第十章 热力学定律 知识整理

第十章热力学定律

10.1 功和内能

1. 焦耳的实验

（1）两个具有代表性的实验：①重物下落带动叶片搅拌容器中的水，引起水温上升。

②正在降落的重物使发电机发电，通过电流的热效应给水加热。

（2）实验结论：在各种不同的绝热过程中，如果使系统从状态1 变为状态2，所需外界做功的数量是相同的。也就是说，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1、2 决定，而与做功的方式无关。

（3）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，这样的过程叫做绝热过程。

2. 内能

（1）定义：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）定义式：当系统从状态1经过绝热过程达到状态2时，内能的增加量ΔU＝U2－U1就等于外界对系统所做的功W，即ΔU＝W

①当外界对系统做功，系统的内能增加，在绝热过程中，内能的增量就等于外界对系统做的功。

②当系统对外界做功，系统的内能减少。在绝热过程中，系统对外界做多少功，内能就减少多少。

（3）内能微观定义：系统中所有分子热运动的动能和分子间的相互作用势能的总和叫做系统的内能。系统的内能是由它的状态决定的。

10.2 热和内能

1. 热传递

（1）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，我们说，热量从高温物体传到了低温物体。这

样的过程叫做热传递。

（2）热传递有三种方式：热传导、热对流和热辐射，如图所示。

（3）热传递的条件：①两个物体②存在温度差

2. 热和内能

（1）在外界对系统没有做功的情况下，热量是在单纯的传热过程中系统内能变

化的量度。吸收热量内能增加，放出热量内能减少。当系统从状态1经过单纯的传

热达到状态2，内能的增量ΔU＝U2－U1就等于外界向系统传递的热量Q，即ΔU

＝Q

（2）热量的概念也只有在涉及能量的传递时才有意义。所以不能说物体具有多

少热量，只能说物体吸收或放出了多少热量。

（3）做功与热传递区别：做功时内能与其他形式的能，如内能与机械能、内能与电能等发生转化，而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。

（4）改变物体的内能的方式有做功和热传递，它们在改变物体内能上是等效的。

10.3 热力学第一定律能量守恒定律

1. 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。这个关系叫做热力学第一定律。

（2）其数学表达式为：ΔU=W+Q

（3）与热力学第一定律相匹配的符号法则 做功W 热量Q 内能的改变ΔU 取正值“+” 外界对系统做功 系统从外界吸收热量

系统的内能增加 取负值“－” 系统对外界做功

系统向外界放出热量 系统的内能减少 ①热力学第一定律说明了做功和热传递是系统内能改变的量度，没有做功和热传递就不可能实现能量的转化或转移，同时也进一步揭示了能量守恒定律。

②应用热力学第一定律解题的一般步骤：

Ⅰ根据符号法则写出各已知量（W 、Q 、ΔU ）的正、负；

Ⅱ根据方程ΔU=W+Q 求出未知量；

Ⅲ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。

2. 能量守恒定律

（1）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，能量的总量不变。这就是能量守恒定律。

（2）各种形式的能都可以相互转化。在所有这些转化过程中，能量都是守恒的。

（3）热力学第一定律实际上就是内能与其他能发生转化时的能量守恒定律。

3. 第一类永动机

（1）不需要任何动力或燃料，却能不断地对外做功，史称第一类永动机。

（2）任何机器运动时只能将能量从一种形式转化为另一种形式，而不可能无中

生有地创造能量，即第一类永动机的思想违背了能量守恒定律，所以是不可能制

成的。

10.4 热力学第二定律

1. 可逆与不可逆过程

（1）热传导的方向性

热传导的过程可以自发地由高温物体向低温物体进行，但相反方向却不能自发地进行，即热传导具有方向性，是一个不可逆过程。

高温物体 低温物体

热量Q 能自发传给

热量Q 不能自发传给

（2）说明：

①“自发地”过程就是在不受外来干扰的条件下进行的自然过程。

②热量可以自发地从高温物体传向低温物体，热量却不能自发地从低温物体传向高温物体。

③要将热量从低温物体传向高温物体，必须有“外界的影响或帮助”，就是要由外界对其做功才能完成。电冰箱、空调就是例子。

2. 热力学第二定律的两种表述

①克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传递到高温物体。

②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。

3. 热机

（1）热机是把内能转化为机械能的装置。其原理是热机从热源吸收热量Q 1，推动活塞做功W ，然后向冷凝器释放热量Q 2。

由能量守恒定律可得：Q 1=W+Q 2

（2）热机效率：我们把热机做的功和它从热源吸收的热量的比值叫做热机效率，用η表示，即η=

W Q

4. 第二类永动机

（1）设想：只从单一热源吸收热量，使之完全变为有用的功而不引起其他变化的热机。

（2）第二类永动机不可能制成，因为尽管机械能可以全部转化为内能，但内能却不能全部转化成机械能而不引起其他变化；机械能和内能的转化过程具有方向性。第二类永动机违背热力学第二定律

10.5 热力学第二定律的微观解释

1. 有序和无序

（1）有序：只要确定了某种规则，符合这个规则的就叫做有序。

无序：不符合某种确定规则的称为无序。

（2）有序和无序是相对的。

2. 宏观态和微观态

（1）宏观态：符合某种规定、规则的状态，叫做热力学系统的宏观态。

微观态：在宏观状态下，符合另外的规定、规则的状态叫做这个宏观态的微观态。

（2）系统的宏观态所对应的微观态的多少表现为宏观态无序程度的大小。如果一个“宏观态”对应的“微观态”比较多，就说这个“宏观态”是比较无序的，同时也决定了宏观过程的方向性——从有序到无序。

（3）自发的过程总是倾向于出现与较多微观态对应的宏观态，因此自发的过程总是从有序向着无序发展的。

3. 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。

4. 熵

（1）系统的宏观状态所对应的微观态的多少表现为宏观态的无序程度，同时也决定了宏观过程的方向性。分析的结果归纳在以下表中。

（2）一个宏观状态对应的微观状态标志着这个宏观态的无序程度。物理学中用字母Ω表示一个宏观状态所对应的微观状态的数目。

（3）熵：一个与微观态数目Ω相关的物理量，叫做熵，用字母S表示。

玻耳兹曼在1877年提出了熵与微观态的数目Ω的关系，即S∝lnΩ，后来普朗克把它写成了等式S＝kln Ω式中k叫做玻耳兹曼常量。

（4）既然微观态的数目Ω是分子运动无序性的一种量度，由于Ω越大，熵S也越大，那么熵S自然也是系统内分子运动无序性的量度。

（5）用熵的概念表示的热力学第二定律：在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小。因此，热力学第二定律又叫做熵增加原理。

（6）由熵的定义可知，熵较大的宏观状态就是无序程度较大的宏观状态，也就是出现概率较大的宏观状态。在自然过程中熵总是增加的，其原因并非因为有序是不可能的，而是因为通向无序的渠道要比通向有序的渠道多得多。

（7）热力学第二定律是一个统计规律：一个孤立的系统总是从熵小的状态向熵大的状态发展，而熵值较大代表着较为无序，所以自发的宏观过程总是向无序度更大的方向发展。

5. 热力学第三定律：不可能通过有限的过程把一个物体冷却到绝对零度。

10.6 能源和可持续发展

1. 能量耗散和品质降低

（1）能量在数量上虽然守恒，但其转移和转化却具有方向性。

（2）在取暖照明、耕田犁地、车钻磨锻、开车驾船……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。机械能、电能、化学能都是集中度较高因而也是有序度较高的能量，当它们变为环境的内能后，就成为更加分散因而也是无序度更大的能量。分