第十章 熱力學(xué)定律 知識整理

1、第十章熱力學(xué)定律10.1功和內(nèi)能1.焦耳的實驗(1) 兩個具有代表性的實驗：重物下落帶動葉片攪拌容器中的水，引起水溫上升。 正在降落的重物使發(fā)電機(jī)發(fā)電，通過電流的熱效應(yīng)給水加熱。(2)實驗結(jié)論：在各種不同的絕熱過程中，如果使系統(tǒng)從狀態(tài)1變?yōu)闋顟B(tài)2，所需外界做功的數(shù)量是相同的。也就是說，要使系統(tǒng)狀態(tài)通過絕熱過程發(fā)生變化，做功的數(shù)量只由過程始末兩個狀態(tài)1、2決定，而與做功的方式無關(guān)。(3)絕熱過程：系統(tǒng)只由于外界對它做功而與外界交換能量，它不從外界吸熱，也不向外界放熱，這樣的過程叫做絕熱過程。2. 內(nèi)能(1) 定義：任何一個熱力學(xué)系統(tǒng)都必定存在一個只依賴于系統(tǒng)自身狀態(tài)的物理量，這個物理量在兩個狀態(tài)

2、間的差別與外界在絕熱過程中對系統(tǒng)所做的功相聯(lián)系。鑒于功是能量變化的量度，所以這個物理量必定是系統(tǒng)的一種能量，我們把它稱為系統(tǒng)的內(nèi)能。(2) 定義式：當(dāng)系統(tǒng)從狀態(tài)1經(jīng)過絕熱過程達(dá)到狀態(tài)2時，內(nèi)能的增加量AU=U2U就等于外界對系統(tǒng)所做的功W,即AU=W 當(dāng)外界對系統(tǒng)做功，系統(tǒng)的內(nèi)能增加，在絕熱過程中，內(nèi)能的增量就等于外界對系統(tǒng)做的功。 當(dāng)系統(tǒng)對外界做功，系統(tǒng)的內(nèi)能減少。在絕熱過程中，系統(tǒng)對外界做多少功，內(nèi)能就減少多少。(3) 內(nèi)能微觀定義：系統(tǒng)中所有分子熱運(yùn)動的動能和分子間的相互作用勢能的總和叫做系統(tǒng)的內(nèi)能。系統(tǒng)的內(nèi)能是由它的狀態(tài)決定的。10.2熱和內(nèi)能1. 熱傳遞(1) 定義：兩個溫度不同的物

3、體相互接觸時溫度高的物體要降溫，溫度低的物體要升溫，我們說，熱量從高溫物體傳到了低溫物體。這樣的過程叫做熱傳遞。(2)熱傳遞有三種方式：熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射，如圖所示。(3)熱傳遞的條件：兩個物體存在溫度差2. 熱和內(nèi)能(1) 在外界對系統(tǒng)沒有做功的情況下，熱量是在單純的傳熱過程中系統(tǒng)內(nèi)能變化的量度。吸收熱量內(nèi)能增加，放出熱量內(nèi)能減少。當(dāng)系統(tǒng)從狀態(tài)1經(jīng)過單純的傳熱達(dá)到狀態(tài)2,內(nèi)能的增量AU=U2U就等于外界向系統(tǒng)傳遞的熱量Q,即AU=Q(2) 熱量的概念也只有在涉及能量的傳遞時才有意義。所以不能說物體具有多熱驚少熱量，只能說物體吸收或放出了多少熱量。(3) 做功與熱傳遞區(qū)別：做功時內(nèi)能與其他

4、形式的能，如內(nèi)能與機(jī)械能、內(nèi)能與電能等發(fā)生轉(zhuǎn)化，而熱傳遞只是不同物體(或一個物體的不同部分)之間內(nèi)能的轉(zhuǎn)移。4)改變物體的內(nèi)能的方式有做功和熱傳遞，它們在改變物體內(nèi)能上是等效的。10.3熱力學(xué)第一定律能量守恒定律1. 熱力學(xué)第一定律(1) 內(nèi)容：一個熱力學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)能增量等于外界向它傳遞的熱量與外界對它所做的功的和。這個關(guān)系叫做熱力學(xué)第一定律。(2) 其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：AU=W+Q3)與熱力學(xué)第一定律相匹配的符號法則做功w熱量Q內(nèi)能的改變AU取正值“+”外界對系統(tǒng)做功系統(tǒng)從外界吸收熱量系統(tǒng)的內(nèi)能增加取負(fù)值“一”系統(tǒng)對外界做功系統(tǒng)向外界放出熱量系統(tǒng)的內(nèi)能減少 熱力學(xué)第一定律說明了做功和熱傳遞是系統(tǒng)內(nèi)

5、能改變的量度，沒有做功和熱傳遞就不可能實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移，同時也進(jìn)一步揭示了能量守恒定律。 應(yīng)用熱力學(xué)第一定律解題的一般步驟：I根據(jù)符號法則寫出各已知量(w、Q、AU)的正、負(fù)；II根據(jù)方程AU=W+Q求出未知量；III再根據(jù)未知量結(jié)果的正、負(fù)來確定吸熱、放熱情況或做功情況。2. 能量守恒定律(1)能量既不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或者從一個物體轉(zhuǎn)移到別的物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中，能量的總量不變。這就是能量守恒定律。(2) 各種形式的能都可以相互轉(zhuǎn)化。在所有這些轉(zhuǎn)化過程中，能量都是守恒的。3)熱力學(xué)第一定律實際上就是內(nèi)能與其他能發(fā)生轉(zhuǎn)化時的能量守恒定律。

6、3. 第一類永動機(jī)(1) 不需要任何動力或燃料，卻能不斷地對外做功，史稱第一類永動機(jī)。(2) 任何機(jī)器運(yùn)動時只能將能量從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，而不可能無中生有地創(chuàng)造能量，即第一類永動機(jī)的思想違背了能量守恒定律，所以是不可能制成的。10.4熱力學(xué)第二定律1. 可逆與不可逆過程(1) 熱傳導(dǎo)的方向性熱傳導(dǎo)的過程可以自發(fā)地由高溫物體向低溫物體進(jìn)行，但相反方向卻不能自發(fā)地進(jìn)行，即熱傳導(dǎo)具有方向性，是一個不可逆過程。熱量Q能自發(fā)傳給.高溫物體低溫物體熱量Q不能自發(fā)傳給(2) 說明： “自發(fā)地”過程就是在不受外來干擾的條件下進(jìn)行的自然過程。 熱量可以自發(fā)地從高溫物體傳向低溫物體，熱量卻不能自發(fā)地從低溫

7、物體傳向高溫物體。 要將熱量從低溫物體傳向高溫物體，必須有“外界的影響或幫助”就是要由外界對其做功才能完成。電冰箱、空調(diào)就是例子。2. 熱力學(xué)第二定律的兩種表述 克勞修斯表述：熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳遞到高溫物體。 開爾文表述：不可能從單一熱庫吸收熱量，使之完全變成功，而不產(chǎn)生其他影響。3. 熱機(jī)(1) 熱機(jī)是把內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的裝置。其原理是熱機(jī)從熱源吸收熱量,推動活塞做功W,然后向冷凝器釋放熱量Q2。由能量守恒定律可得：Q1=w+Q2W(2) 熱機(jī)效率：我們把熱機(jī)做的功和它從熱源吸收的熱量的比值叫做熱機(jī)效率，用n表示，即n=4. 第二類永動機(jī)(1)設(shè)想：只從單一熱源吸收熱量，使之完全變?yōu)?/p>

8、有用的功而不引起其他變化的熱機(jī)。(2) 第二類永動機(jī)不可能制成，因為盡管機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，但內(nèi)能卻不能全部轉(zhuǎn)化成機(jī)械能而不引起其他變化；機(jī)械能和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化過程具有方向性。第二類永動機(jī)違背熱力學(xué)第二定律10.5熱力學(xué)第二定律的微觀解釋1.有序和無序(1)有序：只要確定了某種規(guī)則，符合這個規(guī)則的就叫做有序。無序：不符合某種確定規(guī)則的稱為無序。(2)有序和無序是相對的。2.宏觀態(tài)和微觀態(tài)(1)宏觀態(tài)：符合某種規(guī)定、規(guī)則的狀態(tài)，叫做熱力學(xué)系統(tǒng)的宏觀態(tài)。微觀態(tài)：在宏觀狀態(tài)下，符合另外的規(guī)定、規(guī)則的狀態(tài)叫做這個宏觀態(tài)的微觀態(tài)。(2)系統(tǒng)的宏觀態(tài)所對應(yīng)的微觀態(tài)的多少表現(xiàn)為宏觀態(tài)無序程度的大小。如果一

9、個“宏觀態(tài)”對應(yīng)的“微觀態(tài)”比較多，就說這個“宏觀態(tài)”是比較無序的，同時也決定了宏觀過程的方向性從有序到無序。(3) 自發(fā)的過程總是傾向于出現(xiàn)與較多微觀態(tài)對應(yīng)的宏觀態(tài)，因此自發(fā)的過程總是從有序向著無序發(fā)展的。3. 熱力學(xué)第二定律的微觀意義一切自發(fā)過程總是沿著分子熱運(yùn)動的無序性增大的方向進(jìn)行。4.熵(1)系統(tǒng)的宏觀狀態(tài)所對應(yīng)的微觀態(tài)的多少表現(xiàn)為宏觀態(tài)的無序程度，同時也決定了宏觀過程的方向性。分析的結(jié)果歸納在以下表中。宏觀態(tài)的名稱對應(yīng)微觀態(tài)的個數(shù)人們對宏觀態(tài)的描述過程自發(fā)進(jìn)行的方向甲較少比較有序甲一乙乙較多比較無序(2) 一個宏觀狀態(tài)對應(yīng)的微觀狀態(tài)標(biāo)志著這個宏觀態(tài)的無序程度。物理學(xué)中用字母Q表示一

10、個宏觀狀態(tài)所對應(yīng)的微觀狀態(tài)的數(shù)目。(3) 熵：一個與微觀態(tài)數(shù)目Q相關(guān)的物理量，叫做熵，用字母S表示。玻耳茲曼在1877年提出了熵與微觀態(tài)的數(shù)目Q的關(guān)系，即SZnQ，后來普朗克把它寫成了等式S=klnQ式中k叫做玻耳茲曼常量。(4) 既然微觀態(tài)的數(shù)目Q是分子運(yùn)動無序性的一種量度，由于Q越大，熵S也越大，那么熵S自然也是系統(tǒng)內(nèi)分子運(yùn)動無序性的量度。(5) 用熵的概念表示的熱力學(xué)第二定律：在任何自然過程中，一個孤立系統(tǒng)的總熵不會減小。因此，熱力學(xué)第二定律又叫做熵增加原理。(6) 由熵的定義可知，熵較大的宏觀狀態(tài)就是無序程度較大的宏觀狀態(tài)，也就是出現(xiàn)概率較大的宏觀狀態(tài)。在自然過程中熵總是增加的，其原因

11、并非因為有序是不可能的，而是因為通向無序的渠道要比通向有序的渠道多得多。(7) 熱力學(xué)第二定律是一個統(tǒng)計規(guī)律：一個孤立的系統(tǒng)總是從熵小的狀態(tài)向熵大的狀態(tài)發(fā)展，而熵值較大代表著較為無序，所以自發(fā)的宏觀過程總是向無序度更大的方向發(fā)展。5. 熱力學(xué)第三定律：不可能通過有限的過程把一個物體冷卻到絕對零度。10.6能源和可持續(xù)發(fā)展1.能量耗散和品質(zhì)降低(1)能量在數(shù)量上雖然守恒，但其轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化卻具有方向性。(2)在取暖照明、耕田犁地、車鉆磨鍛、開車駕船各種各樣的活動中，機(jī)械能、電能、光能、聲能、化學(xué)能、核能、生物能最終都轉(zhuǎn)化成內(nèi)能，流散到周圍的環(huán)境中。機(jī)械能、電能、化學(xué)能都是集中度較高因而也是有序度較高

12、的能量，當(dāng)它們變?yōu)榄h(huán)境的內(nèi)能后，就成為更加分散因而也是無序度更大的能量。分散在環(huán)境中的內(nèi)能不管數(shù)量多么巨大，它也不過能使地球、大氣稍稍變暖一點(diǎn)，卻再也不能驅(qū)動機(jī)器做功了。這樣的轉(zhuǎn)化過程叫做“能量耗散”。各種形式的能量向內(nèi)能的轉(zhuǎn)化，是無序程度較小的狀態(tài)向無序程度較大的狀態(tài)的轉(zhuǎn)化，是能夠自動發(fā)生、全額發(fā)生的。然而，反過來的轉(zhuǎn)化總是不自發(fā)的。（3）熱機(jī)中的確進(jìn)行著內(nèi)能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)化，但我們由熱力學(xué)第二定律知道，這種轉(zhuǎn)化是有條件的，即環(huán)境中必須存在著溫度差，而且內(nèi)能不能全額轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。因此，從可被利用的價值來看，內(nèi)能較之機(jī)械能、電能等，是一種低品質(zhì)的能量。由此可知，能量耗散雖然不會使能的總量減少，卻

13、會導(dǎo)致能量品質(zhì)的降低，它實際上將能量從高度有用的形式降級為不大可用的形式。煤、石油、天然氣等能源儲存著高品質(zhì)的能量，在利用它們的時候，高品質(zhì)的能量釋放出來并最終轉(zhuǎn)化為低品質(zhì)的內(nèi)能。2.能源與環(huán)境（1）全球氣候變暖：石油和煤炭的燃燒增加了大氣中二氧化碳的含量。（2）酸雨：煤炭和石油中常常含有硫，燃燒時形成的二氧化硫等物質(zhì)使雨水的酸度升高，形成“酸雨”（3）光化學(xué)煙霧：內(nèi)燃機(jī)工作時的高溫使空氣中和燃料中的多種物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生氮氧化物和碳?xì)浠衔?。這些化合物在大氣中受到紫外線的照射，產(chǎn)生二次污染物質(zhì)光化學(xué)煙霧。這些物質(zhì)有毒，能引起人的多種疾病。燃燒時產(chǎn)生的浮塵也是重要的污染物。（4）可持續(xù)發(fā)展的核心：追求發(fā)展與資源、環(huán)境的平衡：既滿足當(dāng)代人的需求，又不損害子孫后代的需求。最重要的兩個方面