高中物理课件：《热力学定律与能量守恒》 （沪科版选修3-3）

欢迎进入物理课堂 一 热力学第一定律1 改变内能的两种方式的比较 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 U W Q 3 W Q U的 号法则 4 三种特殊情况 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 若过程中不做功 即W 0 Q U 物体吸收的热量等于物体内能的增加 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 3 温度 内能 热量 功的比较 1 虽然功与能具有相同的单位 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 能量转化和守恒定律是自然界中普遍存在的一种规律 是无条件的 而机械能守恒定律是有条件的 二 热力学第二定律1 两种表述 2 用熵的概念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 两类永动机的比较 4 对热力学第二定律的理解 1 在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 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 不产生其他影响 的涵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 3 热力学过程方向性实例 5 热力学第二定律的微观意义系统的热力学过程就是大量分子无序运动状态的变化过程 1 在机械能通过做功转化为热的过程中 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 但其逆过程却不能自发地进行 即不可能由大量分子无规则的热运动自发转变为有序运动 2 热传递的过程中 自然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 3 大量分子无序运动状态变化的方向总是向无序性增大的方向进行 即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 这就是热力学第二定律的微观意义 1 热力学第一 第二定律从不同角度揭示了热力学过程中遵守的规律 只有同时符合两定律的过程才能实现 2 两定律都是热力学基本定律 分别从不同角度揭示了与热现象有关的物理过程所遵循的规律 热力学第一定律的应用 例证1 2010 广东高考 如图是密闭的汽缸 外力推动活塞P压缩气体 对缸内气体做功800J 同时气体向外界放热200J 缸内气体的 1 A 温度升高 内能增加600JB 温度升高 内能减少200JC 温度降低 内能增加600JD 温度降低 内能减少200J 解题指导 本题在应用热力学第一定律的时候要依照符号法则 注意各量的正负及物理意义 自主解答 选A 由热力学第一定律知 由 U W Q得 U 800J 200J 600J B D错 一定质量的理想气体的内能大小只与温度有关 U 600J 0 故温度一定升高 A选项正确 C错 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 热力学第二定律的应用 例证2 如图为电冰箱的工作原理示意图 压缩机工作时 强迫制冷剂在冰箱内外的管道中不断循环 在蒸发器中制冷剂汽化吸收箱体内的热量 经过冷凝器时制冷剂液化 放出热量到箱体外 2 1 下列说法正确的是A 热量可以自发地从冰箱内传到冰箱外B 电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界 是因为其消耗了电能C 电冰箱的工作原理违反热力学第一定律D 电冰箱的工作原理违反热力学第二定律 2 电冰箱的制冷系统从冰箱内吸收的热量与释放到外界的热量相比 有怎样的关系 解题指导 结合热力学第一定律 热力学第二定律的相关知识进行研究分析 标准解答 1 选B 由热力学第二定律可知 热量不能自发地从低温物体传到高温物体 除非有外界的影响或帮助 电冰箱把热量从低温的内部传到高温的外部 需要压缩机的帮助并消耗电能 B正确 A D错误 热力学第一定律是热现象中内能与其他形式能的转化规律 是能的转化和守恒定律的具体表现 适用于所有的热学过程 故C错误 2 由热力学第一定律可知 电冰箱制冷系统从冰箱内吸收了热量 同时消耗了电能 释放到外界的热量比从冰箱内吸收的热量多 气体实验定律与热力学定律综合 例证3 如图 一个固定且导热性能良好的汽缸内密封有一定质量的理想气体 气体体积为V 压强为p 现用力F缓慢推活塞使气体体积减小到 设环境温度不变 则缸内气体 3 A 内能增大B 要从外界吸热C 压强等于3pD 压强大于3p 解题指导 解答本题时可按以下思路分析 自主解答 选C 由于环境温度不变 汽缸导热性能良好 缓慢压缩气体 发生等温变化 据玻意耳定律有p1V1 p2V2 由V2 得p2 3p1 C对D错 温度不变 理想气体内能不变 A错 由热力学第一定律 U W Q U 0 W 0 则Q 0 即气体放热 B错 故选C 总结提升 气体实验定律与热力学定律综合问题的分析方法 1 此类问题在各类考查中较为常见 且题目情境设置容易变化创新 在分析此类问题时注意抓住温度和体积两个状态参量 2 温度是判断一定质量理想气体内能 分子平均动能变化的关键 体积是判断热力学系统的做功情况的关键 3 据温度和体积的变化情况 依据气体实验定律分析气体压强的变化 依据热力学第一定律可判断热力学系统的吸热与放热情况 涉及图象的热力学问题综合分析 例证4 2011 泉州模拟 一定质量的理想气体的状态发生变化 经历了图示A B C A的循环过程 则 4 A 气体在状态C和状态A的内能相等B 从状态C变化到状态A的过程中 气体一定放热C 从状态B变化到状态C的过程中 气体一定吸热D 从状态B变化到状态C的过程中 气体分子平均动能减小 解题指导 解答本题要从图象中获取以下两个方面内容 1 从p V图中判断各状态的温度 2 从V T的变化来判断W U 标准解答 选D 由pV CT可知p V图象中各点与横纵坐标所围成面积表示该状态时的温度情况 从C A状态 温度升高 一定质量理想气体内能变大 A错 体积不变 则W 0 据 U W Q可知Q 0 即C A状态气体吸热 B错 同理B C状态 温度降低 气体分子平均动能减小 内能减小 D对 体积变小 外界对气体做功W 0 据 U W Q可知 U 0 Q 0 即气体放热 C错 故选D 1 一定质量的理想气体在某一过程中 气体向外界放出热量210J 气体内能减少了100J 则此过程 A 气体对外界做功110JB 气体对外界做功310JC 外界对气体做功110JD 外界对气体做功310J 解析 选C 由于 U 100J Q 210J 据热力学第一定律 U W Q有W U Q 110J 即外界对气体做了110J的功 故选C 2 下列关于热现象的叙述 正确的是 A 压缩密闭绝热容器中的气体时 其内能一定增大B 只要满足能量守恒的物理过程 都可以自发地进行C 布朗运动就是液体分子的无规则运动D 当质量一定的气体膨胀时 气体分子间的势能减小 因而气体的内能减少 解析 选A 根据热力学第一定律 A正确 根据热力学第二定律 B错误 布朗运动是悬浮在液体中的固体小颗粒的无规则运动 C错误 当质量一定的气体膨胀时 气体分子克服引力做功 分子间势能增大 但分子动能不确定 内能不确定 故D错误 3 金属制成的汽缸中装有柴油与空气的混合物 有可能使汽缸中柴油达到燃点的过程是 A 迅速向里推活塞B 迅速向外拉活塞C 缓慢向里推活塞D 缓慢向外拉活塞 解析 选A 迅速向里推活塞 对气体做功 而气体来不及和外界进行热交换 从而使气体内能增大 温度升高 达到混合物的燃点 4 当物体的内能增大时 下列说法正确的是 A 物体一定吸收了热量B 外界一定对物体做了功C 物体不可能放出热量D 物体有可能对外界做功 解析 选D 改变物体内能有两种途径 做功和热传递 具体到本题 已知物体的内能是增大的 存在五种可能性 一是只吸收热量 没有做功 二是外界对物体做功 没有热传递 三是吸收了热量 同时外界对物体做功 四是吸收热量使内能增加 同时物体对外界做功使内能有所减少 但吸收的热量比对外做的功多 五是物体放出热量使内能减少 但同时外界对物体做功使内能增加 且外界对物体做功比物体放出的热量多 这五种可能最终结果都使物体的内能增大 可见选项A 选项B和选项C都是错误的 选项D正确 5 关于第二类永动机 下列说法中正确的是 A 没有冷凝器 只有单一热源 能将从单一热源吸收的热量全部用来做功 而不引起其他变化的热机叫做第一类永动机B 第二类永动机违反了能量守恒定律 所以不可能制成C 第二类永动机不可能制成 说明机械能可以全部转化为内能 内能却不能全部转化为机械能D 第二类永动机不可能制成 说明机械能可以全部转化为内能 内能却不能全部转化为机械能而同时不引起其他变化 解析 选D 将从单一热源吸收的热量全部用来做功 而不引起其他变化的热机是第二类永动机 A错 第二类永动机不违背能量守恒定律 但违背热力学第二定律 B错 内能全部转化为机械能要引起其他变化 C错D对 6 关于热力学定律 下列说法正确的是 A 在一定条件下物体的温度可以降到0KB 物体从单一热源吸收的热量可全部用于做功C 吸收了热量的物体 其内能一定增加D 压缩气体总能使气体的温度升高 解析 选B 由热力学第三定律知 绝对零度不可能达到 A错 由热力学第二定律知 物体从单一热源吸收的热量可全部用于做功 但是将产生其他影响 B对 物体吸收了热量 若全部用于对外做功 其内能不变 C错 压缩气体 若气体外放热 气体的温度不一定升高 D错 7 2010 重庆高考 给旱区送水的消防车停于水平面 在缓缓放水的过程中 若车胎不漏气 胎内气体温度不变 不计分子势能 则胎内气体 A 从外界吸热B 对外界做负功C 分子平均动能减少D 内能增加 解析 选A 胎内气体经历了一个温度不变 压力减小 体积增大的过程 温度不变 分子平均动能和内能不变 体积增大气体对外界做正功 B C D均错 根据热力学第一定律气体一定从外界吸热 A正确 8 2010 福建高考 如图所示 一定质量的理想气体密封在绝热 即与外界不发生热交换 容器中 容器内装有一可以活动的绝热活塞 今对活塞施加一竖直向下的压力F 使活塞缓慢向下移动一段距离后 气体的体积减小 若忽略活塞与容器壁间的摩擦力 则被密封的气体 A 温度升高 压强增大 内能减少B 温度降低 压强增大 内能减少C 温度升高 压强增大 内能增加D 温度降低 压强减小 内能增加 解析 选C 由F对密闭的气体做正功W 0 绝热活塞Q 0 由热力学第一定律知理想气体内能增大 T升高 再根据pV T C V减小 p增大 故选C 9 喷雾器 如图 内有10L水 上部封闭有1atm的空气2L 关闭喷雾阀门 用打气筒向喷雾器内再充入1atm的空气3L 设外界环境温度一定 空气可看做理想气体 则针对喷雾器 下列说法正确的是 A 打气过程中发生的是等压过程B 打气过程中发生的是等容过程C 打气过程中发生的是等温过程D 当打入空气后水面上方空气与外界温度相等时 气体压强为2 5atm 解析 选D 打气过程中 空气压强增大 体积减小 温度升高 则A B C都错误 等水面上方空气与外界温度相等时 根据玻意耳定律p1V1 p2V2解得p2 2 5atm 故D正确 10 一个绝热汽缸 压缩活塞前容积为V 内部气体的压强为p 现在用力推活塞 使容积减小到V 6 则汽缸内的压强为 A 等于6pB 大于6pC 小于6pD 等于p 6 解析 选B 用力推活塞 对绝热汽缸内部气体做功 内能增加 温度升高 由 恒量 可得压强大于6p 故选B 11 如图所示 导热的汽缸开口向下 缸内活塞封闭了一定质量的理想气体 活塞可自由滑动且不漏气 活塞下挂一个沙桶 沙桶装满沙子时 活塞恰好静止 现将沙桶底部钻一个小洞 让细沙慢慢漏出 汽缸外部温度恒定不变 则下列说法中正确的有 A 缸内的气体压强减小 内能增加B 缸内的气体压强增大 内能不变C 缸内的气体压强不变 内能减少D 外界对缸内气体做功 缸内气体内能增加 解析 选B 设小桶质量为M 沙质量为m 对活塞受力分析得p0S pS m M g 细沙慢慢漏出 m减小 p增大 A C错 导热的汽缸外部温度恒定不变 内能不变 D错 12 2011 福州模拟 一定质量的理想气体 当它发生如图所示的状态变化时 哪一个状态变化过程中 气体吸收热量全部用来对外界做功 A 由A至B状态变化过程B 由B至C状态变化过程C 由C至D状态变化过程D 由D至A状态变化过程 解析 选D A至B C至D状态 体积不变 没有对外做功 A C错 B至C状态 体积减小 外界对气体做功 B错 D至A状态 温度不变 内能不变 体积变大 因此吸收热量全部用来对外做功 D对 Thankyou 同学们 来学校和回家的路上要注意安全 同学们 来学校和回家的路上要注意安全