熱力學(xué)定律與能量守恒

熱力學(xué)定律與能量守恒第1頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

(2)公式:ΔU=W+Q2.熱力學(xué)第二定律表述一:____________________________________——熱傳導(dǎo)的方向性.

表述二:__________________________________________________________——機(jī)械能和內(nèi)能轉(zhuǎn)化過(guò)程的方向性.正值負(fù)值ΔU內(nèi)能增加內(nèi)能減少Q(mào)吸收熱量放出熱量W外界對(duì)系統(tǒng)做功系統(tǒng)對(duì)外界做功熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體不可能從單一熱庫(kù)吸收熱量,使之完全變成功,而不產(chǎn)生其他影響第2頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期六3.能量守恒定律能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生,也不會(huì)憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式,或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到別的物體,在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過(guò)程中其總量不變.4.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.5.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.第一類(lèi)第二類(lèi)煤、石油、天然氣第3頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期六熱點(diǎn)一改變物體內(nèi)能的兩種方式的比較熱點(diǎn)聚焦做功熱傳遞內(nèi)能變化外界對(duì)物體做功,物體的內(nèi)能增加,物體對(duì)外做功,物體的內(nèi)能減小物體吸收熱量,內(nèi)能增加物體放出熱量,內(nèi)能減小本質(zhì)其他形式的能與內(nèi)能之間的轉(zhuǎn)化不同物體間或同一物體不同部分之間內(nèi)能的轉(zhuǎn)移相互聯(lián)系做一定量的功或傳遞一定量的熱在改變內(nèi)能的效果上是相同的第4頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期六特別提示1.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.2.做功是宏觀的機(jī)械運(yùn)動(dòng)向物體的微觀分子熱運(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.前者能的性質(zhì)發(fā)生了變化,后者能的性質(zhì)不變.3.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.第5頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期六熱點(diǎn)二對(duì)熱力學(xué)第一定律的理解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.對(duì)公式ΔU=Q+W符號(hào)的規(guī)定符號(hào)WQΔU+外界對(duì)物體做功物體吸收熱量?jī)?nèi)能增加-物體對(duì)外界做功物體放出熱量?jī)?nèi)能減少第6頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期六3.幾種特殊情況

(1)若過(guò)程是絕熱的,則Q=0,W=ΔU,外界對(duì)物體做的功等于物體內(nèi)能的增加.(2)若過(guò)程中不做功,即W=0,則Q=ΔU,物體吸收的熱量等于物體內(nèi)能的增加.(3)若過(guò)程的始末狀態(tài)物體的內(nèi)能不變,即ΔU=0,

則W+Q=0或W=-Q.外界對(duì)物體做的功等于物體放出的熱量.

特別提示

1.應(yīng)用熱力學(xué)第一定律時(shí)要明確研究的對(duì)象是哪個(gè)物體或者是哪個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng).2.應(yīng)用熱力學(xué)第一定律計(jì)算時(shí),要依照符號(hào)法則代入數(shù)據(jù).對(duì)結(jié)果的正、負(fù)也同樣依照規(guī)則來(lái)解釋其意義.第7頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期六熱點(diǎn)三對(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.(1)“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.(2)“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?chē)h(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.第8頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期六3.熱力學(xué)過(guò)程方向性實(shí)例:(1)高溫物體低溫物體(2)功熱(3)氣體體積V1

氣體體積V2(較大)(4)不同氣體A和B

混合氣體AB熱量Q能自發(fā)傳給熱量Q不能自發(fā)傳給能自發(fā)地完全轉(zhuǎn)化為不能自發(fā)地且不能完全轉(zhuǎn)化為能自發(fā)膨脹到不能自發(fā)收縮到能自發(fā)混合成不能自發(fā)分離成第9頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

特別提示

熱量不可能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體，但在有外界影響的條件下，熱量可以從低溫物體傳到高溫物體,如電冰箱;在引起其他變化的條件下內(nèi)能可以全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,如氣體的等溫膨脹過(guò)程.第10頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期六題型1熱力學(xué)第一定律的應(yīng)用

【例1】一定質(zhì)量的氣體，在從一個(gè)狀態(tài)變化到另一個(gè)狀態(tài)的過(guò)程中,吸收熱量280J,并對(duì)外做功120J.

試問(wèn):(1)這些氣體的內(nèi)能發(fā)生了怎樣的變化?(2)如果這些氣體又返回原來(lái)的狀態(tài)，并放出了240J熱量，那么在返回的過(guò)程中是氣體對(duì)外界做功,還是外界對(duì)氣體做功?做功多少?題型探究第11頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期六思路點(diǎn)撥

求解此題應(yīng)把握以下兩點(diǎn):(1)用熱力學(xué)第一定律求解內(nèi)能變化,注意熱量Q、功W的正負(fù).(2)氣體從末態(tài)到初態(tài)與從初態(tài)到末態(tài)的ΔU的大小相同,結(jié)合熱力學(xué)第一定律計(jì)算,并做出判斷.解析

(1)由熱力學(xué)第一定律可得ΔU=W+Q=-120J+280J=160J內(nèi)能增加了160J(2)由于氣體的內(nèi)能僅與狀態(tài)有關(guān),所以氣體從②狀態(tài)回到①狀態(tài)過(guò)程中內(nèi)能的變化應(yīng)等于從①狀態(tài)到②狀態(tài)過(guò)程中內(nèi)能的變化,則從②狀態(tài)到①狀態(tài)的內(nèi)能應(yīng)減少160J,第12頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期六即ΔU′=-160J,又Q′=-240J

根據(jù)熱力學(xué)第一定律得ΔU′=W′+Q′所以W′=ΔU′-Q′=-160J-(-240J)=80J即外界對(duì)氣體做功80J答案

(1)增加了160J(2)外界對(duì)氣體做功80J1.當(dāng)做功和熱傳遞兩種過(guò)程同時(shí)發(fā)生時(shí),內(nèi)能的變化就是要用熱力學(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,外界對(duì)氣體做功,W為正.若與外界絕熱,則不發(fā)生熱傳遞,此時(shí)Q=0.規(guī)律總結(jié)第13頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期六變式練習(xí)1

一定質(zhì)量的氣體從外界吸收了4.2×105

J

的熱量,同時(shí)氣體對(duì)外做了6×105

J的功.問(wèn):(1)物體的內(nèi)能增加還是減少?變化量是多少?(2)分子勢(shì)能是增加還是減少?(3)分子的平均動(dòng)能是增加還是減少?

解析

(1)因?yàn)闅怏w從外界吸熱,所以Q=+4.2×105

J,又因氣體對(duì)外做功,所以W=-6×105

J

由熱力學(xué)第一定律:ΔU=W+Q

有:ΔU=W+Q=(-6×105)J+(4.2×105)J=-1.8×105

JΔU為負(fù),說(shuō)明氣體的內(nèi)能減少了1.8×105

J.第14頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期六(2)因?yàn)闅怏w對(duì)外做功,所以氣體的體積膨脹,分子間的距離增大了,分子力做負(fù)功,氣體分子勢(shì)能增加.(3)因?yàn)闅怏w內(nèi)能減少,同時(shí)氣體分子勢(shì)能增加,說(shuō)明氣體分子的平均動(dòng)能一定減少了.答案

(1)減少1.8×105

J(2)增加(3)減少第15頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期六題型2熱力學(xué)第二定律的理解【例2】圖1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.圖1第16頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期六(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牧穗娔蹸.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?

結(jié)合熱力學(xué)第一定律、熱力學(xué)第二定律的相關(guān)知識(shí)進(jìn)行研究分析.思路點(diǎn)撥第17頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期六解析

(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)吸收了熱量,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)見(jiàn)解析第18頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期六規(guī)律總結(jié)

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(lèi)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.第19頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期六變式練習(xí)2

圖2甲是根據(jù)熱力學(xué)第二定律的第一種表述畫(huà)出的示意圖:外界對(duì)致冷機(jī)做功,使熱量從低溫物體傳遞到高溫物體,請(qǐng)你根據(jù)第二種表述完成示意圖乙.根據(jù)你的理解,熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)是什么？圖2第20頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期六答案

如下圖所示實(shí)質(zhì):一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過(guò)程都具有方向性第21頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期六題型3熱學(xué)問(wèn)題與能量觀點(diǎn)的結(jié)合

【例3】如圖3所示,內(nèi)壁光滑的圓柱形汽缸豎直固定在水平地面上,汽缸開(kāi)口向上,一面積為0.01m2的活塞密封了一定的空氣,在活塞的上方豎直固定一支架,在支架的O點(diǎn)通過(guò)細(xì)線系一質(zhì)量為m=8kg的球,球心到O點(diǎn)的距離為L(zhǎng)=2m.活塞與支架的總質(zhì)量為M=12kg,已知當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣萭=10m/s2,大氣壓強(qiáng)p0=1.0×105

Pa,汽缸和活塞都是絕熱的.現(xiàn)將細(xì)線拉直到水平,穩(wěn)定后由靜止釋放球,當(dāng)球第一次運(yùn)動(dòng)到最低點(diǎn)時(shí),活塞下降了h=0.2m且恰好速度為零,此時(shí)細(xì)線中的拉力為F=252N.求球由靜止釋放到第一次運(yùn)動(dòng)到最低點(diǎn)的過(guò)程中汽缸中的氣體增加的內(nèi)能ΔE.第22頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期六圖3解析

以球與支架(含活塞)整體為研究對(duì)象,對(duì)此整體受力分析如右圖所示,從細(xì)線水平至活塞下降h=0.2m速度為零的過(guò)程,v表示小球的水平速度,W氣體表示氣體對(duì)活塞壓力的功,用動(dòng)能定理:第23頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期六mg(L+h)+Mgh+p0S·h-W氣體=①再對(duì)小球在最低點(diǎn)受力分析可知,小球受到自身的重力及向上繩的拉力F,此時(shí)懸點(diǎn)O的速度為零,所以有F-mg=②聯(lián)立以上兩式,代入數(shù)據(jù)解得W氣體=228J③氣體與外界絕熱,改變氣體內(nèi)能的方式只有做功，由牛頓第三定律知?dú)怏w對(duì)活塞,和活塞對(duì)氣體的力是一對(duì)作用力與反作用力,且力的位移相等,故活塞對(duì)氣體做的功(外界對(duì)氣體做功)W=ΔE=228J.④答案

228J

第24頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期六【評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)】本題共12分.其中①④式各4分,②③式各2分.【名師異析】本題有兩個(gè)突破點(diǎn).其一是求解內(nèi)能變化的方法,通過(guò)對(duì)外力做功,本題的作用力較多,對(duì)氣體而言,只有活塞的外力對(duì)其做功，汽缸的作用力不做功，因此改變物體內(nèi)能的功是活塞對(duì)氣體的力的功;其二是研究對(duì)象的選取,選取球與支架(含活塞)整體為研究對(duì)象，巧妙地回避了整體內(nèi)部相互作用力,這些作用力分析其做功較復(fù)雜,選取“整體”為研究對(duì)象,恰好解決了活塞對(duì)氣體做功的數(shù)值問(wèn)題,這也是突破本題難點(diǎn)重要一步.第25頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期六自我批閱

(10分)重1000kg的氣錘從2.5m高處落下,打在質(zhì)量為200kg的鐵塊上,要使鐵塊的溫度升高40℃,

氣錘至少應(yīng)落下多少次?(設(shè)氣錘撞擊鐵塊時(shí)做的功有60%用來(lái)使鐵塊溫度升高,且鐵的比熱

c=0.11cal/(g·℃),1cal=4.2J,g取10m/s2)

解析氣錘下落過(guò)程中只有重力做功,機(jī)械能守恒,

因而氣錘撞擊鐵塊時(shí)動(dòng)能為

Ek=mgh=103×10×2.5J=2.5×104

J(2分)

由動(dòng)能定理知?dú)忮N撞擊鐵塊所做的功為

W=Ek-0=2.5×104

J(2分)第26頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期六使鐵塊溫度升高40℃的熱量Q=cmΔt=0.11×200×103×40cal=3.696×106

J

(2分)

設(shè)氣錘下落n次才能使鐵塊溫度升高40℃,由能的轉(zhuǎn)化和守恒定律有:n·W·η=Q

(2分)

故氣錘至少要下落247次.答案

247次第27頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期六1.如圖4所示,某同學(xué)將空的薄金屬筒開(kāi)口向下壓入水中.設(shè)水溫均勻且恒定,筒內(nèi)空氣無(wú)泄漏,不計(jì)氣體分子間相互作用,則被淹沒(méi)的金屬筒在緩慢下降過(guò)程中,筒內(nèi)空氣圖4

體積減小,同時(shí)()

A.從外界吸熱

B.內(nèi)能增大

C.向外界放熱

D.內(nèi)能減小素能提升第28頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期六解析緩慢下降的過(guò)程中,筒內(nèi)空氣的溫度與水溫始終相同,即空氣溫度不變.由于不計(jì)氣體分子間的相互作用,分子勢(shì)能始終不變,筒內(nèi)空氣分子的平均動(dòng)能不變,所以筒內(nèi)空氣的內(nèi)能不變.筒內(nèi)空氣的體積減小,外界對(duì)氣體做功,根據(jù)熱力學(xué)第一定律:ΔU=W+Q,可知筒內(nèi)空氣向外放熱.

答案

C第29頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期六2.下列關(guān)于熱力學(xué)三定律的表述中正確的是()A.熱力學(xué)零度不可達(dá)到

B.不可能使熱量由低溫物體傳遞到高溫物體,而不引起其他變化

C.其數(shù)學(xué)表達(dá)式是ΔU=Q+WD.能量在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過(guò)程中總量保持不變

解析

熱力學(xué)零度只可接近不能達(dá)到,A正確;B是熱力學(xué)第二定律的內(nèi)容，C是熱力學(xué)第一定律的表達(dá)式,D是能量守恒定律內(nèi)容.A第30頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期六3.如圖5所示,絕熱隔板K把絕熱的汽缸分隔成體積相等的兩部分,K與汽缸壁的接觸是光滑的.兩部分中分別盛有相同圖5

質(zhì)量、相同溫度的同種氣體a和b.氣體分子之間相互作用勢(shì)能可忽略.現(xiàn)通過(guò)電熱絲對(duì)氣體a加熱一段時(shí)間后,a、b各自達(dá)到新的平衡()A.a的體積增大了,壓強(qiáng)變小了

B.b的溫度升高了

C.加熱后a的分子熱運(yùn)動(dòng)比b分子熱運(yùn)動(dòng)更激烈

D.a增加的內(nèi)能大于b增加的內(nèi)能第31頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期六解析

a氣體受熱膨脹，通過(guò)活塞壓縮氣體b，對(duì)b做功,氣體b體積減小,由熱力學(xué)第一定律,b內(nèi)能增加,溫度升高,則b氣體壓強(qiáng)增大，最終達(dá)到平衡時(shí),a氣體和b氣體壓強(qiáng)相等,而a氣體體積變大，所以a氣體的溫度大于b氣體的溫度,所以B、C、D選項(xiàng)正確.答案

BCD第32頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期六4.下列關(guān)于分子運(yùn)動(dòng)和熱現(xiàn)象的說(shuō)法正確的是()A.氣體如果失去了容器的約束就會(huì)散開(kāi),這是因?yàn)闅怏w分子之間存在勢(shì)能的緣故

B.一定量100℃的水變成100℃的水蒸氣,其分子之間的勢(shì)能增加

C.對(duì)于一定量的氣體,如果壓強(qiáng)不變,體積增大,那么它一定從外界吸熱

D.如果氣體分子總數(shù)不變,而氣體溫度升高,氣體分子的平均動(dòng)能增大,因此壓強(qiáng)必然增大

E.一定量氣體的內(nèi)能等于其所有分子熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)能和分子之間勢(shì)能的總和

F.如果氣體溫度升高,那么所有分子的速率都增加第33頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期六解析

氣體分子是做無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)的