高考物理 热力学定律知识和经典试题解析

问题1：在研究热现象的过程中，人们通过实验发现热现象遵循哪些规律？答：人们通过大量的实验发现热现象遵循以下规律：①热力学第零定律：在不受外界影响的情况下，如果两个热力学系统的每一个都与第三个热力学系统处于热平衡，则它们也必定处于热平衡。热力学第零定律由英国物理学家拉尔夫·福勒（R·H·Fowler）于1939年提出。热力学第零定律是温度计测量温度的依据。

②热力学第一定律：一个热力学系统内能的增量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的总和。其数学表达式表示为：∆U=W+Q表达式中若系统对外做功，则W<0；若外界对系统做功，则W>0。若系统吸热，则Q>0，若系统放热则Q<0。若∆U>0，则系统的内能增加；∆U<0，则系统的内能减少。一个热力学系统的内能从U1变化到U2的过程可以用如图所示的能流图表示。③热力学第二定律：热力学第二定律有两种表述形式，其中克劳修斯表述为“热量不能自发地从低温物理传到高温物体”，开尔文表述为“不可能从单一热源吸收热量使之全部转变为功，而不产生其他影响”。可以证明，热力学第二定律的两种表述形式是完全等价的，他们都说明宏观过程具有方向性，一切与热有关的现象都是不可逆的。④热力学第三定律：不可能用有限的步骤使物体降至绝对零度。热力学第三定律是在对各种物质在极低温下性质的研究过程中得出的。问题2：关于热力学第一定律的学习，从初中到高中是如何进阶的？

答：初中阶段的学习中并没有提及热力学第一定律，但通过大量如图所示的实验明确了做功和热传递都可以改变物体的内能，热传递过程中转移能量的多少称为热量。初中阶段没有深入探究物体内能的改变与做功和热传递的热量之间的定量关系。

上述三个物理量之间的定量关系是由焦耳通过如图所示的两个实验得出的。利用图甲所示的实验装置，焦耳通过多次实验证明，对于一个绝热过程，系统内能的增量等于外界对系统所做的功，即∆U=W。利用图乙所示的实验装置，焦耳经过多次实验后发现，对于一个外界没有对其做功的系统，其内能的增加量等于系统从外界吸收的热量，即∆U=Q。通过以上两个实验焦耳测定了热功当量：1卡=4.2焦耳其中1卡是 1g纯水在1标准大气压下温度升高1℃时吸收的热量。焦耳的实验明确了功和热量和内能之间的定量关系，这一关系的具体描述就是热力学第一定律。子问题1：为什么做功和热传递在改变物体的内能上是等效的？答：从定性的角度分析：一杯水可以用加热的方式，使它从一个温度变化到另一个温度；也可以通过搅拌做功的方式，使它上升同样的温度。前者是热传递的过程，后者是做功的过程，两者虽然方式不同，但效果都是使这杯水从一个状态变化到了另一个状态，效果是相同的，所以热传递和做功是等效的。从定量的角度分析：前文提到的焦耳测定热功当量的实验不仅说明热和功在数量上具有确定的关系，也进一步定量的证明了做功和热传递在改变物体的内能上的等效性。子问题2：如何从微观角度认识做功和热传递改变物体内能的本质？答：“做功”和“热传递”虽然在改变物体的内能上是等效的，但不论从宏观还是微观来看，两者都有本质区别。宏观上从能量的角度分析，“做功”的过程是系统外物体的能量向系统内物体的内能的转化过程，“热传递”的过程是内能从系统外的物体向系统内的物体的转移过程。微观上从运动与相互作用的角度分析，“做功”的过程是系统外的有序运动通过相互作用影响系统内分子的无规则运动的过程；而“热传递”的过程是系统外物质分子的无规则运动通过分子之间的相互作用影响系统内物质分子无规则运动的过程。子问题3：如何利用热力学第一定律，从能量角度分析理想气体的状态变化过程？答：如图所示，一定质量的理想气体从状态a经等容过程到达状态b，再经过等压过程到达状态c，最后经等温过程回到初态a。在《2.3气体的等容变化和等压变化》的学习中，我们已经明确理想气体的内能只与温度有关。因此从能量的角度对上述过程进行分析，可知：①从a→b，气体发生等容变化，体积不变，压强减小。体积不变，说明外界不对系统做功，系统也不对外界做功，即热力学第一定律中的W=0；根据理想气体的状态方程PV/T=C可知，体积不变，压强减小，气体的温度降低，所以理想气体的内能一定减小，根据热力学第一定律可知这一过程系统一定对外放出热量。②从b→c，气体发生等压变化，压强不变，体积增大。体积增大，气体对外界做功；根据理想气体的状态方程PV/T=C可知，压强不变、体积增大，气体的温度一定升高，理想气体的内能增大。气体对外做功，气体的内能却增大，根据热力学第一定律可知，这一过程气体一定从外界吸收热量。③从c→a，气体发生等温变化，温度不变，体积减小。体积减小，外界对气体做功；温度不变，理想气体的内能不变。气体对外做功，内能却保持不变，根据热力学第一定律可知，这一过程气体一定对外界放出热量。问题3：关于热力学第二定律的学习，从初中到高中是如何进阶的？答：如图所示，在初中阶段的物理学习中并没有提及热力学第二定律。但人教版在九年级全一册第十四章、北师大版八年级全一册第七章中都介绍了热机的相关知识。热力学第二定律的发现与提高热机效率的研究有密切关系。英国年轻的工程师卡诺提出工作在两个热源之间的热机的工作效率仅仅取决于两个热源的温度差，而与工作物质无关，其中可逆热机效率最大。1850年，德国物理学家克劳修斯在对卡诺的理论进行深入分析的基础上明确提出“热永远不能从冷的物体传向热的物体，如果没有与之联系的，同时发生的其他变化的话”，这就是前面到的热力学第二定律的克劳修斯表述。W·汤姆逊（开尔文勋爵）同样基于于1851年发表的三篇论文中指出“利用无生命的物质，把物质的任何部分冷到比周围冷的物体还要低的温度以产生机械效应是不可能的”这就是前面提到的热力学第二定律的开尔文表述。子问题1：为什么热力学第二定律的开尔文表述和克劳修斯表述是等价的？答：利用反证法可以证明热力学第二定律的两种表述是等价的。假设开尔文表述是错误的，如图所示，存在一个过程从高温热源T1取得热量Q1并把这些热量全部转化为功A，此时利用一个逆循环把全部的功都用来将热量从低温热源T2取得热量Q2，传递给高温热源。这样从全过程上来看，外界没有对系统做功，但热量Q2却从低温热源传给了高温热源，这就说明克劳修斯表述也是错误的。由此证明，热力学第二定律的两种表述方式是等价的。子问题2：如何从微观角度理解热力学第二定律？答：热力学第二定律反映的宏观过程的方向性，可以从微观层面进行深入理解。分析如图所示的几个宏观过程：热传递过程中，开始时高温物体和低温物体组成的系统中分子按动能大小呈现有序的分布，当两者达到热平衡时，有序分布的状态消失，所有分子处于相同的无序运动状态中；做功使机械能转化为内能的过程中，做功与分子群体的有序运动紧密联系，内能增加说明大量分子无规则运动的剧烈程度增加，因此从微观上来说，做功的过程是大量分子的有序运动朝无序运动转换的过程；扩散过程中，开始时两种气体的分子呈现有序的分布，扩散结束有序分布的状态消失。综上所述，上述热现象的共同点是自发进行的宏观过程方向总是从有序性高的状态向无序性高的状态进行。物理学中由克劳修斯