热力学的两大定律_热力学两大定律

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热力学的两大定律

一、热力学第一定律与能量守恒定律

能量守恒定律：能量既不会凭空产生，也不能凭空消失。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。

某一种形式的能是否守恒是有条件的，而能量守恒定律是无条件的，是一切自然现象都遵循的基本规律。

能量守恒定律的发现，使人们进一步认识到：任何一种机器，只能使能量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。而不能无中生有地创造能量，不消耗任何能量，却可以源源不断地对外做功的机器（第一类永动机）是不可能制成的。例1：约在1670年，英国塞斯特城的主教约翰·维尔金是设计了一种磁力“永动机”，如图所示，在斜面顶上放一块强有力的磁铁，斜面

上端有一小孔，斜面下有一连接小孔直至底端的弯

曲轨道。维尔金斯认为：如果在斜面底放一个小铁

球，那么由于磁铁的吸引，小铁球就会向上运动，当小铁球运动到小孔P处时，它就要掉下，再沿着斜面下的弯曲轨道返回斜面底端Q，由于有速度而

可以对外做功，然后又被磁铁吸引回到斜面上端，到小孔P处又掉下。

在以后的二百多年里，维尔金斯的永动机居然改头换面地出现过多次，其中一次是在1878年，即能量转化和守恒定律被确定20年后，而且竟在德国取得了专利权！请你分析一下，维尔金斯的“永动机”能实现吗？

解答：维尔金斯的“永动机”不可能实现，因为它违背了能量守恒定律。小球上升过程中，磁场力对小球做正功，使小球增加了机械能；但在小球下落时，同样也受到磁场力，而且磁场力做负功，这个负功与上升过程的正功相互抵消，可见，维尔金斯“永动机”不可能源源不断向外提供能源，所以，维尔金斯的“永动机”不可能实现。

热力学第一定律：在与热现象相关的物理过程中，能的转化和守恒定律的具体表达形式就是热力学第一定律——物体状态变化的过程中，内能的增量等于外界对物体做的功与外界传递给物体的热量之和，其数学表达式为UQW

应用热力学第一定律时必须掌握好它的符号法则：

（1）功W0，表示外界对系统做功；W0，表示系统对外界做功。

（2）热量Q0，表示物体吸热；Q0，表示物体放热。

（3）内能U0，表示内能增加；内能U0，表示内能减少。

例2：一定量的气体在某一过程中，外界对气体做了8×104 J的功，气体的内能减少了

1.2×105 J，这下列各式正确的是

A．W810 J，U1.210 J，Q410 J

B．W810 J，U1.210 J，Q210 J

C．W810 J，U1.210 J，Q210 J

D．W810 J，U1.210 J，Q410 J 4544554554

54解析：因为外界对气体做功，W取正值，即W810 J；内能减少，U取负值，即U1.210 J；根据UQW可知，54

QUW(1.21058104)J2105 J，即选项B正确。

例3：如图所示，容器A、B各有一个可自由移动的轻活塞，活塞下面是水，上面是大气，大气压恒定。A、B的底部由带有阀门K的管道相连。整个装置与外界绝热。最初A中水面比B中的高，打开K使A中的水逐渐向B中流，最后达

到平衡，在这个过程中

A．大气压力对水做功，水的内能增加

B．水克服大气压力做功，水的内能减少

C．大气压对水不做功，水的内能不变

D．大气压对水不做功，水的内能增加

解析：因为水的体积不变，故大气压力做的总功为零，但最后达到平衡后，水的重心降低，重力势能减少，而整个装置与外界绝热，根据热力学第一定律，水的内能将增加。选项D正确。

本题的表述，在表面上突出了大气压力做功，殊不知大气压力做的总功为零，而真正起关键作用的因素即重力对水做功却隐匿起来，要求学生经过独立分析去发现这一因素。

二、热力学第二定律的两种常见表述

按热传导的方向性表述：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。

按内能与机械能变化过程的方向性表述：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。即第二类永动机是不可能制成的。

热力学第二定律的两种表述方式，都说明了与热现象有关的物理过程进行的方向，两种表述是一致的，可以证明若违反了其中一种表述，必然违反另一种表述。

如何理解热力学第二定律是一个难点，如有的同学将热力学第二定律片面理解为“不可能使热量由低温物体传递到高温物体”事实上，这样的过程是可能发生的，如电冰箱冷冻室内的温度已经比房间的温度低，但还可以从冷冻室中吸收热量释放到房间中去，不过此过程是不能自发地进行的，代价是要消耗电能，即“引起了其他变化”，希望同学们不要忘了这后半句。而相反的过程是可以自发的进行的——让热量从高温物体传递到低温物体。

例4：下列关于能量转化的说法中，正确的是

A．机械能可以转化为内能，但内能不能转化为机械能

B．机械能可以转化为内能，内能也能转化为机械能

C．机械能不可以转化为内能，但内能可以转化为机械能

D．机械能可以全部转化为内能，但内能不能全部转化为机械能，同时不引起其他变化 答案：BD

三、热力学第一定律与热力学第二定律的区别与联系

热力学第一定律，是跟热现象有关的物理过程中能量守恒定律的特殊表达形式，它说明了功、热量和内能改变之间的定量关系。热力学第二定律指出了符合能量转化与守恒的过程能否实现的条件和过程进行的方向，它说明一切与热现象有关的实际宏观过程是不可逆的。热力学第一定律和热力学第二定律从不同角度揭示了与热现象有关的物理过程所遵循的规律，二者相互独立，又相互补充，都是热力学的理论基础。

A B

例5：下列说法正确的是

A．一切涉及热现象的宏观过程都具有方向性

B．一切不违反能量守恒与转化定律的物理过程都是可以实现的C．由热力学第二定律可以判断物理过程能否自发进行

D．一切物理过程都不可能自发的进行

答案：AC

附：热力学的另两大定律

热力学第零定律：若两个热力学系统中的任何一个系统都和第三个热力学系统处于热平衡状态，那么，这两个热力学系统也必定处于热平衡。这一结论称做“热力学第零定律”。热力学第零定律的重要性在于它绘出了温度的定义和温度的测量方法。定律中所说的热力学系统是指由大量分子、原子组成的物体或物体系。它为建立温度概念提供了实验基础。这个定律反映出：处在同一热平衡状态的所有的热力学系统都具有一个共同的宏观特征，这一特征是由这些互为热平衡系统的状态所决定的一个数值相等的状态函数，这个状态函数被定义为温度。而温度相等是热平衡之必要的条件。因此，这一基本物理量实质是反映了系统的某种性质。

热力学第三定律：此定律指出，设想通过几个有限的步骤使物体冷却到绝对零度，是不可能的。这一表述是能斯脱于1912年根据对低温现象的研究得出能斯脱定理的推论。

四、能量耗散与未来能源

自然界的总能量虽然是守恒的，但根据热力学第二定律，我们无法把流散在周围的内能重新收集起来加以应用，这种现象叫能量耗散。能量耗散说明自然界的能量转化具有方向性，并提醒人们要警惕能源危机。

我们现今可供利用的能源主要是煤、石油、天然气等常规能源，但由于常规能源的储量有限，加之使用时带来的环境问题。这就迫使我们开发水流能、风能、太阳能、核能等新能源。而核裂变能也仅能供人们使用几百年。因此可以预见几百年后的未来能源，将以核聚变能为主，水流能、风能、太阳能为辅。这样可控热核反应的研究就具有非常重要的意义，而一旦取得突破，海水中丰富的氘就成为“取之不尽、用之不竭”的能源（一升海水中含有0.03克氘，其完全聚变所放出的能量相当于燃烧300升汽油）。

例6：乌鲁木齐市达板城地区风力发电网每台风力发电机4张叶片总共的有效迎风面积为Ｓ，空气密度为ρ、平均风速为v，设风力发电机的效率（风的动能转化为电能的百分比）为η.则每台风力发电机的平均功率P=____________。

解析：t时间内冲击叶片的空气的体积为Svt，质量为Svt，动能为

Ek111mv2Svtv2Sv3t 222

依题意PtEk，解得P

Sv32