云南 張保雷 玉文昆

熱力學(xué)定律是高中物理的重要內(nèi)容，也是高考的熱點(diǎn)內(nèi)容之一，不同版本的高中物理教科書均把該內(nèi)容單獨(dú)列為一章。熱力學(xué)定律的表述多樣，內(nèi)涵豐富，知識(shí)點(diǎn)間相互聯(lián)系，且不易理解，學(xué)生往往感覺神秘莫測(cè)、知其然不知其所以然，因此該部分內(nèi)容是學(xué)習(xí)的難點(diǎn)。本文歸納整理了熱力學(xué)定律的知識(shí)點(diǎn)，并分析了其內(nèi)涵和內(nèi)在的邏輯關(guān)系，期望在進(jìn)行高中物理專題復(fù)習(xí)時(shí)，能夠幫助師生正確認(rèn)識(shí)和理解熱力學(xué)定律的內(nèi)涵和精髓。

1.熱力學(xué)第一定律

一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)能變化量等于外界向它傳遞的熱量與外界對(duì)它所做的功的和，這個(gè)關(guān)系叫作熱力學(xué)第一定律，關(guān)系式為ΔU=Q+W。

物體中所有分子的熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)能和分子勢(shì)能的總和，稱為內(nèi)能。熱力學(xué)第一定律的研究?jī)?nèi)容是改變內(nèi)能的方式，其實(shí)質(zhì)是能量的守恒和轉(zhuǎn)化，在物體跟外界同時(shí)發(fā)生做功和熱傳遞的過(guò)程中，物體內(nèi)能變化量ΔU由外界對(duì)物體做的功W和物體從外界吸收的熱量Q相加而得。在運(yùn)用公式ΔU=Q+W解答問題時(shí)，首先要掌握該公式中符號(hào)的物理意義：①外界對(duì)物體做的功W>0，表示外界對(duì)系統(tǒng)做正功，系統(tǒng)對(duì)外界做負(fù)功，表現(xiàn)為系統(tǒng)體積壓縮；W<0，表示外界對(duì)系統(tǒng)做負(fù)功，系統(tǒng)對(duì)外界做正功，表現(xiàn)為系統(tǒng)體積膨脹。②物體從外界吸收的熱量Q>0，表示物體吸熱；Q<0，表示物體放熱。③物體內(nèi)能變化量ΔU>0，表示物體內(nèi)能增加；ΔU<0，表示物體內(nèi)能減少。對(duì)于一定質(zhì)量的理想氣體而言，內(nèi)能的增加表現(xiàn)為溫度升高，內(nèi)能的減少表現(xiàn)為溫度降低。

【例1】(2021年山東省普通高中學(xué)業(yè)水平等級(jí)考試第2題)如圖1所示，密封的礦泉水瓶中，距瓶口越近水的溫度越高。一開口向下、導(dǎo)熱良好的小瓶置于礦泉水瓶中，小瓶中封閉一段空氣。擠壓礦泉水瓶，小瓶下沉到底部；松開后，小瓶緩慢上浮。上浮過(guò)程中，小瓶?jī)?nèi)氣體

圖1

( )

A.內(nèi)能減少

B.對(duì)外界做正功

C.增加的內(nèi)能大于吸收的熱量

D.增加的內(nèi)能等于吸收的熱量

【答案】B

【例2】(江蘇省2021年普通高中學(xué)業(yè)水平合格性考試第13題)(節(jié)選)如圖2所示，一定質(zhì)量理想氣體被活塞封閉在氣缸中，活塞的面積為S，與氣缸底部相距L，氣缸和活塞絕熱性能良好，氣體的壓強(qiáng)、溫度與外界大氣相同，分別為p0和t0?，F(xiàn)接通電熱絲加熱氣體，一段時(shí)間后斷開，活塞緩慢向右移動(dòng)距離L后停止，活塞與氣缸間的滑動(dòng)摩擦力為f，最大靜摩擦力等于滑動(dòng)摩擦力，整個(gè)過(guò)程中氣體吸收的熱量為Q，求該過(guò)程中內(nèi)能的增加量ΔU。

圖2

【解析】活塞移動(dòng)時(shí)受力平衡有p1S=p0S+f，氣體對(duì)外界做功W=p1SL=(p0S+f)L，根據(jù)熱力學(xué)第一定律ΔU=Q+W，解得該過(guò)程中氣體內(nèi)能的增加量為ΔU=Q-(p0S+f)L。

【點(diǎn)評(píng)】在運(yùn)用熱力學(xué)第一定律解決定性分析問題時(shí)，首先要確定研究對(duì)象，進(jìn)而確定哪些量不變、哪些量變化，準(zhǔn)確掌握ΔU、Q和W的物理意義，確定各物理量的“正負(fù)”；定量計(jì)算W時(shí)，可能會(huì)運(yùn)用到氣體實(shí)驗(yàn)定律、共點(diǎn)力的平衡、牛頓運(yùn)動(dòng)定律等知識(shí)，要對(duì)變化過(guò)程、受力特點(diǎn)、運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行正確分析，求出與W相關(guān)的力、體積變化、運(yùn)動(dòng)距離等，再結(jié)合熱力學(xué)第一定律，問題即可得到解答。

2.熱力學(xué)第二定律

熱力學(xué)第二定律有兩種常見表述：①克勞修斯表述：熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體；②開爾文表述：不可能從單一熱庫(kù)吸收熱量，使之完全變成功，而不產(chǎn)生其他影響。

表述①指出了在自發(fā)條件下，熱傳遞方向是不可逆的，要使熱傳遞方向逆轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)，只有靠做功來(lái)實(shí)現(xiàn)；表述②指出了機(jī)械能可以全部變成熱，而反過(guò)來(lái)熱卻不能在不產(chǎn)生其他影響的條件下完全變成其他形式的能量，從而說(shuō)明了這種轉(zhuǎn)變?cè)谧匀粭l件下也是不可逆的。一切自然過(guò)程總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)的無(wú)序性增大的方向進(jìn)行，即在任何自然過(guò)程中，一個(gè)孤立系統(tǒng)的熵值總不會(huì)減少，熱力學(xué)第二定律常見的兩種表述從不同角度闡述了自然熱現(xiàn)象的方向性，其實(shí)兩種表述均是分子熱運(yùn)動(dòng)的無(wú)序性增加(熵增加)的表現(xiàn)，兩種表述是等價(jià)的。熱力學(xué)第一定律是自然界一切熱現(xiàn)象發(fā)生過(guò)程的原則，即轉(zhuǎn)換定量關(guān)系；熱力學(xué)第二定律指出除能量守恒外，熱現(xiàn)象發(fā)生的過(guò)程是有限制的、有轉(zhuǎn)換條件的，自發(fā)的熱現(xiàn)象是有方向性的。

【例3】(多選)關(guān)于熱力學(xué)第二定律，下列表述正確的是

( )

A.不可能使熱量從低溫物體傳遞到高溫物體

B.不可能從單一熱庫(kù)吸收熱量并把它全部用來(lái)做功

C.一切自然過(guò)程總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)無(wú)序性增大的方向進(jìn)行

D.從微觀的角度看，熱力學(xué)第二定律是一個(gè)統(tǒng)計(jì)規(guī)律

【解析】熱力學(xué)第二定律可描述為熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體，當(dāng)非自發(fā)時(shí)，熱量能從低溫物體傳到高溫物體，如空調(diào)，A錯(cuò)誤；根據(jù)熱力學(xué)第二定律可知，不可能從單一熱庫(kù)吸收熱量并把它全部用來(lái)做功，而不引起其他變化，B錯(cuò)誤；根據(jù)熱力學(xué)第二定律可知，一切自然過(guò)程總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)的無(wú)序性增大的方向進(jìn)行，C正確；系統(tǒng)的熱力學(xué)規(guī)律是大量分子無(wú)序運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化，從微觀的角度看，熱力學(xué)第二定律是一個(gè)統(tǒng)計(jì)規(guī)律，D正確。

【答案】CD

【點(diǎn)評(píng)】熱力學(xué)第二定律指明哪些過(guò)程可能發(fā)生，哪些不可能發(fā)生，熱現(xiàn)象過(guò)程中能量耗散是不可避免的，第二類永動(dòng)機(jī)不可能實(shí)現(xiàn)，熱機(jī)效率不可能是100%等，實(shí)際宏觀的熱現(xiàn)象過(guò)程是不可逆的。需要注意的是學(xué)習(xí)者要準(zhǔn)確理解表述①中的“自發(fā)”，表述②中的“不產(chǎn)生其他影響”，有些熱現(xiàn)象在相應(yīng)的輔助情況下，熱量能從低溫物體傳到高溫物體，也是可從單一熱庫(kù)吸收熱量，使之完全變成功。

3.熱力學(xué)第三定律和熱力學(xué)第零定律

熱力學(xué)第三定律表述為不可能通過(guò)有限的過(guò)程把一個(gè)物體冷卻到絕對(duì)零度。熱力學(xué)第零定律表述為如果兩個(gè)系統(tǒng)分別與第三個(gè)系統(tǒng)達(dá)到熱平衡，那么這兩個(gè)系統(tǒng)彼此之間也必定處于熱平衡。

熱力學(xué)第三定律是在對(duì)低溫現(xiàn)象的研究中總結(jié)出來(lái)的，指出了絕對(duì)零度不可能達(dá)到。熱力學(xué)第三定律反映了微觀運(yùn)動(dòng)的量子化，在實(shí)際意義上，熱力學(xué)第三定律并不像熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律那樣明確地告誡人們放棄制造第一類永動(dòng)機(jī)和第二類永動(dòng)機(jī)的意圖，熱力學(xué)第三定律告訴人們溫度總有降低的可能，人們可以想辦法使物體的溫度盡可能接近絕對(duì)零度，且當(dāng)溫度趨于絕對(duì)零度時(shí)，物質(zhì)所表現(xiàn)出與常溫不同的性質(zhì)，是人類探索低溫世界的不竭動(dòng)力。熱力學(xué)第零定律的提出比熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律晚了80余年，但其是熱力學(xué)研究的基礎(chǔ)，又不能列在熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律之后，故稱為熱力學(xué)第零定律。熱力學(xué)第零定律反映所有處于同一熱平衡狀態(tài)的熱力學(xué)系統(tǒng)，都具有一個(gè)共同的宏觀性質(zhì)，我們把表征這一“共同的熱學(xué)性質(zhì)”的物理量叫作溫度，即處于同一平衡態(tài)的熱力學(xué)系統(tǒng)溫度相等。

【例4】下列說(shuō)法正確的是

( )

A.自然界的能量是守恒的，所以我們可以不必節(jié)約能源

B.隨著科學(xué)的發(fā)展，降溫技術(shù)的提高，可使物體的溫度降到絕對(duì)零度

C.如果兩個(gè)系統(tǒng)分別與狀態(tài)確定的第三個(gè)系統(tǒng)達(dá)到熱平衡，那么這兩個(gè)系統(tǒng)彼此之間也必定達(dá)到熱平衡

D.三個(gè)系統(tǒng)a、b、c，若a與b內(nèi)能相等，b與c內(nèi)能相等，則根據(jù)熱平衡定律a與c接觸時(shí)一定不會(huì)發(fā)生熱交換

【解析】自然界中能量是守恒的，但是能便于利用的能量(能源)是有限的，因此要節(jié)約能源，A錯(cuò)誤；根據(jù)熱力學(xué)第三定律可知，絕對(duì)零度只可接近，不能達(dá)到，B錯(cuò)誤；由熱力學(xué)第零定律知，如果兩個(gè)系統(tǒng)分別與狀態(tài)確定的第三個(gè)系統(tǒng)達(dá)到熱平衡，說(shuō)明三個(gè)系統(tǒng)的溫度一定相等，那么這兩個(gè)系統(tǒng)彼此之間也必定達(dá)到熱平衡，C正確；熱平衡狀態(tài)即為兩物體的溫度相同，但兩物體內(nèi)能相同時(shí)，溫度不一定相同，D錯(cuò)誤。故選C。

【點(diǎn)評(píng)】熱力學(xué)第三定律是在對(duì)低溫現(xiàn)象的研究中總結(jié)出來(lái)的，絕對(duì)零度是只可接近不可達(dá)到的理想值。熱力學(xué)第零定律在高中教材中叫做熱平衡定律，處于同一熱平衡狀態(tài)的熱力學(xué)系統(tǒng)，都具有一個(gè)共同的宏觀性質(zhì)，即溫度相等。溫度是決定一個(gè)系統(tǒng)是否達(dá)到熱平衡的物理量，處于同一熱平衡狀態(tài)的熱力學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)能、壓強(qiáng)等卻不一定相等。教師在引導(dǎo)學(xué)生了解熱力學(xué)第三定律和熱力學(xué)第零定律的來(lái)歷和內(nèi)涵后，解答相關(guān)問題的難度也會(huì)隨之降低。

4.二輪復(fù)習(xí)建議

通過(guò)上述歸納，可讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到熱力學(xué)定律是分別從不同的角度對(duì)自然界中熱現(xiàn)象發(fā)生的規(guī)律進(jìn)行的總結(jié)。熱力學(xué)第零定律是熱力學(xué)研究的基礎(chǔ)，是溫度概念產(chǎn)生的基礎(chǔ)；熱力學(xué)第一定律揭示了熱現(xiàn)象在能量轉(zhuǎn)換的過(guò)程中遵循的守恒原則，是能量守恒定律在熱力學(xué)中的表現(xiàn)；熱力學(xué)第二定律揭示了能量變化遵循的客觀規(guī)律及條件，指明了熱現(xiàn)象的方向性；熱力學(xué)第三定律指出了絕對(duì)零度是只可接近不可達(dá)到的理想值。

對(duì)于知識(shí)理解而言，最為有效的方式就是知識(shí)的系統(tǒng)化，高中物理的第二輪復(fù)習(xí)就是讓學(xué)生將一輪復(fù)習(xí)中分散的理論知識(shí)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化，教師要引導(dǎo)學(xué)生對(duì)有著相似、相近、遞進(jìn)等關(guān)系的知識(shí)進(jìn)行歸納總結(jié)，引導(dǎo)學(xué)生思考知識(shí)的內(nèi)涵和知識(shí)點(diǎn)間的聯(lián)系，讓學(xué)生對(duì)知識(shí)有整體認(rèn)識(shí)，也可以提升學(xué)生對(duì)物理知識(shí)理解的廣度和深度。高中物理的教學(xué)任務(wù)除了幫助學(xué)生學(xué)習(xí)和理解物理知識(shí)外，還要讓學(xué)生構(gòu)建物理知識(shí)體系、掌握物理研究方法體系、了解物理思想體系，從而培養(yǎng)、提升學(xué)生的理解、推理、分析等學(xué)科能力和物理觀念、科學(xué)思維等學(xué)科素養(yǎng)，讓學(xué)生能夠從較高的視角全面、系統(tǒng)地認(rèn)識(shí)物理學(xué)，這也符合現(xiàn)在提倡的大單元教學(xué)和深度學(xué)習(xí)的理念。