高中物理人教版选修3-3《热学》课件

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1. 分子动理论的基本观点和实验依据 Ⅰ
2. 阿伏加德罗常数 Ⅰ
3. 气体分子运动速率的统计分布 Ⅰ
4. 温度是分子平均动能的标志，内能 Ⅰ
5. 固体的微观结构、晶体和非晶体 Ⅰ
6. 液晶的微观结构 Ⅰ
7. 液体的表面张力现象 Ⅰ7. 液体的表面张力现象 Ⅰ
8. 气体实验定律 Ⅰ
9. 理想气体 Ⅰ
10. 饱和汽、未饱和汽和饱和汽压 Ⅰ
11. 相对湿度 Ⅰ
12. 热力学第一定律 Ⅰ
13. 能量守恒定律 Ⅰ
14. 热力学第二定律 Ⅰ
15. 中学物理中涉及的国际单位制的基本单位
和其他物理量的单位，包括摄氏度(℃)、标准大气压Ⅰ
实验：用油膜法估测分子大小 Ⅰ 新课标地区的高考中对热学部分的要求有
所降低，对本部分的考查内容比较集中，分子动理论、热力学定律、考考查的重点．能量守恒定律、气体实验定律等内容是高
2. 热力学第一定律与理想气体状态方程定性
分析可能综合考查．
3. 根据新课标地区的不同考查形式有所差别，
可以是选择题、填空题，也可以是计算题．
4. 本部分特点是容量大、综合性强，联系生活、
生产比较密切，因此要注意与实际结合的题目.备考导读 　第1节　分子动理论　内能 一、物体是由大量分子组成的
1. 分子体积很小；直径的数量级是10－10m.
油膜法估测分子直径：d＝ V/S (V为油滴体积，S为水面上形成的单分子油膜的面积)
2. 分子质量很小：一般分子质量的数量级是10－26kg.
3. 分子数目很多
(1)阿伏加德罗常数：1 mol的任何物质含有微粒数相同，这个数的测量值NA＝6.02×1023mol－1.
(2)阿伏加德罗常数是联系宏观量和微观量的桥梁．其中密度 ，但要切记ρ＝m/V是没有物理意义的 4. 微观量的估算方法
(1)灵活运用两种微观模型
对液体、固体来说，可以将分子看成是一个个紧挨在一起的小球，也可认为这些分子是一个个紧密排列的立方体．
①球体模型：分子的直径为d＝ .
②立方体模型：分子的直径为d＝ .这两种分子模型计算出的直径数量级相同．
(2)牢记一个桥梁
阿伏加德罗常数NA是一个联系宏观与微观的桥梁．
如作为宏观量的摩尔质量M、摩尔体积Vmol、密度
ρ和作为微观量的分子直径d、分子质量m、每个分子
的体积V0都可通过阿伏加德罗常数联系起来.
①一个分子的质量：m＝ M/NA.
②一个分子所占的体积：V0＝V mol/NA (在固体、液体中可近似为一个分子的体积)．
③1 mol物质的体积：Vmol＝M/ ρ.
④单位质量的物体中所含的分子数：n＝NA/M .
⑤质量为m的物体所含的分子数：n＝ mNA/M.
⑥单位体积的物体中所含的分子数：n＝ ρNA/M.(3)注意一个问题
由于固体和液体中分子间距离较小，可以近似地认为分子是紧密地排列在一起的，
那么若用Vmol表示摩尔体积，即NA个分子所具有的总体积，显然Vmol/ NA就可以表示每个分子的体积．而气体分子间的距离很大，用Vmol/ NA只能表示每个气体分子平均占据的空间，而不是表示分子的体积，那么 就可以表示气体分子间的平均距离了．
对于气体，其分子不是紧密排列，可根据总体积和分子数求出每个分子占有的体积，应使用立方体模型，则立方体的边长d＝ 就是两分子之间的距离，而非分子直径．二、分子的热运动
1. 扩散现象：相互接触的物体互相进入对方的现象，温度越高，扩散现象越明显．
2. 布朗运动
(1)概念：在显微镜下看到的悬浮在液体(或气体)中的固体微小颗粒的永不停息的无规则运动叫做布朗运动．
(2)规律：颗粒越小，运动越显著；温度越高，运动越剧烈．
3. 分子的热运动：把分子的无规则运动叫做热运动．三、分子之间的相互作用力 分子之间同时存在引力和斥力，如图所示，分子引力和分子斥力的大小都跟分子之间的距离有关，都随分子间的距离增大而减小，但斥力减小得快；都随分子间距离的减小而增大，但斥力增大得快．分子力是分子引力和分子斥力的合力 分子力是斥力还是引力的分界点是r＝r0.
当r＝r0时f引＝f斥分子力F＝0.
当r>r0时，f引>f斥，分子力表现为引力．
当r当r>10r0时，f引、f斥都十分微弱，分子力可以忽略不计 四、温度与温标
1. 热平衡：两个不同温度的热学系统相互作用，最后两个系统都具有相同的温度，我们说这两个系统达到了热平衡．一切热平衡系统都具有相同的温度．
2. 温度的两种意义
宏观上表示物体的冷热程度．
微观上标志着分子热运动的激烈程度，它是物体分子平均动能的标志．
3. 两种温标
(1)摄氏温标：单位为摄氏度，符号℃.在1个标准大气压下，冰的熔点作为0 ℃，水的沸点作为100 ℃.
(2)热力学温标：单位为开尔文，符号为K.把－273.15 ℃作为0 K,0 K是低温的极限，它表示所有分子都停止了热运动．可以无限接近，但永远不能达到．
(3)两种温度的关系：T＝t＋273.15 K和ΔT＝Δt，其中两种单位制中每一度的间隔是相同的．五、物体的内能
1. 分子动能
(1)做热运动的分子具有的动能叫做分子动能．
(2)温度是大量分子平均动能的标志，温度越高分子的平均动能越大，对个别分子来讲没有意义．
(3)温度相同的不同种类的物质，它们分子的平均动能相同，但由于不同种类物质的分子质量一般不等，所以它们分子的平均速率一般不同．
(4)分子的平均动能与物体宏观机械运动的速度、动能无关．
2. 分子势能
(1)分子间由于存在相互作用而具有的，大小由分子间相对位置决定的能叫做分子势能．(2)分子势能改变与分子力做功的关系：分子力做正功，分子势能减少；分子力做负功，分子势能增加；分子力做多少功，分子势能就改变多少．分子势能与分子间距的关系如图所示．当r＞r0时，分子力表现为引力，随着r的增大，分子引力做负功，分子势能增加．
当r＜r0时，分子力表现为斥力，随着r的减小，分子斥力做负功，分子势能增加．
当r＝r0时，分子势能最小，选两分子相距无穷远时的分子势能为零，则r＝r0时，分子势能为负值．
对实际气体来说，体积增大，分子势能增加；体积缩小，分子势能减小 3. 物体的内能
(1)物体所有分子热运动动能和分子势能的总和叫做物体的内能．任何物体都有内能，物体的内能跟物体的温度和体积有关．
(2)物体的内能的决定因素
宏观因素：温度(T)、体积(V)、物质的量(n)．
微观因素：分子的平均动能、分子间距离和物体内部的分子总数．
物体的内能与物体宏观的机械运动状态无关．4. 内能与机械能的比较阿伏加德罗常数及微观量的估算 【点拨】　注意到阿伏加德罗常数的“桥梁”作用，及固、液、气体的结构特征：固体和液体分子可以忽略分子间的间隙，而气体分子间的间隙不能忽略．【答案】B布朗运动和分子热运动的比较 (2009·北京卷)做布朗运动实验，得到某个观测记录如图所示．图中记录的是(　　)A. 分子无规则运动的情况
B. 某个微粒做布朗运动的轨迹
C. 某个微粒做布朗运动的速度—时间图线
D. 按等时间间隔依次记录的某个运动微粒位置的连线
【点拨】　(1)布朗运动是宏观颗粒的运动．
(2)布朗运动反映了分子热运动的无规则性 【解析】　布朗运动是悬浮在液体(或气体)中的微小颗粒的无规则运动，而非分子的运动，故A错误；布朗运动是无规则的，所以微粒没有固定的运动轨迹，故B错误；对于某个微粒而言在不同时刻的速度大小和方向均是不确定的，所以无法确定其在某一个时刻的速度，故也就无法描绘其速度—时间图线，故C错误，D正确．
【答案】　D2. 观察布朗运动时，下列说法正确的是(　　)
A. 温度越高，布朗运动越明显
B. 大气压强的变化对布朗运动有较大影响
C. 悬浮颗粒越大，布朗运动越明显
D. 布朗运动就是构成悬浮颗粒的物质的分子热运动
【解析】　液体分子不停地做无规则的运动，不断地撞击微粒，当液体温度升高时，液体分子的运动速度就大，因而对微粒的碰撞作用就强，布朗运动就越明显，大气压强的变化对布朗运动没有影响．另外微粒的大小对布朗运动的激烈程度也有影响，当微粒很小时，在某一瞬间跟它碰撞的分子个数就少，撞击作用的不平衡性表现得越明显，布朗运动也就越明显；微粒较大时，在某一瞬间跟它碰撞的分子个数就多，撞击作用的不平衡性表现得越不明显，可以认为撞击作用几乎平衡，因而布朗运动就不明显，甚至观察不到．由此可以判断选项A正确．
【答案】　A　分子力、分子势能及物体的内能
　
(高考改编题)如图为两分子系统的势能Ep与两分子间距离r的关系曲线．下列说法正确的是(　　)
A. 当r大于r1时，分子间的作用力表现为引力
B. 当r小于r1时，分子间的作用力表现为引力
C. 当r等于r2时，分子间的作用力为零
D. 在r由r1变到r2的过程中，分子间的作用力做负功【点拨】　注意分子间距跟分子力、分子势能的关系．
【解析】　分子间距等于r0时分子势能最小，即r0＝r2.当r小于r1时分子力表现为斥力；当r大于r1小于r2时分子力表现为斥力；当r大于r2时分子力表现为引力，A、B错误，C正确．在r由r1变到r2的过程中，分子斥力做正功，分子势能减小，D错误．
【答案】　C3. 如图所示，甲分子固定在坐标原点O，乙分子位于r轴上距原点为r3的位置．虚线分别表示分子间斥力f斥和引力f引的变化情况，实线表示分子间的斥力与引力的合力f的变化情况．若把乙分子由静止释放，则乙分子(　　)
A. 从r3到r1做加速运动，从r1向O做减速运动
B. 从r3到r2做加速运动，从r2到r1做减速运动
C. 从r3到r1，分子势能先减少后增加
D. 从r3到r1，分子势能先增加后减少【解析】　由题图可知分子在r3到r1之间分子力表现为引力，乙分子做加速运动，在r1到O之间分子表现为斥力，乙分子做减速运动，所以从r3到r1，分子势能一直减少，从r1到O分子势能一直增加，故A选项正确．
【答案】　A物体内能是对分子而言的，它是组成物体所有分子热运动的动能和分子势能的总和，它是状态量，其大小与温度、体积及物体所含分子数有关．对这些理解不透彻往往容易出错．
　下列说法中正确的是(　　)
A. 温度低的物体内能小 B. 温度低的物体分子运动的平均速率小
C. 做加速运动的物体，由于速度越来越大，因此物体分子的平均动能越来越大
D. 温度低的铜块与温度高的铁块相比，分子平均动能小
【错解】　A，因为温度低，平均动能就小，所以内能就小，所以应选A.
B，由动能公式Ek＝mv2可知，速率越小动能就越小，而温度低的物体分子平均动能小，所以速率也小，所以应选B.
C，由加速运动的规律我们了解到，物体的速度大小由初速度、加速度和时间决定，随着时间的推移，速度越来越快，再由动能公式Ek＝mv2可知，物体动能也越来越大，所以应选C.　第2节　固体、液体与气体 一、气体
1. 描述气体状态的物理量
研究气体的性质时，通常用温度、体积、压强等物理量来描述一定质量的气体的状态，这三个物理量被称为气体的状态参量．
1. 温度T(t)
(1)物理意义：宏观上表示物体的冷热程度，微观上标志着物体中分子平均动能的大小．
(2) 国际单位：开尔文，符号：K.
常用单位有：摄氏度，符号℃.
2. 体积V
(1)定义： 气体的体积宏观上等于容器的容积，微观上则表示气体分子所能达到的空间．
(2)国际单位：立方米，符号：m3.且1 m3＝103 dm3(L)＝106 cm3(mL)．3. 压强p
(1)产生原因及决定因素
宏观：气体作用在器壁单位面积上的压力，大小取决于分子数密度和温度T.
微观：大量气体分子无规则热运动对器壁碰撞产生的，大小取决于单位体积内的分子数(分子数密度)和分子平均速度．
(2)气体压强的微观解释
气体的压强是大量气体分子频繁地碰撞器壁而产生的．气体的压强就是大量气体分子作用在器壁单位面积上的平均作用力．气体分子的平均动能越大，分子越密，对单位面积器壁产生的压力就越大，气体的压强就越大．(3)国际单位：帕斯卡，符号：Pa，且1atm＝1.013×105 Pa＝76 cmHg.
以上三个参量的大小决定了气体所处的状态．在质量不变的情况下，p、V、T相互影响，只有一个参量改变是不可能的，至少要有两个或三个参量同时改变．
(4)气体压强与大气压强的区别
气体的压强是由于气体分子频繁碰撞器壁而产生的．压强的大小跟两个因素有关：①气体分子的平均动能，②分子的密集程度．一般情况下不考虑气体本身的重量，所以同一容器内气体的压强处处相等．但大气压在宏观上可以看成是大气受地球吸引而产生的重力而引起的(例如在估算地球大气的总重量时可以用标准大气压乘以地球表面积)．2. 气体实验定律
(1)气体的等温变化——玻意耳定律
①内容：一定质量的气体，在温度不变的情况下，压强和体积成反比．
②公式：＝或p1V1＝p2V2＝常量．
③条件：气体的质量一定，温度不变．
④p-V图象——等温线：一定质量的某种气体在p-V图上的等温线是一条双曲线，如图所示状态M经过等温变化到状态N，矩形的面积相等，在图中温度T11. 液体的表面张力
(1)在液体内部分子间引力和斥力处于平衡状态，液体表面层里的分子要比液体内部稀疏一些，分子力表现为引力，使液面具有收缩的趋势．
(2)方向：跟液面的分界面垂直．
(3)浸润和不浸润是液体表面张力的表现．
2. 液晶
(1)特点：既具有液体的流动性，又像某些晶体那样具有光学各向异性．
(2)主要应用：液晶显示屏．三、饱和汽、饱和汽压与空气的湿度
1. 饱和汽与未饱和汽
(1)饱和汽：与液体处于动态平衡的蒸汽．
(2)未饱和汽：没有达到饱和状态的蒸汽．
2. 饱和汽压
(1)定义：饱和汽所具有的压强．
(2)特点：液体的饱和汽压与温度有关，温度越高，饱和汽压越大，且饱和汽压与饱和汽的体积无关．3. 空气的湿度
(1)定义：空气的干湿程度．
(2)描述湿度的物理量：
①绝对湿度：空气中所含水蒸气的压强．
②相对湿度：空气中水蒸气的压强与同一温度时水的饱和汽压的比．四、固体特别提醒
(1)只要是具有各向异性的固体一定是晶体，而且是单晶体．
(2) 只要是有确定熔点的固体一定是晶体，但无法确定是单晶体还是多晶体；反之，一定是非晶体．
(3) 晶体和非晶体在一定条件下可以相互转化． 固体、液体的特性问题 (1)下列说法中正确的是(　　)
A. 黄金可以切割加工成任意形状，所以是非晶体
B. 同一种物质只能形成一种晶体
C. 单晶体的所有物理性质都是各向异性的
D. 玻璃没有确定的熔点，也没有规则的几何形状(2)经实验证明，表面张力的大小与液体的种类、温度和边界长度有关，我们把某种液体在一定温度下单位边界长度的表面张力大小定义为这种液体的表面张力系数，它的大小反映了液体表面张力作用的强弱．如图所示是测量表面张力系数的一种方法．若已知金属环质量m＝0.10 kg，半径为r＝0.20 m，当用T＝1.15 N的力向上提金属环时，恰好可以将金属环提离液面，求该种液体的表面张力系数α.(g＝9.80 m/s2)
【点拨】　(1)根据晶体与非晶体的特性区别解答．
(2)由题目中表面张力系数的定义，列平衡方程解答．【解析】　所有的金属都是晶体，因而黄金也是晶体，只是因为多晶体内部小晶粒的排列杂乱无章，才使黄金没有规则的几何形状，A错误；同一种物质可以形成多种晶体，如碳可以形成金刚石和石墨两种晶体，B错误；单晶体的物质性质各向异性是指某些物理性质各向异性，有些物理性质各向同性，C错误；玻璃是非晶体，因而没有确定的熔点和规则的几何形状，D正确．【答案】　(1)D　(2)6.77×10－2 N/m1. (2010·海南卷)下列说法正确的是________．
A. 当一定质量的气体吸热时，其内能可能减小
B. 玻璃、石墨和金刚石都是晶体，木炭是非晶体
C. 单晶体有固定的熔点，多晶体和非晶体没有固定的熔点
D. 当液体与大气相接触时，液体表面层内的分子所受其他分子作用力的合力总是指向液体内部
E. 气体分子单位时间内与单位面积器壁碰撞的次数，与单位体积内气体的分子数和气体温度有关【解析】　一定质量的气体吸热时，如果同时对外做功，且做的功大于吸收的热量，则内能减小，A正确；玻璃是非晶体，B错误；多晶体也有固定的熔点，C错误；液体表面层内的分子液体内部分子间距离的密度都大于大气，因此分子力的合力指向液体内部，D正确；气体分子单位时间内与单位面积器壁碰撞的次数，决定气体的压强，因此与单位体积内分子数和气体的温度有关，E正确．
【答案】　ADE气体压强的产生与计算 一位质量为60 kg的同学为了表演“轻功”，他用打气筒给4只相同的气球充以相等质量的空气(可视为理想气体)，然后将这4只气球以相同的方式放在水平放置的木板上，在气球的上方放置一轻质塑料板，如图所示 (1)关于气球内气体的压强，下列说法正确的是(　　)
A. 等于大气压强
B. 是由于气体重力而产生的
C. 是由于气体分子之间的斥力而产生的
D. 是由于大量气体分子的碰撞而产生的(2)在这位同学慢慢站上轻质塑料板中间位置的过程中，球内气体温度可视为不变．下列说法正确的是(　　)
A. 球内气体体积变大　　　　B. 球内气体体积变小
C. 球内气体内能变大 D. 球内气体内能变小
(3)为了估算气球内气体的压强，这位同学在气球的外表面涂上颜料，在轻质塑料板面和气球一侧表面贴上间距为2.0 cm的方格纸．表演结束后，留下气球与方格纸接触部分的“印迹”如图所示．若表演时大气压强为1.013×105Pa，取g＝10 m/s2，则气球内气体的压强为________Pa.(取四位有效数字)
气球在没有贴方格纸的下层木板上也会留下“印迹”，这一“印迹”面积与方格纸上留下的“印迹”面积存在什么关系 【点拨】　(1)气球内气体的压强与大气压强的区别．
(2)温度不变时，一定质量的气体，压强与体积的关系 【解析】　(1)气球中的气体压强等于大气压强与气球材料本身的弹力产生的压强之和，A错误；气球内气体的压强是由于大量气体分子不断的碰撞气球壁产生的，D正确；B、C错误．
(2)变化过程中，气球内的气体温度不变，则内能不变，C、D错误．人站上去，气球内气体压强变大，由理想气体状态方程＝常数，可知气体的体积缩小，A错误，B正确．
(3)数格可知人的压力的作用面积约为0.15 m2，由此可以算出人产生的压强，与大气压相加可以算出气球内气体的压强为1.053×105Pa.气球和气体本身的重力很少，可忽略不计，所以气球上下的印记大小相同．
【答案】　(1)D　(2)B　(3)1.053×105 Pa　面积相同点睛笔记
气体压强的计算方法
(1)液体封闭的气体的压强的确定
①平衡法：选与气体接触的液体为研究对象进行受力分析，利用它的受力平衡，求出气体的压强．
②取等压面法：根据同种液体同一水平液面处于压强相等，在连接器内灵活选取等压面，由两侧压强相等建立方程求出压强．
(2)固体(活塞和气缸)封闭的气体压强的确定
由于该固体必定受到被封闭气体的压力，所以可以对该固体进行受力分析，由平衡条件建立方程，来找出气体压强与其他力的关系．
(3)加速运动系统中封闭气体压强的确定
选与气体接触的液柱或活塞等为研究对象进行受力分析，利用牛顿第二定律列方程求解 2. (2009·全国卷Ⅰ)下列说法正确的是(　　)
A. 气体对器壁的压强就是大量气体分子作用在器壁单位面积上的平均作用力
B. 气体对器壁的压强就是大量气体分子单位时间作用在器壁上的平均冲量
C. 气体分子热运动的平均动能减少，气体的压强一定减小
D. 单位体积的气体分子数增加，气体的压强一定增大【解析】　根据压强的定义A正确，B错误．气体分子热运动的平均动能减小，说明温度降低，但不能说明压强也一定减小，C错误．单位体积的气体分子增加，但温度降低气体的压强有可能减小，D错误．
【答案】　A气体实验定律的有关计算一定质量的理想气体由状态A变为状态D，其有关数据如图甲所示，若状态D的压强是2×104 Pa.
(1)求状态A的压强．
(2)请在乙图中画出该状态变化过程的p-T图象，并分别标出A、B、C、D各个状态，不要求写出计算过程．【点拨】　读出V-T图上各点的体积和温度，由理想气体状态方程即可求出各点对应的压强．
【解析】　(1)据理想气体状态方程：
则pA＝＝4×104 Pa.
(2)由理想气体状态方程可分别求出：
pB＝＝16×104 Pa.pC＝＝4×104 Pa.
所以可得p-T图象及A、B、C、D各个状态如图所示．
【答案】　见解析3. (高考改编题)一定质量理想气体的状态经历了如图所示的ab、bc、cd、da四个过程，其中bc的延长线通过原点，cd垂直于ab且与水平轴平行，da与bc平行，则气体体积在(　　)　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　A. ab过程中不断减小
B. bc过程中保持不变
C. cd过程中不断增加
D. da过程中保持不变【解析】　首先，因为bc的延长线通过原点，所以bc是等容线，即气体体积在bc过程中保持不变，B正确；ab是等温线，压强减小则体积增大，A错误；cd是等压线，温度降低则体积减小，C错误；连接aO交cd于e，则ae是等容线，即Va＝Ve，因为Vd③是非晶体 ④是非晶体
A. ①② B. ①③
C. ①④ D. ③④【点拨】　晶体开始熔化，熔化时晶体吸收的热量全部用来破坏规则的排列，温度不发生变化．而对非晶体加热，固体先变软，然后变为粘滞性很大的液体，温度不断升高．
【解析】　晶体在熔化过程中，不断吸热，但温度却保持不变(熔点对应的温度)．而非晶体没有固定的熔点，不断加热，非晶体先变软，然后熔化，温度却不断上升，因此，a对应的是晶体，b对应的是非晶体．选项①④正确．
【答案】　C4. 关于晶体和非晶体，下列说法正确的是(　　)
A. 有规则几何外形的固体一定是晶体
B. 晶体的各向同性是由于组成它的微粒是按照一定的规则排列的，具有空间上的周期性
C. 晶体一定具有各向异性的特点
D. 某些物质微粒能够形成几种不同的空间分布【解析】　有规则几何外形的固体不一定是晶体，因为也可以用人工的方法使固体有规则的几何外形．多晶体是由许多杂乱无章的小晶体组成的，它就没有确定的几何外形，在不同方向上其物理性质是相同的．某些物质微粒能够形成几种不同的空间分布，如碳原子的层状结构成为石墨，碳原子的等距结构成为金刚石．
【答案】　D一端封闭开口向下竖直放置的U形管，如图所示，设两管中水银柱高度差为h，水银密度为ρ，外界大气压强为p0，则封闭端气体的压强为多大？【错解】　p0＋ρgh
【正确】　误认为开口端水银柱高度小于封闭端水银高度是由于封闭端气体压强大于外界大气压强，所以水银才从左管流向右管，直至水银柱的高度差产生的压强等于气体压强跟外界压强之差为止，因而得出p＝p0＋ρgh.这是由于不理解气体在一定状态下总是处于平衡状态，因而必须根据平衡原理来确定在某一状态下的压强．
为了确定气体在某一状态下的压强，可先选择跟封闭端气体接触的分界面，如图中虚线所示，取分界面上A、B两点以及开口处水银面上一点C，根据平衡原理，气体压强p＝pA＝pB，外界大压强为p0，对于水银面C，满足p＋ρgh＝p0，可得p＝p0－ρgh.【答案】　p0－ρgh　　第3节　热力学定律与能量守恒定律 一、 热力学第一定律和能量守恒定律
1. 改变内能的两种方式——做功和热传递
(1)等效性：做功和热传递在改变物体的内能上是等效的．
(2)本质区别
2. 内能变化——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的功的和．(3)温度、内能、热量、功之间的区别
概念,温度,内能,热量,功含义,表示物体的冷热程度，是物体分子平均动能大小的标志，它是大量分子热运动的集体表现，对个别分子没有意义,物体内所有分子动能和势能的总和，它是由大量分子的热运动和分子的相对位置所决定的能,是热传递过程中内能的改变量，热量用来量度热传递过程中内能转移的多少,做功过程是机械能和其他形式的能(包括内能)之间的转化关系,温度和内能是状态量，热量和功则是过程量．热传递的前提条件是存在温差，传递的是热量而不是温度，实质上是内能的转移 3. 能的转化和守恒定律
(1)内容：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，只能从一个物体转移到另一个物体(热传递)，从一种形式转化成另一种形式(做功)，在转移或转化过程中其总量保持不变．
(2)应用步骤
①先弄清系统变化过程中有几种形式的能量在转化或转移．
②分析初、末状态，确定ΔE增、ΔE减各为多少．
③由ΔE增＝ΔE减列式求解．二、 热力学第二定律
1. 热力学第二定律的两种表述
表述一(按照热传导的方向性来表述)：热量不可能自发地从低温物体传到高温物体．
表述二(按照机械能与内能转化过程的方向性来表述)：不可能从单一热源吸收热量，全部对外做功，而不产生其他影响．它也可以表述为：第二类永动机是不可能制成的．
这两种表述是等效的，可以从一种表述导出另一种表述．
2. 热力学第二定律的实质：揭示了大量分子参与的宏观过程的方向性，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. 熵增加原理：在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小，所以也可以从这一角度理解热力学第二定律，即自发的宏观过程总是向无序更大的方向发展．5. 热力学第一定律和热力学第二定律的关系
热力学第一定律是和热现象有关的物理过程中能量守恒的特殊表达形式，而第二定律指出了能量转化与守恒能否实现的条件和过程的方向，指出了一切变化过程的自然发展是不可逆的，除非靠外界影响，所以二者既相互联系又相互补充．
6. 两类永动机的比较
第一类永动机,第二类永动机不需要任何动力或燃料，却能不断地对外做功的机器,从单一热源吸收热量，全部对外做功，而不产生其他影响的机器违背能量守恒，不可能制成,不违背能量守恒，违背热力学第二定律，不可能制成 三、能源与环境　能源的开发和利用
1. 能量耗散
集中度较高因而也是有序度较高的能量(如机械能、电能、化学能等)，当它们变为环境的内能后，就成为更加分散因而也是无序性更大的能量．我们无法把这些分散的内能重新收集起来再加以利用，这样的转化过程叫做能量耗散．
2. 能量品质降低
各种形式的能量向内能的转化，是无序程度较小的状态向无序程度较大的状态转化，是能够自动发生，全部发生的，而内能向机械能的转化是有条件的．即环境中必须存在着温度差．因而内能不能全部转化为机械能而不引起其他变化．因此，从可被利用的价值来看，内能与机械能、电能等相比较是一种低品质的能源．
3. 节约能源
能量耗散虽然不能使能的总量减少，却会导致能量品质的降低，它实际上将能量从高度有用的形式变为不大可利用的形式．故能量虽然不会减少但能源会越来越少，所以要节约能源．热力学第一定律的应用 (2010·四川模拟)(1)密闭有空气的薄塑料瓶因降温而变扁，关于此过程中瓶内空气(不计分子势能)说法正确的是________．
A. 内能增大，放出热量　　　B. 内能减小，吸收热量
C. 内能增大，对外界做功 D. 内能减小，外界对其做功
(2)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2.0×105 J，同时气体的内能增加了1.5×105 J．试问：此压缩过程中，气体________(填“吸收”或“放出”)的热量等于________J.【点拨】　(1) 温度是分子平均动能的标志．
(2) 弄清符号法则和符号的含义是掌握热力学第一定律的关键．
【解析】　(1)不计分子势能，空气内能由温度决定，随温度降低而减小，A、C错误；薄塑料瓶因降温而变扁、空气体积减小，外界压缩空气做功，D正确；空气内能减小、外界对空气做功，根据能量守恒定律可知空气向外界放热，B错误．
(2)由热力学第一定律W＋Q＝ΔU，得Q＝ΔU－W＝－5×104 J，说明气体放出热量5×104 J.
【答案】　(1)D　(2)放出　5×1041. 下列说法中正确的是(　　)
A. 物体吸热后温度一定升高
B. 物体温度升高一定是因为吸收了热量
C. 0 ℃的冰化为0 ℃的水的过程中内能不变
D. 100 ℃的水变为100 ℃的水蒸气的过程中内能增大【解析】　吸热后物体温度不一定升高，例如冰熔化为水或水沸腾时都需要吸热，而温度不变，这时吸热后物体内能的增加表现为分子势能的增加，A错误．做功也可以使物体温度升高，例如用力多次来回弯曲铁丝，弯曲点铁丝的温度会明显升高，这是做功增加了物体的内能，使温度上升，B错误．冰化为水时要吸热，内能中的分子动能不变，但分子势能增加，因此内能增加，C错误．水沸腾时要吸热，内能中的分子动能不变但分子势能增加，所以内能增大，D正确．
【答案】　D能量守恒定律的应用(2010·徐汇区模拟)(1)图a、b是潮汐发电示意图．涨潮时开闸，水由通道进入海湾水库蓄水，待水面升至最高点时关闭闸门(见图a)．当落潮时，开闸放水发电(见图b)．设海湾水库面积为5.0×108 m2，平均潮差为3.0 m，一天涨落潮两次，发电的平均能量转化率为10%，则一天内发电的平均功率约为(ρ海水取1.0×103 kg/m3，g取10 m/s2)(　　)A. 2.6×104 kW 　　　　　　B. 5.2×104 kW
C. 2.6×105 kW D. 5.2×105 kW
(2)下图为双水库潮汐电站原理示意图．两个水库之间始终保持着水位差，可以全天发电．涨潮时，闸门的开关情况是________；落潮时闸门的开关情况是________．从能量的角度说，该电站是将海水的________转化为水轮机的动能，再推动发电机发电．2. 若一气泡从湖底上升到湖面的过程中温度保持不变，将气泡内的气体视为理想气体，气泡从湖底上升到湖面的过程中对外界做了0.6 J的功，则此过程中的气泡________(填“吸收”或“放出”)的热量是________J．气泡到达湖面后，温度上升的过程中又对外界做了0.1 J的功，同时吸收了0.3 J的热量，则此过程中，气泡内气体内能增加了________ J.
【解析】　第一个过程温度不变则内能不变，所以需要从外界吸收能量来对外做功，吸收的能量和对外做功的值相等．第二个过程，吸收的能量多于对外做功，则多出的部分增加了气体的内能．
【答案】　吸收　0.6　0.2热力学第二定律的应用 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．【点拨】　准确把握热力学第二定律是解答本题的关键．
点睛笔记
(1)第二类永动机——没有冷凝器，只有单一热源．它从单一热源吸收热量全部做功，而不引起其他变化．这种永动机不可能制成，虽然不违反机械能守恒定律，但违反了机械能和内能转化的方向性(单一热源指温度均匀且恒定的热源)．
(2)一切与热现象有关的宏观过程都具有方向性，是不可逆的．【解析】　温差发电现象中产生了电能是因为热水中的内能减少，一部分转化为电能，一部分传递给冷水，该过程热水温度降低，但并没有将热水的内能完全转化为电能，此过程对冷水产生了影响，使冷水的温度升高了，所以并不违反热力学第二定律．
【答案】　见解析3. 下列说法正确的是(　　)
A. 机械能全部变成内能是不可能的
B. 第二类永动机不可能制成功的原因是因为能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，只能从一个物体转移到另一个物体，或者从一种形式转化成另一种形式
C. 根据热力学第二定律可知，热量不可能从低温物体传到高温物体
D. 从单一热源吸收的热量全部变成功是可能的【解析】　机械能可以完全转变为内能，比如运动的物体因为摩擦而停下来，A错误；第二类永动机不违反能量守恒定律，但违反了热力学第二定律，B错误；由热力学第二定律的内容可知，C错误；只有D是正确的．该情形可以实现，但要引起其他变化．
【答案】　D在分析物理问题时要注意进一步挖掘题中的隐含条件，从而找到解决问题的关键 　如图所示，一端开口的圆筒中插入光滑活塞，其中密闭了一段理想气体，其状态参量为p0、V0、T0，在与外界无热交换的情况下，先压缩气体到p1、V1、T1状态，再让气体膨胀到p2、V2、T2状态，若V1＜V0＜V2，则(　　)A. T1＞T0＞T2　　　　B. T1＝T0＝T2
C. T1＜T0＜T2 D. 无法判断【错解】　由理想气体状态方程＝可知，T与V、p均有关系．此题只提供了体积之间的关系，而没有压强p1、p2、p3的大小关系，分析题意可知压强也不相等，所以无法判断，应选D.
【正解】　从题目给出的条件，V1＜V0＜V2和“与外界无热交换”，根据热力学第一定律，我们可以知道，从V0→V1的过程，气体体积减小，外界对气体做功，而系统吸放热为零，则内能一定增加，理想气体内能增加意味着温度升高，所以T1＞T0.从状态1经过状态0到状态2，气体体积膨胀，气体对外做功，内能减少，温度降低，所以T0＞T2，可得T1＞T0＞T2.本题的正确选项为A.
【答案】　A　　　　实验　用油膜法估测分子的大小 实验目的
1. 用油膜法估测分子的直径．
2. 学习一种估测分子大小数量级的方法．
实验原理
用油膜法测定分子大小的原理是：用累积法则出油滴的体积V0，根据溶液浓度算出纯油酸的体积V，测出油滴形成单分子油膜层的面积S，如果把分子看做球形，就可算出油酸分子的直径d＝.分子虽然很小，但分子间有空隙，除一些有机物质的大分子以外，一般物质分子直径的数量级都是10－10 m.
本实验采用使油酸在水面上形成一层单分子的油膜的方法，估测分子的大小，油酸是一种脂肪酸，它的分子和水有很强的亲和力，当它浮于水面时，能形成一个单分子层油膜，如果油膜分子可以大致看做球形，油膜的厚度就是分子的直径，如图所示．实验器材
用酒精稀释过的油酸、滴管、痱子粉、浅盘及水、玻璃板、彩笔、量筒、坐标纸．实验步骤
1. 配制油酸酒精溶液，取1 mL的油酸滴入酒精中配制成500 mL的油酸酒精溶液．
2. 用滴管或注射器将事先配制好的油酸酒精溶液一滴一滴地滴入量筒中，记下量筒内增加一定体积(例如1 mL)时的滴数，算出一滴油酸酒精溶液的体积．
3. 实验时先向边长为30～40 cm的浅盘里倒入约2 cm深的水，然后将痱子粉或石膏粉均匀地撒在水面上用滴管往水面上滴一滴油酸酒精溶液，油酸立即在水面上散开形成一块薄膜．
4. 待油酸薄膜的形状稳定后，将玻璃板放在浅盘上，然后将油酸膜的形状用彩笔画在玻璃板上．
5. 将画有油酸膜轮廓的玻璃板放在坐标纸上，算出油酸薄膜的面积S.求面积时以坐标纸上边长为1 cm的正方形为单位．数出轮廓内正方形的个数，不足半个的舍去，多于半个的算一个．
6. 根据配制的油酸酒精溶液的浓度，算出一滴溶液中纯油酸的体积V.根据一滴纯油酸的体积V和薄膜的面积S即可算出油酸薄膜的厚度d＝V/S，即油酸分子的大小．数据处理
根据上面记录的数据，完成以下表格．误差分析
用油膜法估测分子的直径，通常可以测得比较准，实验误差通常来自三个方面．
1. 形成单分子油膜
只有形成单分子油膜，才能用油膜的厚度代表分子的直径，即d＝V/S.要求使用的酒精的浓度、痱子粉的用量适宜．
2. 油滴的体积V
用累积法测油滴的体积．先测出1 mL的油酸酒精溶液的滴数，从而计算出一滴油酸酒精溶液的体积，再由油酸酒精溶液的浓度算出纯油酸的体积．
3. 油膜的面积S
用坐标纸测出形状不规则油膜的面积．数出不规则图形的轮廓包围的方格数，计算方格数时，不足半格的舍去，多于半格的算一个，方格边长的单位越小，这种方法求出的面积越精确 误差分析
用油膜法估测分子的直径，通常可以测得比较准，实验误差通常来自三个方面．
1. 形成单分子油膜
只有形成单分子油膜，才能用油膜的厚度代表分子的直径，即d＝.要求使用的酒精的浓度、痱子粉的用量适宜．
2. 油滴的体积V
用累积法测油滴的体积．先测出1 mL的油酸酒精溶液的滴数，从而计算出一滴油酸酒精溶液的体积，再由油酸酒精溶液的浓度算出纯油酸的体积．
3. 油膜的面积S
用坐标纸测出形状不规则油膜的面积．数出不规则图形的轮廓包围的方格数，计算方格数时，不足半格的舍去，多于半格的算一个，方格边长的单位越小，这种方法求出的面积越精确 实验改进
在做本实验时，把痱子粉均匀撒在水面上是很关键的一步，在实际操作时常撒的不均匀或撒多，因痱子粉溶于水不能搅拌，只好重做．在实际应用中可用印刷碳粉代替痱子粉，因为印刷碳粉不溶于水且漂浮在水面上，若学生撒的太多，可将水和碳粉一起倒出，然后用玻璃棒搅拌，直至碳粉在水面薄且均匀，若学生撒的不均匀，可直接用玻璃棒搅拌均匀． 利用油膜法估测油酸分子的大小，实验器材有：浓度为
0.05%(体积分数)的油酸酒精溶液、最小刻度为0.1 mL的量筒、盛有适量水的45×50 cm2的浅盘、痱子粉、橡皮头滴管、玻璃板、彩笔、坐标纸．
(1)下面是实验步骤，请填写所缺的步骤C.
A. 用滴管将浓度为0.05%的油酸酒精溶液一滴一滴地滴入量筒中，记下滴入1 mL油酸酒精溶液时的滴数N.
B. 将痱子粉均匀地撒在浅盘内水面上，用滴管吸取浓度为0.05%的油酸酒精溶液，从低处向水面中央一滴一滴地滴入，直到油酸膜有足够大的面积又不与器壁接触为止，记下滴入的滴数n.
C._________________________________________________.D. 将画有油酸膜轮廓的玻璃板放在坐标纸上，以坐标纸上边长为1 cm的正方形为单位，计算轮廓内正方形的个数，算出油酸膜的面积S.(2)用已给的和测得的物理量表示单个油酸分子的大
小_______(单位：cm)．在做“用油膜法估测分子大小”的实验中，油酸酒精的浓度为每104 mL溶液中有纯油酸6 mL.用注射器测得1 mL上述溶液为75滴．把1滴该溶液滴入盛水的浅盘里，待水面稳定后，将玻璃板放在浅盘上，用笔在玻璃板上描出油酸的轮廓，再把玻璃板放在坐标纸上，其形状和尺寸如图所示，坐标纸中正方形方格的边长为1 cm，试求： (1)油酸膜的面积是多少．
(2)每滴油酸酒精溶液中含有纯油酸的体积是多少．
(3)按以上实验数据估测出油酸分子的直径．【解析】　(1)图中正方形方格为87个，用补偿法近似处理，可补19个整小方格，实际占小方格87＋19＝106个，那么油膜面积S＝106×1 cm2＝106 cm2.
(2)由1 mL溶液中有75滴，1滴溶液的体积 mL，又每104 mL溶液中有纯油酸6 mL， mL溶液中纯油酸的体积V＝ mL＝8×10－6 mL.
(3)油酸分子直径d＝＝cm＝7.5×10－10 m.
【答案】　(1)106 cm2　(2)8×10－6 mL　(3)7.5×10－10 m一、方法简介
有些物理问题本身的结果，并不一定需要有一个很准确的答案，但是往往需要我们对事物有一个预测的估计值；有些物理问题的提出，由于本身条件的限制，或者实验中尚未观察到必要的结果，使我们解决问题缺乏必要的条件，无法用常规的方法来求出物理问题的准确答案，采用“估算”的方法就能忽略次要因素，抓住问题的关键和本质，充分应用物理知识进行数量级的快速计算．