對熱力學三個定律的理解

1 熱力學第一定律

⑴熱力學第一定律表示的是功、熱量跟內能改變之間的定量關系。

⑵內容：一個熱力學系統內能的變化ΔE，決定于系統與外界交換的熱量Q和做功W。

⑶表達式：ΔE=W+Q。

⑷符號定則：外界對物體做功，W取正值；物體對外界做功，W取負值。物體吸熱，Q取正值；物體放熱，Q取負值。物體內能增加，ΔE取正值；物體內能減少，ΔE取負值。

⑸注意：一般來說，系統對外界做功，表現出體積膨脹；外界對系統做功，表現出體積則被壓縮。但在某些特定條件下，例如氣體自由膨脹（外界為真空）時，氣體就沒有克服外力做功。另外，在判斷內能變化時，還必須結合物態變化及能量守恒來進行。

⑹熱力學第一定律的幾種典型應用：

①若過程是絕熱的，即Q=0，則W=ΔU，外界對物體做的功等于物體內能的增加；或者物體對外界做的功等于物體內能的減少。

②若過程中不做功，即W=0，則Q=ΔU，物體吸收的熱量等于物體內能的增加；或者物體放出的熱量等于物體內能的減少。

③若過程的始末物體的內能不變，即ΔU=0，則W+Q=0，外界對物體做的功等于物體放出的熱量，或者物體對外界做的功等于物體吸收的熱量。

2 熱力學第二定律

⑴熱傳導的方向性：熱量會自發地從高溫物體傳給低溫物體，但不會自發地從低溫物體傳給高溫物體。這說明：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，但是向相反的方向卻不能自發地進行。要實現相反的過程，必須借助外界的幫助，因而產生其他影響或引起其他變化。

⑵第二類永動機：從單一熱源吸收熱量，全部用來做功，而不引起其他變化的熱機。

第二類永動機不違反能量守恒定律，但不可能制成。表示機械能和內能的轉化過程具有方向性，盡管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，同時不引起其他變化。

⑶熱力學第二定律兩種表述

表述一（按照熱傳導的方向性來表述）：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。

表述二（按照機械能與內能轉化過程的方向性來表述）：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。它也可以表述為：第二類永動機是不可能制成的。

以上兩種表述是等價的，即可以從一種表述導出另一種表述。

⑷熱力學第二定律的實質

熱力學第二定律揭示了大量分子參與宏觀過程的方向性，使人們認識到自然界中進行的涉及熱現象的宏觀過程都具有方向性。

⑸熱力學第一、第二定律意義的比較

通過摩擦，功可以全部變為熱。熱力學第二定律卻說明這一熱量不可能在不引起其他變化的情況下完全變成功。熱量可以從高溫物體自動傳向低溫物體，而熱力學第二定律卻說明熱量不能自動從低溫物體傳向高溫物體。熱力學第一定律說明在任何過程中能量必須守恒，熱力學第二定律卻說明并非所有能量守恒的過程均能實現。熱力學第二定律是反映自然界過程進行的方向和條件的一個規律，它指出自然界中出現的過程是有方向性的，某些方向的過程可以實現，而另一方向的過程則不能實現。在熱力學中，它和第一定律相輔相成，缺一不可。

3 熱力學第三定律

熱力學零度等于-273.15℃ 。熱力學溫度是低溫的極限，只能無限接近，但不可達到。

4 實例分析

例1 關于物體內能的變化，以下說法中正確的是（ ）

A.物體吸收熱量，內能一定增加

B.物體對外做功，內能一定減少

C.物體吸收熱量，同時對外做功，內能可能不變

D.物體放出熱量，同時對外做功，內能可能不變

解析 根據熱力學第一定律ΔE=W+Q知，物體內能的變化與外界對氣體做功（或氣體對外界做功）、氣體從外界吸熱（或向外界放熱）兩種因素有關。物體吸收熱量，但有可能同時對外做功，故內能有可能不變或減小，所以選項A錯。同理，物體對外做功的同時有可能吸熱，內能不一定減少，選項B錯。若物體吸收的熱量與對外做功相等，則內能不變，選項C正確。而放熱與對外做功均使物體內能減少，選項D錯。故本題正確選項為C。

例2 第二類永動機不可能制成，是因為（ ）

A.違背了能量守恒定律

B.熱量總是從高溫物體傳遞到低溫物體

C.機械能不能全部轉化為內能

D.內能不能全部轉化為機械能，同時不引起其他變化

解析 第二類永動機的設想并不違背能量守恒定律，但卻違背了涉及熱現象的能量轉化過程是有方向性的規律。故選項A錯。在引起其他變化的情況下，熱量也可以由低溫物體非自發地傳遞到高溫物體。故選項B錯。機械能可以全部轉化為內能，如物體克服摩擦力做功的過程。所以選項C錯。根據熱力學第二定律可知，選項D正確。

例3 根據熱力學第二定律，下列判斷正確的是（ ）

A.熱機中，燃氣內能不可能全部變為機械能

B.電流的能不可能全部變為內能

C.在火力發電機中，燃氣的內能不可能全部變為電能

D.在熱傳導中，熱量不可能自發地從低溫物體傳遞給高溫物體

解析 凡與熱現象有關的宏觀過程都具有方向性。機械能可全部變為內能，而內能不可能全部變成機械能。由電流熱效應中的焦耳定律可知，電流的能可全部變為內能，而內能不可能全部變成電流的能。在熱傳導中，熱量只能自發地從高溫物體傳遞給低溫物體，而不能自發地從低溫物體傳遞給高溫物體，正確選項為A、C、D。