熱力學(xué)基礎(chǔ)

一. 教學(xué)內(nèi)容：熱力學(xué)基礎(chǔ)

（一）改變物體內(nèi)能的兩種方式：做功和熱傳遞

1. 做功：其他形式的能與內(nèi)能之間相互轉(zhuǎn)化的過程，內(nèi)能改變了多少用做功的數(shù)值來量度,，外力對物體做功,，內(nèi)能增加，物體克服外力做功,，內(nèi)能減少,。

2. 熱傳遞：它是物體間內(nèi)能轉(zhuǎn)移的過程，內(nèi)能改變了多少用傳遞的熱量的數(shù)值來量度,，物體吸收熱量,，物體的內(nèi)能增加，放出熱量,，物體的內(nèi)能減少,，熱傳遞的方式有：傳導(dǎo)、對流,、輻射,，熱傳遞的條件是物體間有溫度差。

（二）熱力學(xué)第一定律

1. 內(nèi)容：物體內(nèi)能的增量 等于外界對物體做的功W和物體吸收的熱量Q的總和,。

2. 表達(dá)式： ,。

3. 符號法則：外界對物體做功，W取正值,，物體對外界做功,，W取負(fù)值，吸收熱量Q取正值,，物體放出熱量Q取負(fù)值,；物體內(nèi)能增加 取正值，物體內(nèi)能減少 取負(fù)值。

（三）能的轉(zhuǎn)化和守恒定律

能量既不能憑空產(chǎn)生,，也不能憑空消失,，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式或從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體。在轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的過程中,，能的總量不變,，這就是能量守恒定律。

（四）熱力學(xué)第二定律

兩種表述：（1）不可能使熱量由低溫物體傳遞到高溫物體,，而不引起其他變化,。

（2）不可能從單一熱源吸收熱量，并把它全部用來做功,，而不引起其他變化,。

熱力學(xué)第二定律揭示了涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都有方向性。

（3）熱力學(xué)第二定律的微觀實(shí)質(zhì)是：與熱現(xiàn)象有關(guān)的自發(fā)的宏觀過程,，總是朝著分子熱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無序性增加的方向進(jìn)行的,。

（4）熵是用來描述物體的無序程度的物理量。物體內(nèi)部分子熱運(yùn)動(dòng)無序程度越高,，物體的熵就越大,。

（五）說明的問題

1. 第一類永動(dòng)機(jī)是永遠(yuǎn)無法實(shí)現(xiàn)的，它違背了能的轉(zhuǎn)化和守恒定律,。

2. 第二類永動(dòng)機(jī)也是無法實(shí)現(xiàn)的,，它雖然不違背能的轉(zhuǎn)化和守恒定律，但卻違背了熱力學(xué)第二定律,。

（六）能源和可持續(xù)發(fā)展

1. 能量與環(huán)境

（1）溫室效應(yīng)：化石燃料燃燒放出的大量二氧化碳，使大氣中二氧化碳的含量大量提高,，導(dǎo)致“溫室效應(yīng)”,，使得地面溫度上升，兩極的冰雪融化,，海平面上升,，淹沒沿海地區(qū)等不良影響。

（2）酸雨污染：排放到大氣中的大量二氧化硫和氮氧化物等在降水過程中溶入雨水,，使其形成酸雨,，酸雨進(jìn)入地表、江河,、破壞土壤,，影響農(nóng)作物生長，使生物死亡,，破壞生態(tài)平衡,，同時(shí)腐蝕建筑結(jié)構(gòu)、工業(yè)裝備、動(dòng)力和通訊設(shè)備等,，還直接危害人類健康,。

2. 能量耗散和能量降退

（1）能量耗散：在能量轉(zhuǎn)化過程中，一部分機(jī)械能轉(zhuǎn)變成內(nèi)能,，而這些內(nèi)能最終流散到周圍的環(huán)境中,，我們沒有辦法把這些流散的內(nèi)能重新收集起來加以利用，這種現(xiàn)象叫做能量的耗散,。

（2）能量降退：從可被利用的價(jià)值來看,，內(nèi)能較之機(jī)械能、電能等,，是一種低品質(zhì)的能量,。能量耗散不會(huì)使能的總量減少，卻會(huì)導(dǎo)致能量品質(zhì)的降低,。

二. 重點(diǎn),、難點(diǎn)

（一）熱力學(xué)第一定律

熱力學(xué)第一定律說明了做功和熱傳遞是物體內(nèi)能改變的量度，沒有做功和熱傳遞就不可能實(shí)現(xiàn)能的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移,。

按照符號法則將“ ”“－”號代入 計(jì)算或分析問題,，如果事先不便確定其正負(fù)，可以先假定它為正,，在計(jì)算出結(jié)果以后再作判斷,。若大于零，說明與原假設(shè)一致,，若結(jié)果為負(fù),，則說明與原假設(shè)相反。

熱力學(xué)第一定律的應(yīng)用一般步驟是：

1. 根據(jù)符號法則寫出各已知量（W,、 ）的正負(fù),。

2. 根據(jù)方程 求出未知量

3. 再根據(jù)未知量的正負(fù)判斷該量的變化。

例1. 一定量的氣體在某一過程中,，外界對氣體做了A. B. C. D. 解析：根據(jù)熱力學(xué)第一定律的符號法則,， ，所以選項(xiàng)B正確,。

答案：B

（二）正確運(yùn)用能量守恒定律計(jì)算內(nèi)能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的問題

物體內(nèi)能對分子而言,，它是組成物體所有分子熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能和分子熱能的總和，它是狀態(tài)量,，它的大小與溫度,、體積以及物體所含分子數(shù)有關(guān)。機(jī)械能是對物體整體而言,，它是物體整體的動(dòng)能和勢能（包括重力勢能和彈性勢能）的統(tǒng)稱,，即使靜止物體的動(dòng)能為零,，重力勢能和彈性勢能也不變，物體仍具有內(nèi)能,。

物體的機(jī)械能與內(nèi)能之間可以發(fā)生相互轉(zhuǎn)化,，例如“摩擦生熱”，但能的總量不變,。在分析此類問題時(shí),，一要注意能量轉(zhuǎn)化的方向，二要考慮到轉(zhuǎn)化的快慢導(dǎo)致的效果上的不同,。

例2. 如圖所示容器中,，A、B各有一個(gè)可自由移動(dòng)的輕活塞,，活塞下是水,，上為空氣，大氣壓恒定,。A,、B底部由帶有閥門K的管道相連，整個(gè)裝置與外界絕熱,，原先A中水面比B中高,，打開閥門，使A中水逐漸向B流,，最后達(dá)到平衡,。在這個(gè)過程中，下面哪個(gè)說法正確（ ）

A. 大氣壓對水做功,，水的內(nèi)能增加

B. 水克服大氣壓力做功,，水的內(nèi)能減少

C. 大氣壓對水不做功，水的內(nèi)能不變

D. 大氣壓對水不做功,，水的內(nèi)能增加

解析：本題主要考查能量轉(zhuǎn)化與守恒定律和大氣壓力做功的計(jì)算,，打開閥門后，A中的水逐漸流入B中,，最后達(dá)到平衡，即穩(wěn)定下來,。這一過程中,，水的重心一定降低，重力勢能一定減少,，依據(jù)能的轉(zhuǎn)化與守恒定律,，減少的重力勢能全部轉(zhuǎn)化為整個(gè)系統(tǒng)的內(nèi)能，水的內(nèi)能增加（容器的內(nèi)能也增加）,。A,、B液面大氣壓強(qiáng)相等,，設(shè)為

答案：D

例3. 如圖所示，固定容器及可動(dòng)活塞P都是絕熱的,，中間有一導(dǎo)熱的固定隔板B,，B的兩邊分別盛有氣體甲和氣體乙，現(xiàn)將活塞P緩慢地向B移動(dòng)一段距離,，已知?dú)怏w的溫度隨其內(nèi)能的增加而升高,，則在移動(dòng)P的過程中（ ）

A. 外力對乙做功，甲的內(nèi)能增加

B. 外力對乙做功,，乙的內(nèi)能不變

C. 乙傳遞熱量給甲,，乙的內(nèi)能增加

D. 乙的內(nèi)能增加，甲的內(nèi)能不變

解析：以氣體乙為研究對象,，外力對氣體乙做功,，內(nèi)能增加，因而氣體的溫度隨其內(nèi)能的增加而升高,。B是固定的導(dǎo)熱隔板,，通過熱傳遞，乙傳遞熱量給甲,，甲的內(nèi)能增大,。固定容器及可動(dòng)活塞都是絕熱的，以系統(tǒng)為研究對象,，由熱力學(xué)第一定律 得,，答案：AC

例4. 如圖所示，直立容器內(nèi)部有被隔板隔開的A,、B兩部分氣體,，A的密度小，B的密度較大,，抽去隔板,，加熱氣體，使兩部分氣體均勻混合,，設(shè)在此過程中氣體吸熱為Q,，氣體內(nèi)能增加為 ，則（ ）

A.

C.

解析：A,、B氣體開始的合重心在中線下,，混合均勻后在中線，所以系統(tǒng)重力勢能增大,，由能量守恒知,，吸收熱量一部分增加氣體內(nèi)能，一部分增加重力勢能,。故答案：B

（三）熱力學(xué)第二定律

1. （1）熱力學(xué)第二定律符合能量守恒定律,；（2）熱力學(xué)第二定律的兩種表述是等價(jià)的,，可以以其中一種表述推導(dǎo)出另一種表述。對任何一類宏觀自然過程進(jìn)行方向的說明,，都可以作為熱力學(xué)第二定律的表述,。（3）第二類永動(dòng)機(jī)不違背能量守恒定律，但違背了熱力學(xué)第二定律,。所以是不可能制成的,。（4）熱力學(xué)第二定律揭示了有大量分子參與的宏觀過程的方向性，使得它們成為獨(dú)立于熱力學(xué)第一定律的自然規(guī)律,。

2. 熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律是熱力學(xué)知識的基礎(chǔ)理論,。熱力學(xué)第一定律指出任何熱力學(xué)過程中能量守恒，而對過程沒有其他限制,。熱力學(xué)第二定律指明哪些過程可以發(fā)生,，哪些不可能發(fā)生，如：第二類永動(dòng)機(jī)不可能實(shí)現(xiàn),，熱機(jī)效率不可能是100%,，熱現(xiàn)象過程中能量耗散是不可避免的，宏觀的實(shí)際的熱現(xiàn)象過程是不可逆的等等,。

3. 熱力學(xué)第一定律反映了功,、熱量跟內(nèi)能改變之間的定量關(guān)系；熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)是：自然界中進(jìn)行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性,，都是不可逆的,。違背該定律的第二類永動(dòng)機(jī)是無法實(shí)現(xiàn)的。

例5. 下列說法正確的是（ ）

A. 熱量不能由低溫物體傳遞到高溫物體

B. 外界對物體做功,，物體的內(nèi)能必定增加

C. 第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成,，是因?yàn)檫`反了能量守恒定律

D. 不可能從單一熱源吸收熱量并把它全部用來做功，而不引起其他變化

解析：由熱力學(xué)第二定律可知,，熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳遞到高溫物體,，但可借助于外在動(dòng)力實(shí)現(xiàn)，如冰箱,、空調(diào)等設(shè)施,，A選項(xiàng)不正確。又由熱力學(xué)第一定律可知,，物體內(nèi)能的改變由做功和熱傳遞兩種方式共同決定,，所以B選項(xiàng)不確切。第二類永動(dòng)機(jī)違背了熱力學(xué)第二定律,，所以C選項(xiàng)錯(cuò)誤。由機(jī)械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化過程的方向性（熱力學(xué)第二定律表述2）可知,，D選項(xiàng)正確,。

答案：D

例6. 關(guān)于永動(dòng)機(jī)和熱力學(xué)定律的討論,，下列敘述正確的是（ ）

A. 第二類永動(dòng)機(jī)違反能量守恒定律

B. 如果物體從外界吸收了熱量，則物體的內(nèi)能一定增加

C. 外界對物體做功,，則物體的內(nèi)能一定增加

D. 做功和熱傳遞都可以改變物體的內(nèi)能,，但從能量轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的觀點(diǎn)來看這兩種改變方式是有區(qū)別的

解析：第二類永動(dòng)機(jī)違反熱力學(xué)第二定律并不違反能量守恒定律，故A錯(cuò),。據(jù)熱力學(xué)第一定律 知內(nèi)能的變化由做功W和熱傳遞Q兩個(gè)方面共同決定,，只知道做功情況或只知道傳熱情況就無法確定內(nèi)能的變化情況，故B,、C項(xiàng)錯(cuò)誤,。做功和熱傳遞都可改變物體內(nèi)能。但做功是不同形式能的轉(zhuǎn)化,，而熱傳遞是同種形式能間的轉(zhuǎn)移,，這兩種方式是有區(qū)別的，故D正確,。

答案：D

【模擬試題

1. 以下說法中正確的是（ ）

A. 0℃的水結(jié)成0℃的冰,，由于體積增大，分子勢能增大

B. 將鐵塊燒熱,，鐵塊中分子平均動(dòng)能增大,，分子勢能增大

C. 物態(tài)發(fā)生變化時(shí)，分子勢能一定變化

D. 物體的機(jī)械能和內(nèi)能都可能為零

2. 行駛中的汽車制動(dòng)后滑行一段距離,，最后停下,；流星在夜空中墜落并發(fā)出明亮的光焰；降落傘在空中勻速下降,；條形磁鐵在下落過程中穿過閉合線圈,，線圈中產(chǎn)生電流。上述不同現(xiàn)象中所包含的相同的物理過程是（ ）

①物體克服阻力做功

②物體的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量

③物體的勢能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量

④物體的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量

A. ①② B. ①③ C. ①④ D. ③④

3. 高為h（m）的瀑布,，設(shè)落到瀑布底部的水損失的重力勢能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,，且被水本身所吸收，則瀑布頂部的水與底部的水的溫度差為（ ）

A. C. D. 4. 在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下,，設(shè)100℃的1g水具有的內(nèi)能為A.

C.

5. 在溫度均勻的液體中,，一個(gè)小氣泡由液體的底層緩慢地浮至液面，則氣泡在浮起的過程中（ ）

A. 放出熱量 B. 吸收熱量

C. 不吸熱也不放熱 D. 無法判斷

6. 若熱機(jī)從熱源吸收熱量為Q,，對外做功為W,，定義 為熱機(jī)效率 值為（ ）

A. 可以是100% B. 可以大于100%

C. 可以大于或等于100% D. 一定小于100%

7. 關(guān)于熱力學(xué)第二定律的微觀意義，下列說法正確的是（ ）

A. 大量分子無規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng),，能夠自發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)橛行蜻\(yùn)動(dòng)

B. 熱傳遞的自然過程是大量分子從有序運(yùn)動(dòng)狀態(tài)向無序運(yùn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)化的過程

C. 熱傳遞的自然過程是大量分子從無序程度小的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)向無序程度大的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)化的過程

D. 一切自然過程總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)的無序性增大的方向進(jìn)行,，系統(tǒng)的總熵不會(huì)減小

8. 下列關(guān)于熵的有關(guān)說法錯(cuò)誤的是（ ）

A. 熵是系統(tǒng)內(nèi)分子運(yùn)動(dòng)無序性的量度

B. 在自然過程中熵總是增加的

C. 熱力學(xué)第二定律也叫做熵減小原理

D. 熵值越大代表越為無序

9. 一定質(zhì)量的氣體從外界吸收了 的功，問

（1）物體的內(nèi)能變化多少,？

（2）分子勢能是增加還是減少,？

（3）分子平均動(dòng)能如何變化,？

10. 如圖所示，一個(gè)小鐵塊沿半徑為R=0.2m的半球內(nèi)壁自上緣由靜止下滑,，當(dāng)滑至半球底部時(shí),，速度為 ，重力加速度

【試題答案

1. BC

2. C

3. A

4. D

5. B

6. D

7. CD

8. C

9. （1） （2）增加 （3）減少

10.