熱力學定律的內涵和復習建議

云南 張保雷 玉文昆

熱力學定律是高中物理的重要內容，也是高考的熱點內容之一，不同版本的高中物理教科書均把該內容單獨列為一章。熱力學定律的表述多樣，內涵豐富，知識點間相互聯系，且不易理解，學生往往感覺神秘莫測、知其然不知其所以然，因此該部分內容是學習的難點。本文歸納整理了熱力學定律的知識點，并分析了其內涵和內在的邏輯關系，期望在進行高中物理專題復習時，能夠幫助師生正確認識和理解熱力學定律的內涵和精髓。

1.熱力學第一定律

一個熱力學系統的內能變化量等于外界向它傳遞的熱量與外界對它所做的功的和，這個關系叫作熱力學第一定律，關系式為ΔU=Q+W。

物體中所有分子的熱運動動能和分子勢能的總和，稱為內能。熱力學第一定律的研究內容是改變內能的方式，其實質是能量的守恒和轉化，在物體跟外界同時發生做功和熱傳遞的過程中，物體內能變化量ΔU由外界對物體做的功W和物體從外界吸收的熱量Q相加而得。在運用公式ΔU=Q+W解答問題時，首先要掌握該公式中符號的物理意義：①外界對物體做的功W>0，表示外界對系統做正功，系統對外界做負功，表現為系統體積壓縮；W<0，表示外界對系統做負功，系統對外界做正功，表現為系統體積膨脹。②物體從外界吸收的熱量Q>0，表示物體吸熱；Q<0，表示物體放熱。③物體內能變化量ΔU>0，表示物體內能增加；ΔU<0，表示物體內能減少。對于一定質量的理想氣體而言，內能的增加表現為溫度升高，內能的減少表現為溫度降低。

【例1】(2021年山東省普通高中學業水平等級考試第2題)如圖1所示，密封的礦泉水瓶中，距瓶口越近水的溫度越高。一開口向下、導熱良好的小瓶置于礦泉水瓶中，小瓶中封閉一段空氣。擠壓礦泉水瓶，小瓶下沉到底部；松開后，小瓶緩慢上浮。上浮過程中，小瓶內氣體

圖1

( )

A.內能減少

B.對外界做正功

C.增加的內能大于吸收的熱量

D.增加的內能等于吸收的熱量

【答案】B

【例2】(江蘇省2021年普通高中學業水平合格性考試第13題)(節選)如圖2所示，一定質量理想氣體被活塞封閉在氣缸中，活塞的面積為S，與氣缸底部相距L，氣缸和活塞絕熱性能良好，氣體的壓強、溫度與外界大氣相同，分別為p0和t0。現接通電熱絲加熱氣體，一段時間后斷開，活塞緩慢向右移動距離L后停止，活塞與氣缸間的滑動摩擦力為f，最大靜摩擦力等于滑動摩擦力，整個過程中氣體吸收的熱量為Q，求該過程中內能的增加量ΔU。

圖2

【解析】活塞移動時受力平衡有p1S=p0S+f，氣體對外界做功W=p1SL=(p0S+f)L，根據熱力學第一定律ΔU=Q+W，解得該過程中氣體內能的增加量為ΔU=Q-(p0S+f)L。

【點評】在運用熱力學第一定律解決定性分析問題時，首先要確定研究對象，進而確定哪些量不變、哪些量變化，準確掌握ΔU、Q和W的物理意義，確定各物理量的“正負”；定量計算W時，可能會運用到氣體實驗定律、共點力的平衡、牛頓運動定律等知識，要對變化過程、受力特點、運動過程進行正確分析，求出與W相關的力、體積變化、運動距離等，再結合熱力學第一定律，問題即可得到解答。

2.熱力學第二定律

熱力學第二定律有兩種常見表述：①克勞修斯表述：熱量不能自發地從低溫物體傳到高溫物體；②開爾文表述：不可能從單一熱庫吸收熱量，使之完全變成功，而不產生其他影響。

表述①指出了在自發條件下，熱傳遞方向是不可逆的，要使熱傳遞方向逆轉過來，只有靠做功來實現；表述②指出了機械能可以全部變成熱，而反過來熱卻不能在不產生其他影響的條件下完全變成其他形式的能量，從而說明了這種轉變在自然條件下也是不可逆的。一切自然過程總是沿著分子熱運動的無序性增大的方向進行，即在任何自然過程中，一個孤立系統的熵值總不會減少，熱力學第二定律常見的兩種表述從不同角度闡述了自然熱現象的方向性，其實兩種表述均是分子熱運動的無序性增加(熵增加)的表現，兩種表述是等價的。熱力學第一定律是自然界一切熱現象發生過程的原則，即轉換定量關系；熱力學第二定律指出除能量守恒外，熱現象發生的過程是有限制的、有轉換條件的，自發的熱現象是有方向性的。

【例3】(多選)關于熱力學第二定律，下列表述正確的是

( )

A.不可能使熱量從低溫物體傳遞到高溫物體

B.不可能從單一熱庫吸收熱量并把它全部用來做功

C.一切自然過程總是沿著分子熱運動無序性增大的方向進行

D.從微觀的角度看，熱力學第二定律是一個統計規律

【解析】熱力學第二定律可描述為熱量不能自發地從低溫物體傳到高溫物體，當非自發時，熱量能從低溫物體傳到高溫物體，如空調，A錯誤；根據熱力學第二定律可知，不可能從單一熱庫吸收熱量并把它全部用來做功，而不引起其他變化，B錯誤；根據熱力學第二定律可知，一切自然過程總是沿著分子熱運動的無序性增大的方向進行，C正確；系統的熱力學規律是大量分子無序運動狀態的變化，從微觀的角度看，熱力學第二定律是一個統計規律，D正確。

【答案】CD

【點評】熱力學第二定律指明哪些過程可能發生，哪些不可能發生，熱現象過程中能量耗散是不可避免的，第二類永動機不可能實現，熱機效率不可能是100%等，實際宏觀的熱現象過程是不可逆的。需要注意的是學習者要準確理解表述①中的“自發”，表述②中的“不產生其他影響”，有些熱現象在相應的輔助情況下，熱量能從低溫物體傳到高溫物體，也是可從單一熱庫吸收熱量，使之完全變成功。

3.熱力學第三定律和熱力學第零定律

熱力學第三定律表述為不可能通過有限的過程把一個物體冷卻到絕對零度。熱力學第零定律表述為如果兩個系統分別與第三個系統達到熱平衡，那么這兩個系統彼此之間也必定處于熱平衡。

熱力學第三定律是在對低溫現象的研究中總結出來的，指出了絕對零度不可能達到。熱力學第三定律反映了微觀運動的量子化，在實際意義上，熱力學第三定律并不像熱力學第一定律和熱力學第二定律那樣明確地告誡人們放棄制造第一類永動機和第二類永動機的意圖，熱力學第三定律告訴人們溫度總有降低的可能，人們可以想辦法使物體的溫度盡可能接近絕對零度，且當溫度趨于絕對零度時，物質所表現出與常溫不同的性質，是人類探索低溫世界的不竭動力。熱力學第零定律的提出比熱力學第一定律和熱力學第二定律晚了80余年，但其是熱力學研究的基礎，又不能列在熱力學第一定律和熱力學第二定律之后，故稱為熱力學第零定律。熱力學第零定律反映所有處于同一熱平衡狀態的熱力學系統，都具有一個共同的宏觀性質，我們把表征這一“共同的熱學性質”的物理量叫作溫度，即處于同一平衡態的熱力學系統溫度相等。

【例4】下列說法正確的是

( )

A.自然界的能量是守恒的，所以我們可以不必節約能源

B.隨著科學的發展，降溫技術的提高，可使物體的溫度降到絕對零度

C.如果兩個系統分別與狀態確定的第三個系統達到熱平衡，那么這兩個系統彼此之間也必定達到熱平衡

D.三個系統a、b、c，若a與b內能相等，b與c內能相等，則根據熱平衡定律a與c接觸時一定不會發生熱交換

【解析】自然界中能量是守恒的，但是能便于利用的能量(能源)是有限的，因此要節約能源，A錯誤；根據熱力學第三定律可知，絕對零度只可接近，不能達到，B錯誤；由熱力學第零定律知，如果兩個系統分別與狀態確定的第三個系統達到熱平衡，說明三個系統的溫度一定相等，那么這兩個系統彼此之間也必定達到熱平衡，C正確；熱平衡狀態即為兩物體的溫度相同，但兩物體內能相同時，溫度不一定相同，D錯誤。故選C。

【點評】熱力學第三定律是在對低溫現象的研究中總結出來的，絕對零度是只可接近不可達到的理想值。熱力學第零定律在高中教材中叫做熱平衡定律，處于同一熱平衡狀態的熱力學系統，都具有一個共同的宏觀性質，即溫度相等。溫度是決定一個系統是否達到熱平衡的物理量，處于同一熱平衡狀態的熱力學系統的內能、壓強等卻不一定相等。教師在引導學生了解熱力學第三定律和熱力學第零定律的來歷和內涵后，解答相關問題的難度也會隨之降低。

4.二輪復習建議

通過上述歸納，可讓學生認識到熱力學定律是分別從不同的角度對自然界中熱現象發生的規律進行的總結。熱力學第零定律是熱力學研究的基礎，是溫度概念產生的基礎；熱力學第一定律揭示了熱現象在能量轉換的過程中遵循的守恒原則，是能量守恒定律在熱力學中的表現；熱力學第二定律揭示了能量變化遵循的客觀規律及條件，指明了熱現象的方向性；熱力學第三定律指出了絕對零度是只可接近不可達到的理想值。

對于知識理解而言，最為有效的方式就是知識的系統化，高中物理的第二輪復習就是讓學生將一輪復習中分散的理論知識進行網絡化，教師要引導學生對有著相似、相近、遞進等關系的知識進行歸納總結，引導學生思考知識的內涵和知識點間的聯系，讓學生對知識有整體認識，也可以提升學生對物理知識理解的廣度和深度。高中物理的教學任務除了幫助學生學習和理解物理知識外，還要讓學生構建物理知識體系、掌握物理研究方法體系、了解物理思想體系，從而培養、提升學生的理解、推理、分析等學科能力和物理觀念、科學思維等學科素養，讓學生能夠從較高的視角全面、系統地認識物理學，這也符合現在提倡的大單元教學和深度學習的理念。