高考物理總復(fù)習(xí) 第11章 3講 熱力學(xué)定律與能量守恒定律課件 新人教版.ppt

第三講熱力學(xué)定律與能量守恒定律 1 知道做功和熱傳遞是改變物體內(nèi)能的兩種方式 2 理解熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律 并會(huì)運(yùn)用其解釋有關(guān)現(xiàn)象 3 掌握能量守恒定律并會(huì)加以運(yùn)用 4 了解能源的開(kāi)發(fā)和利用 能源的利用與環(huán)境保護(hù) 一 熱力學(xué)第一定律1 改變物體內(nèi)能的兩種方式 1 做功 在絕熱過(guò)程中 外界對(duì)物體做了多少功 物體的內(nèi)能就多少 物體對(duì)外界做了多少功 物體的內(nèi)能就多少 即 u w 2 熱傳遞 本質(zhì) 熱傳遞過(guò)程是物體間的過(guò)程 與內(nèi)能變化的關(guān)系 在單純的熱傳遞過(guò)程中 物體從外界吸收熱量 物體的內(nèi)能就 物體向外界傳遞熱量 物體的內(nèi)能就 增加 減少 內(nèi)能轉(zhuǎn)移 增加 減少 1 打氣筒是日常生活中常用的一種工具 當(dāng)我們用打氣筒給自行車打氣的時(shí)候 就是在克服氣體壓力和摩擦力做功 打氣的過(guò)程中你有沒(méi)有試著去摸一下打氣筒的外殼 有什么感覺(jué) 打氣筒的溫度升高了 這是怎么回事 提示 做功的過(guò)程是能量轉(zhuǎn)化的過(guò)程 做功使得系統(tǒng)的內(nèi)能增加了 所以溫度升高 2 熱力學(xué)第一定律 1 內(nèi)容 一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)的等于外界向它傳遞的與外界對(duì)它所做的和 2 表達(dá)式 3 符號(hào)法則 內(nèi)能增加量 熱量 功 u w q 減少 增加 吸收 放出 外界對(duì)物體 物體對(duì)外界 二 熱力學(xué)第二定律1 兩種表述 1 熱傳遞的方向性表述 不可能使熱量由物體傳到物體而不引起其他變化 2 機(jī)械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化的方向性 不可能從單一熱庫(kù)吸收熱量 使之完全變成功 而其他影響 低溫 高溫 不引起 2 熱量能不能從低溫物體傳遞到高溫物體 提示 能 但不是自發(fā)進(jìn)行 需要引起其他變化 內(nèi)能 機(jī)械能 100 三 能量守恒定律1 能量守恒定律能量既不能憑空 也不能憑空 它只能從一種形式為另一種形式 或從一個(gè)物體到別的物體 在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過(guò)程中其 2 永動(dòng)機(jī)由能量守恒定律知 永動(dòng)機(jī)不可能制成 由熱力學(xué)第二定律知 永動(dòng)機(jī)不可能制成 產(chǎn)生 消失 轉(zhuǎn)化 轉(zhuǎn)移 總量不變 第一類 第二類 3 能源與環(huán)境 1 常規(guī)能源 常規(guī)能源帶來(lái)環(huán)境污染問(wèn)題 如溫室效應(yīng) 酸雨 光化學(xué)煙霧等 2 新能源的開(kāi)發(fā) 風(fēng)能 水能 太陽(yáng)能 沼氣 核能等 石油 天然氣 煤 一 熱力學(xué)第一定律的理解與應(yīng)用1 熱力學(xué)第一定律不僅反映了做功和熱傳遞這兩種方式改變內(nèi)能的過(guò)程是等效的 而且給出了內(nèi)能的變化量和做功與熱傳遞之間的定量關(guān)系 此定律是標(biāo)量式 應(yīng)用時(shí)熱量的單位應(yīng)統(tǒng)一為國(guó)際單位制中的焦耳 2 等效 的意義 在改變物體的內(nèi)能上 做功和熱傳遞可以起到同樣的效果 即要使物體改變同樣的內(nèi)能 通過(guò)做功或者熱傳遞都可以實(shí)現(xiàn) 若不知道過(guò)程我們無(wú)法分辨出是做功還是熱傳遞實(shí)現(xiàn)的這種改變 3 做功和熱傳遞的本質(zhì)區(qū)別 1 從運(yùn)動(dòng)形式上看 做功是宏觀的機(jī)械運(yùn)動(dòng)向物體的微觀分子運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)化 熱傳遞則是通過(guò)分子之間的相互作用 使不同物體間分子熱運(yùn)動(dòng)變化 是內(nèi)能的轉(zhuǎn)移 2 從能量的角度看 做功是其他形式的能向內(nèi)能的轉(zhuǎn)化 熱傳遞是內(nèi)能之間的轉(zhuǎn)移 前者能的性質(zhì)發(fā)生了變化 后者能的性質(zhì)不變 友情提示 物體的內(nèi)能增加與否 不能單純地只看做功或熱傳遞 兩個(gè)過(guò)程需要全面考慮 一定質(zhì)量的氣體分子之間的作用力表現(xiàn)為引力 從外界吸收了4 2 105j的熱量 同時(shí)氣體對(duì)外做了6 105j的功 問(wèn) 1 物體的內(nèi)能變化多少 2 分子勢(shì)能是增加還是減少 3 分子平均動(dòng)能如何變化 規(guī)范解答 1 因氣體從外界吸收熱量 所以q 4 2 105j 氣體對(duì)外做功6 105j 則外界對(duì)氣體做功w 6 105j 據(jù)熱力學(xué)第一定律 u w q 得 u 6 105j 4 2 105j 1 8 105j 所以物體內(nèi)能減少了1 8 105j 2 因?yàn)闅怏w對(duì)外做功 體積膨脹 分子間距離增大了 分子力做負(fù)功 氣體的分子勢(shì)能增加了 3 因?yàn)闅怏w內(nèi)能減少了 而分子勢(shì)能增加了 所以分子平均動(dòng)能必然減少了 且分子平均動(dòng)能的減少量一定大于分子勢(shì)能的增加量 方法歸納 1 當(dāng)做功和熱傳遞兩種過(guò)程同時(shí)發(fā)生時(shí) 內(nèi)能的變化就要用熱力學(xué)第一定律進(jìn)行綜合分析 2 做功情況看氣體的體積 體積增大 氣體對(duì)外做功 w為負(fù) 體積縮小 外界做功 w為正 若與外界絕熱 則不發(fā)生熱傳遞 此時(shí)q 0 1 在如圖所示的坐標(biāo)系中 一定質(zhì)量的某種理想氣體先后發(fā)生以下兩種狀態(tài)變化過(guò)程 第一種變化是從狀態(tài)a到狀態(tài)b 外界對(duì)該氣體做功為6j 第二種變化是從狀態(tài)a到狀態(tài)c 該氣體從外界吸收的熱量為9j 圖線ac的反向延長(zhǎng)線通過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)o b c兩狀態(tài)的溫度相同 理想氣體的分子勢(shì)能為零 求 1 從狀態(tài)a到狀態(tài)c的過(guò)程 該氣體對(duì)外界做的功w1和其內(nèi)能的增量 u1 2 從狀態(tài)a到狀態(tài)b的過(guò)程 該氣體內(nèi)能的增量 u2及其從外界吸收的熱量q2 解 1 從狀態(tài)a到狀態(tài)c的過(guò)程 氣體發(fā)生等容變化該氣體對(duì)外界做的功w1 0根據(jù)熱力學(xué)第一定律有 u1 w1 q1內(nèi)能的增量 u1 q1 9j 2 從狀態(tài)a到狀態(tài)b的過(guò)程 體積減小 溫度升高該氣體內(nèi)能的增量 u2 u1 9j根據(jù)熱力學(xué)第一定律有 u2 w2 q2從外界吸收的熱量q2 u2 w2 3j 二 熱力學(xué)第二定律的理解與應(yīng)用1 對(duì)熱力學(xué)第二定律的理解 1 在熱力學(xué)第二定律的表述中 自發(fā)地 不產(chǎn)生其他影響 的涵義 自發(fā)地 指明了熱傳遞等熱力學(xué)宏觀現(xiàn)象的方向性 不需要借助外界提供能量的幫助 不產(chǎn)生其他影響 的涵義是發(fā)生的熱力學(xué)宏觀過(guò)程只在本系統(tǒng)內(nèi)完成 對(duì)周圍環(huán)境不產(chǎn)生熱力學(xué)方面的影響 如吸熱 放熱 做功等 2 熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)熱力學(xué)第二定律的每一種表述 都揭示了大量分子參與宏觀過(guò)程的方向性 進(jìn)而使人們認(rèn)識(shí)到自然界中進(jìn)行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過(guò)程都具有方向性 2 兩類永動(dòng)機(jī)的比較 友情提示 熱力學(xué)第一定律是和熱現(xiàn)象有關(guān)的物理過(guò)程中能量守恒的特殊表達(dá)形式 說(shuō)明功及熱量與內(nèi)能改變的定量關(guān)系 而第二定律指出了能量轉(zhuǎn)化與守恒能否實(shí)現(xiàn)的條件和過(guò)程進(jìn)行的方向 指出了一切變化過(guò)程的自然發(fā)展方向不可逆 除非靠外界影響 所以二者相互獨(dú)立 又相互補(bǔ)充 如圖所示 為電冰箱的工作原理示意圖 壓縮機(jī)工作時(shí) 強(qiáng)迫制冷劑在冰箱內(nèi)外的管道中不斷循環(huán) 在蒸發(fā)器中制冷劑汽化吸收箱體內(nèi)的熱量 經(jīng)過(guò)冷凝器時(shí)制冷劑液化 放出熱量到箱體外 1 下列說(shuō)法正確的是a 熱量可以自發(fā)地從冰箱內(nèi)傳到冰箱外b 電冰箱的制冷系統(tǒng)能夠不斷地把冰箱內(nèi)的熱量傳到外界 是因?yàn)槠湎牧穗娔躢 電冰箱的工作原理不違反熱力學(xué)第一定律d 電冰箱的工作原理違反熱力學(xué)第一定律 2 電冰箱的制冷系統(tǒng)從冰箱內(nèi)吸收的熱量與釋放到外界的熱量相比 有怎樣的關(guān)系 規(guī)范解答 1 熱力學(xué)第一定律是熱現(xiàn)象中內(nèi)能與其他形式能的轉(zhuǎn)化規(guī)律 是能的轉(zhuǎn)化和守恒定律的具體表現(xiàn) 適用于所有的熱學(xué)過(guò)程 故c正確 d錯(cuò)誤 由熱力學(xué)第二定律可知 熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳給高溫物體 除非有外界的影響或幫助 電冰箱把熱量從低溫的內(nèi)部傳到高溫的外部 需要壓縮機(jī)的幫助并消耗電能 故應(yīng)選b c 2 由熱力學(xué)第一定律可知 電冰箱從冰箱內(nèi)吸了熱量 同時(shí)消耗了電能 釋放到外界的熱量比從冰箱內(nèi)吸收的熱量多 答案 1 bc 2 釋放到外界的熱量比從冰箱內(nèi)吸收的熱量多 方法歸納 涉及熱力學(xué)第二定律的問(wèn)題分析技巧 1 理解熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì) 清楚熱力學(xué)第二定律的兩種表述形式 2 掌握熱力學(xué)第二定律的一些等效說(shuō)法 如 第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成 不可能制成效率為百分之百的熱機(jī) 等 2 如圖所示的汽缸內(nèi)盛有一定量的理想氣體 汽缸壁是導(dǎo)熱的 缸外環(huán)境保持恒溫 活塞與汽缸壁的接觸光滑但不漏氣 將活塞桿與外界連接并由外力f使其緩慢地向右移動(dòng) 氣體將等溫膨脹并通過(guò)桿對(duì)外做功 若內(nèi)能只與溫度有關(guān) 則下列說(shuō)法中正確的是 a 氣體是從單一熱源吸收熱量 且全部用來(lái)對(duì)外做功 因此該過(guò)程違背熱力學(xué)第二定律b 氣體不是從單一熱源吸收熱量 盡管全部用來(lái)對(duì)外做功 但此過(guò)程不違反熱力學(xué)第二定律c 氣體是從單一熱源吸收熱量 且全部用來(lái)對(duì)外做功 但此過(guò)程不違反熱力學(xué)第二定律d 氣體不是從單一熱源吸收熱量 也沒(méi)有全部用來(lái)對(duì)外做功 因此該過(guò)程不違反熱力學(xué)第二定律 解析 由于氣體始終通過(guò)汽缸與外界接觸 外界溫度不變 活塞桿與外界連接并使其緩慢地右移過(guò)程中有足夠時(shí)間的熱交換 所以汽缸內(nèi)的氣體溫度也不變 其內(nèi)能不變 該過(guò)程氣體是從單一熱源即外部環(huán)境吸收熱量全部用來(lái)對(duì)外做功才能保證內(nèi)能不變 但此過(guò)程不違反熱力學(xué)第二定律 因?yàn)榇诉^(guò)程的發(fā)生有別的變化 即外力對(duì)活塞做功 來(lái)維持 如果沒(méi)有外力f對(duì)活塞做功 此過(guò)程不可能發(fā)生 答案 c 三 能量守恒定律的理解與應(yīng)用1 自然界中能量的存在形式 物體運(yùn)動(dòng)具有動(dòng)能 分子運(yùn)動(dòng)具有分子動(dòng)能 電荷具有電勢(shì)能 原子核內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)具有原子能等 可見(jiàn) 在自然界中不同的能量形式與不同的運(yùn)動(dòng)形式相對(duì)應(yīng) 2 不同形式的能量之間可以相互轉(zhuǎn)化 且這一轉(zhuǎn)化過(guò)程是通過(guò)做功來(lái)完成的 3 某種形式的能減少 一定有其他形式的能增加 且減少量和增加量一定相等 4 某個(gè)物體的能量減少 一定存在其他物體的能量增加 且減少量和增加量一定相等 5 在利用能量轉(zhuǎn)化與守恒定律解題時(shí) 要注意先搞清楚過(guò)程中有幾種形式的能在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移 分析初 末狀態(tài) 確定 e增 e減各為多少 再由 e增 e減列式計(jì)算 友情提示 1 雖然功與能具有相同的單位 但兩者是完全不同的兩個(gè)概念 在能量守恒定律的表達(dá)式中只存在能量 不存在功 2 能量的轉(zhuǎn)化和守恒定律是自然界中普遍存在的一種規(guī)律 是無(wú)條件的 而機(jī)械能守恒定律是有條件的 一輛汽車正在平直的公路上以速度v勻速行駛 此時(shí)汽車的功率為p 已知汽車的總效率為 所使用的汽油的熱值為q 每完全燃燒單位質(zhì)量的燃料產(chǎn)生的熱量叫熱值 現(xiàn)油箱中還有質(zhì)量為m的汽油 1 下列關(guān)于汽車行駛過(guò)程中做功和能量轉(zhuǎn)化情況的說(shuō)法正確的是a 阻力對(duì)汽車做負(fù)功 機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能b 汽車行駛時(shí)因能量損失故總能量不守恒c 牽引力對(duì)汽車做功 使汽車動(dòng)能增加d 合外力對(duì)汽車的功等于汽油燃燒放出的能量 2 汽車還能行使多遠(yuǎn) 設(shè)汽車的質(zhì)量為m 思維點(diǎn)撥 先求出剩余汽油燃燒放出的能量 再求出汽車勻速運(yùn)動(dòng)的時(shí)間 便可求還能勻速行駛的距離 再由動(dòng)能定理求出減速的距離 自主解答 1 阻力對(duì)汽車做功的過(guò)程就是機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的過(guò)程 盡管汽車能量損失 但總能量是守恒的 牽引力對(duì)汽車做正功 汽車動(dòng)能增加 合外力的功等于汽車動(dòng)能的增加 但不等于汽油燃燒放出的能量 誤區(qū)警示 汽車還能行駛的距離應(yīng)包括汽油用完后減速的距離 很多同學(xué)漏掉這一段 而只求出勻速行駛距離s1 3 風(fēng)沿水平方向以速度v垂直吹向一直徑為d的風(fēng)車葉輪上 設(shè)空氣密度為 風(fēng)的動(dòng)能的50 轉(zhuǎn)化為風(fēng)車的動(dòng)能 風(fēng)車帶動(dòng)水車將水提高h(yuǎn)高度 效率為80 則單位時(shí)間最多可提升的水質(zhì)量m a b兩裝置 均由一支一端封閉 一端開(kāi)口且?guī)в胁Ａ莸墓軤钊萜骱退y槽組成 除玻璃泡在管上的位置不同外 其他條件都相同 將兩管抽成真空后 開(kāi)口向下豎直插入水銀槽中 插入過(guò)程沒(méi)有空氣進(jìn)入管內(nèi) 水銀柱上升至圖中所示位置停止 假設(shè)這一過(guò)程進(jìn)入容器的水銀體積相等 且水銀與外界沒(méi)有熱交換 則兩種情況下大氣壓力對(duì)水銀做的功是否相等 哪個(gè)管中的水銀內(nèi)能增量大 解 由于水銀與外界沒(méi)有熱交換 大氣壓力對(duì)水銀做功 一部分轉(zhuǎn)化為水銀的重力勢(shì)能 一部分轉(zhuǎn)化為水銀的內(nèi)能 兩種情況下管中進(jìn)入的水銀量相等 因此大氣壓力對(duì)進(jìn)入管中的水銀做功相等 圖a管中水銀的重力