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1、第3章热力学定律第1节 热力学第一定律- 1 -第2节 能量的转化与守恒- 1 -第3节 热力学第二定律- 7 -第4节 熵系统无序程度的量度- 7 -第1节 热力学第一定律第2节 能量的转化与守恒一、功、热量与内能1改变物体内能的两种方式做功和热传递2物体内能的改变(1)如果物体与外界无热传递，若外界对物体做功，则物体的内能增加；若物体对外做功，物体的内能减少(2)如果物体既不对外做功，外界也不对物体做功，则物体吸收热量时，它的内能增加；物体放出热量时，它的内能减少3热力学第一定律(1)内容：物体内能的增加量U等于外界对物体所做的功W与物体从外界吸收的热量Q之和(2)表达式：UWQ4热力学第
2、一定律的意义(1)内能的变化必然伴随有做功或热传递(2)一切涉及热现象的宏观过程中，能量可以发生转移或转化，此过程中总能量守恒二、第一类永动机1概念：不消耗任何能量而能永远对外做功的机器2结果1718世纪，人们提出了许多永动机设计方案，但都以失败而告终3原因设想能量能够无中生有地创造出来，违背了热力学第一定律4启示人类利用和改造自然时，必须遵循自然规律三、能量的转化与守恒1能量守恒定律的发现(1)迈尔的发现体力和体热必定来源于食物中的化学能，内能、化学能、机械能都是等价的，是可以相互转化的，如果动物体的能量输入与支出是平衡的，那么，所有这些形式的能在量上必定是守恒的(2)焦耳的研究确定了电能向
3、内能转化的定量关系用了近40年的时间，不懈地钻研热功转换问题，为能量守恒定律提供了无可置疑的证据(3)亥姆霍兹的贡献从理论上把力学中的能量守恒原理推广到热、光、电、磁、化学反应等过程，揭示了它们之间的统一性2能量守恒定律(1)内容能量既不会消失，也不会创生，它只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体，而能量的总值保持不变(2)意义揭示了自然科学各个分支之间的普遍联系，是自然界内在统一性的第一个有力证据(3)应用各种形式的能可以转化，但能量在转化过程中总伴有内能的损失各种互不相关的物理现象，可以用能量守恒定律联系在一起功、热传递、内能之间的变化关系“火”不但可以用来取暖，还
4、可以用来加热食物，“火”把人类带入了文明的殿堂我们的祖先很早就发明了“钻木取火”的用具，使人们不再仅仅依靠自然的“恩赐”而得到“火”你知道“钻木取火”的道理吗？提示：做功可以改变物体的内能，“钻木取火”就是通过外力做功，机械能转化为内能木材内能增加，温度达到着火点而燃烧1做功与内能的变化的关系(1)做功改变物体内能的过程是其他形式的能(如机械能)与内能相互转化的过程(2)在绝热过程中，外界对物体做多少功，就有多少其他形式的能转化为内能，物体的内能就增加多少；物体对外界做多少功，就有多少内能转化为其他形式的能，物体的内能就减少多少2热传递与内能变化的关系(1)在单纯传热中，系统从外界吸收多少热量
5、，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即UU2U1Q(2)传热改变物体内能的过程是不同物体之间(或同一物体不同部分之间)内能转移的过程3改变内能两种方式的比较比较项目做功热传递内能变化外界对物体做功，物体的内能增加；物体对外界做功，物体的内能减少物体吸收热量，内能增加；物体放出热量，内能减少物理实质其他形式的能与内能之间的转化不同物体间或同一物体不同部分之间内能的转移相互联系做一定量的功或传递一定量的热量在改变内能的效果上是相同的【例1】如图所示，在紫铜管内滴入乙醚，盖紧管塞用手拉住绳子两端迅速往复拉动，管塞会被冲开管塞被冲开前()A外界对管内气体做功，气体内能增
6、大B管内气体对外界做功，气体内能减小C管内气体内能不变，压强变大D管内气体内能增大，压强变大D克服绳与金属管间的摩擦做功，使管壁内能增大，温度升高通过热传递，乙醚的内能增大，温度升高，直至沸腾，管塞会被冲开管塞被冲开前管内气体内能增大，压强变大选项D正确做功改变物体内能的一种方法是改变物体内部的分子的平均动能，即改变温度；另一种方法是通过做功改变物体的体积从而改变内能的大小.不过要注意的是气体的体积减小时分子势能不一定增加.热力学第一定律如图所示，一定质量的理想气体由a状态变化到b状态，请在图象基础上思考以下问题：(1)在变化过程中气体对外做功，还是外界对气体做功？(2)在变化过程中气体吸热，
7、还是向外放热？气体内能增加了，还是减少了？提示：(1)气体对外做功(2)吸热；内能增加1对UWQ的理解热力学第一定律将单纯的绝热过程和单纯的热传递过程推广到一般情况，既有做功又有热传递的过程，其中U表示内能改变的数量，W表示做功的数量，Q表示外界与物体间传递的热量2对公式U、Q、W符号的规定WQU正号外界对物体做功物体吸收热量内能增加负号物体对外界做功物体放出热量内能减少3应用热力学第一定律解题的一般步骤(1)首先选定研究对象是哪个物体或哪个热力学系统(2)根据符号法则写出各已知量(W、Q、U)的正、负(3)根据方程UWQ求出未知量(4)再根据未知量结果的正、负来确定吸热、放热情况或做功情况4
8、判断气体做功正、负的方法(1)若气体体积增大，表明气体对外界做功，W05几种常见的气体变化过程(1)绝热过程：过程是绝热的，则Q0，WU，外界对气体做的功等于气体内能的增加(2)等容过程：在该过程中气体不做功，即W0，则QU，气体吸收的热量等于气体内能的增加(3)等温过程：在过程的始末状态，气体的内能不变，即U0，则WQ0或WQ，表示气体吸收的热量全部用来对外做功或外界对气体所做的功全部转换为热量放出【例2】(1)一定量的气体从外界吸收了2.6105 J 的热量，内能增加了4.2105 J，是气体对外界做功，还是外界对气体做功？做了多少功？(2)一定质量的气体，从外界吸收3.5105 J的热量
9、，同时气体对外界做功2.3105 J，则气体的内能怎样变化？解析(1)根据热力学第一定律表达式中的符号法则，知Q2.6105 J，U4.2105 J由UWQ，则WUQ4.2105 J2.6105 J1.6105 JW0，说明是外界对气体做了功(2)Q3.5105 J，W2.3105 J，则UQW1.2105 J，U为正值，说明气体的内能增加1.2105 J答案(1)外界对气体做功1.6105 J(2)增加了1.2105 J气体状态变化与物理量对应方法(1)绝热过程：气体与外界没有热交换(2)导热良好：气体与外界有热交换，且与外界温度保持相同(3)体积减小，外界对气体做功；体积增大(不是对真空膨
10、胀)，气体对外界做功(4)温度升高，理想气体的内能增加；温度降低，理想气体的内能减少能量的转化与守恒(1)有一种所谓的“全 自 动”机械 手表，既不需要上发条，也不用任何电源，却能不停地走下去这是不是一种永动机呢？如果不是，你知道维持表针走动的能量是哪儿来的吗？(2)热力学第一定律与能量守恒定律是什么关系？提示：(1)不是永动机能量是通过摆动手臂对表内的转轮做功而储存的(2)能量守恒定律是各种形式的能相互转化或转移的过程，总能量保持不变，它包括各个领域，其范围广泛热力学第一定律是物体内能与其他形式的能之间的相互转化或转移，是能量守恒定律的具体体现1对能量守恒定律的理解(1)各种形式的能在转化和
11、转移过程中总量守恒无须任何条件，而某种或几种形式的能的守恒是有条件的例如：物体的机械能守恒，必须是只有重力或弹力做功(2)意义：能量守恒定律的发现，使人们进一步认识到，任何一部机器，只要对外做功，都要消耗能量，都只能使能量从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到其他物体，而不能无中生有地创造能量不消耗能量，却可以源源不断地对外做功的机器(第一类永动机)是不可能制成的2第一类永动机失败的原因分析：如果没有外界热源供给热量，则有U2U1W，就是说，如果系统内能减少，即U2U1，则W0，系统对外做功是要以内能减少为代价的若想源源不断地做功，就必须使系统不断回到初始状态，在无外界能量供给的情况下
12、是不可能的【例3】水能不产生污染物，是一种清洁能源某瀑布的流量可达每秒6 000 m3，而且一年四季流量稳定，瀑布落差50 m若利用这一资源发电，设其效率为50%，估算发电机的输出功率(g取10 m/s2)解析水力发电的基本原理是水的机械能转化为电能每秒钟流下的水的质量为：mV11036 000 kg6106 kg每秒钟水减少的机械能为：Emgh61061050 J3109 J设发电机的输出功率为P，则由能量守恒定律可得：EPt解得：P310950%W1.5109 W答案1.5109 W应用能量守恒定律的思路方法(1)能量守恒的核心是总能量不变，因此在应用能量守恒定律时应首先分清系统中哪些能量
13、在相互转化，是通过哪些力做功实现的，这些能量分别属于哪些物体，然后再寻找合适的守恒方程式(2)在应用能量守恒定律分析问题时，应明确两点：哪种形式的能量减少，哪种形式的能量增加哪个物体的能量减少，哪个物体的能量增加第3节 热力学第二定律第4节 熵系统无序程度的量度一、自然过程的方向性热力学第二定律的表述1自然过程的方向性(1)可逆过程和不可逆过程可逆过程一个系统由某一状态出发，经过某一过程到达另一状态，如果存在另一过程，它能使系统和外界完全复原，即系统回到原来的状态，同时消除原来过程对外界的一切影响，则原来的过程称为可逆过程不可逆过程如果用任何方法都不能使系统与外界完全复原，则原来的过程称为不可
14、逆过程(2)热传导的方向性热量可以自发地由高温物体传给低温物体，或者由物体的高温部分传给低温部分热量不能自发地由低温物体传给高温物体热传递是不可逆过程，具有方向性(3)功和热相互转变的方向性功转变为热这一热现象是不可逆的，具有方向性热转变为功这一热现象也是不可逆的，具有方向性(4)结论凡是与热现象有关的宏观过程都具有方向性2热力学第二定律的表述(1)第一种表述(克劳修斯表述)不可能使热量从低温物体传向高温物体而不引起其他变化(说明热传递的方向性)(2)第二种表述(开尔文表述)不可能从单一热源吸取热量，使之完全用来做功而不引起其他变化(说明功热转化的方向性)热力学第二定律的这两种表述是等价的热现象的宏观过程是不可逆的(3)第二类永动机定义从单一热源吸取热量并使之完全转化为功而不引起其他影响的机器第二类永动机不可能制成第二类永动机虽然不违背热力学第一定律，但违背了热力学第二定律热力学第二定律的又一表述第二类永动机是
