2013年高中物理得分宝典系列 20专题四 第3章 热力学定律与能量守恒

2013年高中物理得分宝典系列 20专题四 第3章 热力学定律与能量守恒内容摘要：

1、改变系统内能的两种方式：做功和热传递做功和热传递都能改变系统的内能，这两种方式是的，都能引起系统内能的改变，但是它们还是有重要区别的。 做功是系统内能与其它形式的能之间发生 ，而热传递只是不同物体（或物体不同部分）之间内能的。 2热力学第一定律：一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的 与外界对它所做的的和。 其数学表达式为：。 热力学第一定律说明了做功和热传递是系统内能改变的量度，没有做功和热传递就不可能实现内能的转化或转移，同时也进一步揭示了能量守恒定律。 3能量守恒定律：能量既不会凭空 ，也不会凭空 ，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其总量不变 2、，这就是能量守恒定律热力学第一定律、机械能守恒定律都是能量守恒定律的具体体现第一类永动机不可能制成， 因为它违背了。 4热力学第二定律的两种表述：（1）克劳修斯表述：热量不能自发地从 物体传递到 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，而不产生。 5第二类永动机不可能制成， 虽然它没有违背了能量守恒定律，但其违背了 定律。 第二类永动机不可能制成，表示尽管机械能可以全部转化为内能，但内能却不能全部转化成机械能而不引起其他变化；机械能和内能的转化过程具有。 自然界中任何宏观过程均具有。 6热力学第二定律的微观意义：一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性 的方向进行。 7熵和 3、系统内能一样都是一个状态函数，仅由系统的状态决定从分子运动论的观点来看，熵是分子热运动无序（混乱）程度的定量量度在绝热过程或孤立系统中，熵是 的，叫做熵 原理。 对于其它情况，系统的熵可能增加，也可能减小。 从微观的角度看，热力学第二定律是一个统计规律：一个孤立系统总是从熵 的状态向熵 的考纲内容 要求 名师解读热力学第一定律 能量守恒定律 热力学第二定律 1本节有 3 个级知识点，本节高考命题比较灵活，即有选择题、填空题，也有简单计算题，考题多与其他知识点综合进行考查。 2本节的三个定律均为重点。 ，而熵值较大代表着较为无序，所以自发的宏观过程总是向无序程度更 的方向发展。 8系统的内能流散到周围环境 4、中，没有办法把这些内能收集起来加以利用，这种现象叫做。 自我校对：1等效；转化；转移 2热量；功； U=W+Q 3产生；消失；转化；转移；能量守恒定律 4低温；高温；其他影响 5热力学第二；方向性；方向性 6增大 7增加；增加；小；大；大 8能量耗散重点突破一、直击考点考点一 热力学第一定律和能量守恒定律1热传递的条件两物体 （或同一物体的不同部分）有温度差，而不是有内能差，热传递的结果是达到热平衡，两物体的温度相等，最终两物体的内能不一定相等。 2物体的内能及内能的变化（1）物体的内能是指物体内所有分子的平均动能和势能之和，在微观上由分子数、分子热运动剧烈程度和相互作用力决定；宏观上体现为物体 5、的温度和体积。 因此，物体的内能是一个状态量。 （2）当物体温度变化时，分子热运动剧烈程度发生改变，分子平均动能变化。 物体体积变化时，分子间距离变化，分子势能发生变化，因此物体的内能变化只由初、末状态决定，与中间过程及引起变化的方式无关。 3做功与热传递的本质区别做功和热传递在改变物体内能上是等效的，但是有着本质的区别。 （1） “等效”的意义可以理解为：在改变物体的内能上可以起到同样的效果，即要使物体改变同样的内能，通过做功或者热传递都可以实现，若不知道过程，我们无法分辨出是做功还是热传递实现的这种改变。 （2）做功和热传递的本质区别从运动形式上看：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 6、传递则是通过分子之间的相互作用，使不同物体间分子热运动变化，是内能的转移。 从能量的角度看：做功是其他形式的能向内能的转化；热传递是内能之间的转移前者能的性质发生了变化，后者能的性质不变。 4热力学第一定律表达式中各量的符号取法符号意义物理量 U 物体内能增加 物体内能减少Q 物体从外界吸收热量 物体向外界放出热量对能量守恒定律的理解（1）某种形式的能减少，一定有其他形式的能增加，且减少量与增加量相等。 （2）某个物体能量减少，一定存在其他物体能量增加，且减少量和增加量一定相等。 （3）在利用能量转化与守恒定律解题时，要注意先搞清过程中有几种形式的能在转化或转移，分析初、末状态，确定 E 增 、E 减 7、 各为多少，再由 E 增 E 减 列式计算。 【例 1】 （2012 江西）关于物体的内能变化，以下说法中正确的是（ ）A物体吸收热量，内能一定增大B物体对外做功，内能一定减小C物体吸收热量，同时对外做功，内能可能不变D物体放出热量，同时对外做功，内能可能不变【例 2】 （2012 河北唐山）如图所示，一长为 L、内横截面积为 S 的绝热气缸固定在水平地面上，气缸内用一质量为 M 的绝热活塞封闭了一定质量的理想气体，幵始时活塞用销钉固定在气缸正中央，气缸内被封闭气体压强为 p，外界大气压为 p0（p。 现释放活塞，测得活塞被缸内气体推到缸口时的速度为 v。 求：（1）此过程克服大气压力所做的功；（ 8、2）活塞从释放到将要离开缸口，缸内气体内能改变了多少。 【解析】 （1）设大气作用在活塞上的压力为 F，则F=得克服大气压力所做的功大小为 （2）设活塞离开气缸时动能为 1据能量守恒定律得，可得缸内气体内能改变量为 )(20【答案】【点评】本题由于是绝热过程，减少的气体内能转化成两部分，一部分是克服大气压力所做功，另一部分转化为活塞的动能。 【例 3】 （ 2012 山西）若一个空的教室地面面积为 15 3m，该房间空气温度为27。 （已知大气压 10 5 1）求该房间的空气在标准状况下所占的体积 V；（2）已知空气的平均摩尔质量是 M0 2 kg/房间内空气的质量；（3）设想该房间的空气从 2 9、7 等压降温到 0 ，由 Wp 0V 计算外界对这些空气做的功为多少。 若同时这些空气放出热量 5105J，求这些空气的内能变化了多少。 （3）外界对这些空气做功大小为 Wp 0VP 0（V 1V）410 5J 由 热力学第一定律得U QW 510 5J +4105J110 5J U 为负，表示内能减少了 1105J 【答案】 （1）41m 3 （2）52 （3）410 5 J ；110 5 J 【点评】在应用热力学第一定律公式 UQW 进行定量计算时，要注意公式中各物理量的正负号规则。 考点二 两类永动机、热力学定律的理解1两类永动机的比较第一类永动机 第二类永动机，全部用来对外做功而不引起其他变 10、化的机器违背能量守恒，不可能实现 不违背能量守恒，但违背热力学第二定律，不可能实现2热力学过程方向性实例提 示：在有外界影响的条件下，热量 可以从低温物体传到高温物体， 如电冰箱；在引起其他变化的条件下，内能可以全部转化为机械能，如气体的等温膨胀过程。 3热力学第一定律和热力学第二定律的关系热力学第一定律是和热现象有关的物理过程中能量守恒的特殊表达形式及热量与内能改变的定量关系。 第二定律指出了能量转化与守恒能否实现的条件和过程进行的方向，指出了一切变化过程的自然发展是不可逆的，除非靠外界影响。 所以二者相互联系，又相互补充。 【例 4】根据热力学第二定律，下列判断正确的是（ ）A电流的能不可能全部变 11、为内能B在火力发电机中，燃气的内能不可能全部变为电能C热机中，燃气内能不可能全部变为机械能D在热传导中，热量可以从低温物体传递给高温度物体【解析】根据热力学第二定律可知，凡与热现象有关的宏观过程都具有方向性电流的能可全部变为内能（由电流热效应中的焦耳定律可知） ，而内能不可能全部变成电能，选项 A 错误、选项 B 正确；机械能可全部变为内能，而内能不可能全部变成机械能，选项 热传导中，热量只能自发地从高温物体传递给低温物体，但可以从低温物体传递给高温物体，这时要引起其他变化，选项 D 正确。 【答案】评】热力学第二定律的两种表述是等价的，一是热量不能自发地从低温物体传递到高温物体；二是不可能从单 12、一热库吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响。 【例 5】下列说法正确的是第一类永动机不能制成，是因为违反了能量守恒定律B第二类永动机不能制成，是因为违反了能量守恒定律C满足能量守恒的物理过程都能自发进行D利用浅层海水和深层海水间的温度差制造出一种热机，将海水的一部分内能转化为机械能，这在原理上是可行的二、走出误区误区一 误认为能量守恒与节约能源相矛盾自 然 界 中 的 总 能 量 虽 然 是 守 恒 的 ， 但 有 的 能 源 便 于 利 用 ， 有 的 不 便 于 利 用 ， 存 在 能 量 耗散 ， 因 此 要 节 约 能 源 【例 1】下列说法中正确的有 （ ） A第二类永动机和第一 13、类永动机一样，都违背了能量守恒定律，因此不可能制成B技术再先进，热机的效率也达不到 100%C因为能量守恒，所以“能源危机 ”是不可能真正出现的D自 然 界 中 的 能 量 是 守 恒 的 ， 因 此 没 必 要 节 约 能 源错 解 ： ： 在 于 对 人 类 可 利 用 的 能 源 与 能 量 守 恒 理 解 有 误。 正 解 ： ： 第二类永动机违背的是热力学第二定律，选项 A 错误；由热力学第二定律知选项 B 正确； 自 然 界 中 的 总 能 量 虽 然 是 守 恒 的 ， 但 现 阶 段 人 类 可 利 用 的 能 源 是 有 限 的 ， 因 此 要节 约 能 源 ， 选 项 C、 D 错 误。 误区二 误认为热量不能从低温物体传到高温物体热力学第二定律告诉我们热量不能自发地从低温物体传递到高温物体而不引起其他变化，但可以在引起其他变化的情况下使热量从低温物体传到高温物体，如电冰箱、空调等【例 2】 （2012 山西太原）下列说法中正确的是（ ）A液体中悬浮微粒的布朗运动就是液体分子的无规则热运动B物体的温度越高，分子热运动越剧烈，分子的平均动能就越大密封在体积不变的容器中的气体，温度升高，气体分子对器壁单位面积上的平均作用力增大D根据热力学第二定律可。