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第3課時 熱力學(xué)定律,【導(dǎo)學(xué)目標(biāo)】 1.理解熱力學(xué)第一定律，能運(yùn)用其解釋自然界能量的轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)移問題.2.了解熱力學(xué)第二定律，能運(yùn)用其解釋第二類永動機(jī)不能制成的原因以及自然界能量轉(zhuǎn)移、轉(zhuǎn)化的方向性問題．,一、熱力學(xué)第一定律與能量守恒定律 [基礎(chǔ)導(dǎo)引] 1．用活塞壓縮汽缸里的空氣，對空氣做了900 J的功，同時汽缸向外散熱210 J，汽缸里空氣的內(nèi)能改變了多少？ 【答案】內(nèi)能增加了690 J 【解析】活塞對空氣做900 J的功，即W＝900 J，汽缸向外散熱210 J，即Q＝－210 J，根據(jù)熱力學(xué)第一定律：ΔU＝W＋Q＝900 J＋(－210 J)＝690 J，即內(nèi)能增加了690 J.,2．如圖1，在汽缸內(nèi)活塞左邊封閉著一定量的空氣，壓強(qiáng)和大氣壓相同．把汽缸和活塞固定，使汽缸內(nèi)空氣升高一定的溫度，空氣吸收的熱量為Q1.如果讓活塞可以自由滑動(活塞與汽缸間無摩擦、無漏氣)，也使汽缸內(nèi)空氣溫度升高相同溫度，其吸收的熱量為Q2.Q1和Q2哪個大些？ 圖1,,【答案】Q2Q1 【解析】活塞固定時，缸內(nèi)氣體的體積不變，沒有做功過程發(fā)生，空氣吸收的熱量Q1全部用于增加氣體的內(nèi)能，即有Q1＝ΔU1；活塞不固定時，溫度升高，氣體再次達(dá)到平衡時，氣體壓強(qiáng)仍等于大氣壓，所以氣體體積增大，氣體對外做功．由于溫度升高相同的值，內(nèi)能的增加量與前一過程相同，也為Q1.根據(jù)熱力學(xué)第一定律ΔU＝W＋Q2，由于WQ1.,[知識梳理] 1．物體內(nèi)能的改變 (1)________是其他形式的能與內(nèi)能的相互轉(zhuǎn)化過程，內(nèi)能的改變量可用________的數(shù)值來量度． (2)________是物體間內(nèi)能的轉(zhuǎn)移過程，內(nèi)能轉(zhuǎn)移量用________來量度． 2．熱力學(xué)第一定律 (1)內(nèi)容：一個熱力學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)能增量等于外界向它____________與外界對它所________的和． (2)表達(dá)式：ΔU＝________.,做功,做功,熱傳遞,熱量,傳遞的熱量,做的功,Q＋W,3．能量守恒定律 (1)內(nèi)容：能量既不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或者從一個物體轉(zhuǎn)移到別的物體，在轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的過程中其總量不變，這就是能量守恒定律． (2)任何違背能量守恒定律的過程都是不可能的，不消耗能量而對外做功的第一類永動機(jī)是不可能制成的．,【答案】做功和熱傳遞都可以改變物體的內(nèi)能，做功和熱傳遞對改變物體的內(nèi)能是等效的．但是功和熱量都不是能量的一種形式，功是能量轉(zhuǎn)化的量度，熱量是在熱傳遞過程中內(nèi)能轉(zhuǎn)移多少的量度．功和熱量都是過程量，只有在能量轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移過程中表現(xiàn)出來．,二、熱力學(xué)第二定律 [基礎(chǔ)導(dǎo)引] 以下哪些現(xiàn)象能夠發(fā)生？哪些不能發(fā)生？不能夠發(fā)生的現(xiàn)象是否違背熱力學(xué)第二定律？ A．一杯熱茶在打開杯蓋后，茶會自動變得更熱． B．蒸汽機(jī)把蒸汽的內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化成機(jī)械能． C．桶中混濁的泥水在靜置一段時間后，泥沙下沉，上面的水變清，泥、水自動分離． D．電冰箱通電后把箱內(nèi)低溫物體的熱量傳到箱外高溫物體．,【答案】見解析 【解析】A.不可能．因?yàn)槭恰白詣印边^程，所以茶變熱時的內(nèi)能增量只能來源于周圍環(huán)境，即周圍環(huán)境中的熱量會自動地收集到茶中，違背熱力學(xué)第二定律，所以這是不可能發(fā)生的現(xiàn)象． B．不可能．蒸汽的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能必定需要做功，即熱蒸汽推動活塞做功．這一過程中，一方面由于活塞摩擦汽缸而產(chǎn)生熱能，另一方面熱蒸汽與周圍環(huán)境存在溫度差，蒸汽機(jī)會向周圍環(huán)境散熱．所以，蒸汽機(jī)把蒸汽的內(nèi)能全都轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，違背熱力學(xué)第二定律，是不可能的．,C．可能．渾水變清，泥沙下沉，重心下降，總的重力勢能減少，最終轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，而機(jī)械能百分百轉(zhuǎn)化成內(nèi)能是可能的． D．可能．冰箱通電后，消耗電能，將箱內(nèi)低溫物體的熱量傳到箱外．,[知識梳理] 1．兩種表述 (1)第一種表述：熱量不能自動地從________物體傳遞到________物體(克勞修斯表述)． (2)第二種表述：不可能從單一熱源吸收熱量并把它全部用來做功，而不引起其他變化(開爾文表述)． 2．第二類永動機(jī)是指設(shè)想只從單一熱源吸收熱量，使之完全變?yōu)橛杏玫墓Χ灰鹌渌兓臒釞C(jī)．這類永動機(jī)不可能制成的原因是違反了________________．,低溫,高溫,熱力學(xué)第二定律,【考點(diǎn)解讀】 1．熱力學(xué)第一定律不僅反映了做功和熱傳遞這兩種方式改變內(nèi)能的過程是等效的，而且給出了內(nèi)能的變化量和做功與熱傳遞之間的定量關(guān)系．,考點(diǎn)一 對熱力學(xué)第一定律的理解與應(yīng)用,3.幾種特殊情況 (1)若過程是絕熱的，則Q＝0，W＝ΔU，外界對物體做的功等于物體內(nèi)能的增加量． (2)若過程中不做功，即W＝0，則Q＝ΔU，物體吸收的熱量等于物體內(nèi)能的增加量． (3)若過程的始末狀態(tài)物體的內(nèi)能不變，即ΔU＝0，則W＋Q＝0或W＝－Q.外界對物體做的功等于物體放出的熱量．,【典例剖析】 例1 在溫度均勻的液體中，一個小氣泡由液體的底層緩慢地升到液面，上升過程中氣泡的體積不斷地增大，如將泡內(nèi)氣體看作理想氣體，則氣泡在浮起的過程中( ) A．放出熱量 B．吸收熱量 C．不吸熱也不放熱 D．無法判斷,解析 本題選擇氣泡為研究對象．一定質(zhì)量的理想氣體，其內(nèi)能由溫度決定．在溫度均勻的液體中，一個小氣泡由液體的底層緩慢地升到液面的過程中，小氣泡溫度不變，其內(nèi)能增量ΔU＝0.上升過程中，由于氣泡內(nèi)的壓強(qiáng)不斷減小(氣泡內(nèi)的壓強(qiáng)等于上部液體產(chǎn)生的壓強(qiáng)與外界大氣壓之和)，所以氣泡體積不斷增大，氣體要對外做功，即W0.所以氣泡在浮起過程中，吸收熱量．選項(xiàng)B正確． 答案 B,方法提煉 解決有關(guān)熱力學(xué)第一定律問題的思路：分析題干確定內(nèi)能改變的方式(Q、W)→判斷W、Q的符號→代入公式ΔU＝Q＋W→得出結(jié)論．,跟蹤訓(xùn)練1 如圖2是壓力保溫瓶的結(jié)構(gòu)簡圖，活塞a與液面之間封閉了一定質(zhì)量的氣體．假設(shè)封閉氣體為理想氣體且與外界沒有熱交換，則向下壓a的過程中，瓶內(nèi)氣體( ) 圖2 A．內(nèi)能增大 B．體積增大 C．壓強(qiáng)不變 D．溫度不變,,【答案】A 【解析】本題考查理想氣體的狀態(tài)方程、熱力學(xué)第一定律，意在考查考生對理想氣體的狀態(tài)方程及熱力學(xué)第一定律的理解． 活塞向下壓，外界對氣體做功，氣體又與外界沒有熱交換，由熱力學(xué)第一定律知?dú)怏w內(nèi)能增大，溫度升高，A對、D錯．活塞向下壓，氣體體積減小，壓強(qiáng)增大，B、C錯．,【考點(diǎn)解讀】 1．在熱力學(xué)第二定律的表述中，“自發(fā)地”“不產(chǎn)生其他影響”的含義． (1)“自發(fā)地”指明了熱傳遞等熱力學(xué)宏觀現(xiàn)象的方向性，不需要借助外界提供能量的幫助． (2)“不產(chǎn)生其他影響”的含義是發(fā)生的熱力學(xué)宏觀過程只在本系統(tǒng)內(nèi)完成，對周圍環(huán)境不產(chǎn)生熱力學(xué)方面的影響．如吸熱、放熱、做功等．,考點(diǎn)二 對熱力學(xué)第二定律的理解,2．熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì) 熱力學(xué)第二定律的每一種表述，都揭示了大量分子參與宏觀過程的方向性，進(jìn)而使人們認(rèn)識到自然界中進(jìn)行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性． 3．熱力學(xué)過程方向性實(shí)例：,特別提醒 熱量不可能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體，但在有外界影響的條件下，熱量可以從低溫物體傳到高溫物體，如電冰箱；在引起其他變化的條件下內(nèi)能可以全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，如氣體的等溫膨脹過程．,4．兩類永動機(jī)的比較,【典例剖析】 例2 根據(jù)熱力學(xué)第二定律，下列說法中正確的是( ) A．熱量能夠從高溫物體傳到低溫物體，但不能從低溫物體傳到高溫物體 B．熱量能夠從高溫物體傳到低溫物體，也可能從低溫物體傳到高溫物體 C．機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，但內(nèi)能不可能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能 D．機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，內(nèi)能也可能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,解析 根據(jù)熱傳遞的規(guī)律可知熱量能夠從高溫物體傳到低溫物體；當(dāng)外界對系統(tǒng)做功時，可以使系統(tǒng)從低溫物體吸取熱量傳到高溫物體上去，制冷機(jī)(如冰箱和空調(diào))就是這樣的裝置．但是熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體．選項(xiàng)A錯誤、B正確．一個運(yùn)動的物體，克服摩擦阻力做功，最終停止，在這個過程中機(jī)械能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能．外界條件發(fā)生變化時，內(nèi)能也可以全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，如在等溫膨脹過程中，系統(tǒng)吸收的熱量全部轉(zhuǎn)化為對外界做的功，選項(xiàng)C錯誤、D正確．綜上所述，該題的正確答案是B、D. 答案 BD,跟蹤訓(xùn)練2 關(guān)于第二類永動機(jī)，下列說法正確的是( ) A．能將從單一熱源吸收的熱量全部用來做功，而不引起其他變化的熱機(jī)叫作第二類永動機(jī) B．第二類永動機(jī)違反了能量守恒定律，所以不可能制成 C．第二類永動機(jī)不可能制成，說明機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，內(nèi)能卻不可能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能 D．第二類永動機(jī)不可能制成，說明機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，內(nèi)能卻不可能在不引起其他變化的同時全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,【答案】AD 【解析】根據(jù)第二類永動機(jī)的定義可知A正確．第二類永動機(jī)不違反能量守恒定律，而是違反熱力學(xué)第二定律，所以B錯誤．機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，內(nèi)能在引起其他變化時可能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，C錯誤、D正確．,例3 (1)下列說法正確的是________． A．由阿伏加德羅常數(shù)、氣體的摩爾質(zhì)量和密度，可以估算該種氣體分子的大小 B．懸浮在液體中的固體微粒越小，布朗運(yùn)動就越明顯 C．分子間的引力隨分子間距離的增大而增大，分子間斥力隨分子間距離的增大而減小 D．根據(jù)熱力學(xué)第二定律可知，熱量不可能從低溫物體傳到高溫物體,14.熱力學(xué)定律與理想氣體模型,(2)如圖3所示，汽缸內(nèi)封閉一定質(zhì)量的某種理想氣體，活塞通過滑輪和一重物連接并保持平衡，已知活塞距缸口0.2 m，活塞面積10 cm2，大氣壓強(qiáng)1.0105 Pa，物重50 N，活塞質(zhì)量及一切摩擦不計(jì)，緩慢升高環(huán)境溫度，使活塞剛好升到缸口，封閉氣體吸收了60 J的熱量，則封閉氣體的壓強(qiáng)將______(填“增加”“減小”或“不變”)，氣體內(nèi)能變化量為____ J. 圖3,,答案 (1)B (2)不變 50,方法提煉 運(yùn)用熱力學(xué)第一定律確定氣體內(nèi)能的變化，既要分析做功又要分析熱傳遞．一般情況下，我們可以根據(jù)氣體體積膨脹還是壓縮來確定氣體對外界做功還是外界對氣體做功，而體積變化往往要根據(jù)狀態(tài)參量之間的關(guān)系來確定．吸熱、放熱則不能根據(jù)溫度的變化來確定．對于理想氣體，可以直接根據(jù)溫度的變化來確定內(nèi)能的變化．吸、放熱不能直接確定時，則要放在最后，根據(jù)熱力學(xué)第一定律來確定．必須指出的是，一般來說系統(tǒng)對外界做功，表現(xiàn)出系統(tǒng)體積膨脹；外界對系統(tǒng)做功，系統(tǒng)體積則被壓縮．但在某些特定條件下，例如氣體自由膨脹(外界為真空)時，氣體就沒有克服外力做功．另外，在判斷內(nèi)能變化時，還必須結(jié)合物態(tài)變化以及能的轉(zhuǎn)化與守恒來進(jìn)行．,跟蹤訓(xùn)練3 (2013深圳一模)如圖4所示，一定質(zhì)量的理想氣體由a狀態(tài)變化到b狀態(tài)，則此過程中( ) A．氣體的溫度升高 B．氣體對外放熱 C．外界對氣體做功 D．氣體分子間平均距離變小 【答案】A,【解析】本題考查了理想氣體的性質(zhì)，意在考查學(xué)生對熱力學(xué)第一定律與蓋呂薩克定律的理解和應(yīng)用． 理想氣體由a狀態(tài)變化到b狀態(tài)，由蓋呂薩克定律，體積增大，溫度升高，氣體分子間平均距離變大，則選項(xiàng)A正確，D錯誤；體積增大，對外做功，內(nèi)能增大，由熱力學(xué)第一定律，W＋Q＝ΔU，氣體吸熱，則選項(xiàng)B、C錯誤．,