师：同学们，今天我们复习高二粤教版物理选择性必修三第三章热力学定律。这章主要介绍热力学基础知识，包括反映能量传递和转化数量关系的热力学第一定律，被誉为19世纪自然科学三大发现之一的能量守恒定律，以及反映能量传递和转化方向的热力学第二定律。
我们知道宏观物体因机械运动有动能，因高度有重力势能，因弹性形变有弹性势能。在微观领域，物体内部分子也有动能和势能。分子动能就像一切运动物体一样，做热运动的分子具有动能。分子做永不停息的无规则运动，各个分子动能有大有小且不断改变，所以重要的是所有分子动能的平均值，即分子热运动的平均动能。
从扩散和布朗运动可知，温度升高时分子热运动加剧，所以温度是分子热运动平均动能的标志。温度越高，分子热运动平均动能越大；温度越低，分子热运动平均动能越小。弹簧有弹性势能，弹簧无形变时弹力为零，弹性势能最小，拉伸或压缩弹簧需克服弹力做功，弹簧弹性势能增大。类似地，分子间有由相对位置决定的势能，规定无穷远分子势能为0。
分子势能和分子间距的关系如图所示。当分子间距为平衡间距时，分子间作用力为0，分子势能最小。改变分子间距需克服分子间引力或斥力做功，分子势能增大。显然，物体体积变化时，分子间距离改变，分子势能随之变化，可见分子势能与物体体积有关。物体中所有分子热运动的动能与分子势能总和叫物体内能。由于分子热运动平均动能与温度有关，分子势能与体积有关，所以对于给定物体，其内能大小与物体质量、温度、体积有关。要指出的是，组成物体的分子做无规则热运动有热运动动能，这是内能一部分，同时物体可能做整体机械运动，具有机械能。机械能由物体机械运动决定，对物体内能无贡献，所以物体内能与宏观物体机械能无必然联系，但在一定条件下可相互转化。
既然物体内能与温度和体积有关，那么用什么方式能改变物体内能呢？改变内能有两种方式：做功与热传递。对于改变物体内能，做功和热传递等效，但两者有区别。做功实质是内能与其他形式能的转化，热传递是内能的转移。既然做功和热传递都能改变物体内能，那么功、热量、内能改变量之间有什么关系呢？这就是热力学第一定律内容：一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功之和，写成数学表达式为ΔU = Q + W。
热力学第一定律指出，通过做功和热传递给物体多少能量，物体内能就改变多少能量，在转化和转移过程中能量守恒，这就是能量守恒定律。能量不会凭空产生或消失，只能从一种形式转化为其他形式，或从一个物体转移到其他物体，在转化和转移过程中总量不变。
比如，煮熟的鸡蛋放冷水里是内能转移；牛顿摆是机械能转移；风力发电是风能转化为电能。能量守恒定律说明各种形式能可相互转化，其发现有重大实践和理论指导意义。历史上人们幻想制造不需要动力或燃料却能不断对外做功的机器，即第一类永动机。能量守恒定律确立后，人们明白制造第一类永动机是幻想，从而更专注探究各种形式能量相互转化的具体条件，有效利用自然界能源。
日常经验表明，自然界一些过程可自发进行，一些则需外界作用才能实现。比如气体可自发向真空膨胀，相反过程虽不违背能量守恒定律，却不能自发进行。可见除能量守恒定律外，还存在反映自然界宏观过程方向性的规律。
热传导有方向性，热量可自发从高温物体传给低温物体，若要热量从低温物体传给高温物体，必须借助外界作用。像电冰箱工作时，压缩机消耗电能对冷却系统做功，将热量从内部低温区传递到外部高温区维持低温，一旦切断电源，外界热量会自发传递给电冰箱内部使其温度升高。机械能与内能转化也有方向性，机械能可全部转化为内能，但内能不能全部转化为机械能而不产生其他影响。也就是说，一个循环过程中，热机效率不可能达到100%，所以第二类永动机不可能制造出来。
扩散也有方向性，两种不同气体可自发混合成均匀混合气体，但均匀混合气体不会自发分开成两种气体。当然，用物理或化学方法可分开混合气体，但会产生其他影响。自然界一切与热现象有关的宏观过程都有方向性。物理学家分析大量自然现象，从不同角度考察宏观过程方向性，确立了热力学第二定律，并给出多种表述。常见两种表述形式：热量不能自发从低温物体传递到高温物体，即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，这是克劳修斯表述，它按热传导方向性描述热力学第二定律；另一种是开尔文表述，不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功而不产生其他影响，这是按机械能与内能转化过程方向性表述的。这两种表述等价，可相互导出，都称为热力学第二定律。
热力学第二定律解释了自然界宏观过程的方向性，是独立于热力学第一定律的重要自然规律，在物理、化学、生物等学科有重要应用，对我们认识自然、利用自然有重要指导意义。前面回顾了热力学定律基本知识，接下来合作学习本章核心知识，加强对重要概念的理解，通过典例示范突破重难点，通过素养训练巩固提高。
温度是分子热运动平均动能的标志，温度相同，平均动能相同。但不同物质分子质量不一定相同，所以温度相同时，不同分子热运动平均速率不一定相同。分子势能是标量，一般选无穷远分子势能为0位置。接下来重点研究分子力、分子势能和分子间距离的关系。如图，当分子间距为R?时，分子力为0，分子势能最小。一个分子固定于O点，另一个分子从距离O点很远处向O点运动，当两分子间距离减小到离O点很近地方，此过程分子势能先减小后增大，分子力先增大后减小再增大。物体内能从微观由组成物质的分子总数、分子热运动平均动能和分子间距离三个因素决定；从宏观由物体质量、温度和体积三个因素决定。
看题，这是2020全国一卷填空题，小组讨论作答。一起分析，从距离O点很远处向O点运动，分子间间距减小到r的过程，分子间作用力体现为引力，距离减小引力做正功，分子势能减小。由R?减小到R?的过程，分子间作用力仍为引力做正功，分子势能也减小。在间距等于R?之前，分子势能一直减小，因无穷远处分子势能为0，所以在间距等于R?处，分子势能小于0。本题正确答案是“减小、小于”。