高中物理竞赛热现象和基本热力学定律

热学部分—自主招生考试一．分子动理论分自动理论的基本内容：物质是由大量分子组成的，分子永不停息地做无规则热运动，分子间存在着相互作用的引力和斥力。

1． 1231002.6N -⨯=mol A 是联系微观世界和宏观世界的桥梁，具体表现在：（1）固体、液体分子微观量的计算（估算） ①分子数：A A A N V v N M m nN 00N === ②每个分子的质量为：A01N M =m ③每个分子体积（分子所占空间）：A A N M N V v ρ001==，其中ρ为固体或液体的密度 ④分子直径的估算：把固体、液体分子看成球形，则分子直径3031/6/6A N V v d ππ==；把固体、液体分子看成立方体，则3031/A N V v d ==.（2）气体分子微观量的估算方法（油膜法估测分子的直径，分子直径的数量级约为10-10m ） ①物质的量4.22n V =，V 为气体在标况下的体积． ②分子间距的估算：设想气体分子的分布均匀，每个分子平均占有一定的体积，假设为立方体，则分子间距30V d =，而每个分子所占体积A mol N V V =0，则分子间距为3Amol N V d =. 2．分子在做永不停歇的无规则的热运动。

扩散现象是分子的运动，布朗运动是悬浮微粒的无规则运动，是液体分子的无规则运动引起的．布朗运动的剧烈程度不仅跟颗粒的大小有关，还跟液体或气体的温度有关，颗粒越小、温度越高布朗运动越剧烈。

3．分子间存在相互作用力：引力与斥力，都随距离增加减小，但是斥力对距离更敏感，所以分子力很近的时候体现出斥力，在平衡位置体合力等于零，平衡位置外体现出引力。

二．物体的内能物体内所有分子的动能和势能的总叫物体的内能．1．温度是分子平均动能的标志,理想气体的内能正比于温度与气体的物质的量．2．分子势能的大小与物体的体积有关．3．做功和热传递是改变物体内能的两种方式．三．热力学定律热力学第零定律：如果两个系统分别和第三个系统处于热平衡，那么这两个系统也处于热平衡状态。

高中物理竞赛讲义目录高中物理竞赛讲义 (1)第0部分绪言 (5)一、高中物理奥赛概况.....................................错误!未定义书签。

二、知识体系....................................................错误!未定义书签。

第一部分力＆物体的平衡 (5)第一讲力的处理 (13)第二讲物体的平衡 (15)第三讲习题课 (16)第四讲摩擦角及其它 (21)第二部分牛顿运动定律 (24)第一讲牛顿三定律 (24)第二讲牛顿定律的应用 (25)第二讲配套例题选讲 (35)第三部分运动学 (35)第一讲基本知识介绍 (35)第二讲运动的合成与分解、相对运动 (37)第四部分曲线运动万有引力 (40)第一讲基本知识介绍 (40)第二讲重要模型与专题 (42)第五部分动量和能量 (52)第一讲基本知识介绍 (52)第二讲重要模型与专题 (55)第三讲典型例题解析 (70)第六部分振动和波 (70)第一讲基本知识介绍 (70)第二讲重要模型与专题 (75)第三讲典型例题解析 (86)第七部分热学 (86)一、分子动理论 (87)二、热现象和基本热力学定律 (89)三、理想气体 (91)四、相变 (98)五、固体和液体 (102)第八部分静电场 (103)第一讲基本知识介绍 (104)第二讲重要模型与专题 (107)第九部分稳恒电流 (120)第一讲基本知识介绍 (120)第十部分磁场 (134)第一讲基本知识介绍 (134)第二讲典型例题解析 (138)第十一部分电磁感应 (146)第一讲、基本定律 (146)第二讲感生电动势 (150)第三讲自感、互感及其它 (154)第十二部分量子论 (157)第一节黑体辐射 (158)第二节光电效应 (161)第三节波粒二象性 (168)第四节测不准关系 (172)第0部分绪言全国中学生物理竞赛内容提要--理论基础(2013年开始实行)说明：．本次拟修改的部分用楷黑体字表示，新补充的内容将用“※”符号标出，作为复赛题和决赛题增补的内容；※※则表示原属预赛考查内容，在本次修改中建议改成复赛、决赛考查的内容。

高中物理竞赛辅导热力学第一定律§2.1 改变内能的两种方式热力学第一定律2．1．1、作功和传热作功能够改变物体的内能。

假如外界对系统作功W 。

作功前后系统的内能分不为1E 、2E ，那么有W E E =-12没有作功而使系统内能改变的过程称为热传递或称传热。

它是物体之间存在温度差而发生的转移内能的过程。

在热传递中被转移的内能数量称为热量，用Q 表示。

传递的热量与内能变化的关系是Q E E =-12做功和传热都能改变系统的内能，但两者存在实质的差不。

作功总是和一定宏观位移或定向运动相联系。

是分子有规那么运动能量向分子无规那么运动能量的转化和传递；传热那么是基于温度差而引起的分子无规那么运动能量从高温物体向低温物体的传递过程。

2．1．2、气体体积功的运算1、准静态过程一个热力学系统的状态发生变化时，要经历一个过程，当系统由某一平稳态开始变化，状态的变化必定要破坏平稳，在过程进行中的任一间状态，系统一定不处于平稳态。

如当推动活塞压缩气缸中的气体时，气体的体积、温度、压强均要发生变化。

在压缩气体过程中的任一时刻，气缸中的气体各部分的压强和温度并不相同，在靠近活塞的气体压强要大一些，温度要高一些。

在热力学中，为了能利用系统处于平稳态的性质来研究过程的规律，我们引进准静态过程的概念。

假如在过程进行中的任一时刻系统的状态发生的实际过程专门缓慢地进行时，各时刻的状态也就专门接近平稳态，过程就成了准静态过程。

因此，准静态过程确实是实际过程专门缓慢进行时的极限情形关于一定质量的气体，其准静态过程可用V p -图、T p -图、T v -图上的一条曲线来表示。

注意，只有准静态过程才能如此表示。

2、功在热力学中，一样不考虑整体的机械运动。

热力学系统状态的变化，总是通过做功或热传递或两者兼施并用而完成的。

在力学中，功定义为力与位移这两个矢量的标积。

在热力学中，功的概念要广泛得多，除机械功外，要紧的有：流体体积变化所作的功；表面张力的功；电流的功。

8.2热力学第一定律一、热力学第一定律理想气体从一个状态缓慢变化到另一个状态的过程（准静态过程）中，做功和热传递会导致气体内能发生变化。

二、理想气体的内能由于理想气体不考虑分子间作用力，因此没有分子势能，因此内能即为分子的总动能 由压强的表达式23p n =和p nkT =，可得：32kT =。

注意ε的物理意义，ε是分子的平均平动动能。

1、对于单原子分子，总能量即平动动能 （3个自由度）32kT ε=总 2、对于双原子分子，总能量包括平动动能、转动动能（5个自由度）52kT =总3、对于多原子分子，总能量包括平动动能、转动动能（6个自由度）62kT ε=总因此可得对应气理想体的内能： 1、单原子分子组成的理想气体，内能3322A U NN kT NRT == 2、双原子分子组成的理想气体，内能5522A U NN kT NRT == 3、多原子分子组成的理想气体，内能6622A U NN kT NRT == 三、外力对气体做功的计算1、恒力（恒压）做功 W F l pS l p V =-∆=-∆=-∆2、变力（变压）做功（微元法） i i i W W p V =∆=-∆∑∑四、热量传递的计算1、对于固体和液体：一般来说体积变化可以忽略： Q cm T =∆其中，c 为比热：1kg 的物质，升温1°C 吸收的热量2、对于气体：(1)如果体积不变，所有热量都用来改变温度：V Q Nc T =∆其中，c V 为摩尔定容比热：1mol 的物质，保持体积不变，升温1°C 吸收的热量(2)如果压强不变，根据状态方程，温度变化，体积随之变化。

因此，一部分热量都用来改变温度，另一部分用来做功：p Q Nc T =∆其中，c p 为摩尔定压比热：1mol 的物质，保持压强不变，升温1°C 吸收的热量。

思考：对于气体，是否其它比热的定义？五、四种典型过程中的热力学第一定律1、等容过程02V i NR T Nc T ∆=+∆ 可得：2V i c R = 2、等压过程2p i NR T p V Nc T ∆=-∆+∆ 即：2p i N R T NR T Nc T ∆=-∆+∆ 可得：2p i c R R =+。

高中物理竞赛——热现象和基本热力学定律1、平衡态、状态参量a 、凡是与温度有关的现象均称为热现象，热学是研究热现象的科学。

热学研究的对象都是有大量分子组成的宏观物体，通称为热力学系统（简称系统）。

当系统的宏观性质不再随时间变化时，这样的状态称为平衡态。

b 、系统处于平衡态时，所有宏观量都具有确定的值，这些确定的值称为状态参量（描述气体的状态参量就是P 、V 和T ）。

c 、热力学第零定律（温度存在定律）：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。

2、温度a 、温度即物体的冷热程度，温度的数值表示法称为温标。

典型的温标有摄氏温标t 、华氏温标F （F = 59t + 32）和热力学温标T （T = t + 273.15）。

b 、（理想）气体温度的微观解释：Kε = 2ikT （i 为分子的自由度 = 平动自由度t + 转动自由度r + 振动自由度s 。

对单原子分子i = 3 ，“刚性”〈忽略振动，s = 0，但r = 2〉双原子分子i = 5 。

对于三个或三个以上的多原子分子，i = 6 。

能量按自由度是均分的），所以说温度是物质分子平均动能的标志。

c 、热力学第三定律：热力学零度不可能达到。

（结合分子动理论的观点2和温度的微观解释很好理解。

） 3、热力学过程a 、热传递。

热传递有三种方式：传导（对长L 、横截面积S 的柱体，Q = KLT T 21-S Δt ）、对流和辐射（黑体表面辐射功率J = αT 4）b 、热膨胀。

线膨胀Δl = αl 0Δt【例题3】如图6-5所示，温度为0℃时，两根长度均为L 的、均匀的不同金属棒，密度分别为ρ1和ρ2 ，现膨胀系数分别为α1和α2 ，它们的一端粘合在一起并从A 点悬挂在天花板上，恰好能水平静止。

热力学第二定律 热传递方式一、热力学第二定律表述1：热量只能自发的从高温物体转移至低温物体。

如果想让热量由低温物体转移到高温物体，一定会引起其他变化（需要做功）。

热传递的方向性表述2：不可能从单一热源取热，把它全部变为功而不产生其他任何影响机械能、内能转化的方向性（能量耗散）表述3：有序到无序，熵增加第一类永动机：不需要动力的机器，它可以源源不断的对外界做功违反能量守恒定律第二类永动机：从单一热库吸收热量，全部用于做功。

违反热力学第二定律：机械能与内能的转化具有方向性，机械能可以转化内能，但内能却不能全部转化为机械能而不引起其它变化。

二、卡诺循环当高温热源和低温热源的温度确定之后，所有热机中，按照卡诺循环运行的热机效率是最高的。

（证明略）卡诺循环由两个等温过程和两个绝热过程组成。

从高温热源等温吸热Q 1，对外做功，并向低温热源散热Q 2。

两个绝热过程中，没有热传递，做功等于内能变化，为相反数。

2i W nR T =∆ 两个等温过程中，热量交换加上做功等于0，因此，在高温热源吸热：21111ln V Q W nRT V =-= 在低温热源放热：42223lnV Q W nRT V =-= 利用绝热过程的状态方程：2233PV PV γγ=，即 112132V nRT V nRT γγ--= 4411PV PV γγ=，即 114211V nRT V nRT γγ--= 有上述公式可得卡诺热机的效率，即最大效率：121211Q Q T T Q T η--== 如果将上述过程反过来，叫做逆卡诺循环，即在外界做功W 的帮助下，从低温热源吸热Q 2，向高温热源散热Q 1。

例如空调、冰箱都有这种功能。

（但现实中的空调、冰箱不一定满足逆卡诺循环的条件）。

对于逆卡诺循环，常用制冷系数进行描述：221212Q T Q Q T T ω==--例1、有一卡诺致冷机，从温度为-10℃的冷藏室吸取热量，而向温度为20℃的物体放出热量。