1、第十章熱力學定律10.1功和內能1.焦耳的實驗(1) 兩個具有代表性的實驗：重物下落帶動葉片攪拌容器中的水，引起水溫上升。 正在降落的重物使發電機發電，通過電流的熱效應給水加熱。(2)實驗結論：在各種不同的絕熱過程中，如果使系統從狀態1變為狀態2，所需外界做功的數量是相同的。也就是說，要使系統狀態通過絕熱過程發生變化，做功的數量只由過程始末兩個狀態1、2決定，而與做功的方式無關。(3)絕熱過程：系統只由于外界對它做功而與外界交換能量，它不從外界吸熱，也不向外界放熱，這樣的過程叫做絕熱過程。2. 內能(1) 定義：任何一個熱力學系統都必定存在一個只依賴于系統自身狀態的物理量，這個物理量在兩個狀態

2、間的差別與外界在絕熱過程中對系統所做的功相聯系。鑒于功是能量變化的量度，所以這個物理量必定是系統的一種能量，我們把它稱為系統的內能。(2) 定義式：當系統從狀態1經過絕熱過程達到狀態2時，內能的增加量AU=U2U就等于外界對系統所做的功W,即AU=W 當外界對系統做功，系統的內能增加，在絕熱過程中，內能的增量就等于外界對系統做的功。 當系統對外界做功，系統的內能減少。在絕熱過程中，系統對外界做多少功，內能就減少多少。(3) 內能微觀定義：系統中所有分子熱運動的動能和分子間的相互作用勢能的總和叫做系統的內能。系統的內能是由它的狀態決定的。10.2熱和內能1. 熱傳遞(1) 定義：兩個溫度不同的物

3、體相互接觸時溫度高的物體要降溫，溫度低的物體要升溫，我們說，熱量從高溫物體傳到了低溫物體。這樣的過程叫做熱傳遞。(2)熱傳遞有三種方式：熱傳導、熱對流和熱輻射，如圖所示。(3)熱傳遞的條件：兩個物體存在溫度差2. 熱和內能(1) 在外界對系統沒有做功的情況下，熱量是在單純的傳熱過程中系統內能變化的量度。吸收熱量內能增加，放出熱量內能減少。當系統從狀態1經過單純的傳熱達到狀態2,內能的增量AU=U2U就等于外界向系統傳遞的熱量Q,即AU=Q(2) 熱量的概念也只有在涉及能量的傳遞時才有意義。所以不能說物體具有多熱驚少熱量，只能說物體吸收或放出了多少熱量。(3) 做功與熱傳遞區別：做功時內能與其他

4、形式的能，如內能與機械能、內能與電能等發生轉化，而熱傳遞只是不同物體(或一個物體的不同部分)之間內能的轉移。4)改變物體的內能的方式有做功和熱傳遞，它們在改變物體內能上是等效的。10.3熱力學第一定律能量守恒定律1. 熱力學第一定律(1) 內容：一個熱力學系統的內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。這個關系叫做熱力學第一定律。(2) 其數學表達式為：AU=W+Q3)與熱力學第一定律相匹配的符號法則做功w熱量Q內能的改變AU取正值“+”外界對系統做功系統從外界吸收熱量系統的內能增加取負值“一”系統對外界做功系統向外界放出熱量系統的內能減少 熱力學第一定律說明了做功和熱傳遞是系統內

5、能改變的量度，沒有做功和熱傳遞就不可能實現能量的轉化或轉移，同時也進一步揭示了能量守恒定律。 應用熱力學第一定律解題的一般步驟：I根據符號法則寫出各已知量(w、Q、AU)的正、負；II根據方程AU=W+Q求出未知量；III再根據未知量結果的正、負來確定吸熱、放熱情況或做功情況。2. 能量守恒定律(1)能量既不會憑空產生，也不會憑空消失，它只能從一種形式轉化為另一種形式，或者從一個物體轉移到別的物體，在轉化或轉移的過程中，能量的總量不變。這就是能量守恒定律。(2) 各種形式的能都可以相互轉化。在所有這些轉化過程中，能量都是守恒的。3)熱力學第一定律實際上就是內能與其他能發生轉化時的能量守恒定律。

6、3. 第一類永動機(1) 不需要任何動力或燃料，卻能不斷地對外做功，史稱第一類永動機。(2) 任何機器運動時只能將能量從一種形式轉化為另一種形式，而不可能無中生有地創造能量，即第一類永動機的思想違背了能量守恒定律，所以是不可能制成的。10.4熱力學第二定律1. 可逆與不可逆過程(1) 熱傳導的方向性熱傳導的過程可以自發地由高溫物體向低溫物體進行，但相反方向卻不能自發地進行，即熱傳導具有方向性，是一個不可逆過程。熱量Q能自發傳給.高溫物體低溫物體熱量Q不能自發傳給(2) 說明： “自發地”過程就是在不受外來干擾的條件下進行的自然過程。 熱量可以自發地從高溫物體傳向低溫物體，熱量卻不能自發地從低溫

7、物體傳向高溫物體。 要將熱量從低溫物體傳向高溫物體，必須有“外界的影響或幫助”就是要由外界對其做功才能完成。電冰箱、空調就是例子。2. 熱力學第二定律的兩種表述 克勞修斯表述：熱量不能自發地從低溫物體傳遞到高溫物體。 開爾文表述：不可能從單一熱庫吸收熱量，使之完全變成功，而不產生其他影響。3. 熱機(1) 熱機是把內能轉化為機械能的裝置。其原理是熱機從熱源吸收熱量,推動活塞做功W,然后向冷凝器釋放熱量Q2。由能量守恒定律可得：Q1=w+Q2W(2) 熱機效率：我們把熱機做的功和它從熱源吸收的熱量的比值叫做熱機效率，用n表示，即n=4. 第二類永動機(1)設想：只從單一熱源吸收熱量，使之完全變為

8、有用的功而不引起其他變化的熱機。(2) 第二類永動機不可能制成，因為盡管機械能可以全部轉化為內能，但內能卻不能全部轉化成機械能而不引起其他變化；機械能和內能的轉化過程具有方向性。第二類永動機違背熱力學第二定律10.5熱力學第二定律的微觀解釋1.有序和無序(1)有序：只要確定了某種規則，符合這個規則的就叫做有序。無序：不符合某種確定規則的稱為無序。(2)有序和無序是相對的。2.宏觀態和微觀態(1)宏觀態：符合某種規定、規則的狀態，叫做熱力學系統的宏觀態。微觀態：在宏觀狀態下，符合另外的規定、規則的狀態叫做這個宏觀態的微觀態。(2)系統的宏觀態所對應的微觀態的多少表現為宏觀態無序程度的大小。如果一

9、個“宏觀態”對應的“微觀態”比較多，就說這個“宏觀態”是比較無序的，同時也決定了宏觀過程的方向性從有序到無序。(3) 自發的過程總是傾向于出現與較多微觀態對應的宏觀態，因此自發的過程總是從有序向著無序發展的。3. 熱力學第二定律的微觀意義一切自發過程總是沿著分子熱運動的無序性增大的方向進行。4.熵(1)系統的宏觀狀態所對應的微觀態的多少表現為宏觀態的無序程度，同時也決定了宏觀過程的方向性。分析的結果歸納在以下表中。宏觀態的名稱對應微觀態的個數人們對宏觀態的描述過程自發進行的方向甲較少比較有序甲一乙乙較多比較無序(2) 一個宏觀狀態對應的微觀狀態標志著這個宏觀態的無序程度。物理學中用字母Q表示一

10、個宏觀狀態所對應的微觀狀態的數目。(3) 熵：一個與微觀態數目Q相關的物理量，叫做熵，用字母S表示。玻耳茲曼在1877年提出了熵與微觀態的數目Q的關系，即SZnQ，后來普朗克把它寫成了等式S=klnQ式中k叫做玻耳茲曼常量。(4) 既然微觀態的數目Q是分子運動無序性的一種量度，由于Q越大，熵S也越大，那么熵S自然也是系統內分子運動無序性的量度。(5) 用熵的概念表示的熱力學第二定律：在任何自然過程中，一個孤立系統的總熵不會減小。因此，熱力學第二定律又叫做熵增加原理。(6) 由熵的定義可知，熵較大的宏觀狀態就是無序程度較大的宏觀狀態，也就是出現概率較大的宏觀狀態。在自然過程中熵總是增加的，其原因

11、并非因為有序是不可能的，而是因為通向無序的渠道要比通向有序的渠道多得多。(7) 熱力學第二定律是一個統計規律：一個孤立的系統總是從熵小的狀態向熵大的狀態發展，而熵值較大代表著較為無序，所以自發的宏觀過程總是向無序度更大的方向發展。5. 熱力學第三定律：不可能通過有限的過程把一個物體冷卻到絕對零度。10.6能源和可持續發展1.能量耗散和品質降低(1)能量在數量上雖然守恒，但其轉移和轉化卻具有方向性。(2)在取暖照明、耕田犁地、車鉆磨鍛、開車駕船各種各樣的活動中，機械能、電能、光能、聲能、化學能、核能、生物能最終都轉化成內能，流散到周圍的環境中。機械能、電能、化學能都是集中度較高因而也是有序度較高

12、的能量，當它們變為環境的內能后，就成為更加分散因而也是無序度更大的能量。分散在環境中的內能不管數量多么巨大，它也不過能使地球、大氣稍稍變暖一點，卻再也不能驅動機器做功了。這樣的轉化過程叫做“能量耗散”。各種形式的能量向內能的轉化，是無序程度較小的狀態向無序程度較大的狀態的轉化，是能夠自動發生、全額發生的。然而，反過來的轉化總是不自發的。（3）熱機中的確進行著內能向機械能的轉化，但我們由熱力學第二定律知道，這種轉化是有條件的，即環境中必須存在著溫度差，而且內能不能全額轉化為機械能。因此，從可被利用的價值來看，內能較之機械能、電能等，是一種低品質的能量。由此可知，能量耗散雖然不會使能的總量減少，卻

13、會導致能量品質的降低，它實際上將能量從高度有用的形式降級為不大可用的形式。煤、石油、天然氣等能源儲存著高品質的能量，在利用它們的時候，高品質的能量釋放出來并最終轉化為低品質的內能。2.能源與環境（1）全球氣候變暖：石油和煤炭的燃燒增加了大氣中二氧化碳的含量。（2）酸雨：煤炭和石油中常常含有硫，燃燒時形成的二氧化硫等物質使雨水的酸度升高，形成“酸雨”（3）光化學煙霧：內燃機工作時的高溫使空氣中和燃料中的多種物質發生化學反應，產生氮氧化物和碳氫化合物。這些化合物在大氣中受到紫外線的照射，產生二次污染物質光化學煙霧。這些物質有毒，能引起人的多種疾病。燃燒時產生的浮塵也是重要的污染物。（4）可持續發展的核心：追求發展與資源、環境的平衡：既滿足當代人的需求，又不損害子孫后代的需求。最重要的兩個方面