第一定律检查数量，第二定律限制过程方向。判断“能”与“不能”时，必须一起读自发、循环、单一热库和无其他影响这些条件。

01 · 知识点概念、关系与适用条件02 · 考点先归纳方法，再看例题03 · 坑点辨析错因，检查遗漏

一、知识点 概念与依据

1. 两种表述与不能删除的限定词

热力学第二定律的常见表述是：热量不能自发地从低温物体传向高温物体；不可能让循环热机只从单一热库吸热，使之全部变成功，且不产生其他影响。

“自发”不是“任何条件下”；“循环”要求工作物质回到原状态；“无其他影响”还检查环境和其他系统是否发生变化。冰箱有外部功输入，一次等温膨胀则改变气体最终状态，都不属于被禁止的整组条件。表述及一次膨胀的例外可核OpenStax 第二定律。

2. 数量守恒不保证过程可以自行反向

高温向低温传热可自发进行，反向搬热需要外部影响。气体向真空自由膨胀后不会自行全部回到原来半边；即使初末内能相同，过程仍不可逆。这里不可逆指不能使系统与环境同时无其他变化地完全复原，不是指任何方法都不能让气体重新被压缩。

拓展：孤立系统的总熵不减少，理想可逆过程不变，不可逆过程增加。熵不是能量总量；某一部分冷却、熵减少可由环境的熵增加补偿，不能只截取局部判断总熵规律。实际自发宏观热过程的方向性，不应与理想可逆模型混为一谈。

3. 热机与制冷机的能量账不同

热机循环吸收高温热量$Q_h$，输出功$W_{\rm out}$，向冷端排热$Q_c$；这里各符号均表示正的大小，完整循环$\Delta U=0$，所以

$$Q_h=W_{\rm out}+Q_c,\qquad \eta=\frac{W_{\rm out}}{Q_h}.$$

不能取消排热及一切其他影响而只从单热库循环全转功，这不是仅由摩擦或漏气造成的技术限制。

制冷循环从冷端吸收$Q_c$，接受外部功$W_{\rm in}$，向热端排出$Q_h$，因此

$$Q_h=Q_c+W_{\rm in}.$$

热端得到的能量不仅是冷端搬来的热，还包括输入功。制冷性能系数定义为$\mathrm{COP}=Q_c/W_{\rm in}$，它不同于热机效率，可以大于1，不代表能量产生。指标定义见OpenStax 制冷机。未定义指标的“制冷机工作效率100%”不能直接用热机结论判定。

4. 两类永动机违反的约束不同

设想	违背什么	一轮复原后的问题
不消耗能量却持续净输出功	能量守恒，即第一定律	无输入而有输出，账不平
单热库吸热全变成功、循环复原且无其他影响	第二定律	数量可平，但方向性不允许

长时间转动不等于永动机，装置可能消耗储能或不断接受热、电、光输入。冷热水温差驱动的装置有冷热端，热水冷却、冷端受热就是外界变化，不因没电池就成为永动机。提高材料或消除摩擦、漏气不能绕过自然规律的限制。

二、考点 方法与例题

1. 按“外部影响—是否循环—系统边界”核对

看到冷到热，先查电功、机械功等外部影响；看到热全变功，查是否完整循环，以及气体体积、热库或储能是否变化；看到永动机，先查数量账，再查单热库无其他影响的循环条件。涉及熵只检查完整孤立系统总量，不拿一个冷却部件代表全部。

2. 正确选项也要说明成立范围

一次固定量理想气体等温膨胀有$\Delta U=0$，吸热量可全等于输出功，但气体体积改变，这是其他影响，不能冒充循环热机。解释制冷应列$Q_h=Q_c+W_{\rm in}$，不要只说“热从冷端到热端”而漏了输入功。

例题 01 电冰箱循环中的能量传递

题目

如图所示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（　　）

电冰箱制冷回路

A．热量可以自发地从低温的冰箱内传到高温的冰箱外

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．电冰箱的工作原理违反了热力学第一定律

D．电冰箱的工作效率可达到100%

答案与解析

原资料答案B。B关于消耗电能提供外部影响的判断正确；D的指标表述不充分，不能照搬原解析作严格结论。

蒸发器中制冷剂汽化从箱内吸热，压缩机消耗电能，冷凝器向箱外放热。A遗漏“不是自发而是有功输入”，错误。B正确。C错，因为一个循环满足$Q_h=Q_c+W_{\rm in}$，没有违反第一定律。

原解析纠偏： 原解把D当作热机效率问题，称制冷机不能100%，这是混用指标。若指制冷性能系数$Q_c/W_{\rm in}$，数值可为1，也可大于1；若指其他效率，必须先定义。因题干未定义“工作效率”，不能以热机效率上限严格排除一切解释。保留原答案B供题目口径对照，但不把D当无条件正确的热学断言。

本题结论

B是原题预期且物理明确的正确项；D未定义效率指标，原解析的热机类比不严谨。

例题 02 传热、吸热做功与自由膨胀

题目

（多选）关于热力学第二定律，下列说法正确的是（　　）

A．热量能够自发地从高温物体传到低温物体

B．不可能使热量从低温物体传向高温物体

C．从单一热库吸收热量，可以使之完全变成功

D．气体向真空自由膨胀的过程是不可逆过程

答案与解析

答案ACD。

A描述自发高温向低温传热，正确。B把“不能自发”改成绝对不可能，忽略制冷机的外部功输入，错误。

C没有要求循环复原、无其他影响，所以可以成立：固定量理想气体一次等温膨胀，$\Delta U=0$，吸热等于向外做功；但体积、状态改变，正是留下的其他影响。不能由C推广为单热库循环热机100%转功。

D自由膨胀不可逆，正确。自由膨胀虽不可逆，在封闭绝热、理想气体且无其他功的模型中仍可$Q=W=\Delta U=0$；不能由“不可逆”推断必有输出功。若要把气体压回原体积，必须有外界作用，并在环境留下影响。

本题结论

ACD。限制词的有无改变命题范围。

例题 03 关于第二类永动机的四种观点

题目

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

答案与解析

答案D。第二类永动机可以在数量上设想吸热等于输出功，所以甲错在与第一类混淆。它要求单热库、循环、全转功且无其他影响，违反第二定律，乙的技术不足解释错误。丙即便消除摩擦、漏气，也未消除方向限制，仍不可能。丁按题设指出内能与机械能转化的方向约束，正确。

这里不是说内能永远不能转为机械能，而是不能完成第二类永动机要求的整组条件。

本题结论

D。数量守恒与方向允许是两道不同的检查。

三、坑点 辨析与纠错

1. 冷到热不一定违反第二定律

有功输入的制冷可以搬热，热端接收冷端热量与输入功之和。看到冷到热，要先问是否存在外部影响，而不是删掉“自发”后背一个绝对禁令。

2. 无工程损耗不等于可以制造第二类永动机

热机的限制不只是摩擦与漏气；循环复原和无其他影响才是关键。制冷性能系数又不是热机效率，不能用同一个百分数上限混判两类装置。

上一页12. 等温、等容、绝热与体积功

下一页14. 能量守恒、耗散与能源利用