热力学三大定律的联系

第一篇：热力学三大定律的联系

热力学的两大定律

一、热力学第一定律与能量守恒定律

能量守恒定律：能量既不会凭空产生，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。

某一种形式的能是否守恒是有条件的，而能量守恒定律是无条件的，是一切自然现象都遵循的基本规律。

能量守恒定律的发现，使人们进一步认识到：任何一种机器，只能使能量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。而不能无中生有地创造能量，不消耗任何能量，却可以源源不断地对外做功的机器(第一类永动机)是不可能制成的。 例1：约在1670年，英国塞斯特城的主教约翰·维尔金是设计了一种磁力“永动机”，如图所示，在斜面顶上放一块强有力的磁铁，斜面

上端有一小孔，斜面下有一连接小孔直至底端的弯

曲轨道。维尔金斯认为：如果在斜面底放一个小铁

球，那么由于磁铁的吸引，小铁球就会向上运动，

当小铁球运动到小孔P处时，它就要掉下，再沿着斜面下的弯曲轨道返回斜面底端Q，由于有速度而

可以对外做功，然后又被磁铁吸引回到斜面上端，到小孔P处又掉下。

在以后的二百多年里，维尔金斯的永动机居然改头换面地出现过多次，其中一次是在1878年，即能量转化和守恒定律被确定20年后，而且竟在德国取得了专利权! 请你分析一下，维尔金斯的“永动机”能实现吗?

解答：维尔金斯的“永动机”不可能实现，因为它违背了能量守恒定律。小球上升过程中，磁场力对小球做正功，使小球增加了机械能;但在小球下落时，同样也受到磁场力，而且磁场力做负功，这个负功与上升过程的正功相互抵消，可见，维尔金斯“永动机”不可能源源不断向外提供能源，所以，维尔金斯的“永动机”不可能实现。

热力学第一定律：在与热现象相关的物理过程中，能的转化和守恒定律的具体表达形式就是热力学第一定律——物体状态变化的过程中，内能的增量等于外界对物体做的功与外界传递给物体的热量之和，其数学表达式为UQW

应用热力学第一定律时必须掌握好它的符号法则：

(1)功W0，表示外界对系统做功;W0，表示系统对外界做功。

(2)热量Q0，表示物体吸热;Q0，表示物体放热。

(3)内能U0，表示内能增加;内能U0，表示内能减少。

例2：一定量的气体在某一过程中，外界对气体做了8×104 J的功，气体的内能减少了

1.2×105 J，这下列各式正确的是

A.W810 J，U1.210 J，Q410 J

B.W810 J，U1.210 J，Q210 J

C.W810 J，U1.210 J，Q210 J

D.W810 J，U1.210 J，

Q410 J 4544554554

54解析：因为外界对气体做功，W取正值，即W810 J;内能减少，U取负值，即U1.210 J;根据UQW可知， 54

QUW(1.21058104) J2105 J，即选项B正确。

例3：如图所示，容器A、B各有一个可自由移动的轻活塞，活塞下面是水，上面是大气，大气压恒定。A、B的底部由带有阀门K的管道相连。整个装置与外界绝热。最初A中水面比B中的高，打开K使A中的水逐渐向B中流，最后达

到平衡，在这个过程中

A.大气压力对水做功，水的内能增加

B.水克服大气压力做功，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：因为水的体积不变，故大气压力做的总功为零，但最后达到平衡后，水的重心降低，重力势能减少，而整个装置与外界绝热，根据热力学第一定律，水的内能将增加。选项D正确。

本题的表述，在表面上突出了大气压力做功，殊不知大气压力做的总功为零，而真正起关键作用的因素即重力对水做功却隐匿起来，要求学生经过独立分析去发现这一因素。

二、热力学第二定律的两种常见表述

按热传导的方向性表述：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。

按内能与机械能变化过程的方向性表述：不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化。即第二类永动机是不可能制成的。

热力学第二定律的两种表述方式，都说明了与热现象有关的物理过程进行的方向，两种表述是一致的，可以证明若违反了其中一种表述，必然违反另一种表述。

如何理解热力学第二定律是一个难点，如有的同学将热力学第二定律片面理解为“不可能使热量由低温物体传递到高温物体”事实上，这样的过程是可能发生的，如电冰箱冷冻室内的温度已经比房间的温度低，但还可以从冷冻室中吸收热量释放到房间中去，不过此过程是不能自发地进行的，代价是要消耗电能，即“引起了其他变化”，希望同学们不要忘了这后半句。而相反的过程是可以自发的进行的——让热量从高温物体传递到低温物体。

例4：下列关于能量转化的说法中，正确的是

A.机械能可以转化为内能，但内能不能转化为机械能

B.机械能可以转化为内能，内能也能转化为机械能

C.机械能不可以转化为内能，但内能可以转化为机械能

D.机械能可以全部转化为内能，但内能不能全部转化为机械能，同时不引起其他变化 答案：BD

三、热力学第一定律与热力学第二定律的区别与联系

热力学第一定律，是跟热现象有关的物理过程中能量守恒定律的特殊表达形式，它说明了功、热量和内能改变之间的定量关系。热力学第二定律指出了符合能量转化与守恒的过程能否实现的条件和过程进行的方向，它说明一切与热现象有关的实际宏观过程是不可逆的。热力学第一定律和热力学第二定律从不同角度揭示了与热现象有关的物理过程所遵循的规律，二者相互独立，又相互补充，都是热力学的理论基础。

A B

例5：下列说法正确的是

A.一切涉及热现象的宏观过程都具有方向性

B.一切不违反能量守恒与转化定律的物理过程都是可以实现的

C.由热力学第二定律可以判断物理过程能否自发进行

D.一切物理过程都不可能自发的进行

答案：AC

附：热力学的另两大定律

热力学第零定律：若两个热力学系统中的任何一个系统都和第三个热力学系统处于热平衡状态，那么，这两个热力学系统也必定处于热平衡。这一结论称做“热力学第零定律”。热力学第零定律的重要性在于它绘出了温度的定义和温度的测量方法。定律中所说的热力学系统是指由大量分子、原子组成的物体或物体系。它为建立温度概念提供了实验基础。这个定律反映出：处在同一热平衡状态的所有的热力学系统都具有一个共同的宏观特征，这一特征是由这些互为热平衡系统的状态所决定的一个数值相等的状态函数，这个状态函数被定义为温度。而温度相等是热平衡之必要的条件。因此，这一基本物理量实质是反映了系统的某种性质。

热力学第三定律：此定律指出，设想通过几个有限的步骤使物体冷却到绝对零度，是不可能的。这一表述是能斯脱于1912年根据对低温现象的研究得出能斯脱定理的推论。

四、能量耗散与未来能源

自然界的总能量虽然是守恒的，但根据热力学第二定律，我们无法把流散在周围的内能重新收集起来加以应用，这种现象叫能量耗散。能量耗散说明自然界的能量转化具有方向性，并提醒人们要警惕能源危机。

我们现今可供利用的能源主要是煤、石油、天然气等常规能源，但由于常规能源的储量有限，加之使用时带来的环境问题。这就迫使我们开发水流能、风能、太阳能、核能等新能源。而核裂变能也仅能供人们使用几百年。因此可以预见几百年后的未来能源，将以核聚变能为主，水流能、风能、太阳能为辅。这样可控热核反应的研究就具有非常重要的意义，而一旦取得突破，海水中丰富的氘就成为“取之不尽、用之不竭”的能源(一升海水中含有0.03克氘，其完全聚变所放出的能量相当于燃烧300升汽油)。

例6：乌鲁木齐市达板城地区风力发电网每台风力发电机4张叶片总共的有效迎风面积为S，空气密度为ρ、平均风速为v，设风力发电机的效率(风的动能转化为电能的百分比)为η.则每台风力发电机的平均功率P=____________。

解析：t时间内冲击叶片的空气的体积为Svt，质量为Svt，动能为

Ek111mv2Svtv2Sv3t 222

依题意PtEk，解得P

Sv32

第二篇：热力学第一定律 能量守恒定律

一、教学目标

1.知识目标：

(1)理解和掌握物体跟外界做功和热传递的过程中W、Q、ΔU的物理意义。 (2)会确定的W、Q、ΔU正负号。 (3)理解热力学第一定律ΔU =W+Q (4)会用ΔU =W+Q分析和计算问题。

(4)理解能量守恒定律，能列举出能量守恒定律的实例; (5)理解“永动机”不能实现的原理。 2.能力目标：

在培养学生能力方面，这节课中要让学生理解热力学第一定律ΔU =W+Q，并会用ΔU =W+Q分析和计算问题，培养学生利用所学知识解决实际问题的能力。

3.物理学方法教育目标：

能量守恒定律是自然科学的基本定律之一，应用能量守恒的观点来分析物理现象、解决物理问题是很重要的物理思维方法。

二、重点、难点分析

1.重点内容是热力学第一定律和能量守恒定律，强调能量守恒定律是自然科学中最基本的定律。学会运用热力学第一定律和能量守恒定律分析、计算一些物理习题。

2.运用能的转化和守恒定律对具体的自然现象进行分析，说明能是怎样转化的，对学生来说是有难度的。

三、教学方法

教师讲解，课件演示，指导学生看书

四、教具

计算机、大屏幕、自制多媒体课件

五、教学过程 (-)引入新课

上节课我们学习了改变内能的两种方式，做功和热传递，那么它们之间有什么数量关系呢?以前我们还学习过电能、化学能等各种形式的能，它们在转化过程中遵守什么规律呢?这节课我们就来研究这些问题。

【板书】第六节

热力学第一定律

能量守恒定律

(二)进行新课

【板书】

一、做功W、热传递Q、内能变化ΔU的物理意义

1.做功：做功使物体内能发生变化，实质是能量的转化，是一种形式的能量向另一种形式的能转化。功是能量转化的量度。

2.热传递：是能量的转移，内能由一个物体传递给给另一个物体，传递的能量用Q表示。

3.内能的改变：是物体内所有分子动能和势能之和发生了变化，宏观表现在温度和体积上的变化。

【板书】

二、W、Q、ΔU正负号的确定

1.W，外界对物体做功，W取正值;物体对外界做功，W取负值。 2.Q，物体吸热，Q取正值;物体放热，Q取负值。

3，ΔU，物体内能增加，ΔU取正值;物体减少，ΔU取负值。 【板书】

三、W、Q、ΔU之间的关系

一个物体，如果它既没有吸收热量也没有放出热量，那么，外界对它做多少功，它的内能就增加多少.

一个物体，如果它既没有对外做功，也没有其他物体对它做功，那么，它从外界吸收多少热量，它的内能就增加多少.

如果外界既向物体传热又对物体做功，那么物体内能的增加量就等于物体吸收的热量和外界对物体做的功之和.用ΔU表示物体内能的增加量，用Q表示物体吸收的热量，用W表示外界对物体做的功，那么ΔU=Q+W

2 这个式子所表示的，内能的变化量跟功、热量的定量关系，在物理学中叫做热力学第一定律.

【例题】 一定量的气体从外界吸收了2.6×10J的热量，内能增加了4.2×10J.外界对气体做了多少功?

解

由(1)式得 W=ΔU-Q =4.2×10J-2.6×10J =1.6×10J 外界对气体做的功是1.6×10J. 思考与讨论

上题中，如果气体吸收的热量仍为2.6×10J，但是内能只增加了1.6×10J，计算结果W将为负值.怎样解释这个结果?一般地讲，ΔU、Q、W的正值和负值各代表什么物理意义?

【板书】

四、能量守恒定律

【课件演示】让学生先看几个能量转化的例子(增强感性认识) 1.机械能与内能转化过程中能量守恒

(1)运动的汽车紧急刹车，汽车最终停下来。这过程中汽车的动能(机械能)转化为轮胎和路面的内能(假定这过程没有与周围物体有热交换，既不散热也不吸热)。摩擦力做了多少功，内能就增加多少。公式W=ΔE表示了做功与内能变化的关系，这公式也反映出做功过程中，机械能的损失数量恰好等于物体内能增加的数量。

(2)把一铁块放入盛有水的烧杯中，用酒精灯加热烧杯内水，直至水沸腾。在这一过程中，铁块从周围水中吸收了热量使它温度升高，内能增加。这过程中水的一部分内能通过热量传递使铁块内能增加。铁块吸收多少热量，它内能就增加多少。公式Q=ΔE表示吸收的热量与内能变化量的关系，也反映出铁块增加的内能数量与水转移给铁块的内能数量相等。

5

555555

5一般情况下，如果物体跟外界同时发生做功和热传递过程，那么，外界对物体所做的功W加上物体从外界吸收的热量Q，等于物体内能的增加ΔE，即

W+Q=ΔE 上式所表示的是功、热量和内能之间变化的定量关系，同时它也反映了一个物体的内能增加量等于物体的机械能减少量和另外物体内能减少量(内能转移量)之和。进而说明，内能和机械能转化过程中能量是守恒的。

2.其他形式的能也可以和内能相互转化

(1)介绍其他形式能：我们学习过机械运动有机械能，热运动有内能，实际上自然界存在着许多不同形式的运动，每种运动都有一种对应的能量，如电能、磁能、光能、化学能、原子能等。

(2)不仅机械能和内能可以相互转化，其他形式能也可以和内能相互转化，举例说明：(同时放映幻灯片)

① 电炉取暖：电能→内能 ② 煤燃烧：化学能→内能 ③ 炽热灯灯丝发光：内能→光能

(3)其他形式的能彼此之间都可以相互转化。画出图表让学生回答分析：

3.能量守恒定律

大量事实证明：各种形式的能都可以相互转化，并且在转化过程中守恒。

4 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;在转化和转移过程中其总量不变.这就是能量守恒定律。

在学习力学知识时，学习了机械能守恒定律。机械能守恒定律是有条件限制的定律，而且实际现象中是不可能实现的。而能量守恒定律是存在于普遍自然现象中的自然规律。这规律对物理学各个领域的研究，如力学、电学、热学、光学等都有指导意义。它也对化学、生物学等自然科学的研究都有指导作用。

4.永动机不可能制成

历史上不少人希望设计一种机器，这种机器不消耗任何能量，却可以源源不断地对外做功。这种机器被称为永动机。虽然很多人，进行了很多尝试和各种努力，但无一例外地以失败告终。失败的原因是设计者完全违背了能的转化和守恒定律，任何机器运行时其能量只能从一种形式转化为另一种形式。如果它对外做功必然消耗能量，不消耗能量就无法对外做功，因而永动机是永远不可能制造成功的。

5.运用能的转化和守恒定律进行物理计算

例题：用铁锤打击铁钉，设打击时有80%的机械能转化为内能，内能的50%用来使铁钉的温度升高。问打击20次后，铁钉的温度升高多少摄氏度?已知铁锤的质量为1.2kg，铁锤打击铁钉时的速度是10m/s，铁钉质量是40g，铁的比热是5.0×10J/(kg·℃)。

首先让学生分析铁锤打击铁钉的过程中能量的转化。

归纳学生回答结果，指出铁锤打击铁钉时，铁锤的一部分动能转化为内能，而且内能中的一半被铁钉吸收，使它的温度升高。如果用ΔE表示铁钉的内能增加量，铁锤和铁钉的质量分别用M和m表示，铁锤打击铁钉时的速度用v表示。依据能的转化和守恒定律，有

2 5 铁钉的内能增加量不能直接计算铁钉的温度，我们把机械能转化为内能的数量等效为以热传递方式完成的，因此等效为计算打击过程中铁钉吸收多少热量，这热量就是铁钉的内能增加量。因此有

Q=cmΔt 上式中c为铁钉的比热，Δt表示铁钉的温度升高量。将上面两个公式联立，20Mv280%50%24℃ 得出t2cm经计算得出铁钉温度升高24℃。在这个物理计算过程中突出体现了如何应用能的转化和守恒定律这一基本原理。

应该注意，有的同学把上述题目中铁锤打击铁钉过程中的能量转化，说成“铁锤做功转化为热量”是不正确的。只能说做功与热传递在使物体内能改变上是等效的。

(三)课堂小结

热力学第一定律表示的是功、热量和内能之间变化的定量关系;自然界各种形式的能存在着相互转化过程，转化过程中总量是守恒的。能量守恒定律是自然界最基本的物理定律。

同学们要会分析一些自然现象中能是怎样转化的。

应该知道，根据能量守恒定律，永动机是不可能制造成功的。

通过课上的例题计算，学会运用能的转化和守恒定律解决物理问题的方法。

(四)说明

热力学第一定律和能量守恒定律是学生进入高中物理阶段后，第一次完整、细致地学习。此定律对今后学习物理是很重要的一个理论铺垫。教学上要重视，课堂上讲解要细致和透彻。

(五)布置作业

复习本节内容，完成练习六。

6

课后思考与讨论

有人设计了这样一台“永动机”：距地面一定高度架设一个水槽，水从槽底的管中流出，冲击一个水轮机，水轮机的轴上安装一个抽水机和一个砂轮.他指望抽水机把地面水槽里的水抽上去，这样循环不已，机器不停地转动，就可以永久地用砂轮磨制工件做功了(下图).

请你分析一下，高处水槽中水的势能共转变成哪几种形式的能，说明这个机器是否能够永远运动下去. 阅读材料

高空的气温为什么低

研究大气现象时常常用到热力学第一定律.通常把温度、压强相同的一部分空气作为研究的对象，叫做气团，直径上千米.由于气团很大，边缘部分和外界的热交换对整个气团没有明显的影响，即(1)式中Q=0，所以气团的内能的增减只等于外界对它做功或它对外界做功的多少：

ΔU=W 阳光烤暖了大地，地面又使得下层的气团温度升高，密度减小，因而上升.上升时气团膨胀，推挤周围的空气，对外做功，因此内能减小，温度降低.所以，越 7 高的地方，空气的温度越低.对于干燥的空气，大约每升高1km温度降低7℃(图10-13).

飞机在万米高空飞行的时候，舱外气温往往在-50℃以下.由于机上有空调设备，舱内总是温暖如春.不过这时空调的作用不是使空气升温，而是降温.高空的大气压比舱内气压低，要使舱内获得新鲜空气必须使用空气压缩机把空气从舱外压进来.在这个过程中，空气压缩机对气体做功，使气体的内能增加，温度上升.如果不用空调，机舱内的温度可能达到50℃以上!

第三篇：11．5 热力学第一定律 能量守恒定律

一、教学目标

1.理解和掌握物体跟外界做功和热传递的过程中W、Q、ΔU的物理意义。 2.会确定的W、Q、ΔU正负号。 3.理解热力学第一定律ΔU =W+Q 4.会用ΔU =W+Q分析和计算问题。

5.理解能量守恒定律，能列举出能量守恒定律的实例; 6.理解“永动机”不能实现的原理。

二、重点、难点分析

1.重点内容是热力学第一定律和能量守恒定律，强调能量守恒定律是自然科学中最基本的定律。学会运用热力学第一定律和能量守恒定律分析、计算一些物理习题。

2.运用能的转化和守恒定律对具体的自然现象进行分析，说明能是怎样转化的，对学生来说是有难度的。

三、教学方法：教师讲解，课件演示，指导学生看书

四、教

具：计算机、大屏幕、自制多媒体课件

五、教学过程 (-)引入新课

上节课我们学习了改变内能的两种方式，做功和热传递，那么它们之间有什么数量关系呢?以前我们还学习过电能、化学能等各种形式的能，它们在转化过程中遵守什么规律呢?这节课我们就来研究这些问题。

【板书】第六节

热力学第一定律

能量守恒定律

(二)进行新课

【板书】

一、做功W、热传递Q、内能变化ΔU的物理意义

1.做功：做功使物体内能发生变化，实质是能量的转化，是一种形式的能量向另一种形式的能转化。功是能量转化的量度。

2.热传递：是能量的转移，内能由一个物体传递给给另一个物体，传递的能量用Q表示。

3.内能的改变：是物体内所有分子动能和势能之和发生了变化，宏观表现在温度和体积上的变化。

【板书】

二、W、Q、ΔU正负号的确定

1.W，外界对物体做功，W取正值;物体对外界做功，W取负值。 2.Q，物体吸热，Q取正值;物体放热，Q取负值。

3，ΔU，物体内能增加，ΔU取正值;物体减少，ΔU取负值。 【板书】

三、W、Q、ΔU之间的关系

一个物体，如果它既没有吸收热量也没有放出热量，那么，外界对它做多少功，它的内能就增加多少.

一个物体，如果它既没有对外做功，也没有其他物体对它做功，那么，它从外界吸收多少热量，它的内能就增加多少.

如果外界既向物体传热又对物体做功，那么物体内能的增加量就等于物体吸收的热量和外界对物体做的功之和.用ΔU表示物体内能的增加量，用Q表示物体吸收的热量，用W表示外界对物体做的功，那么ΔU=Q+W

这个式子所表示的，内能的变化量跟功、热量的定量关系，在物理学中叫做热力学第一定律.

【例题】 一定量的气体从外界吸收了2.6×105J的热量，内能增加了4.2×105J.外界对气体做了多少功?

解： 由(1)式得 W=ΔU-Q =4.2×105J-2.6×105J =1.6×105J 外界对气体做的功是1.6×105J. 思考与讨论

上题中，如果气体吸收的热量仍为2.6×105J，但是内能只增加了1.6×105J，计算结果W将为负值.怎样解释这个结果?一般地讲，ΔU、Q、W的正值和负值各代表什么物理意义?

【板书】

四、能量守恒定律

【课件演示】让学生先看几个能量转化的例子(增强感性认识) 1.机械能与内能转化过程中能量守恒

(1)运动的汽车紧急刹车，汽车最终停下来。这过程中汽车的动能(机械能)转化为轮胎和路面的内能(假定这过程没有与周围物体有热交换，既不散热也不吸热)。摩擦力做了多少功，内能就增加多少。公式W=ΔE表示了做功与内能变化的关系，这公式也反映出做功过程中，机械能的损失数量恰好等于物体内能增加的数量。 (2)把一铁块放入盛有水的烧杯中，用酒精灯加热烧杯内水，直至水沸腾。在这一过程中，铁块从周围水中吸收了热量使它温度升高，内能增加。这过程中水的一部分内能通过热量传递使铁块内能增加。铁块吸收多少热量，它内能就增加多少。公式Q=ΔE表示吸收的热量与内能变化量的关系，也反映出铁块增加的内能数量与水转移给铁块的内能数量相等。

一般情况下，如果物体跟外界同时发生做功和热传递过程，那么，外界对物体所做的功W加上物体从外界吸收的热量Q，等于物体内能的增加ΔE，即

W+Q=ΔE 上式所表示的是功、热量和内能之间变化的定量关系，同时它也反映了一个物体的内能增加量等于物体的机械能减少量和另外物体内能减少量(内能转移量)之和。进而说明，内能和机械能转化过程中能量是守恒的。

2.其他形式的能也可以和内能相互转化

(1)介绍其他形式能：我们学习过机械运动有机械能，热运动有内能，实际上自然界存在着许多不同形式的运动，每种运动都有一种对应的能量，如电能、磁能、光能、化学能、原子能等。

(2)不仅机械能和内能可以相互转化，其他形式能也可以和内能相互转化，举例说明：(同时放映幻灯片)

① 电炉取暖：电能→内能 ② 煤燃烧：化学能→内能 ③ 炽热灯灯丝发光：内能→光能

(3)其他形式的能彼此之间都可以相互转化。画出图表让学生回答分析：

3.能量守恒定律

大量事实证明：各种形式的能都可以相互转化，并且在转化过程中守恒。

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;在转化和转移过程中其总量不变.这就是能量守恒定律。 在学习力学知识时，学习了机械能守恒定律。机械能守恒定律是有条件限制的定律，而且实际现象中是不可能实现的。而能量守恒定律是存在于普遍自然现象中的自然规律。这规律对物理学各个领域的研究，如力学、电学、热学、光学等都有指导意义。它也对化学、生物学等自然科学的研究都有指导作用。

4.永动机不可能制成

历史上不少人希望设计一种机器，这种机器不消耗任何能量，却可以源源不断地对外做功。这种机器被称为永动机。虽然很多人，进行了很多尝试和各种努力，但无一例外地以失败告终。失败的原因是设计者完全违背了能的转化和守恒定律，任何机器运行时其能量只能从一种形式转化为另一种形式。如果它对外做功必然消耗能量，不消耗能量就无法对外做功，因而永动机是永远不可能制造成功的。

5.运用能的转化和守恒定律进行物理计算

例题：用铁锤打击铁钉，设打击时有80%的机械能转化为内能，内能的50%用来使铁钉的温度升高。问打击20次后，铁钉的温度升高多少摄氏度?已知铁锤的质量为1.2kg，铁锤打击铁钉时的速度是10m/s，铁钉质量是40g，铁的比热是5.0×102J/(kg·℃)。

首先让学生分析铁锤打击铁钉的过程中能量的转化。

归纳学生回答结果，指出铁锤打击铁钉时，铁锤的一部分动能转化为内能，而且内能中的一半被铁钉吸收，使它的温度升高。如果用ΔE表示铁钉的内能增加量，铁锤和铁钉的质量分别用M和m表示，铁锤打击铁钉时的速度用v表示。依据能的转化和守恒定律，有：

20×12Mv×80%×=ΔE 2铁钉的内能增加量不能直接计算铁钉的温度，我们把机械能转化为内能的数量等效为以热传递方式完成的，因此等效为计算打击过程中铁钉吸收多少热量，这热量就是铁钉的内能增加量。因此有：

Q=cmΔt

上式中c为铁钉的比热，Δt表示铁钉的温度升高量。将上面两个公式联立，得出：t20Mv2cm280%50%24℃

经计算得出铁钉温度升高24℃。在这个物理计算过程中突出体现了如何应用能的转化和守恒定律这一基本原理。 应该注意，有的同学把上述题目中铁锤打击铁钉过程中的能量转化，说成“铁锤做功转化为热量”是不正确的。只能说做功与热传递在使物体内能改变上是等效的。

(三)课堂小结

热力学第一定律表示的是功、热量和内能之间变化的定量关系;自然界各种形式的能存在着相互转化过程，转化过程中总量是守恒的。能量守恒定律是自然界最基本的物理定律。

同学们要会分析一些自然现象中能是怎样转化的。

应该知道，根据能量守恒定律，永动机是不可能制造成功的。

通过课上的例题计算，学会运用能的转化和守恒定律解决物理问题的方法。

(四)说明

热力学第一定律和能量守恒定律是学生进入高中物理阶段后，第一次完整、细致地学习。此定律对今后学习物理是很重要的一个理论铺垫。教学上要重视，课堂上讲解要细致和透彻。

(五)布置作业：1.将练习五(P83)(1)、(2)、(3)、(4)做在作业本上。

2.将练习五(P83)(5)、(6)做在课本上。

第四篇： 《热力学第一定律》

一、改变内能的两种方式：做功和热传递

1.做功可以改变物体的内能

【生活实例】列举锯木头和用砂轮磨刀具，锯条、木头和刀具温度升高，说明克服摩擦力做功，可以使物体的内能增加。如果外力对物体做功全部用于物体内能改变的情况下，外力做多少功，物体的内能就改变多少。如果用W表示外界对物体做的功，用ΔE表示物体内能的变化，那么有W=ΔE。功的单位是焦耳，内能的单位也是焦耳。

【演示】演示压缩空气，硝化棉燃烧。说明外力压缩空气过程，对气体做功，使气体的内能增加，温度升高到棉花的燃点而使其燃烧。

以上实例说明做功可以改变物体的内能。 2.热传递可以改变物体的内能

【生活实例】在炉灶上烧热水，火炉烤热周围物体，这些物体温度升高内能增加。这些实例说明依靠热传递方式也可以使物体的内能改变。物体吸收热量，内能增加。物体放出热量，物体的内能减少。如果传递给物体的热量用Q表示，物体内能的变化量是ΔE，那么，Q=ΔE。

热量的计算公式有：Q=cmΔt。热量的单位是焦耳，过去的单位是卡。 所以做功和热传递是改变物体内能的两种方式。 3.做功和热传递对改变物体的内能是等效的。 4.做功和热传递的区别

虽然做功和热传递对改变物体的内能是等效的，但是这两种方式的物理过程有本质的区别。做功使物体内能改变的过程是机械能转化为内能的过程。而热传递的过程只是物体之间内能的转移，没有能量形式的转化。 例：

1.在下列过程中，通过热传递增加物体内能的是

[ ] A. 火车经过铁轨后铁轨的温度升高 B.压缩筒内乙醚，使其燃烧

C.铁棒被太阳晒热 D.汽车刹车后，轮胎变热

2.物体的内能增加这是因为

[ ] A.一定是由于物体吸收了热量 B.一定是由于对物体做了功 C.可能是由于物体吸收了热量，也可能是由于对物体做了功 3.说明下列各题中内能改变的方法：

(1)一盆热水放在室内，一会就凉了，______;

(2)高温高压的气体，迅速膨胀，对外做功，温度降低，______。 (3)铁块在火炉上加热，一会儿热得发红，______; (4)打气筒给车胎打气，过一会筒壁发热，______’ (5)冬天人们往手上呵气取暖，______; (6)两手互相摩擦取暖，______。

二、热力学第一定律

1 、做功W、热传递Q、内能变化ΔU的物理意义

1.做功：做功使物体内能发生变化，实质是能量的转化，是一种形式的能量向另一种形式的能转化。功是能量转化的量度。

2.热传递：是能量的转移，内能由一个物体传递给给另一个物体，传递的能量用Q表示。

3.内能的改变：是物体内所有分子动能和势能之和发生了变化，宏观表现在温度和体积上的变化。

2、W、Q、ΔU正负号的确定

1.W，外界对物体做功，W取正值;物体对外界做功，W取负值。 2.Q，物体吸热，Q取正值;物体放热，Q取负值。

3，ΔU，物体内能增加，ΔU取正值;物体内能减少，ΔU取负值。

3、W、Q、ΔU之间的关系

一个物体，如果它既没有吸收热量也没有放出热量，那么，外界对它做多少功，它的内能就增加多少. ΔU=W 一个物体，如果它既没有对外做功，也没有其他物体对它做功，那么，它从外界吸收多少热量，它的内能就增加多少. ΔU=Q 如果外界既向物体传热又对物体做功，那么物体内能的增加量就等于物体吸收的热量和外界对物体做的功之和.用ΔU表示物体内能的增加量，用Q表示物体 吸收的热量，用W表示外界对物体做的功，那么 ΔU=Q+W

这个式子所表示的，内能的变化量跟功、热量的定量关系，在物理学中叫做热力学第一定律.

物体内能的增加等于物体从外界吸收的热量与外界对物体所做的功的总和。

【例题】

一定量的气体从外界吸收了2.6×105J的热量，内能增加了4.2×105J.外界对气体做了多少功?

解

由(1)式得 W=ΔU-Q =4.2×105J-2.6×105J =1.6×105J 外界对气体做的功是1.6×105J. 思考与讨论

上题中，如果气体吸收的热量仍为2.6×105J，但是内能只增加了1.6×105J，计算结果W将为负值.怎样解释这个结果?一般地讲，ΔU、Q、W的正值和负值各代表什么物理意义?

第五篇：10.5《热力学第二定律的微观解释》教案(新人教版选修3-3)

热力学第二定律的微观解释 教案

目标导航

1.了解有序和无序，宏观态和微观态的概念。 2.了解热力学第二定律的微观意义。

3.了解熵的概念，知道熵是反映系统无序程度的物理量。 4.知道随着条件的变化，熵是变化的。

诱思导学

1.有序和无序

有序：只要确定了某种规则，符合这个规则的就叫做有序。

无序：不符合某种确定规则的称为无序。

无序意味着各处都一样，平均、没有差别，有序则相反。 有序和无序是相对的。 2.宏观态和微观态

宏观态：符合某种规定、规则的状态，叫做热力学系统的宏观态。

微观态：在宏观状态下，符合另外的规定、规则的状态叫做这个宏观态的微观态。 系统的宏观态所对应的微观态的多少表现为宏观态无序程度的大小。如果一个“宏观态”对应的“微观态”比较多，就说这个“宏观态”是比较无序的，同时也决定了宏观过程的方向性——从有序到无序。

3.热力学第二定律的微观意义

一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行。 4.熵和系统内能一样都是一个状态函数，仅由系统的状态决定。从分子运动论的观点来看，熵是分子热运动无序(混乱)程度的定量量度。

一个系统的熵是随着系统状态的变化而变化的。在自然过程中，系统的熵是增加的。 在绝热过程或孤立系统中，熵是增加的，叫做熵增加原理。对于其它情况，系统的熵可能增加，也可能减小。

从微观的角度看，热力学第二定律是一个统计规律：一个孤立系统总是从熵小的状态向熵大的状态发展，而熵值较大代表着较为无序，所以自发的宏观过程总是向无序程度更大的方向发展。

典例探究

例1 一个物体在粗糙的平面上滑动，最后停止。系统的熵如何变化?

解析：因为物体由于受到摩擦力而停止运动，其动能变为系统的内能，增加了系统分子无规则运动的程度，使得无规则运动加强，也就是系统的无序程度增加了，所以系统的熵增加。

友情提示：本题考查的是对熵增加原理的理解和应用。

课后问题与练习点击：

1.解析：①全是甜的，对应的微观态1个，宏观态出现的概率是1/32;②全是咸的，对应的微观态1个，宏观态出现的概率是1/32;③1甜4咸，对应的微观态5个，宏观态出现的概率是5/32;④4甜1咸，对应的微观态5个，宏观态出现的概率是5/32;⑤2甜3咸，对应的微观态10个，宏观态出现的概率是10/32;⑥3甜2咸，对应的微观态10个，宏观态出现的概率是10/32; (3)概率

(4)无序性增大了

3.略

基础训练 1.一定质量的气体被压缩，从而放出热量，其熵怎样变化? 2.保持体积不变，将一个系统冷却，熵怎样变化?

多维链接

1.熵与熵增加原理

“熵”是什么?“熵”是德国物理学家克劳修斯在1850年创造的一个术语，他用熵来表示任何一种能量在空间分布的均匀程度。能量分布得越均匀，熵就越大。如果对于我们所考虑的那个系统来说，能量完全均匀地分布，那么这个系统的熵就达到最大值。简单的说，“熵”就是微观粒子的无序程度、能量差别的消除程度。

在克劳修斯看来，在一个封闭的系统中，运动总是从有序到无序发展的。比如，把一块冰糖放入水中，结果整杯水都甜了。这就是说，糖分子的运动扩展到了整杯水中，它们的运动变得更加无序了。对于一个封闭的系统，能量差也总是倾向于消除的。比如，有水位差的两个水库，如果把它们连接起来，那么，重力就会使一个水库的水面降低，而使另一个水库的水面升高，直到两个水库的水面均等，势能取平为止。

克劳修斯总结说，自然界中的一个普遍规律是：运动总是从有序到无序，能量的差异总是倾向变成均等，也即“熵将随着时间而增大”。 2.宇宙热寂说

克劳修斯把他的熵增加原理应用到无限的宇宙中去，得出了“宇宙热寂说”。

“宇宙热寂说”主要有以下几个结论：第一，宇宙的离散度不断增加。第二，所有的机械运动都转化为热运动。第三，热量停止传递。最后我们可以设想出这么一个宇宙的图景：宇宙的有效生命将停止。能量还保存着，但已失去一切活动的能力，它无力再使宇宙运动，正如一潭死水不能使水车转动起来一样，我们将处在一个死寂的、热的宇宙中。

但宇宙真会热寂吗?首先，热力学试验成果是以有限的、孤立封闭的系统为研究对象的。以有限的范围、有限的事件得出的规律能否推广到全宇宙呢?其次，自然界的规律是否同样适用于高级的生命运动呢?第三，黑洞理论指出，宇宙的离散度并非不断增加。宇宙中存在的黑洞在不断地吸引物质。所以说，克劳修斯的“宇宙热寂说”仅仅是一种形而上学的自然观，我们不必杞人忧天地担心宇宙会进入“热寂”。 3.大爆炸理论

大爆炸宇宙理论认为，宇宙的演化是从物质分布为均匀的状态演化到非均匀状态。宇宙膨胀是引力理论的一个结果，在宇宙范围内，引力是主导的，引力系统的热力学与无引力的热力学会导致十分不同的结论。比如，原来密度均匀的物质由于涨落可产生密度差，在引力占主导的条件下，高密度区域会吸引更多的物质而使密度变得更高，更多的物质会逃离低密度区而使密度变得更低。各种星体就是通过这种非均匀化过程聚集而成的。经典热力学的结论是不考虑引力，在静态空间下证明的，不适用于引力占主导地位的膨胀宇宙。

应该指出，在一个非孤立的、有能量输入的系统中，熵是完全可以减小的。比如地球就是这样一个系统，它源源不断地吸收太阳能，而最终进化出了一个和谐有序的生物世界。