高中物理課件：《熱力學定律與能量守恒》 （滬科版選修3-3）

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歡迎進入物理課堂 一 熱力學第一定律1 改變內能的兩種方式的比較 2 熱力學第一定律 1 內容 一個熱力學系統(tǒng)的內能增量等于外界向它傳遞的熱量與外界對它所做的功的和 2 表達式 U W Q 3 W Q U的 號法則 4 三種特殊情況 若過程是絕熱的 則Q 0 W U 外界對物體做的功等于物體內能的增加 若過程中不做功 即W 0 Q U 物體吸收的熱量等于物體內能的增加 若過程的始 末狀態(tài)物體的內能不變 即 U 0 則W Q 0或W Q 外界對物體做的功等于物體放出的熱量 3 溫度 內能 熱量 功的比較 1 雖然功與能具有相同的單位 但兩者是完全不同的兩個概念 在能量守恒定律的表達式中只存在能量 不存在功 2 能量轉化和守恒定律是自然界中普遍存在的一種規(guī)律 是無條件的 而機械能守恒定律是有條件的 二 熱力學第二定律1 兩種表述 2 用熵的概念表示熱力學第二定律在任何自然過程中 一個孤立系統(tǒng)的總熵不會減小 3 兩類永動機的比較 4 對熱力學第二定律的理解 1 在熱力學第二定律的表述中 自發(fā)地 不產生其他影響 的涵義 自發(fā)地 指明了熱傳遞等熱力學宏觀現(xiàn)象的方向性 不需要借助外界提供能量的幫助 不產生其他影響 的涵義是發(fā)生的熱力學宏觀過程只在本系統(tǒng)內完成 對周圍環(huán)境不產生熱力學方面的影響 如吸熱 放熱 做功等 2 熱力學第二定律的實質熱力學第二定律的每一種表述 都揭示了大量分子參與宏觀過程的方向性 進而使人們認識到自然界中進行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性 3 熱力學過程方向性實例 5 熱力學第二定律的微觀意義系統(tǒng)的熱力學過程就是大量分子無序運動狀態(tài)的變化過程 1 在機械能通過做功轉化為熱的過程中 自然過程是大量分子從有序運動狀態(tài)向無序運動狀態(tài)轉化的過程 但其逆過程卻不能自發(fā)地進行 即不可能由大量分子無規(guī)則的熱運動自發(fā)轉變?yōu)橛行蜻\動 2 熱傳遞的過程中 自然過程是大量分子從無序程度小的運動狀態(tài)向無序程度大的運動狀態(tài)轉化的過程 其逆過程不能自發(fā)進行 3 大量分子無序運動狀態(tài)變化的方向總是向無序性增大的方向進行 即一切自然過程總是沿著分子熱運動的無序性增大的方向進行 這就是熱力學第二定律的微觀意義 1 熱力學第一 第二定律從不同角度揭示了熱力學過程中遵守的規(guī)律 只有同時符合兩定律的過程才能實現(xiàn) 2 兩定律都是熱力學基本定律 分別從不同角度揭示了與熱現(xiàn)象有關的物理過程所遵循的規(guī)律 熱力學第一定律的應用 例證1 2010 廣東高考 如圖是密閉的汽缸 外力推動活塞P壓縮氣體 對缸內氣體做功800J 同時氣體向外界放熱200J 缸內氣體的 1 A 溫度升高 內能增加600JB 溫度升高 內能減少200JC 溫度降低 內能增加600JD 溫度降低 內能減少200J 解題指導 本題在應用熱力學第一定律的時候要依照符號法則 注意各量的正負及物理意義 自主解答 選A 由熱力學第一定律知 由 U W Q得 U 800J 200J 600J B D錯 一定質量的理想氣體的內能大小只與溫度有關 U 600J 0 故溫度一定升高 A選項正確 C錯 總結提升 判定物體內能變化的方法 1 當做功和熱傳遞兩種過程同時發(fā)生時 內能的變化就要用熱力學第一定律進行綜合分析 2 做功情況看氣體的體積 體積增大 氣體對外做功 W為負 體積縮小 外界對氣體做功 W為正 3 與外界絕熱 則不發(fā)生熱傳遞 此時Q 0 4 如果研究對象是理想氣體 則由于理想氣體沒有分子勢能 所以當它的內能變化時 主要體現(xiàn)在分子動能的變化上 從宏觀上看就是溫度發(fā)生了變化 熱力學第二定律的應用 例證2 如圖為電冰箱的工作原理示意圖 壓縮機工作時 強迫制冷劑在冰箱內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的熱量 經過冷凝器時制冷劑液化 放出熱量到箱體外 2 1 下列說法正確的是A 熱量可以自發(fā)地從冰箱內傳到冰箱外B 電冰箱的制冷系統(tǒng)能夠不斷地把冰箱內的熱量傳到外界 是因為其消耗了電能C 電冰箱的工作原理違反熱力學第一定律D 電冰箱的工作原理違反熱力學第二定律 2 電冰箱的制冷系統(tǒng)從冰箱內吸收的熱量與釋放到外界的熱量相比 有怎樣的關系 解題指導 結合熱力學第一定律 熱力學第二定律的相關知識進行研究分析 標準解答 1 選B 由熱力學第二定律可知 熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體 除非有外界的影響或幫助 電冰箱把熱量從低溫的內部傳到高溫的外部 需要壓縮機的幫助并消耗電能 B正確 A D錯誤 熱力學第一定律是熱現(xiàn)象中內能與其他形式能的轉化規(guī)律 是能的轉化和守恒定律的具體表現(xiàn) 適用于所有的熱學過程 故C錯誤 2 由熱力學第一定律可知 電冰箱制冷系統(tǒng)從冰箱內吸收了熱量 同時消耗了電能 釋放到外界的熱量比從冰箱內吸收的熱量多 氣體實驗定律與熱力學定律綜合 例證3 如圖 一個固定且導熱性能良好的汽缸內密封有一定質量的理想氣體 氣體體積為V 壓強為p 現(xiàn)用力F緩慢推活塞使氣體體積減小到 設環(huán)境溫度不變 則缸內氣體 3 A 內能增大B 要從外界吸熱C 壓強等于3pD 壓強大于3p 解題指導 解答本題時可按以下思路分析 自主解答 選C 由于環(huán)境溫度不變 汽缸導熱性能良好 緩慢壓縮氣體 發(fā)生等溫變化 據(jù)玻意耳定律有p1V1 p2V2 由V2 得p2 3p1 C對D錯 溫度不變 理想氣體內能不變 A錯 由熱力學第一定律 U W Q U 0 W 0 則Q 0 即氣體放熱 B錯 故選C 總結提升 氣體實驗定律與熱力學定律綜合問題的分析方法 1 此類問題在各類考查中較為常見 且題目情境設置容易變化創(chuàng)新 在分析此類問題時注意抓住溫度和體積兩個狀態(tài)參量 2 溫度是判斷一定質量理想氣體內能 分子平均動能變化的關鍵 體積是判斷熱力學系統(tǒng)的做功情況的關鍵 3 據(jù)溫度和體積的變化情況 依據(jù)氣體實驗定律分析氣體壓強的變化 依據(jù)熱力學第一定律可判斷熱力學系統(tǒng)的吸熱與放熱情況 涉及圖象的熱力學問題綜合分析 例證4 2011 泉州模擬 一定質量的理想氣體的狀態(tài)發(fā)生變化 經歷了圖示A B C A的循環(huán)過程 則 4 A 氣體在狀態(tài)C和狀態(tài)A的內能相等B 從狀態(tài)C變化到狀態(tài)A的過程中 氣體一定放熱C 從狀態(tài)B變化到狀態(tài)C的過程中 氣體一定吸熱D 從狀態(tài)B變化到狀態(tài)C的過程中 氣體分子平均動能減小 解題指導 解答本題要從圖象中獲取以下兩個方面內容 1 從p V圖中判斷各狀態(tài)的溫度 2 從V T的變化來判斷W U 標準解答 選D 由pV CT可知p V圖象中各點與橫縱坐標所圍成面積表示該狀態(tài)時的溫度情況 從C A狀態(tài) 溫度升高 一定質量理想氣體內能變大 A錯 體積不變 則W 0 據(jù) U W Q可知Q 0 即C A狀態(tài)氣體吸熱 B錯 同理B C狀態(tài) 溫度降低 氣體分子平均動能減小 內能減小 D對 體積變小 外界對氣體做功W 0 據(jù) U W Q可知 U 0 Q 0 即氣體放熱 C錯 故選D 1 一定質量的理想氣體在某一過程中 氣體向外界放出熱量210J 氣體內能減少了100J 則此過程 A 氣體對外界做功110JB 氣體對外界做功310JC 外界對氣體做功110JD 外界對氣體做功310J 解析 選C 由于 U 100J Q 210J 據(jù)熱力學第一定律 U W Q有W U Q 110J 即外界對氣體做了110J的功 故選C 2 下列關于熱現(xiàn)象的敘述 正確的是 A 壓縮密閉絕熱容器中的氣體時 其內能一定增大B 只要滿足能量守恒的物理過程 都可以自發(fā)地進行C 布朗運動就是液體分子的無規(guī)則運動D 當質量一定的氣體膨脹時 氣體分子間的勢能減小 因而氣體的內能減少 解析 選A 根據(jù)熱力學第一定律 A正確 根據(jù)熱力學第二定律 B錯誤 布朗運動是懸浮在液體中的固體小顆粒的無規(guī)則運動 C錯誤 當質量一定的氣體膨脹時 氣體分子克服引力做功 分子間勢能增大 但分子動能不確定 內能不確定 故D錯誤 3 金屬制成的汽缸中裝有柴油與空氣的混合物 有可能使汽缸中柴油達到燃點的過程是 A 迅速向里推活塞B 迅速向外拉活塞C 緩慢向里推活塞D 緩慢向外拉活塞 解析 選A 迅速向里推活塞 對氣體做功 而氣體來不及和外界進行熱交換 從而使氣體內能增大 溫度升高 達到混合物的燃點 4 當物體的內能增大時 下列說法正確的是 A 物體一定吸收了熱量B 外界一定對物體做了功C 物體不可能放出熱量D 物體有可能對外界做功 解析 選D 改變物體內能有兩種途徑 做功和熱傳遞 具體到本題 已知物體的內能是增大的 存在五種可能性 一是只吸收熱量 沒有做功 二是外界對物體做功 沒有熱傳遞 三是吸收了熱量 同時外界對物體做功 四是吸收熱量使內能增加 同時物體對外界做功使內能有所減少 但吸收的熱量比對外做的功多 五是物體放出熱量使內能減少 但同時外界對物體做功使內能增加 且外界對物體做功比物體放出的熱量多 這五種可能最終結果都使物體的內能增大 可見選項A 選項B和選項C都是錯誤的 選項D正確 5 關于第二類永動機 下列說法中正確的是 A 沒有冷凝器 只有單一熱源 能將從單一熱源吸收的熱量全部用來做功 而不引起其他變化的熱機叫做第一類永動機B 第二類永動機違反了能量守恒定律 所以不可能制成C 第二類永動機不可能制成 說明機械能可以全部轉化為內能 內能卻不能全部轉化為機械能D 第二類永動機不可能制成 說明機械能可以全部轉化為內能 內能卻不能全部轉化為機械能而同時不引起其他變化 解析 選D 將從單一熱源吸收的熱量全部用來做功 而不引起其他變化的熱機是第二類永動機 A錯 第二類永動機不違背能量守恒定律 但違背熱力學第二定律 B錯 內能全部轉化為機械能要引起其他變化 C錯D對 6 關于熱力學定律 下列說法正確的是 A 在一定條件下物體的溫度可以降到0KB 物體從單一熱源吸收的熱量可全部用于做功C 吸收了熱量的物體 其內能一定增加D 壓縮氣體總能使氣體的溫度升高 解析 選B 由熱力學第三定律知 絕對零度不可能達到 A錯 由熱力學第二定律知 物體從單一熱源吸收的熱量可全部用于做功 但是將產生其他影響 B對 物體吸收了熱量 若全部用于對外做功 其內能不變 C錯 壓縮氣體 若氣體外放熱 氣體的溫度不一定升高 D錯 7 2010 重慶高考 給旱區(qū)送水的消防車停于水平面 在緩緩放水的過程中 若車胎不漏氣 胎內氣體溫度不變 不計分子勢能 則胎內氣體 A 從外界吸熱B 對外界做負功C 分子平均動能減少D 內能增加 解析 選A 胎內氣體經歷了一個溫度不變 壓力減小 體積增大的過程 溫度不變 分子平均動能和內能不變 體積增大氣體對外界做正功 B C D均錯 根據(jù)熱力學第一定律氣體一定從外界吸熱 A正確 8 2010 福建高考 如圖所示 一定質量的理想氣體密封在絕熱 即與外界不發(fā)生熱交換 容器中 容器內裝有一可以活動的絕熱活塞 今對活塞施加一豎直向下的壓力F 使活塞緩慢向下移動一段距離后 氣體的體積減小 若忽略活塞與容器壁間的摩擦力 則被密封的氣體 A 溫度升高 壓強增大 內能減少B 溫度降低 壓強增大 內能減少C 溫度升高 壓強增大 內能增加D 溫度降低 壓強減小 內能增加 解析 選C 由F對密閉的氣體做正功W 0 絕熱活塞Q 0 由熱力學第一定律知理想氣體內能增大 T升高 再根據(jù)pV T C V減小 p增大 故選C 9 噴霧器 如圖 內有10L水 上部封閉有1atm的空氣2L 關閉噴霧閥門 用打氣筒向噴霧器內再充入1atm的空氣3L 設外界環(huán)境溫度一定 空氣可看做理想氣體 則針對噴霧器 下列說法正確的是 A 打氣過程中發(fā)生的是等壓過程B 打氣過程中發(fā)生的是等容過程C 打氣過程中發(fā)生的是等溫過程D 當打入空氣后水面上方空氣與外界溫度相等時 氣體壓強為2 5atm 解析 選D 打氣過程中 空氣壓強增大 體積減小 溫度升高 則A B C都錯誤 等水面上方空氣與外界溫度相等時 根據(jù)玻意耳定律p1V1 p2V2解得p2 2 5atm 故D正確 10 一個絕熱汽缸 壓縮活塞前容積為V 內部氣體的壓強為p 現(xiàn)在用力推活塞 使容積減小到V 6 則汽缸內的壓強為 A 等于6pB 大于6pC 小于6pD 等于p 6 解析 選B 用力推活塞 對絕熱汽缸內部氣體做功 內能增加 溫度升高 由 恒量 可得壓強大于6p 故選B 11 如圖所示 導熱的汽缸開口向下 缸內活塞封閉了一定質量的理想氣體 活塞可自由滑動且不漏氣 活塞下掛一個沙桶 沙桶裝滿沙子時 活塞恰好靜止 現(xiàn)將沙桶底部鉆一個小洞 讓細沙慢慢漏出 汽缸外部溫度恒定不變 則下列說法中正確的有 A 缸內的氣體壓強減小 內能增加B 缸內的氣體壓強增大 內能不變C 缸內的氣體壓強不變 內能減少D 外界對缸內氣體做功 缸內氣體內能增加 解析 選B 設小桶質量為M 沙質量為m 對活塞受力分析得p0S pS m M g 細沙慢慢漏出 m減小 p增大 A C錯 導熱的汽缸外部溫度恒定不變 內能不變 D錯 12 2011 福州模擬 一定質量的理想氣體 當它發(fā)生如圖所示的狀態(tài)變化時 哪一個狀態(tài)變化過程中 氣體吸收熱量全部用來對外界做功 A 由A至B狀態(tài)變化過程B 由B至C狀態(tài)變化過程C 由C至D狀態(tài)變化過程D 由D至A狀態(tài)變化過程 解析 選D A至B C至D狀態(tài) 體積不變 沒有對外做功 A C錯 B至C狀態(tài) 體積減小 外界對氣體做功 B錯 D至A狀態(tài) 溫度不變 內能不變 體積變大 因此吸收熱量全部用來對外做功 D對 Thankyou 同學們 來學校和回家的路上要注意安全 同學們 來學校和回家的路上要注意安全