高中熱力學重要概念的理解與應用

【摘要】本文從內能、熱力學第一定律和熱力學第二定律三個方面，結合高中物理教學中的具體例題，對熱力學的基本概念和定律進行深入分析和解讀.通過對概念內涵的闡述和例題的步驟解析，揭示熱力學基本定律蘊含的物理意義，幫助學生深化對熱力學知識的理解，提高運用能力.

【關鍵詞】熱力學；高中物理；解題技巧

1 引言

內能、熱力學第一定律和熱力學第二定律等概念不僅是高考的重要考點，更對學生今后學習和生活有重要意義.在實際教學中，學生對熱力學知識的理解和應用往往存在困難，本文擬幫助學生深入理解熱力學的基本概念和定律，提高運用熱力學知識解決實際問題的能力.

2 內能的內容與理解

內能是物體內部所有分子動能和勢能的總和.物體的內能取決于物質的量、溫度和體積這三個因素.物質的量越大，分子數越多，內能就越大；溫度越高，分子運動越劇烈，內能也越大；體積的變化會引起分子間距離的改變，從而影響分子勢能.理想氣體的分子間作用力可以忽略，因此內能僅與物質的量和溫度有關.

物體的內能可以通過做功和熱傳遞改變.外力對物體做正功，物體的內能增加，反之則減少.功的大小反映了內能的變化量.在熱傳遞過程中，物體與外界進行熱量交換，熱量從高溫物體自發地傳向低溫物體，導致物體內能發生轉移.傳遞的熱量多少決定了內能轉移的大小.需要注意的是，做功和熱傳遞是過程量，而內能是狀態量，只與物體的狀態有關，而與過程無關.

例1 已知某一物體是由分子構成的，下列判斷正確的是（ ）

（A）該物體的內能與其溫度和體積有關.

（B）增加該物體內能的方法只有外界對其做功.

（C）分子間的作用力隨分子間間距減小而減小.

（D）分子熱運動越劇烈，該物體內部單一分子的動能就越大.

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

3 熱力學第一定律的內容與理解

熱力學第一定律的數學表達式為ΔU=W+Q，其中ΔU表示物體內能的變化量，Q表示物體與外界交換的熱量，W表示外界對物體所做的功.公式蘊含的物理意義是物體與外界發生能量交換時，物體內能的變化量等于吸收的熱量和外界對物體所做功的代數和.

在應用熱力學第一定律進行計算時需要注意Q和W的正負號.根據符號法則，當物體處于吸熱狀態時，Q為正；當物體處于放熱狀態時，Q為負.同樣的，當外界對物體做功時，W為正；當物體對外界做功時，W為負.物體內能的變化量ΔU的正負號取決于內能是增加還是減少，增加為正，減少為負.

熱力學第一定律揭示了能量守恒和轉化的普遍規律.在一個封閉系統中，能量既不會憑空產生也不會憑空消失，而是在不同形式之間進行轉化.熱量和功都是能量傳遞的兩種方式，它們引起的內能變化體現了能量守恒定律.

例2 如圖１所示，已知一定質量的理想氣體從A→B轉變，又從B→C.狀態A的溫度設定為300K.試求：

（1）求氣體在B時的溫度；

（2）氣體從B→C的過程中是吸熱還是放熱？

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

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

4 熱力學第二定律的內容與理解

熱力學第二定律也被稱為“熵增定律”.熱力學第二定律的內涵主要是總結熱量傳遞的方向性.熱力學第二定律引入了熵的概念.熵是一個狀態函數，用來度量系統的無序程度.根據熱力學第二定律，對于一個孤立系統，其總熵永遠處于增加的趨勢.在自然過程中，孤立系統的無序程度總是在不斷增加，而有序程度在不斷減少.

例3 一個水平放置的密封氣缸，內部由一個絕熱且可自由滑動的豎直隔板將氣體分為左右兩部分.右側裝有一根電熱絲.初始狀態下，隔板靜止，左右兩側氣體溫度相等.現向電熱絲通入微弱電流一段時間，然后迅速切斷電源.待氣缸內氣體再次達到平衡狀態后，與初始狀態相比，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）左邊氣體的壓強增大.

（C）左邊氣體的溫度保持不變，而右邊氣體的溫度會有所提高.

（D）左右兩邊的氣體溫度都會降低.

解析 電熱絲放出的熱量等于右邊氣體內能的增加量與對外做功之差，故（A）錯誤；根據氣體狀態方程PVT=C，可知左邊氣體的壓強增大，（B）正確；當電熱絲通電后，右側的氣體溫度升高氣體膨脹，將隔板向左推，對左邊的氣體做功，又因左側氣體為絕熱過程，由熱力學第一定律知內能增加，氣體的溫度升高.所以兩邊氣體溫度都升高，故（C）（D）均錯誤.

5 結語

熱力學定律雖然在高考中所占分值不高，但作為單獨命題的重要考點，仍需引起足夠的重視.復習備考應注重概念與規律的理解記憶，強化理論聯系實際的能力，審慎對待容易產生偏差的概念辨析.隨著熱力學定律在高考試題中與科技、生產、生活聯系日益緊密的趨勢，在掌握課本知識的基礎上，應廣泛關注相關的信息題材.這不僅能提高獲取和應用信息的綜合能力，更有助于培養分析問題、解決問題的能力.

參考文獻：

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