2011高三物理一轮复习 8.2 热力学定律气体精品课件

第2课时热力学定律气体 一 物体的内能1 分子的平均动能 物体内所有 是分子平均动能的唯一标志 温度越高 分子的平均动能就越大 温度是大量分子热运动的平均效果的反映 具有统计意义 对个别分子而言 温度没有意义 分子动能的平均值 温度 2 分子的势能 由分子间的 决定的能 分子势能的大小与分子间的距离有关 3 物体的内能 物体内 做热运动的动能和分子势能的总和叫做物体的内能 相互作用和相对位置 所有分子 注意 对理想气体而言 由于忽略了分子间的相互作用力 因而忽略了分子间相互作用的势能的变化 二 物体内能的改变 热力学定律1 改变内能的两种方式 做功和热传递在改变物体内能上是等效的 但有着本质的区别 热传递是内能的转移过程 做功是其他形式的能量转化为内能的过程 做功和热传递 2 热力学第一定律 如果外界既向物体传热又对物体做功 那么物体内能的增加量就等于外界对物体所做的功加上物体从外界吸收的热量 表达式为 U Q W 3 能量守恒定律 能量即不会凭空产生 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 能量守恒定律是自然界普遍适用的规律之一 是研究自然科学的强有力的武器之一 总量不变 4 热力学第二定律的两种表述 表述一为 不可能使热量由低温物体传递到高温物体 而不引起 按热传导的方向性表述 表述二为 不可能从单一热源吸收热量并把它全部 而不引起其他变化 按机械能和内能转化过程的方向性表述 热力学第二定律揭示了自然界中进行的涉及 的宏观过程都具有方向性 其他变化 用来做功 热现象 5 热力学第三定律 不可达到 6 永动机不可能制成 1 第一类永动机 概念 而能对外做功的机器 结果 无一例外地归于失败 原因 违背了 绝对零度 不消耗能量 能的转化和守恒定律 2 第二类永动机 定义 只是从 并把它全部用来做功 而不引起其他变化的热机 第二类永动机不可能制成 因为热机的效率不可能100 3 能量耗散 自然界的能量是守恒的 但是有的能量便于利用 有些能量不便于利用 很多事例证明 我们无法把流散的内能重新收集起来加以利用 这种现象叫做能量的耗散 它从能量转化的角度反映出自然界中的宏观现象具有 单一热源吸收热量 方向性 三 气体的状态参量1 温度 1 两种意义 宏观上表示物体的冷热程度 微观上标志着分子热运动的 它是物体分子平均动能的标志 2 两种温标 摄氏温标t 单位为单位 在1个标准大气压下 水的冰点作为 沸点作为 激烈程度 0 100 热力学温标T 单位K 开尔文 把 273 15 作为0K 0K是 它表示所有分子都停止了热运动 可以无限接近 但永远不能达到 两种温度的关系 和 T t 要注意两种单位制下每一度的间隔是相同的 低温的极限 T t 273 15 K 2 体积 气体总是充满它所在的容器 所以气体的体积总是等于盛装气体的容器的容积 3 压强 气体的压强是由于气体分子 而产生的 压强的国际单位是帕 符号 常用的单位还有标准大气压 atm 和毫米汞柱 mmHg 它们间的关系是 1atm 1 013 105Pa 760mmHg 1mmHg 133 3Pa 频繁碰撞器壁 Pa 四 气体的压强 体积和温度间的关系1 一定质量的气体 在温度不变时 体积增大 2 一定质量的气体 在体积不变时 温度升高 3 一定质量的气体 在压强不变时 温度升高 压强减小 压强增大 体积增大 一 内能1 对内能的理解 1 内能是一个宏观量 只有对由大量分子组成的宏观物体 才有内能可言 对个别分子谈内能是没有意义的 2 内能是个状态量 内能只能与某一时刻或某一状态相对应 3 影响内能的因素从微观上看 内能由分子的平均动能 分子的势能和物体内部的分子总数决定 从宏观上看 由物质的质量 温度和体积三者共同决定 但与物体宏观的机械运动状态无关 2 内能与机械能的区别内能是物质内部分子由于热运动和相互作用而具有的能量 机械能是物体整体参与机械运动而具有的能量 它们是完全不同的能量形式 物体可以同时具有内能和机械能 也可以只有内能而机械能为零 但内能永远不可能为零 物体在机械运动中具有的动能和势能的多少与内能无关 做功可以使物体的机械能与内能发生转化 即机械能的增加 减少 常与内能的减少 增加 紧密相关 做功是产生这种转化的手段 3 内能与热量 内能的改变的区别内能是物体的状态量 它是物体在某一状态某一时刻所具有的一种能量 热量是过程量 它是在某一段过程中物体之间发生热交换的那一部分能量 热量是物体在热传递的过程中其内能 热能 改变量的量度 在只发生热传递的过程中 物体吸收 放出 多少热量 其内能就增加 减少 多少 热量不属于哪一个物体 它量度的是流通量 交换量 说某一物体具有多少热量 就如同说某一物体具有多少功一样不正确 热传递时 热量一定是由温度高的物体传给温度低的物体 而与其他任何因素无关 内能的改变是过程量 它可以由做功和热传递来量度 二 热力学第二定律1 热力学第二定律的理解热力学第二定律的两种表述都有 而不引起其他变化 这是我们理解这一定律的关键 表述一说明热传导的过程是有方向性的 这个过程可以向一个方向自发地进行 但是向相反的方向不会自发进行 要实现相反方向的过程 必须借助外界帮助 因而产生了其他影响或引起其他变化 也就是说在引起了其他变化的情况下 热量也可以从低温物体传到高温物体 同理 机械能和内能的转化过程具有方向性 机械能可以全部转化成内能 内能也可以全部转化成机械能 而引起其他变化 2 与热力学第一定律的区别热力学第一定律和热力学第二定律是构成热力学知识的理论基础 热力学第一定律是跟热现象有关的物理过程中能量守恒定律的特殊表达形式 它说明功 热量与内能改变之间的定量关系 指出在任何热力学过程中能量不会有任何增加或损失 热力学第二定律指出了能量转化与守恒能否实现的条件和过程进行的方向 它说明一切与热现象有关的实际宏观过程是不可逆的 热力学第二定律解决哪些过程可以发生 揭示了自然界中进行的涉及热现象的宏观过程的不可逆性 是对热力学第一定律的进一步补充 热力学第一定律和热力学第二定律从不同角度揭示了与热现象有关的物理过程所遵循的规律 二者相互独立 又相互补充 都是热力学的理论基础 3 热力学第二定律的实质热力学第二定律的任何一种表述 都揭示了大量分子参与的宏观过程的方向性 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 即一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的 因此两种不同的表述是等价的 三 气体分子运动的特点1 气体分子间的距离大约是分子直径的10倍 分子间的作用力十分微弱 通常认为 气体分子除了相互碰撞或碰撞器壁外 不受力的作用 2 每个气体分子的运动是杂乱无章的 但对大量分子的整体来说 分子的运动是有规律的 分子数表现出 中部多 两头少 的统计规律 所以研究的方法是统计方法 气体分子的速率分布规律遵从统计规律 在一定温度下 某种气体的分子速率分布是确定的 可以求出这个温度下该种气体分子的平均速率 3 理想气体与实际气体从宏观上讲 理想气体就是严格遵守气体三个实验定律的气体 从微观上讲 气体分子的大小与气体分子间的距离比较可以忽略不计 气体分子看成弹性小球 它们相撞或与器壁相撞时 遵守能量守恒和动量守恒 分子间除碰撞的瞬间外 分子间相互作用不考虑 分子所受重力也忽略不计 理想气体的内能只考虑分子平均动能 分子势能不考虑 一定质量的理想气体内能U只是温度的函数 实际气体温度跟室温相比不太低 压强跟大气压相比不太大的情况下可视为理想气体 四 气体压强1 产生原因 气体的压强是大量分子频繁碰撞器壁产生的 2 决定压强的大小的因素 从微观上看 气体压强由分子的平均动能和单位体积的分子数 即气体分子的密集程度 决定 因为平均动能越大 分子撞击器壁时对器壁产生的作用力越大 气体的压强越大 气体分子越密集 每秒撞击器壁单位面积的分子数越多 气体的压强越大 从宏观上看 气体压强的大小由温度和体积决定 因为温度是分子平均动能的标志 气体压强在微观上与分子的平均动能有关 所以气体压强一定与温度有关 一定质量的气体 体积越小 分子越密集 所以气体压强与体积有关 3 气体的压强与大气压的区别气体的压强是由于气体分子频繁碰撞器壁而产生的 压强的大小跟两个因素有关 1 气体分子的平均动能 2 分子的密集程度 一般情况下不考虑气体本身的重量 所以同一容器内气体的压强处处相等 但大气压在宏观上可以看成是大气受地球吸引而产生的重力而引起的 例如在估算地球大气的总重量时可以用标准大气压乘以地球表面积 一 热力学第一定律的应用和分析方法1 热力学第一定律的表达式 U W Q 揭示了能的转化和守恒定律 在实际中具有很广泛的应用 在运用 U W Q来分析问题时 首先必须理解表达式的物理意义 掌握它的符号法则 1 外界对物体做功 W取正值 物体对外界做功 W取负值 2 物体吸热 Q取正值 物体放热 Q取负值 3 物体内能增加 U取正值 物体减少 U取负值 如果事先不便确定其正负 可以先假定它为正 在定量计算出结果后再作出判断 若大于零 说明与原假定的相同 为负则相反 必须指出的是 一般来说系统对外界做功 表现出系统体积膨胀 外界对系统做功 系统体积则被压缩 但在某些特定条件下 例如气体自由膨胀 外界为真空 时 气体就没有克服外力做功 另外 在判断内能变化时 还必须结合物态变化以及能的转化与守恒 2 应用热力学第一定律解题的步骤 1 确定研究对象 就是要明确内能变化的是哪一个物体或哪一个热力学系统 2 定性分析研究对象的内能变化是由外界哪些物体或系统通过哪些过程引起的 3 根据符号法则 确定 U Q W的正负号 代入公式 U W Q进行计算 下列说法中正确的是 A 物体吸热后温度一定升高B 物体温度升高一定是因为吸收了热量C 0 的冰化为0 的水的过程中内能不变D 100 的水变为100 的水蒸汽的过程中内能增大 解析 吸热后物体温度不一定升高 例如冰融化为水或水沸腾时都需要吸热 而温度不变 这时吸热后物体内能的增加表现为分子势能的增加 所以A不正确 做功也可以使物体温度升高 例如用力多次来回弯曲铁丝 弯曲点铁丝的温度明显升高 这是做功增加了物体的内能 使温度上升 所以B不正确 冰化为水时要吸热 内能中的分子动能不变 但分子势能增加 因此内能增加 所以C不正确 水沸腾时要吸热 内能中的分子动能不变但分子势能增加 所以内能增大 D正确 答案 D 1 下列说法中正确的是 A 温度相同时 不同物质的分子平均动能相同B 温度相同时 不同物质的分子平均速率相同C 热量 功 内能三者的物理意义不同D 热量和功都可以作为物体内能的量度 解析 温度是分子平均动能的标志 选项A正确B错误 热量和功是改变物体内能的两种方式 所以可以量度内能的改变 但不能量度内能 内能是状态量 三者的物理意义不同 所以选项C对而D错 答案 AC 二 运用能的转化与守恒定律解题的方法能量守恒定律是自然界普遍适用的规律之一 是研究自然科学的强有力的武器之一 定律的数学表达式一般为恒量式和增量式两类 1 恒量式 E1 E2 即转化前各种形式 或各个物体 能量的总和E1等于转化后各种形式 或各个物体 能量的总和E2 2 增量式 E增 E减 即一些形式 或一些物体 能量的增加量等于另一些形式 或另一些物体 能量的减少量 当问题中没有涉及全部参与转化的能量或参与能量转化的全部物体时 则用含能量转化效率的表达式 E1 E2或 E增 E减 在应用能的转化与守恒定律解决问题时 关键是分析清楚能量转化的形式和转化的方向 问题中有哪些形式的能量参与了转化 它们的转化各对应着什么样的做功过程 同时 要善于应用动能定理 动量守恒定律 牛顿运动定律等力学知识来分析能量转化的过程和做功的过程 其次 要选好定律的数学表达式 使列出的方程最简明 最后要统一单位 如右图所示 厚壁容器的一端通过胶塞插进一支灵敏温度计和一根气针 另一端有个用卡子卡住的可移动胶塞 用打气筒慢慢向容器内打气 使容器内的压强增大到一定程度 这时读出温度计示数 打开卡子 胶塞冲出容器口后 A 温度计示数变大 实验表明气体对外界做功 内能减少B 温度计示数变大 实验表明外界对气体做功 内能增加C 温度计示数变小 实验表明气体对外界做功 内能减少D 温度计示数变小 实验表明外界对气体做功 内能增加 解析 本题考查了做功与气体内能变化的关系 由于系统是个密闭的厚壁容器 当外界对容器内部打气时 使得内部的压强增大温度升高 此时温度计的示数较原来升高 当打开卡子后气体体积膨胀 对外界做功 使得气体的内能减少温度降低 故温度计读数变小 C正确 答案 C 2 如图所示为焦耳实验装置图 用绝热性能良好的材料将容器包好 重物下落带动叶片搅拌容器里的水 引起水温升高 关于这个实验 下列说法正确的是 A 这个装置可测定热功当量B 做功增加了水的热量C 做功增加了水的内能D 功和热量是完全等价的 无区别 解析 做功和传递热量都可以使物体的内能发生改变 焦耳实验中是通过做功来增加水的内能 所以选项C正确 就物体内能的改变来说 做功和热传递是等效的 这是研究热功当量的前提 通过焦耳实验可测定热功当量 所以选项A正确 一个物体的内能是无法测量的 而在某种过程中物体内能的变化却是可以测定的 热量就是用来测定内能变化的一个物体量 所以选项B和D都错 答案 AC 三 封闭气体压强的计算方法1 求解思路 选取与气体接触的液柱 或活塞 气缸 为研究对象 进行受力分析 再根据运动状态列出相应的平衡方程或运用牛顿第二定律列式 从而求出压强 2 气体压强的计算常要用到以下知识 1 若液面与外界大气相接触 液面下h深处的压强p p0 gh h为竖直深度 2 与外界相通时 容器内的压强等于外界大气压 用细管相连通的两容器 平衡时两边气体的压强相等 3 连通器原理 在连通器中 同一种液体 中间不间断 的同一水平面上压强相等 4 帕斯卡定律 加在密闭 静止液体 或气体 上的压强 能够大小不变地由液体 或气体 向各个方向传递 如右图所示 一个壁厚可以不计 质量为M的气缸放在光滑的水平地面上 活塞的质量为m 面积为S 内部封有一定质量的气体 活塞不漏气 摩擦不计 外界大气压强为p0 若在活塞上加一水平向左的恒力F 不考虑气体温度的变化 求气缸和活塞以共同加速度运动时 缸内气体的压强多大 解析 设稳定时气体和活塞共同以加速度a向左做匀速运动 这时缸内气体的压强为p 分析它们的受力情况 分别列出它们的运动方程为气缸 pS p0S Ma 活塞 F p0S pS ma 3 如下图所示 活塞封闭的容器中装有一定量的气体 活塞与容器内壁无摩擦 现先后将容器按甲 乙 丙三种方式旋转 则稳定时 甲 乙 丙三种状态下被封闭气体的压强有 A p甲 p乙 p丙B p甲 p乙 p丙C p甲 p丙 p乙D p甲p乙 p丙 所以选项A正确 答案 A 2009年高考广东卷 某同学做了一个小实验 先把空的烧瓶放入冰箱冷冻 一小时后取出烧瓶 并迅速把一个气球紧密地套在瓶颈上 然后将烧瓶放进盛满热水的烧杯里 气球逐渐膨胀起来 如右图 这是因为烧瓶里的气体吸收了水的 温度 体积 命题研究 答案 热量升高增大 这道题的情境源于生活 从生活常见现象立意 考查热力学定律的定性分析 将物理知识自然地融入了生活 很好地体现了 从生活走向物理 从物理走向生活 这一学习物理的宗旨和新课程理念 2009年高考重庆卷 密闭有空气的薄塑料瓶因降温而变扁 此过程中瓶内空气 不计分子势能 A 内能增大 放出热量B 内能减小 吸收热量C 内能增大 对外界做功D 内能减小 外界对其做功 解析 由于瓶内空气不计分子势能 故可将它看做理想气体 内能只与温度有关 当降温时 内能减小 又由于瓶子变扁 故外界对气体做正功 所以D正确 内能减小 外界对气体做正功 故根据热力学第一定律 U W Q可知Q 0 即气体一定放出热量 答案 D 1 容积不变的容器内封闭着一定质量的理想气体 当温度升高时 A 每个分子的速率都增大B 单位时间内气体分子撞击器壁的次数增多C 气体分子密度增大D 气体分子在单位时间内 作用于单位面积器壁的总冲击力增加 解析 温度升高时气体分子的平均动能增大 但分子频繁地碰撞中每个分子的速率都在不断变化 可能变大也可能变小 A错 因容积不变 所以分子的密度不变 C错 温度升高 体积不变 气体的压强增大 分子的平均速率增大 单位时间内气体分子撞击器壁的次数增多 单位时间内作用于单位面积器壁的总冲击力增加 答案 BD 2 将一挤瘪的不漏气的乒乓球放于热水中 一段时间后乒乓球恢复为球形 在此过程中 下列说法正确的是