热力学基础

図籴帑簤屸璺 2012-07-18

展开全文

热力学基础

一. 教学内容：热力学基础

（一）改变物体内能的两种方式：做功和热传递

1. 做功：其他形式的能与内能之间相互转化的过程，内能改变了多少用做功的数值来量度，外力对物体做功，内能增加，物体克服外力做功，内能减少。

2. 热传递：它是物体间内能转移的过程，内能改变了多少用传递的热量的数值来量度，物体吸收热量，物体的内能增加，放出热量，物体的内能减少，热传递的方式有：传导、对流、辐射，热传递的条件是物体间有温度差。

（二）热力学第一定律

1. 内容：物体内能的增量等于外界对物体做的功W和物体吸收的热量Q的总和。

2. 表达式：。

3. 符号法则：外界对物体做功，W取正值，物体对外界做功，W取负值，吸收热量Q取正值，物体放出热量Q取负值；物体内能增加取正值，物体内能减少取负值。

（三）能的转化和守恒定律

能量既不能凭空产生，也不能凭空消失，它只能从一种形式转化为另一种形式或从一个物体转移到另一个物体。在转化和转移的过程中，能的总量不变，这就是能量守恒定律。

（四）热力学第二定律

两种表述：（1）不可能使热量由低温物体传递到高温物体，而不引起其他变化。

（2）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。

热力学第二定律揭示了涉及热现象的宏观过程都有方向性。

（3）热力学第二定律的微观实质是：与热现象有关的自发的宏观过程，总是朝着分子热运动状态无序性增加的方向进行的。

（4）熵是用来描述物体的无序程度的物理量。物体内部分子热运动无序程度越高，物体的熵就越大。

（五）说明的问题

1. 第一类永动机是永远无法实现的，它违背了能的转化和守恒定律。

2. 第二类永动机也是无法实现的，它虽然不违背能的转化和守恒定律，但却违背了热力学第二定律。

（六）能源和可持续发展

1. 能量与环境

（1）温室效应：化石燃料燃烧放出的大量二氧化碳，使大气中二氧化碳的含量大量提高，导致“温室效应”，使得地面温度上升，两极的冰雪融化，海平面上升，淹没沿海地区等不良影响。

（2）酸雨污染：排放到大气中的大量二氧化硫和氮氧化物等在降水过程中溶入雨水，使其形成酸雨，酸雨进入地表、江河、破坏土壤，影响农作物生长，使生物死亡，破坏生态平衡，同时腐蚀建筑结构、工业装备、动力和通讯设备等，还直接危害人类健康。

2. 能量耗散和能量降退

（1）能量耗散：在能量转化过程中，一部分机械能转变成内能，而这些内能最终流散到周围的环境中，我们没有办法把这些流散的内能重新收集起来加以利用，这种现象叫做能量的耗散。

（2）能量降退：从可被利用的价值来看，内能较之机械能、电能等，是一种低品质的能量。能量耗散不会使能的总量减少，却会导致能量品质的降低。

二. 重点、难点

（一）热力学第一定律

热力学第一定律说明了做功和热传递是物体内能改变的量度，没有做功和热传递就不可能实现能的转化和转移。

按照符号法则将“ ”“－”号代入计算或分析问题，如果事先不便确定其正负，可以先假定它为正，在计算出结果以后再作判断。若大于零，说明与原假设一致，若结果为负，则说明与原假设相反。

热力学第一定律的应用一般步骤是：

1. 根据符号法则写出各已知量（W、）的正负。

2. 根据方程求出未知量

3. 再根据未知量的正负判断该量的变化。

例1. 一定量的气体在某一过程中，外界对气体做了A. B. C. D. 解析：根据热力学第一定律的符号法则，，所以选项B正确。

答案：B

（二）正确运用能量守恒定律计算内能和机械能相互转化的问题

物体内能对分子而言，它是组成物体所有分子热运动的动能和分子热能的总和，它是状态量，它的大小与温度、体积以及物体所含分子数有关。机械能是对物体整体而言，它是物体整体的动能和势能（包括重力势能和弹性势能）的统称，即使静止物体的动能为零，重力势能和弹性势能也不变，物体仍具有内能。

物体的机械能与内能之间可以发生相互转化，例如“摩擦生热”，但能的总量不变。在分析此类问题时，一要注意能量转化的方向，二要考虑到转化的快慢导致的效果上的不同。

例2. 如图所示容器中，A、B各有一个可自由移动的轻活塞，活塞下是水，上为空气，大气压恒定。A、B底部由带有阀门K的管道相连，整个装置与外界绝热，原先A中水面比B中高，打开阀门，使A中水逐渐向B流，最后达到平衡。在这个过程中，下面哪个说法正确（）

A. 大气压对水做功，水的内能增加

B. 水克服大气压力做功，水的内能减少

C. 大气压对水不做功，水的内能不变

D. 大气压对水不做功，水的内能增加

解析：本题主要考查能量转化与守恒定律和大气压力做功的计算，打开阀门后，A中的水逐渐流入B中，最后达到平衡，即稳定下来。这一过程中，水的重心一定降低，重力势能一定减少，依据能的转化与守恒定律，减少的重力势能全部转化为整个系统的内能，水的内能增加（容器的内能也增加）。A、B液面大气压强相等，设为

答案：D

例3. 如图所示，固定容器及可动活塞P都是绝热的，中间有一导热的固定隔板B，B的两边分别盛有气体甲和气体乙，现将活塞P缓慢地向B移动一段距离，已知气体的温度随其内能的增加而升高，则在移动P的过程中（）

A. 外力对乙做功，甲的内能增加

B. 外力对乙做功，乙的内能不变

C. 乙传递热量给甲，乙的内能增加

D. 乙的内能增加，甲的内能不变

解析：以气体乙为研究对象，外力对气体乙做功，内能增加，因而气体的温度随其内能的增加而升高。B是固定的导热隔板，通过热传递，乙传递热量给甲，甲的内能增大。固定容器及可动活塞都是绝热的，以系统为研究对象，由热力学第一定律得，答案：AC

例4. 如图所示，直立容器内部有被隔板隔开的A、B两部分气体，A的密度小，B的密度较大，抽去隔板，加热气体，使两部分气体均匀混合，设在此过程中气体吸热为Q，气体内能增加为，则（）

解析：A、B气体开始的合重心在中线下，混合均匀后在中线，所以系统重力势能增大，由能量守恒知，吸收热量一部分增加气体内能，一部分增加重力势能。故答案：B

（三）热力学第二定律

1. （1）热力学第二定律符合能量守恒定律；（2）热力学第二定律的两种表述是等价的，可以以其中一种表述推导出另一种表述。对任何一类宏观自然过程进行方向的说明，都可以作为热力学第二定律的表述。（3）第二类永动机不违背能量守恒定律，但违背了热力学第二定律。所以是不可能制成的。（4）热力学第二定律揭示了有大量分子参与的宏观过程的方向性，使得它们成为独立于热力学第一定律的自然规律。

2. 热力学第一定律和热力学第二定律是热力学知识的基础理论。热力学第一定律指出任何热力学过程中能量守恒，而对过程没有其他限制。热力学第二定律指明哪些过程可以发生，哪些不可能发生，如：第二类永动机不可能实现，热机效率不可能是100%，热现象过程中能量耗散是不可避免的，宏观的实际的热现象过程是不可逆的等等。

3. 热力学第一定律反映了功、热量跟内能改变之间的定量关系；热力学第二定律的实质是：自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性，都是不可逆的。违背该定律的第二类永动机是无法实现的。

例5. 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

解析：由热力学第二定律可知，热量不能自发地从低温物体传递到高温物体，但可借助于外在动力实现，如冰箱、空调等设施，A选项不正确。又由热力学第一定律可知，物体内能的改变由做功和热传递两种方式共同决定，所以B选项不确切。第二类永动机违背了热力学第二定律，所以C选项错误。由机械能与内能转化过程的方向性（热力学第二定律表述2）可知，D选项正确。

答案：D

例6. 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. 外界对物体做功，则物体的内能一定增加

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

解析：第二类永动机违反热力学第二定律并不违反能量守恒定律，故A错。据热力学第一定律知内能的变化由做功W和热传递Q两个方面共同决定，只知道做功情况或只知道传热情况就无法确定内能的变化情况，故B、C项错误。做功和热传递都可改变物体内能。但做功是不同形式能的转化，而热传递是同种形式能间的转移，这两种方式是有区别的，故D正确。

答案：D

【模拟试题

1. 以下说法中正确的是（）

A. 0℃的水结成0℃的冰，由于体积增大，分子势能增大

B. 将铁块烧热，铁块中分子平均动能增大，分子势能增大

C. 物态发生变化时，分子势能一定变化

D. 物体的机械能和内能都可能为零

2. 行驶中的汽车制动后滑行一段距离，最后停下；流星在夜空中坠落并发出明亮的光焰；降落伞在空中匀速下降；条形磁铁在下落过程中穿过闭合线圈，线圈中产生电流。上述不同现象中所包含的相同的物理过程是（）

①物体克服阻力做功

②物体的动能转化为其他形式的能量

③物体的势能转化为其他形式的能量

④物体的机械能转化为其他形式的能量