课时热力学定律与能量守恒.ppt

1、一、改变内能的两种方式 1.改变内能的两种方式是_和_. 2.做功和热传递改变内能是_的,但做功是能量的 _,而热传递是_. 二、能量转化与守恒 1.热力学第一定律 (1)内容：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功的和。,第3课时 热力学定律与能量守恒,考点自清,做功,热传递,等效,转化,转移,(2)公式:U=W+Q 2.热力学第二定律 表述一:_ 热传导的方向性. 表述二:_ _机械能和内能转化过 程的方向性.,热量不能自发地从低温物体传到高温物体,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.能量守恒定律 能量既不会凭空产生,也不会凭空消失，

2、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. 4.永动机 由能量守恒定律知,_永动机不可能制成. 由热力学第二定律知,_永动机不可能制成. 5.能源与环境 (1)常规能源:_，常规能源带来 环境污染问题,如温室效应、酸雨、光化学烟雾等. (2)新能源的开发:风能、水能、太阳能、沼气、核 能等.,第一类,第二类,煤、石油、天然气,热点一 改变物体内能的两种方式的比较,热点聚焦,特别提示 1.要使物体改变同样的内能，通过做功或者热传递 都可以实现,若不知道过程,我们无法分辨出是做功还 是热传递实现的这种改变. 2.做功是宏观的机械运动向物体的

3、微观分子热运动 的转化.热传递则是通过分子之间的相互作用,使不同 物体间分子热运动变化,是内能的转移.前者能的性质 发生了变化,后者能的性质不变. 3.物体的内能增加与否,不能单纯地只看做功或热传 递,两个过程需要全面考虑.,热点二 对热力学第一定律的理解 1.热力学第一定律不仅反映了做功和热传递这两种方 式改变内能的过程是等效的,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. 2.对公式U=Q+W符号的规定,3.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

4、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. 特别提示 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.,热点三 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

5、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:,(1)高温物体 低温物体 (2)功 热 (3)气体体积V1 气体体积V2(较大) (4)不同气体A和B 混合气体AB,热量Q能自发传给 热量Q不能自发传给,能自发地完全转化为 不能自发地且不能完全转化为,能自发膨胀到 不能自发收缩到,能自发混合成 不能自发分离成,特别提示 热量不可能自发地从低温物体传到高温物体，但在 有

6、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.,题型1 热力学第一定律的应用 【例1】一定质量的气体，在从一个状态变化到另一 个状态的过程中,吸收热量280 J,并对外做功120 J. 试问: (1)这些气体的内能发生了怎样的变化? (2)如果这些气体又返回原来的状态，并放出了 240 J热量，那么在返回的过程中是气体对外界做 功,还是外界对气体做功?做功多少?,题型探究,思路点拨 求解此题应把握以下两点: (1)用热力学第一定律求解内能变化,注意热量Q、功 W的正负. (2)气体从末态到初态与从初态到末态

7、的U的大小 相同,结合热力学第一定律计算,并做出判断. 解析 (1)由热力学第一定律可得 U=W+Q=-120 J+280 J=160 J 内能增加了160 J (2)由于气体的内能仅与状态有关,所以气体从状态 回到状态过程中内能的变化应等于从状态到状 态过程中内能的变化,则从状态到状态的内能应 减少160 J,即U=-160 J,又Q=-240 J 根据热力学第一定律得U=W+Q 所以W=U-Q=-160 J-(-240 J)=80 J 即外界对气体做功80 J 答案 (1)增加了160 J (2)外界对气体做功80 J 1.当做功和热传递两种过程同时发生时, 内能的变化就是要用热力学第一定

8、律进行综合分析. 2.做功情况看气体的体积:体积增大,气体对外做功, W为负;体积缩小,外界对气体做功,W为正.若与外界 绝热,则不发生热传递,此时Q=0.,规律总结,变式练习1 一定质量的气体从外界吸收了4.2105 J 的热量,同时气体对外做了6105 J的功.问: (1)物体的内能增加还是减少?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? 解析 (1)因为气体从外界吸热,所以Q=+4.2 105 J,又因气体对外做功,所以W=-6105 J 由热力学第一定律:U=W+Q 有:U=W+Q=(-6105) J+(4.2105) J =-1.8105 J

9、 U为负,说明气体的内能减少了1.8105 J.,(2)因为气体对外做功,所以气体的体积膨胀,分子间 的距离增大了,分子力做负功,气体分子势能增加. (3)因为气体内能减少,同时气体分子势能增加,说明 气体分子的平均动能一定减少了. 答案 (1)减少 1.8105 J (2)增加 (3)减少,题型2 热力学第二定律的理解 【例2】图1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1,(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

10、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? 结合热力学第一定律、热力学第二定律的 相关知识进行研究分析.,思路点拨,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, 适用于所有的热学过程,故C正确,D错误.由热力学第 二定律可知,热量不能自发地从低温物体传给高温物 体,除非有外界的影响或帮助.电冰箱把热量从低温的 内部传到高温的外部,需要压缩机的帮助并消耗电能, 故应选B

11、、C. (2)由热力学第一定律可知,电冰箱从冰箱内吸收了热 量,同时消耗了电能,释放到外界的热量比从冰箱内吸 收的热量多. 答案 (1)BC (2)见解析,规律总结 涉及热力学第二定律的问题分析技巧: (1)理解热力学第二定律的实质,清楚热力学第二定律 的两种表述形式. (2)掌握热力学第二定律的一些等效说法.如:“第二类 永动机不可能制成”“不可能制成效率为百分之百的热 机”等.,变式练习2 图2甲是根据热力学第二定律的第一种 表述画出的示意图:外界对致冷机做功,使热量从低 温物体传递到高温物体,请你根据第二种表述完成 示意图乙.根据你的理解,热力学第二定律的实质是 什么？ 图2,答案 如下

12、图所示 实质:一切与热现象有关的宏观过程都具有方向性,题型3 热学问题与能量观点的结合 【例3】如图3所示,内壁光滑的圆柱形汽缸竖直固定 在水平地面上,汽缸开口向上,一面积为0.01 m2的 活塞密封了一定的空气,在活塞的上方竖直固定一 支架,在支架的O点通过细线系一质量为m=8 kg的 球,球心到O点的距离为L=2 m.活塞与支架的总质 量为M=12 kg,已知当地的重力加速度g=10 m/s2,大 气压强p0=1.0105 Pa,汽缸和活塞都是绝热的.现 将细线拉直到水平,稳定后由静止释放球,当球第一 次运动到最低点时,活塞下降了h=0.2 m且恰好速 度为零,此时细线中的拉力为F=252

13、 N.求球由静止 释放到第一次运动到最低点的过程中汽缸中的气体 增加的内能E.,图3 解析 以球与支架(含活塞)整体为研究对 象,对此整体受力分析如右图所示,从细线 水平至活塞下降h=0.2 m速度为零的过程, v表示小球的水平速度,W气体表示气体对 活塞压力的功,用动能定理:,mg(L+h)+Mgh+p0Sh-W气体= 再对小球在最低点受力分析可知,小球受到自身的重 力及向上绳的拉力F,此时悬点O的速度为零,所以有 F-mg= 联立以上两式,代入数据解得W气体=228 J 气体与外界绝热,改变气体内能的方式只有做功，由 牛顿第三定律知气体对活塞,和活塞对气体的力是一 对作用力与反作用力,且力

14、的位移相等,故活塞对气体 做的功(外界对气体做功)W=E=228 J. 答案 228 J,【评分标准】本题共12分.其中式各4分, 式各2分. 【名师异析】本题有两个突破点.其一是求解内能变 化的方法,通过对外力做功,本题的作用力较多,对气 体而言,只有活塞的外力对其做功，汽缸的作用力不 做功，因此改变物体内能的功是活塞对气体的力的 功; 其二是研究对象的选取,选取球与支架(含活塞) 整体为研究对象，巧妙地回避了整体内部相互作用 力,这些作用力分析其做功较复杂,选取“整体”为研 究对象,恰好解决了活塞对气体做功的数值问题,这 也是突破本题难点重要一步.,自我批阅 (10分)重1 000 kg的

15、气锤从2.5 m高处落下,打在 质量为200 kg的铁块上,要使铁块的温度升高40, 气锤至少应落下多少次?(设气锤撞击铁块时做的功 有60%用来使铁块温度升高,且铁的比热 c=0.11 cal/(g),1 cal=4.2 J,g取10 m/s2) 解析 气锤下落过程中只有重力做功,机械能守恒, 因而气锤撞击铁块时动能为 Ek=mgh=103102.5 J=2.5104 J (2分) 由动能定理知气锤撞击铁块所做的功为 W=Ek-0=2.5104 J (2分),使铁块温度升高40的热量 Q=cmt=0.1120010340 cal=3.696106 J (2分) 设气锤下落n次才能使铁块温度升

16、高40,由能的转化 和守恒定律有:nW=Q (2分) 故气锤至少要下落247次. 答案 247次,1.如图4所示,某同学将空的薄金属 筒开口向下压入水中.设水温均匀 且恒定,筒内空气无泄漏,不计气 体分子间相互作用,则被淹没的金 属筒在缓慢下降过程中,筒内空气 图4 体积减小,同时 ( ) A.从外界吸热 B.内能增大 C.向外界放热 D.内能减小,素能提升,解析 缓慢下降的过程中,筒内空气的温度与水温始 终相同,即空气温度不变.由于不计气体分子间的相互 作用,分子势能始终不变,筒内空气分子的平均动能不 变,所以筒内空气的内能不变.筒内空气的体积减小, 外界对气体做功,根据热力学第一定律:U=

17、W+Q,可 知筒内空气向外放热. 答案 C,2.下列关于热力学三定律的表述中正确的是 ( ) A.热力学零度不可达到 B.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 C.其数学表达式是U=Q+W D.能量在转化或转移的过程中总量保持不变 解析 热力学零度只可接近不能达到,A正确;B是 热力学第二定律的内容，C是热力学第一定律的表 达式,D是能量守恒定律内容.,A,3.如图5所示,绝热隔板K把绝热 的汽缸分隔成体积相等的两 部分,K与汽缸壁的接触是光 滑的.两部分中分别盛有相同 图5 质量、相同温度的同种气体a和b.气体分子之间相 互作用势能可忽略.现通过电热丝对气体a加热一段 时

18、间后,a、b各自达到新的平衡 ( ) A.a的体积增大了,压强变小了 B.b的温度升高了 C.加热后a的分子热运动比b分子热运动更激烈 D.a增加的内能大于b增加的内能,解析 a气体受热膨胀，通过活塞压缩气体b，对b做 功,气体b体积减小,由热力学第一定律,b内能增加,温 度升高,则b气体压强增大，最终达到平衡时,a气体和 b气体压强相等,而a气体体积变大，所以a气体的温度 大于b气体的温度,所以B、C、D选项正确. 答案 BCD,4.下列关于分子运动和热现象的说法正确的是( ) A.气体如果失去了容器的约束就会散开,这是因为 气体分子之间存在势能的缘故 B.一定量100的水变成100的水蒸气,其分子 之间的势能增加 C.对于一定量的气体,如果压强不变,体积增大,那 么它一定从外界吸热 D.如果气体分子总数不变,而气体温度升高,气体 分子的平均动能增大,因此压强必然增大 E.一定量气体的内能等于其所有分子热运动动能和 分子之间势能的总和 F.如果气体温度升高,那么所有分子的速率都增加,解析 气体分子是做无规则运动的,故失去容器后就 会散开,A错误;B分子平均动能不变,但