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课标版课标版 物理物理第3讲热力学定律一、热力学第一定律一、热力学第一定律1.改变物体内能的两种方式(1) ;(2)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= 。(3)表达式中正、负号法则:教材研读教材研读 做功W热量Q内能的改变U取正值“+”外界对物体做功物体从外界吸收热量物体的内能增加取负值“-”物体对外界做功物体向外界放出热量物体的内能减少做功做功热量热量Q+W自测自测1 (辨析题)(1)为了增加物体的内能,必须对物体做功或向它传递热量,做功和热传递的实质是相同的。( )(2)绝热过程中,外界压缩气体做功20 J,气体的内能可能不变。( )(3)在给自行车打气时,会发现打气筒的温度升高,这是因为打气筒从外界吸热。( )答案 (1) (2) (3)二、能量守恒定律二、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 为另一种形式,或者是从一个物体 到别的物体,在 或 的过程中,能量的 保持不变。2.条件性能量守恒定律是自然界的 ,某一种形式的能是否守恒是有条件的。3.第一类永动机是不可能制成的,它违背了 。转化转化转移转移转化转化转移转移总量总量普遍规律普遍规律能量守恒定律能量守恒定律自测自测2木箱静止于水平地面上,现在用一个80 N的水平推力推动木箱前进10 m,木箱受到的摩擦力为60 N,则转化为木箱与地面系统的内能U和转化为木箱的动能Ek分别是( )A.U=200 J,Ek=600 JB.U=600 J,Ek=200 JC.U=600 J,Ek=800 JD.U=800 J,Ek=200 J答案 B由于木箱在推动中受到滑动摩擦力,则系统的内能增量U=6010 J=600 J,由能量守恒定律可得木箱的动能Ek=W总-U=8010 J-600 J=200 J。故答案为B。三、热力学第二定律三、热力学第二定律1.两种表述(1)克劳修斯表述:热量不能 从低温物体传到高温物体。(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 。或表述为“ 永动机是不可能制成的”。2.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 增大的方向进行。3.第二类永动机不可能制成的原因是违背了 。自发地自发地不产生其他影响不产生其他影响第二类第二类无序性无序性热力学第二定律热力学第二定律自测自测3根据你所学热学中的有关知识,判断下列说法中正确的是( )A.机械能可以全部转化为内能,内能也可以全部用来做功以转化成机械能B.凡与热现象有关的宏观过程都具有方向性,在热传递中,热量只能从高温物体传递给低温物体,而不能从低温物体传递给高温物体C.尽管技术不断进步,热机的效率仍不能达到100%,制冷机却可以使温度降到-293 D.第一类永动机违背能量守恒定律,第二类永动机不违背能量守恒定律,随着科技的进步和发展,第二类永动机可以制造出来 答案 A机械能可以全部转化为内能,而内能在引起其他变化时也可以全部转化为机械能,A正确;凡与热现象有关的宏观过程都具有方向性,在热传递中,热量可以自发地从高温物体传递给低温物体,也能从低温物体传递给高温物体,但必须借助外界的帮助,B错误;尽管技术不断进步,热机的效率仍不能达到100%,制冷机也不能使温度降到-293 ,C错误;第一类永动机违背能量守恒定律,第二类永动机不违背能量守恒定律,但违背了热力学第二定律,第二类永动机不可能制造出来,D错误。考点一对热力学第一定律的理解考点一对热力学第一定律的理解1.热力学第一定律不仅反映了做功和热传递这两种方式改变内能的过程是等效的,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,即U=Q+W。2.几种特殊情况(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量。(2)若过程中不做功,即W=0,则Q=U,物体吸收的热量等于物体内能的增加量。(3)若过程的始末状态物体的内能不变,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。考点突破考点突破典例典例1在如图所示的坐标系中,一定质量的某种理想气体先后发生以下两种状态变化过程:第一种变化是从状态A到状态B,外界对该气体做功为6 J;第二种变化是从状态A到状态C,该气体从外界吸收的热量为 9 J。图线AC的反向延长线通过坐标原点O,B、C两状态的温度相同,理想气体的分子势能为零。求:(1)从状态A到状态C的过程,该气体对外界做的功W1和其内能的增量U1;(2)从状态A到状态B的过程,该气体内能的增量U2及其从外界吸收的热量Q2。答案 (1)0 9 J (2)9 J 3 J解析 (1)从状态A到状态C的过程,气体发生等容变化,该气体对外界做的功W1=0根据热力学第一定律有U1=W1+Q1内能的增量U1=Q1=9 J(2)从状态A到状态B的过程,体积减小,温度升高该气体内能的增量U2=U1=9 J根据热力学第一定律有U2=W2+Q2从外界吸收的热量Q2=U2-W2=3 J1.气体做功情况的一般判定方法(1)若气体体积增大,则气体对外做功,W0;(3)若气体体积不变,即等容过程,则W=0。2.理想气体内能变化情况的判定方法对一定质量的理想气体,由于无分子势能,其内能只包含分子无规则热运动的动能,这时内能只与温度有关,故判定一定质量的理想气体内能是否变化,应看温度是否发生了变化,与体积无关,这与一般物体不同。1-1一定质量的理想气体压强p与热力学温度T的关系图像如图所示,AB、BC分别与p轴和T轴平行,气体在状态A时的压强为p0、体积为V0,在状态B时的压强为2p0,则气体在状态B时的体积为 ;气体从状态A经状态B变化到状态C的过程中,对外做的功为W,内能增加了U,则此过程气体 (选填“吸收”或“放出”)的热量为 。答案 吸收 U+W解析对AB过程,温度不变,由玻意耳定律可知,气体在状态B时的体积为V=;气体从状态A经状态B变化到状态C的过程中,对外做的功为W,内能增加了U,由热力学第一定律,知此过程气体吸收的热量为U+W。02V02V1-2 2015重庆理综,10(1),6分某驾驶员发现中午时车胎内的气压高于清晨时的,且车胎体积增大。若这段时间胎内气体质量不变且可视为理想气体,那么( )A.外界对胎内气体做功,气体内能减小B.外界对胎内气体做功,气体内能增大C.胎内气体对外界做功,内能减小D.胎内气体对外界做功,内能增大答案 D中午比清晨时温度高,所以中午胎内气体分子平均动能增大,理想气体的内能由分子动能决定,因此内考点二对热力学第二定律的理解考点二对热力学第二定律的理解1.对热力学第二定律中关键词的理解在热力学第二定律的表述中“自发地”、“不产生其他影响”的含义。(1)“自发地”指明了热传递等热力学宏观现象的方向性,不需要借助外界提供能量的帮助。(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自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性。如(1)高温物体低温物体(2)功热(3)气体体积V1气体体积V2(较大)(4)不同气体A和B混合气体AB典例典例2 (多选)关于热力学定律,下列说法正确的是( )A.为了增加物体的内能,必须对物体做功或向它传递热量B.对某物体做功,必定会使该物体的内能增加C.可以从单一热源吸收热量,使之完全变为功D.不可能使热量从低温物体传向高温物体E.功转变为热的实际宏观过程是不可逆过程答案 ACE内能的改变可以通过做功或热传递进行,故A对;对某物体做功,若物体同时向外放热,则物体的内能不一定增加,B错;在引起其他变化的情况下,从单一热源吸收热量可以将其全部变为功,C对;在引起其他变化的情况下,可以将热量从低温物体传向高温物体,D错;涉及热现象的宏观过程都具有方向性,故E对。(1)从单一热库吸收热量,可以完全变成功,但会产生其他影响,如气体的等温膨胀。(2)热量可以从低温物体传向高温物体,但需要外界的帮助,消耗外界的能量,如电冰箱制冷。(3)自然界中涉及热现象的宏观过程都具有方向性。2-1 (2015广东汕头模拟)以下哪个现象不违背热力学第二定律( )A.一杯热茶在打开盖后,茶会自动变得更热B.没有漏气、没有摩擦的理想热机,其效率可能是100%C.桶中浑浊的泥水在静置一段时间后,泥沙下沉,上面的水变清,泥、水自动分离D.热量自发地从低温物体传到高温物体答案 C茶不会自发地变得更热,选项A错误;无论什么样的热机,效率永远不会达到100%,选项B错误;热量不会自发地从低温物体传到高温物体,选项D错误。考点三气体实验定律与热力学第一定律的综合应用考点三气体实验定律与热力学第一定律的综合应用气体实验定律与热力学第一定律的结合量是气体的体积和温度,当温度变化时,气体的内能变化,当体积变化时,气体将伴随着做功,解题时要掌握气体变化过程的特点:(1)等温过程:内能不变,即U=0。(2)等容过程:W=0。(3)绝热过程:Q=0。典例典例3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2.4T0、压强为1.2p0的理想气体。p0和T0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,为正的常数;汽缸内气体的所有变化过程都是缓慢的。求:()汽缸内气体与大气达到平衡时的体积V1;()在活塞下降过程中,汽缸内气体放出的热量Q。答案 ()V ()p0V+T0解析 ()在气体由压强p=1.2p0下降到p0的过程中,气体体积不变,温度由T=2.4T0变为T1,由查理定律得=在气体温度由T1变为T0的过程中,体积由V减小到V1,气体压强不变,由盖吕萨克定律得=解得V1=V()在活塞下降过程中,活塞对气体做的功为W=p0(V-V1)在这一过程中,气体内能的减少量为U=(T1-T0)12121TT0pp1VV10TT12由热力学第一定律得,汽缸内气体放出的热量为Q=W+U解得Q=p0V+T03-1一定质量的理想气体被活塞封闭在汽缸内,如图所示水平放置。活塞的质量m=20 kg,横截面积S=100 cm2,活塞可沿汽缸壁无摩擦滑动但不漏气,开始使汽缸水平放置,活塞与汽缸底的距离L1=12 cm,离汽缸口的距离L2=3 cm。外界气温为27 ,大气压强为1.0105 Pa,将汽缸缓慢地转到开口向上的竖直位置,待稳定后对缸内气体逐渐加热,使活塞上表面刚好与汽缸口相平,已知g=10 m/s2,求:12(1)此时气体的温度为多少?(2)在对缸内气体加热的过程中,气体膨胀对外做功,同时吸收Q=370 J的热量,则气体增加的内能U多大?答案 (1)450 K (2)310 J解析 (1)当汽缸水平放置时,p0=1.0105 Pa,V0=L1S,T0=(273+27) K=300 K当汽缸口朝上,活塞到达汽缸口时,活塞的受力分析图如图所示,有p1S=p0S+mg则p1=p0+=1.0105 Pa+ Pa=1.2105 Pa又V1=(L1+L2)S由理想气体状态方程得 =则T1=T0=300 K=450 K。(2)当汽缸口向上,未加热稳定时:由玻意耳定律得mgS220010010p L ST1121()p LL ST11201()p LLp L551.2 10151.0 1012p0L1S=p1LS则L= cm=10 cm加热后,气体做等压变化,外界对气体做功为W=-p0(L1+L2-L)S-mg(L1+L2-L)=-60 J根据热力学第一定律U=W+Q得U=310 J。011p Lp551.0 10121.2 10
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