第三章 热力学定律（图文版知识清单）物理人教版选择性必修第三册

功、热和内能的改变-知识清单 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， 绝热过程示意圉 系统内能的变化量为 状态1 状态2 △U=U1-U2 绝热过程 它就等于外界对系统所做的功W,即 △U=W 内能U1 内能U2 说明 △U=W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，进速 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，引火仪简内气体被压缩，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 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，气体的内能远速 减少，温度迅速下降，瓶内水蒸气液化，出现大量 的寡状小水滴。 【特别提醒】 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。 热力学第一定律-知识清单 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。 热量Q ·系统 功W 2 表达式 (外界传入) (外界对系统做功) △U=Q+W 3 物理意义： 反映了做功和传热对改变系统的内能是等价的； 做功 传热 给出了内能的变化量和做功与传热之间的定量关系。 等价 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。 外界对系统做功时，W取正值；系统对外界做功时，W取负值。 【特别提醒】 外界对系统传热时，Q取正值；系统对外界传热时，Q取负值。 3 △U为正值，表示系统内能增加；△U为负值，表示系统内能减少 符号规定表格· 符号 物理量名称 意义 规定 外界对系统做功 系统从外界吸收热量 系统内能增加 系统对外界做功 系统向外界放出热量 系统内能减少 热力学第一定律的应用-知识清单 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， ②若气体体积减小， 表明气体对外界做功，W<0. 表明外界对气体做功，W>0. V1→V2(V增大) y→V2(V减小) 气体对外界做功(W<0) 外界对气体做功(W>0) 【特别提醒】 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 Q=0 绝热壁 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 W=0 休相不变 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), U=0 吸热→做功 温度不变 Q>0←W<0外界对系统做的功等于系统放出的热量（或 W<0- 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； Q→@→@ ↓ ②根据热力学第一定律的表达式列方程求解未知量； ↓ △U+ △U 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。 能量守恒定律-知识清单 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 电能 光能 别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保 持不变。 机械能 内能 物理意义 ① 找到了各种自然现象的公共量度一能量，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。 永动机幻想的彻底破灭 3 说明： 0 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。 能量守恒的两种表达 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； 增加 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。 一定相等 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： 热力学第一定律 机械能守恒定律 闭合电路欧姆定律 楞次定律 热力学第二定律-知识清单 热力学第二定律 开尔文表述 (1)表述内容： 高温热库 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。 (2)理解要点： 热机 对外做功 ①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。 低温热库 ②“不可能从单一热库吸收热量”的含义：不仅要从 低温热库（冷凝器或大气） 一个热库吸热，而且一定会向另一个热库放热。 ③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）。 4.两种表述的等价性 ★【特别提醒】 热力学第二定律的克劳修斯表述和开尔文表述是等价的， 两种表述都揭示了热现象 两种表述都揭示了热现象宏观过程的方向性。 宏观过程的方向性。 5.热力学第一定律和热力学第二定律的比较 项目 热力学第一定律 热力学第二定律 物理意义 能量守恒定律 热现象的宏观过程具有方向性 研究对象 任意热力学过程 自然界中的一切实际热力学过程 研究范围 宏观的、经典的、低速的热力学过程 宏观的、经典的、低速的热力学过程 研究方法 逻辑推理法 逻辑推理法+实验法 揭示的规律 各种过程遵循能量守恒 一切实际热力学过程具有方向性 成立的条件 它不违背任何条件永远成立 它要在一定条件下才成立 适用于自然界中的一切过程，包 普遍性 只适用于自然界中的实际过程， 括实际过程、不可能过程和理想过程 不适用于不可能过程和理想过程 第二类永动机-知识清单 第二类永动机 ① 第二类永动机： 单一热源 只从单一热源吸收热量，使之完全变为有用的功而 吸收热量 不产生其他影响的热机。 第二类永动机不可能制成的原因： 有用的功 违背了热力学第二定律。 原因分析： 高温热源T, 虽然第二类永动机不违反能量守恒定律，但大量的第实证明，在任何情况下， 吸收热量Q, 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 热机 ◆ 有用的功W 变为有用的功而不产生其他影响的热机。 放出热量Q。 低温热源T。 3 两类永动机的比较 第一类永动机 第二类永动机 不消耗任何能量，可以不断做功（或 将内能全部转化为机械能，而不引起 设计要求 只给予很少的能量启动后，可以永 其他变化（或只有一个热库，实现内 远运动下去) 能向机械能的转化) 不可能制 违背了能量守恒定律 违背了热力学第二定律 成的原因 能源是有限的 能源：具有高品质的容易利用的储能物质，如石油、天然气等。 石油 天然气 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， 内能流散 再也不能自动聚集起来重新利用的现象叫作“能量耗散”。 到环境中 3 能量耗散反映了自然界的自发变化过程具有方向性。 有序状态 无序状态 4 能量耗散虽然不会导致能量总量的减少，如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 形式。 高品质形式 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。