2015版高中物理人教版选修3-3讲义：10.7　《热力学定律》整合与评价

课时10.7　《热力学定律》整合与评价
1.了解功和热量是能量转化的量度,并以此理解功、热量与内能的关系。
2.了解热力学第一定律,知道能量守恒定律是自然界普遍遵循的基本规律。
3.通过自然界中热传导的方向性等事例,初步了解热力学第二定律,初步了解熵是描述系统无序程度的物理量。
4.能运用热力学第一定律、热力学第二定律解释自然界中能量的转化、转移以及方向性问题。
5.从能的守恒角度认识能源与人类社会发展的关系,并养成环保意识,了解开发新能源的意义。
重点难点:热力学第一定律表达式中各物理量的正负及其所代表的物理意义。对热力学第二定律的理解,可逆与不可逆过程的判断。
　　教学建议:本单元内容只限于理解,建议从以下几个方面进行复习。
(1)深刻理解基本概念与规律
①弄清基本概念与规律中易混问题,如:热量和内能,物体的内能的变化与做功、热传递的关系,机械能与内能,等等。
②建立宏观量与微观量的对应关系。
物体的内能与物体的温度、体积、质量对应;物体内能的改变与做功或热传递过程对应。
(2)强化基本概念与规律的记忆
通过复习,在理解的基础上记忆本单元的基本 ( http: / / www.21cnjy.com )概念与规律,并能灵活地运用于解题中。如分子平均动能与温度的关系、分子势能随分子间距离的变化关系、改变物体内能的两种方式的异同、能量守恒与热力学两大定律的关系等。
热力学定律
主题1:热力学第一定律
问题(1):做功和热传递改变内能是等效的,本质上有什么不同
解答:在改变物体的内能上,做功和热传递可以 ( http: / / www.21cnjy.com )起到同样的效果,如果把内能改变相同的两个物体放在一起,我们无法分辨出哪个是热传递改变内能的,哪个是做功改变内能的。不过,做功和热传递还是有着本质的区别的。
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,发生了分子热运动的转移。
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。
问题(2):如何区分“热量”和“内能”两个概念
解答:内能是由系统的状态决定的,状态确定了 ( http: / / www.21cnjy.com ),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”。
问题(3):请你写出热力学第一定律的表达式,并说明公式中各字母代表的物理意义和符号是如何规定的。
解答:公式为ΔU=Q+W。
符号规定:当外界对物体做功 ( http: / / www.21cnjy.com )时,W取正,物体克服外力做功时,W取负;当物体从外界吸热时,Q取正,物体向外界放热时,Q取负;ΔU为正,表示物体内能增加,ΔU为负,表示物体内能减少。
知识链接: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。
主题2:热力学第二定律
问题(1):如何理解热力学第一定律与热力学第二定律的相辅性
解答:热力学第一定律中,摩擦力做功可以 ( http: / / www.21cnjy.com )全部转化为内能。热力学第二定律却说这一内能在不引起其他变化的情况下不可能完全用来做功。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热量不能自动从低温物体传向高温物体。热力学第一定律说明在任何过程中能量必定守恒,热力学第二定律说明并非所有能量守恒的过程均可以实现。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。
问题(2):热力学第二定律的两种表述的内容是什么 为什么第二类永动机无法制成
解答:一种表述:不可能使热量由低温物体传递给高温物体,而不引起其他变化,这是按照热传导的方向性来表述的。
另一种表述:不可能从单一热库吸收热 ( http: / / www.21cnjy.com )量并把它全部用来做功,而不引起其他变化,这是按照机械能与内能转化过程的方向性来表述的。该定律说明了第二类永动机是无法制成的。
知识链接:通过做功将机械能转化为内 ( http: / / www.21cnjy.com )能的过程中,自然过程是大量分子从有序运动状态向无序运动状态转化的过程,但其逆过程却不能自发地进行,即不可能由大量分子的无规则热运动自动转变为有序运动。
拓展一:热力学第一定律
热力学第一定律揭示了内能的增量(ΔU)和外界 ( http: / / www.21cnjy.com )对物体做功(W)与物体从外界吸热(Q)之间的关系,即ΔU=W+Q,正确理解公式的意义及符合的含义是解决此类问题的保证。
外界对物体做功,W>0;物体对外界做功,W<0。
物体从外界吸热,Q>0;物体放出热量,Q<0。
ΔU>0,物体的内能增加;ΔU<0,物体的内能减少。
解题思路:分析题干确定内能改变的手段(W、Q)判断W、Q的符号代入公式ΔU=W+Q得出结论:ΔU>0,则内能增加;ΔU<0,则内能减少。
需注意的问题:只有绝热过程 ( http: / / www.21cnjy.com )Q=0时,ΔU=W,用做功可判断内能的变化。只有在气体体积不变时,W=0,ΔU=Q,用吸热、放热情况可判断内能的变化。若物体内能不变,即ΔU=0,则W=-Q,功和热量符号相反,大小相等。因此判断内能变化问题一定要全面地进行考虑。
1.如图所示的p-V图中 ( http: / / www.21cnjy.com ),一定质量的理想气体由状态A经过程Ⅰ变至状态B时,从外界吸收热量420 J,同时膨胀对外做功300 J,当气体从状态B经过程Ⅱ回到A时外界压缩气体做功200 J,求此过程中气体吸收或放出的热量。
( http: / / www.21cnjy.com )
问1:气体吸收和放出热量Q,哪个Q为正值
答1:气体吸收热量时Q>0。
问2:由状态A变到状态B,气体内能如何变化
答2:气体内能增加120 J。
问3:过程Ⅰ和过程Ⅱ内能的变化在数值上相等吗
答3:相等。
【解析】气体由状态A经过程Ⅰ到状态B的 ( http: / / www.21cnjy.com )过程中,Q1=420 J,W1=-300 J,则ΔU=W1+Q1=120 J,即内能增加了120 J。
气体由状态B经过程Ⅱ回到状态A的过程中 ( http: / / www.21cnjy.com ),ΔU2=-ΔU1=-120 J,W2=200 J,则Q2=ΔU2-W2=-320 J,即气体向外界放出320 J的热量。
【答案】放出的热量为320 J
【点拨】热力学第一定律是能量守恒定 ( http: / / www.21cnjy.com )律在热力学中的体现,反映了内能与其他能的转化和内能之间转移的关系。利用热力学第一定律求解时,要注意公式中各量的正负号。
拓展二:热力学第一定律在气体状态变化中的应用
由于理想气体分子间距超过10r0时,不再考虑分子间作用力,无分子势能,只有分子动能,一定质量的气体,其内能只取决于温度,而与体积无关。在气体状态变化过程中,三个状态参量(p、V、T)遵循气体状态方程=[或=C(C是恒量)]。理想气体的内能只需分析气体的温度。温度升高(或降低),内能增大(或减小)。从做功情况分析气体体积,气体体积增大,气体对外做功,气体体积减小,外界对气体做功。热量Q则由热力学第一定律W+Q=ΔU确定。
2.一定质量的理想气体由状态A经状态B变 ( http: / / www.21cnjy.com )为状态C,其中A→B过程为等压变化,B→C过程为等容变化。已知VA=0.3 m3,TA=TC=300 K,TB=400 K。
(1)求气体在状态B时的体积。
(2)说明B→C过程压强变化的微观原因。
(3)设A→B过程气体吸收热量为Q1,B→C过程气体放出热量为Q2,比较Q1、Q2的大小,并说明原因。
问1:气体等压变化时满足什么定律
答1:气体等压变化时满足盖—吕萨克定律,即:=。
问2:气体压强变化的微观原因怎么分析
答2:气体压强微观上取决于分子的平均动能和单位体积内的分子数,宏观上取决于气体的温度T和体积V。
问3:怎么比较Q1、Q2的大小
答3:由理想气体状态方程分析气体体积变化,明确气体做功情况,再联系热力学第一定律,即可比较Q1、Q2的大小。
【解析】(1)设气体在B状态时的体积为VB,由盖—吕萨克定律得=,代入数据得VB=0.4 m3。
(2)微观原因:气体体积不变,分子密集程度不变,温度变小,气体分子平均动能减小,导致气体压强减小。
(3)Q1>Q2;因为TA=TC,故 ( http: / / www.21cnjy.com )A→B增加的内能与B→C减小的内能相同,而A→B过程气体对外做正功,B→C过程气体不做功,由热力学第一定律可知Q1>Q2。
【答案】(1)0.4 m3
(2)温度变小,气体分子平均动能减小,压强减小
(3)Q1>Q2　理由略
【点拨】气体的压强是大量气体分子对器壁 ( http: / / www.21cnjy.com )撞击的结果,气体压强微观上取决于分子的平均动能和单位体积内的分子数,宏观上取决于气体的温度T和体积V。对于气体实验定律的微观解释问题,要找准不变量,找出因变量,分析从变量,这是解决此类问题的关键,这样才能“以不变应万变”,运用自如。
拓展三:正确利用热力学第二定律分析判断热力学问题
热力学第二定律是说不违背能量守恒定律的热力学过程的发生具有方向性。热力学过程方向性实例:
高温物体低温物体
功热量
气体体积V1气体体积V2(V2>V1)
不同气体A和B混合气体AB
3.如图所示,汽缸内盛有一定量 ( http: / / www.21cnjy.com )的理想气体,汽缸壁是导热的,缸外环境保持恒温,活塞与汽缸壁的接触是光滑的,但不漏气。现将活塞杆与外界连接使其缓慢地向右移动,这样气体将等温膨胀并通过杆对外做功。则下列说法中正确的是(　　)。
A.气体是从单一热源吸热,全用来对外做功,因此此过程违反热力学第二定律
B.气体是从单一热源吸热,但并未全用来对外做功,所以此过程不违反热力学第二定律
C.气体是从单一热源吸热,全用来对外做功,但此过程不违反热力学第二定律
D.以上三种说法都不对
问1:理想气体内能与哪些因素有关
答1:理想气体的内能只与温度有关。
问2:活塞杆缓慢移动过程中气体做功情况怎样,温度、内能如何变化
答2:活塞杆缓慢地向右移动时,气体的体积膨胀而对外界做功,由于过程很缓慢,可以认为气体温度不变,所以气体内能不变。
问3:把从单一热源吸收的热量全部用来做功可能吗
答3:可能,但会产生其他影响。
【解析】由题设的条件知,当活塞杆缓慢地 ( http: / / www.21cnjy.com )向右移动时,气体的体积膨胀而对外界做功,由于过程很缓慢,可以认为气体温度不变,所以气体内能不变,由热力学第一定律可知,气体必然从周围吸热,所以,此过程属于气体从单一热源吸热,全用来对外做功的过程,可以确定,在此过程中,一定有外力作用在杆上,将杆和活塞向右拉,所以,该过程不是自发的,不违反热力学第二定律,本题的正确答案是C。
【答案】C
【点拨】在气体体积膨胀对外做功的同时又吸热时,一定要分析出该过程并不是自发的过程,否则将违反热力学第二定律。
拓展四:能量守恒定律的应用
利用能量守恒定律解决问题时应注意以下几点:
分清有多少种能(如机械能、热能、电能、内能等)在变化。
研究的系统中有哪些力在做功,有哪些能量在相互转化,是增加还是减少。
明确所研究的过程,系统初、末状态的总的能量,弄清楚在过程中传递的能量。
列方程建立联系,求解或分析解决问题。
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4.如图所示,密闭绝热容器内具有一定质量的 ( http: / / www.21cnjy.com )活塞,活塞的上部封闭着气体,下部为真空,活塞与器壁的摩擦忽略不计,置于真空中的轻弹簧的一端固定于容器的底部,另一端固定在活塞上,弹簧被压缩后用绳扎紧,此时弹簧的弹性势能为Ep(弹簧处于自然长度时的弹性势能为零),现绳突然断开,弹簧推动活塞向上运动,经过多次往复运动后活塞静止,气体达到平衡状态,经过此过程(　　)。
A.Ep全部转换为气体的内能
B.Ep一部分转换成活塞的重力势能,其余部分仍为弹簧的弹性势能
C.Ep全部转换成活塞的重力势能和气体的内能
　　D.Ep一部分转换成活塞的重力势能,一部分转换为气体的内能,其余部分仍为弹簧的弹性势能
问1:绝热是何含义
答1:状态变化过程是绝热的,说明Q=0,W=ΔU,外界对物体做的功等于物体内能的增加量。
问2:需要考虑活塞的重力和重力势能吗
答2:本题要考虑活塞的重力和重力势能。
问3:题中一共涉及几种能量
答3:题中一共涉及三种能量,即弹性势能、重力势能、内能。
问4:弹簧最终恢复原长了吗 为什么
答4:弹簧推动活塞对气体做功 ( http: / / www.21cnjy.com ),由于是绝热容器,故气体的内能增大,达到平衡状态时,活塞已经被举高,其重力势能增加,弹簧不可能恢复原长,应该具有一定的弹性势能。
【解析】以活塞为研究对象,设初态时气体 ( http: / / www.21cnjy.com )压强为p1,活塞质量为m,横截面积为S,末态时的压强为p2,初态:F弹>mg+p1S,由题意可得末态位置必须高于初态位置,否则不能平衡,则由ΔU=W+Q和Q=0(绝热)知,W为正,ΔU也必为正,内能增加,活塞重力势能增加。末态:由力的平衡条件知,F弹'=mg+p2S,弹簧仍然具有一定的弹性势能,D正确。
【答案】D
【点拨】能量转化和守恒定律是探索未知领 ( http: / / www.21cnjy.com )域的重要武器,用它来解决问题,只要知道物理过程初、末状态的能量和过程中的能量转化情况即可,不必考虑过程变化的细节,这使问题的分析过程变得简单。