课件25张PPT。第十章 热力学定律1 功和内能 热和内能1.了解焦耳的两个实验的原理,通过焦耳实验的探究,培养学生的科学探索精神;理解内能的概念,掌握绝热过程中做功与内能变化的关系。
2.知道什么是热传递,会区分热量与内能的概念;掌握单纯的传热过程中热量与内能变化的关系;知道做功和热传递是改变系统内能的两种方式,并且在改变系统内能上是等效的,还要知道这两种方式在改变系统内能上的区别。一二三一、焦耳的实验
1.实验条件
绝热过程:系统只通过对外界做功或外界对它做功而与外界交换能量,它不从外界吸热,也不向外界放热。
2.代表性实验
(1)让重物下落带动叶片搅拌容器中的水,引起水温上升。
(2)通过电流的热效应给水加热。
3.实验结论
在各种不同的绝热过程中,如果使系统从状态1变为状态2,所需外界做功的数量是相同的。即要使系统状态通过绝热过程发生变化,做功的数量只由过程始末两个状态1、2决定,而与做功的方式无关。一二三二、功和内能
1.内能的定义
任何一个热力学系统都必定存在一个只依赖于系统自身状态的物理量,这个物理量在两个状态间的差别与外界在绝热过程中对系统做的功相联系,是系统的一种能量,我们把它称为系统的内能。
2.绝热过程中做功与系统内能变化的关系
当系统从某一状态经过绝热过程达到另一状态时,内能的增加量ΔU就等于外界对系统所做的功W,即ΔU=W。一二三如图所示,大口玻璃瓶内有一些水,水的上方有水蒸气,向瓶内打气,在瓶塞跳出的过程中,会观察到什么现象?这个过程是外界对系统做功还是系统对外界做功?该过程系统的内能如何变化?
提示:当瓶塞跳出时,我们会发现瓶内和瓶口处有“白雾”产生。我们所选的研究对象是瓶内水面上方的水蒸气,在瓶塞跳出的过程中,是系统膨胀对外界做功,在这个过程中系统的内能减少,温度降低。瓶内和瓶口处的“白雾”实际上是瓶内的水蒸气遇冷液化形成的小液滴。一二三三、热和内能
1.热传递
(1)热传递的条件:不同物体(或一个物体的不同部分)存在温度差。
(2)热传递的方向:热量从高温物体传向低温物体。
(3)热传递的结果:最终温度相同。
(4)热传递的实质:不同物体(或一个物体的不同部分)之间内能的转移。
(5)热传递的三种方式:热传导、热对流、热辐射。
2.热量:是用来衡量热传递过程中内能变化多少的一个物理量,它是一个过程量,不能说物体具有多少热量,只能说物体吸收或放出了多少热量。一二三3.热传递与系统内能变化的关系
系统在单纯的传热过程中内能的增量ΔU等于外界向系统传递的热量Q,即ΔU=Q。
物体内能增加是否一定是从外界吸收了热量?
提示:不一定,这是因为做功和热传递都可以改变物体的内能。一二三一、功、内能、内能的变化之间的关系
1.内能与内能的变化
(1)物体的内能是指物体内所有分子热运动的动能和分子势能之和。在微观上由分子数、分子热运动剧烈程度和相互作用力决定,宏观上取决于物体的温度和体积,因此物体的内能是一个状态量。
(2)当物体温度变化时,分子热运动剧烈程度发生改变,分子平均动能变化。物体体积变化时,分子间距离变化,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。一二三2.做功与内能变化的关系
做功改变物体内能的过程是将其他形式的能(如机械能)与内能相互转化的过程。
例如在绝热过程中做功使物体内能发生变化时,内能改变了多少用做功的数值来量度。外界对物体做多少功,物体的内能就增加多少;物体对外界做多少功,物体的内能就减少多少。
例如,压缩气体时,外界对气体做功,气体的内能增加,气体内能的增加量等于外界对气体做的功;气体膨胀,是气体对外界做功,气体内能减少,气体内能的减少量等于气体膨胀对外做的功。一二三3.功和内能的区别
(1)功是能量转化的量度,是过程量,而内能是状态量。
(2)做功过程中,能量一定会发生转化,而内能不一定变化,只有在绝热过程中,做功才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,只有内能变化大,才可能做功多。
4.判断绝热过程中内能变化的方法
判断气体绝热过程的内能变化一般情况下只需看气体体积变化就可决定:
若体积增大,气体对外界做功,W<0,即ΔU<0,即内能减小;
若体积缩小,外界对气体做功,W>0,即ΔU>0,即内能增加。一二三温馨提示 (1)内能是物体所具有的,对于物体中的某一个具体分子,无内能可言。
(2)做功方式的多样性决定了能量转化方式的多样性,不同形式的功对于内能的变化是等效的。
(3)气体自由膨胀时,气体与外界相互不做功,因此这种情况下气体体积增大没有外界阻力,也就不需要对外界做功。一二三二、温度、内能和热量之间的区别与联系 一二三温馨提示 只要存在温度差,热传递就会进行,与原来物体内能的多少无关。热传递过程中能量可以由内能多的物体传到内能少的物体上,也可以由内能少的物体传到内能多的物体上。一二三三、改变内能的两种方式的比较 一二三温馨提示 (1)当一个系统的内能发生改变时,必然伴随着做功或热传递现象。
(2)当系统与外界只有做功(或热传递)现象时,系统的内能一定改变。类型一类型二【例1】 一定质量的理想气体经历一缓慢的绝热膨胀过程。设气体分子间的势能可忽略,则在此过程中( )
A.外界对气体做功,气体分子的平均动能增大
B.外界对气体做功,气体分子的平均动能减小
C.气体对外界做功,气体分子的平均动能增大
D.气体对外界做功,气体分子的平均动能减小
点拨在绝热过程中,外界对系统做功,系统内能增加,温度升高;系统对外界做功,系统内能减少,温度降低。
解析:绝热膨胀过程是指气体膨胀过程未发生热传递,膨胀过程气体体积增大,外界对气体做的功W<0,由ΔU=U2-U1=W可知,气体内能减少。由于气体分子间的势能忽略,故气体分子的平均动能减小。故选项D正确。
答案:D类型一类型二题后反思 在判断做功与系统内能变化之间的关系时,应先判断系统是否处于绝热过程,若处于绝热过程,再依据系统对外界做功,还是外界对系统做功来判断系统内能的变化情况。
触类旁通 若本题中气体是在真空中发生绝热膨胀,不考虑分子势能,气体的内能如何变化?
答案:不变(因气体在真空中绝热膨胀,无法对外做功,故内能不变)。类型一类型二【例2】 下列关于物体内能的说法正确的是( )
A.物体吸收热量,内能一定增加
B.物体放出热量,内能一定减少
C.当做功和热传递同时存在时,物体的内能可能不变
D.物体对外做功,内能可能增加
点拨改变物体的内能有两种方式:做功和热传递,不能只从一种方式得出结论。
解析:当物体从外界吸收的热量Q与对外做的功W正好相等时,物体的内能不变,选项C正确;当物体对外做功时,如果同时吸收热量Q,且吸收的热量比对外做的功W多时,内能就可能增加,选项D正确。
答案:CD类型一类型二题后反思 做功和热传递在改变物体内能上是等效的,且它们可以同时进行。它们引起内能变化的方向可以是都使系统内能增加或减少;也可以是一个使系统内能增加,另一个使系统内能减少。
触类旁通 若理想气体在等容过程中吸收热量,气体的内能如何变化?
答案:内能一定增加。123451.如果铁丝的温度升高了,则( )
A.铁丝一定吸收了热量 B.铁丝一定放出了热量
C.外界可能对铁丝做功 D.外界一定对铁丝做功
解析:做功和热传递对改变物体的内能是等效的,温度升高可能是做功,也可能是热传递。
答案:C123452.如图所示,把浸有乙醚的一小团棉花放在厚玻璃筒的底部,当很快地向下压活塞时,由于被压缩的气体骤然变热,温度升高,达到乙醚的燃点,使浸有乙醚的棉花燃烧起来,此实验的目的是要说明( )
A.做功可以增加物体的热量
B.做功一定升高物体的温度
C.做功可以改变物体的内能
D.做功一定可以增加物体的内能
解析:迅速向下压活塞,实际上是在对玻璃筒内的气体做功,由于是迅速向下压筒内的气体,做功时间极短,因此实验过程可认为是绝热过程(即Q=0)。乙醚达到燃点而燃烧,表明气体温度升高,内能增大,这说明做功可以改变物体的内能。
答案:C123453.下列关于热量的说法正确的是( )
A.温度高的物体含有的热量多
B.内能多的物体含有的热量多
C.热量、功和内能的单位相同
D.热量和功都是过程量,而内能是一个状态量
解析:热量和功都是过程量,而内能是一个状态量,所以不能说温度高的物体含有的热量多,内能多的物体含有的热量多;热量、功和内能的单位相同,都是焦耳。
答案:CD123454.一个气泡从恒温水槽的底部缓慢向上浮起,若不计气泡内空气分子势能的变化,则( )
A.气泡对外做功,内能不变,同时放热
B.气泡对外做功,内能不变,同时吸热
C.气泡内能减少,同时放热
D.气泡内能不变,不吸热也不放热
解析:在气泡缓慢上升的过程中,气泡外部的压强逐渐减小,气泡膨胀,对外做功,故气泡中空气分子的内能减少,温度降低。但由于外部恒温,且气泡缓慢上升,故可以认为上升过程中气泡内空气的温度始终等于外界温度,内能不变,故需从外界吸收热量,且吸收的热量等于对外界所做的功。
答案:B123455.物体由大量分子组成,下列说法正确的是( )
A.分子热运动越剧烈,物体内每个分子的动能越大
B.分子间引力总是随着分子间的距离减小而减小
C.物体的内能跟物体的温度和体积有关
D.只有外界对物体做功才能增加物体的内能
解析:分子热运动越剧烈,分子平均动能越大,并非每个分子的动能越大,选项A错误;分子间引力随着分子间距离的减小而增大,选项B错误;做功和热传递都可以改变物体的内能,选项D错误;温度影响物体分子平均动能,体积变化影响分子间距即影响分子势能,故选项C正确。
答案:C课件22张PPT。3 热力学第一定律 能量守恒定律1.能够从能量守恒的观点理解热力学第一定律,会利用热力学第一定律分析计算有关问题。
2.理解能量守恒定律,知道它是自然界普遍遵从的基本规律,知道什么是第一类永动机及其不可能制成的原因。一二三一、热力学第一定律
1.改变内能的两种方式:做功与热传递。
(1)联系:两者在改变系统内能方面是等价的。
(2)区别:做功是内能与其他形式能量的相互转化,而热传递只是不同物体(或一个物体的不同部分)之间内能的转移。
2.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。
(2)表达式:ΔU=Q+W。
(3)W、Q、ΔU正负号的确定
①W:外界对系统做功,W取正值;系统对外界做功,W取负值。
②Q:系统从外界吸热,Q取正值;系统向外界放热,Q取负值。
③ΔU:系统内能增加,ΔU取正值;系统内能减少,ΔU取负值。一二三二、能量守恒定律
1.内容:能量既不会凭空产生,也不会凭空消失,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别的物体,在转化或转移的过程中,能量的总量保持不变。
2.意义
(1)能量守恒定律告诉我们,各种形式的能量可以相互转化。
(2)各种互不相干的物理现象——力学的、热学的、电学的、磁学的、光学的、化学的、生物学的、地学的等可以用能量守恒定律联系在一起。一二三三、永动机不可能制成
1.第一类永动机:人们设想中的不需要任何动力或燃料,却能不断对外做功的机器。
2.第一类永动机不可制成的原因:违背了能量守恒定律。
3.意义:正是历史上设计永动机的失败,才使后人的思考走上了正路。一二三不耗油的汽车能不能制成,为什么?不消耗能量的汽车呢?
提示:前者能制成而后者不能制成。这是因为可以用太阳能、电能等能源代替石油能源制造出太阳能汽车、电动汽车等,但是不消耗任何能量的汽车不可能制成,因为它违背了能量守恒定律。一二一、对热力学第一定律的理解
1.热力学第一定律的意义
热力学第一定律不仅反映了做功和热传递这两种改变内能的方式是等价的,而且给出了内能的变化量和做功与热传递之间的定量关系。此定律是标量式,应用时热量的单位应统一为国际单位制中的焦耳。
2.对表达式ΔU=W+Q中各量符号的规定一二3.几种特殊情况
(1)若过程是绝热的,即Q=0,则W=ΔU,外界对物体做的功等于物体内能的增量。
(2)若过程中不做功,即W=0,则Q=ΔU,物体从外界吸收的热量等于物体内能的增量。
(3)若过程的始末状态物体的内能不变,即ΔU=0,则W+Q=0或W=-Q,外界对物体做的功等于物体向外界放出的热量。
4.判断是否做功的方法
一般情况下外界对物体做功与否,需看物体的体积是否变化。
(1)若物体体积增大,表明物体对外界做功(气体自由膨胀时例外),W<0。
(2)若物体体积变小,表明外界对物体做功,W>0。一二5.应用热力学第一定律解题的一般步骤
(1)根据符号法则写出各已知量(W、Q、ΔU)的正负。
(2)根据方程ΔU=W+Q求出未知量。
(3)再根据未知量结果的正负来确定吸热、放热情况或做功情况。一二二、对能量守恒定律的理解
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:机械运动对应机械能,分子的热运动对应内能,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.能量守恒的条件
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,它是一切自然现象都遵守的基本规律。一二3.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认识范围,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。能量守恒定律与细胞学说、生物进化论并称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。一二4.能量守恒定律中的“转化”和“转移”
(1)某种形式的能量减少,一定有其他形式的能量增加,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,且减少量和增加量一定相等。
温馨提示 (1)虽然功和能具有相同的单位,但两者是完全不同的两个概念,在能量守恒定律的表达式中,只存在能量,不存在功。
(2)能量守恒定律是自然界中普遍遵循的一种规律,是无条件的,而机械能守恒定律是有条件的。类型一类型二类型三【例1】如图是密闭的汽缸,外力推动活塞P压缩气体,对缸内理想气体做功800 J,同时气体向外界放热200 J。缸内气体的( )
A.温度升高,内能增加600 J
B.温度升高,内能减少200 J
C.温度降低,内能增加600 J
D.温度降低,内能增加200 J
点拨熟练掌握热力学第一定律及相应的符号法则是正确处理本题的关键。
解析:由热力学第一定律ΔU=W+Q
得ΔU=800 J+(-200 J)=600 J,一定质量的理想气体的内能大小只与温度有关,ΔU=600 J>0,故温度一定升高,选项A正确。
答案:A类型一类型二类型三题后反思 应用热力学第一定律计算时,要依照符号法则代入数据,对结果的正、负,也同样依照符号法则来解释其意义。
触类旁通 若使例1中的气体返回原来的状态,在此过程中放出了400 J的热量,试分析是气体对外界做功,还是外界对气体做功?做了多少功?
答案:气体对外界做功200 J。类型一类型二类型三【例2】 A、B两装置,均由一支一端封闭、一端开口且带有玻璃泡的管状容器和水银槽组成,除玻璃泡在管上的位置不同外,其他条件都相同。将两管抽成真空后,开口向下竖直插入水银槽中(插入过程没有空气进入管内),水银柱上升至图示位置停止。假设这一过程水银与外界没有热交换,则下列说法正确的是( )
A.A中水银的内能增量大于B中水银的内能增量
B.B中水银的内能增量大于A中水银的内能增量
C.A和B中水银体积保持不变,故内能增量相同
D.A和B中水银温度始终相同,故内能增量相同
点拨一个大气压支持的水银柱高是相同的,所以两管中水银等高。类型一类型二类型三解析:因为玻璃管内吸进的水银一样多,水银槽内液面下降相同的高度,所以大气压对水银槽内的水银做的功相同。A管重心高于B管,A管内水银重力势能大于B管的,根据能量守恒可知,A管内水银的内能增加得少,B管内水银的内能增加得多。
答案:B
题后反思 利用能量守恒定律解决问题时,首先应明确研究对象中涉及哪几种形式的能量,然后分析哪些形式能量增加了,哪些形式能量减少了,最后用能量守恒的观点分析求解。123451.在研究大气现象时可把温度、压强相同的一部分气体叫作气团,气团可看作理想气体,将其作为研究对象。气团直径很大可达几千米,其边缘部分与外界的热交换相对于整个气团的内能来说非常小,可以忽略不计。气团从地面上升到高空后温度可降低到-50 ℃,关于气团上升过程中下列说法正确的是( )
A.气团体积膨胀,对外做功,内能增加,压强减小
B.气团体积收缩,外界对气团做功,内能减少,压强增大
C.气团体积膨胀,对外做功,内能减少,压强减小
D.气团体积收缩,外界对气团做功,内能增加,压强不变
解析:据热力学第一定律ΔU=W+Q,忽略气团与外界的热交换,ΔU=W,气团上升过程中,外界压强随高度而变小,气团体积膨胀,对外做功,导致内能大量减少而温度降低。
答案:C123452.一定量的理想气体在某一过程中,从外界吸收热量2.5×104 J,气体对外界做功1.0×104 J,则该理想气体的( )
A.温度降低,密度增大 B.温度降低,密度减小
C.温度升高,密度增大 D.温度升高,密度减小
解析:由热力学第一定律ΔU=W+Q,Q=2.5×104 J,W=-1.0×104 J,可知ΔU大于零,气体内能增加,温度升高,选项A、B错误;气体对外做功,体积增大,密度减小,选项C错误,选项D正确。
答案:D123453.用密封性好、充满气体的塑料袋包裹易碎品,如图所示。充气袋四周被挤压时,假设袋内气体与外界无热交换,则袋内气体( )
A.体积减小,内能增大
B.体积减小,压强减小
C.对外界做负功,内能增大
D.对外界做正功,压强减小
解析:充气袋被挤压时,体积减小,外界对气体做功(气体对外界做负功),气体内能增大,根据气体实验定律可知,气体压强增大,综上分析知,选项A、C正确。
答案:AC123454.下列关于第一类永动机的说法正确的是( )
A.第一类永动机是不消耗任何能量却源源不断地对外做功的机械
B.第一类永动机不能制成的原因是违背了热力学第一定律
C.第一类永动机不能制成的原因是技术问题
D.第一类永动机不能制成的原因是违背了能量守恒定律
解析:第一类永动机是不消耗任何能量却能源源不断对外做功的机器,这是人们的美好愿望,但它违背了能量守恒定律,这也是它不能制成的原因。故选项A、D正确,选项B、C错误。
答案:AD123455.
爆米花酥脆可口、老少皆宜,是许多人喜爱的休闲零食。如图为高压爆米花的装置图,玉米在铁质的密闭容器内被加热,封闭气体被加热成高温高压气体,当打开容器盖后,“嘭”的一声,气体迅速膨胀,压强急剧减小,玉米粒就“爆炸”成了爆米花。设当地温度为t1=27 ℃,大气压为p0,已知密闭容器打开前的气体压强达到4p0,取T=t+273 K。试分析:12345(1)容器内的气体看作理想气体,求容器内气体的温度。
(2)假定在一次打开的过程中,容器内气体膨胀对外界做功15 kJ,并向外释放了20 kJ的热量,容器内原有气体的内能如何变化?变化了多少?
p1=p0,T1=300 K,p2=4p0
整理得T2=1 200 K,t2=927 ℃。
(2)由热力学第一定律ΔU=Q+W
得ΔU=-20 kJ-15 kJ=-35 kJ
故内能减少35 kJ。
答案:(1)927 ℃ (2)减少 35 kJ课件23张PPT。4 热力学第二定律1.通过自然界中热传导的方向性等实例,初步了解热力学第二定律,知道热力学第二定律的两种不同表述及实质,能运用热力学第二定律解释自然界中的能量转化、转移以及方向性问题。
2.了解什么是第二类永动机,能用热力学第二定律解释第二类永动机不能制成的原因。一二三一、热传导的方向性
1.温度不同的两个物体接触时,热量会自发地从高温物体传给低温物体,但不会自发地从低温物体传给高温物体,这说明热传导的过程具有方向性。
2.无数事实告诉我们,一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的。
结合电冰箱的工作情况想一下,热传导的方向性是否说明“热量不能从低温物体传给高温物体”?
提示:不能,这是因为热量能从低温物体传向高温物体,只不过不能自发进行,而是需要外界帮助。一二三二、热力学第二定律
1.定义:在物理学中,反映宏观自然过程的方向性的定律就是热力学第二定律。
2.表述
(1)克劳修斯表述:热量不能自发地从低温物体传到高温物体。(该表述阐述的是传热的方向性)
(2)开尔文表述:不可能从单一热库吸收热量,使之完全变成功,而不产生其他影响。(该表述阐述的是机械能与内能转化的方向性)
(3)其他表述:对任何一类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。例如,热力学第二定律也可以表述为气体向真空的自由膨胀是不可逆的。一二三三、热机和第二类永动机
1.热机
(1)热机工作的两个阶段
第一个阶段是燃烧燃料,把燃料中的化学能变成工作物质的内能。
第二个阶段是工作物质对外做功,把自己的内能变成机械能。
(2)热机的效率
热机输出的机械功W与燃料燃烧产生的热量Q的比值叫作热机的效率,用公式可表述为
2.第二类永动机
(1)定义:只从单一热库吸收热量,并使之完全变成有用功而不产生其他影响的热机。
(2)第二类永动机不可能制成的原因:违背了热力学第二定律。一二三如果随着科技的不断发展,能够使热机没有漏气,没有摩擦,也没有机体热量损失,是不是能使热机的效率达到100%?
提示:不能,这是因为由热力学第二定律可知热机的工作物质吸收的热量不能完全用来对外做功。一二三一、对热力学第二定律的理解
1.对热力学第二定律表述的理解
在热力学第二定律的表述中,正确地理解“自发地”“不产生其他影响”的确切含义是理解热力学第二定律的关键所在。
(1)“自发地”过程就是不受外来干扰进行的自然过程,如重物下落、植物的开花结果等都是自然界客观存在的一些过程,它不受外界干扰。在热传递过程中,热量可以自发地从高温物体传向低温物体,却不能自发地从低温物体传向高温物体。要将热量从低温物体传向高温物体,必须有“对外界的影响或有外界的帮助”,就是要有外界对其做功才能完成。电冰箱就是一例,它是靠电流做功的帮助把热量从低温处“搬”到高温处的。一二三(2)“不产生其他影响”的含义是发生的热力学宏观过程只在本系统内完成,对周围环境不产生热力学方面的影响。如吸热、放热、做功等。
2.热力学第二定律的实质
热力学第二定律的每一种表述,都揭示了大量分子参与宏观过程的方向性,进而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。一二三3.对热力学第二定律的两种表述等价性的证明
两种表述是等价的,即一个说法是正确的,另一个说法也必然是正确的;如一个说法是错误的,另一个说法必然是不成立的。下面给出证明:
设表述(1)不成立,如图所示,低温热源T2可以自发地向高温热源T1传递热量Q2。那么,我们可在高温热源T1和低温热源T2之间设置一热机,使它从高温热源吸收热量Q1,对外做功W,并把热量Q2传递给低温热源。当这一过程完成之时,低温热源由于吸热和放热相等,没有引起其他变化。高温热源放出热量Q1大于吸收热量Q2,热机对外做功W=Q1-Q2,相当于高温热源放出的热量全部用来对外做功,且没有引起其他变化,也就是说单一热源所放出的热量全部用来做功。这显然是违反表述(2)的。即凡违反表述(1)的说法,必然违反表述(2)。反之,也可以证明,凡违反表述(2)的,也必然违反表述(1)。一二三温馨提示 热力学第二定律的提出具有如下意义:
(1)揭示了自然界中进行的涉及热现象的宏观过程(或自然界中实际的宏观过程)都具有方向性。
(2)说明自然界中各种不可逆过程都是相关联的,即由某一过程的不可逆性可推出另一过程的不可逆性。一二三二、热力学第一定律与热力学第二定律的比较
1.关于摩擦生热
热力学第一定律中,滑动摩擦力做功可以全部转化为热。热力学第二定律却说明这一热量不可能在不引起其他变化的情况下完全变成功。
2.关于热量的传递
热力学第一定律说明,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明热量不能自动地从低温物体传向高温物体。
3.关于能量
热力学第一定律说明在任何过程中能量必定守恒,热力学第二定律却说明并非所有能量守恒过程均能实现,能量转化有方向性。一二三4.两个定律的关系
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,说明功及热量与内能改变的定量关系,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进行的方向,指出了一切变化过程的自然发展方向不可逆,除非靠外界影响。所以二者相互独立,又相互补充。一二三三、两类永动机的比较
温馨提示 看一种热机设计方案是否可行,不仅要看是否遵守能量守恒定律,还要看是否满足热力学第二定律。类型一类型二【例1】 如图所示,汽缸内盛有一定质量的理想气体,汽缸壁是导热的,缸外环境保持恒温,活塞与汽缸壁接触光滑,但不漏气,现将活塞杆缓慢地向右移动,气体膨胀对外做功。已知理想气体的内能只与温度有关,则下列说法正确的是( )
A.气体是从单一热库吸热,全用来对外做功,
因此此过程违反热力学第二定律
B.气体是从单一热库吸热,但并未全用来对外做功,因此此过程不违反热力学第二定律
C.气体是从单一热库吸热,全部用来对外做功,但此过程不违反热力学第二定律
D.以上三种说法都不正确类型一类型二点拨熟记热力学第二定律的两种表述并准确理解其含义是正确处理此类问题的关键。
解析:由于气体始终通过汽缸壁与外界接触,外界温度不变,活塞杆与外界连接并使其缓慢地向右移动过程中,有足够时间进行热交换,所以汽缸内的气体温度也不变。要保持其内能不变,该过程气体是从单一热源即外部环境吸收热量,即全部用来对外做功才能保证内能不变,但此过程并不违反热力学第二定律。这是因为此过程需要外力对活塞做功来维持,如果没有外力F对活塞做功,此过程不可能自发进行。
答案:C类型一类型二题后反思 根据热力学第二定律的两种表述可知,热量可以从低温物体传向高温物体,内能也可以全部转化为机械能,但要引起其他变化或需借助外界的帮助。
触类旁通 本题中“活塞杆缓慢地向右移动,气体膨胀对外做功”能自发进行吗?
答案:不能。类型一类型二【例2】 关于热力学第一定律和热力学第二定律,下列论述正确的是( )
A.热力学第一定律指出内能可以与其他形式的能相互转化,而热力学第二定律则指出内能不可能完全转化为其他形式的能,故这两条定律是相互矛盾的
B.内能可以全部转化为其他形式的能,只是会产生其他影响,故两条定律并不矛盾
C.两条定律都是有关能量的转化规律,它们不但不矛盾,而且没有本质区别
D.其实,能量守恒定律已经包含了热力学第一定律和热力学第二定律类型一类型二点拨准确透彻地理解热力学第一定律和热力学第二定律的几种表达方式是解答本题的关键。
解析:热力学第一定律揭示了内能与其他形式能量之间的转化关系,是能量守恒定律在热学中的具体体现。热力学第二定律则进一步阐明了内能与其他形式能量转化时的方向性,二者表述的角度不同,本质不同,相互补充,并不矛盾,故选项C、D错误,选项B正确;内能在一定条件下可以全部转化为机械能,热量也可以由低温物体传递到高温物体,但是要引起其他变化,如电冰箱制冷机工作还要消耗电能,故选项A错误。
答案:B
题后反思 热力学第二定律揭示了与热现象有关的物理过程的方向性,并不违背能量守恒定律,热力学第一定律揭示了能量守恒定律中的内能变化的方式。123451.关于热力学定律和分子动理论,下列说法正确的是( )
A.一定量气体吸收热量,其内能一定增加
B.不可能使热量由低温物体传递到高温物体
C.若两分子间距离增大,分子势能一定增大
D.若两分子间距离减小,分子间引力和斥力都增大
解析:一定量气体吸收热量的同时对外做功,则其内能可能不变或减少,选项A错误;在外力做功的前提下,热量可以由低温物体传递到高温物体,选项B错误;若两分子间距增大,分子力可能做正功或负功,其分子势能可能减小或增大,选项C错误;根据分子动理论可知,若分子之间的距离减小,分子间的引力和斥力都增大,选项D正确。
答案:D123452.下列有关能量转化的说法正确的是( )
A.不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功,而不引起其他的变化
B.只要对内燃机不断改进,就可以把内燃机得到的全部内能转化为机械能
C.满足能量守恒定律的物理过程都能自发地进行
D.外界对物体做功,物体的内能必然增加
解析:由热力学第二定律的开尔文表述可知选项A正确;热机效率总低于100%,选项B错误;满足能量守恒的过程未必能自发进行,任何过程一定满足热力学第二定律,选项C错误;由热力学第一定律ΔU=W+Q可知,W>0,ΔU不一定大于0,即内能不一定增加,选项D错误。
答案:A123453.下列说法正确的是( )
A.一切形式的能量间的相互转化都具有方向性
B.热量不可能由低温物体传给高温物体
C.气体的扩散过程具有方向性
D.一切形式的能量间的相互转化都不具有可逆性
解析:热力学第二定律反映的是所有与热现象有关的宏观过程都具有方向性,选项A、D错误;热量不是不能从低温物体传给高温物体,关键是看能否还产生其他影响,选项B错误;气体的扩散过程具有方向性,选项C正确。
答案:C123454.根据分子动理论和热力学定律,下列说法正确的是 ( )
A.布朗运动是悬浮在液体中固体颗粒的分子无规则运动的反映
B.固体压缩后撤力恢复原状,是由于分子间存在着斥力
C.使密闭气球内气体的体积减小,气体的内能可能增加
D.可以利用高科技手段,将散失在环境中的内能重新收集起来加以利用而不引起其他变化
解析:布朗运动是悬浮在液体中“固体颗粒”的无规则运动,是液体分子无规则运动的反映,选项A错误;固体压缩后撤力恢复原状,是由于分子间存在着斥力,选项B正确;使密闭气球内气体的体积减小,必须压缩气体对气体做功,气体的内能可能增加,选项C正确;不可以利用高科技手段,将散失在环境中的内能重新收集起来加以利用而不引起其他变化,选项D错误。
答案:BC123455.关于两类永动机和热力学两个规律,下列说法正确的是 ( )
A.第二类永动机不可能制成是因为违反了热力学第一定律
B.第一类永动机不可能制成是因为违反了热力学第二定律
C.由热力学第一定律可知做功不一定改变内能,热传递也不一定改变内能,但同时做功和热传递一定会改变内能
D.由热力学第二定律可知热量从低温物体传向高温物体是可能的,从单一热源吸收热量,完全变成功也是可能的
解析:第一类永动机违反热力学第一定律,第二类永动机违反热力学第二定律,选项A、B错误;由热力学第一定律可知W≠0,Q≠0,但ΔU=W+Q可以等于0,选项C错误;由热力学第二定律可知D中现象是可能的,但不引起其他变化是不可能的,选项D正确。
答案:D课件28张PPT。5 热力学第二定律的微观解释 能源和可持续发展1.了解有序和无序,知道有序和无序是相对的;知道宏观态与微观态,知道宏观态对应的微观态的数目与无序程度的对应关系;知道熵的概念,知道熵是描述系统无序程度的物理量,了解熵增加原理,知道它是热力学第二定律的另一种表述,能用熵增加原理解释生活中的一些现象。
2.了解什么是能量耗散,能利用熵增加原理认识自然界中能量转化的方向性,能从熵增加的角度认识当前环境问题,增强环保和可持续发展意识。一二一、热力学第二定律的微观解释
1.有序和无序
(1)概念:一个系统的个体按确定的某种规则有顺序的排列即为有序;如果对个体的分布没有确定的要求,“怎样分布都可以”即为无序。
(2)特点:有序和无序是相对的,即存在一个有序程度的问题。
2.宏观态和微观态
(1)概念:在统计物理学中,规定了某种规则,我们就规定了一个“宏观态”,这个“宏观态”可能包含一种或几种“微观态”,不同的“宏观态”对应的“微观态”的个数不同。
(2)特点:如果一个“宏观态”对应的“微观态”比较多,那么这个“宏观态”是比较无序的。一二3.热力学第二定律的微观意义
一切自发过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行。这就是热力学第二定律的微观意义。
4.熵及熵增加原理
(1)熵
①物理意义:用来量度系统无序程度的物理量叫作熵。
②表达式:S=kln Ω,其中k表示玻尔兹曼常量,Ω表示一个宏观态所对应的微观态的数目,S表示熵。?
(2)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。这就是用熵的概念表示的热力学第二定律。一二如图所示,质量相同、温度相同的水分别处于固态、液态和气态三种状态下,它们的熵的大小有什么关系?为什么?
提示:气态时的熵最大,其次是液态,固态时的熵最小。这是因为质量相同的水,可以由固态自发地向液态、气态转化,也可由液态自发地向气态转化,根据熵增加原理,任何一个系统自发变化时,系统的熵要么增加,要么不变,但不会减少,所以,气态时的熵最大,其次是液态,固态时的熵最小。一二二、能源和可持续发展
1.能量耗散和品质降低
(1)能量耗散
集中度较高(有序度较高)的能量,当它们变为环境的内能后,就成为更加分散因而也是无序度更大的能量,我们无法把这些分散的内能重新收集起来加以利用,这样的转化过程叫作能量耗散。
(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的转化,是能够自动发生、全额发生的。而内能向机械能的转化是有条件的,即环境中必须存在温度差,而且内能不能全额转化为机械能。因此从可被利用的价值来看,内能较之机械能、电能等,是一种低品质的能量。一二既然能量是守恒的,我们为什么还要节约能源?
提示:能量是守恒的,但能量耗散却导致能量品质的降低,高品质的能量释放出来并最终转化为低品质的能量。可见,虽然能量不会减少,但方便使用的能源会越来越少,所以要节约能源。一二2.能源与环境
(1)能源的种类
①常规能源:煤、石油、天然气等。
②新能源:太阳能、生物质能、风能、水能等。
(2)环境问题:化石能源的资源有限,而且使用时对环境有很大的破坏,造成的环境污染主要有温室效应、酸雨、光化学烟雾、浮尘等。一二一、对热力学第二定律微观意义的理解
1.有序、无序的含义
“无序”意味着各处一样、平均、没有差别,而有序则正好相反。
2.熵的含义
“有序”和“无序”是相对而言的,是从有序程度上讲的,熵是宏观态无序程度的量度,熵越高,意味着宏观态所对应的微观态数目越多,即越无序,熵越低则越有序。一二3.热力学第二定律的微观解释
高温物体和低温物体中的分子都在做无规则的热运动,但是高温物体中分子热运动的平均速率较大,所以在高温物体分子与低温物体分子的碰撞过程中,低温物体分子运动的剧烈程度会逐渐加剧,即低温物体的温度升高。而高温物体分子运动的剧烈程度会减缓,即高温物体的温度降低。所以从宏观热现象角度来看,热传递具有方向性,总是从高温物体传给低温物体。换一种角度看,初始我们根据温度的高低来区分两个物体,而最终状态是两个物体上的温度处处相同,无法区别,我们就说系统的无序程度增加了。
同理可知,在通过做功使系统内能增加的过程中,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。一二4.热力学第二定律的微观意义
热力学第二定律揭示了涉及热现象的一切宏观的自然过程都只能在一个方向上发生,而不会可逆地在相反的方向上出现,它指出在能量得以平衡的众多过程中,哪些可能发生,哪些不可能发生。自然界涉及热现象的一切宏观过程都是不可逆的,宏观自发过程的这种方向性(熵增加的方向),也就成为时间的方向性。所以,“熵”又常常被称为“时间箭头”。
温馨提示 从微观的角度看,热力学第二定律是一个统计规律:一个孤立系统总是从熵小的状态向熵大的状态发展,而熵值较大代表着较为无序,所以自发的宏观过程总是向无序度更大的方向发展。如果过程可逆,则熵不变;如果过程不可逆,则熵增加。一二二、能源及能源的开发与利用
1.能源的概念
能源是提供可利用能量的物质。
2.能源的分类一二一二一二3.能源的开发与利用关系图 一二4.当前我国的几大能源工程
(1)“西气东输”工程是我国西部开发的重要项目之一,它是把新疆、内蒙古、甘肃等西部地区的天然气开发出来,通过地下输气管道送到江苏、浙江、上海等对能源需求量大的地区。
(2)“南水北调”工程是继三峡工程之后,我国又一重大的国土建设工程,它对中国社会进步和经济持续发展的意义甚至超过了三峡工程,对我国提高水资源利用效率、合理配置资源、改善北方缺水地区的生态环境有重大的意义。
(3)“西电东送”工程也是西部大开发的标志性工程,是把云、贵、川、陕等西部地区的电力资源输送到电力紧缺的粤、沪、苏、浙和京、津等地区,把西部丰富的资源优势转化为经济优势,并为东部提供清洁的电力,以促进东、西部的共同发展。一二(4)“热电联产”工程,既发电,又集中供热,具有节约能源、改善环境、提高供热质量、增加电供应等综合效应。
(5)长江三峡水利枢纽工程已全面建成,它每年能提供约8.47×1011 kW·h的电能。
温馨提示 大量能量的使用不会使能的总量减少,却会导致能量品质的降低,将能量从高度有用的形式降为不大可用的形式,所以要节约能源。类型一类型二【例1】 关于热力学第二定律的微观意义,下列说法正确的是( )
A.大量分子无规则的热运动能够自动转变为有序运动
B.传热的自发过程是大量分子从无序运动状态向有序运动状态转化的过程
C.传热的自发过程是大量分子从无序程度小的运动状态向无序程度大的运动状态转化的过程
D.一切自发过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行
点拨一切自发过程总是沿着分子热运动无序性增大的方向进行。类型一类型二解析:分子热运动是大量分子的无规则运动,系统的一个宏观过程包含着大量的微观状态,这是一个无序的运动,根据熵增加原理,热运动的结果只能使分子热运动更加无序,而不是变成了有序。传热的自发过程从微观上讲就是大量分子从无序程度小的运动状态向无序程度大的运动状态转化的过程。一切自发过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行。
答案:CD
题后反思 自发过程是大量分子从无序程度小的运动状态向无序程度大的运动状态转化的过程,其逆过程不能自发进行。类型一类型二【例2】 某地强风的风速约为v=20 m/s,设空气密度为ρ=1.3 kg/m3,如果能利用该强风进行发电,并将其动能完全转化为电能,现考虑用横截面积S=20 m2的风车(风车车叶转动形成的圆面面积为S),求:
(1)利用上述已知量计算电功率的表达式。
(2)电功率大小约为多少?(取1位有效数字)
点拨可假设一段时间t,先求t时间内吹过风车的空气的质量,再求其动能,最后由类型一类型二题后反思 本题是新型能源风能发电的模型,考查了动能、功率、能的转化等知识。计算过程中要注意构建正确的气流柱体模型,理清各物理量间的关系,就可以使用能量守恒定律正确分析该题。123451.已知一个系统的两个宏观态甲、乙对应微观态的个数分别为较少、较多,则下列关于对两个宏观态的描述及过程自发的可能方向的说法正确的是( )
A.甲比较有序,乙比较无序,甲→乙
B.甲比较无序,乙比较有序,甲→乙
C.甲比较有序,乙比较无序,乙→甲
D.甲比较无序,乙比较有序,乙→甲
解析:一个宏观态对应微观态的多少标志着宏观态的无序程度,从中还可以推知系统自发的方向,微观态数目越多,表示越无序,一切自然过程总沿着无序性增大的方向进行,选项A正确,选项B、C、D错误。
答案:A123452.下列关于熵的说法正确的是( )
A.熵值越大,意味着系统越“混乱”和“分散”,无序程度越高
B.熵值越小,意味着系统越“混乱”和“分散”,无序程度越高
C.熵值越大,意味着系统越“整齐”和“集中”,也就是越有序
D.熵值越小,意味着系统越“整齐”和“集中”,也就是越有序
解析:熵是分子运动无序程度的量度。
答案:AD123453.CO2气体有个“怪脾气”,它几乎不吸收太阳的短波辐射,大气中CO2浓度增加能使地表温度因受太阳的辐射而上升;另外,它还有强烈吸收地面红外热辐射的作用,阻碍了地球周围的热量向外层空间的排放,使整个地球就像一个大温室一样,因此,大气中二氧化碳气体浓度的急剧增加会导致气温的逐步上升,使全球气候变暖。为了减缓大气中CO2浓度的增加,下列措施可行且有效的是 ( )
A.禁止使用煤、石油和天然气
B.开发使用核能、太阳能
C.将汽车燃料由汽油改为液化石油气
D.植树造林12345解析:可行且行之有效的措施是开发新能源以便减少对常规能源的利用,减少CO2的排放;植树造林可以吸收空气中的CO2,所以选项B、D可行。题中A、C两项措施虽然有效,但并不可行。
答案:BD123454.下列对能量耗散的理解正确的是( )
A.能量耗散说明能量在不断减少
B.能量耗散遵守能量守恒定律
C.能量耗散说明能量不能凭空产生,但可以凭空消失
D.能量耗散从能量角度反映出自然界的宏观过程具有方向性
解析:在发生能量转化的宏观过程中,其他形式的能量最终会转化为流散到周围环境的内能,无法再回收利用,这种现象叫能量耗散。能量耗散并不违反能量守恒定律,宇宙中的能量既没有减少,也没有消失,它只从能量角度反映出自然界的宏观过程具有方向性,故选项A、C错误。
答案:BD123455.能源问题是当前热门话题,传统的能量——煤和石油,由于储量有限,有朝一日要被开采完毕,同时在使用过程中也会带来污染,寻找新的、无污染的能源是人们努力的方向,利用潮汐发电即为一例。
如图表示的是利用潮汐发电,左方为陆地和海湾,中间为水坝;其下有通道,水经通道可带动发电机。涨潮时,水进入海湾,待内外水面高度相同,堵住通道,如图甲;潮落至最低点时放水发电,如图乙;待内外水面高度相同,再堵住通道,直到下次涨潮至最高点,又放水发电,如图丙。设海湾面积为5.0×107 m2,高潮与低潮间高度差为3.0 m,则一天内流水的平均功率为 MW。(一天涨潮两次,g取10 N/kg)?12345解析:潮汐发电其实质就是将海水的重力势能转化为电能。每次涨潮时流进海湾(落潮时流出海湾)的海水的重力为mg=ρShg=1.0×103×5.0×107×3×10 N=1.5×1012 N,其重心高度变化为h=1.5 m。
一天内海水两进两出,故水流功率为
答案:100课件12张PPT。本章整合专题一专题二专题三专题一 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。
理解时应注意以下两点:
(1)存在温度差是发生热传递的必要条件,热量是物体热传递过程中物体内能的改变量,热量与物体内能的多少、温度的高低无关。
(2)机械能是描述物体机械运动状态的量,而内能是描述物体内部状态的量。两者没有直接关系,但可以相互转化。专题一专题二专题三【例1】 在下述现象中没有做功而使物体内能改变的是( )
A.电流通过电炉而使温度升高
B.在阳光照射下,水的温度升高
C.铁锤打铁块,使铁块温度升高
D.夏天在室内放几块冰,室内会变凉快
点拨理解透彻做功与热传递的本质是解答此类题的关键。
解析:电流通过电炉做功使电能转化为内能;在阳光照射下,水温升高是靠太阳的热辐射来升温的;铁锤打铁块是做功过程;室内放上冰块是通过热传递的方式来改变室温的。
答案:BD
题后反思 做功和热传递都可以改变物体的内能并且在改变物体内能上是等效的,但它们却有本质的区别:做功过程发生的是能量转化,而热传递过程发生的是内能的转移。专题一专题二专题三专题二 对热力学第一定律的理解与应用
1.表达式:ΔU=Q+W。
2.ΔU、Q、W的正负问题
凡有利于物体内能增加的,取正号,如内能增加ΔU为正,外界对物体做功,W取正号,外界给物体传递热量,Q取正号,反之取负号。
3.两个标志
对于气体要抓住体积V变化是做功的标志(气体自由膨胀除外,一般情况下,V变大,对外做功,W<0,反之,对内做功,W>0);对于理想气体要抓住温度T变化是内能变化的标志(T升高,内能增加,ΔU>0,反之,内能减少,ΔU<0)。专题一专题二专题三4.注意的问题
热力学第一定律中的功是指能够转化为内能的那一部分功,如汽车在牵引力作用下前进,这个牵引力做的功对汽车内能的改变没有任何影响,它只能改变汽车动能的大小,而汽车克服摩擦力所做的功使得汽车的内能增大。专题一专题二专题三【例2】 如图所示,某同学将空的薄金属筒开口向下压入水中。设水温均匀且恒定,筒内空气无泄漏,不计空气分子间相互作用,则被淹没的金属筒在缓慢下降过程中,筒内空气体积减小( )
A.从外界吸热
B.内能增加
C.向外界放热
D.内能减少
点拨由于不计气体分子间的相互作用,所以可将筒内空气视为理想气体。专题一专题二专题三解析:由热力学第一定律,ΔU=W+Q可知,气体内能的变化取决于外界对气体做的功及气体与外界间传递的热量两个方面,本题中,金属筒向下压时,外界对筒内的气体做正功,由于筒缓慢向下压,筒内气体有足够的时间与外界发生热传递,这就能保证气体内能不变,由热力学第一定律可知,气体一定向外界放出热量。
答案:C
题后反思 (1)一定质量理想气体的内能只由温度决定,与体积无关。专题一专题二专题三专题三 能量守恒定律的应用
1.能量守恒定律
能量既不会凭空产生,也不会凭空消失,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,在能量的转化或转移过程中其总量不变。
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。专题一专题二专题三2.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。专题一专题二专题三【例3】 如图所示,直立容器内部有被隔板隔开的A、B两部分气体,A的密度小,B的密度较大,抽去隔板,加热气体,使两部分气体均匀混合,设在此过程气体吸热Q,气体内能增量为ΔE,则ΔE (选填“>”“<”或“=”)Q。?点拨从“能量”的角度入手分析此题是处理问题的关键。
解析:A、B气体开始的合重心在中线下,混合均匀后重心位于中线上,所以该过程系统重力势能增大。由能量守恒知,吸收的热量一部分增加气体的内能,一部分增加重力势能。
答案:<
题后反思 能量守恒定律是普遍适用的定律,在解决有关能量转化问题时,应优先选择利用能量守恒定律分析求解。
