【绿色通道】高考物理 热力学定律能量守恒定律课件 新人教版选修33.ppt

一 热力学定律1 热力学第一定律 1 内容 外界对物体做的功w与外界对物体传递的热量q之和等于物体内能的增量 u 2 表达式 3 符号规定 2 热力学第二定律 1 表述一 热量不能自发地从 物体传到 物体 2 表述二 不可能从单一热源吸收热量 使之完全 而不产生其他影响 二 能量守恒定律1 能量守恒定律的内容 能量既不会消失 也不会创生 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 而能量的总值保持不变 2 条件性 能量守恒定律是自然界的普遍规律 某一种形式的能是否守恒是有条件的 例如 机械能守恒定律具有适用条件 而能量守恒定律是无条件的 是一切自然现象都遵守的基本规律 3 两类永动机 1 第一类永动机 定义 不消耗任何能量 却源源不断地对外做功的机器 不能实现的原因 违背 定律 2 第二类永动机 定义 从单一热源吸收热量并把它全部用来对外做功 而不引起其他变化的机器 不能实现的原因 违背了 答案 一 1 u w q外界物体物体外界物体外界物体外界2 低温高温做功二 3 能量守恒热力学第二定律 1 应用热力学第一定律时 要注意各符号正负的规定 并要充分考虑改变内能的两个因素 做功和热传递 不能认为物体吸热 或对物体做功 物体的内能一定增加 2 对实际气体 由于分子间距较大 分子力表现为引力 所以体积增大时 分子力做负功 分子势能增加 反之 分子势能减少 3 应用热力学第一定律的几种特殊情况 1 若是绝热过程 则q 0 w u 即外界对物体做的功等于物体内能的增加 2 等容过程中气体不做功 即w 0 则q u 物体吸收的热量等于物体内能的增加 3 若过程的始末状态物体的内能不变 即 u 0 即w q 0或w q 外界对物体做的功等于物体放出的热量 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 自然界中能量的存在形式 物体运动具有动能 分子运动具有分子动能 电荷具有电能 原子核内部的运动具有原子能等 可见 在自然界中不同的能量形式与不同的运动形式相对应 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 2010 全国 如图 一绝热容器被隔板k隔开a b两部分 已知a内有一定量的稀薄气体 b内为真空 抽开隔板k后 a内气体进入b 最终达到平衡状态 在此过程中 a 气体对外界做功 内能减少b 气体不做功 内能不变c 气体压强变小 温度降低d 气体压强变小 温度不变 解析 绝热容器内的稀薄气体与外界没有热交换 q 0 稀薄气体向真空中扩散没有做功 w 0 根据热力学第一定律稀薄气体的内能不变 则温度不变 稀薄气体扩散体积增大 压强必减小 选项b d正确 答案 bd 点评 应用热力学第一定律分析气体状态变化的过程 应注意以下特点 1 绝热过程 气体与外界没有热传递 2 导热良好 气体与外界有热交换 且保持与外界温度相同 3 做功情况与体积变化有关 体积减小 则外界对气体做功 体积增大 不是对真空膨胀 则气体对外界做功 4 理想气体 不计分子势能的变化 一定质量的理想气体的内能只与温度有关 跟踪训练1一定质量的非理想气体 分子间的作用力不可忽略 从外界吸收了4 2 105j的热量 同时气体对外做了6 105j的功 则 1 气体的内能是增加还是减少 其变化量的大小为多少焦耳 2 气体的分子势能是增加还是减少 3 分子平均动能如何变化 答案 1 减少1 8 105j 2 增加 3 减少 解析 1 因气体从外界吸收热量 所以q 4 2 105j 气体对外做功6 105j 则外界对气体做功w 6 105j 由热力学第一定律 u w q 得 u 6 105j 4 2 105j 1 8 105j 所以物体内能减少了1 8 105j 2 因为气体对外做功 体积膨胀 分子间距离增大了 分子力做负功 气体的分子势能增加了 3 因为气体内能减少了 而分子势能增加了 所以分子平均动能必然减少了 且分子平均动能的减少量一定大于分子势能的增加量 下列说法中正确的有 a 第二类永动机和第一类永动机一样 都违背了能量守恒定律b 热机的效率从原理上讲可达100 c 因为能量守恒 所以 能源危机 是不可能的d 自然界中的能量尽管是守恒的 但有的能量便于利用 有的不便于利用 故要节约能源 思路点拨 从热传导具有方向性 机械能和内能之间的转化具有方向性的角度思考 正确理解热力学第二定律 解析 第二类永动机是指从单一热源吸热 全部用来对外做功而不引起其他变化的机器 它并不违背能量守恒定律 却违背了热力学第二定律 第一类永动机是不消耗能量却可以源源不断地对外做功的机器 它违背能量守恒定律 所以选项a错误 从热力学第二定律的表述可知 任何热机的效率都达不到100 因此b错 关于 能源危机 必须明确以下几点 1 能源是提供能量的资源 如煤 石油等 2 人们在消耗能源时 放出热量 部分转化为内能 部分转化为机械能 但最终基本上都转化成了内能 人们无法把这些内能全部收集起来重新利用 能量耗散 而可供利用的能源是有限的 因此 能源危机 并非说明能量不守恒 故c选项错误 d选项正确 答案 d 跟踪训练2下列说法正确的是 a 外界对物体做功 物体的内能一定增加b 热量不能由低温物体传递到高温物体c 自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性d 第二类永动机有可能制成 因为它不违反能量守恒定律答案 c 解析 根据热力学第一定律 u w q 如果外界对物体做功w 同时物体放热q 当q w时 内能减小 a不正确 由热力学第二定律 不可能使热量从低温物体传递到高温物体而不引起其他变化 关键是 不引起其他变化 是不可能的 如果引起其他变化 如消耗电能 空调能把室内相对低温空气的热量传递给室外空气 b不正确 热力学第二定律揭示了由大量分子参与的宏观过程具有方向性 c正确 热力学第二定律说明第二类永动机不可能制成 即不可能制成效率是百分之百的热机 虽然第二类永动机不违反能量守恒定律 d不正确 正确选项c 在如图所示的柱形容器内封有一定质量的密闭气体 光滑活塞c 质量为m 与容器用良好的隔热材料制成 另有质量为m的物体从活塞上方的a点自由下落到活塞上 并随活塞一起到达最低点b而静止 在这一过程中 密闭气体内能的改变量 u 外界对密闭气体所做的功w与物体和活塞的重力势能的变化关系是 a mgh mg h u wb u w w mgh mg hc u w w mgh mg hd u w w mgh mg h 解析 因活塞和容器用良好的隔热材料制成 容器内的密闭气体与外界无热交换 q 0 所以 u w 但由于物体和活塞做完全非弹性碰撞 即碰后不分开 时损失一部分机械能 因此有w mgh mg h 故选项c正确 这里 虽然w mgh mg h 但仍遵守能量守恒定律 只不过减少的机械能不是全部转化为密闭气体的内能 而是有一部分在碰撞时转化为活塞和物体的内能了 能的总量并未减少 答案 c 点评 此类问题讨论的都是机械能与内能间的转化关系 解决此类问题时 一定要把物体能量的转化过程分析清楚 即哪个过程机械能损失 哪个过程机械能增加 然后根据能量守恒定律分析求解 跟踪训练3地面附近有一正在上升的空气团 它与外界的热交换忽略不计 已知大气压强随高度增加而降低 则该气团在此上升过程中 不计气团内分子间的势能 a 体积减小 温度降低b 体积减小 温度不变c 体积增大 温度降低d 体积增大 温度不变答案 c 解析 我们以某一孤立的气团为研究对象 质量一定 根据题意 气团上升的过程是绝热过程 且压强逐渐减小 所以体积逐渐增大 且对外做功 根据热力学第一定律 其内能必减小 温度必降低 1 2010 重庆模拟 给旱区送水的消防车停于水平地面 在缓慢放水过程中 若车胎不漏气 胎内气体温度不变 不计分子间势能 则胎内气体 a 从外界吸热b 对外界做负功c 分子平均动能减小d 内能增加答案 a解析 该题考查了热力学定律 由于车胎内温度保持不变 故分子的平均动能不变 内能不变 放水过程中体积增大对外做功 由热力学第一定律可知 胎内气体吸热 a选项正确 2 2010 南京模拟 现代科学技术的发展与材料科学 能源的开发密切相关 下列说法正确的是 a 化石能源为清洁能源b 纳米材料的粒度在1 100 m之间c 能源就是能量 是不会减少的d 液晶既有液体的流动性 又有光学性质的各向异性答案 d解析 1 化石能源不是清洁能源 化石能源的燃烧能增加空气中二氧化碳的含量 加剧温室效应 a错误 纳米材料的粒度在1 100nm之间 b错误 能源与能量不同 能量是守恒的 但能源越来越少 c错误 3 2009 全国高考 理综 如图所示 水平放置的密封汽缸内的气体被一竖直隔板分隔为左右两部分 隔板可在汽缸内无摩擦滑动 右侧气体内有一电热丝 汽缸壁和隔板均绝热 初始时隔板静止 左右两边气体温度相等 现给电热丝提供一微弱电流 通电一段时间后切断电源 当缸内气体再次达到平衡时 与初始状态相比 a 右边气体温度升高 左边气体温度不变b 左右两边气体温度都升高c 左边气体压强增大d 右边气体内能的增加量等于电热丝放出的热量答案 bc解析 当电热丝通电后 右边的气体温度升高气体膨胀 将隔板向左推 对左边的气体做功 根据热力学第一定律 内能增加 气体的温度升高 根据气体实验定律 左边的气体压强增大 b c正确 右边气体内能的增加值为电热丝发出的热量减去对左边的气体所做的功 d错 4 2010 六安模拟 地球上有很多的海水 它的总质量约为1 4 1018吨 如果这些海水的温度降低0 1 将要放出5 8 1023焦耳的热量 有人曾设想利用海水放出的热量使它完全变成机械能来解决能源危机 但这种机器是不能制成的 其原因是 a 内能不能转化成机械能b 内能转化成机械能不满足热力学第一定律c 只从单一热源吸收热量并完全转化成机械能的机器不满足热力学第二定律d 上述三种原因都不正确 答案 c解析 本题考查热力学第一定律和热力学第二定律的应用 内能可以转化成机械能 如热机 a错误 内能转化成机械能的过程满足热力学第一定律 即能量守恒 b错误 热力学第二定律告诉我们 不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功 而不引起其他变化 c正确 5 如图所示 绝热容器中间用隔板隔开 左侧装有气体 右侧为真空 现将隔板抽掉 让左侧气体自由膨胀到右侧直至平衡 在此过程中 a 气体对外界做功 温度降低 内能减少b 气体对外界做功 温度不变 内能不变c 气体不做功 温度不变 内能不变d 气体不做功 温度不变 内能减少 答案 c解析 抽去隔板 气体膨胀 体积变大 但并没有对外做功 力和在力的方向上发生的位移是功的两个不可缺少的条件 气体体积变大时 若反抗外力且发生位移才能对外做功 本题中气体膨胀时 无外力可反抗 即气体不做功 在系统绝热的情况下 内能不变 温度不变 故c正确 6 2010 江苏单科 在将空气压缩装入气瓶的过程中 温度保持不变 外界做了24kj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5kj的热量 在上述两个过程中 瓶中空气的内能共减小 kj 该部分空气 填 吸收 或 放出 热量 答案 5放出解析 根据热力学第一定律w q u 第一阶段w1 24j u1 0 所以q1 24j 放热 第二阶段w2 0 u2 5j 所以q2 5j 放热 所以q q1 q2 29j 放热 u 5j 即减少5j 7 如图所示p v图中 一定质量的理想气体由状态a经过acb过程至状态b 气体对外做功280j 吸收热量410j 气体又从状态b经bda过程回到状态a 这一过程中外界对气体做功220j 求 1 acb过程中气体的内能是增加还是减少 变化量是多少 2 bda过程中气体是吸热还是放热 吸收或放出的热量是多少 答案 1 增加130j 2 放热330j解析 1 acb过程中w1 280j q1 410j由热力学第一定律得ub ua w1 q1 130j故acb过程内能增加 气体内能的变化量为130j 2 因为一定质量理想气体的内能只是温度的函数 bda过程中气体内能变化量ua ub 130j由题意知w2 200j由热力学第一定律得ua ub w2 q2 代入数值解得q2 330j 即bda过程中气体放热 放出热量330j 8 喷雾器内有10l水 上部封闭有1atm的空气2l 关闭喷雾阀门 用打气筒向喷雾器内再充入1atm的空气3l 设外界环境温度一定 空气可看作理想气体 1 当水面上方气体温度与外界温度相等时 求气体压强 并从微观上解释气体压强变化的原因 2 打开喷雾阀门 喷雾过程中封闭气体可以看成等温膨胀 此过程气体是吸热还是放热 简要说明理由 答案 1 2 5atm温度不变 分子平均动能不变 单位体积内的分子数增加 所以压强增加 2 吸热解析 1 设气体初态压强为p1 体积为v1 末态压强为p2 体积为v2 由玻意耳定律p1v1 p2v2 代入数据得p2 2 5atm 微观解释 温度不变 分子平均动能不变 单位体积内分子数增加 所以压强增加 2 吸热 气体对外做功而