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第三節(jié)熱力學(xué)定律與能量守恒 第十一章熱學(xué) 一 熱力學(xué)第一定律和能量守恒定律1 改變物體內(nèi)能的兩種方式 1 2 2 熱力學(xué)第一定律 1 內(nèi)容 一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)能增量等于外界向它傳遞的熱量與外界對(duì)它所做的功的和 2 表達(dá)式 U Q W 做功 熱傳遞 3 能的轉(zhuǎn)化和守恒定律 1 內(nèi)容 能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生 也不會(huì)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(gè)物體轉(zhuǎn)移到別的物體 在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過(guò)程中 能量的總量保持不變 2 第一類永動(dòng)機(jī) 違背能量守恒定律的機(jī)器被稱為第一類永動(dòng)機(jī) 它是不可能制成的 1 2014 高考廣東卷 用密封性好 充滿氣體的塑料袋包裹易碎品 如圖所示 充氣袋四周被擠壓時(shí) 假設(shè)袋內(nèi)氣體與外界無(wú)熱交換 則袋內(nèi)氣體 A 體積減小 內(nèi)能增大B 體積減小 壓強(qiáng)減小C 對(duì)外界做負(fù)功 內(nèi)能增大D 對(duì)外界做正功 壓強(qiáng)減小 AC 二 熱力學(xué)第二定律1 常見(jiàn)的兩種表述 1 克勞修斯表述 熱量不能自發(fā)地從 物體傳到 物體 2 開(kāi)爾文表述 不可能從 吸收熱量 使之完全變成功 而不產(chǎn)生其他影響 2 第二類永動(dòng)機(jī) 違背宏觀熱現(xiàn)象方向性的機(jī)器被稱為第二類永動(dòng)機(jī) 這類永動(dòng)機(jī)不違背 但它違背了 也是不可能制成的 低溫 高溫 單一熱庫(kù) 能量守恒定律 熱力學(xué)第二定律 2 對(duì)熱力學(xué)第二定律 下列理解正確的是 A 自然界進(jìn)行的一切宏觀過(guò)程都是可逆的B 自然界進(jìn)行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過(guò)程都具有方向性 是不可逆的C 熱量不可能由低溫物體傳遞到高溫物體D 由熱力學(xué)第二定律可知熱量從低溫物體傳向高溫物體是可能的 從單一熱源吸收熱量 完全變成功也是可能的 BD 考點(diǎn)一對(duì)熱力學(xué)第一定律的理解及應(yīng)用 考點(diǎn)二對(duì)熱力學(xué)第二定律的理解 考點(diǎn)一對(duì)熱力學(xué)第一定律的理解及應(yīng)用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(guò)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 2 對(duì)公式 U Q W符號(hào)的規(guī)定 外界對(duì)物體做功 物體吸收熱量 內(nèi)能增加 物體對(duì)外界做功 物體放出熱量 內(nèi)能減少 3 幾種特殊情況 1 若過(guò)程是絕熱的 則Q 0 W U 外界對(duì)物體做的功等于物體內(nèi)能的增加量 2 若過(guò)程中不做功 即W 0 則Q U 物體吸收的熱量等于物體內(nèi)能的增加量 3 若過(guò)程的始末狀態(tài)物體的內(nèi)能不變 即 U 0 則W Q 0或W Q 外界對(duì)物體做的功等于物體放出的熱量 特別提醒 1 做功與熱傳遞在改變內(nèi)能的效果上是相同的 但是從運(yùn)動(dòng)形式 能量轉(zhuǎn)化的角度上看是不同的 做功是其他形式的運(yùn)動(dòng)和熱運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)化 是其他形式的能與內(nèi)能之間的轉(zhuǎn)化 而熱傳遞則是熱運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)移 是內(nèi)能的轉(zhuǎn)移 2 氣體向真空中膨脹不做功 在如圖所示的坐標(biāo)系中 一定質(zhì)量的某種理想氣體先后發(fā)生以下兩種狀態(tài)變化過(guò)程 第一種變化是從狀態(tài)A到狀態(tài)B 外界對(duì)該氣體做功為6J 第二種變化是從狀態(tài)A到狀態(tài)C 該氣體從外界吸收的熱量為9J 圖線AC的反向延長(zhǎng)線過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)O B C兩狀態(tài)的溫度相同 理想氣體的分子勢(shì)能為零 求 1 從狀態(tài)A到狀態(tài)C的過(guò)程 該氣體對(duì)外界做的功W1和其內(nèi)能的增量 U1 2 從狀態(tài)A到狀態(tài)B的過(guò)程 該氣體內(nèi)能的增量 U2及其從外界吸收的熱量Q2 解析 1 由題意知從狀態(tài)A到狀態(tài)C的過(guò)程 氣體發(fā)生等容變化該氣體對(duì)外界做的功W1 0根據(jù)熱力學(xué)第一定律 U1 W1 Q1內(nèi)能的增量 U1 Q1 9J 2 從狀態(tài)A到狀態(tài)B的過(guò)程 體積減小 溫度升高該氣體內(nèi)能的增量 U2 U1 9J根據(jù)熱力學(xué)第一定律有 U2 W2 Q2從外界吸收的熱量Q2 U2 W2 3J 答案 1 09J 2 9J3J 總結(jié)提升 1 做功看體積 體積增大 氣體對(duì)外做功 W為負(fù) 體積縮小 外界對(duì)氣體做功 W為正 2 與外界絕熱 則不發(fā)生熱傳遞 此時(shí)Q 0 3 由于理想氣體沒(méi)有分子勢(shì)能 所以當(dāng)它的內(nèi)能變化時(shí) 主要體現(xiàn)在分子動(dòng)能的變化上 從宏觀上看就是溫度發(fā)生了變化 1 如圖所示 一定質(zhì)量的理想氣體由狀態(tài)a沿abc變化到狀態(tài)c 吸收了340J的熱量 并對(duì)外做功120J 若該氣體由狀態(tài)a沿adc變化到狀態(tài)c時(shí) 對(duì)外做功40J 則這一過(guò)程中氣體 填 吸收 或 放出 熱量 J 吸收 260 解析 對(duì)該理想氣體由狀態(tài)a沿abc變化到狀態(tài)c 由熱力學(xué)第一定律可得 U Q W 340J 120J 220J 即從a狀態(tài)到c狀態(tài) 理想氣體的內(nèi)能增加了220J 若該氣體由狀態(tài)a沿adc變化到狀態(tài)c時(shí) 對(duì)外做功40J 此過(guò)程理想氣體的內(nèi)能增加還是220J 所以可以判定此過(guò)程是吸收熱量 再根據(jù)熱力學(xué)第一定律可得 U Q W 得Q U W 220J 40J 260J 考點(diǎn)二對(duì)熱力學(xué)第二定律的理解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 的涵義 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 的涵義是發(fā)生的熱力學(xué)宏觀過(guò)程只在本系統(tǒng)內(nèi)完成 對(duì)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 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(guò)程的方向性 進(jìn)而使人們認(rèn)識(shí)到自然界中進(jìn)行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過(guò)程都具有方向性 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)能也可以全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能 如氣體的等溫膨脹過(guò)程 3 兩類永動(dòng)機(jī)的比較 不需要任何動(dòng)力或燃料 卻能不斷地對(duì)外做功的機(jī)器 從單一熱源吸收熱量 使之完全變成功 而不產(chǎn)生其他影響的機(jī)器 違背能量守恒定律 不可能制成 不違背能量守恒定律 但違背熱力學(xué)第二定律 不可能制成 關(guān)于熱力學(xué)定律 下列說(shuō)法正確的是 A 為了增加物體的內(nèi)能 必須對(duì)物體做功或向它傳遞熱量B 對(duì)某物體做功 必定會(huì)使該物體的內(nèi)能增加C 可以從單一熱源吸收熱量 使之完全變?yōu)楣 不可能使熱量從低溫物體傳向高溫物體E 功轉(zhuǎn)變?yōu)闊岬膶?shí)際宏觀過(guò)程是不可逆過(guò)程 ACE 解析 選項(xiàng)A 內(nèi)能的改變可以通過(guò)做功或熱傳遞進(jìn)行 故A正確 選項(xiàng)B 對(duì)某物體做功 物體的內(nèi)能不一定增加 B錯(cuò)誤 選項(xiàng)C 在引起其他變化的情況下 可以從單一熱源吸收熱量 將其全部變?yōu)楣?C正確 選項(xiàng)D 在引起其他變化的情況下 可以使熱量從低溫物體傳向高溫物體 D錯(cuò)誤 選項(xiàng)E 涉及熱現(xiàn)象的宏觀過(guò)程都具有方向性 故E正確 2 2015 廣東汕頭模擬 以下哪個(gè)現(xiàn)象不違背熱力學(xué)第二定律 A 一杯熱茶在打開(kāi)蓋后 茶會(huì)自動(dòng)變得更熱B 沒(méi)有漏氣 沒(méi)有摩擦的理想熱機(jī) 其效率可能是100 C 桶中渾濁的泥水在靜置一段時(shí)間后 泥沙下沉 上面的水變清 泥 水自動(dòng)分離D 熱量自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體解析 茶不會(huì)自發(fā)地變得更熱 選項(xiàng)A錯(cuò)誤 無(wú)論什么樣的熱機(jī) 效率永遠(yuǎn)不會(huì)達(dá)到100 選項(xiàng)B錯(cuò)誤 熱量不會(huì)自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體 選項(xiàng)D錯(cuò)誤 C 方法技巧 氣態(tài)方程與熱力學(xué)第一定律的綜合應(yīng)用 2013 高考山東卷 我國(guó) 蛟龍 號(hào)深海探測(cè)船載人下潛超過(guò)七千米 再創(chuàng)載人深潛新紀(jì)錄 在某次深潛實(shí)驗(yàn)中 蛟龍 號(hào)探測(cè)到990m深處的海水溫度為280K 某同學(xué)利用該數(shù)據(jù)來(lái)研究氣體狀態(tài)隨海水深度的變化 如圖所示 導(dǎo)熱良好的汽缸內(nèi)封閉一定質(zhì)量的氣體 不計(jì)活塞的質(zhì)量和摩擦 汽缸所處海平面的溫度T0 300K 壓強(qiáng)p0 1atm 封閉氣體的體積V0 3m3 如果將該汽缸下潛至990m深處 此過(guò)程中封閉氣體可視為理想氣體 1 求990m深處封閉氣體的體積 1atm相當(dāng)于10m深的海水產(chǎn)生的壓強(qiáng) 2 下潛過(guò)程中封閉氣體 填 吸熱 或 放熱 傳遞的熱量 填 大于 或 小于 外界對(duì)氣體所做的功 審題點(diǎn)睛 1 分析封閉氣體的初 末狀態(tài) 明確氣體狀態(tài)變化遵守的規(guī)律 選用公式列方程求解 2 根據(jù)溫度變化確定內(nèi)能的變化情況 根據(jù)體積的變化 確定做功情況 由熱力學(xué)第一定律確定吸 放熱情況及與做功的關(guān)系 答案 2 8 10 2m3 放熱 大于 3 2014 高考新課標(biāo)全國(guó)卷 一定量的理想氣體從狀態(tài)a開(kāi)始 經(jīng)歷三個(gè)過(guò)程ab bc ca回到原狀態(tài) 其p T圖象如圖所示 下列判斷正確的是 A 過(guò)程ab中氣體一定吸熱B 過(guò)程bc中氣體既不吸熱也不放熱C 過(guò)程ca中外界對(duì)氣體所做的功等于氣體所放的熱D a b和c三個(gè)狀態(tài)中 狀態(tài)a分子的平均動(dòng)能最小E b和c兩個(gè)狀態(tài)中 容器壁單位面積單位時(shí)間內(nèi)受到氣體分子撞擊的次數(shù)不同 ADE 由熱力學(xué)第一定律可知 氣體一定吸收熱量 選項(xiàng)B錯(cuò)誤 過(guò)程ca壓強(qiáng)不變 溫度降低 內(nèi)能減少 體積減小 外界對(duì)氣體做功 由熱力學(xué)第一定律可知 放出的熱量一定大于外界對(duì)氣體做的功 選項(xiàng)C錯(cuò)誤 溫度是分子平均動(dòng)能的標(biāo)志 由p T圖象可知 a狀態(tài)氣體溫度最低 則平均動(dòng)能最小 選項(xiàng)D正確 b c兩狀態(tài)溫度相等 分子平均動(dòng)能相等 由于壓強(qiáng)不相等 所以單位面積單位時(shí)間內(nèi)受到氣體分子撞擊的次數(shù)不同 選項(xiàng)E正確