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【高中物理】 热学知识点长文梳理|从分子动理论到热力学第二定律,一篇讲透!
高中物理热学，很多人觉得知识点散：分子动理论、内能、气体三定律、理想气体状态方程、热力学第一定律、热力学第二定律、固体液体、物态变化……
单独看都不难，合在一起就容易混。
这篇长文只讲知识点，帮你把高中热学的主干串一遍。建议先收藏，考前对照课本逐条过。
一、分子动理论：热学的微观基础
物质由大量分子组成，分子之间有空隙。分子永不停息地做无规则热运动，扩散现象和布朗运动都能说明这一点。
这里要特别注意：
布朗运动是悬浮在液体或气体中的微粒的无规则运动，不是分子本身的运动。它是分子无规则运动撞击微粒造成的，所以布朗运动间接反映了分子的热运动。
温度越高，布朗运动越明显；微粒越小，布朗运动越明显。
分子之间同时存在引力和斥力，实际表现出来的是合力。
当分子间距离等于平衡距离时，引力等于斥力，合力为零；距离小于平衡距离时，斥力占主导；距离大于平衡距离时，引力占主导；距离很大时，分子力可以忽略。
温度是分子平均动能的标志。
温度越高，分子热运动越剧烈，分子平均动能越大。注意，温度只和分子平均动能有关，不等于内能。
阿伏伽德罗常数是联系宏观量和微观量的桥梁。分子数等于物质的量乘以阿伏伽德罗常数，也等于质量除以摩尔质量再乘以阿伏伽德罗常数。
分子直径的数量级是10的负10次方米。油膜法估测分子直径用 d=V/S，其中V是一滴油酸酒精溶液中纯油酸的体积，S是油膜面积。
二、内能与热传递：能量怎么变
内能是物体内所有分子热运动动能和分子势能的总和。内能由温度、体积、物质的量共同决定。
温度升高，分子平均动能增大，但内能不一定只由温度决定；体积变化会影响分子势能；物质的量不同，分子总数不同，内能也不同。
改变内能有两种方式：做功和热传递。这两种方式在改变内能上是等效的，但本质不同：做功是其他形式的能和内能之间的转化，热传递是内能的转移。
热传递有三种方式：传导、对流、辐射。热量总是从高温物体传到低温物体，或者从物体的高温部分传到低温部分。热量是过程量，只能说“吸收热量”或“放出热量”，不能说“物体含有多少热量”。
这里有个高频易错点：
温度高的物体内能不一定大。比如一小杯热水和一大桶温水，温度前者高，但内能后者可能更大，因为物质的量多。内能大小要看温度、体积、物质的量三个因素。
三、气体实验定律：等温、等容、等压
气体实验定律的前提都是“一定质量的某种气体”。
等温变化遵循玻意耳定律：pV=常数，即 p1V1=p2V2。温度不变时，压强和体积成反比。
等容变化遵循查理定律：p/T=常数，即 p1/T1=p2/T2。体积不变时，压强和热力学温度成正比。
等压变化遵循盖—吕萨克定律：V/T=常数，即 V1/T1=V2/T2。压强不变时，体积和热力学温度成正比。
这里必须强调：公式里的温度一律用热力学温度，T=t+273.15K。用摄氏温度代入一定错。
气体压强的微观解释：气体压强是大量气体分子频繁碰撞器壁产生的。压强大小跟分子平均动能和分子数密度有关。温度越高，分子平均动能越大；体积越小，分子数密度越大，压强就越大。
图像题要注意：p-V图、p-T图、V-T图先看坐标轴，再看过程方向。等温线在p-V图中是双曲线，等容线在p-T图中是过原点的直线，等压线在V-T图中是过原点的直线。图像中的曲线表示状态变化关系，不是运动轨迹。
四、理想气体状态方程：多过程问题的总公式
理想气体模型认为分子之间没有相互作用力，分子势能忽略不计，内能只由温度和物质的量决定。
一定质量的理想气体，状态方程为 pV/T=常数，即 p1V1/T1=p2V2/T2。这个方程把三个气体实验定律统一起来了。等温时T不变，退化为pV=C；等容时V不变，退化为p/T=C；等压时p不变，退化为V/T=C。
克拉珀龙方程是 pV=nRT，其中n是物质的量，R是普适气体常量。高中阶段更常用的是“一定质量理想气体”的比例式。
做题步骤建议：先确定研究对象是哪部分气体，质量是否保持不变；再列出初态和末态的p、V、T；温度统一用开尔文；最后代入比例式求解。如果气体质量发生变化，就不能直接用 p1V1/T1=p2V2/T2，需要分状态处理，或者用密度式。
五、热力学第一定律：功、热、内能三者关系
热力学第一定律的表达式是 ΔU=Q+W。使用前必须先统一符号约定。高中教材常用约定是：外界对系统做功W为正，系统从外界吸热Q为正，内能增加ΔU为正。
几个常见过程的简化：
等容过程：体积不变，气体不做功，W=0，所以ΔU=Q。吸热内能增加，放热内能减少。
绝热过程：没有热交换，Q=0，所以ΔU=W。外界对气体做功，内能增加；气体对外做功，内能减少。
理想气体等温过程：温度不变，理想气体内能不变，ΔU=0，所以Q+W=0，即吸收的热量等于对外做的功，或放出的热量等于外界对气体做的功。
等压过程：气体做功的大小可以用 W=pΔV 计算，注意符号。气体膨胀对外做功，外界对气体做功为负；气体被压缩，外界对气体做功为正。
高频易错点：
气体膨胀不一定温度降低。膨胀时气体对外做功，但若同时吸热，内能可能不变甚至增加，温度不一定降低。判断温度变化要看内能变化，而内能变化由Q和W共同决定。
六、热力学第二定律：宏观过程的方向性
热力学第二定律有两种常见表述。
克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传到高温物体。注意“自发”两个字。空调、冰箱可以把热量从低温搬到高温，但这是在外界做功的条件下实现的，不违背第二定律。
开尔文表述：不可能从单一热源吸收热量，使之完全变成功，而不引起其他变化。注意“单一热源”和“不引起其他变化”两个条件。第二类永动机不可能制成，就是因为它试图从单一热源吸热全部用来做功而不引起其他变化。
热力学第二定律说明宏观过程具有方向性。自然界中一切与热现象有关的宏观过程都是不可逆的。
比如扩散、热传导、气体自由膨胀，都不能自发逆向进行。熵是描述系统无序程度的物理量，孤立系统中熵不会减少，这就是熵增原理。
第一类永动机违背能量守恒定律，第二类永动机不违背能量守恒但违背热力学第二定律。
七、固体、液体与物态变化
固体分晶体和非晶体。晶体有固定熔点，非晶体没有固定熔点。单晶体在某些物理性质上表现为各向异性，多晶体和非晶体表现为各向同性。注意：晶体不一定都各向异性，多晶体就是各向同性的。
液体表面存在表面张力，原因是表面层分子分布比内部稀疏，分子间表现为引力。表面张力使液面有收缩趋势。
浸润和不浸润取决于液体和固体分子间的相互作用。毛细现象是浸润液体在细管中上升、不浸润液体在细管中下降的现象。
饱和汽和饱和汽压：饱和汽是在密闭容器中与液体达到动态平衡的蒸汽。饱和汽压只与温度有关，与体积无关。温度升高，饱和汽压增大。相对湿度是空气中水蒸气的实际压强与同温度下饱和汽压之比。
物态变化要记清吸放热：熔化、汽化、升华吸热；凝固、液化、凝华放热。晶体熔化时吸热但温度不变，内能增加，因为吸收的热量用来破坏空间点阵，分子势能增大。
八、高频易错点集中提醒
布朗运动不是分子运动，是悬浮微粒的运动。 分子直径数量级是10的负10次方米。 温度是分子平均动能的标志，不是内能的唯一标志。 热量是过程量，不能说“含有热量”。 气体实验定律和状态方程中温度必须用热力学温度。 气体膨胀不一定降温，要看吸放热和做功的综合结果。 热力学第一定律先统一符号约定，再代入计算。 热量不能自发从低温传到高温，但空调冰箱可以实现，因为有外界做功。 饱和汽压与温度有关，与体积无关。 晶体不一定各向异性，多晶体各向同性。 物态变化判断吸热还是放热，熔化、汽化、升华吸热；凝固、液化、凝华放热。 第二类永动机不违背能量守恒，但违背热力学第二定律。
热学这部分，概念理解比死记公式更重要。把分子动理论、内能、气体定律、热力学第一定律、热力学第二定律、物态变化这几条主线串起来，再配合易错点反复看，选择题和计算题都会稳很多。
先收藏，考前每天过一遍。
