高中物理 热力学定律与能量守恒课件 沪科版选修33.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 w q 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 u 0 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 v1 v2 4 不同气体a和b混合气体ab 4 热力学第二定律的微观意义系统的热力学过程就是大量分子无序运动状态的变化过程 1 在机械能通过做功转化为热的过程中 自然过程是大量分子从有序运动状态向无序运动状态转化的过程 但其逆过程却不能自发地进行 即不可能由大量分子无规则的热运动自发转变为有序运动 2 热传递的过程中 自然过程是大量分子从无序程度小的运动状态向无序程度大的运动状态转化的过程 其逆过程不能自发进行 3 大量分子无序运动状态变化的方向总是向无序性增大的方向进行 即一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行 这就是热力学第二定律的微观意义 考点3能量守恒定律 能源和环境1 能量守恒定律能量既不能凭空产生 也不能凭空消失 它只能从一种形式 为另一种形式 或者从一个系统 物体 到另一个系统 物体 在转化和转移的过程中其 保持不变 2 能源的利用 1 存在能量耗散和 2 重视利用能源时对 的影响 3 要开发新能源 如 生物质能 风能 水流能等 转化 转移 总量 品质下降 环境 太阳能 1 对能量守恒定律的四点说明 1 能量守恒定律是自然界的普遍规律 一切违背能量守恒定律的过程都不可能实现 2 不同形式的能量之间可以相互转化 且这一转化过程是通过做功来完成的 3 某种形式的能减少 一定有其他形式的能增加 且减少量和增加量一定相等 4 某个物体的能量减少 一定存在其他物体的能量增加 且减少量和增加量一定相等 2 能量守恒定律的应用方法 1 在利用能量守恒定律解题时 要注意先搞清楚过程中有几种形式的能在转化或转移 2 分析初 末状态 确定 e增 e减各为多少 再由 e增 e减列式计算 热力学定律的应用 例证1 2011 广东高考 如图为某种椅子与其升降部分的结构示意图 m n两筒间密闭了一定质量的气体 m可沿n的内壁上下滑动 设筒内气体不与外界发生热交换 在m向下滑动的过程中 a 外界对气体做功 气体内能增大b 外界对气体做功 气体内能减小c 气体对外界做功 气体内能增大d 气体对外界做功 气体内能减小 解题指南 解答本题时应把握以下两点 1 m向下滑动的过程中 气体体积减小 2 在与外界不发生热交换的情况下 只靠做功改变气体的内能 自主解答 选a m向下滑动的过程中 气体体积减小 故外界对气体做功 w 0 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 2p0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 4t0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 p v 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 5 104j 气体对外界做功1 0 104j 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 5 104j w 1 0 104j 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 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0kb 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q1 q2 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 40m 此时气体的温度t1 300k 现缓慢给气体加热 活塞上升到距离汽缸底h2 0 60m处 已知活塞面积s 5 0 10 3m2 大气压强p0 1 0 105pa 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 420j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 450k 气体对外做功为 w p0 h2 h1 s p0 v 100j由热力学第一定律得 u w q 320j答案 1 d 2 450k 320j 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m 0 283kg mol 1 密度 0 895 103kg m 3 若100滴油酸的体积为1ml 则1滴油酸所能形成的单分子油膜的面积约是多少 取na 6 02 1023mol 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 1 101m2答案 1 d 2 增大q p0 v2 v1 3 1 101m2 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 2b p2 p1 2c p2 p1 2d 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 0 105pa 体积为2 0 10 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145j 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 t1 t2 由得 c正确 a b d错误 2 此时气体做等温变化 p1v1 p2