高中物理知识全解 3.4 热力学定律.doc

高中物理知识全解 3.4 热力学定律一：热力学第一定律功与内能绝热过程：系统只由于外界对它做功而与外界交换能量它不从外界吸热，也不向外界放热，这样的过程叫绝热过程注意：在各种不同的绝热过程中，系统状态的改变与做功方式无关，仅与做功数量有关。内能：任何一个热力学系统都必定存在一个只依赖于系统自身状态的物理量，这个物理量在两个状态间的差别与外界在绝热过程中对系统所做的功相联系。我们把这个物理量称为系统的内能一个热力学系统的绝热过程中：注意：在一个热力学系统的绝热过程中：外界对系统做功，系统内能增大，系统对外界做功，系统内能减小；外界对系统做多少功，系统内能增大多少，系统对外界做多少功，系统内能减小多少。热与内能热量：热量是一个热力学系统在单纯的热传递过程中系统内能变化的量度。所以热量只有在涉及能量的传递才有意义。不能说物体具有多少热量，只能说物体吸收或放出多少热量。一个热力学系统在单纯的热传递过程中：注意：一个热力学系统在单纯的热传递过程中：吸收了热量，系统内能增大，放出了热量，系统内能减小；吸收了多少热量，系统内能增大多少，放出了多少热量，系统内能减小多少。拓展：比热容物质的比热容不仅与物质的种类有关还与所进行的过程有关。在工程应用上常用的有定压比热容、定容比热容和饱和状态比热容三种。在中学范围内，简单（不严格）的定义为：单位质量的某种物质温度升高1所吸收的热量（或降低1所释放的热量）叫做这种物质的比热容，用符号表示。【】例：气体温度每升高1所吸收的热量与所经历的过程有关。热力学第一定律热力学第一定律：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的和。注意：计算系统内能的增量时，一定要注意热传递q与做功w的正、负性及正、负所代表的物理意义。【例题】一绝热容器内封闭着一些气体，容器在高速运输途中突然停下来，则（ ）a.因气体温度与机械运动的速度无关，故容器中温度不变b.因容器是绝热的，故容器中气体温度不变c.因容器突然停止运动，气体分子运动的速度亦随之减小，故容器中温度降低d.容器停止运动时，由于分子和容器壁的碰撞，机械运动的动能转化为分子热运动的动能，故容器中气体温度将升高解析：容器停止过程中，分子与容器壁碰撞，容器对分子做功，使容器的部分动能转化成分子热运动动能，故气体温度升高。答案：d【例题】电冰箱的制冷设备是用机械的方式制造人工低温的装置，压缩机工作时，强迫制冷剂在冰箱内外的管道中不断循环，实现制冷作用，那么下列说法中正确的是（ ）a打开冰箱门让压缩机一直工作，可使室内温度逐渐降低b在电冰箱的内管道中，制冷剂迅速膨胀并吸收热量c在电冰箱的外管道中，制冷剂被剧烈压缩放出热量 d电冰箱的工作原理违背了热力学第二定律【例题】在将空气压缩装入气瓶的过程中，温度保持不变，外界做了24 kj的功现潜水员背着该气瓶缓慢地潜入海底，若在此过程中，瓶中空气的质量保持不变，且放出了5 kj的热量在上述两个过程中，空气的内能共减小_ kj，空气_(选填“吸收”或“放出”)的总热量为_ kj.答案：5，放出，29 （第一个过程内能不变，第二个过程内能减小）【例题】一定质量的理想气体从状态a变化到状态b，再变化到状态c，其状态变化过程的pv图象如下图所示已知该气体在状态a时的温度为27.则：（1）该气体在状态b、c时的温度分别为多少？（2）该气体从状态a到状态c的过程中内能的变化量是多大？（3）该气体从状态a到状态c的过程中是吸热，还是放热？传递的热量是多少？【例题】如下图所示，绝热的活塞s把质量为m的理想气体密封在水平放置的固定的绝热气缸内，活塞可在气缸内无摩擦地滑动，气缸内的电热丝通电后对缸内气体加热气缸处在大气中，大气压强为p0，初始时，气体的体积为v0，压强为p0，热力学温度为t0.(1)已知该理想气体的摩尔质量为m，阿伏加德罗常数为na，求初始时气缸内气体分子的平均间距.(2)已知气缸内的理想气体温度升高1 k时其内能增加量为常数c.从初始状态开始，在电热丝中通以弱电流对缸内气体缓慢加热，并持续一段时间，然后停止通电，最后测得气体的体积为v1，求此过程中电热丝传给气体的热量q.【例题】如下图所示，绝热隔板s把绝热的气缸分隔成体积相等的两部分，s与气缸壁的接触是光滑的。两部分中分别盛有相同质量、相同温度的同种气体和b。气体分子之间相互作用可忽略不计现通过恒定电压为u的电源和阻值为r的电热丝构成回路，对气体缓慢加热一段时间t后， 、b各自达到新的平衡状态。在此过程中，气体内能增加量为，试求气体b的内能增加量。拓展：热力学第一定律是对能量守恒和转换定律的一种表述方式。热力学第一定律指出，热能可以从一个物体传递给另一个物体，也可以与机械能或其它形式的能量相互转换，在传递和转换过程中，能量的总值保持不变。例：在恒温条件下，一定量的气体绝热膨胀违反了热力学第一定律。能量守恒定律能量守恒定律：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，或者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。这就是能量守恒定律例：第一类永动机的思想违背了能量守恒定律，所以是不可能制成的。二：热力学第二定律热力学第二定律的两种表述：1、热量不能自发地从低温物体传到高温物体。（克劳修斯表述）阐述了传热的方向性：高温物体能自发地把热量传递给低温物体；而低温物体不能自发地把热量传递给高温物体。2、不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功，而不产生其它影响。（开尔文表述）阐述了机械能与内能转化的方向性：机械能可以全部转化为内能，但内能无法全部用来做功以转化成机械能而不产生其它影响。它说明第二类永动机是不可能实现的。【例题】下列说法中正确的是（ ）a第二类永动机不可能制成是因为它违反了能量守恒定律b如果没有漏气，也没有摩擦的能量损失，内燃机就可以把内能全部转化为机械能c内能向机械能转化是有条件的，即环境中必须存在温度差，通过科技创新，我们能够研制出内能全部转化为机械能的热机d温度升高，分子热运动的平均动能一定增大，但并非所有分子的速率都增大注意：热力学第二定律除了克劳修斯表述和开尔文表述外，也还有一些其它的表述，但是所表述的物理意义都是一样的（即能量的转化或转移具有方向性）。热力学第二定律的微观解释1、理解有序、无序、宏观态和微观态的基本概念。2、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无序性增大的方向进行。3、熵对于由大量分子构成的系统而言，宏观态包含的微观态数目往往很大，这不利于实际计算。为此，玻耳兹曼引进了熵的概念，并定义系统的熵为s，后来普朗克把它写成，式中k叫做玻耳兹曼常数，s为系统的熵，为一个宏观状态所对应的微观状态数目。引入熵后，关于自然过程的方向性就可以表述为：在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小。从微观角度看，热力学的第二定律是一个统计规律：一个孤立系统总是从熵小的状态向熵大的状态发展，而熵值较大代表着较为无序，所以自发的宏观过程总是向无序度更大的方向发展。因此热力学第二定律也叫做熵增加原理。i、自然界中一个普遍规律是：运动总是从有序到无序，能量的差异总是倾向变成均等，也即“熵将随着时间而增大”。 （克劳修斯表述）ii、从分子运动论的观点看：做功是大量分子的有规则运动，而热运动则是大量分子的无规则运动。显然无规则运动要变为有规则运动的几率极小，而有规则的运动变成无规则运动的几率大。一个不受外界影响的孤立系统，其内部自发的过程总是由几率小的状态向几率大的状态进行，由此可见热是不可能自发地变成功的。（开尔文表述）iii、热力学第二定律可以概括为：一切与热现象有关的实际自发过程都是不可逆的（即能量的转化和转移具有方向性）。拓展：热力学第三定律：不可能通过有限的过程把一个物体冷却到绝对零度。三：能源与可持续发展能源是社会存在与发展永不可缺少的必需品，是国民经济运行的物质基础。它与材料、信息构成了现代社会的三大支柱。能源科技的每一次突破，都带来了生产力的巨大飞跃和社会的进步。火的使用是人类在能源使用上的第一个里程碑。18世纪末发明和逐步完善了蒸汽机，以对化石能源的大规模利用为特征，开始了人类文明的新纪元。内燃机的发展则强有力地推动了19世纪末、20世纪初开始的机械化与电气化进程。20世纪中叶，蒸汽轮机和燃气轮机的发展为大规模发电和航空事业奠定了基础。能源的使用虽然不会使能的总量减少，但是能量耗散却会导致能量品质的降低，它实际上是将能量从高度有用的形式降为不可大用的形式（例：煤、石油、天然气等能源储存着高品质的能量，在利用它们的时候，高品质的能量释放出来并最终转化为低品质的内能）。因此、虽然能量不会减少但能源会越来越少，所以要节约能源，同时大力开发新能源（例：太阳能、生物质能、风能