2011高考物理 热力学定律讲义 新人教版

20112011 高考物理高考物理 热力学定律讲义热力学定律讲义 新人教版新人教版 温故自查温故自查 1 内能内能 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 这个物理量在的差别与外界在绝热过程中对系统所做的的差别与外界在绝热过程中对系统所做的 相联系 鉴于功是能相联系 鉴于功是能 量转化的量度 所以这个物理量必定是系统的一种量转化的量度 所以这个物理量必定是系统的一种 我们称它是系统的内能 我们称它是系统的内能 两个状态两个状态 能量能量 功功 2 内能变化和做功的关系 内能变化和做功的关系 系统由状态系统由状态 1 绝热过程达到状态绝热过程达到状态2 时 内能的增加量时 内能的增加量 即 即 绝热过程中 内能的增加量等于外界对系统所做的绝热过程中 内能的增加量等于外界对系统所做的 当外力做正功时 系统内能 当外力做正功时 系统内能 外力做负功时 系统内能 外力做负功时 系统内能 且内能变化量等于外力所做的功 且内能变化量等于外力所做的功 U W 功功 增加增加 减少减少 考点精析考点精析 1 做功改变物体内能的过程是将其他形式的能 做功改变物体内能的过程是将其他形式的能 如机械能如机械能 与内能相互转化的过程 做功使物体内能发生变化时 内能改变了多少用做功的数值来量度 外界与内能相互转化的过程 做功使物体内能发生变化时 内能改变了多少用做功的数值来量度 外界 对物体做多少功 物体的内能就增加多少 物体对外界做多少功 物体的内能就减少多少 对物体做多少功 物体的内能就增加多少 物体对外界做多少功 物体的内能就减少多少 2 在绝热过程中 压缩气体 外界对气体做了功 气体的内能增加 气体内能的增加量等于外界对气体做的功 气体膨胀 是气体对外界做功 气体内能减 在绝热过程中 压缩气体 外界对气体做了功 气体的内能增加 气体内能的增加量等于外界对气体做的功 气体膨胀 是气体对外界做功 气体内能减 少 气体内能的减少量等于气体膨胀对外做的功 少 气体内能的减少量等于气体膨胀对外做的功 注意注意 气体在真空中膨胀时 不会受到来自外界的压力 属于自由膨胀 气体不需要做功气体在真空中膨胀时 不会受到来自外界的压力 属于自由膨胀 气体不需要做功 温故自查温故自查 1 热传递热传递 1 两个两个 不同的物体相互接触时 热量从不同的物体相互接触时 热量从物体传到物体传到物体 这样的过程叫做物体 这样的过程叫做 2 热传递有三种方式 热传递有三种方式 和和 温度温度 高温高温 低温低温 热传递热传递 热传导热传导 热对流热对流 热辐射热辐射 2 热和内能 热和内能 1 热量是在单纯的传热过程中系统内能变化的量度 当系统由状态热量是在单纯的传热过程中系统内能变化的量度 当系统由状态 1 经过单纯的传热过程达到状态经过单纯的传热过程达到状态 2 内能的增量 内能的增量 U U2 U1就等于外界向系统传递的就等于外界向系统传递的 热量热量 Q 即 即 系统吸收了多少热量 系统的内能就系统吸收了多少热量 系统的内能就多少 系统放出了多少热量 系统的内能就多少 系统放出了多少热量 系统的内能就多少 多少 2 做功和热传递对改变物体的内能是做功和热传递对改变物体的内能是的 的 U Q 增加增加 减少减少 等效等效 考点精析考点精析 1 热传递热传递 1 热传递的条件 两物体温度不同 热传递的条件 两物体温度不同 只要存在温度差 热传递过程就会进行 与原来物体内能的多少大小无关 热传递过程能量可以由内能大的物体传到内能小的物体上 也可以由内只要存在温度差 热传递过程就会进行 与原来物体内能的多少大小无关 热传递过程能量可以由内能大的物体传到内能小的物体上 也可以由内能小的物能小的物 体传到内能大的物体上 体传到内能大的物体上 2 热传递的三种方式 热传导 热对流 热辐射热传递的三种方式 热传导 热对流 热辐射 热传递的三种方式各有特点 传导的特点在于沿着物体但不伴之以物质的迁移 所以多发生于固体上 对流则是靠物质的流动来传递热 所以对流是液体和热传递的三种方式各有特点 传导的特点在于沿着物体但不伴之以物质的迁移 所以多发生于固体上 对流则是靠物质的流动来传递热 所以对流是液体和 气体特有的传热方式 辐射则无需物质作为媒介 而是以直线方式向外传递的 气体特有的传热方式 辐射则无需物质作为媒介 而是以直线方式向外传递的 3 热传递过程实质是能量转移的过程 热传递过程实质是能量转移的过程 2 做功和热传递在本质上是不同的 做功和热传递在本质上是不同的 做功使物体的内能改变 是其他形式的能量和内能之间的转化做功使物体的内能改变 是其他形式的能量和内能之间的转化 不同形式能量间的转化不同形式能量间的转化 热传递使物体的内能改变 是物体间内能的转移热传递使物体的内能改变 是物体间内能的转移 同种形式能量的转移同种形式能量的转移 温故自查温故自查 1 热力学第一定律热力学第一定律当外界既对系统做功又对系统传热时 内能的增量应该是当外界既对系统做功又对系统传热时 内能的增量应该是 U 也就是说 一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的热 也就是说 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 这量与外界对它所做的功的和 这个关系叫做个关系叫做 W Q 热力学第一定律热力学第一定律 2 能量守恒定律 能量守恒定律 能量既不能凭空能量既不能凭空 也不能凭空 也不能凭空 它只能从一种形式 它只能从一种形式 为另一种形式 或者从一个物体为另一种形式 或者从一个物体到另一个物体 在转化和转移的过程中其总量不变 这到另一个物体 在转化和转移的过程中其总量不变 这 就是能的转化与守恒定律 就是能的转化与守恒定律 产生产生 消失消失 转化转化 转移转移 考点精析考点精析 1 应用热力学第一定律时要明确应用热力学第一定律时要明确 1 热力学第一定律不仅反映了做功和热传递这两种改变内能过程是等效的 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 应热力学第一定律不仅反映了做功和热传递这两种改变内能过程是等效的 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 用时热量的单位应统一为国际单位制中的焦耳 2 应用此定律前应准确理解各物理量的意义 为方便 准确 通常规定各标量的正 负 正 负的含义如下 应用此定律前应准确理解各物理量的意义 为方便 准确 通常规定各标量的正 负 正 负的含义如下 U 是物体内能的增量 当物体内能增加时取是物体内能的增量 当物体内能增加时取 号 减少时取号 减少时取 号 号 W 是外界对系统做的功 当外界对系统做功时取是外界对系统做的功 当外界对系统做功时取 号 当系统对外界做功时取号 当系统对外界做功时取 号 号 Q 是外界与系统之间传递的热是外界与系统之间传递的热 量 当外界传递给系统热量量 当外界传递给系统热量 系统吸热系统吸热 时取时取 号 当系统向外界传递热量号 当系统向外界传递热量 系统放热系统放热 时取时取 号 号 2 能量转化与守恒定律的意义 能量转化与守恒定律的意义 1 能的转化与守恒定能的转化与守恒定律是自然界的普遍规律 热力学第一定律就是能的转化与守恒定律在改变物体内能这一特定过程中的具体体现 律是自然界的普遍规律 热力学第一定律就是能的转化与守恒定律在改变物体内能这一特定过程中的具体体现 2 一切违背能的转化与守恒定律的过程是不可能实现的 能的转化与守恒定律证明永动机不可能制成 一切违背能的转化与守恒定律的过程是不可能实现的 能的转化与守恒定律证明永动机不可能制成 3 能的转化与守恒定律是认识自然 改造自然的有力武器 这个定律将广泛的自然科学技术领域联系起来 使不同领域的科学工作者有一个共同语言能的转化与守恒定律是认识自然 改造自然的有力武器 这个定律将广泛的自然科学技术领域联系起来 使不同领域的科学工作者有一个共同语言 温故自查温故自查 1 热力学第二定律的两种表述 热力学第二定律的两种表述 表述一 不可能使表述一 不可能使由低温物体传递到由低温物体传递到 而不引起其他而不引起其他 表述二 不可能从表述二 不可能从并把它全部用来对外并把它全部用来对外 而不引起其他变化 而不引起其他变化 2 第二类永动机 只从 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 吸取热量 使之全部用来做功 而不引起其他变化的热机 高温物体高温物体 变化变化 热量热量 单一热源吸收热量单一热源吸收热量 单一热源单一热源 做功做功 考点精析考点精析 1 热力学第二定律的理解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 或自然界中或自然界中实际的宏观过程实际的宏观过程 都具有方向性 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 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 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 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完全变成功 热量可以从高温物体自热力学第一定律中 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完全变成功 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 温故自查温故自查 1 如果一个 如果一个 宏观态宏观态 对应的对应的 微观态微观态 比较多 就说这个比较多 就说这个 宏观态宏观态 是比较是比较的 的 2 自发的过程总是倾向于出现与 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对应的宏观态 因此自发的过程总是从 向着向着发展的 发展的 3 一切自然过程总是沿着分子热运动的 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 的方向进行 这就是热力学第二定律的微观意义 无序无序 较多微观态较多微观态 有序有序 无序无序 无序性增大无序性增大 考点精析考点精析 热力学第二定律微观意义的理解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 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 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 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 温故自查温故自查 1 各种形式的能最终都转化成 各种形式的能最终都转化成内能内能 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 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 各种形式的能向内能转化是微观领域内无序程度较 向无序程度较向无序程度较 的转变 是能的转变 是能发生的 发生的 发生的 发生的 能量耗散能量耗散 大大 自动自动 全额全额 小小 3 从可被利用的价值来看 内能较之机械能 电能等 是一种 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 却会导致能量品质的 实 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 际上是将能量从高度有用的形式降级为不大可用的形式 低品质低品质 减少减少 降低降低 考点精析考点精析 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 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 能量虽然不会减少但能源会越来越少 所以要节约能源 命题规律命题规律 根据热力学第一定律根据热力学第一定律 U W Q 判断通过做功和热传递改变物体内能或吸放热 做功的情况等 判断通过做功和热传递改变物体内能或吸放热 做功的情况等 考例考例 1 2009 全国卷全国卷 如图 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 气如图 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 当缸内气体再次达平衡时 与初始缸壁和隔板均绝热 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 当缸内气体再次达平衡时 与初始 状态相比状态相比 A 右边气体温度升高 左边气体温度不变 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 左右两边气体温度都升高 C 左边气体压强增大 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 右边气体内能的增加量等于电热丝放出的热量 解析解析 右边气体温度升高 体积增大 压强增加 左边气体体积减小 压强增大 温度也升高 故右边气体温度升高 体积增大 压强增加 左边气体体积减小 压强增大 温度也升高 故 A 项错误 项错误 B C 项正确 右边气体内能的增加量小于电项正确 右边气体内能的增加量小于电 热丝放出的热量 故热丝放出的热量 故 D 项错误 项错误 答案答案 BC 如图所示的容器中 如图所示的容器中 A B 各有一个可自由移动的轻活塞 活塞下是水 上为空气 大气压恒定 各有一个可自由移动的轻活塞 活塞下是水 上为空气 大气压恒定 A B 底部由带有阀门底部由带有阀门 K 的管道相连 整个装置与外界绝的管道相连 整个装置与外界绝 热 开始热 开始 A 中水面比中水面比 B 中高 打开阀门中高 打开阀门 使 使 A 中的水逐渐流向中的水逐渐流向 B 中 最后达到平衡 在这个过程中中 最后达到平衡 在这个过程中 来 A 大气压力对水做功 水的内能增加 大气压力对水做功 水的内能增加 B 水克服大气压力做功 水的内能减少 水克服大气压力做功 水的内能减少 C 大气压力对水不做功 水的内能不变 大气压力对水不做功 水的内能不变 D 大气压力对水不做功 水的内能增加 大气压力对水不做功 水的内能增加 解析解析 由于水的体积不变 故由于水的体积不变 故 p0SAhA p0SBhB 即大气压力对即大气压力对 A 做的正功与做的正功与 B 克服大气压力做的功相等 故大气压力不做功 但水的重力势能减少了 它转化为水的内能 故水的内能增加了 克服大气压力做的功相等 故大气压力不做功 但水的重力势能减少了 它转化为水的内能 故水的内能增加了 答案答案 D 命题规律命题规律 根据能的转化和守恒定律 确定物体内能的变化情况 根据能的转化和守恒定律 确定物体内能的变化情况 考例考例 2 重重 1000kg 的气锤从的气锤从 2 5m 高处落下 打在质量为高处落下 打在质量为 200kg 的铁块上 要使铁块的温度升高的铁块上 要使铁块的温度升高 40 以上 气锤至少应落下多少次 设气锤撞击铁块时做以上 气锤至少应落下多少次 设气锤撞击铁块时做 的功有的功有 60 用来使铁块温度升高 且铁的比热用来使铁块温度升高 且铁的比热 c 0 11cal g g 取取 10m s2 解析解析 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 由动能定理知气锤撞击铁块所做的功为由动能定理知气锤撞击铁块所做的功为 W Ek 0 2 5 104J 使铁块温度升高的热量使铁块温度升高的热量 到到 40 Q cm t 0 11 200 103 40 cal 3 696 106J 设气锤下落设气锤下落 n 次才能使铁块温度升高次才能使铁块温度升高 40 由能的转化和守恒定律有 由能的转化和守恒定律有 n W Q 故气锤至少要下落故气锤至少要下落 247 次 次 答案答案 247 如图所示如图所示 P V 图中 一定质量的理想气体由状态图中 一定质量的理想气体由状态 A 经过经过 ACB 过程至状态过程至状态 B 气体对外做功 气体对外做功 280J 吸收热量 吸收热量 410J 气体又从状态 气体又从状态 B 经经 BDA 过程回到状态过程回到状态 A 这一过程中外界对气体做功 这一过程中外界对气体做功 220J 求 求 1 ACB 过程中气体的内能是增加还是减少 变化量是多少 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 过程中气体是吸热还是放热 吸收或放出的热量是多少 解析解析 1 ACB 过程中过程中 W1 280J Q1 410J 由热力学第一定律得由热力学第一定律得 UB UA W1 Q1 130J 故故 ACB 过程内能增加 气体内能的变化量为过程内能增加 气体内能的变化量为 130J 2 因为一定质因为一定质量理想气体的内能只是温度的函数 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过程中气体内能变化量 UA UB 130J 由题意知由题意知 W2 200J 由热力学第一定律得由热力学第一定律得 UA UB W2 Q2 代入数值解得 代入数值解得 Q2 330J 即 即 BDA 过程中气体放热 放出热量过程中气体放热 放出热量 330J 答案答案 1 增加增加 130J 2 放热放热 330J 命题规律命题规律 根据热力学第二定律 判断有关说法是否正确 根据热力学第二定律 判断有关说法是否正确 考例考例 3 如图所示为电冰箱的工作原理示意图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