热力学定律的内涵和复习建议

云南 张保雷 玉文昆

热力学定律是高中物理的重要内容，也是高考的热点内容之一，不同版本的高中物理教科书均把该内容单独列为一章。热力学定律的表述多样，内涵丰富，知识点间相互联系，且不易理解，学生往往感觉神秘莫测、知其然不知其所以然，因此该部分内容是学习的难点。本文归纳整理了热力学定律的知识点，并分析了其内涵和内在的逻辑关系，期望在进行高中物理专题复习时，能够帮助师生正确认识和理解热力学定律的内涵和精髓。

1.热力学第一定律

一个热力学系统的内能变化量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和，这个关系叫作热力学第一定律，关系式为ΔU=Q+W。

物体中所有分子的热运动动能和分子势能的总和，称为内能。热力学第一定律的研究内容是改变内能的方式，其实质是能量的守恒和转化，在物体跟外界同时发生做功和热传递的过程中，物体内能变化量ΔU由外界对物体做的功W和物体从外界吸收的热量Q相加而得。在运用公式ΔU=Q+W解答问题时，首先要掌握该公式中符号的物理意义：①外界对物体做的功W>0，表示外界对系统做正功，系统对外界做负功，表现为系统体积压缩；W<0，表示外界对系统做负功，系统对外界做正功，表现为系统体积膨胀。②物体从外界吸收的热量Q>0，表示物体吸热；Q<0，表示物体放热。③物体内能变化量ΔU>0，表示物体内能增加；ΔU<0，表示物体内能减少。对于一定质量的理想气体而言，内能的增加表现为温度升高，内能的减少表现为温度降低。

【例1】(2021年山东省普通高中学业水平等级考试第2题)如图1所示，密封的矿泉水瓶中，距瓶口越近水的温度越高。一开口向下、导热良好的小瓶置于矿泉水瓶中，小瓶中封闭一段空气。挤压矿泉水瓶，小瓶下沉到底部；松开后，小瓶缓慢上浮。上浮过程中，小瓶内气体

图1

( )

A.内能减少

B.对外界做正功

C.增加的内能大于吸收的热量

D.增加的内能等于吸收的热量

【答案】B

【例2】(江苏省2021年普通高中学业水平合格性考试第13题)(节选)如图2所示，一定质量理想气体被活塞封闭在气缸中，活塞的面积为S，与气缸底部相距L，气缸和活塞绝热性能良好，气体的压强、温度与外界大气相同，分别为p0和t0。现接通电热丝加热气体，一段时间后断开，活塞缓慢向右移动距离L后停止，活塞与气缸间的滑动摩擦力为f，最大静摩擦力等于滑动摩擦力，整个过程中气体吸收的热量为Q，求该过程中内能的增加量ΔU。

图2

【解析】活塞移动时受力平衡有p1S=p0S+f，气体对外界做功W=p1SL=(p0S+f)L，根据热力学第一定律ΔU=Q+W，解得该过程中气体内能的增加量为ΔU=Q-(p0S+f)L。

【点评】在运用热力学第一定律解决定性分析问题时，首先要确定研究对象，进而确定哪些量不变、哪些量变化，准确掌握ΔU、Q和W的物理意义，确定各物理量的“正负”；定量计算W时，可能会运用到气体实验定律、共点力的平衡、牛顿运动定律等知识，要对变化过程、受力特点、运动过程进行正确分析，求出与W相关的力、体积变化、运动距离等，再结合热力学第一定律，问题即可得到解答。

2.热力学第二定律

热力学第二定律有两种常见表述：①克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传到高温物体；②开尔文表述：不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响。

表述①指出了在自发条件下，热传递方向是不可逆的，要使热传递方向逆转过来，只有靠做功来实现；表述②指出了机械能可以全部变成热，而反过来热却不能在不产生其他影响的条件下完全变成其他形式的能量，从而说明了这种转变在自然条件下也是不可逆的。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，即在任何自然过程中，一个孤立系统的熵值总不会减少，热力学第二定律常见的两种表述从不同角度阐述了自然热现象的方向性，其实两种表述均是分子热运动的无序性增加(熵增加)的表现，两种表述是等价的。热力学第一定律是自然界一切热现象发生过程的原则，即转换定量关系；热力学第二定律指出除能量守恒外，热现象发生的过程是有限制的、有转换条件的，自发的热现象是有方向性的。

【例3】(多选)关于热力学第二定律，下列表述正确的是

( )

A.不可能使热量从低温物体传递到高温物体

B.不可能从单一热库吸收热量并把它全部用来做功

C.一切自然过程总是沿着分子热运动无序性增大的方向进行

D.从微观的角度看，热力学第二定律是一个统计规律

【解析】热力学第二定律可描述为热量不能自发地从低温物体传到高温物体，当非自发时，热量能从低温物体传到高温物体，如空调，A错误；根据热力学第二定律可知，不可能从单一热库吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化，B错误；根据热力学第二定律可知，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，C正确；系统的热力学规律是大量分子无序运动状态的变化，从微观的角度看，热力学第二定律是一个统计规律，D正确。

【答案】CD

【点评】热力学第二定律指明哪些过程可能发生，哪些不可能发生，热现象过程中能量耗散是不可避免的，第二类永动机不可能实现，热机效率不可能是100%等，实际宏观的热现象过程是不可逆的。需要注意的是学习者要准确理解表述①中的“自发”，表述②中的“不产生其他影响”，有些热现象在相应的辅助情况下，热量能从低温物体传到高温物体，也是可从单一热库吸收热量，使之完全变成功。

3.热力学第三定律和热力学第零定律

热力学第三定律表述为不可能通过有限的过程把一个物体冷却到绝对零度。热力学第零定律表述为如果两个系统分别与第三个系统达到热平衡，那么这两个系统彼此之间也必定处于热平衡。

热力学第三定律是在对低温现象的研究中总结出来的，指出了绝对零度不可能达到。热力学第三定律反映了微观运动的量子化，在实际意义上，热力学第三定律并不像热力学第一定律和热力学第二定律那样明确地告诫人们放弃制造第一类永动机和第二类永动机的意图，热力学第三定律告诉人们温度总有降低的可能，人们可以想办法使物体的温度尽可能接近绝对零度，且当温度趋于绝对零度时，物质所表现出与常温不同的性质，是人类探索低温世界的不竭动力。热力学第零定律的提出比热力学第一定律和热力学第二定律晚了80余年，但其是热力学研究的基础，又不能列在热力学第一定律和热力学第二定律之后，故称为热力学第零定律。热力学第零定律反映所有处于同一热平衡状态的热力学系统，都具有一个共同的宏观性质，我们把表征这一“共同的热学性质”的物理量叫作温度，即处于同一平衡态的热力学系统温度相等。

【例4】下列说法正确的是

( )

A.自然界的能量是守恒的，所以我们可以不必节约能源

B.随着科学的发展，降温技术的提高，可使物体的温度降到绝对零度

C.如果两个系统分别与状态确定的第三个系统达到热平衡，那么这两个系统彼此之间也必定达到热平衡

D.三个系统a、b、c，若a与b内能相等，b与c内能相等，则根据热平衡定律a与c接触时一定不会发生热交换

【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，因此要节约能源，A错误；根据热力学第三定律可知，绝对零度只可接近，不能达到，B错误；由热力学第零定律知，如果两个系统分别与状态确定的第三个系统达到热平衡，说明三个系统的温度一定相等，那么这两个系统彼此之间也必定达到热平衡，C正确；热平衡状态即为两物体的温度相同，但两物体内能相同时，温度不一定相同，D错误。故选C。

【点评】热力学第三定律是在对低温现象的研究中总结出来的，绝对零度是只可接近不可达到的理想值。热力学第零定律在高中教材中叫做热平衡定律，处于同一热平衡状态的热力学系统，都具有一个共同的宏观性质，即温度相等。温度是决定一个系统是否达到热平衡的物理量，处于同一热平衡状态的热力学系统的内能、压强等却不一定相等。教师在引导学生了解热力学第三定律和热力学第零定律的来历和内涵后，解答相关问题的难度也会随之降低。

4.二轮复习建议

通过上述归纳，可让学生认识到热力学定律是分别从不同的角度对自然界中热现象发生的规律进行的总结。热力学第零定律是热力学研究的基础，是温度概念产生的基础；热力学第一定律揭示了热现象在能量转换的过程中遵循的守恒原则，是能量守恒定律在热力学中的表现；热力学第二定律揭示了能量变化遵循的客观规律及条件，指明了热现象的方向性；热力学第三定律指出了绝对零度是只可接近不可达到的理想值。

对于知识理解而言，最为有效的方式就是知识的系统化，高中物理的第二轮复习就是让学生将一轮复习中分散的理论知识进行网络化，教师要引导学生对有着相似、相近、递进等关系的知识进行归纳总结，引导学生思考知识的内涵和知识点间的联系，让学生对知识有整体认识，也可以提升学生对物理知识理解的广度和深度。高中物理的教学任务除了帮助学生学习和理解物理知识外，还要让学生构建物理知识体系、掌握物理研究方法体系、了解物理思想体系，从而培养、提升学生的理解、推理、分析等学科能力和物理观念、科学思维等学科素养，让学生能够从较高的视角全面、系统地认识物理学，这也符合现在提倡的大单元教学和深度学习的理念。