高二物理第十章热力学定律第2~4节人教实验版知识精讲

用心 爱心 专心 高二物理高二物理第十章第十章 热力学定律热力学定律 第第 2 4 节节人教实验版人教实验版 本讲教育信息本讲教育信息 一 教学内容 第十章 热力学定律 第 2 4 节 二 知识要点 1 了解热传递及其三种方式 掌握热和内能的关系 区分做功和热传递本质上的不同 2 理解外界对系统做功和热传递过程 W Q U 的物理含义 理解热力学第一定律 掌握能量守恒定律 3 知道热传递的方向性及热力学第二定律的两种不同表述 知道什么是第二类永动机 三 重点 难点解析 一 热传递 1 定义 相互接触的两个物体 温度不同时 会自发地将热量从高温物体传到低温 物体 这种过程叫热传递 2 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 3 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 4 热传递过程实质是能量转移的过程 例例 1 下列所述现象中属于利用热传导的方式来传热的是 A 冬天 用手去拿室外的铁块 手感到冷 B 夏天 开空调后一段时间整个房间内温度降低 C 在地面上晒小麦 D 冬天 用暖水袋暖手 解析解析 冬天 室外的铁块温度低 手温度高 用手拿铁块时 手上的热量直接通过 热传导的方式传到铁块上 用暖水袋暖手 道理同上 开空调后整个房间内降温 是空气 通过对流的方式使热空气降温 晒小麦是依靠太阳热辐射来吸收热量的 所以正确答案为 A D 答案 答案 AD 特别提示 明确热传递的三种方式及各自的特点 二 热和内能 1 热传递和物体内能改变的关系 热传递也可以改变物体的内能 物体吸收了热量 分子热运动变得剧烈 分子平均动 能就增加 物体的内能就增大 反之物体内能就减少 在单纯热传递的情况下 系统由状 态 1 到达状态 2 内能增量为 12 UUU 吸收的热量为 Q 即QU 也就是说 物体吸收热量 内能增加 物体放出热量 内能减少 内能改变的多少用热量来量 度 用心 爱心 专心 2 做功和热传递在改变物体的内能上是等效的 3 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 例例 2 下列关于做功和热传递的说法中正确的是 A 做功和热传递的实质是相同的 B 做功和热传递在改变物体内能上是等效的 C 做功和热传递是对同一过程中的两种说法 D 做功和热传递是不可能同时发生的 解析解析 做功和热传递在改变物体内能上是等效的 但本质不同 做功是将其他形式 的能量转化为内能或将内能转化为其他形式的能量 热传递是将一个物体的内能传递给另 一个物体 且做功和热传递可以同时进行 故正确选项为 B 答案 答案 B 特别提示 做功和热传递本质不同 但在改变物体内能上是等效的 注意它们的区 别和联系 要注意区分的几个概念 1 热量和内能 内能是由系统的状态决定的 状态确定 系统的内能也随之确定 要使系统的内能发 生变化 可以通过热传递或做功两种过程来完成 而热量是热传递过程中的特征物理量 和功一样 热量只是反映物体在状态变化过程中所迁移的能量 是用来衡量物体内能变化 的 有过程 才有变化 离开过程 毫无意义 就某一状态而言 只有 内能 根本不存 在什么 热量 和 功 因此 不能说一个系统中含有 多少热量 或 多少功 2 热量和温度 热量是系统的内能变化的量度 而温度是系统内部大量分子做无规则运动的激烈程度 的标志 虽然热传递的前提是两个系统之间要有温度差 但是传递的是能量 不是温度 热传递不仅可以使系统温度发生变化 还可以使物质状态发生变化 在物质状态变化 中 传递给系统的热量并没有使系统的温度发生变化 因此不能说 系统吸收热量多 温 度变化一定大 也不能认为 系统的温度高 它放出的热量一定多 因为放出的热量 不但和温度的变化值有关 还和比热容有关 总之 热量和温度之间虽然有一定的联系 但它们是完全不同的两个物理量 3 热量和功 热量和功 都是系统内能变化的量度 都是过程量 一定量的热量还与一定量的功相 当 热量可以通过系统转化为功 功也可以通过系统转化为热量 但它们之间有着本质的 区别 用做功来改变系统的内能 是系统内分子随整体的有序运动 转化为另一系统的分子 的无规则运动的过程 是机械能或其他形式的能和内能之间的转化过程 用热传递来改变系统的内能 是通过传导 对流和辐射来完成的 它将分子的无规则 运动 从一个系统转移到另一个系统 这种转移就是系统间内能转换的过程 三 热力学第一定律 1 热力学第一定律的研究对象 研究功 热量跟内能的变化之间的定量关系 2 热力学第一定律的内容及表达式 用心 爱心 专心 如果系统和外界同时发生做功和热传递 那么 外界对系统所做的功 W 加上外界 传递给系统的热量 Q 等于系统内能的增加量 U 即QWU 此式所表示的功 热量与内能变化之间的确定数量关系 叫做热力学第一定律 应用 热力学第一定律时要明确 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 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 AU 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 例例 3 气体膨胀对外做功 l00J 同时从外界吸收了 120J 的热量 它的内能的变化是 A 减小 20J B 增大 20JC 减小 220J D 增大 220J 解析解析 研究对象为气体 依符号规则 对外做功 W l00J 吸收热量 Q 120J 由热力学第一定律有 U W Q l00J 120J 20J 0u 说明气体 的内能增加 故选项 B 正确 答案 答案 B 特别提示 1 要明确研究的对象是哪个物体或者说是哪个热力学系统 2 应用热力学第一定律计算时 要依照符号规则代入数据 对结果的正 负 也同 样依照符号规则来解释其意义 四 能的转化与守恒定律 1 内容 能量既不能凭空产生 也不能凭空消失 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 这就是能的转化与守恒定律 2 意义 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 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 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具有了一个共同语言 例例 4 行驶中的汽车制动后滑行一段距离 最后停下 流星在夜空中坠落并发出明亮 的光焰 降落伞在空中匀速下降 条形磁铁在下落过程中穿过闭合线圈 线圈中产生电 流 上述不同现象中所包含的相同的物理过程是 A 物体克服阻力做功 B 物体的动能转化为其他形式的能量 C 物体的势能转化为其他形式的能量 D 物体的机械能转化为其他形式的能量 解析解析 这四个现象中物体运动过程都受到阻力作用 汽车主要是制动阻力 流星 降落伞 是空气阻力 条形磁铁下落受到磁场阻力 因而物体都克服阻力做功 A 项 对 四个物体运动过程中 汽车是动能转化成了其他形式的能 流星 降落伞 条形磁铁 用心 爱心 专心 是重力势能转化成其他形式的能 总之是机械能转化成了其他形式的能 D 项对 答案 答案 AD 特别提示 考查能的转化和守恒定律 是考查学生的综合分析能力 从若干不同现 象中找出相同规律的能力 3 第一类永动机不可能制成 第一类永动机 概念 不消耗能量又源源不断地供出能量的机器 结果 无一例外地归于失败 原因 违背能量守恒原理 永动机给我们的启示 人类利用和改造自然时 必须遵循自然规律 例例 5 曾经有人试图制造一台 永久 的发电机 设计思想如下 先利用外界供给的 电能 使电动机转动 再让电动机带动发电机发电 发电机发出电后 一部分电供给电动 机继续使用 电动机不再利用外界供给的电能 一部分电供给用户使用 这样 一旦这个 发电机发出电来 它就可以不再使用外界的能量 自己 源源不断 地发出电来 你学过 能的转化和守恒的知识后分析一下 看看这样的 永动机 能实现吗 解析解析 只要电动机不再利用外界供给的电能 而又把一部分电供给用户使用 那么 电动机的能量就会减少 直至为零 所以这样的永动机不能实现 特别提示 能量守恒定律是自然界中普遍适用的规律 任何能量转化和转移过程都 遵循此规律 对能量守恒定律怎样理解 1 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 2 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 例例 6 风沿水平方向以速度 v 垂直吹向一直径为 d 的风车叶轮上 设空气密度为 风的动能有 50 转化为风车的动能 风车带动水车将水提高 h 的高度 效率为 80 则单 位时间最多可提升的水的质量 m 解析解析 设在 t 时间内吹在风车上的空气的质量为 vtd 4 1 m 2 1 风的动能 tvd 8 1 mv 2 1 E 322 k 根据题意 mgh 80 50tvd 8 1 32 则 gh20 vd t m 32 答案 答案 gh20 vd 32 五 热力学第二定律 1 热传导的方向性 两个温度不同的物体相互接触时 热量会自发地从高温物体传给低温物体 结果使高 温物体的温度降低 低温物体的温度升高 1 自发地 过程就是不受外来干扰进行的自然过程 用心 爱心 专心 2 热量可以自发地从高温物体传向低温物体 但热量却不能自发地从低温物体传向 高温物体 3 要将热量从低温物体传向高温物体 必须有 外界的影响或帮助 就是要有外 界对其做功才能完成 电冰箱就是一例 2 热力学第二定律 在物理学中 反映宏观自然过程的方向性的定律就是热力学第二定律 1 两种表述 第一种表述 热量不能自发地从低温物体传到高温物体 这是热力学第二定律的克劳 修斯表述 它阐述了热传递的方向性 第二种表述 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 这 是热力学第二定律的开尔文表述 它阐述了机械能与内能转化的方向性 也可表述为 第 二 类永动机不可能制成 2 热力学第二定律的这两种表述是等效的 3 热力学第二定律的意义 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 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 地球上海水的总质量达 1 4 l018kg 如果把这些海水的温度降低 1 放出的热量就达 9 1018kW h 足够全世界使用 4000 年 这设想不违背能量守恒定律 但是不能实现 所以 叫做第二类永动机 前面学到的 违背能量守恒定律的永动机 叫做第一类永动机 学过 热力学第二定律之后 你能说出为什么不能制成第二类永动机吗 不可能 因为海水温度降低 不能自发地进行 必须有外力帮助 而外力的帮助需做 功 消耗能量 不可能自发地完成 注意 在热力学第二定律的表述中 自发地 不引起其他变化 的涵义是什么 自发地 是指热量从高温物体 自发地 传给低温物体的方向性 在传递过程中不 会对其他物体产生影响或借助其他物体提供能量等的帮助 不引起其他变化 的涵义是使热量从低温物体传递到高温物体或从单一热源吸收热 量全部用来做功 必须通过第三者的帮助 这里的帮助是指提供能量等方式 否则是不可 能实现的 3 热力学第二定律的实质 热力学第二定律的每一种表述 揭示了大量分子参与宏观过程的方向性 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 4 热机 1 定义 一种把内能转化为机械能的装置 例汽油机 柴油机 蒸汽轮机等 2 原理 热机从热源吸收热量 1 Q 推动活塞做功 W 然后向冷凝器释放热量 Q2 用心 爱心 专心 3 效率 由能量守恒定律知道 Ql W Q2 我们把热机做的功 W 和它从热源吸收的热量 Q1的 比值叫做热机效率 用 表示 即 W Q1 说明 热机必须有热源和冷凝器 热机不能把它得到的全部内能转化为机械能 因热机工作时 总要向冷凝器散热 不可避免地要释放一部分热量 Q2 所以总有 WQ1 热机的效率不可能达到 100 即使是理想热机 没有摩擦 也没有漏气等能量损 失 它也不可能把吸收的能量百分之百地转化成机械能 总要有一部分热量散发到冷凝器 中 5 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 例例 7 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 但在一 定条件下 热量可以由低温物体传向高温物体 例如电冰箱的工作过程 故选项 A 错 根 据热力学第一定律 物体内能的变化取决于吸收或放出的热量和做功的正负两个因素 所 以选项 B 错 第二类永动机不违反能量守恒定律 而违反了热力学第二定律 选项 C 错 选项 D 是热力学第二定律的表述形式之一 是正确的 答案 答案 D 特别提示 在学习中应记熟其两种表述 并理解两种表述的等效性 抓住第二定律 的实质 即自然界中进行的所有涉及热现象的宏观过程都具有方向性 例例 8 下列所述过程哪些是不可逆的 A 汽缸与活塞组合中装有气体 当活塞上没有外加压力 活塞与汽缸间没有摩擦时 B 上述装置中 当活塞上没有外加压力 活塞与汽缸摩擦很大 使气体缓慢地膨胀时 C 在一绝热容器内盛有液体 不停地搅动它 使它温度升高 D 在一绝热容器内 不同温度的液体进行混合 解析解析 根据实际情况 上述四个过程均属于不可逆的 答案 答案 ABCD 特别提示 一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的 模拟试题模拟试题 1 热传递实质上就是 用心 爱心 专心 A 能量从内能大的物体传给内能小的物体 B 能量从热量多的物体传给热量少的物体 C 能量从温度高的物体传给温度低的物体 D 能量从质量大的物体传给质量小的物体 2 两物体接触后发生了热传递 则一定是 A 内能大的物体向内能小的物体传递能量 B 比热容大的物体向比热容小的物体传递能量 C 含热量多的物体向含热量少的物体传递热量 D 分子热运动平均动能大的物体向分子热运动平均动能小的物体传递热量 3 物体从外界吸收热量时 内能 A 一定增加 B 可能不变 C 可能减少 D 可能增大 4 关于物体的内能 以下说法正确的是 A 不同物体 温度相等 内能也相等 B 所有分子的势能增大 内能也增大 C 做功与热传递都能改变物体的内能 D 只有两物体的质量 温度 体积都相等时 两物体的内能才能相等 5 关于物体内能的变化情况 下列说法中正确的是 A 吸热的物体 其内能一定增加 B 体积膨胀的物体 其内能一定减少 C 放热的物体 其内能也可能增加 D 绝热压缩的物体 其内能一定增加 6 有甲 乙两个物体 已知甲的温度比乙的温度高 则可以肯定 A 甲物体的内能比乙物体的内能多 B 甲物体含的热量比乙物体含的热量多 C 甲物体分子的平均动能比乙物体分子的平均动能大 D 如果降低相同的温度 甲比乙放出的热量多 7 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 内能一定减小 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 8 下列说法正确的是 A 外界对一物体做功 此物体的内能一定增加 B 机械能完全转化成内能是不可能的 C 将热量传给一个物体 此物体的内能一定改变 D 一定量气体对外做功 气体的内能不一定减少 9 下列哪些情况属于别的形式的能转化为内能 A 电热器通电后温度升高 B 行驶中的汽车 在发动机熄火后速度越来越小最后停下来 C 风力发电机发电 D 火箭发射人造卫星 10 第一类永动机是不可能制成的 这是因为第一类永动机 A 不符合机械能守恒定律 用心 爱心 专心 B 违背了能的转化和守恒定律 C 没有合理的设计方案 D 找不到合适的材料 11 汽车关闭发动机后沿斜坡减速下滑 在这过程中 A 汽车的机械能守恒 B 汽车的动能和势能相互转化 C 机械能逐渐转化为内能 总能量逐渐减小 D 机械能逐渐转化为内能 总能量不变 12 下列说法正确的是 A 外界对气体做功 气体的内能一定增大 B 气体从外界吸收热量 气体的内能一定增大 C 气体的温度越低 气体分子无规则运动的平均动能越大 D 气体的温度越高 气体分子无规则运动的平均动能越大 13 一个带活塞的汽缸内盛有一定量度的气体 若此气体的温度随其内能的增大而升高 则 A 将热量传给气体 其温度必升高 B 压缩气体 其温度必升高 C 压缩气体 同时气体向外界放热 其温度必不变 D 压缩气体 同时将热量传给气体 其温度必升高 14 汽缸中的气体膨胀时推动活塞向外运动 若气体对活塞做的功是 6 104J 气体的内 能减少了 8 104J 则在此过程中气体 吸收 或 放出 的热量是 J 15 下列哪些物理过程具有方向性 A 热传导过程 B 机械能和内能的转化过程 C 气体的扩散过程 D 气体向真空膨胀的过程 16 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 热量既能够从高温物体传到低温物体 也可从低温物体传到高温物体 C 机