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1、 选修 3 3 热 学 第 3讲 热力学定律与能量守恒 走进教材 Z O 基 / 础 / 梳 / 理 知识回顾 夯实基础 一、热力学第一定律和能量守恒定律 1 改变物体内能的两种方式及异同点 (1) 做功：对物体做功可以改变物体的内能 (2) 热传递：热传递可以改变物体的内能 (3) 异同点：做功和热传递都能够引起系统内能的改变，改变系统内能的效果相同做功是其他形式的能和内能发生 ，热传递是不同物体 ( 或一个物体的不同部分 ) 之间内能的 转化 转移 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热量与外界对它所做的功的和即当外界既对系统做功又对系统传热时，系统的内能增量 U
2、 . 3 能量守恒定律 能量既不会凭空产生，也不会凭空 ，它只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体 到别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变 W Q 消失 转移 二、热力学第二定律 1 热力学第二定律的表述 (1) 克劳修斯表述 ( 按热传导的方向性表述 ) ：热量不能自发地从低温物体传到高温物体 (2) 开尔文表述 ( 按机械能和内能转化过程的方向性表述 ) ：不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功，而不 引起其他变化 2 热力学过程方向性实例 (1) 高温物体热量 Q 能自发传给热量 Q 不能自发传给低温物体 (2) 功能自发地完全转化为不能自发地且不能完全转化为热
3、(3) 气体体积 2( 较大 ) (4) 不同气体 A 和 B . 3 熵增加原理 在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会 减少 三、能源与环境、能源的开发和应用 1 能量耗散 机械能、电能、化学能等都是集中度较高因而也是 较高的能量，当它们变为环境的内能后，就成为更加分散因而也是 更大的能量，这样的转化过程叫做 有序度 无序度 能量耗散 2 能量品质降低 各种形式的能量向内能的转化，是无序程度较小的状态向无序程度 的状态的转化，是能够自动发生、全额发生的而内能向机械能的转化过程是有条件的，即环境中必须存在着 ，而且内能不能全额转化为机械能因此，从可被利用的价值来看，内能较之机械能、电能等，
4、是一种低品质的能量 较大 温度差 3 节约能源 能量耗散虽然不会使能的总量减少，却会导致能量品质 ，它实际上将能量从高度有用的形式降级为不大可用的形式，故能量虽然不会减少但能源会越来越少，所以要节约能源 降低 解题方法 F A 归 / 纳 / 建 / 模 细研深究 重难突破 1 使用热力学第一定律的关 键是分清各物理量的正负号对于理想气体， W 的正负取决于体积的变化， U 的正负取决于温度的变化 一 热力学第一定律与理想气体状态方程的综合应用 2 公式 U W Q 的符号法则如下表： 正值 负值 U 内能增加 内能减少 Q 吸收热量 放出热量 W 外界对系统做功 系统对外界做功 例 1 20
5、14 课标全国理综 一定量的理想气体从状态 A 开始，经历三个过程 到原状态， 其 p T 图象如图所示下列判 断正确的是 _ ( 填正确答案标号 ) A 过程 气体一定吸热 B 过程 气体既不吸热也不放热 C 过程 外界对气体所做的功等于气体所放的热 D A 、 B 和 C 三个状态中，状态 A 分子的平均动能最小 E B 和 C 两个状态中，容器壁单位面积单位时间内受到气体分子撞击的次数不同 【解析】 由题图可知，过程 ，气体做等容变化，气体温度升高，内能增加；由热力学第一定律可知，气体一定吸热， 程 ，气体做等温变化，气体温度不变，内能不变，由 c 可知，气体压强减小，体积增大，气体对外
6、做功，由热力学第一定律可知，气体从外界吸收热量， B 项错误；过程 ，气体做等压变化，气体温度降低，内能减少，体积减小，外界对气体做功，由热力学第一定律可知，气体放出的热量大于外界对气体做的功， C 项错误； A 、 B 和 C 三个状态中，状态 A 气体的温度最低，分子平均动能最小， D 项正确；气体在状态 B 的压强大于状 态 C 的压强，在状态 B 的体积小于在状态 C 的体积， B 和 C 两个状态的温度相等，因此在状态 B 中容器单位面积单位时间内受到气体分子撞击的次数大于在状态 C 中的撞击次数， E 项正确 【答案】 小试身手 1 如图所示，一定质量的理想气体从状态 A 依次经过
7、状态 B 、C 和 D 后再回到状态 A . 其中， A B 和 C D 为等温过程， B A 为绝热过程 ( 气体与外界无热量交换 ) 这就是著名的 “ 卡诺循环 ” (1) 该循环过程中，下列说法正确的是 _ A A B 过程中，外界对气体做功 B B C 过程中，气体分子的平均动能增大 C C D 过程中，单位时间内碰撞单位面积器壁的分子数增多 D D A 过程中，气体分子的速率分布曲线不发生变化 ( 2) 该循环过程中，内能减小的过程是 _( 选填“ A B ”“ B C ”“ C D ” 或 “ D A ” ) 若气体在 A B 过程中吸收 63 k J 的热量，在 C D 过程中放
8、出 38 k J 的热量，则气体完成一次循环对外做的功为 _k J. 解析 (1) A B 体积增大，气体对外做功， A 错误； B C 体积增大，气体对外做功， W 0 ， Q 0 ， U 0 ， T 增大 ，气体分子平均速率增大， D 错误 (2) 由 (1) 可知， B C 过程内能减小经过一个循环， U 0 ，所以对外做功 W (63 38)k J 2 5 k J. 答案 (1)C (2) B C 25 二 对于热力学第二定律，重点应抓住两种表述的等效性，抓住定律的实质，即自然界中进行的涉及热现象的宏观过程均具有方向性同时要明确，根据热力学第二定律，即使符合能量守恒定律的过程，也未必都
9、能发生，如扩散、热传递、摩擦生热等过程均有不可逆性 ，这里的不可逆性是指要返回到初始状态，必须借助外界的帮助使用能量转化和守恒定律时，只需要知道物理过程的初、末状态的能量和物理过程中的能量转化情况，而不必考虑过程中的细节变化 热力学第二定律与能量守恒 例 2 根据热力学定律，下列说法中正确的是 ( ) A 电冰箱的工作过程表明，热量可以从低温物体向高温物体传递 B 空调机在制冷过程中，从室内吸收的热量少于向室外放出的热量 C 科技的进步可以使内燃机成为单一热源的热机 D 对能源的过度消耗将使自然界的能量不断减少，形成 “ 能源危机 ” 【解析】 在一定条件下，热量可以从低温物体传给高温物体，A
10、 项正确；空调机工作过程中，电流做功产生热，所以向室外放热多，从室内吸热少， B 项正确；根据热力学第二定律可知， C 项错误；对能源的过度消耗会造成可以利用的能量减少，而总的能量是守恒的， D 项错误 【答案】 小试身手 2 如图所示，一演示用的 “ 永动机 ” 转轮由 5 根轻杆和转轴构成，轻杆的末端装有用形状记忆合金制成的叶片轻推转轮后，进入热水的叶片因伸展而 “ 划水 ” ，推动转轮转动离开热水后，叶片形状迅速恢复，转轮因此能较长时间转 动下列说法正确的是 ( ) A 转轮依靠自身惯性转动，不需要消耗外界能量 B 转轮转动所需能量来自形状记忆合金自身 C 转动的叶片不断搅动热水，水温升
11、高 D 叶片在热水中吸收的热量一定大于在空气中释放的热量 解析 通过分析题意可知，转轮之所以能够发生转动，是因为叶片能吸收热量，其内能转化为机械能，不是依靠惯性运动的，其转动的能量来自于热水中的内能， A 、 B 错误；转动的叶片不断搅动热水，需要消耗能量，水温不断降低， C 错误；根据能量守恒定律，叶片在热水中 吸收的能量应等于叶片的机械能与叶片向空气中释放的能量之和，故 D 正确 答案 D 易混 易 错 H 明 / 辨 / 真 / 知 分析错因 突破瓶颈 易错点 不能正确运用气体实验定律和热力学第一定律解题 例 气体温度计结构如图所示玻璃测温泡 A 内充有理 想气体，通过细玻璃管 B 和水
12、银压强计相连开始时 A 处于冰水混合物中，左管 C 中水银面在 O 点处，右管 D 中水银面高出 O 点 14 后将 A 放入待测恒温槽中，上下移动 D ，使 C 中水银面仍在 O 点处，测得 D 中水银面高出 O 点 44 ( 已知外界大气压为 1 个标准大气压， 1 个标准大气压相当于 7 6 g) (1) 求恒温槽的温度 (2) 此过程 A 内气体内能 _( 填 “ 增大 ” 或 “ 减小 ” ) ，气体不对外做功，气体将 _( 填 “ 吸热 ” 或 “ 放热 ” ) 【错因分析】 本题的易错之处有以下几个方面： (1) 玻璃 测温泡 A 在冰水混合物在恒温槽中，左管 C 中水银面都在
13、O 处，不能据此得出 A 内气体是等容变化； (2) 不会根据 C 、 D 两管水银面的高度差计算气体的压强； (3) 不会根据热力学第一定律判断气体的吸、放热情况 【解析】 (1) 设恒温槽的温度为 题意知 273 K A 内气体发生等容变化，根据查理定律得 联立 式，代入数据得 3 64 K( 或 91 ) (2) A 中气体温度升高，内能增大 ( 理想气体只考虑分子 平均动能 ) ，气体不对外做功，由热力学第一定律可得，气体将吸热 【答案】 (1)364 K ( 或 91 ) ( 2) 增大 吸热 【易错总结】 有关气体的问题容易出错的地方有以下几点： (1) 不能正确地分析气体的状态参量，特别是压强参量 (2) 对于多过程的问题不能恰当地选取两个状态列方程 (3) 对于两部分气体不能正确地建立起它们间状态参量的关系 (4) 不能挖掘关键词语的隐含条件，如 “ 绝热 ” 、 “ 导热 ” 、 “ 缓慢 ” 的含义等 (5) 不能根据气体体积的变化判断做功的正负，从而不能应用热力学第一定律正确地求解 . 基础训练 随堂巩固 （点击进入）
