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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,优质课件,第,3,讲 热力学定律与能量守恒,考点,1,热力学第一定律,1.,改变物体内能的两种方式：,_,和热传递,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,_,与外界对它所做的功的和,.,(2),表达式：,U=_.,做功,热量,Q+W,1.,改变内能的两种方式的比较,方式名称,比较项目,做 功,热传递,区,别,内能变化,情况,从运动形,式上看,从能量的,角度看,能的性质,变化情况,相互联系,外界对物体做功，物体的内,能增加；物体对外界做功，,物体的内能减少,物体吸收热量，内能增加,物体放出热量，内能减少,做功是宏观的机械运动向,物体的微观分子热运动的,转化,热传递则是通过分子之间的相,互作用，使同一物体的不同部,分或不同物体间的分子热运动,发生变化，是内能的转移,做功是其他形式的能与内能,相互转化的过程,能的性质发生了变化,不同物体间或同一物体不同,部分之间内能的转移,能的性质不变,做一定量的功或传递一定量的热量在改变内能的效果上是相同的,2.U=W+Q,中正、负号法则,W,Q,+,外界对物体做功,物体吸收热量,内能增加,-,物体对外界做功,物体放出热量,内能减少,意义,符号,物,量,理,3.U=Q+W,的三种特殊情况,(1),若过程是绝热的，则,Q=0,W=U,外界对物体做的功等于物体内能的增加,.,(2),若过程是等容的，即,W=0,Q=U,，物体吸收的热量等于物体内能的增加,.,(3),若过程是等温的，即,U,0,，则,W+Q=0,或,W=-Q,，外界对物体做的功等于物体放出的热量,.,4.,对温度、内能、热量和功的三点说明,(1),温度、内能、热量和功是热学中相互关联的四个物理量,.,当物体的内能改变时，温度不一定改变,.,只有当通过热传递改变物体内能时才会有热量传递，但能的形式没有发生变化,.,(2),热量是热传递过程中的特征物理量，和功一样是过程量，离开过程谈热量毫无意义,.,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,”,.,(3),物体的内能大，并不意味着物体一定会对外做功或向外传递热量,.,只有物体的内能变化较大时，做的功或传递的热量才会多,.,考点,2,能量守恒定律、能源和环境,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,_,为另一种形式，或者从一个物体,_,到别的物体，在,转化或转移的过程中，能量的,_,保持不变,2.,能源的利用,(1),存在能量耗散和,_.,(2),重视利用能源时对,_,的影响,.,(3),要开发新能源,(,如,_,、生物质能、风能、水流能等,).,转移,总量,品质下降,环境,太阳能,转化,1.,对能量守恒定律的四点说明,(1),能量守恒定律是自然界的普遍规律，一切违背能量守恒定律的过程都不可能实现,.,(2),不同形式的能量之间可以相互转化，且这一转化过程是通过做功来完成的,.,(3),某种形式的能减少，一定有其他形式的能增加，且减少量和增加量一定相等,.,(4),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,.,2.,能量守恒定律的应用方法,(1),在利用能量守恒定律解题时，要注意先搞清楚过程中有几种,形式的能在转化或转移,.,(2),分析初、末状态，确定,E,增,、,E,减,各为多少，再由,E,增,=E,减,列式计算,.,热力学定律的应用,【例证,1,】,(2011,广东高考,),如图为某种椅子与其升降部分的结构示意图，,M,、,N,两筒间密闭了一定质量的气体，,M,可沿,N,的内壁上下滑动，设筒内气体不与外界发生热交换，在,M,向下滑动的过程中,( ),A.,外界对气体做功，气体内能增大,B.,外界对气体做功，气体内能减小,C.,气体对外界做功，气体内能增大,D.,气体对外界做功，气体内能减小,【解题指南,】,解答本题时应把握以下两点：,(1)M,向下滑动的过程中，气体体积减小；,(2),在与外界不发生热交换的情况下，只靠做功改变气体的内能,.,【自主解答,】,选,A.M,向下滑动的过程中，气体体积减小，故外界对气体做功，,W0,，下滑过程不与外界发生热交换，,Q=0,，由热力学第一定律,U=W+Q,可知内能增大，,A,正确，,B,、,C,、,D,错误,.,【总结提升,】,判定物体内能变化的方法,(1),当做功和热传递两种过程同时发生时，内能的变化就要用热力学第一定律进行综合分析,.,(2),做功情况看气体的体积：体积增大，气体对外做功，,W,为负；体积缩小，外界对气体做功，,W,为正,.,(3),与外界绝热，则不发生热传递，此时,Q=0.,(4),如果研究对象是理想气体，则由于理想气体没有分子势能，所以当它的内能变化时，主要体现在分子动能的变化上，从宏观上看就是温度发生了变化,.,气体实验定律与热力学定律综合,【例证,2,】,(8,分,),如图，体积为,V,、内壁光滑的圆柱形导热汽缸,顶部有一质量和厚度均可忽略的活塞；汽缸内密封有温度为,2.4 T,0,、压强为,1.2 p,0,的理想气体，,p,0,和,T,0,分别为大气的压强,和温度,.,已知：气体内能,U,与温度,T,的关系为,U=T,为正的常,量；容器内气体的所有变化过程都是缓慢的,.,求：,(1),汽缸内气体与大气达到平衡时的体积,V,1,;,(2),在活塞下降过程中，汽缸内气体放出的热量,Q.,【解题指南,】,可按以下思路分析此题：,【规范解答,】,(1),在气体由,p=1.2p,0,下降到,p,0,的过程中，气体体,积不变，温度由,T=2.4 T,0,变为,T,1,，由查理定律得,(2,分,),在气体温度由,T,1,变为,T,0,的过程中，体积由,V,减小到,V,1,，气体压强,不变，,由盖,吕萨克定律得 解得,(2,分,),(2),在活塞下降过程中，活塞对气体做的功为,W=p,0,(V-V,1,) (1,分,),在这一过程中，气体内能的减少为,U=(T,1,-T,0,) (1,分,),由热力学第一定律得，汽缸内气体放出的热量为,Q=W+U,(1,分,),解得,Q= p,0,V+T,0,(1,分,),答案：,(1) V (2) p,0,V+T,0,【总结提升,】,气体实验定律与热力学定律的综合问题的处理方法,(1),气体实验定律研究对象是一定质量的理想气体,.,(2),解决具体问题时，分清气体的变化过程是求解问题的关键，根据不同的变化，找出与之相关的气体状态参量，利用相关规律解决,.,(3),对理想气体，只要体积变化外界对气体,(,或气体对外界,),要做功,W=pV,；只要温度发生变化，其内能要发生变化,.,(4),结合热力学第一定律,U=W+Q,求解问题,.,1.(2011,福建高考,),一定量的理想气体在某一过程中，从外界吸收热量,2.5,10,4,J,，气体对外界做功,1.0,10,4,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,】,选,D.,由热力学第一定律,U=W+Q,，,Q=2.5,10,4,J,，,W=,-1.0,10,4,J,，可知,U,大于零，气体内能增加，温度升高，,A,、,B,错；气体对外做功，体积增大，密度减小，,C,错，,D,对,.,2.(,多选,)(2011,大纲版全国卷,),关于一定量的气体，下列叙述正确的是,( ),A.,气体吸收的热量可以完全转化为功,B.,气体体积增大时，其内能一定减小,C.,气体从外界吸收热量，其内能一定增加,D.,外界对气体做功，气体内能可能减小,【解析,】,选,A,、,D.,如果气体等温膨胀，则气体的内能不变，吸收热量全部用来对外做功，,A,正确；当气体体积增大时，对外做功，若同时吸收热量，且吸收的热量大于或等于对外做功的数值时，内能不会减小，所以,B,错误；若气体吸收热量同时对外做功，其内能也不一定增加，,C,错误；若外界对气体做功同时气体向外放出热量，且放出的热量多于外界对气体所做的功，则气体内能减小，所以,D,正确,.,3.(,多选,)(2012,苏北四市模拟,),对于热量、功、内能三个物理量，下述各种说法中正确的是,( ),A.,热量、功、内能三者的物理意义相同,B.,热量、功都可以作为物体内能的量度,C.,热量、功、内能的单位相同,D.,热量和功是由过程决定的，而内能是由物体状态决定的,【解析,】,选,C,、,D.,物体的内能是物体中所有分子动能和势能的总和，而要改变物体的内能，可以通过做功和热传递两种方式，这三者的物理意义不同，热量是热传递过程中物体内能的变化量，而不是内能的量度,.,热量、功和内能三者的单位是一样的，都是焦耳,.,热量和功是量度物体内能的转移或转化的，而物体的内能是由物体本身所处的状态，即温度、体积、物质的量决定的,.,4.(2012,连云港模拟,),“,第一类永动机,”,是不可能制成的，这是因为,( ),A.,它不符合机械能守恒定律,B.,它违背了能的转化和守恒定律,C.,它做功产生的热不符合热功当量,D.,暂时找不到合理的设计方案和理想材料,【解析,】,选,B.,第一类永动机不可能制成的原因是违背了能的转化和守恒定律，故,B,对,.,5.(2012,南京模拟,)(1),下列说法正确的是,_.(,填写选项前的字母,),A.,机械能和内能的转化具有方向性,B.,大颗粒的盐磨成细盐，就变成了非晶体,C.,一定质量的气体压强越大，则分子的平均动能越大,D.,当温度由,20,变为,40,时，物体分子的平均动能应变为原来的,2,倍,(2),如图所示的圆柱形汽缸固定于水平面上，,缸内用活塞密封一定质量的理想气体，已知,汽缸的横截面积为,S,，活塞重为,G,，大气压强,为,p,0,.,将活塞固定，使汽缸内气体温度升高,1 ,，气体吸收的热量为,Q,1,；如果让活塞可,以缓慢自由滑动,(,活塞与汽缸间无摩擦、不漏气，且不计气体的重力,),，也使汽缸内气体温度升高,1,，其吸收的热量为,Q,2,.,简要说明,Q,1,和,Q,2,哪个大些,.,求汽缸内气体温度升高,1 ,时活塞向上移动的高度,h.,【解析,】,(1),选,A.,机械能和内能的转化具有方向性，,A,正确,.,大颗粒的盐磨成细盐还是晶体，,B,错误,.,压强在宏观上与温度、体积有关，压强大可能是体积压缩、分子密度增大造成的，不一定是温度升高而使分子平均动能增大，,C,错,.,当温度由,20,变为,40,时，物体分子的平均动能增加，但并不一定是变为原来的,2,倍，,D,错误,.,(2),等容过程，吸收的热量，用于增加气体的内能，,U,1,=Q,1,.,等压过程，吸收的热量，用于增加气体的内能和对外做功，,U,2,+ =Q,2,又,U,2,=U,1,，则,Q,1,Q,2,气体对外做功,=(p,0,S+G)h,活塞向上移动的高度,h=,答案：,(1)A (2),见解析,6.(2012,南京模拟,)(1),下列说法正确的是,_.,A.,自由摆动的秋千幅度越来越小,是由于能量在逐渐消失,B.,固体小颗粒在液体中的布朗运动是由固体分子的无规则运动引起的,C.,物体的温度为,0,时，物体分子的平均动能为零,D.,一定质量的理想气体，保持温度不变，压强随体积增大而减小的微观原因是气体分子的密集程度减小了,(2),某风景区有一处约,50 m,高的瀑布，甚为壮观，请估计瀑布上、下水潭的水温因瀑布的机械能转化成内能而相差多少？水的比热容,c,水,=4.2,10,3,J/(kg,),【解析,】,(1),选,D.,秋千摆动的幅度变小，是由于机械能转化为内能，,A,错；布朗运动是由于液体分子对固体小颗粒的碰撞引起的，,B,错；物体分子的平均动能永远不会为零，,C,错；一定质量的理想气体，温度不变，压强取决于分子密度，体积增大，分子密度减小，故压强减小，,D,正确,.,(2),设水的质量为,m,，上、下水潭的水温差为,t,，由能量守恒定律有,mgh=cmt,代入数据解得,t,=0.12 ,答案：,(1)D (2)0.12 ,7.(2011,江苏高考,)(1),如图所示，,一演示用的,“,永动机,”,转轮由,5,根,轻杆和转轴构成，轻杆的末端装有,用形状记忆合金制成的叶片,.,轻推,转轮后，进入热水的叶片因伸展,而,“,划水,”,，推动转轮转动,.,离开热水后，叶片形状迅速恢复，转轮因此能较长时间转动,.,下列说法正确的是,( ),A.,转轮依靠自身惯性转动，不需要消耗外界能量,B.,转轮转动所需能量来自形状记忆合金自身,C.,转动的叶片不断搅动热水，水温升高,D.,叶片在热水中吸收的热量一定大于在空气中释放的热量,(2),如图所示，内壁光滑的汽缸水平放,置，一定质量的理想气体被活塞密封在,汽缸内，外界大气压强为,p,0,.,现对汽缸,缓慢加热，气体吸收热量,Q,后，体积由,V,1,增大为,V,2,，则在此过程中，气体分子平均动能,_(,选填,“,增大,”,、,“,不变,”,或,“,减小,”,),，气体内能变化了,_.,(3),某同学在进行,“,用油膜法估测分子的大小,”,的实验前，查阅,数据手册得知：油酸的摩尔质量,M,0.283 kg,mol,-1,，密度,=0.895,10,3,kg,m,-3,.,若,100,滴油酸的体积为,1 mL,，则,1,滴油酸,所能形成的单分子油膜的面积约是多少？,(,取,N,A,6.02,10,23,mol,-1,，球的体积,V,与直径,D,的关系为,V,D,3,，结果保留,一位有效数字,),【解题指南,】,解答本题时注意理解以下三点：,(1),“,永动机,”,转动时能量的来源；,(2),影响理想气体内能大小的因素；,(3),油膜法估测分子大小的原理,.,【解析,】,(1),选,D.,该,“,永动机,”,叶片进入水中，吸收热量而伸展划水，推动转轮转动，离开水面后向空气中放热，叶片形状迅速恢复，所以转动的能量来自热水，由于不断向空气释放热量，所以水温逐渐降低，,A,、,B,、,C,错，,D,对,.,(2),气体做等压变化，体积变大，温度升高，平均动能增大，内能的变化为,U=Q-p,0,(V,2,-V,1,).,(3),一个油酸分子的体积,分子直径为,单分子油膜的面积,代入数据得：,S=1,10,1,m,2,答案：,(1)D (2),增大,Q-p,0,(V,2,-V,1,) (3) 1,10,1,m,2,8.(2012,聊城模拟,),如图所示，一直立的,汽缸用一质量为,m,的活塞封闭一定量的理,想气体，活塞横截面积为,S,，汽缸内壁光,滑且缸壁是导热的，开始活塞被固定，,打开固定螺栓,K,，活塞下落，经过足够,长时间后，活塞停在,B,点，已知,AB=h,大气压强为,p,0,，重力加速度为,g.,(1),求活塞停在,B,点时缸内封闭气体的压强,.,(2),若周围环境温度保持不变，求整个过程中通过缸壁传递的热量,Q.,【解析,】,(1),设封闭气体的压强为,p,，活塞受力平衡,p,0,S+mg=pS,所以,p=p,0,+,(2),由于气体温度不变，则内能变化,U=0.,根据能量守恒定律，可知：,Q=(p,0,S+mg)h,答案,：,(1)p,0,+ (2)(p,0,S+mg)h,9.(2012,南昌模拟,)(1),一定质量的理想,气体从状态,A,变化到状态,B,，如图所示，,则对应的压强,p,A,_p,B,(,选填,“,大于,”,、,“,小于,”,或,“,等于,”,),，该过程中气体,_,热量,(,选填,“,吸收,”,或,“,放出,”,).,(2),内壁光滑的导热汽缸竖直浸入在盛有冰水混合物的水槽中，用不计质量的活塞封闭压强为,1.0,10,5,Pa,体积为,2.0,10,-3,m,3,的理想气体，现在活塞上缓慢倒上沙子，使封闭气体的体积变为原来的一半,.,求汽缸内气体的压强；,若封闭气体的内能仅与温度有关，在上述过程中外界对气体做功,145 J,，封闭气体吸收还是放出热量？热量是多少？,【解析,】,(1),作出,V-T,图象如图所示：,由 得,V=,T,，故斜率越大，,压强越小，则,p,A,p,B,.,从,A,到,B,，温,度升高，内能增大，体积增大,对外做功，由热力学第一定律知，气体吸收热量,.,(2),此时气体做等温变化，,p,1,V,1,=p,2,V,2,，,则：,p,2,= =2.0,10,5,Pa,由于温度不变，所以内能不变，即,U=0,由热力学第一定律得,Q+W=0,所以,Q=-W=-145 J,放出热量,答案：,(1),大于 吸收,(2)2.0,10,5,Pa,放出热量,145 J,10.,如图所示的,p-V,图中,一定质量的理,想气体由状态,A,经过,ACB,过程至状态,B,，,气体对外做功,280 J,吸收热量,410 J,；,气体又从状态,B,经,BDA,过程回到状态,A,，这一过程中外界对气体做功,200 J,，,求：,(1)ACB,过程中气体的内能是增加还是减少？变化量是多少？,(2)BDA,过程中气体是吸热还是放热？吸收或放出的热量是多少？,【解析,】,(1)ACB,过程中,W,1,=-280 J,Q,1,=410 J,由热力学第一定律得,U,B,-U,A,=W,1,+Q,1,=130 J,故,ACB,过程气体的内能增加了,130 J.,(2),因为一定质量的理想气体的内能只与温度有关，,BDA,过程中气体内能的变化量,U,A,-U,B,=-130 J,由题意知,W,2,=200 J,，由热力学第一定律得,U,A,-U,B,=W,2,+Q,2,代入数值解得,Q,2,=-330 J,即,BDA,过程中气体放出热量,330 J.,答案：,(1),增加,130 J (2),放热,330 J,11.,一定质量的理想气体由状态,A,经状态,B,变为状态,C,，其中,A,B,过程为等压变化，,B,C,过程为等容变化,.,已知,V,A,=0.3 m,3, T,A,=T,C,=300 K,T,B,=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,Q,1,B,C,过程气体放出热量为,Q,2,比较,Q,1,、,Q,2,的大小并说明原因,.,【解析,】,(1),设气体在状态,B,时的体积为,V,B,由盖,吕萨克定律得,代入数据得,V,B,=0.4 m,3,(2),微观原因：气体体积不变，分子密集程度不变，温度变化,(,降低,),，气体分子平均动能变化,(,减小,),，导致气体压强变化,(,减小,).,(3)Q,1,大于,Q,2,;,因为,T,A,=T,C,故,A,B,增加的内能与,B,C,减少的内能相同，而,A,B,过程气体对外做功，,B,C,过程气体不做功，由热力学第一定律可知,Q,1,大于,Q,2,.,答案：,(1)0.4 m,3,(2),见解析,(3)Q,1,大于,Q,2,原因见解析,
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