热力学规律的应用

1 专题二专题二 热力学规律的应用热力学规律的应用 考情动态分析考情动态分析 从能量的观点认识热现象 是研究热现象的又一重要方法和途径 树立能量的观点并运用其分析处理状态变化过程中功 热以及内能之间的变化关系有 着重要意义 内能及其变化是常考知识点 由于考试大纲的调整 删除了对气体实验定律的考 查 预计高考将会加强对热力学第一 第二定律定性分析气体状态参量变化及能源与环境 等热点问题的考查 高考对该部分知识的考查 题型多以选择题和填空题的形式出现 难度中等偏下 考点核心整合考点核心整合 1 分子的平均动能 物体内分子动能的平均值叫分子平均动能 温度是分子平均动能的标志 温度越高分子平均动能越大 2 分子势能 由分子间的相互作用和相对位置决定的能量叫分子势能 分子势能的大小与物体的体积有关 当分子间的距离 r r0时 分子势能随分子间距离的增大而增大 当 r r0时 分子势 能随分子间距离的减小而增大 当 r r0时 分子势能最小 3 物体的内能 物体内所有分子的动能和势能的总和叫物体的内能 4 改变物体的内能有两种方式 1 做功 其他形式的能与内能相互转化的过程 内能改变了多少用做功的数值来量度 2 热传递 是物体间内能转移的过程 内能改变了多少用传递的热量数值来量度 热传递的方式 传导 对流和辐射 热传递的条件 温度不同 热量自动地从高温物体向低温物体传递 当温度相等时达到 动态平衡 即热平衡 做功和热传递在改变物体的内能上是等效的 但本质有区别 5 热力学第一定律的数学表达式为 U Q W 三个量的符号规定如下 表示物体内能减少 表示物体内能增加 U 量表示物体向外界放出热 量表示物体从外界吸收热 Q 表示物体对外界做功 表示外界对物体做功 W 6 热力学第二定律的两种常见表述 1 按热传导的方向性表述 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 2 按机械能与内能变化过程的方向性表述 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 即第二类永动机是不可能制成的 7 绝对零度不可达到 8 内能和机械能是两种不同形式的能 内能是指物体内大量分子的热运动 无规则运动 和 分子间相对位置决定的能量 机械能是物体做机械运动 有规则运动 和物体形变决定的能 量 物体可同时具有内能和机械能 且在一定条件下可以相互转化 物体的机械能可以为零 2 但物体的内能永远不为零 9 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别的 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保持不变 1 能量守恒定律是自然界的普遍规律 它与细胞学说 达尔文的生物进化论一起被恩格 斯称为 19 世纪自然科学的三大发现 2 物质的不同运动形式对应着不同形式的能量 10 能量耗散 1 若其他形式的能转化成内能 这些内能最终流散到周围的环境中 没有办法把这些流 散的内能重新收集起来加以利用 这种现象叫做能量耗散 2 能量耗散现象从能量转化的角度反映出自然界中的宏观过程具有方向性 11 能源 1 常规能源 煤 石油 天然气等 2 新能源 风能 水流能 太阳能 核能等 12 气体的状态参量的关系对一定质量的理想气体 遵守 c 恒量 T pV 考题名师诠释考题名师诠释 例 1 如图 2 2 1 所示 A B 是两个管状容器 除了管较粗的部分高低不同之外其他 一切全同 将此两容器抽成真空 再同时分别插入两个水银池中 当水银柱停止运动时 如 图 问两管中水银的温度是否相同 为什么 设水银与外界没有热交换 图 2 2 1 解析 解析 把两真空管 A B 开口插入水银池中 在大气压力的作用下 水银将冲入管中 通 过水银自身之间 水银与管之间的摩擦 最后水银停止运动 在这个过程中水银的温度升 高了 不过要直接从这个动态过程中判断出哪一个管中水银的温度高是困难的 可以换一个 角度 以池中和管中的全部水银为研究对象 利用能量转化和守恒规律去判断 在水银进入 管中的过程中 大气压力对水银做功 把大气的能量转化为水银的内能和重力势能 在一 定的大气压下 静止时 A B 管中水银柱的高度是相同的 也即进入管中的水银体积相 同 所以大气压力做功相同 但两装置中水银重力势能的增量不同 所以两者内能的改变也 不同 由图可知 A 管水银的重力势能较小 所以 A 管中水银的内能增量较多 其温度应略 高些 答案 答案 A 管内水银温度较高 点评 点评 能量转化和守恒定律是探索未知领域的重要武器 用它来解决问题 只要知道物理 过程初末状态的能量和过程中的能量转化情况 而不必考虑过程的变化细节 这使问题的 解决过程大大地简化 链接链接 拓展拓展 如图 2 2 2 所示 A B 两球完全相同 分别浸没在水和水银的同一深度 A B 两球 用一种特殊的材料制成 当温度稍微升高时 球的体积会明显地变大 如果开始水和水银的 温度相同 且两液体温度同时缓慢地升高同一值 两球膨胀后 体积相等 则 3 图 2 2 2 A A 球吸收的热量较多 B B 球吸收的热量较多 C 两球吸收的热量一样多 D 无法确定 答案 答案 B 例 2 2006 全国高考 18 下列说法中正确的是 A 气体的温度升高时 分子的热运动变得剧烈 分子的平均动能增大 撞击器壁时对器壁 的作用力增大 从而气体的压强一定增大 B 气体的体积变小时 单位体积的分子数增多 单位时间内打到器壁单位面积上的分子数 增多 从而气体的压强一定增大 C 压缩一定量的气体 气体的内能一定增加 D 分子 a 从远处趋近固定不动的分子 b 当 a 到达受 b 的作用力为零处时 a 的动能一定最 大 解析 解析 气体的压强由温度和体积共同决定 A B 选项都分别从一个因素来讨论气体压强 不知另一个因素的变化 无法确定气体压强的变化 所以选项 A B 错误 由热力学第一定 律 U W Q 气体的内能由做功和吸放热共同决定 C 选项只知外界对气体做功 但不 知气体是吸热还是放热 无法判断气体的内能 所以选项 C 错误 当 a 分子从远处趋近至分 子力为零时 是从平衡位置外靠向至平衡位置 分子间作用力为引力 且做正功 分子势 能减小 分子动能增加 从平衡位置再向里靠近 分子间作用力为斥力 且做负功 分子 势能增加 分子动能减小 所以在平衡位置处分子动能最大 所以选项 D 正确 答案 答案 D 点评 点评 本题涉及了气体压强的微观解释 热力学第一定律和分子间的相互作用力 知识点 虽多 但均为基础知识 注重考查了对基础知识的理解和掌握程度 例 3 2006 北京高考 15 如图 2 2 3 所示 两个相通的容器 P Q 间装有阀门 K P 中 充满气体 Q 内为真空 整个系统与外界没有热交换 打开阀门 K 后 P 中的气体进入 Q 中 最终达到平衡 则 图 2 2 3 A 气体体积膨胀 内能增加 B 气体分子势能减少 内能增加 C 气体分子势能增加 压强可能不变 D Q 中气体不可能自发地全部退回到 P 中 解析 解析 当阀门 K 被打开 P 中的气体进入 Q 中 由于 Q 中为真空 且系统与外界无热交换 所以气体内能不变 选项 A B 错误 气体体积增大 温度不变 压强减小 选项 C 错误 由热力学第二定律可知 Q 中气体不可能自发地全部退回到 P 中 所以 D 选项正确 答案 答案 D 点评 点评 1 以气体为载体 将热力学第一 二定律及气体状态参量的变化规律有机结合进