2012届高三物理第二轮专题讲座 热力学定律与能量守恒定律(11) 新人教版

用心 爱心 专心 1 热力学定律与能量守恒定律热力学定律与能量守恒定律 温故自查 1 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 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 两个状态 能量 功 2 内能变化和做功的关系 系统由状态 1 绝热过程达到状态 2 时 内能的增加量 即 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 外 力做负功时 系统内能 且内能变化量等于外力所做的功 U W 功 增加 减少 考点精析 1 做功改变物体内能的过程是将其他形式的能 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 气体内能减少 气体内能的减少量等 于气体膨胀对外做的功 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 温故自查 1 热传递 1 两个 不同的物体相互接触时 热量从物体传到物体 这样的过程叫做 2 热传递有三种方式 和 温度 高温 用心 爱心 专心 2 低温 热传递 热传导 热对流 热辐射 2 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 1 经过单纯的传热过程 达到状态 2 内能的增量 U U2 U1就等于外界向系统传递的热量Q 即 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 2 做功和热传递对改变物体的内能是的 U Q 增加 减少 等效 考点精析 1 热传递 1 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 也可以由内能小的物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 3 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 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 温故自查 1 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 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量与外界对它所做的功的和 这个关系叫做 W Q 热力学第一定律 2 能量守恒定律 能量既不能凭空 也不能凭空 它只能从一种形式 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 这就是能的转化与守恒定律 产生 消失 转化 用心 爱心 专心 3 转移 考点精析 1 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 U是物体内能的增量 当物体内能增加时取 号 减少时取 号 W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 Q是外界与系统之间传递的热量 当外界传递给系统热量 系统吸热 时取 号 当系统向外界传递热量 系统放热 时取 号 2 能量转化与守恒定律的意义 1 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 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 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 温故自查 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 高温物体 变化 热量 单一热源吸收热量 单一热源 做功 考点精析 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 用心 爱心 专心 4 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 温故自查 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 考点精析 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 温故自查 1 各种形式的能最终都转化成内能 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 能量耗散 大 自动 全额 小 3 从可被利用的价值来看 内能较之机械能 电能等 是一种的能量 由此可知 能 用心 爱心 专心 5 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 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 2 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 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 考例 1 2009 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 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 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 A 项错误 B C 项正确 右边气体内能的增加量小于电热丝放出的热量 故 D 项错 误 答案 BC 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 A B底部由带有阀门K的管道相连 整个装置与外界绝热 开始A中水面比B中高 打 开阀门 使A中的水逐渐流向B中 最后达到平衡 在这个过程中 用心 爱心 专心 6 A 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 C 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 解析 由于水的体积不变 故 p0SAhA p0SBhB 即大气压力对A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 答案 D 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 考例 2 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 以上 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 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 由动能定理知气锤撞击铁块所做的功为 W Ek 0 2 5 104J 用心 爱心 专心 7 使铁块温度升高的热量 到 40 Q cm t 0 11 200 103 40 cal 3 696 106J 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 故气锤至少要下落 247 次 答案 247 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 用心 爱心 专心 8 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 答案 1 增加 130J 2 放热 330J 命题规律 根据热力学第二定律 判断有关说法是否正确 考例 3 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 蒸发器中的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 下列说法中正确的是 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 用心 爱心 专心 9 解析 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