热力学第二定律

热力学第二定律（共6篇）

热力学第二定律 篇1

我们都知道, 永动机是不可能制成的, 这是因为它违背了能量守恒定律, 尽管从古至今有很多科学家都在不断研究新的方法进行理论体系的构建, 但是物体始终不可能在不发生任何变化的情况下让热量从提问物体传导到高温物体, 也不可能将单一热源在吸收的热量不发生表面其他变化的基础上全部用来做功, 一定会通过内能或机械能等进行其他能量的转化, 根据这一问题, 我们来研究一下热力学第二定律理论体系的构建和含义。

1 热力学第二定律概述

1.1 热力学第二定律的含义

在自然界中, 很多相互接触的物体之间发生的作用效果都是不可逆的, 而这种不可逆性反应出了物体之间彼此有一种互相关联的性质, 在热力学第二定律中, 最基本的条件就是该过程是不可逆的, 这也是热力学第二定律的基础, 其次是所有物体之间的联系与转化都是具有自发性的, 无论是可逆还是不可逆, 都是物体属性的表现与能量的表达, 在宏观现象中, 我们可以看到的所有热力学转化过程都可以用热力学定律来解释, 其中, 热力学第二定律是指:自然界中所有的运动过程都不可能轻易恢复原状, 除非施加人为因素或外部相关条件的控制, 在变化的过程中, 过程终点与过程起点是有很大不同的, 这种结果的差异会带来不同的影响, 在这里, 我们用“熵”这个状态函数来进行差异化表达:

当Sf=Si时, 在热力学中我们表述为热力学运动的可逆过程;当Sf>Si时表述为热力学的不可逆运动过程, 其中Sf是变化的熵, 与Si之间是结果和起点的关系, 体现了系统整体的差异性产生, 并可以通过这一差值分析运动过程能量转化的因素。在单纯的热量变化中, 我们假设两个系统是毫无关联的, 即同一系统不受到周围系统的控制和影响, 那么不可逆运动过程熵是呈不断增加的趋势的, 且符合线性相关的特点, 这也反映了热量系统从小功率向大功率转化的过程, 在这一过程中热量发生的是无规律无秩序的变化状态;而相同条件下可逆反应的熵是不变的, 这也为永动机提出了科学的否定和批判, 就像水往低处流一样, 是不能通过自身的变化而改变这种规律的。

1.2 热力学第二定律的研究意义

在自然条件下, 高温物体会通过不断地热传递将能量传递给低温物体, 从而实现温度变化, 这也是基于热力学第二定律的基础上形成的重要规律, 在宏观空间内, 大量的分子是以基本不变的方向进行热传导的, 尽管单独每个分子的运动并不规律, 但是却体现了物理变化的方向性, 其实无论物理变化还是化学反应都是不可逆的, 因为要想实现方向的转化需要加入外界力量, 而这一力量的控制也需要产生相应的能量的, 如机械能、电能、风能、太阳能等。热力学第二定律理论体系的构建, 在人们的生产和生活中产生了重要影响, 首先否认了永动机理论的不科学性, 又在热量传输的基础上研发出大量对人们基本生活密切相关的器件和设施, 如人们给瘪胎的自行车打气, 是通过大气压强原理, 将气体从外界压入, 如果将自行车的气门芯拔下, 在打气口出会产生一定的热量, 这便是通过气体摩擦做功而形成的热量, 这一热量是不可逆的。

2 热力学第二定律理论体系的构建

热力学第二定律理论体系的构建经历了数十年、大量的科学家通过不断进行实践和调查总结提出, 最早是在19世纪, 由纽可门、巴本进行的研究发明证实的, 以此为基础, 瓦特进行了蒸汽机的改良, 并投入到生产和使用中, 如运输领域、矿业开采、工厂运作等领域, 不仅提高了工作效率, 也降低了成本, 然而此时人们对热力学第二定律还并没有确切的认识, 理论认识肤浅、实践分析不到位等弊端暴露, 在这一背景下, 热力学第二定律关于提高热机工作效率的工作开始大量开展。

1824年, 卡诺在其个人发表的“论火的动力”一文中提出了“卡诺定理”, 主要是为了提高热机的热效应, 通过热效应的体现降低热机的能量散失, 提升工作效率, 然而在现在看来, 卡诺定理并不正确, 因为他主要根据传统的“热质说”进行分析的。直到1840年到1847年, 焦耳等人扎扎实实建立起热力学第一定律, 并广泛应用于热力学领域, 在这一阶段, “热动说”被人们普遍接受, 在一年后, 开尔文根据卡诺定理制作出了新的“热力学温标”, 通过特殊物质的引入, 在实际中克服了各种能量的转化与散失, 更为准确地测定环境温度。1850年, 劳斯休斯通过“热动说”重新研究卡诺定理, 根据热量能够在自然条件下由高温物体向低温物体转化的特点, 得到了热力学第二定律的基本内容, 此后经过多次修改, 最终得出了我们目前教科书中的“开尔文表述”, 这便是目前的热力学第二定律理论体系, 这一体系主要是针对能量转化进行的研究和分析, 物体的能量不会消失也不会凭空产生, 而是可以通过机械能转化为内能, 再全部转化为热量, 这是一个循环的过程, 因此与这一观点不符的热力学过程都是不成立的, 如滚动的足球最终会停在地面上, 是因为在足球运动过程中会与地面进行摩擦生热, 将机械能转化为内能。

3 热力学第二定律理论体系的应用研究

热力学第二定律的提出, 解决了在物体相互作用中的能量转化问题, 不仅确定了永动机在原理上的不可实现性, 同时也解决了人们日常生活中的许多问题, 如上文中提到的运动的足球会停在地面上、自由下落的篮球每次反弹的高度会越来越低直到不再反弹、人们在跑步的过程中会逐渐地感到累, 等等这都是能量转化的结果, 在不受任何力的作用下, 足球不可能越动越快, 篮球不可能反弹距离越来越高, 人们也不可能越跑越快, 都是热力学第二定律的实践应用。关于这一理论体系的应用研究, 应该注意以下问题:

3.1 热力学第二定律只适用于宏观过程, 并不适用与微观粒子, 如分子间的作用力;

3.2 热力学第二定律主要适用于无生命特征的物体, 如桌子、篮球、书等, 如果对人体等动物进行分析, 则需要研究多种特征以及内部的其他反应, 很难按照常规分析方法进行研究, 也就是说, 热力学第二定律适用“绝热”和“孤立”两个系统特征, 在热力学第二定律体系构建的过程中要着重考虑这一问题;

3.3 尽管在热力学发展的很长一段时间内, 热力学第二定律这一理论体系都显示出了很强的优越性和适用价值, 但是这一理论体系自身还是有着一定的局限性, 并不能将时间和空间无限扩展, 人们在对物体的能量进行研究时也不要野心太重, 企图将能量应用到全宇宙中, 将能量在全宇宙中进行自由转化, 实现整个宇宙空间的热平衡状态, 这显然是不切实际的。

对于热力学第二定律, 尽管在高中的物理课本中就有过一定的接触, 但是我们要将眼光放长远, 从自然和生活的角度去看待这一新的理论体系, 希望通过热力学的相关研究, 不断构建各个领域获得价值实现的理论基础, 让这一能量转化定律广泛应用于人们日常生活的方方面面。

摘要：纵观世界物理学研究的历史, 我们不难了解到热力学四大定律的基础和应用, 在热力学的宏观解释上做出了重要贡献。在热力学研究过程中, 人们始终力图寻求一种能量守恒的思维来解释和发明新技术并用于各种领域, 热力学第一定律的提出, 将能量守恒用于特殊过程中, 如通过做工和热传递进行的内能转化, 然而实际中却并不实用, 直到热力学第二定律的提出才打破了这一现状, 从可逆补热循环和微分方程等基本理论上阐明了能量的转换与守恒。然而一开始形成的热力学第二定律理论体系存在着较大的弊端, 后来的物理学家通过不断地实践和推导总结出了新的热力学第二定律理论体系, 为热力学乃至物理学整体的发展都有着很强的现实意义。

关键词：热力学第二定律,理论体系,讨论

参考文献

[1]赵凯华, 罗蔚菌, 编.新概念物理教程:热学[M].北京:高等教育出版社, 1998.

[2]钱伟长.微分方程的理论及其解法[M].北京:国防工业出版社, 1992.

热力学第二定律 篇2

课时：1 课时

教学要求：

1、以热传导和机械能与内能的相互转化为例，让学生知道宏观热学过程是有方向性的；

2、让学生知道第二类永动机是不可能制成的；

3、让学生初步了解热力学第二定律的两种内容 表述，并能用之去解释一些简单的现象；

教学过程：

一、引入新课：

有趣的问题：地球上有大量海水，它的总质量约为1.4×1018 t，只要这些海水的温度0.1℃，就能放出5.8×1023 J的热量，这相当于1800万个核电站一年的发电量。为什么人们不去研究这种“新能源”呢？原来，这样做是不可能的。这涉及物理学的一个基本定律。

二、新课讲授：

（一）热传导的方向性：

大家都有这样的经验：两个温度不同的物体相互接触时，热量会自发地从高温物体传给低温物体，使高温物体的温度降低，低温物体的温度升高。从未有过这样的现象：热量会自发地从低温物体传给高温物体，使低温物体的温度越来越低，高温物体的温度越来越高。（这里所说的“自发地”，指的是没有任何外界的影响或者帮助）也许会产生一个疑问：电冰箱内部的温度比外部低，为什么致冷系统还能不断地把箱内的热量传给外界的空气？这是因为电冰箱消耗了电能，对致冷系统做了功。一旦切断电源，电冰箱就不能把箱内的热量传给外界的空气了。相反，外界的热量会自发地传给电冰箱，使箱内的温度逐渐升高。

在这里，我们看到，热传导的过程是有方向性的，这个过程可以向一个方向自发地进行，但是向相反方向却不能自发地进行。要实现相反方向的过程，必须借助外界的帮助，因而产生其化影响或引起其化变化。

（二）第二类永动机：

一个在水平地面上运动的物体，由于克服磨擦力做功，最后要停下来。在这个过程中，物体的动能转化为内能，使物体和地面的温度升高。但是，人们决不会看到这样的现象：一个放在水平地面上的物体，温度降低，可以把内能自发地转化为动能，使这个物体运动起来！

有人可能提出一种设想：发明一种热机，它可以把物体和地面磨擦所生的热量都吸收过来，对物体做功，将内能全部转化为动能，使物体在地面上重新运动起来，而不引起其他变化。这是一个非常诱人的设想。这个设想并不违反能量守恒定律，若真能制成这种热机，本节开始时提到的，单从海水中吸取热量来做功，就成为可能了，“能源问题”也就解决了。

热机是一种把内能转化为机械能的装置。以内燃机为例：气缸中的气体得到燃料燃烧时产生的热量Q1，推动活塞做功W，然后排出废气，同时把热量Q2。

我们把热机做的功W和它从热源吸收的热量Q1的比值叫做热机的效率，用表示，则有：

聚焦“热力学第一定律” 篇3

考查方式一：热力学第一定律与分子动理论相结合

例1.（2011高考重庆第15题）某汽车后备箱内安装有撑起箱盖的装置，它主要由气缸和活塞组成。开箱时，密闭于气缸内的压缩气体膨胀，将箱盖顶起，如图所示。在此过程中，若缸内气体与外界无热交换，忽略气体分子间相互作用，则缸内气体（ ）

A.对外做正功，分子的平均动能减小

B.对外做正功，内能增大

C.对外做负功，分子的平均动能增大

D.对外做负功，内能减小

解析：密闭于气缸内的压缩气体膨胀对外做正功W<0，缸内气体与外界无热交换，则有Q=0，忽略气体分子间相互作用，说明内能是所有分子动能的总和。根据热力学第一定律，可知内能减小，分子平均动能减小，温度降低，所以只有选项A正确。

考查方式二：热力学第一定律与理想气体状态方程的综合

应用

例2.（2011全国新课标第33题）对于一定量的理想气体，下

列说法正确的是（ ）

A.若气体的压强和体积都不变，其内能也一定不变

B.若气体的内能不变，其状态也一定不变

C.若气体的温度随时间不断升高，其压强也一定不断增大

D.气体温度每升高1K所吸收的热量与气体经历的过程有关

E.当气体温度升高时，气体的内能一定增大

解析：理想气体的内能只由温度决定，由理想气体状态方程可知，若氣体的压强和体积都不变，温度T也不变，所以内能也一定不变，选项AE正确。若气体的内能不变，则温度T不变，但气体的压强和体积可以改变，选项B错误。若气体的温度升高，体积增大，其压强可以不变，选项C错误。由热力学第一定律知，选项D正确。

考查方式三：用能量守恒观点运用热力学第一定律

例3.（2011江苏物理第12题）如图所示，一演示用的“永动机”转轮由5根轻杆和转轴构成，轻杆的末端装有形状记忆合金制成的叶片，轻推转轮后，进入热水的叶片因伸展而“划水”，推动转轮转动。离开热水后，叶片形状迅速恢复，转轮因此能较长时间转动。下列说法正确的是（ ）

A.转轮依靠自身惯性转动，不需要消耗外界能量

B.转轮转动所需能量来自形状记忆合金自身

C.转动的叶片不断搅动热水，水温升高

D.叶片在热水中吸收的热量一定大于在空气中释放的热量

解析：轻推转轮后，叶片开始转动，由能量守恒定律可知，叶片在热水中吸收的热量等于在空气中释放的热量与维持转动的能量之和，所以叶片在热水中吸收的热量一定大于在空气中释放的热量，选项D正确。

点评：用能量的观点分析，热力学第一定律就是其他形式的能与内能之间的转化以及内能与内能之间的转移，而在能的转化和转移过程中，能量是守恒的。在有些情况下用能量守恒定律来解决有关于内能的问题会非常方便。

总之，从以上分析可以发现，虽然对热力学第一定律考查的形式具有是多样性、多变性的特点。但是，解题的关键仍是在于对定律的正确理解和熟悉的正负号的含义，并要同时考虑做功和热传递两个因素。

热力学第二定律 篇4

诚如天体和大气物理学家埃姆顿所云:“在自然过程的庞大工厂里, 熵原理起着经理的作用, 因为它规定着整个企业的运营方式和方法, 而能仅仅充当簿记, 平衡贷方和借方.”熵这个概念的重要性不亚于能, 它不仅应用于对社会发展起到关键作用的热科学领域, 还广泛地应用于物质结构、低温物理、化学动力学、生命科学和宇宙学, 而且已经延伸到诸如经济、社会、信息技术等领域.从新课程应充分体现时代性的理念来看, 在高中物理中安排这块内容的确顺理成章.再从当前人类面临的社会问题看, 几乎可以这样说, 除了文化冲突和民族纷争以外, 人口、能源和环境是一切社会问题发生之源.为了子孙后代的生存发展必须节约能源的观点, 保护环境就是保护人类自身的意识, 是本块内容应该体现的人文内涵.由于上述诸多因素, 在本块内容的教学设计中, 应体现定性优于定量, 人文性大于科学性的原则.如何落实新课程所要求的三维教学目标, 充分体现本块内容的人文性呢?笔者认为可以从以下几个方面入手.

一、运用人文手段, 理解、诠释热力学第二定律

实验手段、数学手段、逻辑手段等是属于科学的手段, 运用比喻、典故、故事、成语俚语等可以说是人文手段.在本块内容教学中, 教师要尽量避开或者降低定量和逻辑推理要求, 而以学生易于接受且能引起共鸣的一些人文方法, 以加深对热力学第二定律的理解.

克劳修斯指出:热量不能自发地从低温物体传向高温物体, 说明热传递是有方向的.如果我们在学生耳熟能详的成语“水往低处流, 人往高处走”后面添加一句“热往低温传”, 体现自然过程发生是有方向的, 学生就觉得很好理解.

当然, 热量从高温物体向低温物体散发, 也存在一个流畅性的问题.比如一个人热得出汗了, 要向周围空间散发热量, 我们就希望周围的空气流动, 以加快散发的速度.我们地球持续地接收着太阳的辐射热量, 为了使地球的环境温度稳定在一个恰当的值, 就必须向周围空间以红外线的形式散发热量.以前这种接收和散发长时间维持在适当的比例上, 使得地球上的生灵得以生存和发展, 但近几十年来由于二氧化碳的过量排放, 它像一件保暖内衣包裹着地球, 使红外线的外散辐射被抑制, 结果导致温室效应, 地球变暖, 出现了严重的环境问题.如果不有效地控制二氧化碳的排放, 物种灭绝的现象将愈演愈烈, 生态环境越来越恶化.以保暖内衣比喻温室效应, 显得形象生动.

1986年8月在日本东京举行的国际物理教学研究会上 (ICPE) , 一位代表对“微观过程是可逆的, 宏观过程是不可逆的”的物理现象作了一个比喻, 好比两条狗, 一条黑狗上生满了跳蚤, 另一条黄狗是干净的, 两条狗站在一起, 跳蚤可以从黑狗身上跳到黄狗身上, 当然也可以再从黄狗身上跳回黑狗身上, 跳蚤跳来跳去的过程相当于微观过程是可逆的, 但最后无论是黄狗还是黑狗都不可能是干净的, 即从宏观上看, 跳蚤从黄狗身上完全跳回黑狗身上, 使黄狗重新成为干净这一宏观的逆过程是不可能发生的, 这一比喻形象生动, 受到与会代表赞赏, “狗蚤回跳”, 也成为了热力学第二定律教学案例的一个典故.

二、体现人文价值, 培养学生节能环保方面的正确价值观和社会责任感

如果说科学的第一要义是求真, 那么人文的第一要义是求善.通过热力学第二定律的学习, 使学生理性地认识到能量是一切物质运动的源泉, 是一切生命活动的基础.能量在数量上虽然守恒, 但其转移和转化是具有方向性的, 人们的一切生产、生命活动中, 都在把机械能、电能、核能、生物能……概而言之一句话, 把千古积累的和正在接收到的太阳能, 最终转化为内能, 把有序度大的能量变成无序度大的能量, 即能量耗散.随着能量的耗散, 能量从高品质转化为低品质, 虽然能量不会减少但能源却越来越少.化石能源不但资源有限, 而且对环境造成很大的破坏.

学生只有通过对于能量耗散和环境破坏原因的深刻理解, 才能逐渐自觉树立节能环保的责任意识, 并转化成自觉行动和良好习惯.你今天开车烧掉了10升汽油, 地球的资源就减少了10升.全世界的人合起来, 就是一个庞大的数字.反过来同样是一个巨大的数字, 若每一个人日常生活中节约一点, 那么对全球能源应用的意义同样重大.从另一个角度看, 还应该开发新能源, 如太阳能, 你使用太阳能热水器洗一个澡, 单纯地从成本核算看, 可能并不比电热器省, 或者说也完全可以负担得起, 但从节能环保的角度看, 却完全是两码事.因此从人文教育的角度审视, 通过本块内容的学习, 应该使学生们从小就被要求养成的一些良好习惯, 诸如随手关灯的习惯, 尽量少开空调的习惯, 节约一张纸的习惯等等, 提升到理性的高度.

三、挖掘人文意蕴, 在学习热力学第二定律过程中领略物理美

在奥地利物理学家玻耳兹曼的墓碑上, 镌刻着这样的碑文:

这正是定量表示熵S和微观态数W之间关系的玻耳兹曼公式, 其中K就是著名的玻耳兹曼常数.这个公式闪烁着物理大师的创造和发现的智慧之美, 而这块雕刻着公式的墓碑更闪烁着后人尊重科学尊重大师的人文之美.

我们学习过的物理定律和定理, 一般都有法定的严密的逻辑表达形式, 可是学生会发现, 教材中热力学第二定律有好几种表达.德国物理学家克劳修斯在1850年指出:热量不可以自发地从低温物体传到高温物体;英国物理学家开尔文于1851年在分析了热机及其他涉及做功的热学过程后指出:不可能从单一热源吸热, 使之完全变成功, 而不产生其他影响;从微观的角度也可以这样表达:一切自然过程总是沿着分子运动无序性增大的方向进行;还有一种比较专业的表达:在任何自然过程中, 一个孤立系统的总熵不会减少, 所以把热力学第二定律又叫做熵增加原理;在气体对真空膨胀的过程中又表述为“气体向真空的膨胀是不可逆的”:甚至在化学里被表述为“自发的化学过程总是朝着释放热量或无序程度增加的方向进行”等等.

物理学的理论体系呈现高度的和谐美、统一美和简洁美.上述几种表述和谐统一互通, 最终以熵增原理简洁而完美地表达, 正是物理美的体现.正如宋代诗人苏轼描绘庐山诗中所云:“横看成岭侧成峰, 远近高低各不同.”热力学第二定律如同一座雄伟秀美的山川, 多角度的表述, 正是其丰富而深刻的内涵和物理学家们为认识客观世界而付出的创造性劳动的体现.

四、拓展人文视角, 注重与相关学科的交叉综合

在生物学中, 生物进化过程意味着从低级向高级, 从无序到有序.而热力学第二定律指出自然过程从有序到无序.二者是否矛盾?

其实, 根据耗散结构理论, 有机体作为一个开放的耗散结构, 它的产生既要靠外界不断提供物质和能量, 还必须要向这个开放系统提供“负熵流”, 也就是输入系统的熵必须小于输出的熵, 系统有净熵输出.对于动物来说, 生命攸关的低熵物质有两类:低熵高能的食物 (如碳水化合物) 和低熵低能的净液态水, 排出的高熵物质如二氧化碳、水汽、尿、汗和其他排泄物.如图1, 正是有机体作为开放系统自身熵的不断减少, 导致生物体从无序向有序的进化.热力学第二定律和生物进化论, 同属19世纪科学上最伟大的发现, 得到很好的统一.

在高中化学中, 其教学进度先于物理就出现了“焓变”和“熵变”的概念.用焓变的正负、大小来描述化学反应中物质的能量状态改变情况.如果能量状态降低, 则焓变就能够自发地进行化学反应, 其焓变值越大, 就标志释放的热量越多, 反应进行得越彻底;用熵变的正负、大小来描述化学反应前后物质的无序程度, 如果无序程度增大则熵变, 就能够自发地进行化学反应, 熵变越大, 越有利于反应自发进行.在2009年浙江省高考自选模块的调测卷中, 有一个其中选项为“一杯30℃的水放在空气中, 温度慢慢降到10℃, 这杯水的熵增加”的选择题, 许多物理老师想当然地认为自发的热传递过程熵必定增加, 这完全符合热力学定律, 错误地选取了这个选项, 而学生却多能从化学的角度出发, 认为这杯水的温度降低, 分子热运动的有序度变好, 所以它的熵是减少的.这里从物理的角度讲, 是没有注意到“孤立系统”的前提, 应该是这杯水的熵减少, 环境空气的熵增加, 这杯水和环境空气组成的孤立系统的熵增加.

热力学定律单元考点扫描 篇5

一、考查分子动能、分子势能及物体的内能

例1 (2010年浙江卷)质量一定的某种物质在压强不变的条件下,由液态Ⅰ与气态Ⅲ(可看成理想气体)变化过程中温度(T)随加热时间(t)变化关系如图1所示,单位时间所吸收的热量可看作不变.

(1)以下说法正确的是()

(A)在区间Ⅱ,物质的内能不变

(B)在区间Ⅲ,分子间的势能不变

(C)从区间Ⅰ到区间Ⅲ,物质的熵增加

(D)在区间Ⅰ,物质分子的平均动能随着时间的增加而增大

(2)在区间Ⅲ,若将压强不变的条件改为体积不变,则温度升高______(变快、变慢或快慢不变),请说明理由.

解析:(1)在区间Ⅱ,温度不变,物质分子的平均动能不变,物质不断被加热,吸收的热量使分子势能增加,物质内能(包括分子动能和分子势能)增加,(A)错;在区间Ⅲ,气态可看成理想气体,分子间的势能不变,(B)正确;从区间Ⅰ到区间Ⅲ,物质不断被加热,物质分子运动无序度增加,即物质的熵增加,(C)正确;在区间Ⅰ,温度随时间增大,物质分子的平均动能随时间的增加而增大,(D)正确.选(B)、(C)、(D).

(2)根据热力学第一定律ΔU=Q+W和理想气体的状态方程可知,在吸收相同的热量Q时,压强不变的条件下,V增加,气体对外做功(W<0),ΔU1=Q-|W|;在体积不变的条件下,气体对外不做功(W=0),ΔU2=Q;所以ΔU1<ΔU2,体积不变的条件下温度升高变快.

点评:本题用图象描述物体的热学过程,考查学生对过程的理解,了解各物理量之间的相互制约关系,突出了科学探究的方法.本题第(2)问的解题关键:弄清“压强不变”与“体积不变”条件下,气体做功情况不同,导致内能(温度)变化不同.

二、考查热力学第一定律

例2 (2010全国卷Ⅱ,16)如图2所示,一绝热容器被隔板K隔开a、b两部分,已知a内有一定量的稀薄气体,b内为真空,抽开隔板K后,a内气体进入b,最终达到平衡状态,在此过程中()

(A)气体对外界做功,内能减少

(B)气体不做功,内能不变

(C)气体压强变小,温度降低

(D)气体压强变小,温度不变

解析:绝热容器内的稀薄气体与外界没有热传递,Q=0;抽开隔板K后,a内气体进入b,稀薄气体从a向真空b扩散,由于没有做功对象,故W=0;根据热力学第一定律,气体内能不变,则温度不变,稀薄气体扩散,体积增大,压强必然减小.(B)、(D)正确.

点评:本题考查热力学第一定律的应用及对气体的温度、压强和体积的判断.部分考生认为:稀薄气体a向真空扩散,体积增大,气体对外界做功,导致失误.

三、考查热力学第二定律

例3 (2006年广东物理,8)图3为电冰箱的工作原理示意图,压缩机工作时,强迫制冷剂在冰箱内外的管道中不断循环,在蒸发器中制冷剂汽化吸收箱体内的热量,经过冷凝器时制冷剂液化,放出热量到箱体外,下列说法正确的是()

(A)热量可以自发地从冰箱内传到冰箱外

(B)电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界,是因为其消耗了电能

(C)电冰箱的工作原理不违反热力学第一定律

(D)电冰箱的工作原理违反热力学第一定律

解析:由热力学第二定律可判断,(A)错误,(B)正确;热力学第一定律适用于所有热学过程,(C)正确,(D)错误.选(B)、(C).

点评:新课程要求学生了解自然科学最新成就及其对社会发展的影响,并能与已学知识结合起来解决问题,本题以“电冰箱”命题,要求考生通过阅读试题,进行分析推理,考查考生的探究能力.

四、与“分子动理论”综合命题

例4 (2010年江苏卷,12)(1)为了将空气装入气瓶内,现将一定质量的空气等温压缩,空气可视为理想气体,图4图象中能正确表示该过程中空气压强p和体积V关系的是()

(2)在将空气压缩装入气瓶的过程中,温度保持不变,外界做了24 kJ的功.现潜水员背着该气瓶缓慢地潜入海底,若在此过程中,瓶中空气的质量保持不变,且放出了5 kJ的热量,在上述两个过程中,空气的内能共减小______kJ,空气_____(选填“吸收”或“放出”)热量.

(3)已知潜水员在岸上和海底吸入空气的密度分别为1.3 kg/m3和2.1 kg/m3,空气的摩尔质量为0.029 kg/mol,阿伏伽德罗常数NA=6.02×1023 mol-1.若潜水员呼吸一次吸入2 L空气,试估算潜水员在海底比在岸上每呼吸一次多吸入空气的分子数,(结果保留一位有效数字)

解析:(1)理想气体等温压缩,据pV=C,p与成正比,选项(B)正确.

(2)根据热力学第一定律:W+Q=ΔU,第一阶段W1=24 kJ,ΔU1=0,所以,Q=-24 kJ,放热24 kj;第二阶段W2=0,放热Q2=-5 kJ,所以,ΔU2=-5 kJ;所以在上述两个过程中,空气内能ΔU=ΔU1+ΔU2=-5 kJ,即减少5 kj;热量Q=Q1+Q2=-29 kJ,即放出热量29 kJ.

(3)设空气的摩尔质量为M,在海底和岸上的密度分别为ρ海和ρ岸,一次吸入空气的体积为V,潜水员在海底比在岸上每呼吸一次多吸入空气的分子数:,代入数据得:Δn=3×1022个.

点评:本题联系实际命题,体现了从生活走向物理,从物理走向社会的新课程改革理念,考查考生运用气体p-图象、热力学第一定律、分子动理论等知识综合分析问题的能力.

五、与“气体状态变化”综合命题

例5 (2010年山东卷,36)一太阳能空气集热器,底面及侧面为隔热材料,顶面为透明玻璃板,如图5所示.集热器容积为V0,开始时内部封闭气体的压强为p,,,经过太阳曝晒,气体温度由T0=300 K升至T1,=350 K.

(1)求此时气体的压强;

(2)保持T1=350 K不变,缓慢抽出部分气体,使气体压强再变回到p0,求集热器内剩余气体的质量与原来总质量的比值.判断在抽气过程中剩余气体是吸热还是放热,并简述原因.

解析:(1)因为封闭气体的体积不变,故,解得:.

(2)设集热器内剩余气体质量为m、原来总质量为m0,根,则,得:.在抽气过程中剩余气体T不变,所以ΔU=0,根据W+Q=ΔU,因为体积膨胀,所以W为负,所以Q为正,吸热.

点评:本题考查考生运用热力学定律与气体定律综合分析实际问题的能力,近年高考热学许多试题都创设了与生产、生活和科技联系的问题情境,引导学生灵活应用热学知识去解决现实问题,体现了物理教育的时代性和实用性.

练习题:

1.(2010年福建卷,28)如图6所示,一定质量的理想气体密封在绝热(即与外界不发生热交换)容器中,容器内装有一可以活动的绝热活塞,今对活塞施以一竖直向下的压力F,使活塞缓慢向下移动一段距离后,气体的体积减小.若忽略活塞与容器壁间的摩擦力,则被密封的气体()

(A)温度升高,压强增大,内能减少

(B)温度降低,压强增大,内能减少

(C)温度升高,压强增大,内能增加

(D)温度降低,压强减小,内能增加

2.(2010年重庆卷)给旱区送水的消防车停于水平地面,在缓慢放水过程中,若车胎不漏气,胎内气体温度不变,不计分子间势能,则胎内气体()

(A)从外界吸热

(B)对外界做负功

(C)分子平均动能减小

(D)内能增加

3.(2010年广东卷,14)如图7所示是密闭的气缸,外力推动活塞P压缩气体,对缸内气体做功800 J,同时气体向外界放热200 J,缸内气体的()

(A)温度升高,内能增加600 J

(B)温度升高,内能减少200 J

(C)温度降低,内能增加600 J

(D)温度降低,内能减少200 J

4. 如图8所示,两个相通的容器P、Q间装有阀门K,P中充满气体,Q内为真空,整个系统与外界没有热交换.打开阀门K后,P中的气体进入Q中,最终达到平衡,则()

(A)气体体积膨胀,内能增加

(B)气体分子势能减少,内能增加

(C)气体分子势能增加,压强可能不变

(D)Q中气体不可能自发地全部退回到P内

5. 中国科学院院士叶笃正在大气环流等领域成就卓著,获得国家最高科学技术奖,他的许多理论成果对研究气象起到重要作用.大气气流的升降运动会造成不同高度的温度变化,致使气象万变,万米高空的气温往往在-50℃以下,在研究大气现象时可把温度、压强相同的一部分气体作为研究对象,叫做气团,气团直径可达几千米,边缘部分与外界的热交换对整个气团没有明显影响,可以忽略.用气团理论解释高空气温很低的原因,是地面的气团上升到高空的过程中()

(A)剧烈膨胀,同时大量对外放热,使周围温度降低

(B)剧烈收缩,同时从周围吸收大量热量,使周围温度降低

(C)剧烈膨胀,气团对外做功,内能大量减少导致温度降低

(D)剧烈收缩,外界对气团做功,故周围温度降低

6. A、B两装置均由一支一端封闭、一端开口且带有玻璃泡的管状容器和水银槽组成,除玻璃泡在管上的位置不同外,其他条件都相同,将两管抽成真空后,开口向下竖直插入水银槽中(插入过程没有空气进入管内),水银柱上升至图9所示位置停止.假设这一过程水银与外界没有热交换,则下列说法正确的是()

(A) A中水银的内能增量大于B中水银的内能增量

(B) B中水银的内能增量大于A中水银的内能增量

(C)A和B中水银体积保持不变,故内能增量相同

(D) A和B中水银温度始终相同,故内能增量相同

7. 关于热现象和热学规律,下列说法中哪些符合事实()

(A)布朗运动是布朗小颗粒内部分子运动所引起的悬浮小颗粒的运动

(B)用活塞压缩气缸里的空气,对空气做功2.0×105 J,若空气向外界放出热量1.5×105 J,则空气内能增加0.5×105 J

(C)第二类永动机不能制成是因为它违反了能量守恒定律

(D)—定质量的气体,如果保持温度不变,体积越小压强越大

8. 在核聚变装置内,实现两个氘核聚变反应,必须使它们之间距离接近到r0,也就是接近到核力能够发生作用的范围.物质温度很高时氘原子将变为等离子体,等离子的分子平均动能为,式中的k1叫玻耳兹曼常量,T为热力学温度,两个氘核之间的电势能为,k为静电力常量,r为电荷之间的距离,则氘核发生聚变的温度至少为______.

9. 如图10所示,带有可自由滑动活塞(与汽缸的摩擦可忽略不计)的汽缸中,封闭一定质量的理想气体,将一个半导体热敏电阻R置于汽缸中,热敏电阻与容器外的电源E和电流表组成闭合回路,汽缸和活塞具有良好的绝热性能,若发现电流表的读数增大时,则气体压强一定______(增大、减小或不变),气体内能一定______(增大、减小或不变),气体一定______(“吸热”、“放热”或“无热传递”).

巧用基尔霍夫第二定律 篇6

电路中各点的电位计算是电工基础教材中的一个重点和难点。教材中采用电位升、降的方法来列式计算。但由于某些学生对电位升、降的概念模糊, 在列式中常把电动势或电压升降的正负号搞错, 出现计算错误。因此, 有些学生为应付考试而死记硬背。引入KVL方法可使列式计算简单易懂。

如图1所示电路, 求A点的电位。按教材中的方法, 设闭合回路内电流参考方向为

根据A—R1—E1—O途径列计算式得:

求得A点电位。

或根据A—E2—R2—E3—O途径列计算式得:

求得A点电位。

假设把图1电路中A, O两点断开, 就分别构成了图2、图3所示的一段含源电路 (实际上也表示一种闭合回路) 。利用KVL列回路电压方程, 可求出A点电位。

设图2。图三回路绕行方向均为顺时针。由图2列回路电压方程式得:

由图三列回路电压方程式得:

比较两种方法, 计算结果是一样的。

由于电路中某点电位的大小与选择途径无关, 实际计算时只须选取一个回路或一条途径即可。

通过课堂教学实践, 学生对用KVL方法求电路中各点电位, 更容易理解和掌握, 列式计算的正确率高。

2 电子电路中物理过程的定性分析

在《电子技术基础》课程的教学中, 经常碰到电路中某些物理过程分析。例如:稳定静态工作点过程, 稳压或调压过程等。由于现有的教材中对某些电子电路的物理过程分析常以简练的文字说明来得到用电量字母符号表示的过程结果, 特别是对较复杂一点的电路, 学生在课后复习时, 就常感到不好理解。把KVL引入分析某些电路的物理过程中, 可使学生达到事半功倍的效果, 避免了死记硬背。

图4为串联型稳压电路。教材中一般给出稳压过程的结果如下。

设Uo不变, 负载电阻变小, 则:

实际上, 该稳压过程与电路中的五个关键回路的电压方程有关。现将五个关键回路分别用图5、图6、图7、图8、图9来表示, 将复杂电路变为简单电路来分析, 根据KVL可分别列出五个回路电压方程。

图5得:

图6得:

图7得:

图8得:

图9得:

我们仍假设Uo不变, 负载电阻Rfz变小, 则稳压过程就可以成下面形式:

我们把回路电压方程的序号标在某些箭头上方, 表明局部的变化过程与回路电压方程的一一对应关系。这样, 学生结合电路图和回路电压方程式就容易理解和掌握稳压过程的分析从而达到融会贯通的目的, 对于调压过程的分折也就迎刃而解了。

KVL对于分折计算复杂电路是必不可少的工具, 但对于筒单电路的计算或某些电子电路的物理过程分析, 也不失为一种行之有效的手段。

摘要：基尔霍夫定律第二定律也就是回路电压定律 (以下简写为KVL) 揭示了回路中各段电压的相互关系并可列出回路电压方程。但在目前技工学校使用的《电工基础》教材中, KVL仅局限于求解复杂直流电路。针对《电工基础》、《电子技术基础》教材中出现的大部分是简单电路, 因此把KVL引入到某些简单电路的计算和有关电子电路的分析中, 既为学生提供了一种新的电路计算或分析方法, 提高了学生的学习积极性, 同时又加深了学生对KVL内容的理解和掌握。