第三章 热力学定律（知识清单）物理人教版选择性必修第三册

第三章 热力学定律（知识清单） 第1节 功、热和内能的改变 1、 焦耳的实验 1. 绝热过程：系统不从外界 ，也不向外界 的过程。 2. 代表性实验 ①重物下落带动叶片搅拌容器中的水如图，用绝热性能良好的材料制作容器，容器中安装着叶片组成的搅拌器。重物下落时带动叶片转动，搅拌容器中的水，水由于摩擦而温度上升。 焦耳的多次实验测量表明：尽管各次悬挂重物的质量不同，下落的高度也不一样，但只要重力做的功相同，容器内水温上升的数值都是相同的，即系统状态的变化是相同的。 ②通过电流的热效应给水加热 如图，让正在下降的重物带动发电机发电，电流通过浸在液体中的电阻丝，由电流的热效应给液体加热，使液体温度上升。 多次实验结果表明：对于同一个系统，如果过程是绝热的，那么不管通过电阻丝的电流或大或小、通电时间或长或短，只要所做的电功相等，则系统温度上升的数值是相同的，即系统的状态就发生了同样的变化。 3.结论 在各种不同的绝热过程中，要使系统的状态发生变化，做功的数量只由 决定，而与做功的方式 。 4.内能 任何一个热力学系统都必定存在一个只依赖于系统自身状态的物理量，这个物理量在两个状态间的差别与外界在绝热过程中对系统做的功相联系。鉴于功是能量变化的量度，所以这个物理量必定是系统的一种能量，我们把它称为系统的内能。 2、 功与内能的改变 在热力学系统的绝热过程中，当系统从状态1经过绝热过程达到状态2时，系统内能的变化量为 它就等于外界对系统所做的功W，即 说明： ①适用于热力学系统的绝热过程。做功过程中，能量一定会发生转化，但内能不一定变化，只有在 过程中，做功才一定能引起内能的变化。 ②在绝热过程中：外界对系统做多少功，系统的内能就增加多少；系统对外界做多少功，系统的内能就减少多少。 ③如果一个热学过程的状态变化发生得极快、经历时间很短，系统与外界交换的热量就很少，即来不及热交换，这时若不计传递的热，可以看成绝热过程。 举例： ①空气压缩引火仪 现象：在空气压缩引火仪底部放置少量硝化棉，迅速压下筒中的活塞，观察到硝化棉出现燃烧的火苗。 原理：迅速压下活塞时，引火仪筒内气体被压缩，体积 ，外界对气体做了功，气体内能 ，温度 。当温度达到易燃物的燃点时，易燃物发生自燃。 ②塑料瓶打气现象：向透明塑料瓶内注入少量的水，再用安装了气门嘴的橡胶塞把瓶口塞紧。向瓶内打气，观察到橡皮塞跳出时瓶内出现白雾。 原理：以瓶内气体为研究对象，橡皮塞跳出后，瓶内的气体迅速 ，系统对外做功，气体的内能 ，温度 ，瓶内水蒸气液化，出现大量的雾状小水滴。 三、热与内能的改变 1.热传递 定义：两个温度不同的物体接触时，热从 传递到 的现象叫作热传递。 产生条件： 。 说明： ①只要存在温度差，热传递过程就会进行，与物体内能的多少无关。 ②热传递具有 ，一定是由高温物体传给低温物体，或是从物体的高温部分传给低温部分，不会自发地从低温物体(或物体的低温部分)传递到高温物体(或物体的高温部分)。 2.热与内能的改变 当系统从状态1经过单纯的传热达到状态2时，系统内能的变化量为 它就等于外界向系统传递的热量Q，即 说明： ①ΔU=Q适用于 的过程。 ②热量是在单纯的传热过程中系统内能变化的量度。不能说物体具有多少热量，只能说某一过程中物体吸收或放出了多少热量。 ③在单纯地传热过程中：系统从外界吸收多少热量，系统的内能就增加多少；系统向外界放出多少热量，系统的内能就减少多少。 3.传热与做功在改变系统内能上的异同 第2节 热力学第一定律 一、热力学第一定律 1. 内容：一个热力学系统的内能变化量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和。 2.表达式： 3.物理意义： ①反映了做功和传热对改变系统的内能是 的； ②给出了内能的变化量和做功与传热之间的定量关系。 4.说明：此定律是标量式，应用时需注意物理量的正负并统一单位。 ①外界对系统做功时，W取 ；系统对外界做功时，W取 。 ②外界对系统传热时，Q取 ；系统对外界传热时，Q取 。 ③U为正值，表示系统内能 ；U为负值，表示系统内能 。 符号的规定如下表所示。 二、热力学第一定律的应用 1.判断气体是否做功的方法：看气体的体积是否发生变化。 ①若气体体积增大，表明 ，W＜0. ②若气体体积减小，表明 ，W＞0. 注意：一定质量的理想气体在绝热条件下向真空自由膨胀时，由于不克服任何阻力，气体不对外做功，故气体体积增大，但内能 。 2.气体状态变化的几种特殊情况 ①绝热过程：Q＝0，则U＝W，系统内能的增加（或减少）量等于 ②等容过程：W＝0，则U＝Q，系统内能的增加（或减少）量等于 ③等温过程：等温过程中一定质量理想气体的内能 ，即U＝0，则W＝－Q（或Q＝－W），外界对系统做的功等于系统放出的热量（或系统吸收的热量等于系统对外界做的功）。 3.应用热力学第一定律解题的一般步骤 ①确定研究对象，按规定写出各已知量的正负； ②根据热力学第一定律的表达式列方程求解未知量； ③对结果的正负进行说明，确定系统的吸放热、做功或内能的变化情况。 第3节 能量守恒定律 一、探索能量守恒的足迹 1.人类对能量的认识 ①所有自然现象都涉及能量，人类的任何活动都离不开能量。 ②不同形式的运动都可以用能量来描述。 ③能量具有不同的形式，各种形式的能量之间可以相互转化。 2.能量守恒观念的形成 人类对能量的认识过程，体现了科学前辈们对“守恒”这一科学思想的追寻。 ①俄国化学家盖斯：发现化学反应放出的热量与反应步骤无关，这表明一个系统存在着一个与热量相关的物理量，在一个确定的化学反应中这个量是不变的。 ②焦耳：发现了电流的热效应，精确测量了做功与传热之间的等价关系。 ③德国医生迈尔：认识到食物中化学能与内能的等效性，即生物体内能量的输入和输出是平衡的。迈尔是公认的第一个提出能量守恒思想的人。 ④德国科学家亥姆霍兹：提出了动能和势能的转化，分析了在电磁现象和生物机体中能量的守恒问题。 不同领域的科学家从不同角度都提出过能量守恒的思想，能量守恒定律并非由某一个人通过某一项研究而得到。 二、能量守恒定律 1.内容 2.物理意义 ①找到了各种自然现象的公共量度——能量，揭示了自然规律的多样性和统一性。 ②表明了各种形式的能之间可以相互转化。 ③宣告了永动机幻想的彻底破灭。 3.说明： ①能量守恒定律适用于任何物理现象和物理过程。 ②自然界存在着多种不同形式的运动，每种运动对应着一种形式的能量。且不同形式的能量之间可以相互转化。 ③与某种运动形式对应的能是否守恒是有条件的，但能量守恒是没有条件的，能量守恒定律是一切自然现象都遵守的基本规律。恩格斯将能量守恒定律与细胞学说、生物进化论一起列为19世纪的三大发现。 ④能量守恒的观点也在不断地发展，相对论建立以后，基本粒子的研究使我们认识到，能量其实是与质量相关联的一个物理量。 4.能量守恒的两种表达 ①某种形式的能减少，一定有 增加，且增加量和减少量一定 ； ②某个物体的能量减少，一定存在 增加，且减少量和增加量一定 。 5.能量守恒定律的具体表现 ①在热学中： ②在力学中： ③在电学中： ④在电磁感应中： 三、永动机不可能制成 1.第一类永动机：不需要任何动力或燃料，却能不断对外做功的机器。 2.第一类永动机不可能制成的原因：违背了 由可知，如果没有外界提供热量而对外做功，系统的内能将减少。若想源源不断的做功，就必须使系统不断回到初始状态，这在无外界能量供给的情况下是不可能的。 3.意义：制造永动机的千万次失败使人们走出迷梦，去研究各种能量形式相互转化的规律，促成了能量守恒定律的成立。 第4节 热力学第二定律 一、热力学第一定律 1.一切与热现象有关的宏观自然过程都是 的。 2.在物理学中，反映宏观自然过程的方向性的定律就是热力学第二定律。 3.热力学第二定律的克劳修斯表述： 。 理解： ①克劳修斯表述阐述的是传热的方向性：当两个温度不同的物体接触时，热量可以自发的从高温物体传向低温物体，而不能自发的从低温物体传向高温物体。 ②“自发”指的是：当两个物体接触时，不需要任何第三者的介入、不会对任何第三者产生任何影响，热量就能从一个物体传到另一个物体。 ③热力学第二定律的克劳修斯表述是对制冷机工作的总结。 电冰箱的制冷机工作时，热量从冰箱内的低温食品传到冰箱外的高温空气；如果不通电，制冷剂停止工作，热量将自发的从冰箱外的高温空气传向冰箱内的低温食品。 4.热力学第二定律的开尔文表述： 理解： ①开尔文表述阐述的是机械能与内能转化的方向性：通过做功，机械能可以全部转化为内能，而内能无法全部用来做功以转化为机械能而不产生其他影响。 ②“不可能从单一热库吸收热量”意思是：不仅要从一个热库吸热，而且一定会向另一个热库放热。 ③热力学第二定律的开尔文表述是对热机工作的总结。 热机工作时，先将燃料中的化学能变成工作物质的内能，工作物质再对外做功，把自己的内能变成机械能。但工作物质从高温热库吸收的热量Q，只有一部分用来做功转变为机械能W，另一部分热量要排放给低温热库（冷凝器或大气）。 5.热力学第二定律的克劳修斯表述和开尔文表述是等价的。 热力学第二定律的两种表述都揭示了热现象宏观过程的方向性，是等价的。 注意：热力学第二定律只能适用于由很大数目分子所构成的系统及有限范围内的宏观过程，不适用于少量的微观体系，也不能把它扩展到无限的宇宙。 6.热力学第一定律和热力学第二定律的比较 二、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产生其他影响的热机。 2.第二类永动机不可能制成的原因：违背了 。 原因分析：虽然第二类永动机不违反能量守恒定律，但大量的事实证明，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，即不存在只从单一热源吸收热量，使之完全变为有用的功而不产生其他影响的热机。 3.两类永动机的比较 三、能源是有限的 1.能源：具有高品质的容易利用的储能物质，如石油、天然气等。 2.能量耗散：每天使用的能源最终都转化成内能流散到周围的环境中，再也不能自动聚集起来重新利用的现象叫作“能量耗散”。 3.能量耗散反映了自然界的自发变化过程具有 。 4.能量耗散虽然不会导致能量总量的减少，却会导致能量品质的降低。它实际是将能量从高度有用的高品质形式降级为不大可用的低品质形式。 说明：虽然能量的总量不会减少，但能源会逐步减少，因此能源是有限的资源。 / 学科网（北京）股份有限公司 $ 第三章 热力学定律（知识清单） 第1节 功、热和内能的改变 1、 焦耳的实验 1.绝热过程：系统不从外界吸热，也不向外界放热的过程。 2.代表性实验 ①重物下落带动叶片搅拌容器中的水如图，用绝热性能良好的材料制作容器，容器中安装着叶片组成的搅拌器。重物下落时带动叶片转动，搅拌容器中的水，水由于摩擦而温度上升。 焦耳的多次实验测量表明：尽管各次悬挂重物的质量不同，下落的高度也不一样，但只要重力做的功相同，容器内水温上升的数值都是相同的，即系统状态的变化是相同的。 ②通过电流的热效应给水加热 如图，让正在下降的重物带动发电机发电，电流通过浸在液体中的电阻丝，由电流的热效应给液体加热，使液体温度上升。 多次实验结果表明：对于同一个系统，如果过程是绝热的，那么不管通过电阻丝的电流或大或小、通电时间或长或短，只要所做的电功相等，则系统温度上升的数值是相同的，即系统的状态就发生了同样的变化。 3.结论 在各种不同的绝热过程中，要使系统的状态发生变化，做功的数量只由过程始末两个状态决定，而与做功的方式无关。 4.内能 任何一个热力学系统都必定存在一个只依赖于系统自身状态的物理量，这个物理量在两个状态间的差别与外界在绝热过程中对系统做的功相联系。鉴于功是能量变化的量度，所以这个物理量必定是系统的一种能量，我们把它称为系统的内能。 2、 功与内能的改变 在热力学系统的绝热过程中，当系统从状态1经过绝热过程达到状态2时，系统内能的变化量为 它就等于外界对系统所做的功W，即 说明： ①适用于热力学系统的绝热过程。做功过程中，能量一定会发生转化，但内能不一定变化，只有在绝热过程中，做功才一定能引起内能的变化。 ②在绝热过程中：外界对系统做多少功，系统的内能就增加多少；系统对外界做多少功，系统的内能就减少多少。 ③如果一个热学过程的状态变化发生得极快、经历时间很短，系统与外界交换的热量就很少，即来不及热交换，这时若不计传递的热，可以看成绝热过程。 举例： ①空气压缩引火仪 现象：在空气压缩引火仪底部放置少量硝化棉，迅速压下筒中的活塞，观察到硝化棉出现燃烧的火苗。 原理：迅速压下活塞时，引火仪筒内气体被压缩，体积变小，外界对气体做了功，气体内能增加，温度升高。当温度达到易燃物的燃点时，易燃物发生自燃。 ②塑料瓶打气现象：向透明塑料瓶内注入少量的水，再用安装了气门嘴的橡胶塞把瓶口塞紧。向瓶内打气，观察到橡皮塞跳出时瓶内出现白雾。 原理：以瓶内气体为研究对象，橡皮塞跳出后，瓶内的气体迅速膨胀，系统对外做功，气体的内能迅速减少，温度迅速下降，瓶内水蒸气液化，出现大量的雾状小水滴。 三、热与内能的改变 1.热传递 定义：两个温度不同的物体接触时，热从高温物体传递到低温物体的现象叫作热传递。 产生条件：存在温度差。 说明： ①只要存在温度差，热传递过程就会进行，与物体内能的多少无关。 ②热传递具有方向性，一定是由高温物体传给低温物体，或是从物体的高温部分传给低温部分，不会自发地从低温物体(或物体的低温部分)传递到高温物体(或物体的高温部分)。 2.热与内能的改变 当系统从状态1经过单纯的传热达到状态2时，系统内能的变化量为 它就等于外界向系统传递的热量Q，即 说明： ①ΔU=Q适用于单纯对系统传热的过程。 ②热量是在单纯的传热过程中系统内能变化的量度。不能说物体具有多少热量，只能说某一过程中物体吸收或放出了多少热量。 ③在单纯地传热过程中：系统从外界吸收多少热量，系统的内能就增加多少；系统向外界放出多少热量，系统的内能就减少多少。 3.传热与做功在改变系统内能上的异同 第2节 热力学第一定律 一、热力学第一定律 1.内容：一个热力学系统的内能变化量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和。 2.表达式： 3.物理意义： ①反映了做功和传热对改变系统的内能是等价的； ②给出了内能的变化量和做功与传热之间的定量关系。 4.说明：此定律是标量式，应用时需注意物理量的正负并统一单位。 ①外界对系统做功时，W取正值；系统对外界做功时，W取负值。 ②外界对系统传热时，Q取正值；系统对外界传热时，Q取负值。 ③U为正值，表示系统内能增加；U为负值，表示系统内能减少。 符号的规定如下表所示。 二、热力学第一定律的应用 1.判断气体是否做功的方法：看气体的体积是否发生变化。 ①若气体体积增大，表明气体对外界做功，W＜0. ②若气体体积减小，表明外界对气体做功，W＞0. 注意：一定质量的理想气体在绝热条件下向真空自由膨胀时，由于不克服任何阻力，气体不对外做功，故气体体积增大，但内能不变。 2.气体状态变化的几种特殊情况 ①绝热过程：Q＝0，则U＝W，系统内能的增加（或减少）量等于外界对系统（或系统对外界）做的功。 ②等容过程：W＝0，则U＝Q，系统内能的增加（或减少）量等于系统从外界吸收（或系统向外界放出）的热量。 ③等温过程：等温过程中一定质量理想气体的内能不变，即U＝0，则W＝－Q（或Q＝－W），外界对系统做的功等于系统放出的热量（或系统吸收的热量等于系统对外界做的功）。 3.应用热力学第一定律解题的一般步骤 ①确定研究对象，按规定写出各已知量的正负； ②根据热力学第一定律的表达式列方程求解未知量； ③对结果的正负进行说明，确定系统的吸放热、做功或内能的变化情况。 第3节 能量守恒定律 一、探索能量守恒的足迹 1.人类对能量的认识 ①所有自然现象都涉及能量，人类的任何活动都离不开能量。 ②不同形式的运动都可以用能量来描述。 ③能量具有不同的形式，各种形式的能量之间可以相互转化。 2.能量守恒观念的形成 人类对能量的认识过程，体现了科学前辈们对“守恒”这一科学思想的追寻。 ①俄国化学家盖斯：发现化学反应放出的热量与反应步骤无关，这表明一个系统存在着一个与热量相关的物理量，在一个确定的化学反应中这个量是不变的。 ②焦耳：发现了电流的热效应，精确测量了做功与传热之间的等价关系。 ③德国医生迈尔：认识到食物中化学能与内能的等效性，即生物体内能量的输入和输出是平衡的。迈尔是公认的第一个提出能量守恒思想的人。 ④德国科学家亥姆霍兹：提出了动能和势能的转化，分析了在电磁现象和生物机体中能量的守恒问题。 不同领域的科学家从不同角度都提出过能量守恒的思想，能量守恒定律并非由某一个人通过某一项研究而得到。 二、能量守恒定律 1.内容 能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变。 2.物理意义 ①找到了各种自然现象的公共量度——能量，揭示了自然规律的多样性和统一性。 ②表明了各种形式的能之间可以相互转化。 ③宣告了永动机幻想的彻底破灭。 3.说明： ①能量守恒定律适用于任何物理现象和物理过程。 ②自然界存在着多种不同形式的运动，每种运动对应着一种形式的能量。且不同形式的能量之间可以相互转化。 ③与某种运动形式对应的能是否守恒是有条件的，但能量守恒是没有条件的，能量守恒定律是一切自然现象都遵守的基本规律。恩格斯将能量守恒定律与细胞学说、生物进化论一起列为19世纪的三大发现。 ④能量守恒的观点也在不断地发展，相对论建立以后，基本粒子的研究使我们认识到，能量其实是与质量相关联的一个物理量。 4.能量守恒的两种表达 ①某种形式的能减少，一定有其他形式的能增加，且增加量和减少量一定相等； ②某个物体的能量减少，一定存在其他物体的能量增加，且减少量和增加量一定相等。 5.能量守恒定律的具体表现 ①在热学中：热力学第一定律 ②在力学中：机械能守恒定律 ③在电学中：闭合电路欧姆定律 ④在电磁感应中：楞次定律 三、永动机不可能制成 1.第一类永动机：不需要任何动力或燃料，却能不断对外做功的机器。 2.第一类永动机不可能制成的原因：违背了能量守恒定律。 由可知，如果没有外界提供热量而对外做功，系统的内能将减少。若想源源不断的做功，就必须使系统不断回到初始状态，这在无外界能量供给的情况下是不可能的。 3.意义：制造永动机的千万次失败使人们走出迷梦，去研究各种能量形式相互转化的规律，促成了能量守恒定律的成立。 第4节 热力学第二定律 一、热力学第一定律 1.一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的。 2.在物理学中，反映宏观自然过程的方向性的定律就是热力学第二定律。 3.热力学第二定律的克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传到高温物体。 理解： ①克劳修斯表述阐述的是传热的方向性：当两个温度不同的物体接触时，热量可以自发的从高温物体传向低温物体，而不能自发的从低温物体传向高温物体。 ②“自发”指的是：当两个物体接触时，不需要任何第三者的介入、不会对任何第三者产生任何影响，热量就能从一个物体传到另一个物体。 ③热力学第二定律的克劳修斯表述是对制冷机工作的总结。 电冰箱的制冷机工作时，热量从冰箱内的低温食品传到冰箱外的高温空气；如果不通电，制冷剂停止工作，热量将自发的从冰箱外的高温空气传向冰箱内的低温食品。 4.热力学第二定律的开尔文表述：不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响。 理解： ①开尔文表述阐述的是机械能与内能转化的方向性：通过做功，机械能可以全部转化为内能，而内能无法全部用来做功以转化为机械能而不产生其他影响。 ②“不可能从单一热库吸收热量”意思是：不仅要从一个热库吸热，而且一定会向另一个热库放热。 ③热力学第二定律的开尔文表述是对热机工作的总结。 热机工作时，先将燃料中的化学能变成工作物质的内能，工作物质再对外做功，把自己的内能变成机械能。但工作物质从高温热库吸收的热量Q，只有一部分用来做功转变为机械能W，另一部分热量要排放给低温热库（冷凝器或大气）。 5.热力学第二定律的克劳修斯表述和开尔文表述是等价的。 热力学第二定律的两种表述都揭示了热现象宏观过程的方向性，是等价的。 注意：热力学第二定律只能适用于由很大数目分子所构成的系统及有限范围内的宏观过程，不适用于少量的微观体系，也不能把它扩展到无限的宇宙。 6.热力学第一定律和热力学第二定律的比较 二、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产生其他影响的热机。 2.第二类永动机不可能制成的原因：违背了热力学第二定律。 原因分析：虽然第二类永动机不违反能量守恒定律，但大量的事实证明，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，即不存在只从单一热源吸收热量，使之完全变为有用的功而不产生其他影响的热机。 3.两类永动机的比较 三、能源是有限的 1.能源：具有高品质的容易利用的储能物质，如石油、天然气等。 2.能量耗散：每天使用的能源最终都转化成内能流散到周围的环境中，再也不能自动聚集起来重新利用的现象叫作“能量耗散”。 3.能量耗散反映了自然界的自发变化过程具有方向性。 4.能量耗散虽然不会导致能量总量的减少，却会导致能量品质的降低。它实际是将能量从高度有用的高品质形式降级为不大可用的低品质形式。 说明：虽然能量的总量不会减少，但能源会逐步减少，因此能源是有限的资源。 / 学科网（北京）股份有限公司 $