热力学定律及能量

第二节热力学定律及能量守恒气体 第二节热力学定律及能量守恒气体 基础知识梳理 课堂互动讲练 经典题型探究 知能优化演练 基础知识梳理 一 热力学定律1 热力学第一定律 1 内容 一般情况下 如果物体跟外界同时发生做功和热传递的过程 那么 外界对物体所做的功W加上物体从外界吸收的热量Q等于物体 的增加 U 2 表达式 U 内能 W Q 2 热力学第二定律两种表述 1 不可能使热量由低温物体传递到高温物体 而 2 不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功 而 3 热力学第三定律 1 内容 热力学零度不可达到 2 热力学温度T与摄氏温度t的关系 T t K 不引起其他变化 不引起其他变化 273 15 4 两类永动机 二 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 其总量不变 三 气体的状态参量1 温度 1 宏观上 表示物体的 程度 2 微观上 表示气体分子无规则热运动的 程度 冷热 激烈 3 温标 常用的温标有 和摄氏温标 2 体积 1 宏观上 容纳气体的 2 微观上 气体分子所能达到的 3 单位 国际单位为m3 且1m3 103dm3 cm3 热力学温标 体积 空间 106 3 压强 1 宏观上 器壁单位面积上受到的 2 微观上 大量气体分子单位时间作用在单位面积上的 3 单位 国际单位为帕 符号为Pa 且1atm Pa 76cmHg 4 大小决定因素宏观上 气体的 和物质的量 微观上 单位体积内的分子数和 冲力 冲量 1 013 105 温度 体积 分子平均动能 名师点拨 一定质量的气体 p与T V有关 三个参量中不可能只有一个参量发生变化 至少有两个或三个同时改变 四 气体分子动理论1 气体分子运动的特点 由于气体分子间距大 气体分子的大小可以忽略 分子间的作用力很小 也可以忽略 因此 除分子间及分子与器壁间碰撞外 分子间无相互作用力 所以不计 气体的内能只与气体的物质的量和 有关 分子处于自由运动状态 分子势能 温度 2 气体分子运动的统计规律 1 气体分子沿各个方向运动的机会 机率 2 大量气体分子的速率分布呈现 中等速率的分子数目多 速率大或小的分子数目少 的规律 3 当温度升高时 中间多 的这一 高峰 向 的一方移动 即速率大的分子数目增多 速率小的分子数目减少 分子的平均速率 但不是每个气体分子的速率均增大 均等 中间多 两头少 速率大 增大 名师点拨 理想气体是实际气体在一定条件下近似的一种物理模型 在温度不太低 压强不太大的情况下 实际气体可当成理想气体来处理 理想气体没有分子势能 内能只由温度和气体物质的量来决定 课堂互动讲练 一 对热力学第一定律的理解1 由 U Q W 可知改变物体的内能有两种方式 做功和热传递 只考虑其中之一无法确定内能的变化 2 在 U Q W中 W表示做功情况 说明内能和其他形式的能可以相互转化 Q表示吸热或放热的情况 说明内能可以从一个物体转移到另一个物体 而 U Q W是能量守恒定律的具体体现 3 对公式 U Q W符号的规定 4 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 特别提醒 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 1 2010年高考广东理综卷 图8 2 1是密闭的汽缸 外力推动活塞P压缩气体 对缸内气体做功800J 同时气体向外界放热200J 缸内气体的 A 温度升高 内能增加600JB 温度升高 内能减少200JC 温度降低 内能增加600JD 温度降低 内能减少200J 图8 2 1 解析 选A 对一定质量的气体 由热力学第一定律 U W Q可知 U 800J 200J 600J U为正表示内能增加了600J 对气体来说 分子间距较大 分子势能为零 内能等于所有分子动能的和 内能增加 气体分子的平均动能增加 温度升高 选项A正确 二 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 特别提醒 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 2 2011年安徽合肥模拟 地球上有很多的海水 它的总质量约为1 4 1018吨 如果这些海水的温度降低0 1 将要放出5 8 1023焦耳的热量 有人曾设想利用海水放出的热量使它完全变成机械能来解决能源危机 但这种机器是不能制成的 其原因是 A 内能不能转化成机械能B 内能转化成机械能不满足热力学第一定律C 只从单一热源吸收热量并完全转化成机械能的机器不满足热力学第二定律D 上述三种原因都不正确 解析 选C 内能可以转化成机械能 如热机 A错误 内能转化成机械能的过程满足热力学第一定律 即能量守恒定律 B错误 热力学第二定律告诉我们 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 C正确 三 热力学第一定律与气态变化1 气体的温度 压强 体积间的关系一定质量的气体 如果三个状态参量都不变 则该气体处于一定的状态 三个状态参量可以同时变化 也可以是其中一个参量保持不变 其他两个参量发生变化 只有一个状态参量发生变化是不可能的 当一个参量不变时 另两个参量的关系为 1 温度不变 分子的平均动能不变 若体积减小 单位体积内分子数目增多 气体的压强增加 2 体积不变 单位体积内的分子数目不变 温度升高 分子的平均动能增加 气体的压强增加 3 压强不变 温度升高 气体分子的平均动能增加 只有气体的体积增大 单位体积内的分子数减少 才可保持气体的压强不变 3 由气体体积变化情况分析做功情况 气体体积增大 气体对外做功 气体体积减小 外界对气体做功 然后由热力学第一定律 U Q W确定热量Q的正 负 判断出吸热 放热 3 封闭在汽缸内的一定质量的气体 如果保持气体的温度不变 当体积增大时 以下说法正确的是 A 气体的压强增大B 气体的密度减小C 气体分子的平均动能减小D 每秒撞击单位面积器壁的气体分子个数减少 解析 选BD 从微观角度来说 气体的压强大小与气体分子的个数 密度有关 与分子热运动的速率有关 所以温度越高 体积越小 气体的压强就越大 当温度不变时 体积增大 气体的密度变小 气体的压强变小 B正确 A不正确 温度是分子平均动能大小的标志 故温度不变 气体分子的平均动能不变 C错 由于气体的密度减小 在分子速率不变时 每秒撞击单位面积器壁的气体分子个数减少 D正确 经典题型探究 热力学第一定律的应用 2010年高考重庆理综卷 给旱区送水的消防车停于水平地面 在缓慢放水过程中 若车胎不漏气 胎内气体温度不变 不计分子间势能 则胎内气体 A 从外界吸热B 对外界做负功C 分子平均动能减小D 内能增加 解析 缓慢放水过程中 胎内气体体积增大 温度不变 内能不变 由于不计分子势能 故分子平均动能不变 选项C D错误 由体积增大可知气体对外界做功 或克服外界做功 选项B错误 由热力学第一定律可知气体从外界吸热 选项A正确 答案 A 规律总结 1 气体体积与做功相关 体积增大 气体对外界做功 体积减小 外界对气体做功 气体向其空中膨胀 不做功 2 气体温度与内能相关 温度升高 内能增大 温度降低 内能减小 变式训练 2011年丰台区模拟 如图8 2 2所示 导热良好的汽缸内封闭一定质量的气体 外界温度为T1 大气压强为p0 现保持p0不变 使外界温度下降到T2 经过一段时间活塞重新平衡 不计摩擦 活塞不漏气 则该过程中 图8 2 2 A 外界对气体做功 气体放热 内能减少B 分子平均动能减少C 气体分子在单位时间内碰撞单位面积的次数增多D 气体分子在单位时间内碰撞单位面积的次数减少答案 ABC 图8 2 3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8 2 3 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 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