第5、6章 热力学定律 能源与可持续发展 章末整合提升 学案

热力学定律
能源与可持续发展
一、做功、热传递与内能变化的关系
1．做功与热传递的区别与联系
做功和热传递是改变物体内能的两种方式，它们在改变物体的内能上是等效的，但它们的本质不同．做功是其他形式的能和内能之间的转化，热传递则是物体间内能的转移．
2．热力学第一定律
正确理解ΔU＝W＋Q的意义及符号含义是解决本类问题的关键．
(1)外界对物体做功，W>0；物体对外做功，W<0；
(2)物体从外界吸热，Q>0；物体放出热量，Q<0；
(3)
例1　当把打足气的车胎内的气体迅速放出时，会发现车胎气嘴处的温度明显降低，则在这个过程中(　　)
A．气体对外做功，同时向外散发热量
B．气体对外做功，车胎内气体温度降低，从外界吸热
C．外界对车胎内气体做功，车胎内气体向外传递热量
D．外界对车胎内气体做功，同时向车胎内气体传递热量
答案　B
解析　气体迅速放出时短时间内认为Q＝0，气体体积膨胀对外做功，W<0，所以ΔU<0，温度降低；因为车胎内温度低于环境温度从外界吸热．故正确答案为B.
例2　一定质量的理想气体自状态A经状态C变化到状态B.这一过程的V－T图象表示如图1所示，则(　　)
图1
A．在过程A→C中，外界对气体做功，内能不变
B．在过程C→B中，外界对气体做功，内能增加
C．在过程A→C中，气体压强不断变大
D．在过程C→B中，气体压强不断减小
答案　AC
解析　由图象可知，A→C过程是等温压缩，C→B过程是等容升温，据气态方程可判断出：A→C过程气体体积变小，外界对气体做功，气体内能不变，气体压强不断变大；C→B过程气体体积不变，内能增加，显然气体从外界吸热，气体压强不断增大，故A、C正确．
借题发挥　(1)由图象的物理意义，结合＝C气体的状态方程，明确气体的状态变化．
(2)根据ΔU＝W＋Q，作出判断．
例3　一定质量的气体从外界吸收了4.2×105J的热量，同时气体对外做了6×105J的功，问：
(1)物体的内能是增加还是减少？变化量是多少？
(2)分子势能是增加还是减少？
(3)分子的平均动能是增加还是减少？
答案　(1)内能减少1.8×105J
(2)分子势能增加
(3)分子平均动能减少
解析　(1)气体从外界吸热为Q＝4.2×105J，气体对外做功W＝－6×105J，由热力学第一定律ΔU＝W＋Q＝(－6×105J)＋(4.2×105J)＝－1.8×105J．ΔU为负，说明气体的内能减少了．所以气体内能减少了1.8×105J.
(2)因为气体对外做功，所以气体的体积膨胀，分子间的距离增大了，分子力做负功，气体分子势能增加了．
(3)因为气体内能减少，同时分子势能增加，所以分子平均动能减少．
二、能量守恒定律及应用
1．能量守恒定律：能量既不会消失，也不会创生，它只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体，而能量的总值保持不变．
能量守恒定律是自然界普遍适用的规律，不同形式的能可以相互转化．
2．应用能量守恒定律解题的方法和步骤
(1)认清有多少种形式的能(例如动能、势能、内能、电能、化学能、光能等)在相互转化．
(2)分别写出减少的能量ΔE减和增加的能量ΔE增的表达式．
(3)根据下列两种思路列出能量守恒方程：ΔE减＝ΔE增．
①某种形式的能减少，一定存在其他形式的能增加，且减少量和增加量一定相等．
②某个物体的能量减少，一定存在其他物体的能量增加，且减少量与增加量一定相等．
(4)解方程，代入数据，计算结果．
例4　在近地的高空中，雨滴几乎是匀速下落的，设在此过程中所产生的热量有30%被雨滴吸收，求雨滴在近地下落40m前、后的温度差？(已知c＝4.2×103J/(kg·℃)，g取10
m/s2)
答案　升高0.03℃
解析　设雨滴的质量为m
因为雨滴匀速下落，所以雨滴重力势能的减少等于雨滴克服阻力所做的功
雨滴重力势能的减少W＝mgh＝400mJ
转化成雨滴内能的为Q＝W·η＝400mJ×30%＝120mJ
由Q＝cmΔt得：Δt＝≈0.03℃
借题发挥　应用能量守恒定律解决问题时，首先应明确有哪几种能量参与转化或转移，哪些能量增加，哪些能量减少，然后利用守恒的观点列出方程求解．
三、热力学第二定律的应用
1．热力学第二定律的两种表述
(1)按照热传递的方向性表述为：热量不能自发地从低温物体传递到高温物体，这是热力学第二定律的克劳修斯表述．
(2)按照机械能与内能转化的方向性表述为：不可能从单一热源吸收热量，使之完全变成有用功，而不引起其他变化．这是热力学第二定律的开尔文表述．
2．熵增加原理
(1)一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行．
(2)用熵来表示热力学第二定律：在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小．
3．在整个自然界中，无论有无生命，所有宏观的自发过程都具有单向性，都是不可逆过程．如河水向下游流，重物向下落，房屋由新到旧直至倒塌，人要从婴儿到老年直至死亡等．
例5　下面关于热力学第二定律的说法中正确的是(　　)
A．从微观的角度看，热力学第二定律是一个统计规律
B．一切自然过程总是沿着分子热运动无序性减小的方向进行
C．有的自然过程沿着分子热运动无序性增大的方向进行，有的自然过程沿着分子热运动无序性减小的方向进行
D．在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小
答案　AD
解析　系统的热力学过程就是大量分子无序运动状态的变化，从微观角度看，热力学第二定律是一个统计规律，所以A对；热力学第二定律的微观意义是“一切自然过程总是沿着分子热运动无序性增大的方向进行”，所以B、C均错；D项是在引入熵之后对热力学第二定律微观意义的描述，D对．故正确答案为A、D.
例6　炎炎夏日，两位同学在充满凉意的空调室内，就空调机的工作过程是否遵循热力学第二定律的问题发生了争论．
甲同学说：空调机工作时，不断地把热量从室内传到室外，即从低温物体传到高温物体，可见它并不遵循热力学第二定律．
乙同学说：热力学第二定律是热力学系统的普遍规律，空调机的工作过程不可能违背它．
两人各执一词，都无法使对方信服．请你对他们的论点作出评价．
答案　空调机工作时，热量是由低温物体传递到高温物体，但不是自发的，要有压缩机工作，产生了其它影响，所以不违背热力学第二定律，乙同学的观点正确．