资源简介

6-7 热力学定律
一、教学目标
1．理解热力学第一定律及能量守恒定律。
2．掌握热力学第一定律中各物理量取正、负号的规定及意义。
3．了解热力学第二定律。
4．使学生会应用热力学第一定律计算简单的热、功和内能的转换问题。
5．应用能量守恒的观点来分析物理现象。
二、教学重点难点
重点：热力学第一定律。
难点：正确选取热力学第一定律中各物理量的正负号。（在教学中引导学生，不要死记硬背各物理量取正、负号的规定，要在理解的基础上掌握它。）
三、教学器材
光盘。
四、教学建议
教法建议
讲练法。
教学设计方案
（一）引入新课
复习提问：怎样改变物体的热力学能？
我们已经知道，热传递和做功是改变物体内能的两种方式。热传递使物体的热力学能变化时，热力学能的变化用传递的热量来量度；做功使物体的热力学能变化时，热力学能的变化用功的数值来量度。如果用表示热力学能的变化，那么物体内能的变化和功、热量之间有怎样的关系呢？这就是我们今天要学习的热力学第一定律。
（二）引出课程内容
例如，用砂轮磨刀具，刀具温度升高，说明克服摩擦力做功，使物体的热力学能增加。如果外力对物体做功全部用于改变物体的热力学能，外力做多少功，物体的热力学能就改变多少。如果用表示外界对物体做的功，用表示物体热力学能的变化，那么有 =。如果因外力对物体做功，使物体温度升高，则会向周围环境传递热量，假设传递的热量为，则
（1）
在火炉上烧水，水温升高热力学能增加。如果传递给物体的热量为，物体内能的变化量是，那么，=。如果考虑水温升高时体积膨胀，对外做功，则
= – （2）
如果规定：物体从外界吸热， 取正值；物体向外放热， 取负值。物体对外做功， 取正值；外界对物体做功，取负值。式（1）可写成和式（2）一样的形式。我们把式（2）变形得
=+
这一关系式就是我们今天要学习的热力学第一定律。
1．热力学第一定律
（1）热力学第一定律：物体从外界吸收的热量，等于物体热力学能的改变量与物体对外所做功的总和。
（2）公式： =+
热力学第一定律是热、功和热力学能之间变化的定量关系。力学中所讲的机械能守恒定律是动能和势能等机械能之间的相互转换规律。热力学第一定律是包括机械能和热力学能在内的能量转化与守恒的规律。
由于我们有了上述的规定，才把物体从外界吸热或向外界放热、物体对外做功或外界对物体做功的情况下，物体热力学能的变化与热和功的关系用一个公式表示出来。如果>，则>0，物体内能是增加的；如果<，则<0，物体内能是减少的。因此，我们在应用热力学第一定律处理问题时，应遵从这样的规定：
（3）规定：物体从外界吸热，取正值；物体向外放热， 取负值。物体对外做功，W取正值；外界对物体做功，取负值。物体的热力学能增加， 取正值；物体的热力学能减少，取负值。
例题 一定量的气体从外界吸收1 676 J的热，热力学能增加了476 J，问气体对外做功，还是外界对气体做功？做了多少功？
解 已知：=1 676 J， =476 J
由=+ 得
=- =1 676 J- 476 J=1.20×103 J
为正值，表示气体对外做了120×103 J的功。
图1
在工程技术中，普遍使用的蒸汽机(图1)、汽油机、柴油机等统称为热机。热机的核心是气缸(图2)，气缸中的工作物质(如水蒸气等)称为工质。热机工作时，工质陆续不断地吸热(如汽油机点火燃烧，气缸里的气体升温)，同时陆续不断地对外做功(气体膨胀推动活塞对外做功)。
气缸中的气体可近似当作理想气体，设它经历图3 中A—B—C—D—A的变化。利用物态方程和热力学第一定律分析如下：
图2 图3
：等体升压，一定，p↑，T↑；ΔU>0，WAB>0；故QAB=ΔU>0
：|膨胀，p一定，V↑，T↑；ΔU>0，WBC>0；故QBC=ΔU+WBC>0
：等体降压，一定，p↓，T↓；ΔU<0，WCD=0；故QCD=ΔU<0
：等压压缩，p一定，V↓，T↓；ΔU<0，WDA<0；故QDA=ΔU+WDA<0
在上述整个过程中：
总吸收热量
总释放热量 Q2=|QCD|+|QDA|
对外做的总功
因为气体经一个循环后又回到原来状态，所以整个过程中，
这是热机从高温处吸热，向低温处放热，同时对外做功形的一般公式。
下面根据热力学第一定律来研究理想气体在绝热过程中，及 之间的变化关系。
2．能量守恒定律
通过力学的学习知道，机械能中的动能和势能可以互相转化。根据热力学第一定律我们又认识到机械能与热力学能之间也可以互相转化。不仅机械能，其他形式的能都可以和热力学能互相转化。例如，通过电流的导体温度升高，电能转化为热力学能；燃料燃烧过程中，化学能转化为热力学能；炽热的灯丝发光，热力学能转化为光能等。实际上，自然界中任何形式的能都可以在一定的条件下互相转化。但无论能量如何转化，总的能量都是守恒的。
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别的形式，或从一个物体转移到别的物体，而能量的总和保持不变。
能量守恒定律是自然界的一条普遍规律，是19世纪发现的重要规律之一。该定律自建立以来，被应用到物理、化学、生物、天文、地质以及各种工程技术中，发挥了重要的作用。热力学第一定律告诉我们，在一切热力学过程中能量一定守恒，不满足能量守恒的过程都是不可能实现的。
提问：满足能量守恒的过程是否一定能实现呢 （许多事实给予的回答是：不一定!）
自然界的一切实际热力学过程都是按一定方向进行的，相反方向的逆过程则不可能自动进行。
（教师举例讲解）两个温度不同的物体互相接触，热量总是自动地由高温物体传向低温物体，最终使二者温度相同而达到热平衡。人们从未发现过热量自动地由低温物体传给高温物体，而使两物体的温差越来越大，尽管这样的过程并不违反能量守恒定律。当然，实际中也有热量从低温物体传向高温物体的情况。我们使用的电冰箱工作时就是不断把热量从低温热库(冰箱内)传向高温热库(外界)的，但这些热量不是自动地由低温物体传向高温物体，而是由冰箱的制冷机通过做功才实现的。又如转动着的飞轮，撤除动力后，由于轴处的摩擦而逐渐停下来，在这个过程中飞轮的机械能转化为轴和飞轮的热力学能。相反，轴和飞轮自动地冷却，让其热力学能转化为飞轮的机械能而使飞轮转起来的过程却从来没有发生过，尽管它也不违反热力学第一定律。实际中，热变功的过程是有的，如各种热机就是使热转变为功，但在这一转变过程中总有一部分热量没有转化为功而散失到了外界，即引起了其他变化。再如两种不同的气体可以自发地进人对方，最后成为一种均匀的混合气体。相反，一种均匀的混合气体绝不会自发地分开成为两种气体。当然使用物理或化学等手段可以把混合气体分开，但这必然要引起一些其他变化。
*3．自然过程的方向
自然界的一切实际热力学过程都是按一定的方向进行的，相反方向的逆过程则不可能自动进行。
以上所列举的几个实际过程都是按一定方向进行的，是不可逆的。相反方向的过程不能自动地发生；或者说，相反方向的过程可以发生，但必然会产生其他影响。物理学家们分析了大量的自然现象后，确立了自然界宏观过程进行方向的规律，即热力学第二定律。由于各种实际过程的不可逆性是相互依存的，因此任何一个实际过程进行方向的说明都可以作
为热力学第二定律的表述。（教师介绍热力学第二定律表述方式。）
*4. 热力学第二定律
(1）克劳修斯表述：热量不能自动地从低温物体传向高温物体。
(2）开尔文表述：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。
(3）热力学第二定律还可表述为：第二类永动机是不可能的。
“永动机”问题的讨论：有人设计了一台“永动机”
如图4所示。在水轮上方的水箱中装入一定量的水，水流下时冲动水轮转动。水轮通过皮带传动带动抽水机不断地把水从下方的水池中抽到上方的水箱中，这样，水不停地循环，水轮机将永久地转动下去。用能量守恒定律分
析这台“永动机”能否永久地转动下去。
由于轮和转轴之间存在摩擦力，水轮转动时要克服摩擦力做功，消耗动能，根据能量守恒定律，这台“永动机”不能永久地转动下去。
热力学第一定律就是包括热力学能在内的、热现象中的能量守恒定律。
（三）小结
本节学习了三个物理定律： 图4
1．热力学第一定律；
2．能量守恒定律；
3．热力学第二定律。
（四）作业布置
1． p184 5、6、7题 2．《技术物理练习册》（第3版）相关习题
（五）教学说明
1．本节可在复习做功和热传递对改变物体的热力学能是等效的基础上，分析得出它们的关系——热力学第一定律。宜采用讲练法教学。
2．学生在应用热力学第一定律计算热、功和热力学能的转换问题时，常常不能正确的选取正、负号，要多做比较说明。

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