高二物理课件： 第四章《 能量守恒与热力学定律》（教科 选修3-3）

欢迎进入物理课堂 第1讲分子动理论能量守恒与热力学定律 物体是由大量分子组成的 1 分子的大小 一般分子直径的数量级 m 估测的方法 法 2 一般分子质量的数量级 10 26kg 3 阿伏加德罗常数 1 1mol的任何物质中含有相同的粒子数 用符号NA表示 NA mol 1 分子动理论的基本观点和实验依据阿伏加德罗常数 考纲要求 1 10 10 油膜 6 02 1023 4 分子模型 1 扩散现象 相互接触的物体互相进入对方的现象 温度越高 扩散越快 2 布朗运动的特点 永不停息 无规则运动 颗粒越 运动越剧烈 温度越 运动越剧烈 运动轨迹不确定 小 高 2 分子永不停息地做无规则热运动 3 布朗运动和热运动的比较 分子间存在着相互作用力 1 分子间同时存在相互作用的引力和斥力 2 分子力是分子间引力和斥力的合力 3 r0为分子间引力和斥力大小相等时的距离 其数量级为10 10m 4 如图1 1 1所示 分子间的引力和斥力都随分子间距离的增大而减小 随分子间距离的减小而增大 但总是斥力变化得较快 r r0时 F引 F斥 分子力F 0 rr0时 F引和F斥都随距离的增大而减小 但F斥和F引减小得更快 分子力F表现为引力 r 10r0 10 9m 时 F引 F斥迅速减弱 几乎为零 分子力F 0 图1 1 1 3 分子动能 势能和内能 温度是分子平均动能的标志 内能 考纲要求 温度是分子平均动能的标志 温度 分子动能 分子势能或内能只对大量分子才有意义 任何物体都有内能 体积增大分子势能不一定增大 如水变成冰 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 Q W 3 符号规定 热力学第一 二定律 考纲要求 能量守恒定律 考纲要求 1 热力学第二定律 1 表述一 热量不能自发地从低温物体传到高温物体 2 表述二 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 2 能量守恒定律 1 能量守恒定律的内容 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 或者是从一个物体转移到别的物体 在转化或转移的过程中其总量保持不变 2 条件性 能量守恒定律是自然界的普遍规律 某一种形式的能是否守恒是有条件的 例如 机械能守恒定律具有适用条件 而能量守恒定律是无条件的 是一切自然现象都遵守的基本规律 3 3 两类永动机 第一类永动机不消耗任何能量 却源源不断地对外做功的机器 不能制成的原因 违背能量守恒定律 第二类永动机从单一热库吸收热量并把它全部用来对外做功 而不引起其他变化的机器 不能制成的原因 违背了热力学第二定律 1 三种特殊情况 1 若过程是绝热的 则Q 0 W U 2 若过程中不做功 即W 0 Q U 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 2 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 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 3 热力学过程方向性实例 实验 用油膜法估测分子的大小 注意事项1 实验前应检查方盘是否干净 2 方盘中的水应保持稳定状态 最好静置一段时间 痱子粉均匀撒在水面上 3 向水面滴油酸酒精溶液时 针尖应竖直 靠近水面 如果离水面太高 可能无法形成油膜 最好在1cm左右 4 计算油膜面积时 以坐标纸上方格的数目来计算 不足半个的舍去 多于半个的算1个 下列关于布朗运动的说法 正确的是 A 布朗运动是液体分子的无规则运动B 布朗运动是指悬浮在液体中的固体分子的无规则运动C 布朗运动说明了液体分子与悬浮颗粒之间存在着相互作用力D 观察布朗运动会看到 悬浮的颗粒越小 温度越高 布朗运动越剧烈 1 解析布朗运动是悬浮在液体中的固体小颗粒的无规则运动 小颗粒由许多分子组成 所以布朗运动不是分子的无规则运动 也不是指悬浮颗粒内固体分子的无规则运动 故A B选项错误 布朗运动虽然是由液体分子与悬浮颗粒间相互作用引起的 但其重要意义是反映了液体分子的无规则运动 而不是反映了分子间的相互作用 故C选项错误 观察布朗运动会看到固体颗粒越小 温度越高 布朗运动越明显 故D选项正确 答案D 对热力学第二定律 下列理解正确的是 A 自然界进行的一切宏观过程都是可逆的B 自然界进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性 是不可逆的C 热量不可能由低温物体传递到高温物体D 第二类永动机违背了能量守恒定律 因此不可能制成解析由热力学第二定律可知 热量不可能从低温物体传到高温物体 而不引起其他变化 由此说明热量由低温物体传到高温物体是可能的 但要引起其他变化 故C错 第二类永动机并不违反能量守恒 却违背了热力学第二定律 故A D错 B正确 答案B 2 一定量气体 吸热200J 内能减少20J 下列说法中正确的是 A 气体对外做功180JB 气体对外做功220JC 外界对气体做功180JD 外界对气体做功220J解析根据 U Q W Q 200J U 20J 所以W 220J 即对外做功220J B项正确 答案B 3 下列关于分子热运动的说法中正确的是 A 布朗运动就是液体分子的热运动B 气体如果失去了容器的约束就会散开 这是因为气体分子之间存在斥力C 对于一定量的理想气体 如果压强不变 体积增大 那么它的内能一定增大D 如果气体温度升高 分子平均动能会增加 但并不是所有分子的速率都增大解析布朗运动是悬浮在液体中小颗粒的运动 气体分子散开的原因在于气体分子能做无规则热运动 对于一定量的理想气体 在压强不变的情况下 体积增大 温度升高 分子平均动能增加 理想气体分子势能为零 所以内能增大 答案CD 4 设某种物质的摩尔质量为 分子间平均距离为d 已知阿伏加德罗常数为NA 则该物质的密度 可表示为 答案AB 5 如图1 1 2所示 用F表示两分子间的作用力 Ep表示分子间的分子势能 在两个分子之间的距离由10r0变为r0的过程中 A F不断增大 Ep不断减小B F先增大后减小 Ep不断减小C F不断增大 Ep先增大后减小D F Ep都是先增大后减小解析分子间的作用力是矢量 分子势能是标量 由图象可知F先增大后减小 Ep则不断减小 B正确 答案B 6 图1 1 2 用油膜法估测分子大小的实验步骤如下 向体积为V1的纯油酸中加入酒精 直到油酸酒精溶液总量为V2 用注射器吸取上述溶液 一滴一滴地滴入小量筒 当滴入n滴时体积为V0 先往边长为30 40cm的浅盘里倒入2cm深的水 用注射器往水面上滴一滴上述溶液 等油酸薄膜形状稳定后 将事先准备好的玻璃板放在浅盘上 并在玻璃板上描出油酸薄膜的形状 将画有油酸薄膜轮廓形状的玻璃板 放在画有许多边长为a的小正方形的坐标纸上 计算出轮廓范围内正方形的总数为N 其中不足半个格的两个格算一格 多于半个格的算一格 7 上述实验步骤中有遗漏和错误 遗漏的步骤是 错误的步骤是 指明步骤 并改正 油酸分子直径的表达式d 解析本题考查的是用油膜法测分子直径 意在考查学生对单分子油膜的理解和粗略估算能力 本实验中为了使油膜不分裂成几块 需在水面上均匀撒上痱子粉 由于本实验只是一种估算 在数油膜所覆盖的坐标格数时 大于半个格的算一个格 少于半个格的舍去 油酸溶液在水面上充分扩散后形成一层单分子油膜 油膜厚度可看成分子直 一气泡从湖底上升到湖面 已知气泡内气体的密度为1 29kg m3 平均摩尔质量为0 029kg mol 阿伏加德罗常数NA 6 02 1023mol 1 取气体分子的平均直径为2 10 10m 若气泡内的气体能完全变为液体 请估算液体体积与原来气体体积的比值 结果保留一位有效数字 解析题目考查利用阿伏加德罗常数进行估算 设气体体积为V1 液体体积为V2 由此可知 考点一微观量的估算 典例1 答案见解析 在求解与阿伏加德罗常数有关的计算问题时 总体思路是 已知铜的摩尔质量为M kg mol 铜的密度为 kg m3 阿伏加德罗常数为NA mol 1 下列判断错误的是 变式1 答案B 如图1 1 3所示 甲分子固定在坐标原点O 乙分子位于x轴上 甲分子对乙分子的作用力与两分子间距离的关系如图中曲线所示 F 0为斥力 F 0为引力 a b c d为x轴上四个特定的位置 现把乙分子从a处由静止释放 则 A 乙分子由a到b做加速运动 由b到c做减速运动B 乙分子由a到c做加速运动 到达c时速度最大C 乙分子由a到b的过程中 两分子间的分子势能一直减少D 乙分子由b到d的过程中 两分子间的分子势能一直增加 考点二分子间作用力 分子势能 分子力做功 典例2 图1 1 3 解析由题意可知 乙分子由a到c的过程中 两分子间表现为引力 分子力做正功 动能一直增大 分子势能一直减少 到c点时加速度为零 速度达最大 因此 A错误 B C正确 b到c分子间表现为引力 分子力做正功 分子势能减少 c到d分子间表现为斥力 斥力做负功 分子势能增加 因此 D错误 答案BC 2011 广东广州 某一密闭容器中密封着一定质量的某种实际气体 气体分子间的相互作用力表现为引力 关于实际气体的下列说法中正确的是 A 在完全失重的情况下 密封容器内的气体对器壁的顶部没有作用力B 若气体膨胀对外界做功 则分子势能一定增大C 若气体被压缩 外界对气体做功 则气体内能一定增加D 若气体从外界吸收的热量等于膨胀对外界做的功 则气体分子的动能一定不变 变式2 解析在完全失重的情况下 密封容器内的气体仍然有压强 气体对器壁的顶部有作用力 所以A错误 体积膨胀 分子间距离增大 分子力做负功 气体的分子势能增加 B正确 外界对气体做功 但气体有可能向外界放热 所以内能的变化情况不能确定 C错误 气体从外界吸收的热量等于膨胀对外界做的功 所以内能不变 但分子势能增大了 所以分子动能一定减小 即D错误 答案B 考点三热力学定律及能量守恒定律的理解及应用 典例3 一定质量的气体 在从一个状态 变化到另一个状态 的过程中 吸收热量280J 并对外做功120J 试问 1 这些气体的内能发生了怎样的变化 2 如果这些气体又返回原来的状态 并放出了240J热量 那么在返回的过程中是气体对外界做功 还是外界对气体做功 做功多少 解析 1 由热力学第一定律可得 U W Q 120J 280J 160J气体的内能增加了160J 2 由于气体的内能仅与状态有关 所以气体从 状态回到 状态的过程中内能的变化应等于从 状态到 状态的过程中内能的变化 则从 状态到 状态的内能应减少160J即 U 160J 又Q 240J 根据热力学第一定律得 U W Q 所以W U Q 160J 240J 80J 即外界对气体做功80J 答案 1 增加了160J 2 外界对气体做功80J 热力学第一定律反映功 热量与内能改变量之间的定量关系 U W Q 使用时注意符号法则 简记为 外界对系统取正 系统对外取负 对理想气体 U仅由温度决定 W仅由体积决定 绝热情况下 Q 0 2011 江苏四市联考 一定质量的理想气体 分子力不计 体积由V膨胀到V 如果通过压强不变的过程实现 对外做功大小为W1 传递热量的值为Q1 内能变化为 U1 如果通过温度不变的过程来实现 对外做功大小为W2 传递热量的值为Q2 内能变化为 U2 则 A W1 W2 Q1 U2B W1 W2 Q1 Q2 U1 U2C W1 U2D W1 W2 Q1 Q2 U1 U2 变式3 答案B 在 用油膜法估测分子的大小 的实验中 所用油酸酒精溶液的浓度为每104mL溶液中有纯油酸6mL 用注射器测得1mL上述溶液为75滴 把1滴该溶液滴入盛水的浅盘里 待水面稳定后 将玻璃板放在浅盘上 用彩笔在玻璃板上描出油膜的轮廊 再把玻璃板放在坐标纸上 其形状和尺寸如图1 1 4所示 坐标中正方形方格的边长为1cm 则 1 油酸薄膜的面积是 cm2 2 每滴油酸酒精溶液中含有纯油酸的体积是 mL 取一位有效数字 考点四油膜法估测分子大小 典例4 图1 1 4 3 按以上实验数据估测出油酸分子直径约 m 取一位有效数字 解析 1 运用数格法 多于半个的算一个 小于半个的舍去 有效面积共有115格 油膜的面积 S 115 1cm2 115cm2 答案 1 115 3 2 8 10 6 3 7 10 10 用油膜法估测分子的大小 实验的简要步骤如下 A 将画有油酸膜轮廓的玻璃板放在坐标纸上 数出轮廓内的方格数 不足半个的舍去 多于半个的算一个 再根据方格的边长求出油酸膜的面积S B 将一滴油酸酒精溶液滴在水面上 待油酸薄膜的形状稳定后 将玻璃板放在浅盘上 用彩笔将薄膜的形状描画在玻璃板上 C 用浅盘装入约2cm深的水 E 根据油酸酒精溶液的浓度 算出一滴溶液中纯油酸的体积V 变式4 上述步骤中有步骤遗漏或步骤不完整的 请指出 1 2 上述实验步骤的合理顺序是 某同学实验中最终得到的计算结果和大多数同学的比较 数据偏大 对出现这种结果的原因 下列说法中可能正确的是 A 错误地将油酸酒精溶液的体积直接作为油酸的体积进行计算B 计算油酸膜面积时 错将不完整的方格作为完整方格处理C 计算油酸膜面积时 只数了完整的方格数D 水面上痱子粉撒得较多 油酸膜没有充分展开 答案 1 C步骤中 要在水面上撒上痱子粉或石膏粉 2 实验时 还需要 F 用注射器或滴管将事先配制好的油酸酒精溶液一滴一滴地滴入量筒 记下量筒内增加一定体积时液滴的数目 实验步骤的合理顺序是CFBAED 正确的说法是ACD 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