第五 六章 热力学定律 能源与可持续发展 阶段复习课件

课件35张PPT。第5、6章 阶段复习课 一、内能
类比于重力做功与路径无关,仅由物体初、末位置决定,我们认识到物体具有重力势能.而热力学系统的绝热过程中,外界对系统所做的功也仅由初、末状态决定,与具体做功的过程和方法无关,我们认识到任何一个热力学系统必定存在一个只依赖于系统自身状态的物理量,这个物理量是系统的一种能量,叫内能.二、热传递
相互接触的两个物体,温度不同时,会自发地将热量从高温物体传到低温物体,这种过程叫热传递.
热传递的条件:两物体的温度不同.
热传递的三种方式:传导、对流和辐射.
三、热量
热量是用来衡量热传递过程中内能变化的一个物理量,是一个过程量.因此,只有在热传递过程中才谈热量.热量和内能是两个截然不同的概念,内能是状态量,我们说物体在一定状态下有内能，而不能说有热量.四、能量守恒定律
1.能量的存在形式及相互转化
各种运动形式都有对应的能：机械运动有机械能，分子的热运动有内能，还有诸如电磁能、化学能、原子能等.
各种形式的能通过某种力做功可以相互转化.例如，利用电炉取暖或烧水，电能转化为内能；煤燃烧，化学能转化为内能；列车刹车后，轮子温度升高，机械能转化为内能.
2.与某种运动形式对应的能是否守恒是有条件的.例如，物体的机械能守恒，必须是只有重力做功；而能量守恒定律是没有条件的，它是一切自然界现象都遵守的基本规律.3.能量守恒定律的重要意义
(1)找到了各种自然现象的公共量度——能量，从而把各种自然现象用定量规律联系起来，揭示了自然规律的多样性和统一性.
(2)突破了人们关于物质运动的机械观念的范围，从本质上表明了各种运动形式之间相互转化的可能性.能量守恒定律比机械能守恒定律更普遍，它是物理学中解决问题的重要思维方法.能量守恒定律与电子的发现、达尔文的进化论并称19世纪自然科学中三大发现，其重要意义由此可见.
(3)具有重大实践意义，即彻底粉碎了永动机的幻想.4.第一类永动机失败的原因分析
如果没有外界热源供给热量，则有U2-U1=W，就是说，如果系统内能减少，即U2只从单一热源吸收热量,使之全部用来做功,而不引起其他变化的热机叫第二类永动机.第二类永动机不可能制成,这说明:机械能和内能的转化过程具有方向性,机械能可以全部转化成内能,内能却不能全部转化成机械能,而不引起其他变化.六、热机
1.定义:一种把内能转化为机械能的装置.
2.原理:热机从热源吸收热量Q1,推动活塞做功W,然后向冷凝器
释放热量Q2.
3.效率:由能量守恒定律知道Q1=W+Q2,我们把热机做的功W和它
从热源吸收的热量Q1的比值叫做热机效率,用η表示,即 .4.对热机的四点说明
(1)热机必须有热源和冷凝器.
(2)热机不能把它得到的全部内能转化为机械能.
(3)因热机工作时总要向冷凝器散热,不可避免地要释放一部分热量Q2,所以总有Q1＞W.
(4)热机的效率不可能达到100%.七、热力学第二定律的表述中“自发地”、“不产生其他影响”的涵义
“自发地”是指热量从高温物体“自发地”传给低温物体的方向性.在传递过程中不会对其他物体产生影响或借助其他物体提供能量.
“不产生其他影响”的涵义是使热量从低温物体传递到高温物体或从单一热源吸收热量全部用来做功,必须通过第三者的帮助.这里的帮助是指提供能量等方式,否则是不可能实现的.八、功和内能的关系
1.内能与内能变化的关系
(1)物体的内能是指物体内所有分子的平均动能和势能之和.因此物体的内能是一个状态量.
(2)当物体的温度变化时，分子平均动能变化.当物体的体积变化时，分子势能发生变化，因此物体的内能变化只由初、末状态决定，与中间过程及方式无关.2.做功与内能变化的关系
(1)做功改变物体内能的过程是其他形式的能(如机械能)与内能相互转化的过程.
(2)在绝热过程中，外界对物体做多少功，就有多少其他形式的能转化为内能，物体的内能就增加多少.
3.功和内能的区别
(1)功是过程量，内能是状态量.
(2)在绝热过程中，做功一定能引起内能的变化.
(3)物体的内能大，并不意味着做功多.在绝热过程中，只有内能变化较大时，对应着做功较多.九、内能、温度和热量的区别、联系
1.内能与温度
从宏观看，温度表示的是物体的冷热程度；从微观看，温度反映了分子热运动的激烈程度，是分子平均动能的标志.物体的温度升高，其内能一定增加.但向物体传递热量，物体的内能却不一定增加(可能同时对外做功).2.热量和内能
内能是由系统的状态决定的，状态确定，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过程来完成.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多少.有过程，才有变化，离开过程，毫无意义.就某一状态而言，只有“内能”，根本不存在“热量”和“功”，因此，不能说一个系统中含有“多少热量”或“多少功”.十、改变内能的两种方式的比较①Q+W②第一类③克劳修斯④开尔文⑤100%⑥第二类⑦无序⑧增加一、热力学第一定律及其应用
1.公式和符号
(1)公式：ΔU=Q+W.
(2)符号：①外界对物体做功，则W为正；物体对外界做功(多为气体膨胀)，则W为负.
②物体从外界吸热，Q为正；物体放热，Q为负.
③物体的内能增加，ΔU为正；物体的内能减少，ΔU为负.2.注意问题
(1)只有绝热过程Q=0，ΔU=W，用做功可判断内能的变化.
(2)只有在气体的体积不变时，W=0，ΔU=Q，用吸、放热情况可判断内能的变化.
(3)若物体的内能不变，即ΔU=0，W和Q不一定等于零，而是W+Q=0，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考虑.
(4)对于气体，做功W的正负一般要看体积的变化，气体的体积缩小，W >0；气体的体积增加，W<0.【典例1】一定质量的某种气体(忽略气体分子间的作用力)，在保持温度不变的情况下，压强由p变为p/2.在这个过程中下列说法中正确的是( )
A.气体一定吸收热量，内能减小
B.气体一定吸收热量，内能不变
C.气体可能放出热量，内能增加
D.气体一定放出热量，内能不变【规范解答】选B.气体忽略分子间作用力，则不考虑分子势能，温度不变，分子的平均动能不变，内能不变.由等温变化规律可知，气体的体积膨胀为原来的2倍，对外做功，由热力学第一定律知，气体一定从外界吸收热量，B对，A、C、D错.【变式训练】一个带活塞的气缸内盛有一定量的气体.若此气体的温度随其内能的增大而升高,则( )
A.将热量传给气体,其温度必升高
B.压缩气体,其温度必升高
C.压缩气体,同时气体向外界放热,其温度必不变
D.压缩气体,同时将热量传给气体,其温度必升高【解析】选D.根据热力学第一定律,ΔU=W+Q,只有W和Q两个量都确定时,才能确定内能的变化,故A、B错误.C选项中,压缩气体,对气体做功,W为正值,气体向外界放热,Q为负值,但W与Q的大小关系不确定,故无法确定ΔU的情况,C错误.D选项中,W和Q都是正值,故ΔU增加,D正确.二、热力学第二定律及其应用
1.热力学第二定律的几种表现形式
(1)热传递具有方向性：两个温度不同的物体进行接触时，热量会自发地从高温物体传给低温物体，而低温物体不可能自发地将热量传给高温物体.要实现低温物体向高温物体传递热量，必须借助外界的帮助，因而产生其他影响或引起其他变化.(2)气体的扩散现象具有方向性：两种不同的气体可以自发地进入对方，最后成为均匀的混合气体，但这种均匀的混合气体绝不会自发地分开，成为两种不同的气体.
(3)机械能和内能的转化过程具有方向性：物体在水平面上运动，因摩擦而逐渐停下来，但绝不可能出现物体吸收原来传递出去的热量后，在地面上重新运动起来.
(4)气体向真空膨胀具有方向性：气体可自发地向真空容器膨胀，但绝不可能出现气体自发地再从容器中流回，使容器变为真空.2.深刻理解热力学第二定律的内涵
学习热力学第二定律时，要注意理解其本质，即热力学第二定律是对宏观自然过程进行方向的说明.凡是对这种宏观自然过程进行方向的说明，都可以作为热力学第二定律的表述.本章对热力学第二定律的表述很多，这些不同形式的表述都是等价的.【典例2】(2012·衡水高二检测)下列说法正确的是( )
A.冰箱能使热量从低温物体传递到高温物体，因此不遵从热力学第二定律
B.空调工作时消耗的电能与室内温度降低所放出的热量可以相等
C.自发的热传导是不可逆的
D.不可能通过给物体加热而使它运动起来，因为违背热力学第一定律【规范解答】选C.有外界的帮助和影响，热量可以从低温物体传到高温物体；空调消耗的电能必大于室内温度降低所放出的热量；不可能通过给物体加热而使它运动起来，违背了热力学第二定律，故C正确，A、B、D错误.【变式训练】根据热力学定律,下列判断正确的是( )
A.我们可以利用高科技手段,将流散到周围环境中的内能重新收集起来加以利用
B.利用浅层海水和深层海水间的温度差制造出一种热机，将海水的一部分内能转化为机械能,这在原理上是可行的
C.制冷系统能将冰箱内的热量传给外界较高温度的空气而不引起其他变化
D.满足能量守恒定律的客观过程都可以自发地进行【解析】选B.根据热力学第二定律反映自然过程的方向性可知，A、D错；从原理上只要有温度差就可以做到,故B正确；电冰箱将热量传给外界较高温度环境的过程中，消耗了电能，引起了其他的变化，C错.三、新能源的开发和利用
1.开发新能源，如太阳能、风能等.这些能源的优点：一是取之不尽，用之不竭；二是不会对环境造成污染，从而减少对化石能源的使用.
2.提高能源利用效率
(1)开发能量转换新技术，使利用效率从25%～30%提高到55%～75%.
(2)煤的洁净利用技术，如制煤浆技术.
(3)先进的发电技术.【典例3】某学校兴趣小组为了估算太阳的全部辐射功率，做了如下研究：在横截面积为3 dm2的圆筒内装有0.54 kg 的水，太阳光垂直照射它2 min,水温升高了1 ℃.经查阅资料可知，大气顶层的太阳能只有45%到达地面，太阳与地球之间的平均距离为1.5×1011 m,请你帮助他们估算出太阳的全部辐射功率是多少？【规范解答】设0.54 kg的水温度升高1 ℃所吸收的热量为Q，
则Q=cmΔt=4.2×103×0.54×1 J=2.268×103 J.设地球表面单
位时间、单位面积上获得的热量为Q′，则
.太阳向地球表面单位面积
上辐射能量的功率：
以太阳与地球间距离为半径的球体的表面积为：S′=4πr2=
4×3.14×(1.5×1011)2 m2=2.8×1023 m2.太阳的全部辐射功率为：P=P′S′=1.4×103×2.8×1023 W=3.92×1026 W.
答案：3.92×1026 W【变式训练】下面是晓阳在题为《能源利用和节约能源》的研究性学习中收集到的有关太阳能的资料：
太阳能是人类最基本的能源，它无污染、无费用，这种能源的使用期和太阳本身寿命一样长，当太阳光照射地面时，在1 m2地面上1 s内平均得到的太阳辐射能约为1.0×103 J.太阳能热水器就是直接利用太阳能的装置，目前已经逐渐地出现在我们的生活中.
晓阳在网上下载了某型号太阳能热水器的宣传广告：(1)晓阳家每天大约需要100 kg热水，用这种热水器将这些水从25 ℃加热到45 ℃需要多长时间?
(2)与效率为80％的电热水器相比，晓阳家每天节约多少电能?【解析】(1)设T为光照时间，k=1.0×103 J／(s·m2)，
Q吸=cm(t-t0)=4.2×103×100×(45 ℃-25 ℃) J=8.4×106 J,
太阳能热水器传给水的热量Q放=kSTη，因为Q吸=Q放，所以
(2)由Q电=Q吸=η′E电得
答案：(1)3.9 h (2)2.9 kW·h