不违反能量守恒定律的物理过程都是可能实现的
C．由热力学第二定律可以判断物理过程能否自发进行
D．一切物理过程都不可能自发地进行
6．下列说法中正确的是(　　)
A．功可以完全转化为热量，而热量不可以完全转化为功
B．热机必须是具有两个热源，才能实现热功转化
C．热机的效率不可能大于1，但可能等于1
D．热机的效率必定小于1
7．任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会(　　)
A．增加B．不变
C．减小D．无法判断

【概念规律练】
知识点一　热传导的方向性
1．(双选)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
知识点二　机械能和内能转化过程的方向性
2．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别的物体，或从一种形式转化成为另一种形式
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
3．(双选)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
知识点三　热力学第二定律的理解
4．(双选)根据热力学第二定律，下列判断正确的是(　　)
A．热机中燃气的内能不可能全部变成机械能
B．电流的能不可能全部变成内能
C．在火力发电机中，燃气的内能全部变成电能是可能的
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
5．“热量只能从高温物体传递给低温物体，但不能从低温物体传递给高温物体”这一说法是否正确？为什么？

知识点四　热力学第二定律的微观实质
6．(双选)关于热力学第二定律的微观意义，下列说法正确的是(　　)
A．大量分子无规则的热运动能够自动转变为有序运动
B．热传递的自发过程是大量分子从有序运动状态向无序运动状态转化的过程
C．热传递的自发过程是大量分子从无序程度小的运动状态向无序程度大的运动状态转化的过程
D．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
7．热力学第二定律的开尔文表述指出：内能与机械能的转化具有方向性．请结合熵的变化加以解释．

【方法技巧练】
热力学第二定律的应用技巧
8．如图1中汽缸内盛有定量的理想气体，

图1
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，此过程违反热力学第二定律
B．气体是从单一热源吸热，但并未全部用来对外做功，此过程不违反热力学第二定律
C．气体是从单一热源吸热，全用来对外做功，此过程不违反热力学第二定律
D．以上三种说法都不对

1．下列说法中正确的是(　　)
A．电动机是把电能全部转化为机械能的装置
B．热机是将内能全部转化为机械能的装置
C．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
D．虽然不同形式的能量可以相互转化，但不可能将已转化成内能的能量全部收集起来加以完全利用
2．关于热力学定律和分子动理论，下列说法中正确的是(　　)
A．我们可以利用高科技手段，将流散到周围环境中的内能重新收集起来加以利用而不引起其他变化
B．利用浅层海水和深层海水之间的温度差制造一种热机，将海水的一部分内能转化为机械能，这在原理上是可行的
C．在分子力作用范围内，分子力总是随分子间距离的增大而减小
D．温度升高时，物体中每个分子的运动速率都将增大
3．下列说法正确的是(　　)
A．热量不能由低温物体传递到高温物体
B．外界对物体做功，物体的内能必定增加
C．第二类永动机不可能制成，是因为违反了能量守恒定律
D．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
4．(双选)用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2所示，电流计指针会发生偏转，这就是温差发电现象．关于这一现象的正确说法是(　　)

图2
A．这一实验不违背热力学第二定律
B．在实验过程中，热水温度降低，冷水温度升高
C．在实验过程中，热水的内能全部转化成电能，电能则部分转化成冷水的内能
D．在实验过程中，热水的内能只有部分转化成电能，电能则全部转化成冷水的内能
5．(双选)图3为电冰箱的工作原理示意图．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(　　)

图3
A．热量可以自动地从冰箱内传到冰箱外
B．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
C．电冰箱的工作原理不违反热力学第一定律
D．电冰箱的工作原理违反热力学第一定律
6．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动能，使这个物体运动起来．其原因是(　　)
A．违背了能量守恒定律
B．在任何条件下内能不可能转化成机械能，只有机械能才能转化成内能
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．以上说法均不正确
7．17世纪70年代，

图4
英国赛斯特城的主教约翰·维尔金斯设计了一种磁力“永动机”，其结构如图4所示，在斜面顶端放一块强磁铁M，斜面上、下端各有一个小孔P、Q，斜面下有一个连接两小孔的弯曲轨道．维尔金斯认为：如果在斜坡底放一个铁球，那么在磁铁的引力作用下，铁球会沿斜面向上运动，当球运动到P孔时，它会漏下，再沿着弯曲轨道返回到Q，由于这时球具有速度可以对外做功．然后又被磁铁吸引回到上端，到P处又漏下……对于这个设计，下列判断中正确的是(　　)
A．满足能量转化和守恒定律，所以可行
B．不满足热力学第二定律，所以不可行
C．不满足机械能守恒定律，所以不可行
D．不满足能量守恒定律，所以不可行
8．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
9．下列说法中正确的是(　　)
A．机械能和内能之间的转化是可逆的
B．气体向真空的自由膨胀是可逆的
C．如果一个“宏观态”对应的“微观态”比较多，就说明这个“宏观态”是比较有序的
D．如果一个“宏观态”对应的“微观态”比较多，就说明这个“宏观态”是比较无序的
10．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．熵值越大代表越无序
11．(双选)下面关于热力学第二定律微观意义的说法正确的是(　　)
A．从微观的角度看，热力学第二定律是一个统计规律
B．一切自发过程总是沿着分子热运动无序性减小的方向进行
C．有的自发过程沿着分子热运动无序性增大的方向进行，有的自发过程沿着分子热运动无序性减小的方向进行
D．在任何自发过程中，一个孤立系统总熵不会减少
题号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
答案

12.质量相同、温度相同的水，如图5所示分别处于固态、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？

图5

13.下列所述过程是可逆的，还是不可逆的？
(1)气缸与活塞组合中装有气体，当活塞上没有外加压力，活塞与气缸间没有摩擦，使气体自由膨胀时．
(2)上述装置，当活塞上没有外加压力，活塞与气缸间摩擦很大，使气体缓慢地膨胀时．
(3)上述装置，没有摩擦，但调整外加压力，使气体能缓慢地膨胀时．
(4)在一绝热容器内盛有液体，不停地搅动它，使它温度升高．
(5)一传热的容器内盛有液体，容器放在一恒温的大水池内，不停地搅动液体，可保持温度不变．
(6)在一绝热容器内，不同温度的液体进行混合．
(7)在一绝热容器内，不同温度的氦气进行混合．

14．某同学家新买了一台双门电冰箱，冷藏室容积为107L，冷冻室容积为118L，假设室内空气为理想气体．
(1)若室内空气摩尔体积为22.5×10－3m3/mol，阿伏加德罗常数为6.0×1023mol－1，在家中关闭冰箱门密封后，电冰箱的冷藏室和冷冻室内大约共有多少个空气分子．
(2)若室内温度为27℃，大气压为1×105Pa，关闭冰箱门通电工作一段时间后，冷藏室内温度降为6℃，若冷冻室温度降为－9℃，此时冷藏室与冷冻室中空气的压强差多大．
(3)冰箱工作时把热量从温度较低的冰箱内部传到温度较高的冰箱外部，请分析说明这是否违背热力学第二定律．
答案
课前预习练
1．低温物体　高温物体　低温物体　高温物体　热传导
2．单一热源　全部用来做功　机械能与内能转化　全部　全部
3．热力学第一定律　热力学第二定律
4．自发　增加　无序程度　越大
5．AC　[热力学第二定律是反映宏观自然过程的方向性的定律．热量不能自动地从低温物体传到高温物体，但可以自发地从高温物体传到低温物体；并不是所有符合能量守恒定律的宏观过程都能实现，故A、C正确，B、D错误．]
6．D　[本题要求全面领会开尔文表述的含义，同时注意语言逻辑性．开尔文表述没有排除热量可以完全转化为功，但必然要产生其他变化，比如气体等温膨胀，气体内能完全转化为功，但气体体积增大了，A错误；开尔文表述指出，热机不可能只有单一热源．但未必就是两个热源．可以具有两个以上热源，B错误；由η＝可知，只要Q2≠0，η≠1，如果Q2＝0，则低温热源不存在，违背了开尔文表述，故C错误，D正确．]
7．C
课堂探究练
1．AC　[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．]
方法总结　热传导具有方向性，即自然过程具有方向性．虽然热量不能自发地从低温物体传向高温物体，但是有外界的影响和帮助，如在外力做功的情况下就可以实现热量从低温物体传向高温物体．电冰箱就是一例．
2．D　[本题考查对热力学第二定律的理解，首先，机械能可以通过克服摩擦阻力做功全部转化为内能，故选项A错误；第二类永动机没有违反能量守恒定律，而是违反了热力学第二定律，因而不能制成，故选项B错误；由热力学第二定律的克劳修斯表述可知，C选项错误；由热力学第二定律的开尔文表述可知，可以从单一热源吸收热量全部变成功但必定会引起其他变化，故选项D正确．]
3．BD　[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．]
方法总结　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库，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．所以第二类永动机不可能制成，因为它违背了热力学第二定律．
4．AD　[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，总是遵循“机械能可全部转化为内能，而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变为电能，C错误．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(克氏)表述的主要思想，故D正确．由电流热效应中的焦耳定律可知，电流的能可以全部转化为内能，故B错误．]
方法总结　热力学第二定律的两种表述是等价的，都说明一切与热现象有关的宏观过程都是不可逆的．其中“自动地”是指热量从高温物体“自动地”传给低温物体的方向性，在传递过程中不会对其他物体引起变化或借助其他物体提供能量等的帮助．
5．见解析
解析　不正确．在引起其他变化的情况下，热量可以从低温物体传到高温物体，例如，电冰箱制冷时，通过压缩机做功，把热量从低温区(冷藏食品处)传递给了高温区(大气)，但消耗了电能，外力对制冷剂做了功，这就是“其他变化”．而热量从高温物体传到低温物体是可自发进行的，可以不带来其他影响．这正是热力学第二定律第一种表述的内涵．
方法总结　准确理解热力第二定律很重要．根据热力学第二定律的第一种(克氏)表述，要使热传递反过来进行，就要付出其他代价，引起其他变化(如做功等)．
6．CD　[热力学第二定律的微观意义明确指出：一切自发过程总是沿着分子热运动的无序程度增大的方向进行，所以选项C、D正确．]
方法总结　正确理解有序和无序及其变化过程的方向是解题的关键．
7．见解析
解析　机械运动是宏观情况下物体在空间位置上的变化，物体运动状态的变化完全遵循牛顿运动定律所反映的因果关系，这是一种有序的运动．热运动是大量分子的无规则运动，系统的一个宏观状态包含着大量的微观状态，这是一种无序的运动．机械运动向热运动的转化，属于从有序向无序的转化，会导致熵的增加，符合热力学的规律，因此机械能可以全部转化为内能．反之，热运动向机械运动的转化，属于从无序向有序的转化，即从高熵向低熵转化，不符合熵增加原理，因此内能不能自发的转化为机械能．
方法总结　熵是描述系统无序程度的物理量，熵越大，无序程度越高，自然界的一切自发过程，总是朝着从有序向无序的方向转化．
8．C　[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，但此过程不违反热力学第二定律．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．]
方法总结　要正确理解“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”它包含以下三层意思：
(1)从单一热源吸收热量，一般来说只有部分转化为机械能，所以第二类永动机是不可能制成的；(2)机械能转化为内能是自然的，可以全部转化；(3)如果引起其他变化，可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功．
课后巩固练
1．D　[由于电阻的存在，电流通过电动机一定发热，电能不能全部转化为机械能，A错误；根据热力学第二定律知，热机不可能将内能全部转化为机械能，B错误；C项说法违背热力学第二定律，因此错误；由于能量耗散，能源的可利用率降低，D正确．]
2．B　[由热力学第二定律可知，A错误，B正确；由分子间作用力与分子间距的关系可知，C项错误；温度升高时，物体中分子平均动能增大，但并不是每个分子的动能都增大，即并不是每个分子的运动速率都增大，故D项错误．]
3．D　[根据热力学第二定律，热量不能自发地由低温物体传递到高温物体，而不引起其他变化．在发生其他变化的前提下，热量可以由低温物体传递到高温物体，例如电冰箱制冷时，压缩机工作，消耗了电能，同时热量由冰箱内的低温物体传递到冰箱外的高温物体，所以A错．外界对物体做功的同时，物体可能放热，物体的内能不一定增加，所以B错．第二类永动机的效率为100%，并不违反能量守恒定律，但它违反了热力学第二定律中热机效率必小于1的表述，因此它不可能制成，所以C错．而D选项中的表述就是热力学第二定律的一种表述形式，所以D正确．]
4．AB　[自然界中的任何自然现象或过程都不违反热力学定律，本实验现象也不违反热力学第二定律，A正确；整个过程中能量守恒且热传递有方向性，B正确；在实验过程中，热水中的内能除转化为电能外，还升高金属丝的温度，内能不能全部转化为电能；电能除转化为冷水的内能外，还升高金属丝的温度，电能不能全部转化为冷水的内能，C、D错误．注意与热现象有关的宏观现象的方向性，这是应用热力学第二定律的关键．]
5．BC　[热力学第一定律是热现象中内能与其他形式能的转化规律，是能量守恒定律的具体表现，适用于所有的热现象，故C正确，D错误；根据热力学第二定律，热量不能自动地从低温物体传到高温物体，必须借助于其他系统做功，A错误，B正确，故选B、C.]
6．C　[不同形式的能量可以相互转化，机械能可以转化为内能，在一定的条件下，内能也能转化为机械能，能量的转化都是通过做功来实现的．]
7．D　[违背了能量守恒定律，不可行．]
8．B　[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C、D错误，B项正确；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A错误．]
9．D　[热现象的宏观过程都是不可逆的，故A、B错，微观态越多越无序，故选D.]
10．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，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，一个孤立系统的熵值不会减小，因此热力学第二定律又称为熵增加原理．因此A、B、D说法正确，C说法错误．]
11．AD　[系统的热力学过程就是大量分子无序运动状态的变化，从微观角度看，热力学第二定律是一个统计规律，所以A对．热力学第二定律的微观意义是“一切自发过程总是沿着分子热运动无序性增大的方向进行”，所以B、C均错．D是在引入熵之后对热力学第二定律微观意义的描述，D对．]
12．见解析
解析　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大的方向进行，至少无序程度不会减少．这也就是说，任何一个系统自发变化时，系统的熵要么增加，要么不变，但不会减少．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．
13．见解析
解析　(1)发生自由膨胀，则是不可逆过程．
(2)有摩擦发生，也是不可逆过程．
(3)有准静态无摩擦的膨胀，则为可逆过程．
(4)这是由功变为热，是不可逆过程．
(5)此过程中既有“功变热”又有“热传导”，是不可逆过程．
(6)液体的扩散是不可逆过程．
(7)有一定温度差的热传导是不可逆过程．
14．(1)6.0×1024个　(2)5.0×103Pa　(3)见解析
解析　(1)N＝NA＝6.0×1024个
(2)设气体初始温度为t0，压强为p0；后来冷藏室与冷冻室中的温度和压强分别为t1、p1和t2、p2，由于两部分气体分别做等容变化，根据查理定律
＝
p1＝p0
同理p2＝p0
得Δp＝p1－p2＝p0
代入数据得Δp＝5.0×103Pa
(3)不违背热力学第二定律，因为热量不是自发地由低温向高温传递，冰箱工作过程中要消耗电能．

13