课堂探究
探究一热力学第二定律
问题导引
1．温度不同的两个物体相互接触时，热量会自发地从高温物体传递给低温物体。

此处“自发地”的含义是什么？
提示：“自发地”是指没有任何外界影响或者其他帮助。

2．空调和电冰箱工作时，热量都是从低温物体传递给高温物体的，它们违反热力学第二定律吗？
提示：不违反；因为这不是自发的过程，这个过程必须有第三者的介入，即必须开动空调、电冰箱的压缩机消耗电能才能进行。

3．设想在一间与外界绝热的房间里，有一台正在工作的冰箱，如果冰箱门是开着的，那么室内的温度将如何变化？为什么？
提示：升高，这是因为冰箱内的热量传到房间内，对于房间而言，总内能不变，但是由于热量由低温物体(冰箱)传到高温物体(房间)时不能自发进行，需要借助外界的帮助，即消耗电能，而消耗的电能最终转化为内能，所以房间内的温度会升高。

名师精讲
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。

在热传递过程中，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”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。

3.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。

下面给出证明：
设表述(1)不成立，如图所示，低温热源T2可以自发地向高温热源T1传递热量Q2。

那么，我们可在高温热源T1和低温热源T2之间设置一热机，使它从高温热源吸收热量Q1，对外做功W，并把热量Q2传递给低温热源。

当这一过程完成之时，低温热源由于吸热和放热相等，没有引起其他变化。

高温热源放出热量Q1大于吸收热量Q2，热机对外做功W＝Q1－Q2，相当于高温热源放出的热量全部用来对外做功，且没有引起其他变化，也就是说单一热源所放出的热量全部用来做功。

这显然是违反表述(2)的。

即凡违反表述(1)的说法，必然违反表述(2)。

反之，也可以证明，凡违反表述(2)的，也必然违反表述(1)。

【例题1】如图所示，汽缸内盛有一定质量的理想气体，汽缸壁是导热的，缸外环境保持恒温，活塞与汽缸壁接触光滑，但不漏气，现将活塞杆缓慢地向右移动，气体膨胀对外做功。

已知理想气体的内能只与温度有关，则下列说法中正确的是()
A．气体是从单一热库吸热，全用来对外做功，因此此过程违反热力学第二定律
B．气体是从单一热库吸热，但并未全用来对外做功，因此此过程不违反热力学第二定律
C．气体是从单一热库吸热，全部用来对外做功，但此过程不违反热力学第二定律D．以上三种说法都不正确
解析：由于气体始终通过汽缸壁与外界接触，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，所以汽缸内的气体温度也不变。

要保持其内能不变，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。

答案：C
题后反思根据热力学第二定律的两种表述可知，热量可以从低温物体传向高温物体，内
能也可以全部转化为机械能，只不过要引起其他变化或需要借助外界帮助。

触类旁通本题中“活塞杆缓慢地向右移动，气体膨胀对外做功”能自发进行吗？ 答案：不能。

探究二第二类永动机
问题导引
1．汽车发动机工作时，汽缸(燃烧室)是它的高温热库，低温热库在哪里？
提示：汽车发动机工作时低温热库就是汽缸外界的大气。

2．我们把“从单一热库吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响的热机称为第二类永动机”，如果随着科技的不断发展，能够使热机没有漏气、没有摩擦，也没有机体热量损失，是不是就能制成第二类永动机？
提示：不能。

这是因为热机必须有热源和冷凝器，热机工作时，总要向冷凝器放热，不可避免地要由工作物质带走一部分热量，即使是理想热机，没有摩擦、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中。

所以说第二类永动机是不可能制成的。

名师精讲
1．热机
(1)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)热机的工作原理。

工作物质从热源吸收热量Q 1，推动活塞做功W ，然后排出废气，同时把热量Q 2散发到冷凝器中。

根据能量守恒有Q 1＝W ＋Q 2。

(3)热机的效率。

把热机做的功W 与它从热源中吸收的热量Q 1的比值叫作热机的效率，用η表示，有η＝1
W Q 。

因为Q 1＝W ＋Q 2，所以Q 1＞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。

(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Q 2，所以总有Q 1
＞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中。

2．第二类永动机
(1)第二类永动机。

只从单一热源吸收热量，使之完全变为有用的功而不引起其他变化的热机。

(2)第二类永动机不可能制成。

这类机器虽然不违背能量守恒定律，但因为机械能和内能的转化过程是有方向性的，热机工作时从高温热库吸收的热量Q，只有一部分用来做功W，转变为机械能，另一部分热量要排放给低温热库。

也就是说，热机在工作过程中必然排出部分热量，热机用于做机械功的热量仅是它从高温热库吸收热量的一部分，绝不会是全部。

所以第二类永动机是不可能制成的。

从上面的分析可知，即使没有任何漏气、摩擦、不必要的散热等损失，也总有W<Q，所以热机的效率总达不到100%，汽车发动机的效率一般在20%～30%，蒸汽机的效率较高，可达60%左右。

(3)热力学第二定律还可表述为：第二类永动机不可能制成。

3．两类永动机的比较
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：本题考查第二类永动机。

第二类永动机的设想并不违背能量守恒定律，但是却违背了涉及热现象的能量转化过程是有方向性的规律，故选项A错；在引起其他变化的情况下，热量也可由低温物体非自发地传递到高温物体，选项B错；机械能可以全部转化为内能，如物体克服摩擦力做功的过程，选项C错，显然选项D正确。

故正确选项为D。

答案：D
题后反思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。

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。