物理知识体系

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热力学定律 ​

改变物体内能的两种方式 ​

做功 ​

  • 做功改变内能的实质：其他形式的能与内能之间的转化
  • 外界对物体做功，物体内能增加；物体对外界做功，物体内能减少

热传递 ​

  • 热传递改变内能的实质：内能在不同物体之间转移
  • 热量从高温物体传给低温物体，高温物体内能减少，低温物体内能增加
  • 热传递发生的条件：存在温度差

说明：做功和热传递在改变物体内能上是等效的，但本质不同。做功是能量转化，热传递是能量转移。

热量Q：表示在热传递过程中，内能转移的多少，单位：焦耳(J)。

热力学第一定律 ​

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。

表达式： ΔU = Q + W

符号规定：

  • ΔU：内能增加，ΔU为正；内能减少，ΔU为负
  • Q：系统吸收热量，Q为正；系统放出热量，Q为负
  • W：外界对系统做功，W为正；系统对外界做功，W为负

几种特殊情况：

  1. 等温过程：理想气体温度不变，内能不变，ΔU = 0，所以Q = -W
  2. 绝热过程：Q = 0，所以ΔU = W，外界对系统做功，内能增加
  3. 等容过程：气体体积不变，气体不做功，W = 0，所以ΔU = Q，吸收热量内能增加
  4. 自由膨胀：气体向真空膨胀，W = 0（外界没有受力），Q = 0（绝热），所以ΔU = 0，内能不变

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别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变。

能量守恒定律是自然界的普遍规律，适用于任何物理过程。

热力学第二定律 ​

两种表述 ​

克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传到高温物体。

开尔文表述：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。

另一种表述：第二类永动机不可能制成。

理解 ​

  • "自发地"：不需要外界帮助。如果有外界帮助，热量可以从低温物体传到高温物体（如电冰箱、空调）
  • "不产生其他影响"：除了从单一热库吸热和做功外，没有其他变化。理想气体等温膨胀，内能不变，吸收的热量全部用来做功，但产生了其他影响（气体体积增大），并不违反热力学第二定律

热力学第二定律的微观意义 ​

一切自发过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行。

熵：表示系统无序程度的物理量，符号S。

熵增加原理：在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小。即ΔS ≥ 0。

热力学第二定律本质上是统计规律，对宏观系统成立。

热力学第三定律 ​

内容：不可能通过有限的过程把一个物体冷却到绝对零度。

绝对零度（0 K = -273.15°C）只能接近，不能达到。

能源与可持续发展 ​

能量耗散：集中度较高、有序性较高的能量在使用过程中最终会转化为分散在环境中的内能，无法再被收集起来重新利用，这种现象叫做能量耗散。

能量耗散从能量转化的角度反映出自然界中宏观过程的方向性，符合热力学第二定律。

能源分类：

  • 常规能源：煤炭、石油、天然气（不可再生）
  • 新能源：太阳能、风能、水能、核能（可再生或清洁）

能源危机本质上是技术上无法将分散的内能收集起来重新利用，体现了热力学第二定律。

练习题 ​

选择题 ​

  1. 关于热力学第一定律，下列说法中正确的是：

    • A. 外界对物体做功，物体的内能一定增加
    • B. 物体吸收热量，内能一定增加
    • C. 绝热压缩过程中，气体内能一定增加
    • D. 理想气体自由膨胀过程中，内能不变
    查看答案 答案：CD

    解析：

    • A错误：根据ΔU = Q + W，外界做功（W>0），但如果物体同时对外放热（Q<0），且放热大于做功，内能可能减少
    • B错误：物体吸热（Q>0），但如果物体对外做功（W<0），内能不一定增加
    • C正确：绝热过程Q=0，压缩过程外界对气体做功W>0，所以ΔU = W > 0，内能增加
    • D正确：理想气体向真空自由膨胀，W=0，Q=0，所以ΔU=0，内能不变

  2. 根据热力学第二定律，下列说法中正确的是：

    • A. 热量能够从高温物体传到低温物体，但不能从低温物体传到高温物体
    • B. 热量能够从高温物体传到低温物体，也可以从低温物体传到高温物体
    • C. 不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化
    • D. 凡是不违反能量守恒定律的过程一定能实现
    查看答案 答案：BC

    解析：

    • A错误，B正确：热量不能自发地从低温传到高温，在外界做功的条件下可以（如冰箱）
    • C正确：这是开尔文表述，正确
    • D错误：第二类永动机不违反能量守恒，但违反热力学第二定律，不能实现

  3. 一定质量的理想气体在绝热膨胀过程中，下列说法中正确的是：

    • A. 气体温度降低，内能减少
    • B. 气体温度升高，内能增加
    • C. 气体对外做功，内能减少
    • D. 外界对气体做功，内能增加
    查看答案 答案：AC

    解析：绝热过程Q=0，气体膨胀对外做功，所以W<0，ΔU = Q + W = W < 0，内能减少。理想气体内能只与温度有关，所以温度降低。因此AC正确。

计算题 ​

  1. 一定质量的气体，从外界吸收了2.5×10⁵ J的热量，同时气体对外做了1.8×10⁵ J的功，问： (1) 气体的内能改变了多少？ (2) 如果气体吸收热量不变，外界对气体做了1.8×10⁵ J的功，内能改变了多少？

    查看解答

    解答： 根据热力学第一定律ΔU = Q + W

    (1) 气体吸收热量Q = 2.5×10⁵ J（正），气体对外做功，外界对气体做功W = -1.8×10⁵ J（负）

    ΔU = Q + W = 2.5×10⁵ - 1.8×10⁵ = 7×10⁴ J

    ΔU为正，说明内能增加了7×10⁴ J。

    (2) Q仍然为2.5×10⁵ J，外界对气体做功W = +1.8×10⁵ J

    ΔU = Q + W = 2.5×10⁵ + 1.8×10⁵ = 4.3×10⁵ J

    内能增加了4.3×10⁵ J。

    答： (1) 内能增加了7×10⁴ J (2) 内能增加了4.3×10⁵ J

  2. 一定质量的理想气体，压强p = 1.0×10⁵ Pa，体积V = 2.0×10⁻³ m³，温度保持不变，压强减小为0.5×10⁵ Pa，求此过程中： (1) 气体对外做功还是外界对气体做功？ (2) 气体吸热还是放热？热量是多少？

    查看解答

    解答： (1) 温度不变，由玻意耳定律p₁V₁ = p₂V₂ V₂ = (p₁V₁)/p₂ = (1.0×10⁵ × 2.0×10⁻³) / (0.5×10⁵) = 4.0×10⁻³ m³ 体积增大，气体膨胀，气体对外界做功。

    (2) 理想气体温度不变，内能不变，ΔU = 0 根据热力学第一定律ΔU = Q + W W是外界对气体做的功，气体对外做功，所以W为负。

    等温过程，pV = 常数，pV = nRT = 常数 气体对外做功大小：W' = ∫p dV = ∫(nRT/V) dV = nRT ln(V₂/V₁) = p₁V₁ ln(V₂/V₁) W = -W' = -p₁V₁ ln(V₂/V₁) = -1.0×10⁵ × 2.0×10⁻³ × ln2 ≈ -200 × 0.693 ≈ -138.6 J

    ΔU = 0 = Q + W → Q = -W = 138.6 J > 0

    Q为正，说明气体吸收热量，吸收热量约139 J。

    答： (1) 气体对外界做功 (2) 气体吸收热量，约139 J

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