能量守恒律和热力学三定律

能量守恒定律和热力学三定律的发现

凡是有些见地的人都知道，热力学的意义绝不像热学字面上表示得那么简单，而具有非凡的普遍意义，因为宇宙间存在许多种运动形态，它们之间存在能够转化和等当换算的关系。但是，不论那种运动形态都只能以热的形态进行耗散，所以热学定律适用于各种运动形态，而且实际上不论那种运动形态的量化定律关系都可以用热力学定律予以理解和衡量。

为了能够用统一的概念和尺度比较和度量各种运动形态的运动能力（机械运动、热运动、电力、磁力、声动、生物力、化学力、核力等），在19世纪初Thomas Young在这些概念的基础上，提出了统一的概念——能态和能量。19世纪中叶，把各种运动能力分别称为机械能、热能、电能、磁能、声能、生物能、化学能和核能等。这些能态的数量关系用双边的等当关系——当量作为换算的桥梁，即以显示在他们各自的特性背后存在统一的共性和量度关系。同一性和统一的量度，永远是科学研究追求的目标，这个追求导致驾驭各种能态的度量之间存在共同的能量转化和守恒定律。

一、能量守恒定律的发现

1. 能量概念的由来

1802年英国物理家ThomasYoung 在皇家学院作了系列讲演，其中提出了科学的能量概念。

在讲演的力学部分的第8讲中，他认为对于弹性体和非弹性体的碰撞（如弹性变形和塑性变形的能力，子弹打入土或牛脂中）而言：

“能量一词很适用于一切物体的质量或重量与其速度的平方……有些人竟将它看作运动数量的真实量度……为了更好地估价这个力，还是用个不同的名字才好”。

麦克斯韦在《热理论》中说：“Thomas Young是第一个应用能量于这个关系（活力）的人”。

Ernest Mach指出“在1850年以后能量概念最早由英国物理学家逐渐传到物理领域的”，这显然指William Rankine 和Lord Kelvin说的。1851年William Rankine在《论能量转变的普遍定律》文中提出了“potential energy”、“actual energy ”和“机械能”一词。Kelvin在1851年3月写的《论热力学理论》文中，提出热力学第一定律的能量说法，1854年4月他在《论太阳系的机械能》文中，提出了“kinetic energy”、“dynamic energy”，并且建议采用“kinetic energy”作为动能专用词。

2. 能量大小的表示法

活力（vis viva）: Hu ygens 在1669年，Leibniz 在1686年在《学术会报》中都提出用“mv2 ”，后来科里奥利提出用“1/2 mv2”表示得到学术界的赞同。

3. 对热的本质的认识过程：

（1）燃素说：Newton的粒子说居统治地位后，德国的J.Becher在1669年提出油土是燃素，G.E.Stahl在1720年左右的《化学基础》基础中改“油土”为“燃素”，提出系统的燃素理论，后来被https://www.wendangku.net/doc/406705055.html,voisier用实验证明质量守恒时，否定了燃素说。

（2）热素说：J.Black为了说明热与温度的区别，引入不可见的和无重量的热素概念。

（3）热动说：对用热动说取代燃素说起了决定作用的是英国的Count Rumford和Humphry Davy，Rumford在1798年用水冷却源源不断的钻屑，使水温持续上升而无限供热，说明热不是实体而是运动，它甚至得出热功当量为940英磅（Joule后来测出为772英尺磅/1°F）。Davy在1899年发表二块冰磨擦能使水生热而融化的实验，得出“热现象的原因是运动”。此二实验给热素说以决定性的打击。奠定了热是一种运动，称为热动说。（其实，Gassendi、F.Bacon、R.Boyle和Newton等都认为热是一种运动）。Sadi Carno他: 在提出热机可逆循环的

1824年持热素观点，故未能发现热力学第一定律和能量定律。2年后他才改信热动说。

（4）热能说：与热动说相通，因为粒子的运动就是表现了热能，但严格说稍有差异。

4. 能量守恒定律发现的前提条件：

（1）必须从热是粒子的一种运动或能态的思想出发，研究机械功、热能、电能、磁能、化学能、生物能等之间的转化和守恒关系；

（2）必须从不同能量形态之间的定量转化关系出发，而不只是各种不同形态的“motion”、“force”或“krafte”之间的转化守恒，才能被认为发现了能量守恒定律。

（3）提出各种形态运动的数量之间、各种力的数量之间转化是不灭的或守恒的说法，只能是关于能量守恒的思辨或定性想法，不能认为发现了能量守恒定律。

（4）某个人只进行了各种能态之间的数理上的定量转化计算却未被实验确认，或只作了实验证实却未形成定量的原理或数学关系式，不能认为他发现了能量守恒定律。但是一旦两种论证具备，作为人类对自然规律的认识而

言，应该认为发现了能量守恒定律。

5.关于能量守恒定律发现的几个阶段：

能量守恒定律的实际发现过程可大致分为六个

阶段:

机械能守恒定律

热功转化守恒定律

热能与电能（磁能）转化守恒定律

热能—化学能转化守恒定律

化学能—生物能—机械能守恒定律

能量守恒定律

（1）机械能守恒：1842年R.Mayer提出“落下力（md）与运动（mv2）转化守恒”，1947年Helmholtz提出活力守恒定律: 1/2 m(v22—v12) = mg（h12—h22）和

力守恒定律：1/2 m（v22—v12）= ∫f ds。

1953年Rankine在《能量转化的普遍定律》文中提出机械能守恒定律：宇宙间物体的势能与实际能（即动能）的总和应为常数，。它是第一个用能的概念表述机械能的人有人称他为“能学之父”。1852年W.Thomson 发表《关于自然界中机械能耗散的普遍趋向》一文，也提出了“机械能耗散”问题，并正式论证了“机械能守恒定律”。从Galileo以后无数的科学家都做过这类实验，证明无误。

（2）热功转化守恒：从蒸汽机的研制至热力学第一定律发现，科学家和工程师们都在利用工质的热分子运动推动缸筒中的活塞运动做机械功，James Watt在1765年为了提高热利用的效率，发明冷凝器，从2-3%提高到5%。S.Carnot的热机可逆循环和E.Clapeyron在1834年提出了热功可逆循环图，就是为了研究热功转化的性质，以便将其转换率尽可能地提高。热功转化的实质是求出准确的热功当量值，为此，

理论上：通过Gay-Lussac 定律P

1V1/ T1=P2V2/ T2。。对于理想气体，PV/T ∞ R, 所以 PV =n RT,

PV: 气体做的功， T：绝对温度。此外，还可用C p / C v =1.412, Cp、Cv分别是定压比热和定容比热，根据气体的理想情况和种类，知道它们的R值，从而求出功PV与热量的比值，即热功当

量。S.Carnot计算出热功当量应为370克 / 卡，R.Mayer在1642年计算为365克M / 卡，1845年修改为 367克M / 卡，他估测过纸浆机的机械功和发热量的关系，但未得出结果。准确的热功当量值是由英国业余科学家和啤酒商人James P. Joule测出的，他用重物落下带动二磁极间的铁棒旋转而生热，以及用重物压水通过小孔产生的磨擦热量，测算热功当量。在1843年宣读的论文《论磁—电的热效应和热的机械当量值》中宣布热功当量分别为838和770磅英尺/卡。Rumford 在17世纪末测算为940磅英尺/卡。直到1848年，Joule用很多种方法做了大量实验，归纳成五种方案，得出热功当量为772磅英尺/卡，等于424.18克M / 卡。1878年他经过几十年的精确测量得出，热功当量为772.55磅英尺/卡，等于424.71克M/卡或4.16 焦耳，目前国际公认的数值为426.935克M/卡或4.1856焦耳。

热功当量是用精确的实验测量热量转化为机械功的当量值，向科学家们提供了能量转化守恒原理只有在测得准确的当量值的基础上，才能得到世人的确认。这说明热功转化和守恒作为能量守恒原理的特殊情况——热力学第一定律，能够成立，他还为能量守恒定律的论证提供了一个可靠的基础。

（3）热能与电能的转化守恒：1940年焦耳在《皇家学会议事录》上发表《论用伏打电产生的热》论文中宣布发现了电热转化的焦耳定律：Q= I2Rt，热量等于与电流的平方、电阻和时间成正比。

（4）1821和831年，Michael Faraday通过实验发现了电磁回转现象和电磁感应现象，因而发现了电力与机械力之间、电力与磁力之间的转化关系，J.C.Maxwell、W.Thomson 和Helmholtz都曾给出了定量的数学计算核算式。。

(5 ) 电能与化学能转化守恒：1832—1833年间，Michael Faraday 实验发现了电能与化学能的转化，并测定了电化当量。

（6）生物能、化学能和机械能的转化守恒：i798年Galvani 发现闪电使青蛙腿伸缩现象；Liebig在1840年代曾见实验室研制化肥，使农作物有明显收益；R.Mayer 在爪哇发现人的静脉血比在德国是要鲜红，说明热带温度高出进了血液的氧化，他和Helmholtz都举出人体分泌液体将食物化合和分解成营养物，予以消化，最后转化为四肢运动的机械能和热能。

R.Mayer、Joule、Rankine 和W.Thomson 等都通过实验和理论计算，提出了热与机械功、电、磁之间的定量转化关系，并用自己或别人的实验予以证明。但是在那个时代，科学家们只能用实验和观察化学能和生物能之间，以及与其他几种能态之间的定性转化关系，还不可能通过精确的实验得出数据和数学分析，得出定量的数学关系式，甚至连他们的转化当量都未能测定出来。（7）能量转化和守恒定律：能量守恒定律是一个通过自然界各种能态之间的转化观察和实验（部分通过数理计算预实验结合），才归纳出的科学定律，严格地说应称为能量守恒原理。上述种种发现和想法都是通过从热素说向热动说转变后才出现的。但是要真正归纳出能量守恒而不是运动守恒，还需要研究者们的观点从热动说上升为朴实的能态和能量概念。首先跨出这一步的是ThomasYoung在19世纪初，但人们认识到它的重大意义还是在1847年Helmholtz发表《力的守恒》长篇论文后，此文从理论和算式上列出活（werke）的守恒和机械能（用krafte一词）守恒表示式，并对电、磁化学亲和力和生物能等用较详细的分析和说明这些能态之间的转化守恒关系。到1951年Rankine第一次提出势能、实际能（即动能）概念和机械能守恒公式。接着，W.Thomson用能量的观点表述热力学第一定律和第二定律，此后2-4年间他应用势能和动能概念，从机械能守恒定律的研究者手，将机械能视为各种能态的最终来源和通过它转化为热而耗散。作为当时欧洲最著名的理论物理学家，它与实验学家Joule密切合作，从能量的角度对各种能态之间的转化予以审视和处理，最后归纳成综合的和普适的能量守恒定律。

小结：能量守恒定律是在19世纪20-50年代，有不同科学家在不同的国度分别从观察和思想（Grove、Colding、R.Mayer）上，,从理论计算(R.Mayer、Helmholtz、W.Thonson)上，从实验（Joule）上，分别作出自己的贡献，先由 Helmholtz用力—功的概念，最后由W.Thomson 用能

量的概念予以综合和概括，而形成的一个经验性的科学定律，严格地说，能量守恒原理比较更贴切些。

附：介绍（1）Mayer的故事（2）Joule的故事

二、热力学第一、二定律的发现

热力学第一和第二定律是以Sadi Carnot的热机可逆循环或Clapeyron的热功可逆循环为基础发展而来。Carnot从热素说和理想热机可逆循环出发，认为作为产生当量功的热量，在由热体向冷体传递时，没有损失热量。Clausius和W.Thomson认为，Carnot说的前一部分：热量转化为当量的机械功是对的，在这个基础上可以得出热力学第一定律，但是他说的補充部分“热量从热体向冷体传导而没有损失热量”，这是现实世界中是不可能实现的，为此需要修改和提出热力学地二定律。下面对第一定律稍作介绍，而把重点放在第二定律上。

这两个定律都是由德国科学家Clausius在1850年发表的《论热的动力和克由此推导热学本身的定律》中首先提出和发表的；次年又由英国的W.Thomson在《用Joule先生的热当量得出的数量结果和Raynould对整齐的观察论热的动力学理论》中，从能量和两个热源的观点提出更为实用的表述，历史上分别称为克氏说法和开氏说法。

1.热力学第一定律：Clausius的第一定律为：“在一切热做功的情况中，产生的功与消耗的热

量成正比。反之，通过消耗同样大小的功将产生同样数量的热”。1954年在《论机械热理论第二定律的一个改变形式》论文中，他第一次提出这个定律的表示式：如果工质为气体，表示式为： Q = U + PV, dQ=dU+APdV,

Q、dQ: 为进入系统的热量和热增量，U、dU为热量Q 作的内机械功及其增量。PV和PdV 为气体做的机械功及其增量。

这两个表示式与热功转化守恒定律的微妙的差异在于U或dU 项，它说明在热机中输入的热量既使活塞做了功，又使物体或气缸内的气体分子的内能（动能）增加，都应考虑。对于封闭的理想绝热系统而言，U或dU应为零。

Kelvin提出的热力学第一定律是：“物质系必须以热或机械功的形式给出同它得到的同样多的能量”。这说明他认为热和功应转化为与它们相当的能量，而不论是以什么形式。

他提出的表示式为：W+J（H1+H1+……+H1 (n-1)+H1 (n)）= 0 W: 系统作的外功，J：热功当量，H1：输入高温体与低温体之间的无数个可逆的小部分之一的热量，物质系为封闭的绝热的系统。特点是他用能量守恒的观点提出热力学第一定律。

2.热力学第二定律：Carnot的热机可逆循环实际上是不可能存在的，因为从热体传向冷体的热

量可能因为热传导、辐射和其他耗散形式而损失，而机械功会由于摩擦而将热量耗散，都是不可返回的普遍现象，绝对的封闭和绝热系统是不可能实现的。所以研究有方向性的热传导规律是极其重要的。

Clausius 在1850年及其以后的四篇论文中，提出了四种关于的热力学第二定律的说法，中具有代表性的说法有“克氏说法”

（1）1854年发表的《论机械热理论第二定律的改变形式》论文中：热力学第二定律为

“热不可能由冷体传到热体，如果不因之引起其他关系的变化”。

其中“关系”一词包括了各种能态，甚至以”krafte、功和能表示的能量”之间的转化。

尤其重要的是，他提出QF（t1，t2）= Q(1/T2-1/T1) 是个状态函数，可专门表示为：

S= ∫dQ / T, 可表示为微分形式ds = dQ / T；∫dQ / T = 0 或dQ/ T=0,为其可逆循环

的特殊情况。

●S命名：为“entropie”（希腊文η’τοοπη），模仿词义相近的“energy”的

德文字“energie”想出的。

●“entropie”的中译文：1923年5月23日德国的Ing R.Planck在南京讲学时，胡刚复

先生作翻译时按照它是热量与温度的商，并使热学方方面的词汇，造了个专用词字

“熵”。

●Clausius 提出了热力学第二定律表示式∮dQ / T ≤0，按照热功循环的正、反过

程，此式可分解为∫21dQ / T + ∫12dQ / T ≤ 0,∴ S —S0≥∫21dQ / T, 对于封闭和绝热过程：S —S0≥0，这说明，在封闭的和绝热系统中，熵增加，故称热力学第二定律为熵增原理。

（2）1875年，在《热的动力理论》中，他的新说法是：

“热不可能自发地从冷体传到热体”

“热不可能无补偿地从冷体传到热体”。

开氏说法：1851年他提出的代表性说法为：

●“不借助外部动因将热从冷体传到热体，制成永动机是不可能的”；

●“不可能由非生命的作用，将物质冷却到比周围最冷的东西还

要低的温度的方法，使物质的任何部分产生机械效应”。

●他的第二定律表示式为：

H1/ t + H1’/ t +……+H (n-1) / t (n-1)+H (n) / t (n) = 0，H：输入热量，他：温度

此时说明Thomson 在1851年已经认识到 H / t 是个状态函数熵的组合。

●王竹溪教授对笔者说过：“热力学第二定律通常是指开耳芬的说法，这个说非常深

刻，

他明确强调了两个热源的必要性，从这个说法马上可

以看到，Carnot发现的热机必须工作与两个热源之间

的结论，具有原则意义”。

Boltzmann说法：1877年Ludnig E.Boltzmann 在《机械热理论的第二定律和几率计算之间的关系，兼论热平衡的定律》文中，从热分子的有序和无序运动观点提出，

S =klogW, S: 系统总熵，W：可能出现的分子组态或无序运动的量度。

该式说明，分子无序运动的几率越大，则系统的熵将越增大，直至完全无序运动时熵无限大。

3.热寂说与“宇宙死亡”

热寂说是指一个封闭的绝热系统的内与外无热量交换，按照热力学第二定律和熵增原理，系统内的熵增加，直至热平衡时熵趋于无限大。W.Thomson 和Clausius 曾经将宇宙看作一个封闭的绝热系统，但其内的耗散热量无返回地增加时，宇宙会因为热量趋于平衡而上无限，最后死亡。

这个学说过去被说成Clausius首先提出的，而受到我国和当时的社会主义国家的所谓“马列主义者的坚决批判”，其实据笔者考证首先提出热寂说的人不是Clausius，而是W,Thomson.。

（1）W．Thomson怎样提出热寂说？W．Thomson在1952年以后形成了各种能量形态都会在与机械能转化中将热耗散，使宇宙的热量持续增加和平衡。这些在自然界中是不可逆转的。1962年他在《论太阳的年纪》文中写道：

“热力学第二定律包括了自然界中某种不可逆的作用原理。他显示了机械能虽然是不可毁灭的，却产生了热量的逐渐增加和扩散、运动停止和整个宇宙的势能殆尽。如果宇宙是有限的和服从现有的定律，不可避免的结果是宇宙静止和死亡状态”。但是他又指出，为物质的广延

设想个界限是不可能的，科学宁愿选择势能是在无限宇宙中以无限的进程转变成热量，所以得出那种令人沮丧的看法并不是必要的。他提出的热寂说的前提是：第一，宇宙是有限的和封闭绝热的，第二，热力学第二定律用于宇宙是正确的”。

可是，他对这些都是心中无底的。

（2）Clausius是怎样提出热寂说的？他在1865年4月24日在苏黎士发表的讲演并随后以《关于热动力理论主要方程的各种应用的方便形式》发表的论文中，把宇宙看作一个封闭的绝热系统，因而随着机械能的耗散而趋于热平衡，熵增至极大值。他说将熵增原理推广到宇宙，是从数学推理并通过代数加法来考虑的。他还认为，熵只包括焓、热的离散度，而未考虑热辐射、以太振动及其传的热量，以及其他非热形式传播的能量形态。今天看来，宇宙空间物质分布极不均匀，高密天体和黑洞就是巨大的负熵发源地。总之，Clausius在这些前提下用数学推理才提出他的“宇宙基本原理”：

●宇宙的能量是常数；

●宇宙的熵趋于极大值。

1867年9月23日发表的《关于机械热理论的第二定律》的讲演中，进一步回答了宇宙物体运动转化为热，又由热体传向冷体而趋向平衡，以太和辐射热使物体内的分子趋向某个状态，使其离散度达到极大值。在这种认识的转变下，他得出“在一切自然现象中，熵只能增加而不能减少，到处都处在不断的变化过程，可用如下的定律表述：宇宙的熵趋于极大值。宇宙越接近这个熵为极大值的极限状态，任何进一步的变化都不会发生了，这时宇宙就会进入一个死寂的永恒状态。”

评价：将热机很小环境中近似得出的封闭的和绝热的系统，在无限地推广到当时只有极其浮浅了解的十分复杂的宇宙，是进行了不恰当的推论。如果说，Clausius在1865年的论文中还谨慎地提到几种尚不了解的问题作为前提，那么1867年9月在一次讲演中在未进行详细的分析和论证条件下，就抛弃了两年前对未知现象的假设条件，而冒然宣布说宇宙会热寂而死亡，显然是个非科学的推论。

4.Maxwell 妖与热寂说的破解

（1）Maxwell妖：1871年热分子运动理论的奠基人Maxwell 在他的《热理论》书的末尾，以《热力学第二定律的限制》的标题，对热寂说提出一个悖论的模型“Maxwell妖”。他针对封

闭绝热系统中热分子运动从有序变无序而熵趋向极大值问题，提出悖论：.

设想一个隔板将封闭的绝热缸筒分成两个

小室，隔板中间有一小孔，孔外有一闸

板，一个小妖能操作闸板，每发现一个快

速分子穿过小孔就关死闸板，直到所有的

快速分子集中到左面的小室，慢速分子又

集中到右面的小室，使热分子与冷分子分

离，这样所有的分子就不会达到热平衡，

熵就不可能达到极大值，就能够避免热寂

现象的发生。

从Maxwell提出“Maxwell demon”后，

引起很多科学家的注意和研究，但是大半

个世纪内无法解决，成为科学界一大难

题。

（2）Maxwell 妖问题的破解：

●L. Szilard在1929年用分子信息与熵变化的关系，即用光束能否被分子散射来检测分

子速度的大小，研究Maxwell 妖的性质，因为信息是负的熵，引进信息就是增加负

熵。

●E。Schrodinger在1943-1945年讲演和发表了《生命是什么？》一书，因为生命体在

不断地增加它的熵，趋于极大值时就是死亡。生命在于增加负熵，摆脱死亡处境的唯

一办法是从环境中汲取负熵。负熵是带负号的熵，系“有序”的量度。在天体物理

上，高密天体如白矮星、脉冲星和黑洞都是产生负熵的巨大开放系统。

●L. Brilliouin在在1949-1956年发表的《科学和信息论》中指出，Maxwell的“小妖”

只能用电炬或光发现快速和慢速的分子，以便将它们分开而避免热寂现象发生。所以

引进信息就是引进负熵。

这些说明，Waxwell妖应该是个有信息进入的开放系统。

三、热力学第三定律

第一、二定律是关于热量和能量流动具有方向性的变化和转化，其运动、熵的增、减和

热力学的特性等，都是相对的，而未从绝对性的观点来考虑。1848年Kelvin 在《在卡诺动力

理论基础上和从雷诺的观察进行计算的绝对温标》论文中，根据卡诺定理和计算提出，应该建

立与物质性质无关的绝对温标，使人对观察的结果进行严格的比较。后来，据此研制出绝对温

度计。半个多世纪后，科学家们能够从物理化学上达到超低温度，才将绝对温标问题提到日程

上来。于是，他说绝对温标的特性是“所有的读数有相同的值，就是说从这个温标为T的物

体A传单位热量到（T—1）的物体B上，不论T的度数是什么，都将给出同样的机械效果，

这可恰当地称为绝对温标，因为它与人和特殊物质的物理性质完全

无关”。

1.Nernst 定理：

哥廷根大学的物理化学家Walter H。Nernst 在1905年在12月

23日在哥廷根科学协会宣读了论文《论又热测量计算化学平衡》，

次年1月在该学会的《通讯》上发表，提出了后来十分著名的“热

定理”。他根据Gibbs—Helmholtz方程： A—U = T dA/dT， A：做

的最大功，U：化学反应热，按照Pierre E.M.Berthelot的化学反应

最最大功原理：dA/dT=0, ∴A=U, Lim dA/dT = lim dU/ dT,这说明在T= 0 时 A = U = 定植，并且在此值上两个曲线相切。按照

Nernst定理，定容比热C v = dU/ dT, 当lim dU/dT = 0 时，C v = 0,即绝对零度时定容比热是零。因

而提出了检验Nernst定理的方法，但是由于实验上的困难，还应等待实验条件的成熟。1906年

Einstein的比热公式经过Nernst和Lindmann的检查和修改其偏差后，Nernst等测量了低温的定

容比热，并经过几位著名科学家的认定。

2.热力学第三定律：

经过像Planck、Einsten 和Nernst这样的科学家对比热值的反复修改和订正后，Nernst在

1912年2月，在普鲁士科学院的《会报》上发表的论文中提出

热力学第三定律为：绝对零度不可达

同年稍后，他在发表的《热力学和比热》论文中进一步得出：

不可能通过无限范围发生的过程，将物体冷却到绝对零度

3. 热力学第三定律的熵概念说法：

M.Planck在1911年就从熵的概念提出过：

化学上均匀材质的凝聚态（即固态和液态）的熵在绝对零度时为零

后来由于发现气体在接近绝对零度时，出现简并现象和相变现象，材质呈现不均匀状态，因

而在绝对零度时比热和熵就会不是零，为此到1937年Nerns t的弟子和合作者Franz Simon 提

出了热力学第三定律的新说法：

在绝对零度时处于内部平衡的各个亚系( subsystem ) 的熵增为零1956年当时任牛津大学教授的Simon应英国物理学会的邀请，就热力学第三定律发表50周年发表讲演，他终结后说：

‘处于物体内部热力平衡的系内的一切因素的熵在绝对零度时消失’，

可无例外地用于一切情况，所以它是一个普遍的热力学定律表述。

从此这个原理不再有争议地认为热力学第三定律。

第三章 热力学第二定律

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

摘 要 介绍了热力学三个定律和非平衡态热力学的发展过程及其

摘要介绍了热力学三个定律和非平衡态热力学的发展过程及其关系，并阐述了热力学定律和热力学量的含义。 关键词热力学不可逆过程热力学熵 化学是论述原子及其组合方式的科学。人们最初考察化学反应时，是把反应物放在一起，经过加热等手段，然后分析得到些什么产物，后来根据原子分子假说，有了“当量”的概念，建立了反应物与产物之间的一定联系。人们根据化学组分随条件的变化，发现了质量作用定律，引伸出化学平衡常数。运用热力学定律，人们开始掌握从热力学函数去计算化学平衡常数的方法，并且可以对化学反应的方向作出判断，诞生了化学热力学。 化学现象是由反应速率表征的，只有在非平衡条件下化学反应过程才会呈现出非零的反应速率。因此，化学现象本身是一种非平衡现象。化学热力学应属于非平衡热力学(也即不可逆过程热力学)的范畴。但是，传统热力学虽然从科学体系来看，的确是严谨而完美的；严格来讲，整部经典热力学并不涉及“时间”和“空间”，它主要限于研究平衡态和可逆过程，其主要原因是长期以来整个非平衡热力学缺乏一个较为令人满意的理论。现实世界发生的变化却不可避免地涉及到时间上的演化和空间上的不均匀性，这种变化都是不可逆的。对非平衡的不可逆过程，经典热力学仅仅提供了一个关于熵(或自由能)的不等式，要对非平衡过程作定量描述，必须寻找适当的等式代替上述不等式。 还有一点应指出，由于传统的化学热力学只涉及平衡问题，因此几乎和化学动力学不发生关系。非平衡化学反应的热力学必定要与非平衡的化学过程相联系，热力学不再能和动力学相分离，动力学因素(如催化剂)有可能在热力学上起作用，如何把化学热力学和化学动力学有机地结合起来是值得研究的一个重要课题。 尽管线性非平衡态热力学理论对热传导、扩散等输运过程有主要应用，但对化学反应的应用却受到很大的限制，这是因为通常条件下的化学反应的流(反应速度)和力(反应亲和势)并不满足线性关系。化学反应的速率一般地说是浓度、温度等变量的非线性函数，化学反应体系是用三维线性方程描述的，本世纪60年代以来对非线性区的研究获得可喜的成果，并已形成了“非线性不可逆过程热力学”。 热力学是一门实验科学，又是牢固地以严格的代数为基础的领域。热力学是由一群方程式和一些不等式构成的，这些方程式和不等式将某些类型的可测物理量相互联系起来。著名的量子化学家美国波士顿学院教授潘毓刚曾说古典热力学有千万个公式，而量子力学只有一个公式--薛定谔方程，任何一个热力学方程都是很有用的，因为某些量比另一些量容易测量，通过测量易测之量，利用热力学方程式，就可以得出那个难测之量。 热力学的基本内容，就是论证几个抽象的热力学量的存在(温度、热力学能、熵)并研究热力学量之间的关系。 热力学中一个平衡系统完全由一组参量(体积、温度、熵)描述，我们总是认为这组参量是完整的。然而，人们评价热力学之所以有力和有独到之处，就在于它本质上的不完整性，这样一个系统在许多细节上还有大量不知道的这一事实，也许正是热力学家们引以自豪的根源。由于不要求系统内部知识的完整性，有了系统参量就可以精确地导出系统的值，充分利用已有的知识，促使成为可用的东西才是更富有成效的工作。 把热力学的基本原理用来研究化学现象以及和化学现象有关的物理现象，就称为化学热力学。 热力学第零定律正确的表述应为“热平衡具有传递性，由此，证明存在一个表征热平衡状念的态函数--温度。温度在热力学中时常出现，温度是一个极其特殊的物理量，两个物体的温度不能相加，若说某一温度为其它两个温度之和是毫无意义的，甚至，某温度的几倍，以某种单位来测量温度等等说法，也都缺乏明确的意义，严格讲，两个温度之间只有相等或不相等这种关系。测量、普通的观测，测量所得的即为该单位的倍数或小数，但

第3讲热力学定律与能量守恒

第3讲热力学定律与能量守恒 考点一热力学第一定律的理解及应用 1．热力学第一定律的理解 不仅反映了做功和热传递这两种方式改变内能的过程是等效的，而且给出了内能的变化量和做功与热传递之间的定量关系。 2．对公式ΔU＝Q＋W符号的规定 符号W Q ΔU ＋外界对物体做功物体吸收热量内能增加 －物体对外界做功物体放出热量内能减少 三种特殊的状态变化过程 (1)如图所示的绝热过程：有Q＝0，则W＝ΔU，外界对系统做的功等于系统内能的增加。 (2)不做功过程：即W＝0，则Q＝ΔU，系统吸收的热量等于系统内能的增加。 (3)内能不变过程：即ΔU＝0，则W＋Q＝0或W＝－Q，外界对系统做的功等于系统放出的热量。 [思维诊断] (1)物体吸收热量，同时对外做功，内能可能不变。() (2)绝热过程中，外界压缩气体，对气体做功，气体的内能可能减少。() (3)自由摆动的秋千摆动幅度越来越小，能量并没有消失。() (4)热传递和做功的实质不相同。() 答案：(1)√(2)×(3)√(4)√ [题组训练] 1．[热力学第一定律与热学知识的组合](多选)下列说法中正确的是() A．尽管技术不断进步，但热机的效率仍不能达到100%，而制冷机却可以使温度降到

热力学零度 B．雨水没有透过布雨伞是液体表面张力的作用导致的 C．气体温度每升高1 K所吸收的热量与气体经历的过程有关 D．空气的相对湿度定义为水的饱和蒸汽压与相同温度时空气中所含水蒸气压强的比值E．悬浮在液体中的微粒越大，在某一瞬间撞击它的液体分子数越多，布朗运动越不明显 解析：热力学零度只能接近而不能达到，A错误；雨水没有透过布雨伞是液体表面张力的作用导致的，B正确；由热力学第一定律ΔU＝Q＋W知，温度每升高1 K，内能增加，但既可能是吸收热量，也可能是对气体做功使气体的内能增加，C正确；空气的相对湿度是指空气中所含水蒸气的压强与同温度下的饱和蒸汽压的比值，故D错误；微粒越大，某一瞬间撞击它的分子数越多，受力越容易平衡，布朗运动越不显著，E正确。 答案：BCE 2．[应用热力学第一定律定量计算] 如图所示，一定质量的理想气体由状态a沿a→b→c变化到状态c时，吸收了340 J的热量，并对外做功120 J。若该气体由状态a沿a→d→c变化到状态c时，对外做功40 J，则这一过程中气体________(填“吸收”或“放出”)________J热量。 解析：一定质量的理想气体由状态a沿a→b→c变化到状态c，吸收了340 J的热量，并对外做功120 J，由热力学第一定律有ΔU＝Q1＋W1＝340 J－120 J＝220 J，即从状态a到状态c，理想气体的内能增加了220 J；若该气体由状态a沿a→d→c变化到状态c时，对外做功40 J，此过程理想气体的内能增加还是220 J，所以可以判定此过程是吸收热量，由热力学第一定律有ΔU＝Q2＋W2，得Q2＝ΔU－W2＝220 J＋40 J ＝260 J 答案：吸热260 J 3．[热力学第一定律与气体实验定律的综合应用]一定质量的理想气体经历如图A→B→C→D→A所示循环过程，该过程每个状态视为平衡态。已知A态的温度为27 ℃。求：

第3讲 热力学定律与能量守恒定律

第3讲热力学定律与能量守恒定律 知识要点 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)ΔU＝Q＋W中正、负号法则： 物理量 意义 W Q ΔU 符号 ＋外界对物体做功物体吸收热量内能增加 －物体对外界做功物体放出热量内能减少 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。 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。 三、能量守恒定律 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。 基础诊断 1.(多选)下列说法正确的是() A.外界压缩气体做功20 J，气体的内能可能不变 B.电冰箱的工作过程表明，热量可以从低温物体向高温物体传递 C.科技的进步可以使内燃机成为单一热源的热机 D.对能源的过度消耗将使自然界的能量不断减少，形成能源危机 E.一定量100 ℃的水变成100 ℃的水蒸气，其分子之间的势能增加 答案ABE 2.(多选)下列说法正确的是() A.分子间距离增大时，分子间的引力减小，斥力增大 B.当分子间的作用力表现为斥力时，随分子间距离的减小分子势能增大 C.一定质量的理想气体发生等温膨胀，一定从外界吸收热量 D.一定质量的理想气体发生等压膨胀，一定向外界放出热量 E.熵的大小可以反映物体内分子运动的无序程度 解析分子间距离增大时，分子间的引力、斥力都减小，A错误；当分子间的作用力表现为斥力时，随分子间距离的减小，斥力做负功，分子势能增大，B正确；等温膨胀，温度不变，气体内能不变，体积增大，对外做功，要保持内能不变，所以需要从外界吸收热量，C正确；等压膨胀，压强不变，体积增大，根据公式 pV ＝C可得温度升高，内能增大，需要吸收热量，故D错误；熵的物理意义反T 映了宏观过程对应的微观状态的多少，标志着宏观状态的无序程度，即熵是物体内分子运动无序程度的量度，E正确。

第3节热力学第一定律

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：A U=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、A U)的正、负； ②根据方程A U=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8X104尚功，气体的内能减少了1.2杓勺，则下列

热力学三定律

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

第五章热力学第二定律与熵

第五章热力学第二定律与熵 教学目的与要求： 理解热力学第二定律的两种表述及其实质，知道如何判断可逆与不可逆过程；理解热力学第二定律的实质及其与第一定律、第零定律的区别；理解卡诺定理与热力学温标；理解熵的概念与熵增加原理；了解热力学第二定律的数学表达式；了解熵的微观意义及玻耳兹曼关系。 教学方法： 课堂讲授。引导学生深刻理解热力学第二定律的实质。通过介绍宏观状态与微观状态的关系来阐述熵的微观意义与玻耳兹曼关系，加深对熵概念的认识。 教学重点： 热力学第二定律的两种表述及其实质，热力学第二定律的实质，与第一定律、第零定律的区别，熵的概念与熵增加原理 教学时数：12学时 主要教学内容： §5.1 热力学第二定律的表述及其实质 一、热力学第二定律的表述 在制造第一类永动机的一切尝试失败之后，一些人又梦想着制造另一种永动机，希望它不违反热力学第一定律，而且既经济又方便。 比如，这种热机可直接从海洋或大气中吸取热量使之完全变为机械功（无需向低温热源放热）。由于海洋和大气的能量是取之不尽的，因而这种热机可永不停息地运转做功，也是一种永动机。 1、开尔文(Kelvin) 表述：不可能从单一热源吸收热量，使之完全变为有用功而不产生其它影响。 说明： 单一热源：指温度均匀的恒温热源。 其它影响：指除了“由单一热源吸收热量全部转化为功” 以外的任何其它变化。 功转化为热的过程是不可逆的。 思考1：判断正误： 功可以转换为热，而热不能转换为功。 ---错，如：热机：把热转变成了功，但有其它变化：热量从高温热源传给了低温热源。 思考2： 理想气体等温膨胀过程中，从单一热源吸热且全部转化为功。这与热二律有矛盾吗？ ---不矛盾。理气等温膨胀：把热全部变成了功，但系统伴随了其它变化：气体的体积膨胀。 2、克劳修斯(Clausius)表述：不可能把热量从低温物体传到高温物体而不引起其它影响。 “热量由高温物体传向低温物体的过程是不可逆的”

物理化学热力学第三定律练习题及答案知识讲解

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 ；

高考经典课时作业11-3 热力学定律与能量守恒

高考经典课时作业11-3 热力学定律与能量守恒 （含标准答案及解析） 时间：45分钟分值：100分 1．下列叙述和热力学定律相关，其中正确的是() A．第一类永动机不可能制成，是因为违背了能量守恒定律 B．能量耗散过程中能量不守恒 C．电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界，违背了热力学第二定律D．能量耗散是从能量转化的角度反映出自然界中的宏观过程具有方向性 2．根据热力学第二定律，下列说法中正确的是() A．热量能够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．热量能够从高温物体传到低温物体，也可能从低温物体传到高温物体 C．机械能可以全部转化为内能，但内能不可能全部转化为机械能 D．机械能可以全部转化为内能，内能也可能全部转化为机械能 3．关于一定量的气体，下列叙述正确的是() A．气体吸收的热量可以完全转化为功 B．气体体积增大时，其内能一定减少 C．气体从外界吸收热量，其内能一定增加 D．外界对气体做功，气体内能可能减少 4．(2013·东北三校二模)一个气泡从湖底缓慢上升到湖面，在上升的过程中温度逐渐升高，气泡内气体可视为理想气体，在此过程中，关于气泡内气体下列说法正确的是() A．气体分子平均动能变小 B．气体吸收热量 C．气体对外做功 D．气体内能增加 5．(2012·高考广东卷)景颇族的祖先发明的点火器如图所示，用牛角做套筒，木制推杆前端粘着艾绒，猛推推杆，艾绒即可点燃，对筒内封闭的气体，在此压缩过程中() A．气体温度升高，压强不变 B．气体温度升高，压强变大 C．气体对外界做正功，气体内能增加 D．外界对气体做正功，气体内能减少 6．(2011·高考重庆卷)某汽车后备箱内安装有撑起箱盖的装置，它主要由汽缸和活塞组成．开箱时，密闭于汽缸内的压缩气体膨胀，将箱盖顶起，如图所示．在此过程中，若缸内气体与外界无热交换，忽略气体分子间相互作用，则缸内气体() A．对外做正功，分子的平均动能减小 B．对外做正功，内能增大 C．对外做负功，分子的平均动能增大 D．对外做负功，内能减小

从四大定律角度对热力学学习的认识

从四大定律角度对热力学学习的认识 2013级物理萃英班洪熹宇 摘要： 热力学是一门研究热运动的宏观理论，它与统计物理学的研究目的，都在于研究运动的规律，同时研究与热运动有关的物性，以及宏观物质系统的演化过程。但是它与统计物理学的研究方法上有着很大的不同，统计物理学侧重于从微观角度分析和解决问题，而热学的基础则是建立在宏观的基础上。它是一种唯象的宏观理论，具有较高的普适性和一般性。本文由学生在热力学学习过程中，将自己的体会与知识相结合，从四大定律着手给出学生对于热力学研究意义的思考和认识。 关键词：热力学三大定律，热平衡定律，能量守恒，自由能，熵，绝对零度 正文： 一、热力学四大定律的发现与形式 宏观角度看待问题的是经典的，因此热力学总是能给出一个条件给定系统的最终平衡状态的各个参数。人们在对热力学研究的基础上，总结出了热力学的三大定律，加上热平衡定律，便构成了热力学最主要的四个结论。 首先，能量守恒与转换定律是自然界最普遍、最基本的规律之一。它指出，自然界中的一切物质都具有能量，能量有各种不同的形式，这种不同形式的能量都可以转移（从一个物体传递到另一个物体），也可以相互转换(从一种能量形式转变为另一种能量形式)，但在转移和转换过程中，它们的总量保持不变。这一规律成为能量守恒与转换定律。能量守恒与转换定律应用在热力学中，或者说应用在伴有热效应的各种过程中，便是热力学第一定律。历史上，焦耳在绝热过程中所做的两个实验，首先认识到外界对于系统所做的功，仅仅与系统的初态和末态是相关联的。在此人们定义了一个内能的概念，它的意义是，系统在末态和初态的内能之差，等于在过程中外界对系统所做的功与系统从外界吸收的热量之和，这便是热力学第一定律的数学表达形式。此外，在工程热力学上，热力学第一定律也可表述成“热是能的一种，机械能变热能或热能变机械能时，它们之间的比值是一定的”，或者“热可以变功，功可以变热。一定量的热消失时必定产生相应量的功；消耗一定量的功时必定出现与之相应量的热”。 其次，人们在各类实验基础上又发现了热力学第二定律。卡诺在研究中发现，各种热机运动最终都服从于卡诺关于可逆热机的两个定理。然而卡诺在热机工作过程的认知上并不正确，由此克劳修斯和开尔文分别提出了热力学第二定律的两种表述：开尔文提出了“利用无生命物质的作用，把物质任何部分冷到比它周围最冷的客体以下，以产生机械效应，这是不可能的”。现在表述为“不可能从单一热源吸取热量，使之完全变为有用的功，而不产生其它影响”，克劳修斯提出了“不可能把热量，从低温物体传到高温物体，而不引起其他变化。”，二者分别从不同角度说明了热力学第二定律的实质，即任何与热现象有关的实际过程都有着其自发进行的方向，是不可逆的。这两种表述也可以相互进行逻辑上的论证，由此也发现了不同种类的不可逆过程本质上其实是可以互相进行推断的。特别的，在孤立系统下，由热力学第二定律可以推出重要的熵增加原理，为今后判断孤立系统的稳定平衡条件提供了依据。 随着科学研究的深入和对于低温条件获取的需要，人们在思考，究竟可不可以通过有限的过程实现绝对零度？20世纪初,人们通过对低温下热力学现象的研究,确定了物质熵值的零点,逐步建立起了热力学第三定律,进而提出了规定熵的概念,为解决一系列的热力学问题提供了极大的方便。热力学第三定律可以准确、简洁的表述为:0K时,任何完美晶体的熵值为0。也可以表达为，绝对零度不能达到。

高中物理考试热力学定律与能量守恒定律

选修3-3 第3讲 一、选择题 1．有关“温度”的概念，下列说法中正确的是( ) A．温度反映了每个分子热运动的剧烈程度 B．温度是分子平均动能的标志 C．一定质量的某种物质，内能增加，温度一定升高 D．温度较高的物体，每个分子的动能一定比温度较低的物体分子的动能大 [答案] B [解析] 温度是分子平均动能的标志，但不能反映每个分子的运动情况，所以A、D错误，由ΔU＝Q＋W可知C错，故选项B正确． 2．第二类永动机不可能制成，这是因为( ) A．违背了能量守恒定律 B．热量总是从高温物体传递到低温物体 C．机械能不能全部转变为内能 D．内能不能全部转化为机械能，同时不引起其他变化 [答案] D [解析] 第二类永动机的设想虽然符合能量守恒定律，但是违背了能量转化中有些过程是不可逆的规律，所以不可能制成，选项D正确． 3．(2010·重庆)给旱区送水的消防车停于水平地面．在缓慢放水过程中，若车胎不漏气，胎内气体温度不变，不计分子间势能，则胎内气体( ) A．从外界吸热B．对外界做负功 C．分子平均动能减小D．内能增加 [答案] A [解析] 该题考查了热力学定律，由于车胎内温度保持不变，故分子的平均动能不变，内能不变，放水过程中体积增大对外做功，由热力学第一定律可知，胎内气体吸热．A选项正确． 4．如图所示，两相同的容器装同体积的水和水银，A、B两球完全 相同，分别浸没在水和水银的同一深度，A、B两球用同一种特殊的材料 制成，当温度稍升高时，球的体积会明显变大．如果开始时水和水银的 温度相同，且两液体同时缓慢地升高同一值，两球膨胀后，体积相等， 则( ) A．A球吸收的热量较多 B．B球吸收的热量较多

热力学三大定律

热力学第一定律 热力学第一定律：也叫能量不灭原理，就是能量守恒定律。 简单的解释如下： ΔU = Q+ W 或ΔU=Q-W（目前通用这两种说法，以前一种用的多） 定义：能量既不会凭空产生，也不会凭空消灭，它只能从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到另一个物体，在转化或转移的过程中，能量的总量不变。 基本内容：热可以转变为功，功也可以转变为热；消耗一定的功必产生一定的热，一定的热消失时，也必产生一定的功。 普遍的能量转化和守恒定律在一切涉及热现象的宏观过程中的具体表现。热力学的基本定律之一。 热力学第一定律是对能量守恒和转换定律的一种表述方式。热力学第一定律指出，热能可以从一个物体传递给另一个物体，也可以与机械能或其他能量相互转换，在传递和转换过程中，能量的总值不变。 表征热力学系统能量的是内能。通过作功和传热，系统与外界交换能量，使内能有所变化。根据普遍的能量守恒定律，系统由初态Ⅰ经过任意过程到达终态Ⅱ后，内能的增量ΔU应等于在此过程中外界对系统传递的热量Q 和系统对外界作功A之差，即UⅡ－UⅠ＝ΔU＝Q－W或Q＝ΔU＋W这就是热力学第一定律的表达式。如果除作功、传热外，还有因物质从外界进入系统而带入的能量Z，则应为ΔU＝Q－W＋Z。当然，上述ΔU、W、Q、Z均可正可负（使系统能量增加为正、减少为负）。对于无限小过程，热力学第一定律的微分表达式为 δQ＝dU＋δW因U是态函数，dU是全微分[1]；Q、W是过程量，δQ和δW只表示微小量并非全微分，用符号δ以示区别。又因ΔU或dU只涉及初、终态，只要求系统初、终态是平衡态，与中间状态是否平衡态无关。 热力学第一定律的另一种表述是：第一类永动机是不可能造成的。这是许多人幻想制造的能不断地作功而无需任何燃料和动力的机器，是能够无中生有、源源不断提供能量的机器。显然，第一类永动机违背能量守恒定律。 热力学第二定律 (1)概述/定义 ①热不可能自发地、不付代价地从低温物体传到高温物体(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，这是按照热传导的方向来表述的)。 ②不可能从单一热源取热，把它全部变为功而不产生其他任何影响(这是从能量消耗的角度说的,它说明第二类永动机是不可能实现的）。 (2)说明

2021届山东新高考物理一轮复习讲义：第12章 第3节 热力学定律与能量守恒定律 Word版含答案

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

热力学三大定律

热力学三大定律 热力学第一定律 热力学第一定律是能量守恒定律。热力学第二定律有几种表述方式：克劳修斯表述热量可以自发地从较热的物体传递到较冷的物体，但不可能自发地从较冷的物体传递到较热的物；开尔文-普朗克表述不可能从单一热源吸取热量，并将这热量变为功，而不产生其他影响。热力学第三定律通常表述为绝对零度时，所有纯物质的完美晶体的熵值为零。或者绝对零度（T=0K）不可达到。 热力学第一定律也就是能量守恒定律。 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做功的和。（如果一个系统与环境孤立，那么它的内能将不会发生变化。） 表达式:△U=W+Q 符号规律 ：热力学第一定律的数学表达式也适用于物体对外做功，向外界散热和内能减少的情况，因此在使用:△U=W+Q时，通常有如下规定： ①外界对系统做功，W>0，即W为正值。 ②系统对外界做功，也就是外界对系统做负功，W<0,即W为负值 ③系统从外界吸收热量，Q>0，即Q为正值 ④系统从外界放出热量，Q<0，即Q为负值 ⑤系统内能增加，△U>0，即△U为正值 ⑥系统内能减少，△U<0，即△U为负值 从三方面理解 1.如果单纯通过做功来改变物体的内能，内能的变化可以用做功的多少来度量，这时物体内能的增加（或减少)量△U就等于外界对物体（或物体对外界）所做功的数值，即△U=W 2.如果单纯通过热传递来改变物体的内能，内能的变化可以用传递热量的多少来度量，这时物体内能的增加（或减少)量△U就等于外界吸收（或对外界放出）热量Q的数值，即△U=Q 3.在做功和热传递同时存在的过程中，物体内能的变化，则要由做功和所传递的热量共同决定。在这种情况下，物体内能的增量△U就等于从外界吸收的热量Q和对外界做功W之和。即△U=W+Q 能量守恒定律 能量既不能凭空产生，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。 能量的多样性 物体运动具有机械能、分子运动具有内能、电荷具有电能、原子核内部的运动具有原子能等等，可见，在自然界中不同的能量形式与不同的运动形式相对应。 不同形式的能量的转化 “摩擦生热”是通过克服摩擦力做功将机械能转化为内能；水壶中的水沸腾时水蒸气对壶盖做功将壶盖顶起，表明内能转化为机械能；电流通过电热丝做功可将电能转化为内能。。。这些实例说明了不同形式的能量之间可以相互转化，且这一转化过程是通过做功来完成的。 能量守恒的意义

对热力学第三定律的理解及应用

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。

11、第3讲 热力学定律与能量守恒定律 (3).pdf

[随堂巩固提升] 1．关于一定量的气体，下列叙述正确的是( ) A ．气体吸收的热量可以完全转化为功 B ．气体体积增大时，其内能一定减少 C ．气体从外界吸收热量，其内能一定增加 D ．外界对气体做功，气体内能可能减少 解析：选AD 由热力学第二定律知吸收的热不能自发地全部转化为功，但通过其他方法可以全部转化为功，故A 正确；气体体积增大，对外做功，若同时伴随有吸热，其内能不一定减少，B 错误；气体从外界吸热，若同时伴随有做功，其内能不一定增加，C 错误；外界对气体做功，同时气体放热，其内能可能减少，D 正确。 2．一定量的理想气体在某一过程中，从外界吸收热量 2.5×104J ，气体对外界做功1.0×104 J ，则该理想气体的( ) A ．温度降低，密度增大 B ．温度降低，密度减小 C ．温度升高，密度增大 D ．温度升高，密度减小 解析：选D 由ΔU ＝W ＋Q 可得理想气体内能变化ΔU ＝－1.0×104 J ＋2.5×104 J ＝ 1.5×104 J ＞0，故温度升高，A 、B 两项均错；因为气体对外做功，所以气体一定膨胀，体 积变大，由ρ＝m V 可知密度变小，故C 项错误，D 项正确。 3．(2011·新课标全国卷)对于一定量的理想气体，下列说法正确的是( ) A ．若气体的压强和体积都不变，其内能也一定不变 B ．若气体的内能不变，其状态也一定不变 C ．若气体的温度随时间不断升高，其压强也一定不断增大 D ．气体温度每升高1 K 所吸收的热量与气体经历的过程有关 E ．当气体温度升高时，气体的内能一定增大 解析：选ADE 一定质量的理想气体，pV T ＝常量，p 、V 不变，则T 不变，分子平均动能不变，又理想气体分子势能为零，故气体内能不变，A 项正确；理想气体内能不变，则温 度T 不变，由pV T ＝常量知，p 及V 可以变化，故状态可以变化，B 错误；等压变化过程，温度升高、体积增大，故C 错误；由热力学第一定律ΔU ＝Q ＋W 知，温度每升高1 K ，内能增量ΔU 一定，而外界对气体做的功W 与经历的过程可能有关(如体积变化时)，因此吸收的热量与气体经历的过程也有关，D 项正确；温度升高，平均动能增大，分子势能不变，内能

第三节 热力学第一定律 能量守恒定律 新课标 人教版

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。