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4. 熱力學第二定律：21世紀教育網

⑴熱傳導的方向性。熱傳導的過程是有方向性的，這個過程可以向一個方向自發地進行(熱量會自發地從高溫物體傳給低溫物體)，但是向相反的方向卻不能自發地進行。21世紀教育網

⑵第二類永動機不可能制成。我們把沒有冷凝器，只有單一熱源，從單一熱源吸收熱量全部用來做功，而不引起其它變化的熱機稱為第二類永動機。這表明機械能和內能的轉化過程具有方向性：機械能可以全部轉化成內能，內能卻不能全部轉化成機械能。21世紀教育網

⑶熱力學第二定律。表述：①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(按熱傳導的方向性表述)。②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(按機械能和內能轉化過程的方向性表述)。③第二類永動機是不可能制成的。

熱力學第二定律使人們認識到：自然界種進行的涉及熱現象的宏觀過程都具有方向性。它揭示了有大量分子參與的宏觀過程的方向性，使得它成為獨立于熱力學第一定律的一個重要的自然規律。

⑷能量耗散。自然界的能量是守恒的，但是有的能量便于利用，有些能量不便于利用。很多事例證明，我們無法把流散的內能重新收集起來加以利用。這種現象叫做能量的耗散。它從能量轉化的角度反映出自然界中的宏觀現象具有方向性。

例題分析

例1：下列說法中正確的是

A.物體自由下落時速度增大，所以物體內能也增大

B.物體的機械能為零時內能也為零

C.物體的體積減小溫度不變時，物體內能一定減小

D.氣體體積增大時氣體分子勢能一定增大

解：物體的機械能和內能是兩個完全不同的概念。物體的動能由物體的宏觀速率決定，而物體內分子的動能由分子熱運動的速率決定。分子動能不可能為零(溫度不可能達到絕對零度)，而物體的動能可能為零。所以A、B不正確。物體體積減小時，分子間距離減小，但分子勢能不一定減小，例如將處于原長的彈簧壓縮，分子勢能將增大，所以C也不正確。由于氣體分子間距離一定大于r0，體積增大時分子間距離增大，分子力做負功，分子勢能增大，所以D正確。

例2：下列說法中正確的是

A.物體吸熱后溫度一定升高

B.物體溫度升高一定是因為吸收了熱量

C.0℃的冰化為0℃的水的過程中內能不變

D.100℃的水變為100℃的水汽的過程中內能增大

解：吸熱后物體溫度不一定升高，例如冰融化為水或水沸騰時都需要吸熱，而溫度不變，這時吸熱后物體內能的增加表現為分子勢能的增加，所以A不正確。做功也可以使物體溫度升高，例如用力多次來回彎曲鐵絲，彎曲點鐵絲的溫度會明顯升高，這是做功增加了物體的內能，使溫度上升，所以B不正確。冰化為水時要吸熱，內能中的分子動能不變，但分子勢能增加，因此內能增加，所以C不正確。水沸騰時要吸熱，內能中的分子動能不變但分子勢能增加，所以內能增大，D正確。

例3：“奮進號”航天飛機進行過一次太空飛行，其主要任務是給國際空間站安裝太陽能電池板。該太陽能電池板長L=73m，寬d=12m，將太陽能轉化為電能的轉化率為η=20%，已知太陽的輻射總功率為P0=3.83×1026W，地日距離為R0=1.5×1011m，國際空間站離地面的高度為h=370km，它繞地球做勻速圓周運動約有一半時間在地球的陰影內，所以在它能發電的時間內將把所發電的一部分儲存在蓄電池內。由以上數據，估算這個太陽能電池板能對國際空間站提供的平均功率是多少？

解：由于國際空間站離地面的高度僅為地球半徑的約二十分之一，可認為是近地衛星，h遠小于R0，因此它離太陽的距離可認為基本不變，就是地日距離R0。太陽的輻射功率應視為均勻分布在以太陽為圓心，地日距離為半徑的球面上，由此可以算出每平方米接收到的太陽能功率I0=P0/4πR02=1.35kW/m2(該數據被稱為太陽常數)，再由電池板的面積和轉化率，可求出其發電時的電功率為P=I0Ldη=2.6×105W，由于每天只有一半時間可以發電，所以平均功率只是發電時電功率的一半即130kW。

3. 能量守恒定律：21世紀教育網

能量守恒定律指出：能量即不會憑空產生，也不會憑空消失，它只能從一種形式轉化為別的形式，或者從一個物體轉移到別的物體，在轉化或轉移的過程中其總量不變。21世紀教育網

能量守恒定律是自然界普遍適用的規律之一，是研究自然科學的強有力的武器之一。21世紀教育網

2. 熱力學第一定律：21世紀教育網

做功和熱傳遞都能改變物體的內能。也就是說，做功和熱傳遞對改變物體的內能是等效的。但從能量轉化和守恒的觀點看又是有區別的：做功是其他能和內能之間的轉化，功是內能轉化的量度；而熱傳遞是內能間的轉移，熱量是內能轉移的量度。21世紀教育網

外界對物體所做的功W加上物體從外界吸收的熱量Q等于物體內能的增加ΔU，即ΔU=Q+W 這在物理學中叫做熱力學第一定律。21世紀教育網

在這個表達式中，當外界對物體做功時W取正，物體克服外力做功時W取負；當物體從外界吸熱時Q取正，物體向外界放熱時Q取負；ΔU為正表示物體內能增加，ΔU為負表示物體內能減小。21世紀教育網

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目的要求21世紀教育網

復習物體內能的概念，能量守恒定律，熱力學第一、第二定律。21世紀教育網

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知識要點21世紀教育網

1. 物體的內能：21世紀教育網

⑴做熱運動的分子具有的動能叫分子動能。溫度是物體分子熱運動的平均動能的標志。溫度越高，分子做熱運動的平均動能越大。21世紀教育網

⑵由分子間相對位置決定的勢能叫分子勢能。分子力做正功時分子勢能減小；分子力作負功時分子勢能增大。(所有勢能都有同樣結論：重力做正功重力勢能減小、電場力做正功電勢能減小。)21世紀教育網

由上面的分子力曲線可以得出：當r=r0即分子處于平衡位置時分子勢能最小。不論r從r0增大還是減小，分子勢能都將增大。如果以分子間距離為無窮遠時分子勢能為零，則分子勢能隨分子間距離而變的圖象如右。可見分子勢能與物體的體積有關。體積變化，分子勢能也變化。21世紀教育網

⑶物體中所有分子做熱運動的動能和分子勢能的總和叫做物體的內能。21世紀教育網

物體的內能跟物體的溫度和體積都有關系：溫度升高時物體內能增加；體積變化時，物體內能變化。21世紀教育網

3.分子間的相互作用力：21世紀教育網

⑴分子力有如下幾個特點：①分子間同時存在引力和斥力；②引力和斥力都隨著距離的增大而減小；③斥力比引力變化得快。21世紀教育網

⑵引導同學們跟老師一起自己動手畫F-r圖象。先從橫坐標r=r0開始(r0是處于平衡狀態時相鄰分子間的距離)，分別畫斥力(設為正)和引力(設為負)；然后向右移，對應的斥力比引力減小得快；向左移，對應的斥力比引力增大得快，畫出斥力、引力隨r而變的圖線，最后再畫出合力(即分子間作用力)隨r　 而變的圖線。21世紀教育網

⑶分子間作用力(指引力和斥力的合力)隨分子間距離而變的規律是：①r<r0時表現為斥力；②r=r0時分子力為零；③r>r0時表現為引力；④r>10r0以后，分子力變得十分微弱，可以忽略不計。記住這些規律對理解分子勢能有很大的幫助。21世紀教育網

⑷從本質上來說，分子力是電場力的表現。因為分子是由原子組成的，原子內有帶正電的原子核和帶負電的電子，分子間復雜的作用力就是由這些帶電粒子間的相互作用而引起的。(也就是說分子力的本質是四種基本基本相互作用中的電磁相互作用)。21世紀教育網

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例題分析21世紀教育網

例1：根據水的密度為ρ=1.0×103kg/m3和水的摩爾質量M=1.8×10-2kg,，利用阿伏加德羅常數，估算水分子的質量和水分子的直徑。21世紀教育網

解：每個水分子的質量m=M/NA=1.8×10-2÷6.02×1023=3.0×10-26kg；水的摩爾體積V=M/ρ，把水分子看作一個挨一個緊密排列的小球，則每個分子的體積為v=V/NA,而根據球體積的計算公式，用d表示水分子直徑，v=4πr3/3=πd3/6，得d=4×10-10 m21世紀教育網

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例2：利用阿伏加德羅常數，估算在標準狀態下相鄰氣體分子間的平均距離D。21世紀教育網

解：在標準狀態下， 1mol任何氣體的體積都是V=22.4L，除以阿伏加德羅常數就得每個氣體分子平均占有的空間，該空間的大小是相鄰氣體分子間平均距離D的立方。21世紀教育網

，這個數值大約是分子直徑的10倍。因此水氣化后的體積大約是液體體積的1000倍。21世紀教育網

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例3：下面關于分子力的說法中正確的有：21世紀教育網

A.鐵絲很難被拉長，這一事實說明鐵絲分子間存在引力21世紀教育網

B.水很難被壓縮，這一事實說明水分子間存在斥力21世紀教育網

C.將打氣管的出口端封住，向下壓活塞，當空氣被壓縮到一定程度后很難再壓縮，這一事實說明這時空氣分子間表現為斥力21世紀教育網

D.磁鐵可以吸引鐵屑，這一事實說明分子間存在引力21世紀教育網

解：A、B正確。無論怎樣壓縮，氣體分子間距離一定大于r0，所以氣體分子間一定表現為引力。空氣壓縮到一定程度很難再壓縮不是因為分子斥力的作用，而是氣體分子頻繁撞擊活塞產生壓強的結果，應該用壓強增大解釋，所以C不正確。磁鐵吸引鐵屑是磁場力的作用，不是分子力的作用，所以D也不正確。21世紀教育網

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2.分子的熱運動：物體里的分子永不停息地做無規則運動，這種運動跟溫度有關，所以通常把分子的這種運動叫做熱運動。21世紀教育網

⑴擴散現象和布朗運動都可以很好地證明分子的熱運動。21世紀教育網

⑵布朗運動是指懸浮在液體中的固體微粒的無規則運動。關于布朗運動，要注意以下幾點：①形成條件是：只要微粒足夠小。②溫度越高，布朗運動越激烈。③觀察到的是固體微粒(不是液體，不是固體分子)的無規則運動，反映的是液體分子運動的無規則性。④實驗中描繪出的是某固體微粒每隔30秒的位置的連線，不是該微粒的運動軌跡。21世紀教育網

⑶為什么微粒越小，布朗運動越明顯？可以這樣分析：在任何一個選定的方向上，同一時刻撞擊固體微粒的液體分子個數與微粒的橫截面積成正比，即與微粒的線度r的平方成正比，從而對微粒的撞擊力的合力F與微粒的線度r的平方成正比；而固體微粒的質量m與微粒的體積成正比，即與微粒的線度r的立方成正比，因此其加速度a=F/m∝r –1，即加速度與微粒線度r成反比。所以微粒越小，運動狀態的改變越快，布朗運動越明顯。21世紀教育網

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目的要求21世紀教育網

復習分子動理論的基本內容。21世紀教育網

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知識要點21世紀教育網

熱學是物理學的一個組成部分，它研究的是熱現象的規律。描述熱現象的一個基本概念是溫度。凡是跟溫度有關的現象都叫做熱現象。分子動理論是從物質微觀結構的觀點來研究熱現象的理論。它的基本內容是：物體是由大量分子組成的；分子永不停息地做無規則運動；分子間存在著相互作用力。21世紀教育網

1.物體是由大量分子組成的：這里的分子是指構成物質的單元，可以是原子、離子，也可以是分子。在熱運動中它們遵從相同的規律，所以統稱為分子。21世紀教育網

⑴這里建立了一個理想化模型：把分子看作是小球，所以求出的數據只在數量級上是有意義的。一般認為分子直徑大小的數量級為10-10m。21世紀教育網

⑵固體、液體被理想化地認為各分子是一個挨一個緊密排列的，每個分子的體積就是每個分子平均占有的空間。分子體積=物體體積÷分子個數。21世紀教育網

⑶氣體分子仍視為小球，但分子間距離較大，不能看作一個挨一個緊密排列，所以氣體分子的體積遠小于每個分子平均占有的空間。每個氣體分子平均占有的空間看作以相鄰分子間距離為邊長的正立方體。21世紀教育網

⑷阿伏加德羅常數NA=6.02×1023mol-1，是聯系微觀世界和宏觀世界的橋梁。它把物質的摩爾質量、摩爾體積這些宏觀物理量和分子質量、分子體積這些微觀物理量聯系起來了。21世紀教育網

§1. 分子動理論 熱和功21世紀教育網

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§1. 分子動理論 熱和功21世紀教育網