时热力学定律与能量守恒.ppt

一 改变内能的两种方式1 改变内能的两种方式是 和 2 做功和热传递改变内能是 的 但做功是能量的 而热传递是 二 能量转化与守恒1 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热量与外界对它所做功的和 第3课时热力学定律与能量守恒 考点自清 做功 热传递 等效 转化 转移 2 公式 U W Q2 热力学第二定律表述一 热传导的方向性 表述二 机械能和内能转化过程的方向性 热量不能自发地从低温物体传到高温物体 不可能从单一热库吸收热量 使之完全变成功 而不产生其他影响 3 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别的物体 在转化或转移的过程中其总量不变 4 永动机由能量守恒定律知 永动机不可能制成 由热力学第二定律知 永动机不可能制成 5 能源与环境 1 常规能源 常规能源带来环境污染问题 如温室效应 酸雨 光化学烟雾等 2 新能源的开发 风能 水能 太阳能 沼气 核能等 第一类 第二类 煤 石油 天然气 热点一改变物体内能的两种方式的比较 热点聚焦 特别提示1 要使物体改变同样的内能 通过做功或者热传递都可以实现 若不知道过程 我们无法分辨出是做功还是热传递实现的这种改变 2 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 使不同物体间分子热运动变化 是内能的转移 前者能的性质发生了变化 后者能的性质不变 3 物体的内能增加与否 不能单纯地只看做功或热传递 两个过程需要全面考虑 热点二对热力学第一定律的理解1 热力学第一定律不仅反映了做功和热传递这两种方式改变内能的过程是等效的 而且给出了内能的变化量和做功与热传递之间的定量关系 此定律是标量式 应用时热量的单位应统一为国际单位制中的焦耳 2 对公式 U Q W符号的规定 3 几种特殊情况 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 若过程中不做功 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 则W Q 0或W Q 外界对物体做的功等于物体放出的热量 特别提示1 应用热力学第一定律时要明确研究的对象是哪个物体或者是哪个热力学系统 2 应用热力学第一定律计算时 要依照符号法则代入数据 对结果的正 负也同样依照规则来解释其意义 热点三对热力学第二定律的理解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 较大 4 不同气体A和B混合气体AB 热量Q能自发传给热量Q不能自发传给 能自发地完全转化为不能自发地且不能完全转化为 能自发膨胀到不能自发收缩到 能自发混合成不能自发分离成 特别提示热量不可能自发地从低温物体传到高温物体 但在有外界影响的条件下 热量可以从低温物体传到高温物体 如电冰箱 在引起其他变化的条件下内能可以全部转化为机械能 如气体的等温膨胀过程 题型1热力学第一定律的应用 例1 一定质量的气体 在从一个状态变化到另一个状态的过程中 吸收热量280J 并对外做功120J 试问 1 这些气体的内能发生了怎样的变化 2 如果这些气体又返回原来的状态 并放出了240J热量 那么在返回的过程中是气体对外界做功 还是外界对气体做功 做功多少 题型探究 思路点拨求解此题应把握以下两点 1 用热力学第一定律求解内能变化 注意热量Q 功W的正负 2 气体从末态到初态与从初态到末态的 U的大小相同 结合热力学第一定律计算 并做出判断 解析 1 由热力学第一定律可得 U W Q 120J 280J 160J内能增加了160J 2 由于气体的内能仅与状态有关 所以气体从 状态回到 状态过程中内能的变化应等于从 状态到 状态过程中内能的变化 则从 状态到 状态的内能应减少160J 即 U 160J 又Q 240J根据热力学第一定律得 U W Q 所以W U Q 160J 240J 80J即外界对气体做功80J答案 1 增加了160J 2 外界对气体做功80J1 当做功和热传递两种过程同时发生时 内能的变化就是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 若与外界绝热 则不发生热传递 此时Q 0 规律总结 变式练习1一定质量的气体从外界吸收了4 2 105J的热量 同时气体对外做了6 105J的功 问 1 物体的内能增加还是减少 变化量是多少 2 分子势能是增加还是减少 3 分子的平均动能是增加还是减少 解析 1 因为气体从外界吸热 所以Q 4 2 105J 又因气体对外做功 所以W 6 105J由热力学第一定律 U W Q有 U W Q 6 105 J 4 2 105 J 1 8 105J U为负 说明气体的内能减少了1 8 105J 2 因为气体对外做功 所以气体的体积膨胀 分子间的距离增大了 分子力做负功 气体分子势能增加 3 因为气体内能减少 同时气体分子势能增加 说明气体分子的平均动能一定减少了 答案 1 减少1 8 105J 2 增加 3 减少 题型2热力学第二定律的理解 例2 图1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 图1 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 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 思路点拨 解析 1 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给高温物体 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 故应选B C 2 由热力学第一定律可知 电冰箱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 答案 1 BC 2 见解析 规律总结涉及热力学第二定律的问题分析技巧 1 理解热力学第二定律的实质 清楚热力学第二定律的两种表述形式 2 掌握热力学第二定律的一些等效说法 如 第二类永动机不可能制成 不可能制成效率为百分之百的热机 等 变式练习2图2甲是根据热力学第二定律的第一种表述画出的示意图 外界对致冷机做功 使热量从低温物体传递到高温物体 请你根据第二种表述完成示意图乙 根据你的理解 热力学第二定律的实质是什么 图2 答案如下图所示实质 一切与热现象有关的宏观过程都具有方向性 题型3热学问题与能量观点的结合 例3 如图3所示 内壁光滑的圆柱形汽缸竖直固定在水平地面上 汽缸开口向上 一面积为0 01m2的活塞密封了一定的空气 在活塞的上方竖直固定一支架 在支架的O点通过细线系一质量为m 8kg的球 球心到O点的距离为L 2m 活塞与支架的总质量为M 12kg 已知当地的重力加速度g 10m s2 大气压强p0 1 0 105Pa 汽缸和活塞都是绝热的 现将细线拉直到水平 稳定后由静止释放球 当球第一次运动到最低点时 活塞下降了h 0 2m且恰好速度为零 此时细线中的拉力为F 252N 求球由静止释放到第一次运动到最低点的过程中汽缸中的气体增加的内能 E 图3解析以球与支架 含活塞 整体为研究对象 对此整体受力分析如右图所示 从细线水平至活塞下降h 0 2m速度为零的过程 v表示小球的水平速度 W气体表示气体对活塞压力的功 用动能定理 mg L h Mgh p0S h W气体 再对小球在最低点受力分析可知 小球受到自身的重力及向上绳的拉力F 此时悬点O的速度为零 所以有F mg 联立以上两式 代入数据解得W气体 228J 气体与外界绝热 改变气体内能的方式只有做功 由牛顿第三定律知气体对活塞 和活塞对气体的力是一对作用力与反作用力 且力的位移相等 故活塞对气体做的功 外界对气体做功 W E 228J 答案228J 评分标准 本题共12分 其中 式各4分 式各2分 名师异析 本题有两个突破点 其一是求解内能变化的方法 通过对外力做功 本题的作用力较多 对气体而言 只有活塞的外力对其做功 汽缸的作用力不做功 因此改变物体内能的功是活塞对气体的力的功 其二是研究对象的选取 选取球与支架 含活塞 整体为研究对象 巧妙地回避了整体内部相互作用力 这些作用力分析其做功较复杂 选取 整体 为研究对象 恰好解决了活塞对气体做功的数值问题 这也是突破本题难点重要一步 自我批阅 10分 重1000kg的气锤从2 5m高处落下 打在质量为200kg的铁块上 要使铁块的温度升高40 气锤至少应落下多少次 设气锤撞击铁块时做的功有60 用来使铁块温度升高 且铁的比热c 0 11cal g 1cal 4 2J g取10m s2 解析气锤下落过程中只有重力做功 机械能守恒 因而气锤撞击铁块时动能为Ek mgh 103 10 2 5J 2 5 104J 2分 由动能定理知气锤撞击铁块所做的功为W Ek 0 2 5 104J 2分 使铁块温度升高40 的热量Q cm t 0 11 200 103 40cal 3 696 106J 2分 设气锤下落n次才能使铁块温度升高40 由能的转化和守恒定律有 n W Q 2分 故气锤至少要下落247次 答案247次 1 如图4所示 某同学将空的薄金属筒开口向下压入水中 设水温均匀且恒定 筒内空气无泄漏 不计气体分子间相互作用 则被淹没的金属筒在缓慢下降过程中 筒内空气图4体积减小 同时 A 从外界吸热B 内能增大C 向外界放热D 内能减小 素能提升 解析缓慢下降的过程中 筒内空气的温度与水温始终相同 即空气温度不变 由于不计气体分子间的相互作用 分子势能始终不变 筒内空气分子的平均动能不变 所以筒内空气的内能不变 筒内空气的体积减小 外界对气体做功 根据热力学第一定律 U W Q 可知筒内空气向外放热 答案C 2 下列关于热力学三定律的表述中正确的是 A 热力学零度不可达到B 不可能使热量由低温物体传递到高温物体 而不引起其他变化C 其数学表达式是 U Q WD 能量在转化或转移的过程中总量保持不变解析热力学零度只可接近不能达到 A正确 B是热力学第二定律的内容 C是热力学第一定律的表达式 D是能量守恒定律内容 A 3 如图5所示 绝热隔板K把绝热的汽缸分隔成体积相等的两部分 K与汽缸壁的接触是光滑的 两部分中分别盛有相同图5质量 相同温度的同种气体a和b 气体分子之间相互作用势能可忽略 现通过电热丝对气体a加热一段时间后 a b各自达到新的平衡 A a的体积增大了 压强变小了B b的温度升高了C 加热后a的分子热运动比b分子热运动更激烈D a增加的内能大于b增加的内能 解析a气体受热膨胀 通过活塞压缩气体b 对b做功 气体b体积减小 由热力学第一定律 b内能增加 温度升高 则b气体压强增大 最终达到平衡时 a气体和b气体压强相等 而a气体体积变大 所以a气体的温度大于b气体的温度 所以B C D选项正确 答案BCD 4 下列关于分子运动和热现象的说法正确的是 A 气体如果失去了容器的约束就会散开 这是因为气体分子之间存在势能的缘故B 一定量100 的水变成100 的水蒸气 其分子之间的势能增加C 对于一定量的气体 如果压强不变 体积增大 那么它一定从外界吸热D 如果气体分子总数不变 而气体温度升高 气体分子的平均动能增大 因此压强必然增大E 一定量气体的内能等于其所有分子热运动动能和分子之间势能的总和F 如果气体温度升高 那么所有分子的速率都增加 解析气体分子是做无规则运动的 故失去容器后就会散开 A错误 B分子平均动能不变 但要吸热来增加分子势能 B正确 根据气体状态方程 C选项温度一定要升高 又对外做功 故一定吸热 C正确 D选项中没考虑气体的体积对压强的影响 根据内能定义知E正确 F选项中气温升高 分子平均动能增大 平均速率增大 但不是每个分子速率都增大 对单个分子的研究是毫无意义的 答案BCE 5 某同学家新买了一台双门电冰箱 冷藏室容积为107L 冷冻室容积为118L 假设室内空气为理想气体 1 若室内空气摩尔体积为22 5 10 3m3 mol 阿伏加德罗常数为6 0 1023mol 1 在家中关闭冰箱门密封后 电冰箱的冷藏室和冷冻室内大约共有多少个空气分子 2 若室内温度为27 大气压为1 1