高中熱力學(xué)定律

1、 熱力學(xué)定律熱力學(xué)定律 1.功和內(nèi)能功和內(nèi)能焦耳的實(shí)驗(yàn)焦耳的實(shí)驗(yàn) 使系統(tǒng)的熱力學(xué)狀態(tài)發(fā)生變化的使系統(tǒng)的熱力學(xué)狀態(tài)發(fā)生變化的兩個途徑是兩個途徑是做功和傳熱做功和傳熱. 與外界沒有熱交換的過程叫做與外界沒有熱交換的過程叫做絕絕熱過程熱過程. 焦耳的實(shí)驗(yàn)說明焦耳的實(shí)驗(yàn)說明 : 使系統(tǒng)狀態(tài)通過使系統(tǒng)狀態(tài)通過絕熱過程發(fā)生變化時絕熱過程發(fā)生變化時,做功的數(shù)量只由過做功的數(shù)量只由過程的始末狀態(tài)決定程的始末狀態(tài)決定,而與做功的方式無關(guān)而與做功的方式無關(guān). 內(nèi)能內(nèi)能 功是能的變化的量度功是能的變化的量度. 任何熱力學(xué)系統(tǒng)都存在一個只依賴任何熱力學(xué)系統(tǒng)都存在一個只依賴于系統(tǒng)自身狀態(tài)的物理量于系統(tǒng)自身狀態(tài)的物理量內(nèi)

2、能內(nèi)能. 內(nèi)能在兩個狀態(tài)間的改變內(nèi)能在兩個狀態(tài)間的改變差值差值等等于外界在絕熱過程中對系統(tǒng)所做的功，即于外界在絕熱過程中對系統(tǒng)所做的功，即U=W 做功過程與內(nèi)能的關(guān)系做功過程與內(nèi)能的關(guān)系. 2.熱和內(nèi)能熱和內(nèi)能 熱傳遞熱傳遞 沒有做功而使物體內(nèi)能改變的物理過程沒有做功而使物體內(nèi)能改變的物理過程叫做叫做熱傳遞熱傳遞. 熱傳遞發(fā)生的條件熱傳遞發(fā)生的條件 : T0;熱傳遞過程中熱傳遞過程中,熱量從高溫物體傳遞到低溫物體熱量從高溫物體傳遞到低溫物體. 熱傳遞的三種方式熱傳遞的三種方式 : 傳導(dǎo)傳導(dǎo) 對流對流 輻射輻射 熱和內(nèi)能熱和內(nèi)能 熱量熱量是在單純傳熱過程中是在單純傳熱過程中系統(tǒng)內(nèi)能變系統(tǒng)內(nèi)能變化

3、的量度化的量度. 內(nèi)能在兩個狀態(tài)間的改變內(nèi)能在兩個狀態(tài)間的改變差值差值等等于外界向系統(tǒng)傳遞的熱量，于外界向系統(tǒng)傳遞的熱量，即即U=Q熱傳熱傳遞過程與內(nèi)能的關(guān)系遞過程與內(nèi)能的關(guān)系. 熱量的概念只在涉及能量的傳遞時才熱量的概念只在涉及能量的傳遞時才有意義有意義 : 不能說物體具有多少熱量不能說物體具有多少熱量,只能說只能說物體吸收或放出了多少熱量物體吸收或放出了多少熱量. 做功和熱傳遞做功和熱傳遞 做功和熱傳遞對改變系統(tǒng)內(nèi)能是等效的做功和熱傳遞對改變系統(tǒng)內(nèi)能是等效的 做功和熱傳遞的重要區(qū)別做功和熱傳遞的重要區(qū)別 : 做做 功功內(nèi)能與其他形式能之間的內(nèi)能與其他形式能之間的轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)化; 熱傳遞熱傳遞內(nèi)能

4、在物體之間或物體不同部分內(nèi)能在物體之間或物體不同部分 之間的之間的轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)移. 3.熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律 能量守恒定律能量守恒定律 熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律 單純對系統(tǒng)做功單純對系統(tǒng)做功 : U=W, 單純對系統(tǒng)傳熱單純對系統(tǒng)傳熱 : U=Q; 一般情況下一般情況下,物體與外界同時發(fā)生做功和物體與外界同時發(fā)生做功和熱傳遞熱傳遞,則則U=Q+W. 熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律 : 一個熱力學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)一個熱力學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)能增量等于外界向它傳遞的熱量與外界對它能增量等于外界向它傳遞的熱量與外界對它所做的功的和所做的功的和. 公式公式U=Q+W表示內(nèi)能改變與熱量、功表示內(nèi)能改變與熱量、功之之

5、間的關(guān)系間的關(guān)系,是熱力學(xué)第一定律的數(shù)學(xué)形是熱力學(xué)第一定律的數(shù)學(xué)形式式,注意注意 物體吸熱物體吸熱Q0 物體放熱物體放熱Q0 物體對外界做功物體對外界做功W0 物體內(nèi)能減少物體內(nèi)能減少UW, . 1 由此由此,熱力學(xué)第二定律又可以表述如下熱力學(xué)第二定律又可以表述如下 不可能從單一熱庫吸收熱量不可能從單一熱庫吸收熱量,使之完全用使之完全用于做功于做功,而不產(chǎn)生其他影響而不產(chǎn)生其他影響. 開爾文表述闡述的是機(jī)械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化開爾文表述闡述的是機(jī)械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化的方向性的方向性 : 機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,內(nèi)內(nèi)能卻無法全部用于做功而轉(zhuǎn)化成機(jī)械能能卻無法全部用于做功而轉(zhuǎn)化成機(jī)械能

6、. 熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述和開熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述和開爾文表述是等價的爾文表述是等價的.兩種表述可以互相推導(dǎo)兩種表述可以互相推導(dǎo). 自然界中進(jìn)行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程自然界中進(jìn)行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性都具有方向性,定律揭示了有大量分子參與定律揭示了有大量分子參與的宏觀過程的方向性的宏觀過程的方向性 : 一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的實(shí)際宏觀過程都是不可逆的實(shí)際宏觀過程都是不可逆的.這種不可逆性這種不可逆性都是互相關(guān)聯(lián)的都是互相關(guān)聯(lián)的,由一種過程的不可逆性可由一種過程的不可逆性可以通過推理得知另一種過程的不可逆性以通過推理得知另一種過程的不可逆性.由由此此,對任何

7、一類宏觀過程進(jìn)行的方向的說明對任何一類宏觀過程進(jìn)行的方向的說明,都可以作為熱力學(xué)第二定律的表述都可以作為熱力學(xué)第二定律的表述.第二類永動機(jī)不可能制成第二類永動機(jī)不可能制成 能從單一熱源吸收熱量能從單一熱源吸收熱量,使之完全變使之完全變?yōu)橛杏玫墓Χ划a(chǎn)生其他影響的熱機(jī)叫為有用的功而不產(chǎn)生其他影響的熱機(jī)叫做做第二類永動機(jī)第二類永動機(jī). 第二類永動機(jī)雖然不違反熱力學(xué)第一第二類永動機(jī)雖然不違反熱力學(xué)第一定律定律,但是違反了熱力學(xué)第二定律但是違反了熱力學(xué)第二定律,所以是所以是不可能制成的不可能制成的.5.熱力學(xué)第二定律的微觀解釋熱力學(xué)第二定律的微觀解釋 熱力學(xué)第二定律的微觀解釋熱力學(xué)第二定律的微觀解釋

8、一切自然過程總是沿著一切自然過程總是沿著分子熱運(yùn)動的無序性增大分子熱運(yùn)動的無序性增大的方向進(jìn)行的方向進(jìn)行. 熵熵 系統(tǒng)宏觀態(tài)所對應(yīng)的微觀態(tài)的多少表征了系系統(tǒng)宏觀態(tài)所對應(yīng)的微觀態(tài)的多少表征了系統(tǒng)宏觀態(tài)的無序程度統(tǒng)宏觀態(tài)的無序程度,該無序程度決定著宏觀過程該無序程度決定著宏觀過程的演變方向的演變方向. 若用若用表示系統(tǒng)一個宏觀態(tài)所對應(yīng)的微觀態(tài)表示系統(tǒng)一個宏觀態(tài)所對應(yīng)的微觀態(tài)的數(shù)目的數(shù)目,則則就是該系統(tǒng)分子運(yùn)動無序性的量度就是該系統(tǒng)分子運(yùn)動無序性的量度.用用S表示熵表示熵,定義定義 S=kln 式中式中k是玻爾茲曼常數(shù)是玻爾茲曼常數(shù). 熵熵S也是系統(tǒng)分子運(yùn)動無序性的量度也是系統(tǒng)分子運(yùn)動無序性的量度.

9、熵較大的熵較大的宏觀態(tài)就是無序程度較大的宏觀態(tài)宏觀態(tài)就是無序程度較大的宏觀態(tài). 熱力學(xué)第二定律的熵表述熱力學(xué)第二定律的熵表述 在任何自然過程中在任何自然過程中,一個孤立系統(tǒng)的熵永一個孤立系統(tǒng)的熵永不減少不減少. 由此由此,熱力學(xué)第二定律又稱為熱力學(xué)第二定律又稱為熵增加原理熵增加原理. 系統(tǒng)有序的可能是存在著的系統(tǒng)有序的可能是存在著的,只是因?yàn)橹皇且驗(yàn)橥ㄏ驘o序的渠道比通向有序的渠道多得多通向無序的渠道比通向有序的渠道多得多,所所以無序程度較大的宏觀態(tài)即熵較大的宏觀態(tài)以無序程度較大的宏觀態(tài)即熵較大的宏觀態(tài)出現(xiàn)的幾率就較大出現(xiàn)的幾率就較大. 一個孤立系統(tǒng)總是從熵小的狀態(tài)向一個孤立系統(tǒng)總是從熵小的狀態(tài)

10、向熵大的狀態(tài)演變熵大的狀態(tài)演變,而熵值較大意味著較為而熵值較大意味著較為無序無序,所以自發(fā)的宏觀過程總是向著無序所以自發(fā)的宏觀過程總是向著無序程度更大的方向演變程度更大的方向演變.熱力學(xué)第三定律熱力學(xué)第三定律 不可能通過有限的過程把一個物體冷卻不可能通過有限的過程把一個物體冷卻到絕對零度到絕對零度. 或或 絕對零度不可能達(dá)到絕對零度不可能達(dá)到6.能源和可持續(xù)發(fā)展能源和可持續(xù)發(fā)展 能量耗散和品質(zhì)降低能量耗散和品質(zhì)降低 沒有辦法把流散到周圍環(huán)境的內(nèi)能重沒有辦法把流散到周圍環(huán)境的內(nèi)能重新收集起來加以利用新收集起來加以利用,這種現(xiàn)象叫做這種現(xiàn)象叫做能量的能量的耗散耗散. 機(jī)械能、電能、化學(xué)能等都是集中度較機(jī)械能、電能、化學(xué)能等都是集中度較高并且有序度較高的能量高并且有序度較高的能量,它們變?yōu)閮?nèi)能后它們變?yōu)閮?nèi)能后,就成為更加分散并且無序度更大的能量就成為更加分散并且無序度更大的能量. 各種形式的能量向內(nèi)能的轉(zhuǎn)化各種形式的能量向內(nèi)能的轉(zhuǎn)化,是無序程是無序程度較小的狀態(tài)向無序程度較大的狀態(tài)的轉(zhuǎn)化度較小的狀態(tài)向無序程度較大的狀態(tài)的轉(zhuǎn)化,這一轉(zhuǎn)化能自動地、全額地發(fā)生這一轉(zhuǎn)化能自動地、全額地發(fā)生. 從可被利用的價值來看從可被利用的價值來看,內(nèi)能較之內(nèi)能較之機(jī)械能、電能等機(jī)