高考总复习物理课件38 热力学定律和能量守恒

课时38热力学定律和能量守恒\n考点一　热力学第一定律►基础梳理◄1．改变物体内能的两种方式(1)做功：做功可以改变物体的内能．若做功过程中绝热，系统内能的增加(减少)等于外界对系统(系统对外界)所做的功，即ΔU＝W.(2)热传递：热传递有三种方式，传导、对流和辐射．热传递也可以改变物体的内能．在单纯的热传递过程中，热量是系统内能变化的量度，即ΔU＝Q.\n2．热力学第一定律定义：一个热力学系统的内能增量等于外界对它传递的热量和外界对它做功的和，这个关系称为热力学第一定律．表达式：W＋Q＝ΔU符号法则：外界对物体做功，W取正号，反之W取负号；物体吸收热量，Q取正号，反之Q取负号；物体内能增加，ΔU取正号，反之ΔU取负号．\n3．能的转化和守恒定律内容：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另一个物体，但在转化或转移的过程中其总量保持不变．\n►疑难详析◄做功和热传递改变内能是等效的，本质是不同的在改变物体的内能上，做功和热传递可以起到同样的效果，即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，如果把这样的两个物体放在一起，我们无法分辨出哪个是热传递改变的内能，哪个是做功改变的内能．不过，做功和热传递还是有着本质的区别．\n(1)从运动形式看，做功是其他形式的能和物体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，只是发生了分子热运动的转移；(2)从能量角度看，做功是其他形式的能和物体内能的转化，热传递则是内能在物体之间或者物体的不同部分之间的转移．物体的内能增加与否，不能单独地只看做功或者热传递，两个过程需要全面考虑．\n►深化拓展◄热量和内能内能是由系统的状态决定的，状态确定系统的内能也随之确定．要使系统的内能发生变化，可以通过热传递或做功两种方法来完成．而热量是热传递过程中的特征物理量，和功一样，热量只是反映物体在状态变化过程中所迁移的能量，是用来衡量物体内能变化的．有过程，才有变化，离开过程则毫无意义．就某一状态而言，只有“内能”，不能谈到“热量”或“功”．\n考点二　热力学第二定律►基础梳理◄1．热传导的方向性温度不同的两个物体接触时，热量会自发地从高温物体传给低温物体，但不会自发地从低温物体传给高温物体．即热传导的过程具有方向性．\n2．第二类永动机只从单一热源吸取热量，使之全部用来做功，而不引起其他变化的热机叫第二类永动机．因为机械能和内能的转化是有方向的，所以第二类永动机不可能制成．\n3．热力学第二定律(1)两种表述：按热传导的方向性可以表述为“热量不能自发地由低温物体传给高温物体”，这是热力学第二定律的克劳修斯表述；按机械能与内能转化过程的方向性可以表述为“不可能从单一热源吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响”或表述为“第二类永动机是不可能制成的”，这是热力学第二定律的开尔文表述．\n(2)等价实质：热力学第二定律的两种表述是等价的，可以从一种表述推导出另一种表述．它们都揭示了大量分子参与宏观过程的不可逆性，说明自然界进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性．\n►疑难详析◄热力学第一定律与第二定律的相辅性热力学第一定律中，摩擦力做功可以全部转化为内能；热力学第二定律却说明这一内能在不引起其他变化的情况下不可能完全变成功．热量可以从高温物体自动传向低温物体，而热力学第二定律却说明热量不能自动从低温物体传向高温物体．第一定律说明在任何过程中能量必定守恒，第二定律却说明并非所有能量守恒的过程均可以实现．\n热力学第二定律是反映自然界过程进行的方向和条件的一个规律，它指出自然界中出现的过程是具有方向性的，在热力学中，两个定律相辅相成、缺一不可．\n►深化拓展◄为什么第二类永动机不能制成第二类永动机虽然不违背能的转化与守恒定律，但违背了热力学第二定律．热机工作时从高温热源吸收热量Q，只有一部分用来做功W而转化为机械能，另一部分热量排放给低温热源．也就是说即使没有任何漏气、摩擦、不必要的散热等损失，总有W＜Q，所以热机的效率总小于100%，即第二类永动机是不能制成的．\n题型一　热力学第一定律的应用[例1]一定质量的非理想气体(分子间的作用力不可忽略)，从外界吸收了4.2×105J的热量，同时气体对外做了6×105J的功，则：(1)气体的内能________(填“增加”或“减少”)，其变化量的大小为________J.(2)气体的分子势能________(填“增加”或“减少”)．(3)分子平均动能如何变化？\n[解析](1)因气体从外界吸收热量，所以Q＝4.2×105J气体对外做功6×105J，则外界对气体做功W＝－6×105J由热力学第一定律ΔU＝W＋Q，得ΔU＝－6×105J＋4.2×105J＝－1.8×105J，所以物体内能减少了1.8×105J.\n(2)因为气体对外做功，体积膨胀，分子间距离增大了，分子力做负功，气体的分子势能增加了．(3)因为气体内能减少了，而分子势能增加了，所以分子平均动能必然减少了，且分子平均动能的减少量一定大于分子势能的增加量．[答案](1)减少1.8×105(2)增加(3)减少\n题后反思：当做功和热传递两种过程同时发生时，内能的变化就要用热力学第一定律进行综合分析，要切记符号法则，系统对外做功W＜0，外界对系统做功W＞0，系统吸热Q＞0，放热Q＜0，ΔU＞0系统内能增加，ΔU＜0系统内能减少．\n一定量的气体，膨胀过程中是外界对气体做功还是气体对外界做功？如果膨胀时做的功是135J，同时向外放热85J，气体内能的变化量是多少？内能是增加了还是减少了？\n解析：对气体来说，体积膨胀，气体对外做功，在热力学第一定律中W表示外界对气体做的功，故此时W为负，气体膨胀做的功为135J，向外界放热85J，此时W＝－135J，Q＝－85J，由热力学第一定律知：ΔU＝W＋Q＝－135J－85J＝－220J.即内能减少了220J答案：见解析\n题型二　对热力学第二定律的理解[例2]根据热力学第二定律，可知下列说法中正确的有()A．热量能够从高温物体传到低温物体，但不能从低温物体传到高温物体B．热量能够从高温物体传到低温物体，也可能从低温物体传到高温物体C．机械能可以全部转化为热量，但热量不可能全部转化为机械能D．机械能可以全部转化为热量，热量也可能全部转化为机械能\n[解析]根据热传递的规律可知热量能够从高温物体传到低温物体；当外界对系统做功时，可以使系统从低温物体吸取热量传到高温物体上去，制冷机(例如冰箱和空调)就是这样的装置．但是热量不能自发地从低温物体传到高温物体．选项A错误．B正确．一个运动的物体，克服摩擦阻力做功，最终停止，在这个过程中机械能全部转化为热量．外界条件发生变化时，热量也可以全部转化为机械能．例如在等温膨胀过程中，系统吸收的热量全部转化为对外界做的功．[答案]BD\n题后反思：热力学第二定律反映了一个自然规律：与热现象有关的宏观物理过程具有方向性．由于人们发现这样的规律是从研究热机的问题开始的，所以较多地集中在机械能向内能的转化的方向性和热传导的方向性．定律的表述方式比较抽象．大家要通过一些实例来认识有哪些现象能表明能量转化过程中的方向性．\n用两种不同的金属丝组成一个回路，接触点1插在热水中，接触点2插在冷水中，如图1所示，电流计指针会发生偏转，这就是温差发电现象，这一实验是否违反热力学第二定律？热水和冷水的温度是否会发生变化？简述这一过程中能的转化情况．\n图1解析：热水温度降低，冷水温度升高，转化效率低于100%答案：不违反\n题型三　能量守恒定律的应用[例3]现代典型的燃煤发电厂，总效率一般为40%，有一座大型燃煤发电厂，如果发出1.0×109J的电力，可供一个大城市使用．图2表示这这座发电厂的能量流向．请回答：\n图2\n(1)燃煤提供的能量应等于哪几项能量之和？(2)图中烟囱废气所带走的能量及涡轮机损耗没有标出，请你算出来，在图中补上．(3)算出这座发电厂的总效率．(4)根据图所示的电厂能量流向，你认为在哪些地方进行改进可以提高发电厂的总效率？[分析]仔细分析发电过程的能量流向图，搞清各项能量或功间的关系，根据能量转化与守恒定律可求解．\n[解析](1)燃煤提供的能量等于进入涡轮机的能量和通过烟囱排出的能量．(2)根据(1)中的解析可得通过烟囱废气所带走的能量为：E＝2.5×109J－2.2×109J＝3×108J涡轮机从外界吸热2.2×109J，对外做功W＝1.0×109J所以涡轮机损耗2．2×109J－1.0×109J＝1.2×109J.(3)由能量流向图可知该发电厂产生的电能为1.0×109J，消耗的总能量为2.5×109J，所以其总效率为：η＝×100%＝40%.\n(4)从能量流向图中可以看出，该发电厂的损耗共达到了1．5×109J，即达到了60%，最主要的损耗是涡轮机的损耗，由冷凝器排出，所以这个地方应作为改造的重点，降低通过冷凝器时能量的消耗，以此提高涡轮机的效率，进而提高整个电厂的效率，另外，也要尽可能降低另外两个途径的损耗，一是通过烟囱废气带走的能量，对燃煤锅炉及其烟囱进行改造；二是减少输电过程中的电能损耗．[答案]见解析\n题后反思：能的转化一定要通过做功来实现，而能的转移是要通过某种形式的传递来完成．由热力学第一定律可知，要使一个系统内能增加，其他系统必须对它传递热量、做功或者既传递热量又做功，其他系统减少等量的能量，而二者的总能量保持不变．\n在高为h＝0.8m的光滑桌面上放着一个质量为M＝2kg的木块，一颗质量m＝10g的铅弹从水平方向射中木块(未穿出)，把木块打落在地面上，落地点与桌边的水平距离s＝0.4m．设增加的内能有η＝60%使铅弹的温度升高，铅弹的温度升高多少度？[铅的比热c＝1.3×102J/(kg·℃)，取g＝10m/s2]\n\n\n答案：92.8℃\n1．(2009·全国卷Ⅱ)如图3，水平放置的密封气缸内的气体被一竖直隔板分隔为左右两部分，隔板可在气缸内无摩擦滑动，右侧气体内有一电热丝．气缸壁和隔板均绝热．初始时隔板静止，左右两边气体温度相等．现给电热丝提供一微弱电流，通电一段时间后切断电源．当缸内气体再次达到平衡时，与初始状态相比()\nA．右边气体温度升高，左边气体温度不变B．左右两边气体温度都升高C．左边气体压强增大D．右边气体内能的增加量等于电热丝放出的热量图3\n解析：本题考查热力学第一定律和气体的压强、温度和体积的关系，意在考查考生综合运用热学知识解决实际问题的能力；虽然气缸壁和隔板绝热，但右边气体由于电热丝通电放出热量而温度升高，压强增大，从而推动隔板，左边气体因隔板压缩气体对内做功，没有热交换，故内能一定增加，温度升高，由＝常数，左边气体V变小，T变大，故p一定变大，对右边气体，由于最终还要达到平衡，则p变大，V变大，T一定变大，由此可知，A错，B、C都对；\n又右边气体吸收电热丝放出的热量后，由于对外做了功，故气体内能的增加量小于电热丝放出的热量，故选项D不对．答案：BC\n2．如图4所示，由导热材料制成的气缸和活塞将一定质量的理想气体封闭在气缸内，活塞与气缸壁之间无摩擦，活塞上方存有少量液体．将一细管插入液体，由于虹吸现象，活塞上方液体逐渐流出．在此过程中，大气压强与外界的温度保持不变，关于这一过程，下列说法正确的是()图4\nA．气体分子的平均动能逐渐增大B．单位时间气体分子对活塞撞击的次数增多C．单位时间气体分子对活塞的冲量保持不变D．气体对外界做功等于气体从外界吸收的热量\n解析：导热气缸和活塞，说明气体温度始终与大气温度相同，当液体逐渐流出的过程中气体做等温膨胀、压强减小的变化，气体温度未变，分子密度减小则气体分子的平均动能不变，A错误；对活塞单位时间内撞击次数减少，B错误；单位时间分子对活塞的冲量减小，C错误；因为气体温度未变，所以气体的内能未变，则气体对外界做功和从外界吸收的热量相等，则D正确．答案：D\n3．对一定量的气体，下列说法正确的是()A．气体的体积是所有气体分子的体积之和B．气体分子的热运动越剧烈，气体温度就越高C．气体对器壁的压强是由大量气体分子对器壁不断碰撞而产生的D．当气体膨胀时，气体分子之间的势能减小，因而气体的内能减少\n解析：气体分子间有较大空隙，气体分子的体积之和远小于气体的体积，所以A错误．气体温度越高，分子平均动能越大，分子热运动越剧烈，则B正确．由压强的定义可知：单位面积上的压力叫压强，器壁内侧受到的压力就是气体分子对器壁不断碰撞而产生的，所以C正确．当气体膨胀时，气体分子间距离增大，有可能对外做功，还有可能与外界有热交换，吸收热量，导致内能不变，内能增大，内能减少都有可能，所以D错误．答案：BC\n4．地面附近有一正在上升的空气团，它与外界的热交换忽略不计．已知大气压强随高度增加而降低，则该气团在此上升过程中(不计气团内分子间的势能)()A．体积减小，温度降低B．体积减小，温度不变C．体积增大，温度降低D．体积增大，温度不变\n解析：空气团与外界热交换忽略不计，随高度上升压强逐渐减小，体积逐渐增大对外界做功，所以内能逐渐减小，则温度逐渐降低，只有C正确，A、B、D均错误．答案：C\n5．(1)空气压缩机在一次压缩过程中，活塞对气缸中的气体做功为2.0×105J，同时气体的内能增加了1.5×105J．试问：此压缩过程中，气体________(填“吸收”或“放出”)的热量等于________J.(2)若一定质量的理想气体分别按图5所示的三种不同过程变化，其中表示等压变化的是________(填“A”“B”或“C”)，该过程中气体的内能________(选“增加”“减少”或“不变”)．\n(3)设想将1g水均匀分布在地球表面上，估算1cm2的表面上有多少个水分子．(已知1mol水的质量为18g，地球的表面积约为5×1014m2，结果保留一位有效数字)图5\n解析：(1)气体内能的增加量小于活塞对气缸中的气体做的功，所以，气体必然放热．由W＋Q＝ΔU得Q＝ΔU－W＝(1.5×105－2.0×105)J＝－5×104J，负号表示气体放热．(2)C为等压变化图线，温度升高，气体内能增加．\n答案：(1)放出5×104(2)C增加(3)6×103(6×103～7×103都算对)\n励志名言形成天才的决定因素应该是勤奋\n安全小贴上课间活动注意安全