物理热学思维导图
中心主题：热学
核心概念： 研究与热现象有关的物理学分支，本质是研究大量分子、原子的无规则运动（热运动）及其与能量（内能）的转换关系。
第一分支：基本概念
-
温度
- 定义： 物体分子热运动平均动能的宏观体现，是物体冷热程度的量度。
- 微观本质： 分子平均动能的标志。
- 温标：
- 摄氏温标 (t)： 标准大气压下，冰水混合物为0℃，沸水为100℃。
- 热力学温标 (T)： 开尔文，国际基本单位，T = t + 273.15 K，绝对零度 (0 K) 是理论上的最低温度。
-
内能
- 定义： 物体内所有分子热运动的动能和分子势能的总和。
- 微观决定因素：
- 分子动能： 温度（主要）。
- 分子势能： 体积（对于固体、液体）。
- 宏观决定因素： 物体的温度、体积、物质的量（摩尔数）和物态。
- 特点： 是状态量，改变内能有两种方式：做功和热传递。
-
热量
- 定义： 在热传递过程中，内能转移的量度。
- 本质： 内能的转移，而不是内能本身。
- 单位： 焦耳。
- 计算公式：
Q = cmΔt（吸热为正，放热为负）。
-
热传递
- 定义： 内能从高温物体转移到低温物体的过程。
- 三种方式：
- 热传导： 依靠物质微粒（分子、原子、电子）的热运动来传递内能，固体中主要方式。
- 热对流： 依靠液体或气体中物质的宏观流动来传递内能，流体中主要方式。
- 热辐射： 电磁波形式直接传递能量，不需要介质，任何温度的物体都在进行。
第二分支：热力学定律
-
热力学第一定律 (能量守恒定律)
- 物体与外界同时发生做功和热传递时，其内能的增量 (ΔU) 等于外界对它做的功 (W) 与它从外界吸收的热量 (Q) 之和。
- 数学表达式：
ΔU = Q + W - 符号规定：
Q > 0：物体吸热；Q < 0：物体放热。W > 0：外界对物体做功；W < 0：物体对外界做功。ΔU > 0：内能增加；ΔU < 0：内能减少。
- 应用实例：
- 气体等温膨胀：
ΔU = 0，Q = -W(吸收的热量全部用来对外做功)。 - 气体绝热压缩：
Q = 0，ΔU = W(外界对气体做的功全部转化为内能)。
- 气体等温膨胀：
-
热力学第二定律
- 两种表述（等价）：
- 克劳修斯表述： 热量不能自发地从低温物体传到高温物体。
- 开尔文-普朗克表述： 不可能从单一热源吸收热量，使之完全变为有用功，而不产生其他影响。（第二类永动机不可能制成）
- 微观意义： 自然界的一切自发过程总是沿着分子热运动的无序性（熵）增大的方向进行。
- 熵 (S)： 描述系统无序程度的物理量，热力学第二定律的数学表述为：
ΔS ≥ 0（孤立系统中，熵永不减少）。
- 两种表述（等价）：
-
热力学第三定律
- 热力学零度（绝对零度）不可能达到。
- 推论： 在绝对零度时，理想气体分子热运动停止，但量子力学表明，即使在绝对零度，也存在“零点能”。
第三分支：气体定律与理想气体
-
描述气体的三个状态参量
- 体积： 气体分子所能到达的空间，单位：m³, L。
- 压强： 气体作用在容器单位面积上的压力，单位：Pa (帕斯卡)。
- 温度： 必须使用热力学温标 T。
-
理想气体模型
- 假设：
- 分子大小可忽略（质点）。
- 除碰撞瞬间外,分子间无相互作用力。
- 分子运动遵循牛顿力学,碰撞是弹性的。
- 特点： 理想气体没有分子势能，其内能仅由温度决定。
- 假设：
-
气体实验定律
- 玻意耳定律 (等温过程)：
pV = C(质量m, 温度T不变) - 查理定律 (等容过程)：
p/T = C(质量m, 体积V不变) - 盖-吕萨克定律 (等压过程)：
V/T = C(质量m, 压强p不变)
- 玻意耳定律 (等温过程)：
-
理想气体状态方程
- 公式：
pV = nRT - 变量说明：
p: 压强V: 体积n: 物质的量 (mol)R: 普适气体常量 (R ≈ 8.31 J/(mol·K))T: 热力学温度
- 变形：
pV = (m/M)RT(m为质量, M为摩尔质量)
- 公式：
第四分支：物态变化
-
六种物态变化
- 名称： 熔化、凝固，汽化、液化，升华、凝华。
- 吸热过程： 熔化、汽化、升华。
- 放热过程： 凝固、液化、凝华。
-
熔化与凝固
- 熔点/凝固点： 晶体在标准大气压下熔化/凝固时的温度。
- 特点： 晶体在熔化/凝固过程中，温度保持不变，但需持续吸热/放热（用于破坏/形成晶体的空间点阵结构）。
-
汽化与液化
- 汽化方式：
- 蒸发： 在任何温度下只在液体表面发生的缓慢汽化。
- 沸腾： 在特定温度（沸点）下，在液体内部和表面同时发生的剧烈汽化。
- 沸点： 液体沸腾时的温度，沸点随外界压强的增大而升高。
- 液化： 气体变成液体的过程，方法是降低温度或压缩体积。
- 汽化方式：
-
升华与凝华
- 实例： 冰冻的衣服变干（升华），霜、雪的形成（凝华），灯泡变黑（钨蒸气凝华）。
-
饱和汽与饱和汽压
- 饱和汽： 与液体处于动态平衡的蒸汽。
- 饱和汽压： 饱和汽的压强，只与温度有关，与体积无关。
第五分支：能量转换与守恒
- 能量转换与守恒定律
- 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，或从一个物体转移到另一个物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变。
- 热机： 将内能转化为机械能的装置，其效率不可能达到100%（受热力学第二定律限制）。
- 制冷机： 将热量从低温物体转移到高温物体的装置，需要外界对系统做功。
第六分支：应用与实例
-
生活应用：
- 汽车发动机（热机）
- 空调、冰箱（制冷机）
- 内燃机工作循环（吸气、压缩、做功、排气）
- 暖气片（热对流）
- 保温瓶（热传导、热对流、热辐射的综合抑制）
-
科技前沿：
- 热力学第二定律的应用： 热机效率极限、制冷技术、信息熵。
- 低温物理： 超导现象、超流现象的研究。
- 气象学： 大气环流、云的形成与降水（物态变化）。
