【红对勾】高考物理 热力学定律和能量守恒课件.ppt

课时3热力学定律和能量守恒 知识点一能量守恒热力学第一定律 知识回顾 1 热力学第一定律 功 热量跟内能改变之间的定量关系 u 2 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从到另一个物体 3 不消耗任何能量 却源源不断地对外做功的机器叫 它违背了能的 因此这种机器制造出来 q w 转化 一个物体转移 第一类永 动机 转化与守恒定律 不可能 要点深化 热力学第一定律的符号法则外界对物体做功 物体体积减小 w取正值 物体对外界做功 物体体积增大 w取负值 物体吸收热量 q取正值 物体放出热量 q取负值 物体内能增加 u取正值 物体内能减少 u取负值 基础自测 关于物体内能的变化 以下说法中正确的是 a 物体吸收热量 内能一定增大b 物体对外做功 内能一定减少c 物体吸收热量 同时对外做功 内能可能不变d 物体放出热量 同时对外做功 内能可能不变 解析 根据热力学第一定律 u w q 物体内能的变化与外界对物体做功 或物体对外界做功 物体从外界吸热 或向外界放热 两种因素有关 物体吸收热量 但有可能同时对外做功 故内能有可能不变甚至减小 故a错 同理 物体对外做功的同时有可能吸热 故内能不一定减少 b错 若物体吸收的热量与对外做的功相等 则内能不变 c正确 因放热与对外做功都会使物体内能减少 故d错 答案 c 知识点二热力学第二定律 知识回顾 1 热力学第二定律的两种表述表述一 不可能使由低温物体传递到而不引起其他 表述二 不可能从并把它全部用来对外而不引起其他变化 2 第二类永动机 只从吸取热量 使之全部用来做功 而不引起其他变化的热机 热量 高温物体 变化 单一热源吸收热量 做功 单一热源 要点深化 1 热力学第二定律的理解 1 热力学第二定律揭示了自然界中进行的涉及热现象的宏观过程 或自然界中实际的宏观过程 都具有方向性 热现象是与大量分子的无规则运动相联系的 因此 自然界中存在的凡涉及到与分子热运动有关的宏观过程都是有方向性的 这就是热力学第二定律的实质 2 热力学第二定律说明自然界中各种不可逆过程都是相关联的 即由某一过程的不可逆性可推出另一过程的不可逆性 3 热力学第二定律已在物理 化学 生物等自然学科中有着重要的应用 对我们认识自然 利用自然有重要的指导意义 2 热力学第二定律与热力学第一定律的关系热力学第一定律中 摩擦力做功可以全部转化为热 热力学第二定律却说明这一热量不可能在不引起其他变化的情况下由热完全转化为功 热量可以从高温物体自动传向低温物体 而热力学第二定律却说明热量不能自动从低温物体传向高温物体 热力学第一定律说明在任何过程中能量必守恒 热力学第二定律却说明并非所有能量守恒过程均能实现 热力学第二定律是反映自然界过程进行的方向和条件的一个规律 它指出自然界中出现的过程是具有方向性的 某些方向的过程可以实现 而另一些方向的过程则不能实现 在热力学中 它和第一定律相辅相成 缺一不可 基础自测 下列说法正确的是 a 热量不能由低温物体传递到高温物体b 外界对物体做功 物体的内能必定增加c 第二类永动机不可能制成 是因为违反了能量守恒定律d 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 解析 根据热力学第二定律 热量不能自发地由低温物体传递到高温物体 而不引起其他变化 在发生其他变化的前提下 热量可以由低温物体传递到高温物体 例如电冰箱制冷时 压缩机工作 消耗了电能 同时热量由冰箱内的低温物体传递到冰箱外的高温物体 所以a错 外界对物体做功的同时 物体可能放热 物体的内能不一定增加 所以b错 第二类永动机的效率为100 并不违反能量守恒定律 但它违反了热力学第二定律中热机效率必小于1的表述 因此它不可能制成 所以c错 而d选项中的表述就是热力学第二定律的一种表述形式 所以d正确 答案 d 知识点三热力学定律的微观解释 知识回顾 1 如果一个 宏观态 对应的 微观态 比较多 就说这个 宏观态 是比较的 2 自发的过程总是倾向于出现与对应的宏观态 因此自发的过程总是从向着发展的 3 一切自然过程总是沿着分子热运动的的方向进行 这就是热力学第二定律的微观意义 无序 较多微观态 有序 无序 无序性增大 要点深化 热力学第二定律微观意义的理解系统的热力学过程就是大量分子无序运动状态的变化 从微观看 在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动地进行 即不可能由大量分子无规则的热运动自动转变为有序运动 从微观看 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 其逆过程不能自动进行 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 基础自测 关于热力学第二定律的微观意义 下列说法正确的是 a 大量分子无规则的热运动能够自动转变为有序运动b 热传递的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c 热传递的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d 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 解析 分子热运动是大量分子的无规则运动 系统的一个宏观过程包含着大量的微观状态 这是一个无序的运动 根据熵增加原理 热运动的结果只能使分子热运动更加无序 而不是变成了有序 热传递的自然过程从微观上讲就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 c d项正确 答案 cd 知识点四能量耗散 知识回顾 1 各种形式的能最终都转化成 流散到周围的环境中 分散在环境中的内能不管数量多么巨大 它也只不过能使地球大气稍稍变暖一点 却再也不能驱动机器做功了 这样的转化过程叫做 2 各种形式的能向内能转化是微观领域内无序程度较向无序程度较的转变 是能发生的 发生的 内能 能量 耗散 小 大 自动 全额 3 从可被利用的价值来看 内能较之机械能 电能等 是一种的能量 由此可知 能量耗散虽然不会导致能的总量 却会导致能量品质的 实际上是将能量从高度有用的形式降级为不大可用的形式 低品质 减少 降低 要点深化 1 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 2 能量虽然不会减少但能源会越来越少 所以要节约能源 基础自测 下列对能量耗散的理解正确的有 a 能量耗散说明能量在不断减少b 能量耗散遵守能量守恒定律c 能量耗散说明能量不能凭空产生 但可以凭空消失d 能量耗散从能量角度反映出自然界的宏观过程具有方向性 解析 在发生能量转化的宏观过程中 其他形式的能量最终会转化为流散到周围环境的内能 无法再回收利用 这种现象叫能量耗散 能量耗散并不违反能量守恒定律 宇宙的能量既没有减少 也没有消失 它只从能量角度反映出自然界的宏观过程具有方向性 故a c错 答案 bd 题型一热力学第一定律的应用 例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 填 增加 或 减少 其变化量的大小为 j 2 气体的分子势能 填 增加 或 减少 3 分子平均动能如何变化 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 答案 1 减少1 8 105 2 增加 3 减少 题后反思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 要切记符号法则 系统对外界做功w 0 外界对系统做功w 0 系统吸热q 0 放热q 0 u 0系统内能增加 u 0系统内能减少 变式1 1一定量的气体 膨胀过程中是外界对气体做功还是气体对外界做功 如果膨胀时做的功是135j 同时向外放热85j 气体内能的变化量是多少 内能是增加了还是减少了 解析 对气体来说 体积膨胀 气体对外界做功 在热力学第一定律中w表示外界对气体做的功 故此时w为负 气体膨胀做的功为135j 向外界放热85j 此时w 135j q 85j 由热力学第一定律知 u w q 135j 85j 220j 即内能减少了220j 答案 见解析 题型二对热力学第二定律的理解 例2 根据热力学第二定律 可知下列说法中正确的有 a 热量能够从高温物体传到低温物体 但不能从低温物体传到高温物体b 热量能够从高温物体传到低温物体 也可能从低温物体传到高温物体c 机械能可以全部转化为热量 但热量不可能全部转化为机械能d 机械能可以全部转化为热量 热量也可能全部转化为机械能 解析 根据热传递的规律可知热量能够从高温物体传到低温物体 当外界对系统做功时 可以使系统从低温物体吸取热量传到高温物体上去 制冷机 例如冰箱和空调 就是这样的装置 但是热量不能自发地从低温物体传到高温物体 选项a错误 b正确 一个运动的物体 克服摩擦阻力做功 最终停止 在这个过程中机械能全部转化为热量 外界条件发生变化时 热量也可以全部转化为机械能 例如在等温膨胀过程中 系统吸收的热量全部转化为对外界做的功 答案 bd 题后反思热力学第二定律反映了一个自然规律 与热现象有关的宏观物理过程具有方向性 由于人们发现这样的规律是从研究热机的问题开始的 所以较多地集中在机械能向内能的转化的方向性和热传导的方向性 定律的表述方式比较抽象 大家要通过一些实例来认识有哪些现象能表明能量转化过程中的方向性 变式2 1用两种不同的金属丝组成一个回路 接触点1插在热水中 接触点2插在冷水中 如图1所示 电流计指针会发生偏转 这就是温差发电现象 这一实验是否违反热力学第二定律 热水和冷水的温度是否会发生变化 简述这一过程中能的转化情况 图1 解析 热水温度降低 冷水温度升高 转化效率低于100 答案 不违反 见解析 题型三能量守恒定律的应用 例3 现代典型的燃煤发电厂 总效率一般为40 有一座大型燃煤发电厂 如果发出1 0 109j的电力 可供一个大城市使用 图2表示这座发电厂的能量流向 请回答 图2 1 燃煤提供的能量应等于哪几项能量之和 2 图中烟囱废气所带走的能量及涡轮机损耗没有标出 请你算出来 在图中补上 3 算出这座发电厂的总效率 4 根据图所示的电厂能量流向 你认为在哪些地方进行改进可以提高发电厂的总效率 分析 仔细分析发电过程的能量流向图 搞清各项能量或功间的关系 根据能量转化与守恒定律可求解 解析 1 燃煤提供的能量等于进入涡轮机的能量和通过烟囱排出的能量 2 根据 1 中的解析可得通过烟囱废气所带走的能量为 e 2 5 109j 2 2 109j 3 108j涡轮机从外界吸热2 2 109j 对外做功w 1 0 109j所以涡轮机损耗 4 从能量流向图中可以看出 该发电厂的损耗共达到了1 5 109j 即达到了60 最主要的损耗是涡轮机的损耗 由冷凝器排出 所以这个地方应作为改造的重点 降低通过冷凝器时能量的消耗 以此提高涡轮机的效率 进而提高整个电厂的效率 另外 也要尽可能降低另外两个途径的损耗 一是通过烟囱废气带走的能量 对燃煤锅炉及其烟囱进行改造 二是减少输电过程中的电能损耗 答案 见解析 题后反思能的转化一定要通过做功来实现 而能的转移是要通过某种形式的传递来完成 由热力学第一定律可知 要使一个系统内能增加 其他系统必须对它传递热量 做功或者既传递热量又做功 其他系统减少等量的能量 而二者的总能量保持不变 变式3 1在高为h 0 8m的光滑桌面上放着一个质量为m 2kg的木块 一颗质量m 10g的铅弹从水平方向射中木块 未穿出 把木块打落在地面上 落地点与桌边的水平距离s 0 4m 设增加的内能有 60 使铅弹的温度升高 铅弹的温度升高多少度 铅的比热c 1 3 102j kg 取g 10m s2 答案 92 8 1 2009 全国卷 如图3 水平放置的密封气缸内的气体被一竖直隔板分隔为左右两部分 隔板可在气缸内无摩擦滑动 右侧气体内有一电热丝 气缸壁和隔板均绝热 初图3 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 2 如图4所示 由导热材料制成的气缸和活塞将一定质量的理想气体封闭在气缸内 活塞与气缸壁之间无摩擦 活塞上方存有少量液体 将一细管插入液体 由于虹吸现象 活塞上方液体逐渐流出 在此过程中 大气压强与外界的温度保持不变 关于这一过程 下列说法正确的是 图4 a 气体分子的平均动能逐渐增大b 单位时间气体分子对活塞撞击的次数增多c 单位时间气体分子对活塞的冲量保持不变d 气体对外界做功等于气体从外界吸收的热量 解析 导热气缸和活塞 说明气体温度始终与大气温度相同 当液体逐渐流出的过程中气体做等温膨胀 压强减小的变化 气体温度未变 分子密度减小则气体分子的平均动能不变 a错误 对活塞单位时间内撞击次数减少 b错误 单位时间分子对活塞的冲量减小 c错误 因为气体温度未变 所以气体的内能未变 则气体对外界做功和从外界吸收的热量相等 则d正确 答案 d 3 对一定量的气体 下列说法正确的是 a 气体的体积是所有气体分子的体积之和b 气体分子的热运动越剧烈 气体温度就越高c 气体对器壁的压强是由大量气体分子对器壁不断碰撞而产生的d 当气体膨胀时 气体分子之间的势能减小 因而气体的内能减少 解析 气体分子间有较大空隙 气体分子的体积之和远小于气体的体积 所以a错误 气体温度越高 分子平均动能越大 分子热运动越剧烈 则b正确 由压强的定义可知 单位面积上的压力叫压强 器壁内侧受到的压力就是气体分子对器壁不断碰撞而产生的 所以c正确 当气