第三章《热力学定律》知识点梳理--高二下学期物理人教版（2019）选择性必修第三册.docx

人教版（2019）物理选择性必修第三册第三章热力学定律知识点梳理3.1功、热和内能的改变一、功和内能1焦耳的实验(1)绝热过程：系统只由于外界对它做功而与外界交换能量，它不从外界吸热，也不向外界放热。(2)代表性实验重物下落带动叶片搅拌容器中的水，引起水温上升；通过电流的热效应给水加热。(3)实验结论：要使系统状态通过绝热过程发生变化，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。2功和内能(1)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所做的功相联系。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)功和内能：在绝热过程中，外界对系统做的功等于系统内能的变化量，即UW。说明：在热力学系统的绝热过程中，外界对系统所做的功仅由过程的始末两个状态决定，不依赖于做功的具体过程和方式。二、热和内能1热传递(1)条件：物体的温度不同。(2)定义：两个温度不同的物体相互接触时，温度高的物体要降温，温度低的物体要升温，热量从高温物体传到了低温物体。2热和内能(1)热量：它是在单纯的传热过程中系统内能变化的量度。(2)表达式：UQ。(3)热传递与做功在改变系统内能上的异同：做功和热传递都能引起系统内能的改变。做功时是内能与其他形式能的转化；热传递只是不同物体(或一个物体的不同部分)之间内能的转移。注意：我们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。3.2热力学第一定律一、热力学第一定律1.改变内能的两种方式:做功与传热。两者在改变系统内能方面是等效的。2.热力学第一定律:(1)内容:一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和。(2) 数学表达式:U=Q+W。3.对公式U=Q+W中U、Q、W符号的规定:符号QWU+物体吸收热量外界对物体做功内能增加-物体放出热量物体对外界做功内能减少4.几种特殊情况:(1)若过程是绝热的,即Q=0,则U=W,物体内能的增加量等于外界对物体做的功。(2)若过程中不做功,即W=0,则U=Q,物体内能的增加量等于物体从外界吸收的热量。(3)若过程的始末状态物体的内能不变,即U=0,则W=-Q(或Q=-W),外界对物体做的功等于物体放出的热量(或物体吸收的热量等于物体对外界做的功)。5.判断是否做功的方法:一般情况下外界对物体做功与否,需看物体的体积是否变化。(1)若物体体积增大,表明物体对外界做功,W<0。(2)若物体体积减小,表明外界对物体做功,W>0。(3)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另一种形式,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.意义:(1)各种形式的能可以相互转化。(2)各种物理现象可以用能量守恒定律联系在一起。3.能量的存在形式及相互转化:(1)各种运动形式都有对应的能:机械运动有机械能,分子的热运动有内能,还有电磁能、化学能、原子能等。(2)各种形式的能,通过某种力做功可以相互转化。例如,利用电炉取暖或烧水,电能转化为内能;煤燃烧,化学能转化为内能;列车刹车后,轮子温度升高,机械能转化为内能。4.与某种运动形式对应的能是否守恒是有条件的。例如,物体的机械能守恒,必须是只有重力或系统内的弹力做功;而能量守恒定律是没有条件的,它是一切自然现象都遵守的基本规律。5.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U2-U1=W,就是说,如果系统内能减少,即U2<U1,则W<0,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是不可能的。3.3能量守恒定律一、探索能量守恒的足迹1不同形式的能能量具有不同的形式，有描述热运动的内能、描述机械运动的机械能、描述光辐射的光能，等等。不同形式的运动都可以用能量来描述。也就是说，我们可以用能量的观念把热、电、光、磁等都统一起来描述。2能量之间的转化3能量守恒观念的形成在认识自然的进程中，科学家慢慢知道了要用联系的观点去观察自然。例如，机械能的各种形式之间可以相互转化，电和磁可以相互转化，热和电也可以相互转化展示关于能量转化的研究成果，体会探索能量守恒的艰辛。二、能量守恒定律在力学中，当系统只有重力和弹力做功时，系统的动能与势能会发生相互转化，而动能与势能的总量保持不变，这就是机械能守恒定律。在热力学领域内，做功和热传递可以改变系统的内能，即系统内能与系统外的能量会发生转化或转移，但能的总量不会改变。热力学第一定律，实际上就是内能与其他能量发生转化时的能量守恒定律。1能量守恒定律：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另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体，而在转化或转移过程中，能量的总量保持不变。2能量守恒定律的意义：（1）能量守恒定律同生物进化论、细胞的发现被恩格斯誉为19世纪的三个最伟大的科学发现。（2）能量守恒定律是在无数实验事实的基础上建立起来的，是自然科学的普遍规律之一。（3）自然界一切已经实现的过程都遵守能量守恒定律。凡是违反能量守恒定律的过程都是不可能实现的，（4）机械能守恒定律只是能量守恒定律的特例。三、永动机不可能制成1永动机：不消耗任何能量，却可以源源不断地对外做功，这种机器叫永动机。（人们把这种不消耗能量的永动机叫第一类永动机）。任何动力机械的作用都是把其他形式的能转化为机械能。内燃机把燃料的化学能转化为燃气的内能然后再转化为机械能，电动机把电能转化为机械能如果没有燃料、电流或其他动力的输入，能量从哪里来呢！永动机的思想违背了能量守恒定律，所以是不可能制成的。2人类对永动机的追求螺旋永动机：著名科学家达·芬奇早在15世纪就提出过永动机不可能的思想，他曾设计过一种转轮。在转轮边沿安装一系列的容器，容器中充了一些水银，他想水银在容器中移动有可能使转轮永远地转动，但是经过仔细研究之后，得出了否定的结论。他从许多类似的设计方案中认识到永动机的尝试是注定要失败的。他写道：“永恒运动的幻想家们！你们的探索何等徒劳无功！还是去做淘金者吧！”滚球永动机：17世纪，英国有一个被关在伦敦塔下叫马尔基斯的犯人，他做了一台可以转动的“永动机”，转轮直径达4.3米，有40个各重23千克的钢球沿转轮辐翼外侧运动，使力矩加大，待转到高处时，钢球会自动地滚向中心。据说，他曾向英国国王查理一世表演过这一装置。国王看了很是高兴，就特赦了他。其实这台机器是靠惯性来维持短时运动的。软臂永动机：19世纪有人设计了一种特殊机构，它的臂可以弯曲。臂上有槽，小球沿凹槽滚向伸长的臂端，使力矩增大。转到另一侧，软臂开始弯曲，向轴心靠拢。设计者认为这样可以使机器获得转矩。然而，他没有想到力臂虽然缩短了，阻力却增大了，转轮只能停止在原地。磁力永动机：大约在1570年，意大利有一位教授叫泰斯尼尔斯，提出用磁石的吸力可以实现永动机。A是一个磁石，铁球G受磁石吸引可沿斜面滚上去，滚到上端的E处，从小洞B落下，经曲面BFC返回，复又被磁石吸引，铁球就可以沿螺旋途径连续运动下去。大概他那时还没有建立库仑定律，不知道磁力大小是与距离的平方成反比变化的，只要认真想一想，其荒谬处就一目了然了。3第一类永动机概念：不需要任何动力或燃料，却能源源不断地对外做功。结果：无一例外地归于失败。原因：违背了能量守恒定律。4永动机给我们的启示人类利用和改造自然时，必须遵循自然规律。3.4热力学第二定律一、热力学第二定律1热力学第二定律的克劳修斯表述(1)内容：热量不能自发地从低温物体传到高温物体。即传热的过程具有方向性。(2)传热的方向性热量可以自发地由高温物体传给低温物体。热量不能自发地由低温物体传给高温物体。一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的。说明：在表述中强调“自发”，就是不需要任何第三者介入，就能发生。2热力学第二定律的另一种表述(1)热机热机工作的两个阶段：第一个阶段是燃烧燃料，把燃料中的化学能变成工作物质的内能。第二个阶段是工作物质对外做功，把自己的内能变成机械能。热机的效率：热机输出的机械功W与燃料产生的热量Q的比值。用公式表示：。(2)开尔文表达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。(该表述阐述了机械能与内能转化的方向性)注意：热力学第二定律的克劳修斯和开尔文表述是等价的。3.第二类永动机人们把从单一热源吸收的热量，可以全部用来做功而不引起其他变化的热机叫第二类永动机。第二类永动机虽不违背能量守恒定律，但是也失败了。第二类永动机不可能制成，表示机械能和内能的转化过程具有方向性，也就是说机械能可以全部转化为内能，但内能却不能全部转化为机械能，同时不引起其他变化。4热力学第一定律和热力学第二定律的关系热力学第一定律和第二定律都自然界中独立的定律，热力学第二定律是第一定律的补充。（1）第一定律只指出了不大于100%，而第二定律指出的是不等于100%，说明功可以全部变为热，而热量不能通过一循环全部变为功，即机械能和内能是有区别的。（2）第一定律指出了热功等效和转换关系，指出任何过程能量必须守恒。第二定律指出的是：并非所有能量守恒过程都能实现，低温热源的热量就不能自动地传向高温热源，揭示了过程进行的方向和条件。（3）第一定律没有温度的概念，第二定律中有了温度的概念，提出了在高温热源和低温热源间的问题，提出了不同温度差下，相同的热量效果是不一样的，有必要加以区分。二、能源是有限的能量在数量上虽然守恒，但其转移和转化却具有方向性。在各种各样的活动中，机械能、电能、光能、声能、化学能、核能、生物能最终都转化成内能，流散到周围的环境中。1能量耗散：有序度较高(集中度较高)的能量转化为内能，流散到环境中无法重新收集起来加以利用的现象。2各种形式的能量向内能的转化，是无序程度较小的状态向无序程度较大的状态的转化，是能够自动发生、全额发生的。3能量耗散从能量转化的角度反映出自然界中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，它实际上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：虽然能量总量不会减少，但能源会逐步减少，因此能源是有限的资源。三、 熵与熵增加原理(1)在物理学中，不与外界进行物质和能量交换的系统叫作孤立系统。(2)熵是表示一个系统无序程度的物理量，从微观角度来说，熵是系统内分子热运动无序性的量度。(3)在自发过程中，系统总是自发地向无序方向发展，即一个孤立系统的熵值总是不减少的，这就是熵增加原理。(4)从微观角度看，热力学第二定律是一个统计规律：一个孤立系统总是从熵小的状态向熵大的状态发展，而熵值大代表着较为无序，所以自发的宏观过程总是向无序度更大的方向发展。例如，一个容器被隔板均分为A、B两部分，一定量的气体处于容器A中，而B为真空。抽取隔板K，A中的气体就会扩散到B中，最后整个容器的A、B两部分都均匀地分布了这种气体。这个过程显然是不可逆的。1850年，克劳修斯首次提出熵的概念，熵可用来表达一个系统的无序程度，系统从有序向无序的发展过程中熵在增加。在物理学中，不与外界进行物质和能量交换的系统叫作孤立系统。在自发过程中，系统总是自发地向无序方向发展，即一个孤立系统的熵值总是不减少的，这就是熵增加原理。8学科网（北京）股份有限公司