热力学：
1.热力学第一定律：自然界中的一切物质都有能量，能量不可能被创造，也不
可能被消灭，但可以从一种形态转变为另一种形态；在能量的转换过程中能量的总量保持不变。
2.热力学第二定律：
克劳修斯说法：热不可能自发地、不付代价的从低温物体传至高温物体。
开尔文说法：不可能制造出从单一热源吸热，使之全部转化为功而不留下其他任何变化的热力发动机。
第二类永动机是不存在的。
3．热力学第三定律：
奈斯特定理：当温度趋于绝对温度时，任何物质系统中所发生的过程，其熵变也趋于零。
不可能通过有限过程将系统冷却至绝对零度。
绝对零度只能无限逼近，而不能最终达到。
4．热力学第零定律：
两个系统分别通过导热壁与第三个物体达热平衡，则这两个物体彼此间也必然达热平衡。
5．卡诺定理：
（1）在相同的高温热源和低温热源之间工作的一切可逆卡诺机，其效率都相等，与工作物质无关。
（2）在相同的高温热源和低温热源之间工作的一切不可逆热卡诺机，其效率必小于可逆机的效率。
燃气轮机：
工作原理：：
燃气轮机的工作过程是，压气机(即压缩机)连续地从大气中吸入空气并将其压缩；压缩后的空气进入燃烧室，与喷入的燃料混合后燃烧，成为高温燃气，随即流入燃气涡轮中膨胀作功，推动涡轮叶轮带着压气机叶轮一起旋转；加热后的高温燃气的作功能力显著提高，因而燃气涡轮在带动压气机的同时，尚有余功作为燃气轮机的输出机械功。燃气轮机由静止起动时，需用起动机带着旋转，待加速到能独立运行后，起动机才脱开。
空气与燃料混合燃烧后的高温高压燃气推动涡轮做功带动发电机发电。
机械设计基础：
自由度：构件可能出现的独立运动的数目。对构建自由度的限制叫做约束。
零件—静连接—构件—运动副—机构—动静连接—机器—机械。
英语：
热能与动力工程—Thermal energy and power engineering
机械动力—Mechanical power
机械设计基础—Mechanical design basis
热力学—Thermodynamics 传热学—Heat-transfer 专业—major
第三章热力学第二定律 一、选择题 1、如图，可表示理想气体卡诺循环的示意图是：（） (A) 图⑴(B)图⑵(C)图⑶(D) 图⑷ 2、工作在393K和293K的两个大热源间的卡诺热机，其效率约为（） (A) 83％(B) 25％(C) 100％(D) 20％ 3、不可逆循环过程中，体系的熵变值（） (A) 大于零(B) 小于零(C)等于零(D)不能确定 4、将1 mol 甲苯在101.325 kPa，110 ℃（正常沸点）下与110 ℃的热源接触，使它向真空容器中汽化，完全变成101.325 kPa 下的蒸气。该过程的：（） (A) Δvap S m= 0 (B) Δvap G m= 0 (C) Δvap H m= 0 (D) Δvap U m= 0 5、1mol理想气体从300K，1×106Pa绝热向真空膨胀至1×105Pa，则该过程（） (A)ΔS>0、ΔG>ΔA (B)ΔS<0、ΔG<ΔA (C)ΔS＝0、ΔG＝ΔA (D)ΔA<0、ΔG＝ΔA 6、对理想气体自由膨胀的绝热过程，下列关系中正确的是( ) (A)ΔT>0、ΔU>0、ΔS>0 (B)ΔT<0、ΔU<0、ΔS<0 (C)ΔT=0、ΔU=0、ΔS=0 (D)ΔT=0、ΔU=0、ΔS>0 7、理想气体在等温可逆膨胀过程中( ) (A)内能增加(B)熵不变(C)熵增加(D)内能减少 8、根据熵的统计意义可以判断下列过程中何者的熵值增大？（） (A) 水蒸气冷却成水(B) 石灰石分解生成石灰 (C) 乙烯聚合成聚乙烯(D) 理想气体绝热可逆膨胀 9、热力学第三定律可以表示为：（） (A) 在0 K时,任何晶体的熵等于零(B) 在0 K时,任何完整晶体的熵等于零
思 考 题 8-1 根据热力学第二定律判断下列哪种说法是正确的. (A) 热量能从高温物体传到低温物体，但不能从低温物体传到高温物体. (B) 功可以全部变为热，但热不能全部变为功. (C) 气体能够自由膨胀，但不能自动收缩. (D) 有规则运动的能量能够变为无规则运动的能量，反之则不行. [ C ] 8-2 有人说： “不可逆过程就是不能往反方向进行的过程” 对吗？为什么？ ［不可逆过程并不是一定不能往反方向进行的过程,而是往反方向进行的过程中用任何 方法都不能使系统和外界同时复原］ 8-3 有人设计一台卡诺热机(可逆的)．每循环一次可从 400 K 的高温热源吸热1800 J ，向 300 K 的低温热源放热 800 J．同时对外作功 1000 J，这样的设计是 (A) 可以的，符合热力学第一定律． (B) 可以的，符合热力学第二定律． (C) 不行的，卡诺循环所作的功不能大于向低温热源放出的热量． (D) 不行的，这个热机的效率超过理论值． ［ D ］ ［卡诺热机效率最大: % 25 1 1 2 = - = T T h ］ 8-4 某人设想一台可逆卡诺热机， 循环一次可以从400K 的高温热源吸热1800J， 向300K 的低温热源放热 800J， 同时对外作功 1000J. 试分析这一设想是否合理？为什么？[ 违背熵 增原理 ] 8-5 下列过程是否可逆，为什么？ (1) 通过活塞(它与器壁无摩擦)，极其缓慢地压缩绝热容器中的空气； (2) 用旋转的叶片使绝热容器中的水温上升(焦耳热功当量实验)． 解:(1)是可逆过程。此过程是无损耗的准静态过程，当活塞(它与器壁无摩擦)，极其缓慢地 绝热膨胀时，系统和外界都可复原，故是可逆过程。 （2）是不可逆过程。功可完全转化为热，但在无外界影响下，热能却不能完全转化为 机械能。 8-6 关于可逆过程和不可逆过程的判断： (A) 可逆热力学过程一定是准静态过程． (B) 准静态过程一定是可逆过程． (C) 不可逆过程就是不能向相反方向进行的过程． (D) 凡有摩擦的过程,一定是不可逆过程． 以上四种判断，其中正确的是哪些？ [ A，D ]
能量守恒定律 自然界的能量既不能创生 也不会消灭..自然界的能量既不能创生,,也不会消灭 在热机中，驱动机械运转做功，这一能量来自于从燃料中吸收的热量， 因此永动机是不能制造出来的。 热力学第一定律是能量守恒定律在热力学体系的体现。
热力学系统热力学系统的内能的内能的内能U U （Internal Energy Internal Energy）） 一般包含如下能量： 一般包含如下能量：分子内：平动运动的能量 转动运动的能量 振动运动的能量 电子运动的能量； 核运动的能量； 分子间分子间: : : 分子间作用 分子间作用势能。……
封闭体系与环境之间的能量交换形式只有热与功两种，故有： ?U＝Q + + W W dU ＝δQ + δW 上式即为热力学第一定律的数学表达式。 其物理意义是： 自然界的能量是恒定的，若体系的内能发生了变化（?U），变化量必定等于体系与环境之间能量交换量（Q、W）的总和。
习题 热力学第一定律对于孤立体系的数学形式是怎样的？热力学第一定律的公式对于生命体系成立么？为什么？
dU ＝ δQ + δW ＝ δQ + δW f －p 外dV 恒容、无有用功时 dU ＝ δQ V ?U ＝Q V dU ＝ δQ + δW f －p 外dV ＝ δQ －pdV d(U+pV)＝δQ 恒压、无有用功时 定义： 焓（enthalpy ）函数 H H ＝U ＋pV dH ＝ δQ p ?H ＝Q p 热力学第一定律热力学第一定律------焓 焓
习题 某一化学反应若在恒温恒压下（298.15K）进行，放热40000J，若使该反应恒温恒压通过可逆电池来完成，则吸热4000J。计算该反应的焓变；
1引言 热力学第二定律是在研究如何提高热机效率的推动下, 逐步被人们发现的。19蒸汽机的发明,使提高热机效率的问题成为当时生产领域中的重要课题之一. 19 世纪20 年代, 法国工程师卡诺从理论上研究了热机的效率问题. 卡诺的理论已经深含了热力学第二定律的基本思想，但由于受到热质说的束缚，使他当时未能完全探究到问题的底蕴。这时，有人设计这样一种机械——它可以从一个热源无限地取热从而做功，这被称为第二类永动机。1850 年，克劳修斯在卡诺的基础上统一了能量守恒和转化定律与卡诺原理，指出：一个自动运作的机器，不可能把热从低温物体移到高温物体而不发生任何变化，这就是热力学第二定律。不久，1851年开尔文又提出：不可能从单一热源取热，使之完全变为有用功而不产生其他影响；或不可能用无生命的机器把物质的任何部分冷至比周围最低温度还低，从而获得机械功。这就是热力学第二定律的“开尔文表述”。在提出第二定律的同时，克劳修斯还提出了熵的概念，并将热力学第二定律表述为：在孤立系统中，实际发生的过程总是使整个系统的熵增加。奥斯特瓦尔德则表述为：第二类永动机不可能制造成功。热力学第二定律的各种表述以不同的角度共同阐述了热力学第二定律的概念，完整的表达出热力学第二定律的建立条件并且引出了热力学第二定律在其他方面的于应用及意义。 2热力学第二定律的建立及意义 2.1热力学第二定律的建立 热力学第二定律是在研究如何提高热机效率的推动下, 逐步被人们发现的。但是它的科学价值并不仅仅限于解决热机效率问题。热力学第二定律对涉及热现象的过程, 特别是过程进行的方向问题具有深刻的指导意义它在本质上是一条统计规律。与热力学第一定律一起, 构成了热力学的主要理论基础。 18世纪法国人巴本发明了第一部蒸汽机,后来瓦特改进的蒸汽机在19 世纪得到广泛地应用, 因此提高热机效率的问题成为当时生产领域中的重要课题之一. 19 世纪20 年代, 法国工程师卡诺(S.Carnot, 1796～ 1832) 从理论上研究了热机的效率问题。
第3节热力学第一定律 目标导航 1?知道热力学第一定律的内容及其表达式 2?理解能量守恒定律的内容 3?了解第一类永动机不可能制成的原因 诱思导学 1.热力学第一定律 (1).一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和。这个关系叫做 热力学第一定律。 其数学表达式为：AUnW+Q (2).与热力学第一定律相匹配的符号法则 能量的转化或转移，同时也进一步揭示了能量守恒定律。 (4)应用热力学第一定律解题的一般步骤： ①根据符号法则写出各已知量( W、Q、AU)的正、负； ②根据方程AJ=W+Q求出未知量； ③再根据未知量结果的正、负来确定吸热、放热情况或做功情况。 2.能量守恒定律 ⑴.自然界存在着多种不同形式的运动，每种运动对应着一种形式的能量。如机械运动对应机械能； 分子热运动对应内能；电磁运动对应电磁能。 ⑵.不同形式的能量之间可以相互转化。摩擦可以将机械能转化为内能；炽热电灯发光可以将电能转化为光能。 ⑶.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，在转化或转移的过程中其总量不变。这就是能量守恒定律。 (4).热力学第一定律、机械能守恒定律都是能量守恒定律的具体体现。 (5).能量守恒定律适用于任何物理现象和物理过程。 (6).能量守恒定律的重要意义 第一，能量守恒定律是支配整个自然界运动、发展、变化的普遍规律，学习这个定律，不能满足一 般理解其内容，更重要的是，从能量形式的多样化及其相互联系，互相转化的事实岀发去认识物质世界的多样性及其普遍联系，并切实树立能量既不会凭空产生，也不会凭空消失的观点，作为以后学习和生产实践中处理一切实际问题的基本指导思想之一。第二，宣告了第一类永动机的失败。 3.第一类永动机不可能制成 任何机器运动时只能将能量从一种形式转化为另一种形式，而不可能无中生有地创造能量，即第一类永动机是不可能制造出来的。 典例探究 例1.一定量的气体在某一过程中，外界对气体做了8X104J的功，气体的内能减少了 1.2和5J，则下列 各式中正确的是() 4 5 4 A.W=8X 104J，AJ =1.2 XO5J，Q=4X104J 4 5 5
第三章 热力学第二定律概念理解 一、判断题 1. 不可逆过程一定是自发过程。 2. 绝热可逆过程的?S = 0，绝热不可逆膨胀过程的?S > 0，绝热不可逆压缩过程的?S < 0。 3. 为了计算绝热不可逆过程的熵变，可以在始末态之间设计一条绝热可逆途径来计算。 4. 平衡态的熵最大。 5. 理想气体经等温膨胀后，由于?U = 0，所以吸的热全部转化为功，这与热力学第二定律相矛盾。 6. 吉布斯函数减小的过程一定是自发过程。 7．在等温、等压下，吉布斯函数变化大于零的化学变化都不能进行。 8．系统由V1膨胀到V2，其中经过可逆途径时做的功最多。 9. 理想气体等温自由膨胀时，对环境没有做功，所以 -pdV = 0，此过程温度不变，?U = 0，代入热力学基本方程dU = TdS - pdV ，因而可得dS = 0，为恒熵过程。 10. 某体系处于不同的状态，可以具有相同的熵值。 11. 在任意一可逆过程中?S = 0，不可逆过程中?S > 0。 12. 由于系统经循环过程后回到始态，?S = 0，所以一定是一个可逆循环过程。 13. 过冷水结冰的过程是在恒温、恒压、不做其他功的条件下进行的，由方程dG=-SdT+Vdp 可得ΔG = 0。 14. 熵增加的过程一定是自发过程。 15. 自然界发生的过程一定是不可逆过程。 16. 系统达平衡时，Gibbs 自由能最小。 17. 体系状态变化了，所有的状态函数都要变化。 18. 当系统向环境传热时(Q < 0)，系统的熵一定减少。 19. 相变过程的熵变可由(Qtra/Ttra)计算。 20. 一切物质蒸发时，摩尔熵都增大。 二、选择题 21. 理想气体在等温条件下反抗恒定外压膨胀，该变化过程中系统的熵变ΔSsys 及环境的熵变ΔSsur 应为： (A)sys sur 0,0S S ?>?= (B)sys sur 0,0S S ??< (D)sys sur 0,0S S ? 22. 在绝热条件下，用大于气缸内的压力迅速推动活塞压缩气体，此过程的熵变： (A)大于零 (B)小于零 (C)等于零 (D)不能确定 23. H2(g)和O2(g)在绝热钢瓶中化合生成水的过程： (A)0H ?= (B)0U ?= (C)0S ?= (D)0G ?= 24. 在大气压力和273.15K 下水凝结为冰，判断下列热力学量中哪一个一定为零： (A)U ? (B)H ? (C)S ? (D)G ? 25. 在N2和O2混合气体的绝热可逆压缩过程中，系统的热力学函数变化值在下列结论中正确的是： (A)0U ?= (B)0A ?= (C)0S ?= (D)0G ?=
第二章 热力学第二定律练习题 一、单选题： 1．T H S ?=? 适合于下列过程中的哪一个？ (A) 恒压过程 ； (B) 绝热过程 ； (C) 恒温过程 ； (D) 可逆相变过程 。 2．可逆热机的效率最高，因此由可逆热机带动的火车： (A) 跑的最快 ； (B) 跑的最慢 ； (C) 夏天跑的快 ； (D) 冬天跑的快 。 3．在一定速度下发生变化的孤立体系，其总熵的变化是什么？ (A) 不变 ； (B) 可能增大或减小 ； (C) 总是增大 ； (D) 总是减小 。 4．对于克劳修斯不等式 环T Q dS δ≥，判断不正确的是： (A) 环T Q dS δ=必为可逆过程或处于平衡状态 ； ； ； 。 5．1mol 双原子理想气体的C p,m 是： (A) 1.5R ； (B) 2.5R ； (C) 3.5R ； (D) 2R 。 6．2mol 理想气体B ，在300K 时等温膨胀，W = 0时体积增加一倍，则其 ?S (J·K -1)为： (A) -5.76 ； (B) 331 ； (C) 5.76 ； (D) 11.52 。 7．下列过程中?S 为负值的是哪一个： (A) 液态溴蒸发成气态溴 ； (B) SnO 2(s) + 2H 2(g) = Sn(s) + 2H 2O(l) ； (C) 电解水生成H 2和O 2 ； (D) 公路上撤盐使冰融化 。 8．熵是混乱度(热力学微观状态数或热力学几率)的量度，下列结论中不正确的是： (A) 同一种物质的S (g) > S (l) > S (s)； (B) 同种物质温度越高熵值越大 ； (C) 分子内含原子数越多熵值越大 ； (D) 0K 时任何纯物质的熵值都等于零 。 9．25℃时，将11.2升O 2与11.2升N 2混合成11.2升的混合气体，该过程： (A) ?S > 0，?G < 0 ； (B) ?S < 0，?G < 0 ； (C) ?S = 0，?G = 0 ； (D) ?S = 0，?G < 0 。 10．有一个化学反应，在低温下可自发进行，随温度的升高，自发倾向降低，这反应是： (A) ?S > 0，?H > 0 ； (B) ?S > 0，?H < 0 ； (C) ?S < 0，?H > 0 ； (D) ?S < 0，?H < 0 。 11．等温等压下进行的化学反应，其方向由?r H m 和?r S m 共同决定，自发进行的反应应满 足下列哪个关系式： (A) ?r S m = ?r H m /T ； (B) ?r S m > ?r H m /T ； (C) ?r S m ≥ ?r H m /T ； (D) ?r S m ≤ ?r H m /T 。 12．吉布斯自由能的含义应该是： (A) 是体系能对外做非体积功的能量 ；
第十章 4 热力学第二定律 基础达标 1．关于热力学定律，下列说法正确的是( ) A．为了增加物体的内能，必须对物体做功或向它传递热量 B．可以从单一热源吸收热量，使之完全变为功而不引起其他变化 C．不可能使热量从低温物体传向高温物体 D．功转变为热的实际宏观过程是不可逆过程 【答案】A 解析：做功和热传递是改变物体内能的两种方法，故A正确；热力学第二定律可以表示为：不可能制成一种循环动作的热机，从单一热源取热，使之完全变为功而不引起其他变化，故B错误；热量不能自发从低温物体传向高温物体，C错误；热力学第二定律的实质：一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的，但功和能是两个不同概念，功是不可能转化为能的，故D错误． 2．热力学第二定律说明了( ) A．高温物体与低温物体接触时，热量只能由高温物体传给低温物体 B．不管采用什么方法，热量都不可由低温物体传给高温物体 C．自然界进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性 D．能量不断地减少，不守恒 【答案】C 解析：热量可从低温物体传到高温物体，但要引起其他变化，如冰箱制冷，所以A、B 错；热力学第二定律并不否定能量守恒，故D错． 3．(2019南京名校模拟)下列对能的转化和守恒定律的认识错误的是( ) A．某种形式的能减少，一定存在其他形式的能增加 B．某个物体的能减少，必然有其他物体的能增加 C．不需要任何外界的动力而持续对外做功的机器——永动机是不可能制成的 D．石子从空中落下，最后静止在地面上，说明能量消失了 【答案】D 解析：根据能量守恒定律得知，某种形式的能减少，其他形式的能一定增大，故A正确．某个物体的总能量减少，根据能量守恒定律得知，必然有其他物体的能量增加，故B正确．不需要任何外界的动力而持续对外做功的机器——永动机，违反了能量的转化和守恒定律，不可能制成，故C正确．石子在运动和碰撞中机械能转化为了石子及周围物体的内能，能量并没有消失，故D错误．本题选错误的，故选D．
二、热力学第二定律(601题) 一、选择题 ( 共152题 ) 1. 1 分 (0624) 理想气体绝热向真空膨胀，则： ( ) (A) ΔS = 0，W = 0 (B) ΔH = 0，ΔU = 0 (C) ΔG = 0，ΔH = 0 (D) ΔU = 0，ΔG = 0 2. 1 分 (0671) 熵变S是： (1) 不可逆过程热温商之和 (2) 可逆过程热温商之和 (3) 与过程无关的状态函数 (4) 与过程有关的状态函数 以上正确的是：( ) (A) 1,2 (B) 2,3 (C) 2 (D) 4 3. 2 分 (0675) 理想气体在等温条件下反抗恒定外压膨胀，该变化过程中体系的熵变?S 体 及环境的熵 变?S 环 应为：（） (A) ?S 体>0，?S 环 =0 （B）?S 体 <0，?S 环 =0 (C) ?S 体>0，?S 环 <0 （D）?S 体 <0，?S 环 >0 4. 2 分 (0693) 下列四种表述： (1) 等温等压下的可逆相变过程中，体系的熵变ΔS =ΔH相变/T相变 (2) 体系经历一自发过程总有 d S > 0 (3) 自发过程的方向就是混乱度增加的方向 (4) 在绝热可逆过程中，体系的熵变为零 两者都不正确者为： ( ) (A) (1)，(2) (B) (3)，(4) (C) (2)，(3) (D) (1)，(4) 5. 2 分 (0694) 有三个大热源,其温度T3>T2>T1，现有一热机在下面两种不同情况下工作： (1) 从T3热源吸取Q热量循环一周对外作功W1，放给T1热源热量为(Q-W1) (2) T3热源先将Q热量传给T2热源，热机从T2热源吸取Q热量循环一周, 对外作功 W2，放给T1热源 (Q-W2) 的热量 则上述两过程中功的大小为： ( ) (A) W1> W2 (B) W1= W2 (C) W1< W2 (D) W1≥W2 6. 1 分 (0695) 求任一不可逆绝热过程的熵变ΔS时，可以通过以下哪个途径求得？ ( ) (A) 始终态相同的可逆绝热过程 (B) 始终态相同的可逆恒温过程 (C) 始终态相同的可逆非绝热过程 (D) (B) 和 (C) 均可 7. 2 分 (0696)
第3节热力学定律与能量守恒定律 一、热力学第一定律 1．改变物体内能的两种方式 (1)做功；(2)热传递。 2．热力学第一定律 (1)内容：一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和。 (2)表达式：ΔU＝Q＋W。 (3)正、负号法则：
1．内容 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，或者是从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变。 2．条件性 能量守恒定律是自然界的普遍规律，某一种形式的能是否守恒是有条件的。 3．第一类永动机是不可能制成的，它违背了能量守恒定律。 三、热力学第二定律 1．热力学第二定律的两种表述 (1)克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传到高温物体。 (2)开尔文表述：不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响。或表述为“第二类永动机是不可能制成的”。 2．用熵的概念表示热力学第二定律：在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小。 3．热力学第二定律的微观意义 一切自发过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行。 4．第二类永动机不可能制成的原因是违背了热力学第二定律。
1．思考辨析(正确的画“√”，错误的画“×”) (1)外界压缩气体做功20 J，气体的内能可能不变。(√) (2)给自行车打气时，发现打气筒的温度升高，这是因为打气筒从外界吸热。 (×) (3)可以从单一热源吸收热量，使之完全变成功。(√) (4)热机中，燃气的内能可以全部变为机械能而不引起其他变化。 (×) (5)自由摆动的秋千摆动幅度越来越小，能量正在消失。(×) (6)利用河水的能量使船逆水航行的设想，符合能量守恒定律。 (√) 2．(人教版选修3－3P61T2)(多选)下列现象中能够发生的是() A．一杯热茶在打开杯盖后，茶会自动变得更热 B．蒸汽机把蒸汽的内能全部转化成机械能 C．桶中混浊的泥水在静置一段时间后，泥沙下沉，上面的水变清，泥、水自动分离 D．电冰箱通电后把箱内低温物体的热量传到箱外高温物体 CD[由热力学第二定律可知，一切自发进行与热现象有关的宏观过程，都具有方向性，A错误；热机的工作效率不可能达到100%，B错误；泥沙下沉，系统的重力势能减少，没有违背热力学第二定律，C正确；冰箱通过压缩机的工
热力学第一定律学习目标 1．知道热力学第一定律的内容及其表达式 2．理解能量守恒定律的内容 3．了解第一类永动机不可能制成的原因 自主学习 一、功和内能 1.什么样的过程叫绝热过程? 2.焦耳的实验说明了什么问题？ 3.写出内能的定义。 4.内能的增加量与外界对系统所做的功有何关系？ 二、热和内能 1.内能的增加量与外界向系统传递的热量有何关系？ 2.做功和热传递在改变系统的内能上有何区别？ 三、热力学第一定律 1.写出热力学第一定律的内容及其表达式。 2.写出能量守恒定律的内容。 3.第一类永动机不可能制成的原因是什么？
预习自检： 1、在下述各种现象中，不是由做功引起系统温度变化的是（） A、在阳光照射下，水的温度升高 B、用铁锤不断捶打铅块，铅块的温度会升高 C、在炉火上烧水，水的温度升高 D、电视机工作一段时间，其内部元件温度升高 2、如图所示，活塞将汽缸分为甲、乙两室，汽缸、活塞（连同拉杆）是绝热的，且不漏气，以U甲、U乙分别表示甲、乙两气室中气体的内能，则在拉杆缓缓向外拉的过程中（） A、U甲不变，U乙减小 B、U甲增大，U乙不变 C、U甲增大，U乙减小 D、U甲不变，U乙不变 3、如图所示，把浸有乙醚的一小块棉花放在厚玻璃筒内底部，当很快向下压活塞时，由于被压缩气体遽然变热，温度升高达到乙醚的燃点，使浸有乙醚的棉花燃烧起来，此实验的目的是要说明（） A、对物体做功可以增加物体的热量 B、对物体做功可以改变物体的内能 C、对物体做功一定会升高物体的温度 D、做功一定会增加物体的 4、关于物体的内能和热量，下列说法中正确的有（） A、热水的内能比冷水的内能大 B、温度高的物体其热量必定多，内能必定大 C、在热传递过程中，内能大的物体其内能将减少，内能小的物体其内能将增加，直到两物体的内能相等 D、热量是热传递过程中内能转移量的量度 5、下列关于物体的温度、内能和热量的说法中正确的是（） A、物体的温度越高，所含热量越多 B、物体的内能越大，热量越多 C、物体的温度越高，它的分子热运动的平均动能越大 D、物体的温度不变，其内能就不变化 6、假设在一个完全密封绝热的室内，放一台打开门的电冰箱，然后遥控接通电源，令电冰箱工作一段较长的时间后再遥控断开电源，等室内各处温度达到平衡时，室内气温比接通电源前是( ) A、一定升高了 B、一定降低了 C、一定不变 D、可能升高，可能降低，也可能不变 课内探究 一、热力学第一定律 一定质量的气体，膨胀过程中是外界对气体做功还是气体对外界做功？如果膨胀时做的功是135J，同时向外放热85J，气体内能的变化量是多少？内能是增加了还是减少了？ 请你通过这个例子总结ΔU、W、Q几个量取正、负值的意义。 例1.一定量的气体在某一过程中，外界对气体做了8×104J的功，气体的内能减少了1.2×105J，则下列各式中正确的是（）
对热力学第三定律的理解及应用 在学习了物理书中的“热学”篇后，对于书中提到的热力学四大定律很感兴趣。其中热力学第一定律与热力学第二定律在书中都有了较为详尽的介绍，并且我们也认真地做了相关的习题，可以说对于这两个定律较为熟悉，而对于热力学第零定律与第三定律却了解不多。因此，在课下，我查阅了相关资料。对于这两个定律有了一定了解。 热力学第零定律表述为：“如果两个热力学系统中的每一个都与第三个热力学系统处于热平衡(温度相同)，则它们彼此也必定处于热平衡。” 热力学第三定律表述为：“热力学系统的熵在温度趋近于绝对零度时趋于定值，特别地，对于完整晶体，这个定值为零。”可以用这一公式表达，0)(lim 0=?=s t 而另一种表述为：“不可能通过有限的步骤，将一个物体冷却到绝对温度的零度。” 对于第三定律中提到的，“不能通过有限步骤，达到绝对零度”我感到了困惑与好奇。 对于这一定律有这么一种解释：理论上，若粒子动能低到量子力学的最低点时，物质即达到绝对零度，不能再低。然而，绝对零度永远无法达到，只可无限逼近。因为任何空间必然存有能量和热量，也不断进行相互转换而不消失。所以绝对零度是不存在的，除非该空间自始即无任何能量热量。 另一种解释是：当原子达到绝对零度后，就会处于静止状态，而这违反了海森堡不确定原理指出的“不可能同时以较高的精确度得知一个粒子的位置和动量”。
尽管，绝对零度在实际生活中似乎无法达到，但科学家还是不遗余力的尝试着接近绝对零度。据报道，由德国、美国、奥地利等国科学家组成的一个国际科研小组在实验室内创造了仅仅比绝对零度高0.5纳开尔文的温度纪录，而此前的纪录是比绝对零度高3纳开。这是人类历史上首次达到绝对零度以上1纳开以内的极端低温。 而通过研究物体在接近绝对零度度过程中材料属性的变化，可以为工程应用提供材料，而在微观领域也可研究低温环境对于原子产生的影响，比如原子在接近绝对零度时是如何运动的，物体呈现一种什么样的状态，这对于原子物理的发展有巨大促进作用。 热力学第三定律在生活中也得到了应用。比如在研究过程中，发现了一些物体存在着超导现象，这一发现对于降低能耗，减少能源浪费都有着不可估量的意义。将一个金属样品放置在通有高频电流的线圈上时，高频电磁场会在金属材料表面产生一高频涡流，这一高频涡流与外磁场相互作用，使金属样品受到一个洛沦兹力的作用。在合适的空间配制下，可使洛沦兹力的方向与重力方向相反，通过改变高频源的功率使电磁力与重力相等，即可实现电磁悬浮。即磁悬浮。对于磁悬浮技术的应用，主要是磁悬浮列车，其优点在于耗能不仅低于普通火车，更大大低于汽车和飞机。在驱动功率相同时，其耗能仅为汽车的1/3，飞机的1/4，而降低能耗是环境保护的最主要问题。 通过科学家对于绝度零度都不断的追求，我们可以看出科学永无止境，作为科学工作者要有一种锲而不舍的精神。
第三节热力学第一定律能量守恒定律 【指路问津】 （1）热力学第一定律与能量守恒定律有怎样的关系？ （2）能量守恒定律重大意义是什么? 【典型例题】 1．关于物体内能变化，以下说法中正确的是 A．物体对外做功，温度一定降低，内能一定减少 B．物体吸收热量，温度一定增加，内能一定增大 C．物体吸收热量，同时对外做功，内能可能不变 D．物体放出热量，同时对外做功，内能可能不变 [精与解] 改变物体内能的途径有两个，做功和热传递。分析问题时必须同时考虑做功和热传递两个因素对内能的影响。物体对外界做多少功内能就会减少多少；外界对物体做多少功物体内能就会增加多少。物体吸收多少热量内能就会增加多少；物体发出多少热量内能就会减少多少。A、B选项错误的原因都只考虑了做功或热传递一个因素对内能的影响。D选项虽然考虑了做功或热传递两个因素对内能的影响，但两个因素都使内能减少，故D选项错误。正确答案为C。 [解后思] 用热力学第一定律ΔU＝Q＋W解题，要根据系统做功的正、负，吸热还是放热以及内能的增减，来确定公式中ΔU、Q、W的正负。当外界对系统做功、吸热、内能增加时，ΔU、Q、W取正值；当系统对外界做功、放热、内能减少时，ΔU、Q、W取负值。 [延伸] 例如：一定质量的气体从外界吸收了4.2×105J的热量，同时气体对外做了6×105J的功， 物体的内能增加还是减少？变化量是多少？ 解析：气体从外界吸热：Q=4.2×105J，气体对外做功：W=－6×105J，由热力学第一定律： ⊿U=W+Q=－6×105J＋4.2×105J=－1.8×105J，⊿U为负，说明气体的内能减少了
1.8×105 J 。 2．水在1个标准大气压下沸腾时，汽化热为L=2264 J/g ，这时质量m=1g 的水变为水蒸气，其体积由V 1=1.043 cm 3变为V 2=1676 cm 3，在该过程中水增加的内能是多少？ [精与解] 在1 g 水汽化的过程中吸收的热量为Q=mL =1×2264 J ， 水气在1标准大气压下做等压膨胀，对外界所做的功为 W=p 0（V 2－V 1）=1.013×105×(1676－1.043)×10-6 J=170 J 根据热力学第一定律，增加的内能为： ΔU=Q+W=2264 J －170 J≈2094 J [评注] 一定量的液体全部汽化时，在一大气压条件下体积将增大1000倍左右，气体对外界做功W=p 0ΔV ，p 0为大气压强。这一点是同学们解题中容易失误的。 [延伸] 本题中水汽化为水蒸气，分子势能是增加还是减少？分子动能是增加还是减少？ 解析：因为水蒸气对外做功，气体的体积膨胀，分子间的距离增大了，分子间引力做负功，所以气体分子势能增加。水汽化为同温度的水蒸气，因为温度不变，所以分子的平均动能不变。 3．某瀑布落差为50 m ，顶部流速为2 m/s ，水流横截面积为6 m 2，用它发电有65%的机械能转化为电能，其电功率为多大？ [精与解] 设在时间t 内落下的水的质量为m ，则m=ρS vt ，质量为m 的水落下时 损失的机械能为： E 机=mgh+ 2 1mv 2 根据能量守恒定律 65%E 机=E 电=Pt 所以 P= t v gh Svt t mv mgh t E )21(65.0)21%(65%652 2+= +=ρ机 =3.9×106 W [解后思] 能量守恒定律把力学、热学、电学、光学、化学生物学等现象联系起来，把表面上不同的各类运动统一在一个自然规律中，是我们解决综合问题的强有力的武器。
第3节热力学第一定律能量守恒定律 [随堂检测] 1．(多选)下列关于第一类永动机的说法正确的是( ) A．第一类永动机是不消耗任何能量却能源源不断地对外做功的机器 B．第一类永动机不能制成的原因是违背了热力学第一定律 C．第一类永动机不能制成的原因是技术问题 D．第一类永动机不能制成的原因是违背了能量守恒定律 解析：选AD．第一类永动机是不消耗任何能量却能源源不断对外做功的机器，这是人们的美好愿望，但它违背了能量守恒定律．这也是它不能制成的原因．故A、D两项正确，B、C两项错误． 2.如图，容器A、B各有一个可以自由移动的轻活塞，活塞 下面是水，上面是大气，大气压恒定．A、B的底部由带阀门K 的管道相连，整个装置与外界绝热．原先A中水面比B中的高， 打开阀门，使A中的水逐渐向B中流动，最后达到平衡．在这个过程中( ) A．大气压对水不做功，水的内能减少 B．水克服大气压做功，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：选D.打开阀门K，使A中的水逐渐流向B中，最后水面持平，A中水面下降h A，B中水面上升h B，相当于A中S A h A体积的水移到B中，且S A h A＝S B h B，这部分水的重心降低，重力对水做正功，重力势能减小了．大气压力做功情况是大气压对A容器中的水做正功，对B容器中的水做负功．所以，大气压力对水做的总功为p0S A h A－p0S B h B，由于S A h A＝S B h B，所以大气压对水做的总功为零，又由于系统绝热，与外界没有热交换，只有水的重力做功，重力势能转化为内能，故选项D正确． 3．(多选)用密封性好、充满气体的塑料袋包裹易碎品，如图所示，充气袋四周被挤压时，假设袋内气体与外界无热交换，则袋内气体( ) A．体积减小，内能增大 B．体积减小，压强减小 C．对外界做负功，内能增大
第3节热力学定律 (1)做功和热传递的实质是相同的。(×) (2)绝热过程中，外界压缩气体做功20 J，气体的内能一定减少。(×) (3)物体吸收热量，同时对外做功，内能可能不变。(√) (4)在给自行车打气时，会发现打气筒的温度升高，这是因为外界对气体做功。(√) (5)自由摆动的秋千摆动幅度越来越小，能量正在消失。(×) (6)利用河水的能量使船逆水航行的设想，符合能量守恒定律。(√) (7)热机中，燃气的内能可以全部变为机械能而不引起其他变化。(× ) 突破点(一) 热力学第一定律 1．改变内能的两种方式的比较 做功热传递 区 别内能变化情况外界对物体做功，物体的内能 增加；物体对外界做功，物体 的内能减少 物体吸收热量，内能增加；物 体放出热量，内能减少 从运动形式上看做功是宏观的机械运动向物体热传递是通过分子之间的相互
2. 3. 4．三种特殊情况 (1)若过程是绝热的，则Q＝0，W＝ΔU，外界对物体做的功等于物体内能的增加。 (2)若过程中不做功，即W＝0，则Q＝ΔU，物体吸收的热量等于物体内能的增加。
(3)若过程的始末状态物体的内能不变，即ΔU＝0，则W＋Q＝0 或W＝－Q，外界对物体做的功等于物体放出的热量。 [多角练通] 1．(多选)(2017·淄博、莱芜二模)健身球是一个充满气体的大皮球，现把健身球放在水平地面上。若在人体压向健身球的过程中球内气体温度保持不变，则( ) A．气体分子的平均动能增大 B．气体的密度增大 C．气体的内能增大D．外界对气体做功 解析：选BD 在人压向健身球的过程中，外界对球做功，气体所占的体积减小，故气体的密度增大；气体温度不变，故气体分子的平均动能不变；由于外界对气体做功，但气体温度不变，故内能不变；由热力学第一定律可知，气体对外放热；故A、C错误；B、D正确。 2．(多选)(2017·潮州朝安区高三模拟)对于一定量的气体，下列说法正确的是( ) A．气体的体积指的是该气体的分子所能到达的空间的体积，而不是该气体所有分子体积之和 B．只要能减弱气体分子热运动的剧烈程度，气体的温度就可以降低 C．在完全失重的情况下，气体对容器壁的压强为零 D．气体从外界吸收热量，其内能一定增加 E．气体在等压膨胀过程中温度一定升高 解析：选ABE 气体的体积指的是该气体的分子所能到达的空间的体积，A正确；温度高，气体分子热运动就剧烈，B正确；在完全失重的情况下，分子热运动不停息，气体对容器壁的压强不为零，C错误；做功也可以改变物体的内能，D错误；气体在等压膨胀过程中温度一定升高，E正确。 3．(多选)(2016·海南高考)一定量的理想气体从状态M可以经历过程1或者过程2到达状态N，其p-V图像如图所示。在过程1中，气体始终与外界无热量交换；在过程2中，气体先经历等容变化再经历等压变化。对于这两个过程，下列说法正确的是( ) A．气体经历过程1，其温度降低 B．气体经历过程1，其内能减小 C．气体在过程2中一直对外放热 D．气体在过程2中一直对外做功 E．气体经历过程1的内能改变量与经历过程2的相同 解析：选ABE 气体经历过程1，压强减小，体积变大，气体膨胀对外做功，内能减小，故温度降低，选项A、B
§2-3 热力学第二定律 2．3．1、卡诺循环 物质系统经历一系列的变化过程又回到初始状态，这样的周而复始的变化过 程为循环过程，简称循环。在P-V 图上，物质系统的循环过程用一个闭合的曲线 表示。经历一个循环，回到初始状态时，内能不变。利用物质系统(称为工作物) 持续不断地把热转换为功的装置叫做热机。在循环过程中，使工作物从膨胀作功 以后的状态，再回到初始状态，周而复始进行下去，并且必而使工作物在返回初 始状态的过程中，外界压缩工作物所作的功少于工作物在膨胀时对外所做的功， 这样才能使工作物对外做功。获得低温装置的致冷机也是利用工作物的循环过程 来工作的，不过它的运行方向与热机中工作物的循环过程相反。 卡诺循环是在两个温度恒定的热源之间工作的循环过程。我们来讨论由平衡 过程组成的卡诺循环，工作物与温度为1T 的高温热源接触是等温膨胀过程。同样， 与温度为2T 的低温热源接触而放热是等温压缩过程。因为工作物只与两个热源交 换能量，所以当工作物脱离两热源时所进行的过程，必然是绝热的平衡过程。如 图2-3-1所示，在理想气体卡诺循环的P-V 图上，曲线ab 和cd 表示温度为1T 和 2T 的两条等温线，曲线bc 和da 是两条绝热线。我们先讨论以状态a 为始点，沿 闭合曲线abcda 所作的循环过程。在abc 的膨胀过程中，气体对外做功1W 是曲 线abc 下面的面积，在cda 的压缩过程中，外界对气体做功2W 是曲线cda 下面 的面积。气体对外所做的净功)(21W W W -=就是闭合曲线abcda 所围面积，气 体在等温膨胀过程ab 中，从高温热源吸热 12 1V V nRTIn Q =，气体在等温压缩过程cd 中，向低温热源放热 4322V V In nRT Q =。应用绝热方程 132121--=r r V T V T 和
第二章 热力学第二定律练习题 一、单选题: 1.T H S ?=? 适合于下列过程中的哪一个？ (A) 恒压过程 ; (B) 绝热过程 ; (C) 恒温过程 ; (D) 可逆相变过程 。 2.可逆热机的效率最高,因此由可逆热机带动的火车: (A) 跑的最快 ; (B) 跑的最慢 ; (C) 夏天跑的快 ; (D) 冬天跑的快 。 3.在一定速度下发生变化的孤立体系,其总熵的变化就是什么？ (A) 不变 ; (B) 可能增大或减小 ; (C) 总就是增大 ; (D) 总就是减小 。 4.对于克劳修斯不等式 环T Q dS δ≥,判断不正确的就是: (A) 环T Q dS δ=必为可逆过程或处于平衡状态 ; ; ; (D) 环T Q 违反卡诺定理与第二定律,过程不可能自发发生 。 5.1mol 双原子理想气体的C p,m 就是: (A) 1、5R ; (B) 2、5R ; (C) 3、5R ; (D) 2R 。 6.2mol 理想气体B,在300K 时等温膨胀,W = 0时体积增加一倍,则其 ?S (J·K -1)为: (A) -5、76 ; (B) 331 ; (C) 5、76 ; (D) 11、52 。 7.下列过程中?S 为负值的就是哪一个: (A) 液态溴蒸发成气态溴 ; (B) SnO 2(s) + 2H 2(g) = Sn(s) + 2H 2O(l) ; (C) 电解水生成H 2与O 2 ; (D) 公路上撤盐使冰融化 。 8.熵就是混乱度(热力学微观状态数或热力学几率)的量度,下列结论中不正确的就是: (A) 同一种物质的S (g) > S (l) > S (s); (B) 同种物质温度越高熵值越大 ; (C) 分子内含原子数越多熵值越大 ; (D) 0K 时任何纯物质的熵值都等于零 。 9.25℃时,将11、2升O 2与11、2升N 2混合成11、2升的混合气体,该过程: (A) ?S > 0,?G < 0 ; (B) ?S < 0,?G < 0 ; (C) ?S = 0,?G = 0 ; (D) ?S = 0,?G < 0 。 10.有一个化学反应,在低温下可自发进行,随温度的升高,自发倾向降低,这反应就是: (A) ?S > 0,?H > 0 ; (B) ?S > 0,?H < 0 ; (C) ?S < 0,?H > 0 ; (D) ?S < 0,?H < 0 。 11.等温等压下进行的化学反应,其方向由?r H m 与?r S m 共同决定,自发进行的反应应满 足下列哪个关系式: (A) ?r S m = ?r H m /T ; (B) ?r S m > ?r H m /T ; (C) ?r S m ≥ ?r H m /T ; (D) ?r S m ≤ ?r H m /T 。 12.吉布斯自由能的含义应该就是: (A) 就是体系能对外做非体积功的能量 ; (B) 就是在可逆条件下体系能对外做非体积功的能量 ; (C) 就是恒温恒压可逆条件下体系能对外做非体积功的能量 ; (D) 按定义理解 G = H - TS 。 13.对于封闭体系的热力学,下列各组状态函数之间的关系中正确的就是: (A) A > U ; (B) A < U ; (C) G < U ; (D) H < A 。 14、 对于封闭的双原子均相体系且非体积功为零时,T p G ???? ????的值应就是: a. > 0 b 、 < 0 c 、 = 0 d 、 无法确定 15、 一定量双原子理想气体,其过程?(PV)= 40 KJ,则此过程的?U = ; a. 100KJ b 、 200KJ c 、 400KJ d 、 无法确定 二、多选题:
1．知道热力学第一定律的内容及其表达式 2．理解能量守恒定律的内容 3．了解第一类永动机不可能制成的原因 诱思导学 1.热力学第一定律 （1）.一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和。这个关系叫做热力学第一定律。 其数学表达式为：ΔU=W+Q （2）.与热力学第一定律相匹配的符号法则 （3）热力学第一定律说明了做功和热传递是系统内能改变的量度，没有做功和热传递就不可能实现能量的转化或转移，同时也进一步揭示了能量守恒定律。 （4）应用热力学第一定律解题的一般步骤： ①根据符号法则写出各已知量（W、Q、ΔU）的正、负； ②根据方程ΔU=W+Q求出未知量； ③再根据未知量结果的正、负来确定吸热、放热情况或做功情况。 2.能量守恒定律 ⑴.自然界存在着多种不同形式的运动，每种运动对应着一种形式的能量。如机械运动对应机械能；分子热运动对应内能；电磁运动对应电磁能。 ⑵.不同形式的能量之间可以相互转化。摩擦可以将机械能转化为内能；炽热电灯发光可以将电能转化为光能。 ⑶.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，在转化或转移的过程中其总量不变。这就是能量守恒定律。 (4).热力学第一定律、机械能守恒定律都是能量守恒定律的具体体现。 (5).能量守恒定律适用于任何物理现象和物理过程。 (6). 能量守恒定律的重要意义 第一，能量守恒定律是支配整个自然界运动、发展、变化的普遍规律，学习这个定律，不能满足一般理解其内容，更重要的是，从能量形式的多样化及其相互联系，互相转化的事实出发去认识物质世界的多样性及其普遍联系，并切实树立能量既不会凭空产生，也不会凭空消失的观点，作为以后学习和生产实践中处理一切实际问题的基本指导思想之一。第二，宣告了第一类永动机的失败。 3.第一类永动机不可能制成 任何机器运动时只能将能量从一种形式转化为另一种形式，而不可能无中生有地创造能量，即第一类永动机是不可能制造出来的。 典例探究 例1.一定量的气体在某一过程中，外界对气体做了8×104J的功，气体的内能减少了×105J，则下列各式中正确的是（） =8×104J，ΔU =×105J ，Q=4×104J =8×104J，ΔU =－×105J ，Q=－2×105J =－8×104J，ΔU =×105J ，Q=2×104J =－8×104J，ΔU =－×105J ，Q=－4×104J