热力学三大定律应用

第1篇：热力学三大定律应用

热力学三大定律以及对生活的启示

浅谈热力学三大定律及其对生活的启发 姓名:周清清

学号:13109010927 热力学方法是物理化学这门自然学科的一种主要的研究方法，该方法研究范畴为宏观方法，即以由大量粒子组成的宏观体系作为研究对象，从经验总结出的热力学第一定律和热力学第二定律为理论基础，引出了一些热力学公式或结论，从而来解决物质变化过程中的能量平衡、相平衡和化学平衡等问题。这里，值得强调的是，热力学方法属于宏观方法，因此，在研究问题时，不考虑物质系统内部粒子的围观变化，只需考虑物质系统变化前后状态的宏观性质。下面简单介绍一下三大定律：

1) 热力学第一定律：简单地说，就是能量守恒定律。其表述形式有多种，例如，隔离系统中能量的形式可以互相转化，但是能量的总值不变;第一类永动机不可能制造成功。封闭系统的热力学第一定律数学表达式：

UQW

它表明封闭系统中的热力学能的改变量等于变化过程中系统与环境间传递的功与热的总和。它告诉我们：一个孤立的系统内，其能量是稳定的，不会发生变化。

2) 热力学第二定律：它的实质在于它揭示了一切与热现象有关的宏观过程都是不可逆的这一客观规律，反映了实际宏观过程进行的条件和规律，指明了各种运动形式之间存在着差异。一种运动形式不同于另一种运动形式，各种运动都有自身的特点, 不能相互代替。热量可以自发地从较热的物体传递到较冷的物体，但是不可能自发地从较冷的物体传递到较热的物体;它要告诉我们的是，一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行，从反面的角度来理解就是，在一个孤立的系统内，如果要维持一个局部有序运动，必然导致另一局部更加无序，从而才能保证总是能量守恒。换而言之，局部有序是以牺牲局部无序为代价的结果，但是这种现象达到平衡后，最终仍会回归无序。

3) 热力学第三定理：绝对零度时，所有纯物质的完美晶体的熵值为零。它的意义就是告诉我们，如果要形成有序排列的完美无缺的晶体，其熵值为零。熵是热量转化为功的程度，或者是分子无序程度。 其实，热力学的三定律，给我们最大的启示是：任何事物都不可能是绝对的有序或绝对的无序，在有序的事物中，往往存在着破坏其原有规则的排列或运动的因素。有序和无序在一定的条件下可以相互转化。下面结合生活谈几点启示：

任何事物都不可能是绝对的有序或绝对的无序，也就是说，绝对的有序与绝对的无序处在任何事物的两个端点，且这两个端点都无法达到。网上的一句话很有意思—小时候，我总纠结与长大后要考清华还是北大，可是长大后我发现我实在是想多了。其实，这就是一个关于梦想与现实的问题。梦想，有很大难度，是或许可以实现的理想。想要实现梦想，我们必须付出行动，也就是在外力以及内力的作用下，理想会成为现实，梦想会成真，结合热力学观点就可以表述为，热量不可能自发地从较冷的物体传递到较热的物体;如果，不付出努力，不付诸行动，梦想只能成为空想、成为妄想、化为泡影。而且这种不为的过程是自发的，也就是，热量从较热物体传向较冷物体是自发进行的。

从人类社会发展的角度来看，人类社会是整个自然界的一个特殊部分，是在自然界发展一定阶段上随着人类的产生而出现的。人类社会是不断发展的，它的内在活力在于它自身的矛盾性。人类社会是一个复杂的矛盾体系，其中生产力和生产关系的矛盾、经济基础和上层建筑的矛盾是社会的基本矛盾，它在阶级社会中表现为阶级矛盾、阶级斗争。由于生产力和生产关系、基础和上层建筑的矛盾运动形成了人类社会从低级到高级的发展，经历着从原始社会、奴隶社会、封建社会、资本主义社会到共产主义社会(社会主义社会是它的初级阶段)这五种社会形态的依次更替。在各个社会形态的末期总表现为阶级斗争、阶级矛盾的深化，破坏其原有规则的排列或运动的活动越来越多，随着矛盾和斗争日趋激烈，如果要使社会继续发展，那么必然引起战争，从整个社会发展的角度来看，这属于有序是以牺牲无序为代价的结果，也就是反抗取得胜利，社会达到有序，但是这种现象达到平衡后，最终仍会回归无序，由于社会发展又出现新的阶级斗争和阶级矛盾，因此，有序和无序在一定的条件下可以相互转化。

就拿实验室的各种仪器来说，如果仪器出现问题，我们采取不修理、不维护的做法，那么，想让这台仪器自动恢复到好的状态，几乎是不可能的，非但恢复到原来的状态很难，而且还会引发其他问题。这与做人的道理也是一样的。人们常说，想变坏很容易，这就意味着，变坏这个过程属于自发进行的，但是想变好的话，这需要人的自控能力，这种自控属于一种内力。

第2篇：热力学第一定律 能量守恒定律

一、教学目标

1.知识目标：

(1)理解和掌握物体跟外界做功和热传递的过程中W、Q、ΔU的物理意义。 (2)会确定的W、Q、ΔU正负号。 (3)理解热力学第一定律ΔU =W+Q (4)会用ΔU =W+Q分析和计算问题。

(4)理解能量守恒定律，能列举出能量守恒定律的实例; (5)理解“永动机”不能实现的原理。 2.能力目标：

在培养学生能力方面，这节课中要让学生理解热力学第一定律ΔU =W+Q，并会用ΔU =W+Q分析和计算问题，培养学生利用所学知识解决实际问题的能力。

3.物理学方法教育目标：

能量守恒定律是自然科学的基本定律之一，应用能量守恒的观点来分析物理现象、解决物理问题是很重要的物理思维方法。

二、重点、难点分析

1.重点内容是热力学第一定律和能量守恒定律，强调能量守恒定律是自然科学中最基本的定律。学会运用热力学第一定律和能量守恒定律分析、计算一些物理习题。

2.运用能的转化和守恒定律对具体的自然现象进行分析，说明能是怎样转化的，对学生来说是有难度的。

三、教学方法

教师讲解，课件演示，指导学生看书

四、教具

计算机、大屏幕、自制多媒体课件

五、教学过程 (-)引入新课

上节课我们学习了改变内能的两种方式，做功和热传递，那么它们之间有什么数量关系呢?以前我们还学习过电能、化学能等各种形式的能，它们在转化过程中遵守什么规律呢?这节课我们就来研究这些问题。

【板书】第六节

热力学第一定律

能量守恒定律

(二)进行新课

【板书】

一、做功W、热传递Q、内能变化ΔU的物理意义

1.做功：做功使物体内能发生变化，实质是能量的转化，是一种形式的能量向另一种形式的能转化。功是能量转化的量度。

2.热传递：是能量的转移，内能由一个物体传递给给另一个物体，传递的能量用Q表示。

3.内能的改变：是物体内所有分子动能和势能之和发生了变化，宏观表现在温度和体积上的变化。

【板书】

二、W、Q、ΔU正负号的确定

1.W，外界对物体做功，W取正值;物体对外界做功，W取负值。 2.Q，物体吸热，Q取正值;物体放热，Q取负值。

3，ΔU，物体内能增加，ΔU取正值;物体减少，ΔU取负值。 【板书】

三、W、Q、ΔU之间的关系

一个物体，如果它既没有吸收热量也没有放出热量，那么，外界对它做多少功，它的内能就增加多少.

一个物体，如果它既没有对外做功，也没有其他物体对它做功，那么，它从外界吸收多少热量，它的内能就增加多少.

如果外界既向物体传热又对物体做功，那么物体内能的增加量就等于物体吸收的热量和外界对物体做的功之和.用ΔU表示物体内能的增加量，用Q表示物体吸收的热量，用W表示外界对物体做的功，那么ΔU=Q+W

2 这个式子所表示的，内能的变化量跟功、热量的定量关系，在物理学中叫做热力学第一定律.

【例题】 一定量的气体从外界吸收了2.6×10J的热量，内能增加了4.2×10J.外界对气体做了多少功?

解

由(1)式得 W=ΔU-Q =4.2×10J-2.6×10J =1.6×10J 外界对气体做的功是1.6×10J. 思考与讨论

上题中，如果气体吸收的热量仍为2.6×10J，但是内能只增加了1.6×10J，计算结果W将为负值.怎样解释这个结果?一般地讲，ΔU、Q、W的正值和负值各代表什么物理意义?

【板书】

四、能量守恒定律

【课件演示】让学生先看几个能量转化的例子(增强感性认识) 1.机械能与内能转化过程中能量守恒

(1)运动的汽车紧急刹车，汽车最终停下来。这过程中汽车的动能(机械能)转化为轮胎和路面的内能(假定这过程没有与周围物体有热交换，既不散热也不吸热)。摩擦力做了多少功，内能就增加多少。公式W=ΔE表示了做功与内能变化的关系，这公式也反映出做功过程中，机械能的损失数量恰好等于物体内能增加的数量。

(2)把一铁块放入盛有水的烧杯中，用酒精灯加热烧杯内水，直至水沸腾。在这一过程中，铁块从周围水中吸收了热量使它温度升高，内能增加。这过程中水的一部分内能通过热量传递使铁块内能增加。铁块吸收多少热量，它内能就增加多少。公式Q=ΔE表示吸收的热量与内能变化量的关系，也反映出铁块增加的内能数量与水转移给铁块的内能数量相等。

5

555555

5一般情况下，如果物体跟外界同时发生做功和热传递过程，那么，外界对物体所做的功W加上物体从外界吸收的热量Q，等于物体内能的增加ΔE，即

W+Q=ΔE 上式所表示的是功、热量和内能之间变化的定量关系，同时它也反映了一个物体的内能增加量等于物体的机械能减少量和另外物体内能减少量(内能转移量)之和。进而说明，内能和机械能转化过程中能量是守恒的。

2.其他形式的能也可以和内能相互转化

(1)介绍其他形式能：我们学习过机械运动有机械能，热运动有内能，实际上自然界存在着许多不同形式的运动，每种运动都有一种对应的能量，如电能、磁能、光能、化学能、原子能等。

(2)不仅机械能和内能可以相互转化，其他形式能也可以和内能相互转化，举例说明：(同时放映幻灯片)

① 电炉取暖：电能→内能 ② 煤燃烧：化学能→内能 ③ 炽热灯灯丝发光：内能→光能

(3)其他形式的能彼此之间都可以相互转化。画出图表让学生回答分析：

3.能量守恒定律

大量事实证明：各种形式的能都可以相互转化，并且在转化过程中守恒。

4 能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到别的物体;在转化和转移过程中其总量不变.这就是能量守恒定律。

在学习力学知识时，学习了机械能守恒定律。机械能守恒定律是有条件限制的定律，而且实际现象中是不可能实现的。而能量守恒定律是存在于普遍自然现象中的自然规律。这规律对物理学各个领域的研究，如力学、电学、热学、光学等都有指导意义。它也对化学、生物学等自然科学的研究都有指导作用。

4.永动机不可能制成

历史上不少人希望设计一种机器，这种机器不消耗任何能量，却可以源源不断地对外做功。这种机器被称为永动机。虽然很多人，进行了很多尝试和各种努力，但无一例外地以失败告终。失败的原因是设计者完全违背了能的转化和守恒定律，任何机器运行时其能量只能从一种形式转化为另一种形式。如果它对外做功必然消耗能量，不消耗能量就无法对外做功，因而永动机是永远不可能制造成功的。

5.运用能的转化和守恒定律进行物理计算

例题：用铁锤打击铁钉，设打击时有80%的机械能转化为内能，内能的50%用来使铁钉的温度升高。问打击20次后，铁钉的温度升高多少摄氏度?已知铁锤的质量为1.2kg，铁锤打击铁钉时的速度是10m/s，铁钉质量是40g，铁的比热是5.0×10J/(kg·℃)。

首先让学生分析铁锤打击铁钉的过程中能量的转化。

归纳学生回答结果，指出铁锤打击铁钉时，铁锤的一部分动能转化为内能，而且内能中的一半被铁钉吸收，使它的温度升高。如果用ΔE表示铁钉的内能增加量，铁锤和铁钉的质量分别用M和m表示，铁锤打击铁钉时的速度用v表示。依据能的转化和守恒定律，有

2 5 铁钉的内能增加量不能直接计算铁钉的温度，我们把机械能转化为内能的数量等效为以热传递方式完成的，因此等效为计算打击过程中铁钉吸收多少热量，这热量就是铁钉的内能增加量。因此有

Q=cmΔt 上式中c为铁钉的比热，Δt表示铁钉的温度升高量。将上面两个公式联立，20Mv280%50%24℃ 得出t2cm经计算得出铁钉温度升高24℃。在这个物理计算过程中突出体现了如何应用能的转化和守恒定律这一基本原理。

应该注意，有的同学把上述题目中铁锤打击铁钉过程中的能量转化，说成“铁锤做功转化为热量”是不正确的。只能说做功与热传递在使物体内能改变上是等效的。

(三)课堂小结

热力学第一定律表示的是功、热量和内能之间变化的定量关系;自然界各种形式的能存在着相互转化过程，转化过程中总量是守恒的。能量守恒定律是自然界最基本的物理定律。

同学们要会分析一些自然现象中能是怎样转化的。

应该知道，根据能量守恒定律，永动机是不可能制造成功的。

通过课上的例题计算，学会运用能的转化和守恒定律解决物理问题的方法。

(四)说明

热力学第一定律和能量守恒定律是学生进入高中物理阶段后，第一次完整、细致地学习。此定律对今后学习物理是很重要的一个理论铺垫。教学上要重视，课堂上讲解要细致和透彻。

(五)布置作业

复习本节内容，完成练习六。

6

课后思考与讨论

有人设计了这样一台“永动机”：距地面一定高度架设一个水槽，水从槽底的管中流出，冲击一个水轮机，水轮机的轴上安装一个抽水机和一个砂轮.他指望抽水机把地面水槽里的水抽上去，这样循环不已，机器不停地转动，就可以永久地用砂轮磨制工件做功了(下图).

请你分析一下，高处水槽中水的势能共转变成哪几种形式的能，说明这个机器是否能够永远运动下去. 阅读材料

高空的气温为什么低

研究大气现象时常常用到热力学第一定律.通常把温度、压强相同的一部分空气作为研究的对象，叫做气团，直径上千米.由于气团很大，边缘部分和外界的热交换对整个气团没有明显的影响，即(1)式中Q=0，所以气团的内能的增减只等于外界对它做功或它对外界做功的多少：

ΔU=W 阳光烤暖了大地，地面又使得下层的气团温度升高，密度减小，因而上升.上升时气团膨胀，推挤周围的空气，对外做功，因此内能减小，温度降低.所以，越 7 高的地方，空气的温度越低.对于干燥的空气，大约每升高1km温度降低7℃(图10-13).

飞机在万米高空飞行的时候，舱外气温往往在-50℃以下.由于机上有空调设备，舱内总是温暖如春.不过这时空调的作用不是使空气升温，而是降温.高空的大气压比舱内气压低，要使舱内获得新鲜空气必须使用空气压缩机把空气从舱外压进来.在这个过程中，空气压缩机对气体做功，使气体的内能增加，温度上升.如果不用空调，机舱内的温度可能达到50℃以上!

第3篇：热力学四大定律

正如玻尔的名言：“谁要是第一次听到量子理论时没有感到困惑，那他一定没听懂。”学习亦是如此。

热力学四定律：通常是将热力学第一定律及第二定律视作热力学的基本定律，但有时增加能斯特定理当作第三定律，又有时将温度存在定律当作第零定律。一般将这四条热力学规律统称为热力学定律。热力学理论就是在这四条定律的基础建立起来的。 热力学第零定律：如果两个热力学系统中的每一个都与第三个热力学系统处于热平衡(温度相同)，则它们彼此也必定处于热平衡。这一结论称做“热力学第零定律”。 热力学第一定律：热力学的基本定律之一。是能的转化与守恒定律在热力学中的表现。它指出热是物质运动的一种形式，并表明，一个体系内能增加的量值△E(=E末-E初)等于这一体系所吸收的热量Q与外界对它所做的功之和，可表示为 △E=W+Q热力学第一定律也可表述为：第一类永动机是不可能制造的。

热力学第二定律：它的表述有很多种，但实际上都是互相等效的。比较有代表性的有如下三种表述方式：

不可能使热量从低温物体传到高温物体而不引起其它变化(克劳修斯)。不可能从单一热源吸取热量，使之完全变成有用功而不产生其它影响(开尔文)。不可能制造第二类永动机(普朗克)。以上三种说法(也包括其它表述法)所描述的一个事实是：一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的。

热力学第三定律：“不可能使一个物体冷却到绝对温度的零度。”这就是热力学第三定律。根据热力学第三定律，在下一切物质都停止运动。

虽然不能达到，但可以无限趋近。

第4篇：热力学的两大定律

一、热力学第一定律与能量守恒定律

能量守恒定律：能量既不会凭空产生，也不能凭空消失。它只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体。

某一种形式的能是否守恒是有条件的，而能量守恒定律是无条件的，是一切自然现象都遵循的基本规律。

能量守恒定律的发现，使人们进一步认识到：任何一种机器，只能使能量从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体。而不能无中生有地创造能量，不消耗任何能量，却可以源源不断地对外做功的机器(第一类永动机)是不可能制成的。 例1：约在1670年，英国塞斯特城的主教约翰·维尔金是设计了一种磁力“永动机”，如图所示，在斜面顶上放一块强有力的磁铁，斜面

上端有一小孔，斜面下有一连接小孔直至底端的弯

曲轨道。维尔金斯认为：如果在斜面底放一个小铁

球，那么由于磁铁的吸引，小铁球就会向上运动，

当小铁球运动到小孔P处时，它就要掉下，再沿着斜面下的弯曲轨道返回斜面底端Q，由于有速度而

可以对外做功，然后又被磁铁吸引回到斜面上端，到小孔P处又掉下。

在以后的二百多年里，维尔金斯的永动机居然改头换面地出现过多次，其中一次是在1878年，即能量转化和守恒定律被确定20年后，而且竟在德国取得了专利权! 请你分析一下，维尔金斯的“永动机”能实现吗?

解答：维尔金斯的“永动机”不可能实现，因为它违背了能量守恒定律。小球上升过程中，磁场力对小球做正功，使小球增加了机械能;但在小球下落时，同样也受到磁场力，而且磁场力做负功，这个负功与上升过程的正功相互抵消，可见，维尔金斯“永动机”不可能源源不断向外提供能源，所以，维尔金斯的“永动机”不可能实现。

热力学第一定律：在与热现象相关的物理过程中，能的转化和守恒定律的具体表达形式就是热力学第一定律——物体状态变化的过程中，内能的增量等于外界对物体做的功与外界传递给物体的热量之和，其数学表达式为UQW

应用热力学第一定律时必须掌握好它的符号法则：

(1)功W0，表示外界对系统做功;W0，表示系统对外界做功。

(2)热量Q0，表示物体吸热;Q0，表示物体放热。

(3)内能U0，表示内能增加;内能U0，表示内能减少。

例2：一定量的气体在某一过程中，外界对气体做了8×104 J的功，气体的内能减少了

1.2×105 J，这下列各式正确的是

A.W810 J，U1.210 J，Q410 J

B.W810 J，U1.210 J，Q210 J

C.W810 J，U1.210 J，Q210 J

D.W810 J，U1.210 J，

Q410 J 4544554554

54解析：因为外界对气体做功，W取正值，即W810 J;内能减少，U取负值，即U1.210 J;根据UQW可知， 54

QUW(1.21058104) J2105 J，即选项B正确。

例3：如图所示，容器A、B各有一个可自由移动的轻活塞，活塞下面是水，上面是大气，大气压恒定。A、B的底部由带有阀门K的管道相连。整个装置与外界绝热。最初A中水面比B中的高，打开K使A中的水逐渐向B中流，最后达

到平衡，在这个过程中

A.大气压力对水做功，水的内能增加

B.水克服大气压力做功，水的内能减少

C.大气压对水不做功，水的内能不变

D.大气压对水不做功，水的内能增加

解析：因为水的体积不变，故大气压力做的总功为零，但最后达到平衡后，水的重心降低，重力势能减少，而整个装置与外界绝热，根据热力学第一定律，水的内能将增加。选项D正确。

本题的表述，在表面上突出了大气压力做功，殊不知大气压力做的总功为零，而真正起关键作用的因素即重力对水做功却隐匿起来，要求学生经过独立分析去发现这一因素。

二、热力学第二定律的两种常见表述

按热传导的方向性表述：不可能使热量由低温物体传递到高温物体，而不引起其他变化。

按内能与机械能变化过程的方向性表述：不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化。即第二类永动机是不可能制成的。

热力学第二定律的两种表述方式，都说明了与热现象有关的物理过程进行的方向，两种表述是一致的，可以证明若违反了其中一种表述，必然违反另一种表述。

如何理解热力学第二定律是一个难点，如有的同学将热力学第二定律片面理解为“不可能使热量由低温物体传递到高温物体”事实上，这样的过程是可能发生的，如电冰箱冷冻室内的温度已经比房间的温度低，但还可以从冷冻室中吸收热量释放到房间中去，不过此过程是不能自发地进行的，代价是要消耗电能，即“引起了其他变化”，希望同学们不要忘了这后半句。而相反的过程是可以自发的进行的——让热量从高温物体传递到低温物体。

例4：下列关于能量转化的说法中，正确的是

A.机械能可以转化为内能，但内能不能转化为机械能

B.机械能可以转化为内能，内能也能转化为机械能

C.机械能不可以转化为内能，但内能可以转化为机械能

D.机械能可以全部转化为内能，但内能不能全部转化为机械能，同时不引起其他变化 答案：BD

三、热力学第一定律与热力学第二定律的区别与联系

热力学第一定律，是跟热现象有关的物理过程中能量守恒定律的特殊表达形式，它说明了功、热量和内能改变之间的定量关系。热力学第二定律指出了符合能量转化与守恒的过程能否实现的条件和过程进行的方向，它说明一切与热现象有关的实际宏观过程是不可逆的。热力学第一定律和热力学第二定律从不同角度揭示了与热现象有关的物理过程所遵循的规律，二者相互独立，又相互补充，都是热力学的理论基础。

A B

例5：下列说法正确的是

A.一切涉及热现象的宏观过程都具有方向性

B.一切不违反能量守恒与转化定律的物理过程都是可以实现的

C.由热力学第二定律可以判断物理过程能否自发进行

D.一切物理过程都不可能自发的进行

答案：AC

附：热力学的另两大定律

热力学第零定律：若两个热力学系统中的任何一个系统都和第三个热力学系统处于热平衡状态，那么，这两个热力学系统也必定处于热平衡。这一结论称做“热力学第零定律”。热力学第零定律的重要性在于它绘出了温度的定义和温度的测量方法。定律中所说的热力学系统是指由大量分子、原子组成的物体或物体系。它为建立温度概念提供了实验基础。这个定律反映出：处在同一热平衡状态的所有的热力学系统都具有一个共同的宏观特征，这一特征是由这些互为热平衡系统的状态所决定的一个数值相等的状态函数，这个状态函数被定义为温度。而温度相等是热平衡之必要的条件。因此，这一基本物理量实质是反映了系统的某种性质。

热力学第三定律：此定律指出，设想通过几个有限的步骤使物体冷却到绝对零度，是不可能的。这一表述是能斯脱于1912年根据对低温现象的研究得出能斯脱定理的推论。

四、能量耗散与未来能源

自然界的总能量虽然是守恒的，但根据热力学第二定律，我们无法把流散在周围的内能重新收集起来加以应用，这种现象叫能量耗散。能量耗散说明自然界的能量转化具有方向性，并提醒人们要警惕能源危机。

我们现今可供利用的能源主要是煤、石油、天然气等常规能源，但由于常规能源的储量有限，加之使用时带来的环境问题。这就迫使我们开发水流能、风能、太阳能、核能等新能源。而核裂变能也仅能供人们使用几百年。因此可以预见几百年后的未来能源，将以核聚变能为主，水流能、风能、太阳能为辅。这样可控热核反应的研究就具有非常重要的意义，而一旦取得突破，海水中丰富的氘就成为“取之不尽、用之不竭”的能源(一升海水中含有0.03克氘，其完全聚变所放出的能量相当于燃烧300升汽油)。

例6：乌鲁木齐市达板城地区风力发电网每台风力发电机4张叶片总共的有效迎风面积为S，空气密度为ρ、平均风速为v，设风力发电机的效率(风的动能转化为电能的百分比)为η.则每台风力发电机的平均功率P=____________。

解析：t时间内冲击叶片的空气的体积为Svt，质量为Svt，动能为

Ek111mv2Svtv2Sv3t 222

依题意PtEk，解得P

Sv32

第5篇：工程热力学-热力学第一定律讲稿

热力学第一定律

一、热力学第一定律的实质

自然界的物质处于不断地变化中，转化中的守恒与守恒中的转化时自然界的基本法则之一。人们从无数的实践经验中总结出：自然界一切物质都具有能量，能量既不能创造也不能消灭，各种不同形式的能量都可以从一个物体转移到另一个物体，也可以从一种能量形式转变到另一种能量形式，但在转移过和转变程中，它们的总量保持不变。这一规律称为能量守恒与转换定律。

而热力学第一定律就是能量守恒与转换定律在热现象中应用，它确定了热力工程中热力系与外界进行能量交换时，各种形态的能量在数量上的守恒关系。在工程热力学中热力学第一定律可以表述为：热可以变为功，功也可以变为热，一定的热量消失时必产生相应的功，消耗一定量的功时必出现与之对应的一定量的热。

二、热力系统常用到的能量形式

(一)、储存能

1、内储存能/热力学能(U)：

组成热力系统的大量微观粒子本身所具有的能量。 热力学能是下列各种能量的总和：(1)分子热运动所形成的内动能。

(2)分子间相互作用力所形成的内位能。

(3)构成分子的化学能和构成原子的的原子能。

2、外储存能(1)宏观动能(Ek)：相对于热力系统以外的的参考坐标，由于宏观运动速度

而具有的能量。Ek12mc2f

(2)重力位能(Ep)：在重力场中，热力系统由于重力作用而具有的能量。

Epmgz

3、热力系统的总储存能(E) ： 是内储存能与外储存能之和，即： EUEkEpU eu12cf212mc2fmgz 或

gz

(二)迁移能：能量从一个物体传递到另一个物体有两种方式做功和传热，传递过程中的功

量和热量称为迁移能。热力系统与外界存在势差时，进行的能量交换途径有三种：功量交换、热量交换、质量交换。

1、功量(1)体积功：在压力差的作用下，热力系统体积膨胀或收缩时与外界交换的功量。

(2)轴功(Ws)：热力系统通过叶轮机械的轴和外界交换的功量。

2、热量：系统与外界在温差的推动下通过微观粒子的无规则运动而传递的能量。

3、随质量交换传递的能量

(1)流动工质的储存能：流动工质本身具有热力学能、宏观动能和重力位能，会随工质的的流进(流出)系统而带入(带出)系统。这部分能量为：

EU12mc2fmgz 或 eu12cf2gz

(2)流动功(推动功)(Wf)：工质在开口系统中流动而传递的功。流动功与体积功不同，流动功只有在工质流动过程中才会出现，做流动功时工质的流动状态不发生变化，当然也不存在能量形态的转化，工质做流动功是只起到传递能量的作用。

W fpV2PV1 或 wf1

p2v2p1v1

三、热力学第一定律的基本能量方程

设想有一热力系如上图所示，其总能量为 EUEkEp 假定这一热力系在一段极短的时间d内从外界吸收了微小的热量Q,又从外界流入了每千克总能量为e1的质量m1与此同时热力系对外界做出了微小的总功Wtot，并向外界流出了每千克总能量为e2的质量m2，经过时间d后，热力系的总能量变为EdE。

热力学第一定律的能量方程，就是系统变化过程中的能量平衡方程式，文字表达式为：加入热力系的能量总和 — 热力系输出的能量总和 = 热力系总能量的增量

即：

Qe1m1Wtote2m2EdEE

QdEe2m2e1m1Wtot

(1)

对有限长时间积分得 ：

QEe2m2e1m1Wtot

(2)

式(1)和式(2)为热力学第一定律最基本的表达式，适用于任何工质进行的任何无摩擦或有摩擦的过程。

四、闭口系统的能量方程

在闭口系统中，(1)热力系的宏观能量变化很小，宏观动能和重力位能可以忽略，因此，热力系中能量的变化就等于热力学能的变化量，即：EU。(2)另外对于闭口系统它与外界无质量交换，即：m10 m20(3)所做的功是体积功。所以闭口系统的能量方程可简化为：

微元热力过程下：QdUW;qduw 总热力过程下

：QUW;quw

五、开口系统的能量方程

在实际工程中，工质要在热力装置中循环不断的流经各相互衔接的热力设备，完成不同的热力过程实现能量转换对这类有工质流进和流出的热力设备(如燃气轮机、汽轮机、叶轮 2

式压气机)常采用开口系统即控制体积的分析方法。

我们把控制体内质量和能量随时间而变化的过程称为不稳定流动过程。把系统内质量和能量不随时间变化，各点参数保持一定的称为稳定流动过程。下面从最普遍额不稳定流动过程着手导出开口系统的能量方程。

设控制体在到d的时间内进行一个微元热力过程。在这段时间内控制体截面处流入的工质质量为m1，流出的工质质量为m2，控制体从热远处吸热Q，对外做轴W，进出口截面相对参考系的高度分别为z1和z2，控制体积内储存能的增量为dEcv，则控制体的能量输入与输出情况如下： 进入控制体的能量=Qh112cf1gz1m1 212cf2gz2m2 2离开控制体的能量=Wsh2控制体储存能的变化 dEcvEdEcvEcv 根据热力学第一定律建立能量方程得：

1122 Q+h1cf1gz1m1h2cf2gz2m2WsdEcv

22整理得：

1122 Q=h2cf2gz2m2h1cf1gz1m1WsdEcv

22

六、稳定流动的能量方程

当流体流过开口系统时，有能量的输入和输出，此时输入的能量、输出的能量及系统积累的能量分别为：

3

(1)流入的能量：流入流体携带的热力学能、宏观动能及位能、流体流入时得到的流动能、流体从外界获得的热能。流入的能量具体为： 微观能即热力学能：U1m1u1 宏观动能：Ek112m1c1

2宏观位能：Ep1m1gz1 流体流动能：PVm1P1v1 11流体从外界获得的热能为：Q

(2)流出的能量：流出流体携带的热力学能、宏观动能及位能、流体流出时得到的流动能、流体通过转动部件对外界传出的机械能。流出的能量具体为： 微观能即热力学能：U2m2u2 宏观动能：Ek212m2c2

2宏观位能：Ep2m2gz2 流体流动能：P2V2m2P2v2 热力系对输出的机械能为：W

则根据热力学第一定律，应有：E1E2dE

Q 其中：E1U1Ek1Ep1PV11E2U2Ek2Ep2P2V2W

即：

m1u112m1c1m1gz1m1P1v1QdEm2u22122m2c2m2gz2m2P2v2W

4

开口稳定流动系统定义及特征：热力系中各个参数稳定，即无能量和质量的积累。 开口稳定流动系统满足的表达式：m1m2m

dE0 则热力学第一定律在开口稳定流动热力系中的具体表达式为：

21212化简为：Qm((upvcgz)2(upvcgz)1)W

22m((upv)112c1gz1)Qm((upv)221c2gz2)W

2其中：hupv

代入即： Qm((h12cgz)2(h122212cgz)1)W

12cgz)1w

22单位kg的热力系：q(hcgz)2(h

七、热力学第一定律的具体应用 换热器中的应用：qh2h1 内燃机中的应用：wh1h2 喷管中的应用：12ch1h2 2压缩机的应用：wh2h1

第6篇：高二物理热力学第二定律教案

【教材分析】

本节介绍热力学第二定律，该定律与热力学第一定律是构成热力学知识的理论基础，热力学第一定律对自然过程没有任何限制，只指 出在任何热力学过程中能量不会有任何增加或损失，热力学第二定律解决哪些过程可以发生，教学时要注意讲清二者的关系。

对于热力学第二定律，教材先从学生比较熟悉的热传导过程的方向性入手，研究与分子热运动有关的过程的方向性问题，以期引起学生思维的深化，也作为学习热力学第二定律的基础。

教材介绍了热力学第二定律的两种表述：一种是按照热传导过程的方向性表示，另一种是按照机械能与内能转化过程的方向性表述，这两种表述都表明：自然界中一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的，教学时，要注意说明这两种不同表述的内在联系，讲清这两种表述的物理实质。

第二类永动机是指设想中的效率达到100%的热机，由于在自然界中把热转化为功时，不可避免地把一部分热传递给低温的环境，所以第二类永动机不可能制成。

【设计思想】 1. 从实际问题导入，从简单的实验开始，尽可能引导学生联系自己熟悉的，身边的生活现象的实例，在教学内容上使物理贴近学生生活、联系社会实际，体现《标准》倡导的“从生活走向物理，从物理走向社会”的理念。

2. 积极创设情景，开展师生、生生间的对话交流，开展小组合作讨论学习，使教学过程能够确立学生在教学活动中的中心地位，让学生从自己的学习体验和感悟中获得知识，向学生学习活动要效益，体现以学生为中心的原则。

3.热力学第二定律不象以往的实验定律可以推导和验证，是在大量实验事实的基础上总结出来，内容的表述比较抽象和难以理解，教师要引导学生对关键词的作深刻地理解，要引导学生多运用实例来辅助理解。

4.夯实知识基础，灵活运用技能是三维教学目标中第一要素，本节课除了使用教材中“问题与练习”外，还设计了四道练习题，在教学过程中结合学生的学习状况灵活使用，帮助学生更好理解定律。《课后思考题》有助于学生更深刻地理解定律。

【教学目标】

一、 知识与技能

1.了解热传递过程的方向性。

2.知道热力学第二定律的两种不同的表述，以及这两种表述的物理实质。 3.知道什么是第二类永动机，为什么第二类永动机不可能制成。

二、 过程与方法

1.热力学第二定律的表述方式与其他物理定律的表述方式有一个显著不同，它是用否定语句表述的。

2.热力学第二定律的表述不只一种，对任何一类宏观自然过程进行方向的说明，都可以作为热力学第二定律的表述，学习本节时注意这一方法。

三、 1. 情感、态度与价值观

通过学习热力学第二定律，可以使学生明白热机的效率不会达到100%，我们只能想办法尽量提高热机的效率，但不能渴求达到100%。

2. 生。

【重点、难点分析】：

重点：热力学第二定律两种常见的表述。

难点：1.热力学第二定律的开尔文表述。

2.自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性。 【课时安排】： 1课时 【课前准备】：

教师：多媒体课件，一个电冰箱模型，一盆凉水，准备一个酒精灯和一个铁块，铁钳。 学生：课前预习课文，在家观察自家的电冰箱。 【教学设计】：

引入新课：

【问题】我们在初中学过，当物体温度升高时，就要吸收热量;当物体温度降低时，就要放出热量。而自然界发生的一切过程中的能量都是守恒的，但不违背能量守恒定律的宏观过程并都能发

且热量公式Q = cm△t，这里有一个有趣的问题：地球上有大量的海水,它的总质量约为1.4×10t , 如果这些海水的温度降低0.1C,将要放出多少焦耳的热量?海水的比热容为C=4.2×10J/(kg·℃)。下面请大家计算一下。

学生计算：Q = 4.2×10×1.4×10×10×0.1 J = 5.8×10J 这相当于1800万个功率为100万千瓦的核电站一年的发电量。为什么人们不去研究这“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，这就是本节要讨论的热力学第二定律。

【设计意图】：从实际问题入手，唤起学生对学习的兴趣。从学生已有的热学知识出发引入新的知识，使过渡自然，减少学生对新知识的唐突性。

【板书】 第四节 热力学第二定律

【板书】

一、热传递的方向性

教师实验，点燃酒精灯，用钳夹住事先准备好的铁块，在火焰上灼烧一段时间后，问学生现在如果用手摸会出现什么现象?下面把灼热的铁块放入冷水中，过一段时间，拿出铁块现在你们敢用手摸吗?通过这个实验说明什么问题?

学生思考，教师给予启发

学生答：热量从温度高的物体自发地传给温度低的物体

再让学生列举一些这样的例子，例如：雪花落在手上就融化，挨着火炉就温暖等等。 利用课本中“思考与讨论”开展小组讨论并进行对话交流。

教师反问学生：有没有可能发生这样地现象，热量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帮助。学生思考讨论一会后，有的同学可能产生疑问：电冰箱内部的温度比外部低，为什么致冷系统还能够不断地把冰箱内的热量传给外界的空气?

事前我们让大家观察自家的电冰箱，请同学做简要的回答，教师进行点拨。然后，展示电冰箱模型给学生简要讲解(多媒体课件)。

318

323o

3

18

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，电冰箱就不能把其内部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，使其温度逐渐升高。

【学生总结】热传导的方向性：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。要实现相反过程，必须借助外界的帮助，因而产生其他影响或引起其他变化。

【板书】结论:热力学第二定律的一种表述:热量不能自发地从低温物体传到高温物体。这是热力学第二定律的克劳修斯表述。

老师讲解对定律的理解:这里阐述的是热传递的方向性.在这个表述中,“自发”二字指的是:当两个物体接触时,不需要任何第三者的介入、不会对任何第三者产生任何影响,热量就能从一个物体传向另一个物体.当两个温度不同的物体接触时,这个“自发”的方向是从高温物体指向低温物体的。

教师指出：热力学第二定律的克劳修斯表述实质上就是：热传递过程是不可逆的。 【设计意图】：

1. 联系学生熟悉的，身边的生活现象，使知识的学习贴近学生的生活，使学生感受物理知识就在身边，存在于生活，强化学生的实践意识，使情感成为学习动力。

2. 通过师生的对话交流，在互动中实现思维的碰撞，突出学生的学习过程，体现以学生为中心的原则，从自己的学习体验和感悟中获得知识，向学生学习活动要效益。

3. 热力学第二定律的克劳修斯表述中的“自发”是定律表述的关键词，教师要引导学生作深刻理解。 【板书】

二、热力学第二定律的另一种表述(第二类永动机)

前面我们学习了第一类永动机，不能制成的原因是什么?(违背了能量守恒)，什么是第二类永动机呢? 分组合作学习，思考讨论下列问题： 1.热机是一种把什么能转化成什么能的装置? 2.热机的效率能否达到100%? 3.第二类永动机模型 4.机械能和内能转化的方向性

然后由各小组代表回答，教师进行思路点拨 1.热机是一种把内能转化成机械能的装置 2.热机的效率不能达到100% 原因分析：

以内燃机为例，气缸中的气体得到燃烧时产生的热量为Q1，推动活塞做工W，然后排出废气，同时把热量Q2散发到大气中，

由能量守恒定律可知：Q1 = W + 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η表示 η=W / Q1

实际上热机不能把得到的全部内能转化为机械能，热机必须有热源和冷凝器，热机工作时，总要向冷凝器散热，不可避免的要由工作物质带走一部分热量Q2，所以有：Q1>W 因此，热机的效率不可能达到100%，汽车上的汽油机械效率只有20%～30%，蒸汽轮机的效率比较高，也只能达到60%，即使是理想热机，没有摩擦，也没有漏气等能量损失，它也不可能把吸收的热量百分之百的转化成机械能，总要有一部分散发到冷凝器中。

师生总结:热力学第二定律的另一种表述: 【板书】不可能从单一热源吸收热量，使之完全变成功,而不产生其他影响。这是热力学第二定律的开尔文表述 (也称第二类永动机)。

教师应该强调定律内容“而不产生其他影响”这个条件，举出“绝热膨胀”的例子加以说明。 第二类永动机并不违反能量守恒定律，人们为了制造出第二类永动机作出了各种努力，但同制造第一类永动机一样，都失败了。

为什么第二类永动机不可能制成呢?

因为机械能和内能的转化过程具有方向性。机械能全部转化成内能，内能却不能全部转化为机械能，同时不引起其他变化。

再举实例，说明有些物理过程具有方向性。

〈学生思考回答，教师引导点拨〉 1.气体的扩散现象。

2.书上连通器的小实验(气体向其中膨胀)。 【板书】热力学第二定律的两种表述

表述一：不可能使热量由低温物体传递到高温物体，而不引起其他变化

(按照热传递的方向性来表述的)

表述二：不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化。也可表述为第二类永动机是不可能制成的。(机械能与内能转化具有方向性)

这两种表述是等价的，可以从一种表述导出另一种表述，所以他们都称为热力学第二定律。

热力学第二定律揭示了有大量分子参与的宏观过程的方向性。(自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性)。

因此,对任何一类宏观自然过程进行方向的说明,都可以作为热力学第二定律的表述。如图中,盒子中间有一个挡板,左室为真空,右室有气体。撤去挡板后右室的气体自发地向左室扩散,而相反的过程不可能自发地进行。因此，热力学第二定律也可以表述为:气体向真空的自由彭胀是不可逆的。

【注意】 ：不管如何表述，热力学第二定律的实质在于揭示了：一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的。

【本节小结】:回过头分析引入的例子,学生应用热力学第二定律分析,老师点拨总结。进一步说明第二类永动机不能制成的,违背热力学第二定律。

【设计意图】：

1.热力学第二定律的开尔文表述比较抽象和难以理解，需要学生通过合作学习，在讨论和交流中认识规律，再通过教师的点拨指导才能更好的理解和掌握规律。

2. 热力学第二定律是在大量实验事实的基础上总结出来的，教学过程要引导学生多运用实例来辅助理解。

3. 分析引入的例子，学生应用热力学第二定律分析，师生共同小结本节内容，首尾呼应，学以致用。