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,第2单元 热力学定律 能的转化和守恒,一、物体的内能 1分子的动能 (1)物体内分子无规则运动所具有的能称为分子动能 分子的动能是指一个分子具有的能，不是分子的总动能从物质是由大量分子组成的观点看，研究单个分子的动能是没有意义的，应从统计的观点看分子的动能，由此可见，有意义的是分子的平均动能,(2)分子的平均动能： 物体内分子动能的平均值 (3)温度是分子平均动能的标志：,【例1】 对一定量的气体， 下列说法正确的是( ) A气体的体积是所有气体分子的体积之和 B气体分子的热运动越剧烈，气体温度就越高 C气体对器壁的压强是由大量气体分子对器壁不断碰撞而产生的 D当气体膨胀时，气体分子之间的势能减小，因而气体的内能减少,【解析】 气体分子距离远大于分子大小，所以气体的体积远大于所有气体分子体积之和，A项错；温度是物体分子平均动能的标志，是表示分子热运动剧烈程度的物理量，B项正确；气体压强的微观解释是大量气体分子频繁撞击产生的，C项正确；气体膨胀，说明气体对外做功，但不能确定吸、放热情况，故不能确定内能变化情况，D项错 【答案】 BC,(4)分子的动能与机械运动物体的动能不同： 分子的动能是对机械运动中物体的动能的拓展，但和机械运动中物体的动能有本质的区别机械运动的形式取决于外界作用的客观条件，所以机械运动中物体的动能可以为零，而分子运动是永不停息的，因此分子的动能不可能为零,2分子的势能 (1)存在的前提：分子力做功与路径无关，由体积决定因此理想气体的内能由温度决定，与体积无关原因是：理想气体分子间无相互作用的分子力，故无分子势能，与体积无关 (2)定义：分子间存在相互作用力，由分子间相对位置所决定的势能，叫做分子势能 (3)分子势能变化的判断方法： 分子力做正功，分子势能减小；分子力做负功，分子势能增加,【例2】 (2013重庆)某未密闭房间的空气温度与室外的相同，现对该室内空气缓慢加热，当室内空气温度高于室外空气温度时( ) A室内空气的压强比室外的小 B室内空气分子的平均动能比室外的大 C室内空气的密度比室外大 D室内空气对室外空气做了负功,【解析】 未密闭房间说明是等压变化，压强不变，故A项错误；温度是分子平均动能的标志；温度升高分子平均动能增加，故B项正确；等压升温，体积增大，密度变小，故C项错误；体积增大，对外做正功，故D项错误 【答案】 B,3物体的内能 (1)定义：物体内所有分子的动能和势能的总和叫做物体的内能 【例3】 下列说法正确的是( ) A液体中悬浮微粒的布朗运动是做无规则运动的液体分子撞击微粒而引起的 B物体温度越高，其分子的平均动能越大 C物体里所有分子动能的总和叫做物体的内能 D只有通过热传递的方式才能改变物体的内能,【解析】 布朗运动这一现象是液体分子撞击微粒造成的温度是分子平均动能的标志，所以A、B项正确内能是指物体里所有分子动能与势能的总和做功和热传递都能改变物体的内能，所以C、D项错误 【答案】 AB,(2)内能与温度和体积的关系： 由于分子动能与温度有关，分子势能与体积有关，所以，一定质量的某种物体的内能是由物体的温度和体积共同决定的 【例4】 关于内能下列说法正确的是( ) A一定质量的某种物体的内能是由物体的温度和体积共同决定的 B由于内能与温度和体积有关，因此两种物质只要体积和温度相同它们的内能必相同,C0 的冰溶化成0 的水体积减小了，分子势能必减小 D0 的冰溶化成0 的水，体积减小了，分子势能必增加 【解析】 物体的内能在质量一定的情况下，内能由体积和温度共同决定，当两种不同物体相比较，分子动能和势能相同，但分子数不相同时，物体的内能也不相同，故A项正确，B项错误.0 的冰溶化成0 的水，体积减小，不能就此认为其势能也减小，而应从改变内能的两种方式上去分析冰溶化过程吸收热量，内能增加，而温度不变，所增加的只能是分子的势能故D项正确，C项错误,【答案】 AD,(3)内能和机械能： 物体处于任何状态都具有内能但物体只有运动才有动能物体有内能未必有动能，但有动能一定同时有内能,二、改变物体内能的方式做功和热传递 1改变内能的两种方式 做功和热传递在改变物体内能上是等效的，但它们之间又有本质的区别做功是其他形式的能与物体内能的转化；热传递是内能在物体间的转移,【例5】 如图所示，密闭绝热容器内有一绝热的具有一定质量的活塞，活塞的上部封闭着气体，下部为真空，活塞与器壁的摩擦忽略不计置于真空中的轻弹簧的一端固定于容器的底部，另一端固定在活塞上，弹簧被压缩后用绳扎紧，此时弹簧的弹性势能为Ep(弹簧处在自然长度时的弹性势能为零)现绳突然断开，弹簧推动活塞向上运动，经过多次往复运动后活塞静止，气体达到平衡态经过此过程( ),AEp全部转化为气体的内能 BEp一部分转化成活塞的重力势能，其余部分仍为弹簧的弹性势能 CEp全部转化成活塞的重力势能和气体的内能 DEp一部分转化成活塞的重力势能，一部分转化为气体的内能，其余部分仍为弹簧的弹性势能,【解析】 通过对活塞受力分析确定弹簧末状态再利用能量守恒判断活塞最后平衡，故弹簧处于压缩状态，Ep没有全部转化为其他形式的能量活塞对气体做功，并且容器是绝热的，故气体内能增加，由能量守恒，可判定D项正确 【答案】 D,2热功当量J4.2焦/卡 热功当量的测定，说明做功和热传递在改变内能上是等效的,【例6】 下图为焦耳实验装置图，用绝热性能良好的材料将容器包好，重物下落带动叶片搅拌容器里的水，引起水温升高关于这个实验，下列说法正确的是( ),A这个装置可测定热功当量 B做功增加了水的热量 C做功增加了水的内能 D功和热量是完全等价的，无区别 【答案】 AC,三、两个概念 1热运动 指的是分子的无规则运动，其运动主体为分子不是布朗运动，布朗运动的主体是布朗微粒 2热平衡 指的是两物体的温度相同时，达到平衡的一种状态热平衡的宏观标志为温度相等,在达到热平衡的过程中，内能是从高温物体传向低温物体，而不是从内能大的物体传向内能小的物体在高考试题中常用“热传递”“绝热”“导热”等的说法，要将它们区别开来如“绝热”活塞，说明活塞两侧无热量传递，除非巧合，一般温度不等；“导热”活塞，说明最终两侧温度相等,【例7】 如图所示，水平放置的密封汽缸内的气体被一竖直隔板分隔为左右两部分，隔板可在汽缸内无摩擦滑动，右侧气体内有一电热丝汽缸壁和隔板均绝热初始时隔板静止，左右两边气体温度相等现给电热丝提供一微弱电流，通电一段时间后切断电源当缸内气体再次达到平衡时，与初始状态相比( ),A右边气体温度升高，左边气体温度不变 B左右两边气体温度都升高 C左边气体压强增大 D右边气体内能的增加量等于电热丝放出的热量 【解析】 当电热丝通电后，右边气体吸收热量后，温度升高，压强增大，隔板不再平衡，向左移动，右侧气体对左侧气体做功，由于隔板和汽缸均绝热，使左侧气体的内能增加，温度升高，体积减小，因此左侧气体的压强也增大，当隔板再次平衡时两边压强均增大了，所以选项A错误，选项B、C正确,右侧气体对左侧气体做了功，根据热力学第一定律UWQ，得右边气体内能的增加量小于电热丝放出的热量，右边气体内能的增加值为电热丝发出的热量减去对左边的气体所做的功，故选项D错误 【答案】 BC,四、热力学第一定律 1内容 一个热学系统内能的变化U，决定于系统与外界交换的热量Q和做功W. 2表达式：UWQ 3符号法则：得正失负 外界对物体做功为正值，反之为负值；物体从外界吸热为正值，反之为负值；物体的内能增加为正值，反之为负值,【例8】 (2010广东)右图是密闭的汽缸，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，内能减少200 J 【解析】 由能量守恒，UWQ200 J800 J600 J，内能增加600 J，则温度一定升高 【答案】 A,五、热力学第二定律 内容：两种表述 (1)按照热传导的方向性可表述为：热量不能自发地从低温物体传递到高温物体 (2)按照机械能与内能转化过程的方向性可表述为：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 其他表述：第二类永动机是不可能制成的；不能制成效率为100%的热机；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热力学第二定律使人们认识到，自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性,【例9】 下列说法正确的是( ) A机械能全部变成内能是不可能的 B第二类永动机不可能制造成功的原因是因为能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，只能从一个物体转移到另一个物体，或从一种形式转化成另一种形式 C根据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 D从单一热源吸收的热量全部变成功是可能的 【答案】 D,【例10】 判断下列说法是否正确： A(2007海南17)空调机作为制冷机使用时，将热量从温度较低的室内送到温度较高的室外，所以制冷机的工作是不遵守热力学第二定律的() B(2007海南17)从单一热源吸取热量使之全部变成有用的机械功是不可能的() C(2009四川16)物体从单一热源吸收的热量可全部用于做功(),D(2009海南14)功可以全部转化为热，但热量不能全部转化为功() E(2009海南14)热量能够自发地从高温物体传递到低温物体，但不能自发地从低温物体传递到高温物体() F(2008天津14)没有摩擦的理想热机可以把吸收的能量全部转化为机械能() G(2008四川14)热量只能从高温物体向低温物体传递(),H(2004天津15)热量不能由低温物体传递到高温物体() I(2004天津15)外界对物体做功，物体的内能必定增加() G(2004天津15)第二类永动机不可能制成，是因为违反了能量守恒定律() K(2004天津15)不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化(),L(2006天津14)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() M(2006天津14)满足能量守恒定律的物理过程都能自发进行() O(2013山东36(1)根据热力学定律，热机的效率可以达到100%.(),六、能的转化与守恒定律 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别的形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化和转移的过程中其总量不变 【例11】 在一个没有热交换的房间内打开电扇，电扇正常工作过一段时间房间内的温度将作如下变化( ) A升高 B降低 C不变 D无法判断,【解析】 把电扇与房间看作一个系统电扇正常工作时，电扇和房间内热交换发生在系统内，系统内部不引起总能量的变化但电扇消耗电能增加了系统的总能量根据能的转化与守恒定律知，增加的系统能量转化为内能使房间的温度升高故选A项 【答案】 A,七、固体、液体 记住教科书中所列举的实例中的晶体和非晶体，理解各向同性、各向异性，液晶的特性，表面张力及其成因，毛细现象及其成因,【例12】 (2010海南)下列说法正确的是( ) A当一定质量的气体吸热时，其内能可能减小 B玻璃、石墨和金刚石都是晶体，木炭是非晶体 C单晶体有固定的熔点，多晶体和非晶体没 有固定的熔点 D当液体与大气相接触时，液体表面层内的分子所受其他分子作用力的合力总是指向液体内部 E气体分子单位时间内与单位面积器壁碰撞的次数，与单位体积内气体的分子数和气体温度有关 【答案】 ADE,【触类旁通】 (2012江苏)下列现象中，能说明液体存在表面张力的有( ) A水黾可以停在水面上 B叶面上的露珠呈球形 C滴入水中的红墨水很快散开 D悬浮在水中的花粉做无规则运动,【解析】 由于液体表面层分子引力，使得液体表面具有收缩的趋势，露珠表面张力使表面面积收缩到最小，从而使它收缩成一个球形，水面的张力给水黾向上的弹力，选项A、B正确；滴入水中的红墨水很快散开是扩散现象，是液体分子无规则热运动的反映，故选项C错误；悬浮在水中的花粉做无规则运动是布朗运动，是液体分子无规则热运动的反映，故选项D错误 【答案】 AB,八、湿度 【例13】 (2011海南)关于空气湿度，下列说法正确的是( ) A当人们感到潮湿时，空气的绝对湿度一定较大 B当人们感到干燥时，空气的相对湿度一定较小 C空气的绝对湿度用空气中所含水蒸气的压强表示 D空气的相对湿度定义为水的饱和蒸气压与相同温度时空气中所含水蒸气的压强之比,【解析】 在一定气温条件下，大气中相对湿度越大，水汽蒸发也就越慢，人就感受到越潮湿，故当人们感到潮湿时，空气的相对湿度一定较大，但绝对湿度不一定大，故A项错误；在一定气温条件下，大气中相对湿度越小，水汽蒸发也就越快，人就越感到干燥，故当人们感到干燥时，空气的相对湿度一定较小，但绝对湿度不一定小，故B项正确；绝对湿度是指一定空间中水蒸气的绝对含量，可用空气中水的蒸气压来表示，故C项正确；相对湿度为某一被测蒸气压与相同温度下的饱和蒸气压的比值的百分数，相对湿度则给出大气的潮湿程度，而不是水的饱和蒸气压与相同温度时空气中所含水蒸气的压强之比，故D项错误,【答案】 BC 【学法指导】 绝对湿度是指一定空间中水蒸气的绝对含量，可用空气中水的蒸气压来表示；相对湿度为某一被测蒸气压与相同温度下的饱和蒸气压的比值的百分数；在一定气温条件下，大气中相对湿度越大，水汽蒸发也就越慢，人就感受到越潮湿；在一定气温条件下，大气中相对湿度越小，水汽蒸发也就越快，人就越感到干燥,一、对“做功和热传递是改变物体内能的方式”的深化理解 做功和热传递是改变物体内能的方式，其中“做功”不是任何形式的功，而是指能够产生内能的功,【例1】 在如图所示的两端开口的“U”形管中，盛有同种液体，并用管闩K将液体隔成左、右两部分，左边液面比右边液面高现打开管闩K，从打开管闩到两边液面第一次平齐的过程中，液体向外放热为Q，内能变化量为U，动能变化量为Ek；大气对液体做功W1，重力做功为W2，液体克服阻力做功为W3.由功能关系可得：,W10；W2W3Ek；W2W3QU；W3QU.其中正确的是( ) A B C D 【解析】 由动能定理，可知W2W3W1Ek，其中W1pV左pV右0，知正确由热力学第一定律，知UWQ，即UW3Q，故正确，错误综合以上分析可知B项正确 【答案】 B,【学法指导】 本题对应做功的表达有W1、W2、W3，但能够改变物体内能的功是W3，其中W1、W2、W3功的代数和为液体外力做的功，对应的应该为液体动能的改变量从而看出，同样是功，但形成效果不同，在理解基本概念、基本规律时，要注意将看似相同的物理量放在一起，进行比较和鉴别，从而达到认识事物的本质的目的,二、两类永动机的区别 1第一类永动机：不消耗任何能量，却可以源源不断地对外做功，这种机器称为第一类永动机它所以不能实现，是由于它违反能量转化和守恒定律 2第二类永动机：一种热机，只从单一热源吸收热量，可以全部用来做功，而不引起其他变化，这种热机叫第二类永动机第二类永动机并不违反能量守恒定律，但因机械能可以全部转化为内能，内能却不能全部转化成机械能，同时不引起其他变化，因此第二类永动机也是不能实现即违反了热力学第二定律,【例2】 关于永动机的说法正确的是( ) A第一类永动机和第二类永动机之所以不能制成，是因为都违反了能的转化和守恒定律 B第二类永动机从理论上讲可以制成，只是现代科技不够发达 C第二类永动机不可制成，说明了机械能和内能转化过程有方向性 D第二类永动机符合能量守恒定律，因此是可以制成的 【答案】 C,热力学第二定律的微观解释 一、有序、无序、宏观态、微观态 【例1】 (1)如图所示，把一块洁净的玻璃板吊在橡皮筋的下端，使玻璃板水平地接触水面，如果你想使玻璃板离开水面，必须用比玻璃板重力_的拉力向上拉橡皮筋原因是水分子和玻璃的分子间存在_作用,(2)往一杯清水中滴入一滴红墨水，一段时间后，整杯水都变成了红色这一现象在物理学中称为_现象，是由于分子的_而产生的这一过程是沿着分子热运动的无序性_的方向进行的 【答案】 大 分子引力 扩散 无规则运动(热运动) 增加,二、麦克斯韦速率分布律 【例2】 (2010福建)1859年麦克斯韦从理论上推导出了气体分子速率的分布规律，后来有许多实验验证了这一规律若以横坐标v表示分子速率，纵坐标f(v)表示各速率区间的分子数占总分子数的百分比下面四幅图中能正确表示某一温度下气体分子速率分布规律的是( ),【解析】 各速率区间的分子数占总分子数的百分比不能为负值，A、B选项错误；气体分子速率的分布规律呈现“中间多，两头少”的趋势，速率为0的分子几乎不存在，故C选项错，D选项正确 【答案】 D,【触类旁通】 (2012江苏)密闭在钢瓶中的理想气体，温度升高时压强增大从分子动理论的角度分析，这是由于分子热运动的_增大了该气体在温度T1、T2时的分子速率分布图象如图所示，则T1_(选填“大于”或“小于”)T2.,【解析】 密闭在钢瓶中的理想气体体积不变，温度升高时分子平均动能增大压强增大温度升高时，速率大的分子所占比重较大，T1T2. 【答案】 平均动能 小于,三、熵、熵增原理 【例3】 若一气泡从湖底上升到湖面的过程中温度保持不变，则在此过程中关于气泡中的气体，下列说法正确的是( ) A气体分子间的作用力增大 B气体分子的平均速率增大 C气体分子的平均动能减小 D气体组成的系统地熵增加,【解析】 气泡的上升过程气泡内的压强减小，温度不变，由玻意耳定律知，上升过程中体积增大，微观上体现为分子间距增大，分子间引力减小，温度不变，所以气体分子的平均动能、平均速率不变，此过程为自发过程，故熵增大D项正确 【答案】 D,
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