2013版物理全程复习方略配套课件(沪科版)：选修3-3.3热力学定律与能量守恒.ppt

第3讲 热力学定律与能量守恒 考点1 热力学第一定律 1.改变物体内能的两种方式 (1)_;(2)_. 2.热力学第一定律 (1)内容：一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的_ 与外界对它所做的功的和. (2)表达式：U=_. 做功热传递 热量 Q+W 1.改变内能的两种方式的比较 方式名称 比较项目 做 功热传递 区 别 内能变化 情况 从运动形 式上看 从能量的 角度看 能的性质 变化情况 相互联系 外界对物体做功，物体的内 能增加；物体对外界做功， 物体的内能减少 物体吸收热量，内能增加 物体放出热量，内能减少 做功是宏观的机械运动向 物体的微观分子热运动的 转化 热传递则是通过分子之间的相 互作用，使同一物体的不同部 分或不同物体间的分子热运动 发生变化，是内能的转移 做功是其他形式的能与内能 相互转化的过程 能的性质发生了变化 不同物体间或同一物体不同 部分之间内能的转移 能的性质不变 做一定量的功或传递一定量的热量在改变内能的效果上是相同的 2.U=W+Q中正、负号法则 意义 符号 WQ + - 物 量 理 外界对物体做功 物体吸收热量内能增加 物体对外界做功物体放出热量内能减少 3.U=Q+W的三种特殊情况 (1)若过程是绝热的，则Q=0,W=U,外界对物体做的功等于物体 内能的增加. (2)若过程是等容的，即W=0,Q=U，物体吸收的热量等于物体 内能的增加. (3)若过程是等温的，即U0，则W+Q=0或W=-Q，外界对物体 做的功等于物体放出的热量. 4.对温度、内能、热量和功的三点说明 (1)温度、内能、热量和功是热学中相互关联的四个物理量.当物 体的内能改变时，温度不一定改变.只有当通过热传递改变物体内 能时才会有热量传递，但能的形式没有发生变化. (2)热量是热传递过程中的特征物理量，和功一样是过程量， 离开过程谈热量毫无意义.就某一状态而言，只有“内能”，根本 不存在“热量”和“功”，因此不能说一个系统中含有“多少热 量”或“多少功”. (3)物体的内能大，并不意味着物体一定会对外做功或向外传递热 量.只有物体的内能变化较大时，做的功或传递的热量才会多. 考点2 热力学第二定律 1.热力学第二定律的两种表述 (1)克劳修斯表述：不可能使热量从低温物体传到高温物体,而 _. (2)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_.或表述为“_永动机是不可能制成 的.” 第二类 不引起其他变化 不引起其他变化 2.用熵的概念表示热力学第二定律 在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会_(填“增 大”或“减小”). 3.热力学第二定律的微观意义 一切自发过程总是沿着分子热运动的_增大的方向进行. 减小 无序性 1.在热力学第二定律的表述中，“自发地”、“不产生其他影 响”的涵义 (1)“自发地”指明了热传递等热力学宏观现象的方向性，不需 要借助外界提供能量的帮助. (2)“不产生其他影响”的涵义是发生的热力学宏观过程只在本 系统内完成，对周围环境不产生热力学方面的影响.如吸热、放 热、做功等. 2.热力学第二定律的实质 热力学第二定律的每一种表述，都揭示了大量分子参与宏观过 程的方向性,进而使人们认识到自然界中进行的涉及热现象的宏 观过程都具有方向性. 3.热力学过程方向性实例 (1)高温物体 低温物体 (2)功 热 (3)气体体积V1 气体体积V2(V10，下滑过程不与外界发生热交换，Q=0，由热 力学第一定律U=W+Q可知内能增大，A正确，B、C、D错误. 【总结提升】判定物体内能变化的方法 (1)当做功和热传递两种过程同时发生时，内能的变化就要用热 力学第一定律进行综合分析. (2)做功情况看气体的体积：体积增大，气体对外做功，W为负 ；体积缩小，外界对气体做功，W为正. (3)与外界绝热，则不发生热传递，此时Q=0. (4)如果研究对象是理想气体，则由于理想气体没有分子势能， 所以当它的内能变化时，主要体现在分子动能的变化上，从宏 观上看就是温度发生了变化. 热力学第二定律的应用 【例证2】如图所示为电冰箱的工作原理示意图.压缩机工作时 ，强迫制冷剂在冰箱内外的管道中不断循环.在蒸发器中制冷剂 汽化吸收箱体内的热量，经过冷凝器时制冷剂液化，放出热量 到箱体外. (1)下列说法正确的是_ A.热量可以自发地从冰箱内传到冰箱外 B.电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界，是 因为其消耗了电能 C.电冰箱的工作原理不违反热力学第一定律 D.电冰箱的工作原理违反热力学第一定律 (2)电冰箱的制冷系统从冰箱内吸收的热量与释放到外界的热量 相比，有怎样的关系？ 【解题指南】结合热力学第一定律、热力学第二定律的相关知 识进行研究分析. 【自主解答】(1)选B、C.热力学第一定律是热现象中内能与其 他形式能的转化规律，是能的转化和守恒定律的具体表现，适 用于所有的热学过程，故C正确，D错误； 由热力学第二定律可知，热量不能自发地从低温物体传到高温 物体，除非有外界的影响或帮助.电冰箱把热量从低温的内部传 到高温的外部，需要压缩机的帮助并消耗电能，故B正确，A错 误. (2)由热力学第一定律可知，电冰箱制冷系统从冰箱内吸收了热 量，同时消耗了电能，释放到外界的热量比从冰箱内吸收的热 量多. 【总结提升】解答本题的关键在于理解热力学第一、第二定律 ，特别是对第二定律应理解“自发地”和“不产生其他影响” 的涵义. 第(1)问中易错选A.原因是误认为热量可以自发地从冰箱内传到 冰箱外，其实热量在从冰箱内传到冰箱外时，需要压缩机的帮 助，并消耗电能，并不是“自发地”、“不产生其他影响”. 气体实验定律与热力学定律综合 【例证3】(8分)如图，体积为V、内壁光滑的圆柱形导热汽缸顶部 有一质量和厚度均可忽略的活塞；汽缸内密封有温度为2.4T0、压 强为1.2 p0的理想气体，p0和T0分别为大气的压强和温度.已知： 气体内能U与温度T的关系为U=T,为正的常量；容器内气体的 所有变化过程都是缓慢的.求： (1)汽缸内气体与大气达到平衡时的体积V1; (2)在活塞下降过程中，汽缸内气体放出的热量Q. 【解题指南】可按以下思路分析此题： 【规范解答】(1)在气体由p=1.2p0下降到p0的过程中，气体体 积不变，温度由T=2.4 T0变为T1，由查理定律得 (2分) 在气体温度由T1变为T0的过程中，体积由V减小到V1，气体压强 不变， 由盖吕萨克定律得 解得 (2分) (2)在活塞下降过程中，活塞对气体做的功为 W=p0(V-V1) (1分) 在这一过程中，气体内能的减少为 U=(T1-T0) (1分) 由热力学第一定律得，汽缸内气体放出的热量为 Q=W+U, (1分) 解得 (1分) 答案：(1) 【总结提升】气体实验定律与热力学定律的综合问题的处理方 法 (1)气体实验定律研究对象是一定质量的理想气体. (2)解决具体问题时，分清气体的变化过程是求解问题的关键， 根据不同的变化，找出与之相关的气体状态参量，利用相关规 律解决. (3)对理想气体，只要体积变化外界对气体(或气体对外界)要做 功W=pV；只要温度发生变化，其内能要发生变化. (4)结合热力学第一定律U=W+Q求解问题. 1.(2011福建高考)一定量的理想气体在某一过程中，从外界 吸收热量2.5104 J，气体对外界做功1.0104 J，则该理想 气体的( ) A.温度降低，密度增大 B.温度降低，密度减小 C.温度升高，密度增大 D.温度升高，密度减小 【解析】选D.由热力学第一定律U=W+Q，Q=2.5104 J，W= -1.0104 J，可知U大于零，气体内能增加，温度升高，A、 B错；气体对外做功，体积增大，密度减小，C错，D对. 2.(2011大纲版全国卷)关于一定量的气体，下列叙述正确的 是( ) A.气体吸收的热量可以完全转化为功 B.气体体积增大时，其内能一定减小 C.气体从外界吸收热量，其内能一定增加 D.外界对气体做功，气体内能可能减小 【解析】选A、D.如果气体等温膨胀，则气体的内能不变，吸收 热量全部用来对外做功，A正确；当气体体积增大时，对外做功 ，若同时吸收热量，且吸收的热量大于或等于对外做功的数值 时，内能不会减小，所以B错误；若气体吸收热量同时对外做功 ，其内能也不一定增加，C错误；若外界对气体做功同时气体向 外放出热量，且放出的热量多于外界对气体所做的功，则气体 内能减小，所以D正确. 3.关于永动机和热力学定律的讨论，下列叙述正确的是( ) A.第二类永动机违反能量守恒定律 B.如果物体从外界吸收了热量，则物体的内能一定增加 C.外界对物体做功，则物体的内能一定增加 D.做功和热传递都可以改变物体的内能，但从能量转化或转移 的观点来看这两种改变方式是有区别的 【解析】选D.第二类永动机违反热力学第二定律并不违反能量 守恒定律，A错误.由热力学第一定律可知吸收热量物体的内能 不一定增加，B错误.同理外界对物体做功，物体的内能也不一 定增加，C错误.做功和热传递都可以改变物体的内能，但做功 是能量的转化，热传递是能量的转移，D正确. 【总结提升】两类永动机的比较 分类 第一类永动机 第二类永动机 设计要求 不需要任何动力或燃 料，却能不断地对外 做功的机器 从单一热源吸收热 量，使之完全变成 功，而不产生其他 影响的机器 不可能 制成的原因 违背能量守恒 不违背能量守恒， 违背热力学第二定 律 4.关于热力学定律，下列说法正确的是( ) A.在一定条件下物体的温度可以降到0 K B.物体从单一热源吸收的热量可全部用于做功 C.吸收了热量的物体，其内能一定增加 D.压缩气体总能使气体的温度升高 【解析】选B.由热力学第三定律知，绝对零度不可能达到，A错 ；由热力学第二定律知，物体从单一热源吸收的热量可全部用 于做功，但是将产生其他影响，B对；物体吸收了热量，若全部 用于对外做功，其内能不变，C错；压缩气体，若气体向外放热 ，气体的温度不一定升高，D错. 5.(2012南京模拟)(1)下列说法正确的是_.(填写选项前 的字母) A.机械能和内能的转化具有方向性 B.大颗粒的盐磨成细盐，就变成了非晶体 C.第二类永动机不违反能量守恒定律，它是能制造出来的 D.当温度由20变为40时，物体分子的平均动能应变为原来 的2倍 (2)如图所示的圆柱形汽缸固定于水平面上， 缸内用活塞密封一定质量的理想气体，已 知汽缸的横截面积为S，活塞重为G，大气压 强为p0.将活塞固定，使汽缸内气体温度升高 1，气体吸收的热量为Q1；如果让活塞可以缓慢自由滑动(活 塞与汽缸间无摩擦、不漏气，且不计气体的重力)，也使汽缸内 气体温度升高1，其吸收的热量为Q2. 简要说明Q1和Q2哪个大些. 求汽缸内气体温度升高1时活塞向上移动的高度h. 【解析】(1)选A.机械能和内能的转化具有方向性，A正确.大颗 粒的盐磨成细盐还是晶体，B错误.第二类永动机不违反能量守 恒定律但违反热力学第二定律，制造不出来，C错误.当温度由 20变为40时，物体分子的平均动能增加，但并不是变为原 来的2倍，D错误. (2)等容过程，吸收的热量，用于增加气体的内能，U1=Q1. 等压过程，吸收的热量，用于增加气体的内能和对外做功， 又U2=U1，则Q1Q2 气体对外做功 活塞向上移动的高度 答案：(1)A (2)见解析 6.(1)下列说法正确的是_. A.根据热力学第二定律可知，热量能够从高温物体传到低温物 体，但不可能从低温物体传到高温物体 B.固体小颗粒在液体中的布朗运动是由固体分子的无规则运动 引起的 C.物体的温度为0时，物体分子的平均动能为零 D.一定质量的理想气体，保持温度不变，压强随体积增大而减 小的微观原因是气体分子的密集程度减小了 (2)如图所示，质量可忽略不计的活塞将一定质量的理想气体密 封在汽缸中，开始时活塞距汽缸底高度h1=0.40 m,此时气体的温 度T1300 K.现缓慢给气体加热，活塞上升到距离汽缸底h2= 0.60 m处，已知活塞面积S=5.010-3 m2,大气压强p0=1.0 105 Pa,不计活塞与汽缸之间的摩擦. 求当活塞上升到距汽缸底h2时，气体的温度T2； 给气体加热的过程中，气体膨胀对外做功，同时吸收Q=420 J 的热量，则气体增加的内能U为多大？ 【解析】(1)选D.根据热力学第二定律可知，热量不可能从低温 物体传到高温物体而不引起其他变化，A错；布朗运动是由于液 体分子对固体小颗粒的碰撞引起的，B错；物体分子的平均动能 永远不会为零，C错；一定质量的理想气体，温度不变，压强取 决于分子密度，体积增大，分子密度减小，故压强减小，D正确 . (2)由盖吕萨克定律得： 解得：T2=450 K 气体对外做功为： W=-p0(h2-h1)S=-p0V=-100 J 由热力学第一定律得： U=W+Q=320 J 答案：(1)D (2)450 K 320 J 7.(2011江苏高考)(1)如图所示，一演示用的“永动机”转轮 由5根轻杆和转轴构成，轻杆的末端装有用形状记忆合金制成的 叶片.轻推转轮后，进入热水的叶片因伸展而“划水”，推动转 轮转动.离开热水后，叶片形状迅速恢复，转轮因此能较长时间 转动.下列说法正确的是( ) A.转轮依靠自身惯性转动，不需要消耗外界能量 B.转轮转动所需能量来自形状记忆合金自身 C.转动的叶片不断搅动热水，水温升高 D.叶片在热水中吸收的热量一定大于在空气中释放的热量 (2)如图所示，内壁光滑的汽缸水平放置， 一定质量的理想气体被活塞密封在汽缸内， 外界大气压强为p0.现对汽缸缓慢加热，气 体吸收热量Q后，体积由V1增大为V2，则在此过程中，气体分子 平均动能_(选填“增大”、“不变”或“减小”)，气体 内能变化了_. (3)某同学在进行“用油膜法估测分子的大小”的实验前，查阅 数据手册得知：油酸的摩尔质量M0.283 kgmol-1，密度= 0.895103 kgm-3.若100滴油酸的体积为1 mL，则1滴油酸所能 形成的单分子油膜的面积约是多少？(取NA6.021023 mol-1， 球的体积V与直径D的关系为 结果保留一位有效数字) 【解题指南】解答本题时注意理解以下三点： (1)“永动机”转动时能量的来源； (2)影响理想气体内能大小的因素； (3)油膜法估测分子大小的原理. 【解析】(1)选D.该“永动机”叶片进入水中，吸收热量而伸展 划水，推动转轮转动，离开水面后向空气中放热，叶片形状迅 速恢复，所以转动的能量来自热水，由于不断向空气释放热量 ，所以水温逐渐降低，A、B、C错，D对. (2)气体做等压变化，体积变大，温度升高，平均动能增大，内 能的变化为U=Q-p0(V2-V1). (3)一个油酸分子的体积 分子直径为 单分子油膜的面积 代入数据得：S=1101 m2 答案：(1)D (2)增大 Q-p0(V2-V1) (3)1101 m2 8.(2012聊城模拟)如图所示，一直立的 汽缸用一质量为m的活塞封闭一定量的理想 气体，活塞横截面积为S，汽缸内壁光滑且 缸壁是导热的，开始活塞被固定，打开固定螺栓K，活塞下落， 经过足够长时间后，活塞停在B点，已知AB=h,大气压强为p0， 重力加速度为g. (1)求活塞停在B点时缸内封闭气体的压强. (2)若周围环境温度保持不变，求整个过程中通过缸壁传递的热 量Q. 【解析】(1)设封闭气体的压强为p，活塞受力平衡 p0S+mg=pS 所以 (2)由于气体温度不变，则内能变化U=0.根据能量守恒定律， 可知：Q=(p0S+mg)h 答案：(1) (2)(p0S+mg)h 9.(2012南昌模拟)(1)用力拉活塞，使封闭在汽缸内的气体的 体积迅速增大为原来的两倍，若汽缸不漏气，那么此时汽缸内 气体压强p2和原来的压强p1相比较有( ) A.p2=p1/2 B.p2p1/2 C.p2p1/2 D.无法确定 (2)内壁光滑的导热汽缸竖直浸入在盛有冰水混合物的水槽中， 用不计质量的活塞封闭压强为1.0105 Pa,体积为2.010-3m3的 理想气体，现在活塞上缓慢倒上沙子，使封闭气体的体积变为 原来的一半. 求汽缸内气体的压强； 若封闭气体的内能仅与温度有关，在上述过程中外界对气体 做功145 J，封闭气体吸收还是放出热量？热量是多少？ 【解析】(1)选C.封闭在汽缸内的气体的体积迅速增大为原来 的两倍，气体对外做功，温度降低，T1T2， 由 得， C正确，A、B、D错误. (2)此时气体做等温变化，p1V1=p2V2， 则： 由于温度不变，所以内能不变，即U=0 由热力学第一定律得Q+W=0, 所以Q=-W=-145 J 放出热量 答案：(1)C (2)2.0105Pa 放出热量 145 J 10.如图所示的p-V图中,一定质