高中熱力學(xué)重要概念的理解與應(yīng)用

【摘要】本文從內(nèi)能、熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律三個(gè)方面，結(jié)合高中物理教學(xué)中的具體例題，對(duì)熱力學(xué)的基本概念和定律進(jìn)行深入分析和解讀.通過對(duì)概念內(nèi)涵的闡述和例題的步驟解析，揭示熱力學(xué)基本定律蘊(yùn)含的物理意義，幫助學(xué)生深化對(duì)熱力學(xué)知識(shí)的理解，提高運(yùn)用能力.

【關(guān)鍵詞】熱力學(xué)；高中物理；解題技巧

1 引言

內(nèi)能、熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律等概念不僅是高考的重要考點(diǎn)，更對(duì)學(xué)生今后學(xué)習(xí)和生活有重要意義.在實(shí)際教學(xué)中，學(xué)生對(duì)熱力學(xué)知識(shí)的理解和應(yīng)用往往存在困難，本文擬幫助學(xué)生深入理解熱力學(xué)的基本概念和定律，提高運(yùn)用熱力學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力.

2 內(nèi)能的內(nèi)容與理解

內(nèi)能是物體內(nèi)部所有分子動(dòng)能和勢(shì)能的總和.物體的內(nèi)能取決于物質(zhì)的量、溫度和體積這三個(gè)因素.物質(zhì)的量越大，分子數(shù)越多，內(nèi)能就越大；溫度越高，分子運(yùn)動(dòng)越劇烈，內(nèi)能也越大；體積的變化會(huì)引起分子間距離的改變，從而影響分子勢(shì)能.理想氣體的分子間作用力可以忽略，因此內(nèi)能僅與物質(zhì)的量和溫度有關(guān).

物體的內(nèi)能可以通過做功和熱傳遞改變.外力對(duì)物體做正功，物體的內(nèi)能增加，反之則減少.功的大小反映了內(nèi)能的變化量.在熱傳遞過程中，物體與外界進(jìn)行熱量交換，熱量從高溫物體自發(fā)地傳向低溫物體，導(dǎo)致物體內(nèi)能發(fā)生轉(zhuǎn)移.傳遞的熱量多少?zèng)Q定了內(nèi)能轉(zhuǎn)移的大小.需要注意的是，做功和熱傳遞是過程量，而內(nèi)能是狀態(tài)量，只與物體的狀態(tài)有關(guān)，而與過程無關(guān).

例1 已知某一物體是由分子構(gòu)成的，下列判斷正確的是（ ）

（A）該物體的內(nèi)能與其溫度和體積有關(guān).

（B）增加該物體內(nèi)能的方法只有外界對(duì)其做功.

（C）分子間的作用力隨分子間間距減小而減小.

（D）分子熱運(yùn)動(dòng)越劇烈，該物體內(nèi)部單一分子的動(dòng)能就越大.

解析 影響物體內(nèi)能的有物體的內(nèi)能取決于溫度、體積和物質(zhì)的量這三個(gè)因素.做功和熱傳遞可以改變物體內(nèi)能.分子間作用力與分子間距離的關(guān)系為，分子間的引力和斥力都會(huì)隨著分子間距離的減小而增大.分子熱運(yùn)動(dòng)越劇烈說明分子的平均動(dòng)能越大而不是所有分子的動(dòng)能都會(huì)增大.故（A）正確.

3 熱力學(xué)第一定律的內(nèi)容與理解

熱力學(xué)第一定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式為ΔU=W+Q，其中ΔU表示物體內(nèi)能的變化量，Q表示物體與外界交換的熱量，W表示外界對(duì)物體所做的功.公式蘊(yùn)含的物理意義是物體與外界發(fā)生能量交換時(shí)，物體內(nèi)能的變化量等于吸收的熱量和外界對(duì)物體所做功的代數(shù)和.

在應(yīng)用熱力學(xué)第一定律進(jìn)行計(jì)算時(shí)需要注意Q和W的正負(fù)號(hào).根據(jù)符號(hào)法則，當(dāng)物體處于吸熱狀態(tài)時(shí)，Q為正；當(dāng)物體處于放熱狀態(tài)時(shí)，Q為負(fù).同樣的，當(dāng)外界對(duì)物體做功時(shí)，W為正；當(dāng)物體對(duì)外界做功時(shí)，W為負(fù).物體內(nèi)能的變化量ΔU的正負(fù)號(hào)取決于內(nèi)能是增加還是減少，增加為正，減少為負(fù).

熱力學(xué)第一定律揭示了能量守恒和轉(zhuǎn)化的普遍規(guī)律.在一個(gè)封閉系統(tǒng)中，能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生也不會(huì)憑空消失，而是在不同形式之間進(jìn)行轉(zhuǎn)化.熱量和功都是能量傳遞的兩種方式，它們引起的內(nèi)能變化體現(xiàn)了能量守恒定律.

例2 如圖１所示，已知一定質(zhì)量的理想氣體從A→B轉(zhuǎn)變，又從B→C.狀態(tài)A的溫度設(shè)定為300K.試求：

（1）求氣體在B時(shí)的溫度；

（2）氣體從B→C的過程中是吸熱還是放熱？

解析 （1）設(shè)氣體在狀態(tài)B的溫度為TB，根據(jù)理想氣體方程可得PAVATA=PBVBTB，解得TB=1200K.

（2）由狀態(tài)B變化到狀態(tài)C的過程中，等容降壓，溫度降低，內(nèi)能減小；體積不變，做功W=0；由熱力學(xué)第一定律ΔU=W+ΔQ，所以是放熱過程.

4 熱力學(xué)第二定律的內(nèi)容與理解

熱力學(xué)第二定律也被稱為“熵增定律”.熱力學(xué)第二定律的內(nèi)涵主要是總結(jié)熱量傳遞的方向性.熱力學(xué)第二定律引入了熵的概念.熵是一個(gè)狀態(tài)函數(shù)，用來度量系統(tǒng)的無序程度.根據(jù)熱力學(xué)第二定律，對(duì)于一個(gè)孤立系統(tǒng)，其總熵永遠(yuǎn)處于增加的趨勢(shì).在自然過程中，孤立系統(tǒng)的無序程度總是在不斷增加，而有序程度在不斷減少.

例3 一個(gè)水平放置的密封氣缸，內(nèi)部由一個(gè)絕熱且可自由滑動(dòng)的豎直隔板將氣體分為左右兩部分.右側(cè)裝有一根電熱絲.初始狀態(tài)下，隔板靜止，左右兩側(cè)氣體溫度相等.現(xiàn)向電熱絲通入微弱電流一段時(shí)間，然后迅速切斷電源.待氣缸內(nèi)氣體再次達(dá)到平衡狀態(tài)后，與初始狀態(tài)相比，下列判斷正確的是（ ）

（A）右邊氣體增加的熱量等于電熱絲放出的熱量.

（B）左邊氣體的壓強(qiáng)增大.

（C）左邊氣體的溫度保持不變，而右邊氣體的溫度會(huì)有所提高.

（D）左右兩邊的氣體溫度都會(huì)降低.

解析 電熱絲放出的熱量等于右邊氣體內(nèi)能的增加量與對(duì)外做功之差，故（A）錯(cuò)誤；根據(jù)氣體狀態(tài)方程PVT=C，可知左邊氣體的壓強(qiáng)增大，（B）正確；當(dāng)電熱絲通電后，右側(cè)的氣體溫度升高氣體膨脹，將隔板向左推，對(duì)左邊的氣體做功，又因左側(cè)氣體為絕熱過程，由熱力學(xué)第一定律知內(nèi)能增加，氣體的溫度升高.所以兩邊氣體溫度都升高，故（C）（D）均錯(cuò)誤.

5 結(jié)語

熱力學(xué)定律雖然在高考中所占分值不高，但作為單獨(dú)命題的重要考點(diǎn)，仍需引起足夠的重視.復(fù)習(xí)備考應(yīng)注重概念與規(guī)律的理解記憶，強(qiáng)化理論聯(lián)系實(shí)際的能力，審慎對(duì)待容易產(chǎn)生偏差的概念辨析.隨著熱力學(xué)定律在高考試題中與科技、生產(chǎn)、生活聯(lián)系日益緊密的趨勢(shì)，在掌握課本知識(shí)的基礎(chǔ)上，應(yīng)廣泛關(guān)注相關(guān)的信息題材.這不僅能提高獲取和應(yīng)用信息的綜合能力，更有助于培養(yǎng)分析問題、解決問題的能力.

參考文獻(xiàn)：

[1]毛中峰.基于高中物理熱力學(xué)定律的專題復(fù)習(xí)研討[J].高中數(shù)理化，2016（16）：36.

[2]郭峻赫.熱力學(xué)第一、第二定律的理解和應(yīng)用[J].中學(xué)生數(shù)理化（高二高三版），2015（12）：32.

[3]李富忠.熱力學(xué)定律之備考例析[J].高中數(shù)理化，2013（01）：42-43.