【物理】能量守恒定律、熱力學(xué)第二定律 2023-2024學(xué)年高二下學(xué)期物理人教版（2019）選擇性必修第三冊(cè)

第三章熱力學(xué)定律第3-4節(jié)能量守恒定律-熱力學(xué)第二定律能量具有不同的形式，不同形式的能量之間是可以相互轉(zhuǎn)化的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能太陽能轉(zhuǎn)化為電能化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能能量的概念是人類在對(duì)物質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行長(zhǎng)期探索中建立起來的。所有自然現(xiàn)象都涉及能量，人類的任何活動(dòng)都離不開能量。在認(rèn)識(shí)自然的進(jìn)程中，科學(xué)家慢慢知道了要用聯(lián)系的觀點(diǎn)去觀察自然。邁爾提出能量守恒的思想蓋斯化學(xué)反應(yīng)放出的熱量與反應(yīng)步驟無關(guān)焦耳功熱等價(jià)亥姆霍茲概括和總結(jié)能量守恒定律能量守恒不是由某一個(gè)人通過某一項(xiàng)的研究而得到的

一、能量守恒定律1、內(nèi)容：能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為其他形式，或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到別的物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中，能量的總量保持不變。自由落體運(yùn)動(dòng)：勢(shì)能→動(dòng)能

摩擦生熱：機(jī)械能→內(nèi)能電流通過電阻絲：電能→內(nèi)能

熱機(jī)中的氣體推動(dòng)活塞做功：內(nèi)能→機(jī)械能燃料燃燒：化學(xué)能→內(nèi)能

電流通過白熾燈：電能→內(nèi)能→光能2、意義：（1）能量守恒定律同生物進(jìn)化論、細(xì)胞的發(fā)現(xiàn)被恩格斯譽(yù)為19世紀(jì)的三個(gè)最偉大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，也莊嚴(yán)宣告了永動(dòng)機(jī)幻想的徹底破滅。（2）能量守恒定律是在無數(shù)實(shí)驗(yàn)事實(shí)的基礎(chǔ)上建立起來的，是自然科學(xué)的普遍規(guī)律之一。3、對(duì)能量守恒定律的理解：不同形式的能量之間可以相互轉(zhuǎn)化，不論是什么形式和過程，都遵守能量守恒定律。①在自然界中，不同的能量形式與不同的運(yùn)動(dòng)形式相對(duì)應(yīng)：如物體做機(jī)械運(yùn)動(dòng)具有機(jī)械能、分子運(yùn)動(dòng)物體具有內(nèi)能等。②某種形式的能減少，一定有其他形式的能增加，且減少量和增加量一定相等。③某個(gè)物體的能量減少，一定存在其他物體的能量增加，且減少量和增加量一定相等。

4、能量是與質(zhì)量相關(guān)聯(lián)的一個(gè)物理量

能量守恒的觀點(diǎn)也在不斷地發(fā)展，相對(duì)論建立以后，基本粒子的研究使我們認(rèn)識(shí)到，能量其實(shí)是與質(zhì)量相關(guān)聯(lián)的一個(gè)物理量。在20世紀(jì)30年代初，奧地利物理學(xué)家泡利根據(jù)能量守恒定律預(yù)言了中微子。多了解一點(diǎn)：

永動(dòng)機(jī)

1.永動(dòng)機(jī)：不消耗任何能量，卻可以源源不斷地對(duì)外做功，這種機(jī)器叫永動(dòng)機(jī)。

（人們把這種不消耗能量的永動(dòng)機(jī)叫第一類永動(dòng)機(jī)）2.歷史上的永動(dòng)機(jī)：螺旋永動(dòng)機(jī)達(dá)·芬奇滾球永動(dòng)機(jī)馬爾基斯軟臂永動(dòng)機(jī)19世紀(jì)設(shè)計(jì)螺旋永動(dòng)機(jī)弗拉德磁力永動(dòng)機(jī)泰斯尼爾斯3.最終結(jié)果：無一例外地歸于失敗。4.失敗的原因：違背了能量守恒定律。5.永動(dòng)機(jī)給我們的啟示：人類利用和改造自然時(shí)，必須遵循自然規(guī)律。例1：如圖所示為沖擊擺實(shí)驗(yàn)裝置，一飛行子彈射入沙箱后與沙箱合為一體，共同擺起一定高度，則下面有關(guān)能的轉(zhuǎn)化的說法中正確的是（

D

）A．子彈的動(dòng)能轉(zhuǎn)變成沙箱和子彈的內(nèi)能B．子彈的動(dòng)能轉(zhuǎn)變成了沙箱和子彈的勢(shì)能C．子彈的動(dòng)能轉(zhuǎn)變成了沙箱和子彈的動(dòng)能D．子彈的動(dòng)能一部分轉(zhuǎn)變成沙箱和子彈的內(nèi)能，另一部分轉(zhuǎn)變成沙箱和子彈的機(jī)械能例2：如圖所示，直立容器內(nèi)部被隔板隔開的A、B兩部分氣體，A的密度小，B的密度大，加熱氣體，并使兩部分氣體混合均勻，設(shè)此過程中氣體吸熱為Q，氣體內(nèi)能的增量為ΔU，則(

)A.ΔU＝Q

B.ΔU<QC.ΔU>Q

D.無法比較解析

因A部分氣體密度小，B部分氣體密度大，以整體為研究對(duì)象，開始時(shí)，氣體的重心在中線以下，混合均勻后，氣體的重心應(yīng)在中線上，所以有重力做負(fù)功，使氣體的重力勢(shì)能增大，由能量守恒定律可知，吸收的熱量Q有一部分增加氣體的重力勢(shì)能，另一部分增加內(nèi)能.故正確答案為B.所有宏觀自發(fā)過程都具有單向性

無數(shù)事實(shí)告訴我們，凡是實(shí)際的過程，只要涉及熱現(xiàn)象，都有特定的方向性。這些過程可以自發(fā)地朝某個(gè)方向進(jìn)行，而相反的過程，即使不違背能量守恒定律，我們也從未見到它們會(huì)自發(fā)地進(jìn)行。這就是說，一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀自然過程都是不可逆的。物體間的傳熱氣體的膨脹擴(kuò)散現(xiàn)象有摩擦的機(jī)械運(yùn)動(dòng)熱現(xiàn)象特定的方向溫度由高到低體積由小到大密度由密到疏由功到熱

二、熱力學(xué)第二定律1、熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述：熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體。

（自發(fā)性：不需要第三者介入、也不會(huì)對(duì)任何第三者產(chǎn)生影響）詮釋：①

在不引起其它的變化的條件下，熱量不可能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體。②

熱量可以從低溫物體傳到高溫物體上，但會(huì)引起其它變化，比如冷機(jī)做功。③

克勞修斯表述闡述的是熱傳遞的方向性?？藙谛匏沟谋硎鲆蚕喈?dāng)于：不可能制造這樣一臺(tái)機(jī)器，在一個(gè)循環(huán)動(dòng)作后，只是將熱量從低溫物體傳到高溫物體，而不引起其他變化?！舅伎肌侩姳渫姾笙鋬?nèi)溫度低于箱外溫度，并且還會(huì)繼續(xù)降溫，直至達(dá)到設(shè)定的溫度。顯然這是熱量從低溫物體傳遞到了高溫物體。這一現(xiàn)象是否違背熱力學(xué)第二定律呢？

電冰箱工作時(shí)熱量的確從低溫物體（冰箱內(nèi)的食品）傳到了高溫物體（冰箱外的空氣），但這不是自發(fā)的過程，這個(gè)過程必須有第三者的介入，即壓縮機(jī)消耗電能，對(duì)制冷系統(tǒng)做了功。2、熱力學(xué)第二定律的開爾文表述：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。（“不可能從單一熱庫吸收熱量”的意思是：不僅要從一個(gè)熱庫吸熱，而且一定會(huì)向另一個(gè)熱庫放熱。）詮釋：①

這里闡述的是機(jī)械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化的方向性：機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，而內(nèi)能無法全部用來做功以轉(zhuǎn)換成機(jī)械能(即沒有效率為100%的熱機(jī)）。②

可從單一熱庫吸收熱量，使之完全變成功，但會(huì)產(chǎn)生其他影響。③開爾文表述也可以改為：第二類永動(dòng)機(jī)是不可能制造成的。開爾文的表述也相當(dāng)于：不可能制造這樣一臺(tái)機(jī)器，在一個(gè)循環(huán)動(dòng)作后，只是從單一熱庫吸收熱量，使之完全變?yōu)楣?，而不引起其他變化。定義：只從單一熱源吸收熱量，使之完全變?yōu)橛杏玫墓Χ灰鹌渌兓臒釞C(jī)。第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成：違反熱力學(xué)第二定律第一類永動(dòng)機(jī)第二類永動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)要求不可能原因不消耗任何能量，可以不斷地做功（或給予很少的能量啟動(dòng)后，能夠永遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)）將內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，而不引起其他變化違背能量轉(zhuǎn)化與守恒定律違背熱力學(xué)第二定律多了解一點(diǎn)：

第二類永動(dòng)機(jī)

①兩種表述是等價(jià)的可以從一種表述導(dǎo)出另一種表述，兩種表述都稱為熱力學(xué)第二定律。

②對(duì)任何一類宏觀過程進(jìn)行方向的說明，都可以作為熱力學(xué)第二定律的表述。例如：氣體向真空的自由膨脹是不可逆的。4、熱力學(xué)第二定律得其他描述：（1）一切宏觀自然過程的進(jìn)行都具有方向性。（2）氣體向真空的自由膨脹是不可逆的。3、熱力學(xué)第二定律的意義:

提示了有大量分子參與的宏觀過程的方向性，是獨(dú)立于熱力學(xué)第一定律的一個(gè)重要自然規(guī)律。

熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)在于揭示了：一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的實(shí)際宏觀過程都是不可逆的。5、熱力學(xué)第二定律的適用范圍（1）適用于宏觀過程對(duì)微觀過程不適用，如布朗運(yùn)動(dòng)。（2）孤立系統(tǒng)有限范圍，對(duì)整個(gè)宇宙不適用6、與熱力學(xué)第一定律的關(guān)系

熱力學(xué)第一定律是和熱現(xiàn)象有關(guān)的物理過程中能量守恒的特殊表達(dá)形式，說明功及熱量與內(nèi)能改變的定量關(guān)系，而第二定律指出了能量轉(zhuǎn)化與守恒能否實(shí)現(xiàn)的條件和過程進(jìn)行的方向，指出了一切變化過程的自然發(fā)展方向不可逆，除非靠外界影響.所以二者相互獨(dú)立，又相互補(bǔ)充.7、熱力學(xué)第零定律：如果兩個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)中的每一個(gè)都與第三個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)處于熱平衡(溫度相同)，則它們彼此也必定處于熱平衡。

熱力學(xué)第三定律：絕對(duì)零度不可達(dá)到但可以無限趨近。

三、能源是有限的

自然界的一切變化，人類社會(huì)的所有活動(dòng)，都伴隨著能量的轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化，能量是一切物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的源泉，是一切生命活動(dòng)的基礎(chǔ)。

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。每天我們使用的能源最后都轉(zhuǎn)化成了內(nèi)能，能源消耗使得周圍環(huán)境升溫。

分散在環(huán)境中的內(nèi)能不管數(shù)量多么巨大，卻再也不能自動(dòng)聚集起來驅(qū)動(dòng)機(jī)器做功了。這樣的轉(zhuǎn)化過程叫作“能量耗散”。

能源是指具有高品質(zhì)的容易利用的儲(chǔ)能物質(zhì)，例如石油、天然氣、煤等。

能源的使用過程中雖然能的總量保持守恒，但能量的品質(zhì)降低了。雖然能量總量不會(huì)減少，但能源會(huì)逐步減少，因此能源是有限的資源。例3：根據(jù)熱力學(xué)第二定律判斷，下列說法正確的是（

C）A.功可以全部轉(zhuǎn)化為熱，但熱不能全部轉(zhuǎn)化為功B.熱可以從高溫物體傳到低溫物體，但不能從低溫物體傳到高溫物體C.氣體向真空的自由膨脹是不可逆的D.隨著技術(shù)的進(jìn)步，熱機(jī)的效率可以達(dá)到100%例4：關(guān)于熱力學(xué)定律,下列說法正確的是(

A

)A.功轉(zhuǎn)變?yōu)闊岬膶?shí)際宏觀過程是不可逆過程B.對(duì)某物體做功,必定會(huì)使該物體的內(nèi)能增加C.不可能從單一熱源吸收熱量,使之完全變?yōu)楣.不可能使熱量從低溫物體傳向高溫物體例5：下列關(guān)于能量耗散的說法,正確的是(

BCD

)A.能量耗散使能的總量減少,違背了能量守恒定律B.能量耗散是指散失在環(huán)境中的內(nèi)能很難收集起來被人類利用C.機(jī)械能向內(nèi)能的轉(zhuǎn)化是能夠全額發(fā)生的D.能量耗散導(dǎo)致能量品質(zhì)降低了

課堂小結(jié)一、能量守恒定律：能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為其他形式，或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到別的