[理学]热学基础知识

1、热学基础,第一部分：分子动理论,分子热运动理论内容,物体由大量分子组成的.,分子永不停息地 做无规则运动.,分子间有相互作用的分子力.,一、物体由大量分子组成的,1、分子体积很小,油膜法测定,分子大小数量级等于10-10m,2、分子质量很小,一般分子质量数量级等于10-26Kg,一、物体由大量分子组成的,3、分子之间有空隙,实验:水和酒精混合后体积小于它们原来的体积之和.,一、物体由大量分子组成的,4、阿伏加德罗常数NA,定义：1mol的任何物质都含有相同的粒子个数，叫做阿伏加德罗常数NA .,一、物体由大量分子组成的,大小为6.021023/mol-1,计算：,一、物体由大量分子组成的,4、

2、阿伏加德罗常数NA,5、计算:,分子个数,一、物体由大量分子组成的,分子质量,一、物体由大量分子组成的,5、计算:,分子体积,一、物体由大量分子组成的,5、计算:,分子大小,一、物体由大量分子组成的,5、计算:,1.扩散现象,定义:不同物质相互接触,彼此进入对方的现象.,产生原因:组成物质的分子永不停息地做无规则运动.,二.分子永不停息地做无规则运动,实质:扩散现象就是物质分子的无规则运动.,二.分子永不停息地做无规则运动,快慢决定因素:物质状态:气体扩散最快，固体最慢.温度高低:温度越高,扩散越快.,1.扩散现象,直接反映了组成物质的分子永不停息地做无规则运动。,2.布朗运动,定义:悬浮在液

3、体或气体中的固体小颗粒的永不停息地做无规则运动.,二.分子永不停息地做无规则运动,原因:小颗粒受到不同方向的液体分子无规则运动产生的撞击力不平衡引起的.,实质:不是液体分子的运动，也不是固体小颗粒分子的运动，而是小颗粒的运动.,二.分子永不停息地做无规则运动,2.布朗运动,决定因素:颗粒越小，温度越高，布朗运动越剧烈.,间接证明了:分子永不停息地做无规则运动.,3.热运动,温度越高，分子永不停息地做无规则运动（热运动）越剧烈.,二.分子永不停息地做无规则运动,三、分子间有相互作用力,1.分子力,分子间同时存在着引力和斥力,分子力是分子间引力和斥力的合力。,2.分子力与分子间距离关系,引力和斥力

4、都随分子间距离增大而减小。但斥力减小的更快。,三、分子间有相互作用力,r=r0 = 10-10m时，引力等于斥力，分子力为零 ，为平衡位置。,rr0时，引力小于斥力，分子力为斥力。,2.分子力与分子间距离关系,三、分子间有相互作用力,r0r10r0时，引力大于斥力，分子力为引力.,r10r0时，引力、斥力都接近于零，分子力为零（理想气体） .,斥力,引力,分子力,2.分子力与分子间距离关系,三、分子间有相互作用力,3.分子力是短程力,4.分子力实质:是原子内部带正电的原子核和带负电的电子之间的电场力。,三、分子间有相互作用力,知识回顾,2.什么叫内能？ 与哪些因素有关？,3.质量、温度相同的物

5、体，内能必定相等 对吗？,1.（机械）功的两个不可缺少的因素是什么？ 电流做功与哪些因素有关？,物体的内能与温度和体积的关系,温度变时分子动能变，体积变时分子势能变，因此物体的内能决定于它的温度和体积，但是这句话却不能作为判断两物体内能大小的依据。如两物体温度和体积均相同，而内能却没有确定的关系。再如，0OC的冰熔化成OC水体积减小，不能就此认为其势能也减小，而应该从改变内能的方式上分析,冰熔化过程吸收热量，内能增加，而温度不变，所增加的只是分子的势能,结论：做功使得物体（密闭气体）温度升高,焦耳,1818年12月24日生于英国曼彻斯特 ，起初研究电学和磁学。 1840年在英国皇家学会上宣布了

6、电流通过导体产生热量的定律，即焦耳定律。焦耳测量了热与机械功之间的当量关系热功当量，为热力学第一定律和能量守恒定律的建立奠定了实验基础。,一、焦耳的实验,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，这样的过程叫绝热过程,绝热过程：,焦耳实验是一个需要在绝热过程中完成的实验,焦耳二个代表性实验：焦耳热功当量实验装置机械功,实验结论：只要重力所做的功相同，容器内水温上升的数值都是相同的，即系统状态的变化是相同的。,焦耳二个代表性实验：焦耳热功当量实验装置电功,实验结论：只要所做的电功相等，则系统温度上升的数值是相同的，即系统的状态变化是相同的。,从焦耳的实验中可以得出什么

7、结论？,1.在各种不同的绝热过程中，系统状态的改变与做功方式无关，仅与做功数量有关。,2.测出了热功当量（热与机械功之间的当量关系），为热力学第一定律和能量守恒定律的建立奠定了实验基础。,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。,类比思考：哪些力做功仅由物体的起点和终点两个位置决定，与物体的运动路径无关？,重力,电场力,重力做功对应重力势能,电场力做功对应电势能（电能）,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。,功是能量转化的量度,内能U,：只依赖于系统自身状态的物理量,

8、内能与状态参量温度、体积有关，即由它的状态决定,内能的增加量UU2U1等于外界对系统所做的功,UW,二、内能,呈现雾状,1.系统指的是什么？,实验研究的对象是瓶中的气体与打气筒中的气体，那么我们的系统也就是这二部分气体。,2.出现了什么现象？,3.为什么会呈现雾状？,为什么会呈现雾状？,当用打气筒向瓶内打气时，外界对系统做功，使得系统的内能增加，温度升高，压强增大，使瓶塞从瓶口中喷出。看到雾状物的原因在于，在塞子突然跳起时，气体绝热膨胀对外做功，内能减少，温度下降，水蒸汽（或酒精蒸气）有一部分被液化成小液滴,1.下列说法正确的是（ ） A 分子的动能与分子的势能的和叫做这个分子的内能 B 物体

9、的分子势能由物体的温度和体积决定 C 物体的速度增大时，物体的内能增大 D 物体的内能减小时，物体的温度可能增加,D,练习巩固,2.一个铁块沿斜面匀速滑下，关于物体的机械能和内能的变化，下列判断中正确的是（ ） A 物体的机械能和内能都不变 B 物体的机械能减少，内能不变 C 物体的机械能增加，内能增加 D 物体的机械能减少，内能增加,D,如图所示,绝热具有一定质量的活塞,活塞的上部封闭着气体,下部为真空,活塞与器壁的摩擦忽略不计,置于真空中的轻弹簧的一端固定于理想气体容器的底部.另一端固定在活塞上,弹簧被压缩后用绳扎紧,此时弹簧的弹性势能为EP(弹簧处于自然长度时的弹性势能为零),现绳突然断

10、开,弹簧推动活塞向上运动,经过多次往复运动后活塞静止,气体达到平衡态,经过此过程 （ ） AEP全部转换为气体的内能 B. EP一部分转换成活塞的重力势能,其余部分仍 为弹簧的弹性势能 CEP全部转换成活塞的重力势能和气体的内能 DEP一部分转换成活塞的重力势能,一部分转换 为气体的内能,其余部分仍为弹簧的弹性势能,04年全国理综17,D,05年全国卷19.,一定质量的气体经历一缓慢的绝热膨胀过程。设气体分子间的势能可忽略，则在此过程中（ ） A外界对气体做功，气体分子的平均动能增加 B外界对气体做功，气体分子的平均动能减少 C气体对外界做功，气体分子的平均动能增加 D气体对外界做功，气体分子

11、的平均动能减少,D,问题与练习,1.分子动理论对内能的微观定义是：- 本节热力学对内能的定义是：- 当系统状态改变时，按照热力学对内能的定义，则物体的内能改变；而按分子动理论，系统状态改变时，描述系统状态的参量发生了变化，例如温度和体积改变，而分子的平均动能与温度有关，分子的势能与体积有关，所以系统的内能就要改变。因此内能的两种定义是一致的。,问题与练习,2.（从功是能量转化的量度角度出发思考） 例1：汽车刹车 例2：双手摩擦 例3：电磁感应中，阻尼振动中的能量变化 3.10.1-2重物的重力势能转化为水的内能； 10.1.3重物的机械能转化为电能，电能再转化为液体的内能,问题与练习,4.（1

12、）气体在真空中绝热膨胀 的过程中，不受阻力，所以气体 不做功。需要特别注意的是，当气体向真空中膨胀时，气体不做功，这样的膨胀通常称为自由膨胀 （2）气体在大气中绝热膨胀的过程中，气体对外做功，所需要的能量来自于 气体的内能，因此在此过程中， 气体的内能要减少。,拓展,对于气体在膨胀或压缩的情况下，气体做功有如下结论：膨胀时气体对外界做功；压缩时外界对气体做功也即气体体积增大，则气体对外界做功；气体体积减小，则外界对气体做功若在绝热的情况下，气体对外界做功其内能减少；外界对气体做功其内能增加,10.2热和内能,第十章热力学定律 ,思考： 请同学们想办法如何将一段铁丝的温度升高？,一、热传递,两个

13、温度不同的物体互相接触时温度高的物体要降温，温度低的物体要升温，并将持续到系统间达到热平衡即温度相等为止，这个过程称之为热传递,热传递的三种方式：热传导、热对流、热辐射,二、热和内能,在外界对系统没有做功的情况下， 内能和热量之间有什么样的关系呢？,即在外界对系统不做功的情况下，外界传递给系统的热量等于系统内能的改变量,UQ,二、热和内能,做功是内能和其他形式的能发生转化,热传递是不同物体或同一物体不同部分内能的转移,做功和热传递在改变物体的内能上是等效的 但是它们还是有重要区别的,UQ,UW,不同能量形式的转化,同种能量形式的转移,例1 、如果铁丝的温度升高了，则（ ） A.铁丝一定吸收了热

14、量 B.铁丝一定放出了热量 C.外界可能对铁丝做功 D.外界一定对铁丝做功,解析：做功和热传递对改变物体的内能是等效的， 温度升高可能是做功，也可能是热传递。故C正确。 答案：C,例2 下列关于热量的说法，正确的是 （ ） A.温度高的物体含有的热量多 B.内能多的物体含有的热量多 C.热量、功和内能的单位相同 D.热量和功都是过程量，而内能是一个状态量,解析：热量和功都是过程量，而内能是一个状态量， 所以不能说温度高的物体含有的热量多，内能多的 物体含有的热量多；热量、功和内能的单位相同都 是焦耳。选C、D 答案：C、D,注意：热量是单纯的传热过程中系统内能变化的一个量度，是一个过程量，不能

15、讲在某个时刻物体具有多少热量应该讲在热传递过程中有多少热量从高温物体传递到了低温物体,热传导热沿着物体传递的热传递方式，不同物质传到热的能力各不相同，容易传到热的物体称之为热的良导体，所有金属都是热的良导体，不容易传导热的物体称之为热的不良导体，如空气、橡胶、绒毛、棉纱、木头、水、油等 热对流靠液体或气体的流动来传递热的方式，热对流是液体和气体所特有的热传递方式 热辐射热从高温物体向周围以电磁波的形式沿直线射出去的方式，热辐射不依赖媒介质，可在真空中进行，温差越大，表面颜色越深，物体向外的热辐射能力越强,一、热传递说明：两个温度不同的物体互相接触时温度高的物体要降温，温度低的物体要升温，并将持

16、续到系统间达到热平衡即温度相等为止。在这个过程中我们说，热量从高温物体传递到了低温物体，这个过程称之为热传递。问：热传递分别有哪几种方式？（热传导、热对流、热辐射）问：这三种方式如何区分？（热沿着物体传递的传递方式，不同物质传到热的能力各不相同，容易传到热的物体称之为热的良导体，所有金属都是热的良导体，不容易传导热的物体称之为热的不良导体，如空气、橡胶、绒毛、棉纱、木头、水、油等；热对流是靠液体或气体的流动来传递热的方式，热对流是液体和气体所特有的热传递方式，热辐射是热从高温物体向周围以电磁波的形式沿直线射出去的方式，热辐射不依赖媒介质，可在真空中进行，温差越大，表面颜色越深，物体向外的热辐射

17、能力越强）二、热和内能问：改变物体的内能有哪两种方式？（做功和热传递）问：在系统绝热过程中，内能和功之间有怎样的关系？（UW，即在系统和外界没有热交换的情况下，外界对系统所做的功等于系统内能的改变量）问：在外界对系统没有做功的情况下，内能和热量之间有什么样的关系呢？（UQ，即在外界对系统不做功的情况下，外界传递给系统的热量等于系统内能的改变量）问：热量有什么需要注意的地方？（内能是单纯的传热过程中系统内能变化的一个量度，是一个过程量，与功类似，我们知道功是一个过程量，不能讲某个时候物体具有多少功，而应该讲在某个过程中物体做了多少功。与此相类似，不能讲在某个时刻物体具有多少热量应该讲在热传递过程

18、中有多少热量从高温物体传递到了低温物体）问：做功和热传递对改变物体的内能有什么区别吗？（做功是内能和其他形式的能如机械能、电能等等发生转化；而热传递是不同物体或同一物体不同部分内能的转移）,热力学第一定律,一、热力学第一定律,1.一个物体，它既没有吸收热量也没有放出热量，那么： 如果外界做的功为，则它的内能如何变化？变化了多少？ 如果物体对外界做的功为，则它的内能如何变化？变化了多少？,2.一个物体，如果外界既没有对物体做功，物体也没有对外界做功，那么： 如果物体吸收热量，它的内能如何变化？变化了多少？ 如果放出热量，它的内能如何变化？变化了多少？,3.如果物体在跟外界同时发生做功和热传递的过

19、程中，内能的变化U与热量及做的功之间又有什么关系呢？,1.一个物体，如果它既没有吸收热量也没有放出热量，那么，外界对它做多少功，它的内能就增加多少；物体对外界做多少功，它的内能就减少多少. ,2.如果外界既没有对物体做功，物体也没有对外界做功，那么物体吸收了多少热量，它的内能就增加多少，物体放出了多少热量，它的内能就减少多少.,U = W + Q,该式表示的是内能的变化量跟功、热量的定量关系，在物理学中叫做热力学第一定律.,U 物体内能的增加量,W 外界对物体做的功,Q 物体吸收的热量,二、定律中各量的正、负号及含义,三、应用,例题：一定量的气体从外界吸收了2.6105J的热量，内能增加了4.

20、2 105J。 问：是气体对外界做了功，还是外界对气体做了功？做了多少焦耳的功？,解：根据U = W + Q 得W = U Q = 4.2 105J 2.6105J= 1.6105J W为正值，外界对气体做功，做了1.6105J 的功。,如果气体吸收的热量仍为2.6105J不变，但是内能只增加了1.6105J，这一过程做功情况怎样？,四、能量守恒定律,演示柴油机的工作过程,用热力学第一定律解释柴油机正常工作时压燃的原理,活塞压缩气体，活塞对气体做功，由于时间很短，散热可以不计，机械能转化为气体的内能，温度升高，达到柴油燃点，可“点燃”柴油。,能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式

21、转化为另一种形式，或者从一个物体转移到别的物体；在转化和转移过程中其总量不变，这就是能量守恒定律.,五、永动机不可能制成,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.（不吃草的马）,根据能量守恒定律，任何一部机器，只能使能量从一种形式转化为另一种形式，而不能无中生有地制造能量，因此第一类永动机是不可能制成的.,六、总结,1、热力学第一定律：,U = W + Q,2、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；在转化和转移过程中其总量不变，这就是能量守恒定律

22、.,一定量的气体吸收热量，体积膨胀并对外做功，则此过程的末态与初态相比， （ ） A气体内能一定增加 B气体内能一定减小 C气体内能一定不变 D气体内能是增是减不能确定,例题1、,D,下列说法正确的是（ ） A外界对气体做功，气体的内能一定增大 B气体从外界只收热量，气体的内能一定增大 C气体的温度越低，气体分子无规则运动的平均 动能越大 D气体的温度越高，气体分子无规则运动的平均 动能越大,例题2、,D,例题3、,下列说法正确的是 （ ） A外界对一物体做功，此物体的内能一定增加 B机械能完全转化成内能是不可能的 C将热量传给一个物体，此物体的内能一定改变 D一定量气体对外做功，气体的内能不

23、一定减少,D,例题4：,一定质量的理想气体，从某一状态开始，经过一系列变化后又回一开始的状态，用W1表示外界对气体做的功，W2表示气体对外界做的功，Q1表示气体吸收的热量，Q2表示气体放出的热量，则在整个过程中一定有（ ） AQ1Q2=W2W1BQ1=Q2 CW1=W2 DQ1Q2,点拨：整个过程的内能不变， E = 0,由热力学第一定律 E=W总+Q总=0,Q总= - W总, Q1Q2=W2W1,A,如图所示,密闭绝热的具有一定质量的活塞,活塞的上部封闭着气体,下部为真空,活塞与器壁的摩擦忽略不计,置于真空中的轻弹簧的一端固定于理想气体容器的底部.另一端固定在活塞上,弹簧被压缩后用绳扎紧,此

24、时弹簧的弹性势能为EP(弹簧处于自然长度时的弹性势能为零),现绳突然断开,弹簧推动活塞向上运动,经过多次往复运动后活塞静止,气体达到平衡态,经过此过程 （ ） A EP全部转换为气体的内能 B. EP一部分转换成活塞的重力势能,其余部分仍 为弹簧的弹性势能 C EP全部转换成活塞的重力势能和气体的内能 D EP一部分转换成活塞的重力势能,一部分转换 为气体的内能,其余部分仍为弹簧的弹性势能,例题5、,D,10.4热力学第二定律,第十章热力学定律 ,问题提出： 我们在初中学过，当物体温度升高时，就要吸收热量；当物体温度降低时，就要放出热量。而且热量公式Q = cmt，这里有一个有趣的问题：地球上

25、有大量的海水,它的总质量约为1.41018 t , 如果这些海水的温度降低0.1oC,将要放出多少焦耳的热量?海水的比热容为C=4.2103J/(kg),放出5.81023J的热量，这相当于1800万个核电站一年的发电量,热量从温度高的物体自发地传给温度低的物体,“自发地”，指的是没有任何外界的影响或帮助。,有没有可能发生这样地现象，热量自发地从低温物体传给高温物体，使低温物体的温度越来越低，高温物体的温度越来越高。,电冰箱内部的温度比外部低，为什么致冷系统还能够不断地把冰箱内的热量传给外界的空气？,这是因为电冰箱消耗了电能，对致冷系统做了功。一旦切断电源，电冰箱就不能把其内部的热量传给外界的

26、空气了。相反，外界的热量会自发地传给电冰箱，使其温度逐渐升高。,某种变化有自动发生的趋势，一旦发生就无需借助外力，可以自动进行，这种变化称为自发变化。,自发变化的共同特征不可逆性 任何自发变化的逆过程是不能自动进行的。,贮藏的食品,大气,电冰箱制冷系统,做功, 热量却不能自发地从低温物体传向高温物体, 要将热量从低温物体传向高温物体，必须有外界的影响和帮助，就是要有外界对其做功才能完成,热传导的方向性：两个温度不同的物体相互接触时，热量会自发地从高温物体传给低温物体；要实现相反过程，必须借助外界的帮助，因而产生其他影响或引起其他变化。,结论:热力学第二定律的一种表述:热量不能自发地从低温物体传

27、到高温物体。这是热力学第二定律的克劳修斯表述。,热力学第二定律的克劳修斯表述实质上就是：热传递过程是不可逆的。,（按照热传递的方向性来表述的）,一个在水平地面上的物体，由于克服摩擦力做功，最后要停下来。在这个过程中，物体的动能转化成为内能，使物体和地面的温度升高。,？,降温,我们能不能看到这样的现象：一个放在水平地面上的物体，靠降低温度，可以把内能自发地转化为动能，使这个物体运动起来,思考讨论下列问题：,1.前面我们学习了第一类永动机，不能制成的原因是什么？,（违背了能量守恒）,2.热机是一种把什么能转化成什么能的装置？,(热机是一种把内能转化成机械能的装置),3.热机的效率能否达到100%？

28、,(热机的效率不能达到100%),以内燃机为例，气缸中的气体得到燃烧时产生的热量为Q1，推动活塞做工W，然后排出废气，同时把热量Q2散发到大气中，,由能量守恒定律可知：Q1 = W + Q2,我们把热机做的功W和它从热源吸收的热量Q1的比值叫做热机的效率，用表示,=W / Q1,实际上热机不能把得到的全部内能转化为机械能，热机必须有热源和冷凝器，热机工作时，总要向冷凝器散热，不可避免的要由工作物质带走一部分热量Q2，所以有：Q1W,因此，热机的效率不可能达到100%，汽车上的汽油机械效率只有20%30%，蒸汽轮机的效率比较高，也只能达到60%，即使是理想热机，没有摩擦，也没有漏气等能量损失，它

29、也不可能把吸收的热量百分之百的转化成机械能，总要有一部分散发到冷凝器中。,热转换为功的过程也是不可逆的，具有方向性。,机械能和内能的转化过程具有方向性,机械能可以全部转化成内能，但内能却不能全部转化成机械能，同时不引起其他变化。,不可能从单一热源吸收热量，使之完全变成功,而不产生其他影响。,热力学第二定律的开尔文表述,（机械能与内能转化具有方向性）,第二类永动机：人们把想象中能够从单一热源吸收热量，全部用来做功而不引起其他变化的热机叫做第二类永动机。 第二类永动机不可能制成,定律的两种表述,两种表述是等价的 可以从一种表述导出另一种表述，两种表述都称为热力学第二定律 热力学第二定律的意义 1）

30、提示了有大量分子参与的宏观过程的方向性，是独立于热力学第一定律的一个重要自然规律 2）对生活实践的指导作用,热力学第二定律揭示了有大量分子参与的宏观过程的方向性。（自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性）。,不管如何表述，热力学第二定律的实质在于揭示了：一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的。,违背热力学第一定律的过程都不可能发生。,不违背热力学第一定律的过程不一定都可以发生。,自然过程是按一定方向进行的。,2、扩散现象有方向性,“气体向真空中绝热自由膨胀的过程是不可逆的”,3、能量转化有方向性,功 热：可自动进行 (如摩擦生热、焦耳实验),热 功：不可自动进行 (焦耳实验中，不可

31、能水温自动降低推动叶片而使重物升高),它们都不可能制成，第一类永动机的设想违反了能量守恒定律；第二类永动机的设想虽不违反能量守恒定律，但违背了跟热现象相联系的宏观过程具有方向性的自然规律。,第一类永动机和第二类永动机比较,热力学第一定律和热力学第二定律,热力学第一定律和热力学第二定律是构成热力学知识的理论基础，前者对自然过程没有任何限制，只指出在任何热力学过程中能量不会有任何增加或损失，反映的是物体内能的变化与热量、做功的定量关系；后者则是解决哪些过程可以自发地发生，哪些过程必须借助于外界条件才能进行。,例题分析：,例1根据热力学第二定律，下列判断正确的是 A. 电流的能不可能全部变为内能 B

32、在火力发电机中，燃气的内能不可能全部变为电能 C热机中，燃气内能不可能全部变为机械能 D在热传导中，热量不可能自发地从低温物体传递给高温度物体,解析根据热力学第二定律可知，凡与热现象有关的宏观过程都具有方向性，电流的能可全部变为内能(由电流热效应中的焦耳定律可知)，而内能不可能全部变成电流的能机械能可全部变为内能，而内能不可能全部变成机械能，在热传导中，热量只能自发地从高温物体传递给低温物体，而不能自发地从低温物体传递给高温物体，所以选项B、C、D正确,例2.如图所示文艺复兴时期意大利的达芬奇造了一个永动机装置。他设计时认为，右边的重球比左边的重球离轮心更远些，在两边不均衡的作用下会使轮子沿箭

33、头方向转动不息 ( ) A这是第一类永动机 B这是第二类永动机 C它不可能成功，因为违反能的转化及守恒定律 D它不可能成功，因为违反热力学第二定律,AC,例3.下列说法正确的是 ( ) A在自然条件下，热传递的过程是不可逆的 B热量不可能由高温物体传递给低温物体 C气体的扩散过程具有方向性 D一切形式能量转化都不具有方向性,AC,例4.下列说法中可行的是 ( ) 将地球上所有海水的温度降低0.1，以放出大量内能供人类使用 制造一种机器，把物体与地面摩擦所产生的热量全部收集起来再全部加以使用 建造一只可以从海洋中提取热量的船，把热量转化为机械能，驱动螺旋桨旋转 制造一种效率为100的热机 A.可

34、行 B可行 C可行 D都不可行,D,例5.根据热力学第二定律，可知下列说法中正确的是（ ） A不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其它变化 B没有冷凝器，只有单一的热源，能将从单一热源吸收的热量全部用来做功，而不引起其它的变化的热机是可实现的 C致冷系统能将冰箱里的热量传给外界较高温度的空气中而不引起其它变化 D不可能使热量由低温物体传递到高温物体，而不引起其他变化,AD,例6.关于第二类永动机，下列说法中正确的是 ( ) A它既不违反热力学第一定律，也不违反热力学第二定律 B它既违反了热力学第一定律，也违反了热力学第二定律 C它不违反热力学第一定律，只违反热力学第二定律 D它

35、只违反热力学第一定律，不违反热力学第二定律,C,10.5热力学第二定律的微观解释,第十章热力学定律 ,1.有序和无序,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。,无序意味着各处都一样，平均、没有差别，有序则相反。,有序和无序是相对的。,2.宏观态和微观态,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。,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

36、从有序到无序。,不可逆过程的统计性质（以气体自由膨胀为例）,下面从统计观点探讨过程的不可逆性微观意义，并由此深入认识第二定律的本质。,热力学第二定律的微观意义：一切自然过程总是沿着无序性增大的方向进行。,在热力学中，序：区分度。,对于一个热力学系统，如果处于非平衡态，我们认为它处于有序的状态，如果处于平衡态，我们认为它处于无序的状态。,一个被隔板分为A、B相等两部分的容器，装有4个涂以不同颜色分子。,3.热力学第二定律的统计意义,热力学第二定律的微观意义,开始时，4个分子都在A部，抽出隔板后分子将向B部扩散并在整个容器内无规则运动。隔板被抽出后，4分子在容器中可能的分布情形如下图所示：,微观态

37、共有24=16种可能的方式，而且4个分子全部退回到A部的可能性即几率为1/24=1/16。,一般来说，若有N个分子，则共2N种可能方式，而N个分子全部退回到A部的几率1/2N.对于真实理想气体系统N1023/mol，这些分子全部退回到A部的几率为 。此数值极小，意味着此事件永远不会发生。从任何实际操作的意义上说，不可能发生此类事件。,对单个分子或少量分子来说，它们扩散到B部的过程原则上是可逆的。,对大量分子组成的宏观系统来说，它们向B部自由膨胀的宏观过程实际上是不可逆的。这就是宏观过程的不可逆性在微观上的统计解释。,第二定律的统计表述（依然看前例）,4个分子在容器中的分布对应5种宏观态。,左边

38、一列的各种分布仅指出A、B两边各有几个分子，代表的是系统可能的宏观态。中间各列是详细的分布，具体指明了这个或那个分子各处于A或B哪一边，代表的是系统的任意一个微观态。,一种宏观态对应若干种微观态。,不同的宏观态对应的微观态数不同。,均匀分布对应的微观态数最多。 全部退回A边仅对应一种微观态。,统计物理基本假定等几率原理：对于孤立系，各种微观态出现的可能性（或几率）是相等的。,各种宏观态不是等几率的。那种宏观态包含的微观态数多，这种宏观态出现的可能性就大。,定义热力学几率：与同一宏观态相应的微观态数称为热力学几率。记为 。,在上例中，均匀分布这种宏观态，相应的微观态最多，热力学几率最大，实际观测

39、到的可能性或几率最大。,所以，实际观测到的总是均匀分布这种宏观态。即系统最后所达到的平衡态。,对于1023个分子组成的宏观系统来说，均匀分布这种宏观态的热力学几率与各种可能的宏观态的热力学几率的总和相比，此比值几乎或实际上为100%。,对整个宇宙不适用。,如布朗运动。,平衡态相应于一定宏观条件下 最大的状态。,热力学第二定律的统计表述：孤立系统内部所发生的过程总是从包含微观态数少的宏观态向包含微观态数多的宏观态过渡，从热力学几率小的状态向热力学几率大的状态过渡。,自然过程总是向着使系统热力学几率增大的方向进行。,4.热力学第二定律的适用范围,注意：微观状态数最大的平衡态状态是最混乱、最无序的状

40、态。,一切自然过程总是沿着无序性增大的方向进行。,1）适用于宏观过程对微观过程不适用，,2）孤立系统有限范围。,4.熵与熵增加原理,“熵”是什么？“熵”是德国物理学家克劳修斯在1850年创造的一个术语，他用熵来表示任何一种能量在空间分布的均匀程度。能量分布得越均匀，熵就越大。如果对于我们所考虑的那个系统来说，能量完全均匀地分布，那么这个系统的熵就达到最大值。,简单的说，“熵”就是微观粒子的无序程度、能量差别的消除程度。,在克劳修斯看来，在一个封闭的系统中，运动总是从有序到无序发展的。,比如，把一块冰糖放入水中，结果整杯水都甜了。这就是说，糖分子的运动扩展到了整杯水中，它们的运动变得更加无序了。

41、对于一个封闭的系统，能量差也总是倾向于消除的。比如，有水位差的两个水库，如果把它们连接起来，那么，重力就会使一个水库的水面降低，而使另一个水库的水面升高，直到两个水库的水面均等，势能取平为止。,克劳修斯总结说，自然界中的一个普遍规律是：运动总是从有序到无序，能量的差异总是倾向变成均等，也即“熵将随着时间而增大”。,熵和系统内能一样都是一个状态函数，仅由系统的状态决定。从分子运动论的观点来看，熵是分子热运动无序(混乱)程度的定量量度。,S=Kln,一个系统的熵是随着系统状态的变化而变化的。在自然过程中，系统的熵是增加的。,在绝热过程或孤立系统中，熵是增加的，叫做熵增加原理。对于其它情况，系统的熵

42、可能增加，也可能减小。,从微观的角度看，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，而熵值较大代表着较为无序，所以自发的宏观过程总是向无序程度更大的方向发展。,可爱的熵 物理学中有个熵定律，也就是著名的热力学第二定律。熵的增加表示宇宙物质的日益混乱和无序，是无效能量的总和。熵本身既不是好事，也不是坏事；它意味着腐败和混乱，但它同时也意味着生命本身的展开不论是有机的，还是无机的生命。卡农、乔治梅特勒的大爆炸学说也认为，宇宙是以有序的状态开始，不断地向无序状态发展，它与热力学第二定律是相符的。热力学第一定律说明能量是守恒的、不灭的，只能从一种形式转变到另一种形式；热

43、力学第二定律（熵定律）却表明：能量不可逆转地沿着一个方向转化，即从对人类来说是可利用的变为不可利用的状态。,有效能量告罄时，是“热寂”死寂的热平衡状态。有效物质耗尽时，是一片“物质混乱”整个宇宙的大混乱和大混沌。古罗马诗人贺拉斯说：“时间磨灭了世界的价值！”可谓一语道破了熵定律的真谛。物理学家们认为，熵定律是物质世界的最终定律，人类参与的每一项物质活动都受到热力学第一、第二定律的严密制约；但是，他们又认为熵定律只涉及物质世界，只控制时空的横向世界，人类的精神世界并不受熵定律的专制统治！所以，生命的现象是宇宙洪流中的一股逆流！人类精神的无限发展，是不可抗拒的熵增大长河中的一条逆流之舟！,1电冰箱

44、能够不断地把热量从温度较低的冰箱内部传给温度较高的外界空气，这说明了 A热量能自发地从低温物体传给高温物体 B在一定条件下，热量可以从低温物体传给高温物体 C热量的传导过程不具有方向性 D在自发地条件下热量的传导过程具有方向性,精与解 我们知道，一切自发过程都有方向性，如热传导，热量总是由高温物体传向低温物体；又如扩散，气体总是由密度大的地方向密度小的地方扩散。如果在外界帮助下气体可以由密度大的地方向密度小的地方扩散，热量可以从低温物体传向高温物体，电冰箱就是借助外力做功把热量从低温物体冷冻食品传向高温物体周围的大气。所以，在回答热力学过程的方向问题时，要区分是自发过程还是非自发过程，电冰箱内

45、热量传递的过程是有外界参与的。本题答案是A错B对C错D对。,BD,2.一个物体在粗糙的平面上滑动，最后停止。系统的熵如何变化？,解析：因为物体由于受到摩擦力而停止运动，其动能变为系统的内能，增加了系统分子无规则运动的程度，使得无规则运动加强，也就是系统的无序程度增加了，所以系统的熵增加。,3.下面关于熵的说法错误的是 A熵是物体内分子运动无序程度的量度 B在孤立系统中，一个自发的过程总是向熵减少的方向进行 C热力学第二定律的微观实质是熵是增加的，因此热力学第二定律又叫熵增加原理 D熵值越大，代表系统分子运动越无序,精与解 热力学第二定律提示：一切自然过程总是沿着分子热运动无序性增大的方向进行的

46、。例如，功转变为热是机械能或电能转变为内能的过程是大量分子的有序运动向无序运动转化，气缸内燃气推动活塞做功燃气分子作有序运动，排出气缸后作越来越无序的运动。 物理学中用熵来描述系统大量分子运动的无序性程度。热力学第二定律用熵可表述为：在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小，也就是说，一个孤立系统的熵总是从熵小的状态向熵大的状态发展。反映了一个孤立系统的自然过程会沿着分子热运动的无序性增大的方向进行。,B,4.关于有序和无序下列说法正确的是（ ） A有序和无序不是绝对的 B一个“宏观态”可能对应着许多的“微观态” C一个“宏观态”对应着唯一的“微观态” D无序意味着各处一样、平均、没有差别

47、,ABD,5.根据热力学第二定律判断，下列说法正确的是（ ） A内能可以自发的转变成机械能 B扩散的过程完全可逆的 C火力发电时，燃烧物质的内能不可以全部转化为电能 D热量不可能自发的从低温物体传递到高温物体,CD,6.倒一杯热水，然后加入适当的糖后，糖会全部溶于水中，但一段时间后又观察到杯底部有糖结晶，关于这个过程下列叙述正确的是（ ） A溶解过程是自发的，结晶过程也是自发的，因此热力学第二定律是错误的 B溶解过程是有序向无序转变的过程 C结晶过程是有序向无序转变的过程 D结晶过程不是自发的，因为有外界的影响,BD,7.下列说法正确的是 ( ) A如果大量分子的集合从A分布进入B分布的概率大

48、于从B分布进入A分布，则B分布更无序 B如果大量分子的集合从A分布进入B分布的概率大于从B分布进入A分布，则A分布更无序 C大量分子的集合能自发地从A分布进入B分布，则该过程是可逆的 D大量分子的集合能自发地从A分布进入B分布，则该过程是不可逆的,AD,10.6能源和可持续发展,第十章热力学定律 ,教学目标,知识与技能 1.理解能量耗散和品质降低的概念。2.理解能源的利用实际上是能量的转化和转移过程。3.了解常规能源的使用带来的环境污染。4.了解开发新能源的方法和意义。 过程与方法 从日常生活现象了解能源，了解常规能源的储量与人类需求的关系 情感、态度与价值观 知道能源和可持续发展的关系，培养

49、学生探究知识的欲望和学习兴趣 教学重点：理解能源的概念和能源的使用与环境污染的关系 教学难点：能源的开发和利用与环境的关系 教学方法：探究教学 教具：多媒体课件,能源的分类,物质 （物质运动）,能量,草、木材,煤、煤油、 蜡、汽油等,资源,空气,水,电流,存在于 自然界,为人类提供,化学能、 光能、热能,机械能,通过电动机,机械能,机械能,水平运动,燃烧,流动,自然界中存在的并能够提供能量的资源叫做能源,填空： （1）太阳是个巨大的 球体，直径为 的110倍，其中主要有 、 两种元素，太阳表面的温度可达 ，内部温度可达 。 （2）太阳不断向周围空间辐射能量， 太阳辐射包括包括 、 、 。 （3

50、）地球上的许多能源都直接或间 接来自 。,（1）太阳是个巨大的气态球体，直径为地球的110倍，其中主要有H、He两种元素，太阳表面的温度可达5500 ，内部温度可达2107 。（2）太阳不断向周围空间辐射能量， 太阳辐射包括包括可见光、不可见光、 各种微粒。 （3）地球上的许多能源都直接或间 接来自太阳辐射能。,阳光,科学家通过计算和测定发现，每分钟射到垂直于阳光的厘米2地球表面上的能量有8.16焦太阳常数。请你计算一下，每分钟射到地球上的能量是多少？地球上接受太阳辐射的总功率为多少？,抽象,S垂= r2 = 3.14 (6.37 108) 2 1.27 1018cm 2,?,P=W/t 8.16 1.27 101860 1.7 1017瓦,太 阳 辐 射 能,大气升温不均匀,形成风（空气动能）,使水循环,形成水流（水流能）,被绿色植物 微生物吸收,食物 煤 石油 天然气,（化学能）,直接利用太阳灶,使大地变热,被海水吸收,太阳辐射,地球上,各种能源,形成洋流（波浪能）,能源的分类,1、 从 来 源 上 分,来自地球以外天体,（主要是太阳辐射能）,煤、石油、天然气等,风能、水能,草木燃料,生物质能,沼气,地球本身蕴藏的能源：,