浙江 成金德

物體的內(nèi)能、熱力學(xué)定律等是熱學(xué)中的主要知識(shí)。這些知識(shí)概念性強(qiáng)，內(nèi)容比較抽象，不容易掌握，加上這些知識(shí)又非高考的重點(diǎn)內(nèi)容，在教學(xué)上往往得不到應(yīng)有的重視，容易成為一個(gè)知識(shí)的盲區(qū)。為了更好地理解和掌握這些知識(shí)，有效提高教學(xué)效率，本文對(duì)這部分知識(shí)作簡要的總結(jié)和探討。

一、理解五大要點(diǎn)

1.分子動(dòng)能

(1)分子由于運(yùn)動(dòng)而具有的能叫分子動(dòng)能。物體內(nèi)部各個(gè)分子的運(yùn)動(dòng)速度是不同的，所以分子的動(dòng)能是不相等的；同一個(gè)分子運(yùn)動(dòng)的速度是時(shí)刻變化的，研究一個(gè)分子的動(dòng)能沒有實(shí)際意義。

(2)物體內(nèi)所有分子動(dòng)能的平均值叫分子的平均動(dòng)能。溫度是大量分子的平均動(dòng)能的標(biāo)志，溫度越高分子平均動(dòng)能越大。不同物質(zhì)的物體，如果溫度相同，則它們的分子平均動(dòng)能就相同，但它們的分子平均速率不同。對(duì)個(gè)別分子講溫度無意義，溫度是一個(gè)宏觀量。

(3)分子的平均動(dòng)能與物體宏觀機(jī)械運(yùn)動(dòng)的速度無關(guān)。

2.分子勢(shì)能

(1)分子間由于存在相互作用，分子間具有由它們的相對(duì)位置所決定的勢(shì)能，叫分子勢(shì)能。分子勢(shì)能的變化用分子力做功來量度，分子力做正功，分子勢(shì)能減??；分子力做負(fù)功，分子勢(shì)能增加。

(2)分子勢(shì)能與物體的體積有關(guān)。

3.物體的內(nèi)能

(1)物體內(nèi)所有分子的動(dòng)能和勢(shì)能的總和叫物體的內(nèi)能。物體的內(nèi)能與物質(zhì)的量、溫度和體積等三個(gè)因素有關(guān)。

(2)內(nèi)能和機(jī)械能是兩種不同形式的能，物體可以同時(shí)具有內(nèi)能和機(jī)械能。一定條件下內(nèi)能和機(jī)械能可以相互轉(zhuǎn)化。

(3)做功和熱傳遞是改變內(nèi)能的兩種方式。做功是其他形式的能與內(nèi)能的相互轉(zhuǎn)化過程，內(nèi)能的改變量可用做功的數(shù)值來量度；熱傳遞是物體間內(nèi)能的轉(zhuǎn)移過程，內(nèi)能轉(zhuǎn)移量用熱量來量度。

4.熱力學(xué)第一定律

(1)一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)，內(nèi)能的增量ΔU等于系統(tǒng)與外界交換的熱量Q和所做的功W之和，這個(gè)規(guī)律叫熱力學(xué)第一定律。表達(dá)式為ΔU=Q+W。

(2)能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為別的形式，或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到別的物體，在轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的過程中其總量不變，這就是能量守恒定律。

(3)能的轉(zhuǎn)化和守恒定律是自然界的普遍規(guī)律，違背該定律的第一類永動(dòng)機(jī)是無法實(shí)現(xiàn)的。

(4)物質(zhì)不同運(yùn)動(dòng)形式對(duì)應(yīng)著不同形式的能量，各種形式的能量可以相互轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移。

5.熱力學(xué)第二定律

(1)熱力學(xué)第二定律的兩種表述：其一，不可能使熱量由低溫物體傳遞到高溫物體，而不引起其他變化；其二，不可能從單一熱源吸收熱量并把它全部用來做功，而不引起其他變化。

(2)熱力學(xué)第二定律第一種表述是按照熱傳導(dǎo)過程的方向性表述的，熱力學(xué)第二定律第二種表述則是按照機(jī)械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化過程的方向性來表述的。這兩種表述是等價(jià)的，都揭示了自然界的基本規(guī)律：一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的實(shí)際宏觀過程都是不可逆的。

(3)第一類永動(dòng)機(jī)和第二類永動(dòng)機(jī)都是不可制成的，但兩者不能制成的原因不同。第一類永動(dòng)機(jī)不能制成是因?yàn)槠溥`背能的轉(zhuǎn)化和守恒定律；第二類永動(dòng)機(jī)并不違背能的轉(zhuǎn)化和守恒定律，但與熱力學(xué)第二定律相矛盾，即違背與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過程不可逆的原則。

二、弄清五個(gè)關(guān)系

1.做功與熱傳遞的關(guān)系

做功和熱傳遞在改變物體的內(nèi)能上是等效的，但本質(zhì)上有區(qū)別，即通過做功改變物體的內(nèi)能，是使物體的內(nèi)能和其他形式的能量發(fā)生轉(zhuǎn)化；通過熱傳遞改變物體內(nèi)能，是使內(nèi)能從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體。

2.熱量和內(nèi)能的關(guān)系

熱量是熱傳遞過程中物體內(nèi)能的改變量。內(nèi)能則是物體內(nèi)所有分子的動(dòng)能與分子勢(shì)能的總和，熱量與物體的內(nèi)能多少、溫度高低無關(guān)。

3.內(nèi)能與機(jī)械能的關(guān)系

內(nèi)能是由大量分子的熱運(yùn)動(dòng)和分子間相對(duì)位置所決定的能量。機(jī)械能是由物體機(jī)械運(yùn)動(dòng)和物體發(fā)生形變所決定的能量。機(jī)械能可以等于零，而內(nèi)能永遠(yuǎn)不會(huì)等于零。 但內(nèi)能和機(jī)械能可以相互轉(zhuǎn)化。

4.內(nèi)能與溫度、體積的關(guān)系

溫度是分子平均動(dòng)能的標(biāo)志，因此可以根據(jù)物體溫度的變化判斷分子平均動(dòng)能的變化，溫度升高則分子的平均動(dòng)能增加，溫度降低則分子的平均動(dòng)能減少。分子勢(shì)能由分子的相對(duì)位置決定，當(dāng)分子間距r>r0時(shí)，分子勢(shì)能隨體積的增大(減小)而增加(減少)；當(dāng)分子間距r

5.熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律的關(guān)系

熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律是熱力學(xué)的基礎(chǔ)理論知識(shí)。熱力學(xué)第一定律指出任何熱力學(xué)過程中能量必然守恒，但對(duì)過程沒有限制。熱力學(xué)第二定律指明哪些過程可以發(fā)生，哪些過程不可以發(fā)生。

三、掌握八種題型

1.考查分子的平均動(dòng)能

分子的平均動(dòng)能取決于溫度，與其他因素?zé)o關(guān)。

【例1】關(guān)于分子的動(dòng)能，下列說法中正確的是

( )

A.物體運(yùn)動(dòng)速度大，物體內(nèi)分子的動(dòng)能一定大

B.物體的溫度升高，物體內(nèi)每個(gè)分子的動(dòng)能都增加

C.物體的溫度降低，物體內(nèi)分子的平均動(dòng)能一定減少

D.物體的溫度是0℃時(shí)，則物體中分子的平均動(dòng)能為零

【答案】C

【分析】物體內(nèi)的分子熱運(yùn)動(dòng)與物體的宏觀機(jī)械運(yùn)動(dòng)無關(guān)，物體運(yùn)動(dòng)速度大，物體內(nèi)分子的動(dòng)能不一定大，選項(xiàng)A錯(cuò)誤。物體的溫度升高(或降低)，物體內(nèi)的分子平均動(dòng)能一定增大(或減小)，但不能確定某一個(gè)分子的動(dòng)能是否增大(或減小)，選項(xiàng)B錯(cuò)誤、選項(xiàng)C正確。物體的溫度是0℃時(shí)，分子的熱運(yùn)動(dòng)并不會(huì)停止，此時(shí)的分子平均動(dòng)能不為零，可見選項(xiàng)D錯(cuò)誤。

2.考查分子勢(shì)能

分子勢(shì)能的大小取決于分子間的距離。解題時(shí)要抓住r=r0的這個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，再結(jié)合分子力的做功情況進(jìn)行分析。

【例2】關(guān)于分子勢(shì)能，下列說法中正確的是

( )

A.物體的溫度越高，物體內(nèi)分子勢(shì)能越大

B.物體的體積越大，物體內(nèi)分子勢(shì)能越大

C.分子間作用力減小時(shí)，分子勢(shì)能必減小

D.分子間表現(xiàn)為斥力時(shí)，距離越小，分子勢(shì)能越大

【答案】D

【分析】分子勢(shì)能與物體的溫度無關(guān)，選項(xiàng)A錯(cuò)誤。物體的體積越大，但沒有指明是在什么區(qū)域，若在rr0區(qū)域，分子力做負(fù)功，分子勢(shì)能增大，可見選項(xiàng)B錯(cuò)誤。分子間作用力減小時(shí)，分子力是做正功還是做負(fù)功無法確定，則選項(xiàng)C錯(cuò)誤。分子間表現(xiàn)為斥力時(shí)，距離減小，則分子力做負(fù)功，分子勢(shì)能一定增大，選項(xiàng)D正確。

3.考查物體的內(nèi)能

物體的內(nèi)能取決于溫度、體積和物質(zhì)的量。

【例3】關(guān)于物體的內(nèi)能，下列說法中正確的是

( )

A.質(zhì)量和溫度相同的物體，內(nèi)能一定相同

B.一定量0℃的水結(jié)成0℃的冰，內(nèi)能一定減小

C.外界對(duì)物體做功，物體的內(nèi)能一定增加

D.物體不從外界吸收熱量，其內(nèi)能也可能增加

【答案】BD

【分析】物體的內(nèi)能取決于溫度、體積和物質(zhì)的摩爾數(shù)，可見選項(xiàng)A錯(cuò)誤。一定量0℃的水結(jié)成0℃的冰時(shí)，將放出熱量，該過程中分子的平均動(dòng)能不變，但分子勢(shì)能減小，使得內(nèi)能減小，則選項(xiàng)B正確。外界對(duì)物體做功，但物體可以放出能量，內(nèi)能不一定增加，選項(xiàng)C錯(cuò)誤。物體不從外界吸收熱量，但可以通過對(duì)其做功，使得物體的內(nèi)能增加，選項(xiàng)D正確。

4.考查做功和熱傳遞

做功和熱傳遞在改變物體的內(nèi)能上是等效的，但有本質(zhì)的區(qū)別。

【例4】以下關(guān)于做功和熱傳遞的說法中正確的是

( )

A.做功和熱傳遞都能使系統(tǒng)增加熱量

B.做功和熱傳遞都能使系統(tǒng)溫度升高

C.做功和熱傳遞都能使系統(tǒng)內(nèi)能改變

D.做功是能量的轉(zhuǎn)化過程，熱傳遞是內(nèi)能的轉(zhuǎn)移過程

【答案】BCD

【分析】熱量是物體間發(fā)生熱傳遞時(shí)能量轉(zhuǎn)移多少的量度，并非物體含有多少熱量，因此，選項(xiàng)A錯(cuò)誤。做功和熱傳遞能改變物體的內(nèi)能，能使物體的溫度升高，故選項(xiàng)BC正確。做功是能量的轉(zhuǎn)化過程，熱傳遞是能量的轉(zhuǎn)移過程，選項(xiàng)D正確。

5.考查熱力學(xué)第一定律

熱力學(xué)第一定律實(shí)質(zhì)是能量守恒定律在熱學(xué)中的應(yīng)用，它表示做功和熱傳遞能改變物體的內(nèi)能，即ΔU=Q+W。

圖1

【

例5

】如圖1所示是用導(dǎo)熱性能良好的材料制成的氣體實(shí)驗(yàn)裝置，開始時(shí)封閉的空氣柱長度為 22 cm，現(xiàn)用豎直向下的外力

F

壓縮氣體，使封閉的空氣柱長度變?yōu)? cm，人對(duì)活塞做功100 J，大氣壓強(qiáng)為

p

0

=1×10

5

Pa，不計(jì)活塞的重力。問：

(1)若用足夠長的時(shí)間緩慢壓縮，求壓縮后氣體的壓強(qiáng)多大？

(2)若以適當(dāng)?shù)乃俣葔嚎s氣體，向外散失的熱量為 20 J，則氣體的內(nèi)能增加多少？(活塞的橫截面積S=1 cm2)

【分析】(1)設(shè)壓縮后氣體的壓強(qiáng)為p，活塞的橫截面積為S，l0=22 cm，l=2 cm，V0=l0S，V=lS，緩慢壓縮，氣體溫度保持不變，根據(jù)玻意耳定律

p0V0=pV

代入數(shù)據(jù)，解得壓縮后氣體的壓強(qiáng)為p=1.1×106Pa

(2)大氣壓力對(duì)活塞做功W1=p0S(l0-l)=2 J

人對(duì)活塞做功W2=100 J

根據(jù)熱力學(xué)第一定律ΔU=W1+W2+Q

將Q=-20 J等代入，解得氣體內(nèi)能的增加量為 ΔU=82 J。

6.考查熱力學(xué)第二定律

熱力學(xué)第二定律的核心是揭示了自然界的基本規(guī)律，即一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的實(shí)際宏觀過程都是不可逆的。

【例6】以下說法中錯(cuò)誤的是

( )

A.自然界中進(jìn)行的一切宏觀過程都具有方向性，是不可逆的

B.所有熱過程都是從有序變?yōu)闊o序

C.熱量能夠從高溫物體傳到低溫物體，但不能從低溫物體傳到高溫物體

D.機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為熱量，熱量也可能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能

【答案】ABCD

【分析】熱力學(xué)第二定律揭示一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的實(shí)際宏觀過程都是不可逆的，因此選項(xiàng)A錯(cuò)誤。自發(fā)的熱過程都是從有序變?yōu)闊o序，若不是自發(fā)，也可以由無序到有序，因此，選項(xiàng)B錯(cuò)誤。熱量從高溫物體傳到低溫物體是自發(fā)的，但在一定條件下，熱量也可以從低溫物體傳到高溫物體，所以，選項(xiàng)C錯(cuò)誤。機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為熱量，但不可能將熱量全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，而不引起其他變化，選項(xiàng)D錯(cuò)誤。

7.考查永動(dòng)機(jī)

永動(dòng)機(jī)由于違反客觀科學(xué)規(guī)律、違反熱力學(xué)定律，是永遠(yuǎn)不能夠被制造出來的。

【例7】如圖2所示，一演示用的“永動(dòng)機(jī)”轉(zhuǎn)輪由5根輕桿和轉(zhuǎn)軸構(gòu)成，輕桿的末端裝有用形狀記憶合金制成的葉片。輕推轉(zhuǎn)輪后，進(jìn)入熱水的葉片因伸展而“劃水”，推動(dòng)轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng)。離開熱水后，葉片形狀迅速恢復(fù)，轉(zhuǎn)輪因此能較長時(shí)間轉(zhuǎn)動(dòng)。下列說法正確的是

( )

圖2

A.轉(zhuǎn)輪依靠自身慣性轉(zhuǎn)動(dòng)，不需要消耗外界能量

B.轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng)所需能量來自形狀記憶合金自身

C.轉(zhuǎn)動(dòng)的葉片不斷攪動(dòng)熱水，水溫升高

D.葉片在熱水中吸收的熱量一定大于在空氣中釋放的熱量

【答案】D

【分析】形狀記憶合金進(jìn)入水后受熱形狀發(fā)生改變而攪動(dòng)熱水，由能量守恒定律可知能量來源于熱水，故選項(xiàng)ABC均錯(cuò)誤；由能量守恒定律可知，葉片吸收的能量一部分轉(zhuǎn)化成葉片的動(dòng)能，一部分釋放于空氣中，故選項(xiàng)D正確。

8.考查熱現(xiàn)象的方向性

由熱力學(xué)第二定律可知，與熱現(xiàn)象有關(guān)的一切宏觀過程都具有方向性。

【例8】倒一杯熱水，然后加入適當(dāng)?shù)奶呛?，糖?huì)全部溶于水中，但一段時(shí)間后又觀察到杯底部有糖結(jié)晶，關(guān)于這個(gè)過程下列敘述正確的是

( )

A.溶解過程是自發(fā)的，結(jié)晶過程也是自發(fā)的，因此熱力學(xué)第二定律是錯(cuò)誤的

B.溶解過程是有序向無序轉(zhuǎn)變的過程

C.結(jié)晶過程是有序向無序轉(zhuǎn)變的過程

D.結(jié)晶過程不是自發(fā)的，因?yàn)橛型饨绲挠绊?/p>

【答案】BD

【分析】溶解過程是自發(fā)的，結(jié)晶過程不是自發(fā)的，選項(xiàng)A錯(cuò)誤。溶解過程是有序向無序轉(zhuǎn)變的過程，而結(jié)晶是無序向有序轉(zhuǎn)變的過程，則選項(xiàng)B正確、選項(xiàng)C錯(cuò)誤。結(jié)晶的過程是由于水分的蒸發(fā)和溫度的降低引起的，是外界因素干擾的結(jié)果，故選項(xiàng)D正確。

9.考查能量守恒定律

能量守恒定律說明任何一個(gè)過程既不會(huì)創(chuàng)造能量，也不會(huì)有能量消失，只能從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另外一個(gè)物體，或者從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式。

【例9】如圖3所示，密閉絕熱的具有一定質(zhì)量的活塞，活塞的上部封閉著氣體，下部為真空，活塞與器壁的摩擦忽略不計(jì)，置于真空中的輕彈簧的一端固定于容器的底部，另一端固定在活塞上，彈簧被壓縮后用繩扎緊，此時(shí)彈簧的彈性勢(shì)能為Ep(彈簧處于自然長度時(shí)的彈性勢(shì)能為零)，現(xiàn)繩突然斷開，彈簧推動(dòng)活塞向上運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過多次往復(fù)運(yùn)動(dòng)后活塞靜止，氣體達(dá)到平衡態(tài)，經(jīng)過此過程

( )

圖3

A.Ep全部轉(zhuǎn)換為氣體的內(nèi)能

B.Ep一部分轉(zhuǎn)換成活塞的重力勢(shì)能，其余部分仍為彈簧的彈性勢(shì)能

C.Ep全部轉(zhuǎn)換成活塞的重力勢(shì)能和氣體的內(nèi)能

D.Ep一部分轉(zhuǎn)換成活塞的重力勢(shì)能，一部分轉(zhuǎn)換為氣體的內(nèi)能，其余部分仍為彈簧的彈性勢(shì)能

【答案】D

【分析】由于氣體有壓強(qiáng)，而且活塞有重力，當(dāng)彈簧推動(dòng)活塞向上運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過多次往復(fù)運(yùn)動(dòng)后處于靜止時(shí)，彈簧仍然處于壓縮狀態(tài)，但壓縮的長度小于原來壓縮的長度，即彈簧釋放出一定量的彈性勢(shì)能，其中一部分克服重力做功轉(zhuǎn)化為重力勢(shì)能，一部分克服氣體壓力做功轉(zhuǎn)化為氣體的內(nèi)能，因此，選項(xiàng)ABC均錯(cuò)誤，只有選項(xiàng)D是正確的。