1、physic热力学定律热力学定律 能量守恒定律参考答案能量守恒定律参考答案1.(1)机械能转化为电能机械能转化为电能 (2)化学能转化为机械能化学能转化为机械能 (3)光能转化为化学能光能转化为化学能 (4)化学能转化为内能化学能转化为内能 2.CD3.AB 4.B 5.D 6.B 7.A 8.BD 9.ABD 10.1030J11.都是放热，第二次放热较多。都是放热，第二次放热较多。U 相同，因为相同，因为p一定，一定，T降低时，降低时，V减小，外界对气体做功，由减小，外界对气体做功，由 U=W+Q可可知，第二次放热较多知，第二次放热较多 12.B 13.增加、吸收增加、吸收 14.C 4.
2、热力学第二定律热力学第二定律 physic问题问题热力学第一定律告诉我们：热力学第一定律告诉我们：在一切热力学过程中能量必须守恒。在一切热力学过程中能量必须守恒。满足能量守恒的过程是否都能实现呢？满足能量守恒的过程是否都能实现呢？physic思考与讨论：思考与讨论：P58一一.自然过程的方向自然过程的方向结论：无数事实告诉我们：凡是实际的过结论：无数事实告诉我们：凡是实际的过程，只要涉及热现象，如热传递、气体的程，只要涉及热现象，如热传递、气体的膨胀、扩散、有摩擦的机械运动膨胀、扩散、有摩擦的机械运动都有都有特定方向。也就是说，一切与热现象有关特定方向。也就是说，一切与热现象有关的宏观自然过程
3、都是不可逆的。的宏观自然过程都是不可逆的。physic二二.热力学第二定律热力学第二定律physic 电冰箱的内部温电冰箱的内部温度比外部温度低，为度比外部温度低，为什么致冷系统还能不什么致冷系统还能不断地把箱内热量传给断地把箱内热量传给外界的空气？外界的空气？电冰箱工作时违反热力学第二定律吗？电冰箱工作时违反热力学第二定律吗？physic 因为电冰箱消耗了电因为电冰箱消耗了电能，对制冷系统做了功，能，对制冷系统做了功，一旦切断电源，电冰箱一旦切断电源，电冰箱就不能把其内部的热量就不能把其内部的热量传给外界的空气了相传给外界的空气了相反，外界的热量会自发反，外界的热量会自发地传给电冰箱，使其温
4、地传给电冰箱，使其温度逐渐升高度逐渐升高 贮藏的贮藏的食品食品大气大气电冰箱制电冰箱制冷系统冷系统physicv physic热机：是一种把热机：是一种把内能内能转化为转化为机械能机械能的装置。的装置。(汽油机、柴油机、汽油机、柴油机、蒸汽轮机、喷气发动机等）蒸汽轮机、喷气发动机等）原理：燃料燃烧产生热量原理：燃料燃烧产生热量 Q1（高温热源）高温热源）燃料中化学能燃料中化学能 转化为工作物质的内能。转化为工作物质的内能。推动活塞对外做功推动活塞对外做功 W工作物质内能变成机械能工作物质内能变成机械能排出废气向外界（低温热源）放热排出废气向外界（低温热源）放热 Q2机械能与内能转化的方向性的进
5、一步讨论机械能与内能转化的方向性的进一步讨论热机能流图热机能流图燃料产生燃料产生的热量的热量Q输出机输出机械功械功W漏气热损漏气热损散热热损散热热损摩擦热损摩擦热损physic效率：由能量守恒定律知道效率：由能量守恒定律知道 Q1=W+Q2 热机的效率热机的效率1QW 高温热库高温热库低温热库低温热库Q1Q2对外做功对外做功热机热机W热机的效率小于热机的效率小于100%，就不可能，就不可能把从高温热源吸把从高温热源吸收的热量全部转收的热量全部转化为机械能，总化为机械能，总有一部分热量散有一部分热量散发到冷凝器或大发到冷凝器或大气中。气中。机械能与内能转化的方向性的进一步讨论机械能与内能转化的方
6、向性的进一步讨论热机工作时的能流分配热机工作时的能流分配physic二二.热力学第二定律热力学第二定律揭示机械能与内能转化方向性揭示机械能与内能转化方向性机械能机械能可以全部转化为内能，而内能无法全部用可以全部转化为内能，而内能无法全部用来做功以转换成机械能来做功以转换成机械能physicv1.两种表述是等价的两种表述是等价的 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称为热力学第二定律v2.对任何一类宏观过程进行方向的说明，都可对任何一类宏观过程进行方向的说明，都可以作为热力学第二定律的表述。以作为热力学第二定律的表述。v3.热力学第二
7、定律的意义热力学第二定律的意义 提示了有大量分子参与的宏观过程的方向性，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是独立于热力学第一定律的一个重要自然规律律对热力学第二定律的理解对热力学第二定律的理解physic第二类永动机第二类永动机v任何物体都具有内能，在地球上贮存量十分任何物体都具有内能，在地球上贮存量十分丰富的海水总质量约达丰富的海水总质量约达1.41018吨，它的温度吨，它的温度只要降低只要降低1，就能释放相当于，就能释放相当于1800万个功率万个功率为为100万千瓦的核电站一年的发电量，足够全万千瓦的核电站一年的发电量，足够全世界使用世界使用40
8、00年。而人类都不能利用这种年。而人类都不能利用这种“新新能源能源”，其原因是什么？，其原因是什么？v是因为涉及物理学的一个基本定律是因为涉及物理学的一个基本定律热力热力学第二定律学第二定律physic第二类永动机第二类永动机v1.第二类永动机：人们把想象中能够从单一热源吸第二类永动机：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。做第二类永动机。v2.第二类永动机不可能制成！表示机械能和内能的第二类永动机不可能制成！表示机械能和内能的转化过程具有方向性尽管机械能可以全部转化为转化过程具有方向性尽管机械能可以
9、全部转化为内能，内能却不能全部转化成机械能，同时不引起内能，内能却不能全部转化成机械能，同时不引起其他变化其他变化v3.第一类永动机和第二类永动机第一类永动机和第二类永动机 它们都不可能制成，第一类永动机的设想违反了能它们都不可能制成，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自然过程恒定律，但违背了跟热现象相联系的宏观自然过程具有方向性的规律（热力学第二定律）。具有方向性的规律（热力学第二定律）。热力学第二定律的一种表述就是：热力学第二定律的一种表述就是：第二类永动机不可能制成。第二类
10、永动机不可能制成。physicv试对热力学第一定律和热力学第二定律做一试对热力学第一定律和热力学第二定律做一简单的评析简单的评析v解析解析热力学第一定律和热力学第二定律是构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
11、界条件才能进行。程必须借助于外界条件才能进行。physic小结小结 ：v热力学第二定律有常见的两种表述，提热力学第二定律有常见的两种表述，提示了有大量分子参与的宏观过程示了有大量分子参与的宏观过程(即与热即与热现象有关的宏观过程现象有关的宏观过程)的方向性，第二类的方向性，第二类永动机不可能制成。永动机不可能制成。5.热力学第二定律热力学第二定律的微观解释的微观解释 physic一一.有序和无序有序和无序 宏观态和微观态宏观态和微观态有序和无序有序和无序个体（元素）的分布（排列）按一定要求个体（元素）的分布（排列）按一定要求有序有序个体（元素）的分布（排列）没有确定的要求个体（元素）的分布（排
12、列）没有确定的要求无序无序有序和无序是相对的。有序和无序是相对的。宏观态和微观态宏观态和微观态最早研究热力学第二定律微观本质的是玻尔兹曼。他指出：最早研究热力学第二定律微观本质的是玻尔兹曼。他指出：“从微观上来看，对于一个系统的状态的宏观描述是非常不完从微观上来看，对于一个系统的状态的宏观描述是非常不完善的，系统的同一宏观状态实际上可能对应非常非常多微观状善的，系统的同一宏观状态实际上可能对应非常非常多微观状态，而这些微观状态是粗略的宏观状态所不能加以区分的。态，而这些微观状态是粗略的宏观状态所不能加以区分的。”为了理解玻尔兹曼的这意思，我们必须首先了解，什么是系统为了理解玻尔兹曼的这意思，我
13、们必须首先了解，什么是系统的微观状态？什么是系统的宏观状态？它们之间又存在着什么的微观状态？什么是系统的宏观状态？它们之间又存在着什么关系？关系？physic（以气体自由膨胀为例）一个被隔板分为（以气体自由膨胀为例）一个被隔板分为A、B相等相等两部分的容器，装有两部分的容器，装有4个涂以不同颜色分子。个涂以不同颜色分子。一一.有序和无序有序和无序 宏观态和微观态宏观态和微观态开始时，开始时，4个分子都在个分子都在A部，抽出隔板后分子将向部，抽出隔板后分子将向B部部扩散并在整个容器内无规则运动。隔板被抽出后，由扩散并在整个容器内无规则运动。隔板被抽出后，由于无规则运动，于无规则运动，4个分子中的
14、任一个分子在任意时刻可个分子中的任一个分子在任意时刻可能处于左面和右面任意一侧，于是能处于左面和右面任意一侧，于是4分子在容器中可能分子在容器中可能的分布情形如图所示：的分布情形如图所示：AB宏观态宏观态(以分子个数分类以分子个数分类)总数总数=5微观态微观态(可能的分布方式可能的分布方式)总数总数=24=16每一种宏观态每一种宏观态所对应的所对应的微观态数微观态数14641较较“粗略粗略”的的5种位置分种位置分布的每一种状态布的每一种状态较较“精细精细”的的16种位置分种位置分布的每一种分布布的每一种分布physic 微观态共有微观态共有24=16种可能的方式，而且种可能的方式，而且4个分子
15、全部个分子全部退回到退回到A部的可能性即几率为部的可能性即几率为1/24=1/16。一般来说，若有一般来说，若有N个分子，则共个分子，则共2N种可能方式，而种可能方式，而N个分子全部退回到个分子全部退回到A部的几率部的几率1/2N.对于真实理想气体对于真实理想气体系统系统N 1023/mol，这些分子这些分子全部退回到全部退回到A部的几率部的几率为为 。此数值极小，意味着此事件永远不会发生。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。从任何实际操作的意义上说，不可能发生此类事件。231021 对单个分子或少量分子来说，它们扩散到对单个分子或少量分子来说，
16、它们扩散到B部的过部的过程原则上是可逆的。程原则上是可逆的。对大量分子组成的宏观系统来说，它们向对大量分子组成的宏观系统来说，它们向B部自由膨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。不可逆性在微观上的统计解释。physic 1.从图中可看出，与每一种宏观状态对应微观从图中可看出，与每一种宏观状态对应微观状态数是不同的，而左、右两侧分子数相等的宏观状态数是不同的，而左、右两侧分子数相等的宏观状态所对应的微观状态数最多。状态所对应的微观状态数最多。几点说明：几点说明：3.如果一个如果一个“宏观态宏观态”对应的对
17、应的“微观态微观态”比较比较多，就说这个多，就说这个“宏观态宏观态”是比较无序。是比较无序。2.分子总数越多，左、右两侧分子数相等（或分子总数越多，左、右两侧分子数相等（或差不多相等）的宏观状态所对应的微观状态数越多。差不多相等）的宏观状态所对应的微观状态数越多。特别重要的是：左右两侧分子数相等或差不多相等特别重要的是：左右两侧分子数相等或差不多相等的宏观状态所对应的微观状态数之和占系统所有微的宏观状态所对应的微观状态数之和占系统所有微观状态总数比例就很大了。观状态总数比例就很大了。4.无序意味着各处都一样、平均、没有差别；无序意味着各处都一样、平均、没有差别；有序则相反。有序则相反。phys
18、ic 在一定的宏观条件下，既然有多种宏观状态，那么，哪在一定的宏观条件下，既然有多种宏观状态，那么，哪一种宏观状态是在实际过程中可以出现的状态呢？一种宏观状态是在实际过程中可以出现的状态呢？二二.热力学第二定律的微观意义热力学第二定律的微观意义 由于分子运动的无规则性，在所有微观状态中，任一微观由于分子运动的无规则性，在所有微观状态中，任一微观状态出现的可能性，没有理由会比另一微观状态出现的可能性状态出现的可能性，没有理由会比另一微观状态出现的可能性更多一些或更少一些，因此只能是各微观状态出现的可能性都更多一些或更少一些，因此只能是各微观状态出现的可能性都相同。这样，对应微观态数多的宏观态出现
19、的可能性就大。相同。这样，对应微观态数多的宏观态出现的可能性就大。分布分布（宏观态）（宏观态）详细分布详细分布（微观态）（微观态）对容器内的气体分子来说，出对容器内的气体分子来说，出现可能性最大的就是左、右各现可能性最大的就是左、右各有两个分子的那个宏观状态。有两个分子的那个宏观状态。对于分子数很多的气体系统来对于分子数很多的气体系统来说，这些说，这些“位置上均匀分布位置上均匀分布”的宏观态所对应微观态的数目，的宏观态所对应微观态的数目，不仅绝对数很多，而且占微观不仅绝对数很多，而且占微观态总数的百分比也很大，因此态总数的百分比也很大，因此实际上出现的总是这种状态。实际上出现的总是这种状态。结
20、论：对应于微观态数最结论：对应于微观态数最多的宏观态就是系统在一多的宏观态就是系统在一定宏观条件下最可能实现定宏观条件下最可能实现的状态，也就是我们前面的状态，也就是我们前面所说的平衡态。所说的平衡态。等概率原理：对于孤立系统，各种微观态出等概率原理：对于孤立系统，各种微观态出现的可能性（或几率）是相等的。现的可能性（或几率）是相等的。统计物统计物理学的基础。理学的基础。physic绝热自由绝热自由膨胀过程膨胀过程非平衡态非平衡态平衡态平衡态有序有序包含微观态数包含微观态数少的宏观态少的宏观态无序无序包含微观态数包含微观态数多的宏观态多的宏观态相反过程，在对外界不引起任何影响的条件下，其可能性
21、极少。相反过程，在对外界不引起任何影响的条件下，其可能性极少。“可能性最大可能性最大”并不表示就是并不表示就是“一定一定”，而且系统分子总数越小，而且系统分子总数越小，这种这种“可能性可能性”与与“一定一定”的偏离也就越大，只有在系统分子总的偏离也就越大，只有在系统分子总数很大时数很大时,这种偏离就很小，因而在实际上可以认为就是这种偏离就很小，因而在实际上可以认为就是“一定一定”。可见，热力学第二定律是一种统计规律。其微观意义也可叫统计可见，热力学第二定律是一种统计规律。其微观意义也可叫统计意义。意义。physic定义定义热力学概率热力学概率：与同一宏观态相应的微观态数称为：与同一宏观态相应的
22、微观态数称为该宏观态的热力学概率，记为该宏观态的热力学概率，记为。为了定量说明宏观状态与微观状态的关系为了定量说明宏观状态与微观状态的关系对于孤立系统（与外界没有能量交换对于孤立系统（与外界没有能量交换做功或热传递，做功或热传递，也没有物质交换）的宏观状态，可有如下结论：也没有物质交换）的宏观状态，可有如下结论：系统系统在一定条件下的平衡态对应于在一定条件下的平衡态对应于为最大值的宏观状态；为最大值的宏观状态；若系统初始时的宏观状态的若系统初始时的宏观状态的不是最大值，则必是一非不是最大值，则必是一非平衡态，系统将向平衡态，系统将向增大的宏观状态过渡，最后达到的增大的宏观状态过渡，最后达到的状
23、态将是十分接近或等于最大值的宏观平衡态。状态将是十分接近或等于最大值的宏观平衡态。绝热自由绝热自由膨胀过程膨胀过程气体分子气体分子整体从占整体从占有较小空有较小空间的初态间的初态占有较占有较大空间大空间的末态的末态从分子运动状态从分子运动状态来说系统更加来说系统更加“混乱混乱”用物理语言说是用物理语言说是更加更加“无序无序”了了physic自然过程总是向着自然过程总是向着使系统热力学几率使系统热力学几率增大的方向进行。增大的方向进行。对于孤立系统，一对于孤立系统，一切自然过程总是沿切自然过程总是沿着无序性增大的方着无序性增大的方向进行。向进行。热力学第二定律的微观意义热力学第二定律的微观意义热
24、力学概率热力学概率是系统是系统分子运动无序性的一分子运动无序性的一种量度种量度热力学第二定律的热力学第二定律的统计表述统计表述:孤立系统内部所发生的热力学过程孤立系统内部所发生的热力学过程总是从包总是从包含微观态数少的宏观态向包含微观态数多的宏含微观态数少的宏观态向包含微观态数多的宏观态过渡观态过渡或或从热力学概率小的状态向热力学概从热力学概率小的状态向热力学概率大的状态过渡率大的状态过渡或者或者随着时间的延续向着分子随着时间的延续向着分子运动无序性增大的方向进行运动无序性增大的方向进行。对整个宇宙不适用。对整个宇宙不适用。热力学第二定律的适用范围热力学第二定律的适用范围1.适用于宏观过程适用
25、于宏观过程,对微观过程不适用，对微观过程不适用，如布朗运动。如布朗运动。2.孤立系统有限范围。孤立系统有限范围。physic三三.熵与熵与“热寂热寂”任何热力学系统总是涉及大量分子，所以系统的热任何热力学系统总是涉及大量分子，所以系统的热力学概率力学概率的数值很大的。为了理论表述和计算上的数值很大的。为了理论表述和计算上的方便，的方便，1877年玻尔兹曼引入了一个函数年玻尔兹曼引入了一个函数S，它与，它与关系为关系为 ln s1900年，普朗克又引进比例常数年，普朗克又引进比例常数k，把上式写为，把上式写为 lnks 玻尔兹玻尔兹曼常数曼常数熵函数熵函数简称熵简称熵physic对对“熵熵”的理
26、解的理解1.熵的概念最早是由克劳修斯在熵的概念最早是由克劳修斯在1865年提出。年提出。2.热力学概率是分子运动无序性的一种量度，那么，热力学概率是分子运动无序性的一种量度，那么，熵自然也是系统内部分子运动无序性的量度。熵自然也是系统内部分子运动无序性的量度。lnks 3.关于自然过程的方向性就可以表述为：关于自然过程的方向性就可以表述为：在任何自然过程中，一个孤立系在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小。统的总熵不会减小。熵增加原理（热力学第二定律的又一种表述）熵增加原理（热力学第二定律的又一种表述）熵最大的状态相应于平衡态。熵最大的状态相应于平衡态。physic热力学第二定律参考答案热力学第二定律参考答案1.BCD 2.D 3.D 4.ABCD 5.AD 6.ACD 7.D8.消耗电能消耗电能3.6 106J；向室内传递热量；向室内传递热量1.3 107J；空调制；空调制热时，电流使压缩机做功，从室外吸收热量放到室内，热时，电流使压缩机做功，从室外吸收热量放到室内，制热量等于消耗的电能与从室外吸收的热量之和，完全制热量等于消耗的电能与从室外吸收的热量之和，完全可以大于电能消耗。这既不违背热力学第一定律，也不可以大于电能消耗。这既不违背热力学第一定律，也不违背热力学第二定律。电热器使电能转化为热能，效率违背热力学第二定律。电热器使电能转化为热能，效率较低较低.
