第三章 热力学定律.doc

第三章 热力学定律第一节 内能 功 热量1绝热过程：物质系统与外界没有热量交换的情况下进行的物理过程。即系统不从外界吸收热量，也不向外界放出热量。2功与系统内能改变的关系: 可以改变系统的内能。外界对系统做功，系统的内能 在绝热过程中，内能的增量就等于外界对系统做的功,即U=U2-U1=W系统对外界做功，系统的内能 在绝热过程中，系统对外界做多少功，内能就减少多少,即W=-U 3 是系统内能转化的量度。4在国际单位制中，内能和功的单位都是 。例1 下列哪个实例说明做功改变了系统的内能A.用热水袋取暖 B.用双手摩擦给手取暖 C.把手放在火炉旁取暖 D.用嘴对手呵气给手取暖例2 一个系统内能增加了20J。如果系统与周围环境不发生热交换，周围环境需要对系统做多少功？基础训练1下列实例中，属于做功来增加物体内能的是 （ ）A.铁棒放在炉子里被烧红 B.锯条锯木头时会发热 C.古时候的猿人钻木取火 D.冬天在阳光下取暖2下列现象属于用做功的方法改变系统内能的是 （ ）A.放在火炉边的物体温度升高了 B.把一杯热水放在冷水中冷却C.用铁锤锻打工件，工件会发热 D.拉弯的弓把箭射出去3下列过程中，由于做功而使系统内能增加的是 （ ）A.把铁丝反复弯曲，弯曲处温度升高 B.烧开水时，蒸汽将壶盖顶起C.铁块在火炉中被加热 D.铁球从空中自由下落（不计空气阻力）4用下列方法改变物体的内能，属于做功方式的是( )A.搓搓手会感到手暖和些 B.汽油机气缸内被压缩的气体C.车刀切下的炽热的铁屑 D.物体在阳光下被晒热1热传递热量从高温物体传递到低温物体，或从物体的高温部分传递到低温部分，叫做热传递。热传递的三种方式：热传导、热对流和热辐射。2热传递的实质：热传递实质上传递的是能量，结果是改变了系统的内能。传递能量的多少用热量来量度。3传递的热量与内能改变的关系在单纯热传递中，系统从外界吸收多少热量，系统的内能就增加多少。即U= Q吸在单纯热传递中，系统向外界放出多少热量，系统的内能就减少多少。即Q放= -U4热传递具有方向性，热量从高温物体传递到低温物体，或从物体的高温部分传递到低温部分，不会自发的从低温物体传递到高温物体或从物体的低温部分传递到高温部分。5改变系统内能的两种方式：做功和热传递。做功和热传递都能改变系统的内能，这两种方式是等效的，都能引起系统内能的改变，但是它们还是有重要区别的。做功是系统内能与其它形式的能之间发生转化，而热传递只是不同物体（或物体不同部分）之间内能的转移。例1 如果铁丝的温度升高了，则（ ）A.铁丝一定吸收了热量 B.铁丝一定放出了热量 C.外界可能对铁丝做功 D.外界一定对铁丝做功例2 下列关于热量的说法，正确的是 （ ）A.温度高的物体含有的热量多 B.内能多的物体含有的热量多C.热量、功和内能的单位相同 D.热量和功都是过程量，而内能是一个状态量例3 有一个10m高的瀑布，水流在瀑布顶端时速度为2m/s，在瀑布底与岩石的撞击过程中，有10%的动能转化为水的内能，请问水的温度上升了多少摄氏度？已知水的比热容为4.2103 J/(kg) ，g取10m/s2 .基础训练1下面关于机械能和内能的说法正确的是 ( )A.机械能大的物体，内能一定也大 B.物体做加速运动时，速度越大，物体内部分子平均动能一定增大C.物体降温时，其机械能一定减少 D.摩擦生热是机械能向内能的转化2下列现象中，哪些是通过热传递的方式改变物体内能的 （ ）A.打开电灯开关，灯丝的温度升高，内能增加 B.夏天喝冰镇汽水来解暑C.冬天搓搓手，会感觉到手变得暖和起来 D.太阳能热水器在阳光照射下，水的温度逐渐升高 3做功和热传递是等效的，这里指的是 （ ）A.它们能使物体改变相同的温度 B.它们能使物体增加相同的热量C.它们能使物体改变相同的内能 D.它们本质上是相同的4关于物体的内能，以下说法正确的是 （ ）A.物体的内能是由物体的状态（温度和体积）决定的 B.物体的内能就是物体里所有分子的动能的总和C.物体内能的大小可以用物体吸热和放热的多少来量度 D.做功和热传递，对改变物体的内能是等效的5对于热量、功、内能三个量，下列说法中正确的是 （ ）A.热量、功、内能三个量的物理意义是等同的 B.热量和功二者可作为物体内能的量度C.热量、功和内能的国际单位都相同 D.热量和功是由过程决定的，而内能是由物体的状态决定的第二节 热力学第一定律 & 第三节能量守恒定律1.热力学第一定律（1）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。这个关系叫做热力学第一定律。其数学表达式为：U=W+Q（2）与热力学第一定律相匹配的符号法则做功W热量Q内能的改变U取正值“+”外界对系统做功系统从外界吸收热量系统的内能增加取负值“”系统对外界做功系统向外界放出热量系统的内能减少（3）热力学第一定律说明了做功和热传递是系统内能改变的量度，没有做功和热传递就不可能实现能量的转化或转移，同时也进一步揭示了能量守恒定律。（4）应用热力学第一定律解题的一般步骤：根据符号法则写出各已知量（W、Q、U）的正、负；根据方程U=W+Q求出未知量；再根据未知量结果的正、负来确定吸热、放热情况或做功情况。2.能量守恒定律自然界存在着多种不同形式的运动，每种运动对应着一种形式的能量。不同形式的能量之间可以相互转化。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另一种形式，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。这就是能量守恒定律。(4)热力学第一定律、机械能守恒定律都是能量守恒定律的具体体现。(5)能量守恒定律适用于任何物理现象和物理过程。(6)能量守恒定律的重要意义第一，能量守恒定律是支配整个自然界运动、发展、变化的普遍规律，学习这个定律，不能满足一般理解其内容，更重要的是，从能量形式的多样化及其相互联系，互相转化的事实出发去认识物质世界的多样性及其普遍联系，并切实树立能量既不会凭空产生，也不会凭空消失的观点，作为以后学习和生产实践中处理一切实际问题的基本指导思想之一。第二，宣告了第一类永动机的失败。3.第一类永动机不可能制成任何机器运动时只能将能量从一种形式转化为另一种形式，而不可能无中生有地创造能量，即第一类永动机是不可能制造出来的。例1.一定量的气体在某一过程中，外界对气体做了8104J的功，气体的内能减少了1.2105J，则下列各式中正确的是 （ ）A.W=8104J，U =1.2105J ，Q=4104J B.W=8104J，U =1.2105J ，Q=2105J C.W=8104J，U =1.2105J ，Q=2104J D.W=8104J，U =1.2105J ，Q=4104J例2.一定质量的气体，在压缩过程中外界对气体做功300J，但这一过程中气体的内能减少了300J，问气体在此过程中是吸热还是放热？吸收（或放出）多少热量？例3. 一定质量的气体从外界吸收了4.2105J的热量，同时气体对外做了6105J的功，问：（1）物体的内能是增加还是减少？变化量是多少？（2）分子势能是增加还是减少？（3）分子的平均动能是增加还是减少？基础训练1关于物体内能的变化，以下说法正确的是 （ ）A.物体吸热，内能一定增大 B.物体对外做功，内能可能增大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2自由摆动的秋千摆动幅度越来越小，下列说法正确的是 （ ）A.秋千的机械能守恒 B.秋千的能量正在消失C.只有动能和重力势能的相互转化 D.减少的机械能转化为内能，但总能量守恒3下列各物体在所经历的过程中，内能增加的有 ( )A.在光滑斜面上由静止释放而下滑的物体 B.水平飞行并射穿木块的子弹C.在绝热的条件下被压缩的气体 D.在光滑水平面上运动的两个小球，碰撞后以共同的速度运动4在热力学第一定律的表达式U=W+Q中关于U、W、Q各个物理量的正、负，下列说法中正确的是 （ ）A.外界对物体做功时W为正，吸热时Q为负，内能增加时U为正B.物体对外界做功时W为负，吸热时Q为正，内能增加时U为负C.物体对外界做功时W为负，吸热时Q为正，内能增加时U为正D.外界对物体做功时W为负，吸热时Q为负，内能增加时U为负5对于在一个大气压下100的水变成100的水蒸气的过程中，下列说法正确的是 （ ）A.水的内能增加，对外界做功，一定是吸热 B.水的内能不变，对外界做功，从外界吸热C.水的内能减少，对外界不做功，向外界放热 D.水的内能增加，对外界做功，向外界放热6为使一个与外界保持良好热交换状态的物体的内能能够明显变化，以下方法可行的是（）A.以较大的功率对物体做功B. .以较小的功率对物体做功C.该物体以较大的功率对外做功D. 该物体以较小的功率对外做功1/VP.CBA7如图所示是一定质量的理想气体从状态A经B至C的P图线，则在此过程中（）A.气体的内能改变B.气体的体积增大C.气体向外界放热D.气体对外界做功 8从10m高空由静止开始下落的水滴，在下落的过程中，水滴重力势能的40转化为水的内能使水的温度升高，则水滴落下后温度升高多少？水的比热容c=4.2103J/（kg）9一个透热良好的气缸，缸壁浸在盛水的容器中，迅速下压活塞，压缩中对气体做了2000J的功，稳定后使容器中2千克的水温度升高了0.2，假设盛水容器绝热。问：压缩前后缸内气体的内能变化了多少？第四节 热力学第二定律1.可逆与不可逆过程（1）热传导的方向性热传导的过程可以自发地由高温物体向低温物体进行，但相反方向却不能自发地进行，即热传导具有方向性，是一个不可逆过程。(2)说明：“自发地”过程就是在不受外来干扰的条件下进行的自然过程。热量可以自发地从高温物体传向低温物体，热量却不能自发地从低温物体传向高温物体。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”，就是要由外界对其做功才能完成。2.热力学第二定律的两种表述克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传递到高温物体。开尔文表述：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。3.热机热机是把内能转化为机械能的装置。其原理是热机从热源吸收热量Q1，推动活塞做功W，然后向冷凝器释放热量Q2。由能量守恒定律可得：Q1=W+Q2我们把热机做的功和它从热源吸收的热量的比值叫做热机效率，用表示，即=W/Q *100%4.第二类永动机.设想：只从单一热源吸收热量，使之完全变为有用的功而不引起其他变化的热机。.第二类永动机不可能制成，表示尽管机械能可以全部转化为内能，但内能却不能全部转化成机械能而不引起其他变化；机械能和内能的转化过程具有方向性。例1 下列所述过程是可逆的，还是不可逆的？A.气缸与活塞的组合内装有气体，当活塞上没有外加压力，活塞与气缸间没有摩擦，气体缓慢地膨胀时；B.上述装置，当活塞上没有外加压力，活塞与气缸上摩擦很大，使气体缓慢地膨胀时；C.上述装置，没有摩擦，但调整外加压力，使气体能缓慢地膨胀时；D.在一绝热容器内盛有液体，不停地搅动它，使它温度升高；E.在一传热容器内盛有液体，容器放在一恒温的大水池内，液体不停地搅动，可保持温度不变；F.在一绝热容器内，不同温度的液体进行混合；G.在一绝热容器内，不同温度的氦气进行混合；例2 一种冷暖两用型空调，铭牌标注：输入功率1kW，制冷能力1.2104kJ/h，制热能力1.3104kJ/h。这样，该空调在制热时，每消耗1J电能，将放出3J多热量。是指标错误还是能量不守恒？基础训练1.下列关于能量转化的说法中，正确的是 （ ）A.机械能可以转化为内能，但内能不能转化为机械能 B.机械能可以转化为内能，内能也能转化为机械能C.机械能不可以转化为内能，但内能可以转化为机械能D.机械能可以转化为内能，但内能不能全部转化为机械能，同时不引起其他变化2.关于第二类永动机，下列说法正确的是 （ ）A.它既不违反热力学第一定律，也不违反热力学第二定律B.它既违反了热力学第一定律，也违反了热力学第二定律C.它不违反热力学第一定律，只违反热力学第二定律D.它只违反热力学第一定律，不违反热力学第二定律3.下列关于热机的说法中，正确的是（ ）A.热机是把内能转化成机械能的装置B热机是把机械能转化为内能的装置.C.只要对内燃机不断进行革新，它可以把气体的内能全部转化为机械能D.即使没有漏气，也没有摩擦等能量损失，内燃机也不能把内能全部转化为机械能4.下列说法中正确的是（ ）A.一切涉及热现象的宏观过程都具有方向性B.一切不违背能量守恒与转化定律的物理过程都是可以实现的C.由热力学第二定律可以判断物理过程能否自发进行D.一切物理过程都不可能自发地进行5.第二类永动机不可能制造出来的原因是因其工作原理违背（ ）A.热力学第一定律 B.能的转化与守恒定律 C.热力学第二定律 D.上述三个定律6.热量会自发地从 物体传到 物体，而不能自发地从 物体传到 物体，这就是热传导的 性。7.设想有这样一种热机，它没有冷凝器，只有第一热源，它从第一热源吸收的热量全部用来做功，而不引起其它变化，设想中的这种热机叫 ，它 制成（填“能”或“不能”）热力学第二定律的微观解释1.有序和无序有序：只要确定了某种规则，符合这个规则的就叫做有序。无序：不符合某种确定规则的称为无序。无序意味着各处都一样，平均、没有差别，有序则相反。有序和无序是相对的。2.宏观态和微观态宏观态：符合某种规定、规则的状态，叫做热力学系统的宏观态。微观态：在宏观状态下，符合另外的规定、规则的状态叫做这个宏观态的微观态。系统的宏观态所对应的微观态的多少表现为宏观态无序程度的大小。如果一个“宏观态”对应的“微观态”比较多，就说这个“宏观态”是比较无序的，同时也决定了宏观过程的方向性从有序到无序。3.热力学第二定律的微观意义一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行。4.熵和系统内能一样都是一个状态函数，仅由系统的状态决定。从分子运动论的观点来看，熵是分子热运动无序(混乱)程度的定量量度。一个系统的熵是随着系统状态的变化而变化的。在自然过程中，系统的熵是增加的。在绝热过程或孤立系统中，熵是增加的，叫做熵增加原理。对于其它情况，系统的熵可能增加，也可能减小。从微观的角度看，热力学第二定律是一个统计规律：一个孤立系统总是从熵小的状态向熵大的状态发展，而熵值较大代表着较为无序，所以自发的宏观过程总是向无序程度更大的方向发展。例1 一个物体在粗糙的平面上滑动，最后停止。系统的熵如何变化？第五节 能源和可持续发展1.能量耗散：系统的内能流散到周围环境中，没有办法把这些内能收集起来加以利用，这种现象叫做能量耗散。2.品质降低：能量从高度有用的形式降级为不大可用的形式叫品质降低。能量在利用过程中，总是由高品质的能量最终转化为低品质的内能。3.能源：能源是指能够提供可利用能量的物质，它是现代社会生活的重要物质基础。常规能源：指已被广泛应用的能源，如煤、石油、天然气、水力等。4.能源危机与环境污染(1)近一百年，地球人口由16亿增加到目前的50亿，净增了2倍多，而能源消耗据统计却增加了16倍。按目前的消耗量，专家预测石油、天然气最多只能维持半个世纪，煤炭尚可维持一二百年。(2)能源利用的过程也直接污染着地球环境温室效应：化石燃料燃烧放出的大量二氧化碳，使大气中二氧化碳的含量大量增高，导致“温室效应”，造成地面温度上升，两极的冰雪融化，海平面上升，淹没沿海地区等不良影响。酸雨污染：排放到大气中的大量二氧化硫和氮氧化物等在降水过程中溶入雨水，使其形成酸雨，酸雨进入地表、江河，破坏土壤，影响农作物生长，使生物死亡，破坏生态平衡。同时腐蚀建筑结构、工业装备、动力和通讯设备等，还直接危害人类健康。臭氧层的破坏：臭氧层的存在对吸收紫外线方面起着举足轻重的作用，一旦臭氧层遭到破坏，对生物有害的紫外线会毫无遮拦地照射到地面上，会提高皮肤癌和白内障的发病率，也会影响我们的免疫系统。同时对不同生态系统中生物的生长、发育、繁殖、分布和生物地球化学循环都会造成一系列危害。5.新能源的开发（1）新能源：指目前尚未被人类大规模利用而有待进一步研究、开发和利用的能源，如核能、太阳能、风能、地热能、海洋能、氢能等。（2）无穷无尽的太阳能：太阳以其巨大的、无穷无尽的辐射能形式提供地球最清洁的能源能。数量巨大：太阳辐射功率为3.91026瓦。能到达地球表面的太阳能每年约为1.31010吨标准煤，是目前全世界所消耗的各种能量总和的1104倍。时间长久：根据天文学的研究结果，可知太阳系已存在大约5109年左右，估计尚可继续维持大约1010年之久。清洁安全：太阳能素有“干净能源”和“安全能源”之称，它不仅毫无污染，也毫无危险。6.永葆青春的风能：风能是由于太阳辐射造成地球各部分受热不均匀，而引起的空气流动所产生的能量。整个地球接受到的太阳能辐射能约有0.2%被转换成风能，全球的风能总量估计有1.61022J。这是一个巨大的潜在的能源宝库，如果1%被利用，即可满足人类对能量的全部需求。7.丰富干净的海洋能：包括潮汐能、波浪能、海流能、温差能等，它们不仅可以再生，还具有不污染环境的优点。据科学家估计，世界海洋能源总量为40多万亿千瓦，这些能量超过目前世界能源消费的一万倍，如果开发出其中一小部分，即可满足人类对能源的全部需求。8.深藏不露的地热能：地球本身是一个巨大的天然储热库。地热能指地球内部可释出来的热量。据估计，从地球内部每年传到地球表面的热量，相当于370亿吨标准煤燃烧时所放出的热量。9.未来能源的希望核能：在当前开发和利用的新能源中，核能尤其重要。核能包括裂变能和聚变能，其中受控热核聚变的原料氘和氚可取自海洋，足够人类使用几十亿年，是取之不尽的能源。例1 某地的平均风速为5m/s，已知空气密度是1.2kg/m3，有一风车，它的车叶转动时可形成半径为12m的圆面，如果这个风车能将此圆内10%的气流的动能转变为电能，则该风车带动的发电机功率是多大？基础训练1.能源可划为一级能源和二级能源。自然界以现成形式提供的能源称为一级能源；需要依靠其他能源的能量间接制取的能源称为二级能源。氢气是一种高效而没有污染的二级能源，它可以由自然界中大量存在的水来制取：2H2O=2H2+O2-517.6，下列叙述正确的是（ ）A.电能是二级能源 B.水力是二级能源 C.天然气是一级能源 D.焦炉气是一级能源2.下面的叙述中正确的是（ ）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，而不引起其他变化所谓“能源”，指的就是能够提供可利用能量的物质能量耗散是从能量转化的角度反映出自然界中的宏观过程具有的方向性A. B. C. D.3.常规能源的利用带来很多环境问题，如煤和石油的燃烧会产生大量的二氧化碳，其主要危害是 。4.煤在燃烧时产生的二氧化硫等物质对环境的主要危害是 。达标测评一.选择题：（每题4分，计56分）1.把浸有乙醚的一小块棉花放在厚玻璃筒的底部，当快速下压活塞时，由于被压缩的空气骤然变热，温度升高，达到乙醚的燃点，使浸有乙醚的棉花燃烧起来，此实验的目的是要说明（ ）A.做功可以升高物体的温度 B.做功可以改变物体的内能C.做功一定可以增加物体的内能 D.做功可以增加物体的热量2.下列关于永动机的说法中正确的是（ ）A.第一类永动机违反了能量守恒定律 B.第一类永动机违反了热力学第一定律C.第二类永动机违反了能量守恒定律 D.第二类永动机违反了热力学第二定律3.以下过程不可能发生的是（ ）A.对物体做功，同时物体放热，物体的温度不变 B.对物体做功，同时物体吸热，物体的温度不变C.物体对外做功，同时放热，物体的内能不变 D.物体对外做功，同时吸热，物体的内能不变4.下面设想符合能量守恒定律的是（ ）A.利用永久磁铁间的作用力造一台永远转动的机器 B.做成一条船利用河水的能量逆水航行C.通过太阳照射飞机使飞机起飞 D.不用任何燃料使河水升温5.下列有关物体内能改变的判断中，正确的是（ ）A.外界对物体做功，物体的内能一定增加 B.外界和物体传递热量，物体的内能一定增加C.物体对外界做功，物体的内能可能增加 D.物体向外放热，物体的内能可能增加AKB6.如图所示容器中，A、B各有一个可自由移动的轻活塞，活塞下面是水，上面为空气，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。原先A中的水面比B中高，打开阀门，使A中的水逐渐向B中流，最后达到平衡。在这个过程中（ ）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 7.如图102所示，直立容器内部有被隔板隔开的A、B两部分气体，A的密度小，B的密度较大，抽去隔板，加热气体，使两部分气体均匀混合，设在此过程气体吸热Q，气体内能增量为E，则（ ）ABA. E=Q B. EQ C. EQ D.无法比较 8.一木块沿斜面向下滑，下列说法正确的是（ ）A.不管斜面是否光滑，下滑过程中重力对木块做了功，它的内能将增大B.若斜面光滑且不计空气阻力，木块滑到斜面底部时，速度增大，内能也将增大C.若斜面粗糙，木块在重力作用下虽速度增大，但它的内能并不改变D.若斜面粗糙，木块的机械能减小，而它的内能将增大9.物体在水平面上运动，当它的速度由9m/s减小到7m/s的过程中，内能增量是某个定值，如果物体继续运动，又产生相等内能增量，这时物体速度应是 （ ）A.5.66m/s B.4.12m/s C.5m/s D.3m/s10.以下说法正确的是 （ ）A.电冰箱内的食品温度比室内温度低，说明在一定条件下热传导也可以由低温物体向高温物体进行B.内能可以转化为机械能C.能量的耗散否定了能量的转化与守恒定律D.能量的耗能说明自然界的宏观过程有方向性11.一个带活塞的气缸内盛有一定量的气体，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