高中物理第十章热力学定律教案新人教版选修33.docx

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高中物理第十章热力学定律教案新人教版选修33

第十章热力学定律

目录

第十章热力学定律1

功和内能热和内能1

考点一、功和内能关系的理解2

考点二、热和内能4

热力学第一定律　能量守恒定律8

考点一、热力学第一定律8

二、能量守恒定律10

考点三、气体实验定律和热力学第一定律的综合应用12

热力学第二定律16

考点一、宏观过程的方向性16

考点二、热力学第二定律的两种表述和热机18

热力学第二定律的微观解释能源和可持续发展22

考点一、热力学第二定律的微观意义22

考点二、熵24

考点三、能源和可持续发展25

专题提升28

第十章热力学定律

●功和内能热和内能

[目标定位]　1.知道做功可以改变物体的内能.2.知道热传递与内能变化的关系.3.知道热传递和做功对改变物体内能的等效结果．

考点一、功和内能关系的理解

1．内能

（1）微观：

所有分子的动能和势能之和．

（2）宏观：

只依赖于热力学系统自身状态的物理量．

（3）状态量．

2．功和内能变化的关系

做功可以改变系统的内能，功是系统内能转化的量度，在绝热过程中：

（1）外界对系统做功，系统内能增加，即ΔU＝U2－U1＝W；

（2）系统对外界做功，系统内能减少，即W＝ΔU.

3．内能与机械能的区别和联系

（1）区别：

内能与机械能是两个不同的概念．

（2）联系：

在一定条件下可以相互转化，且总量保持不变．

例1

　如图1所示，活塞将汽缸分成甲、乙两气室，汽缸、活塞（连同拉杆）是绝热的，且不漏气，以E甲、E乙分别表示甲、乙两气室中气体的内能，则在将拉杆缓慢向外拉的过程中（　　）

图1

A．E甲不变，E乙减小B．E甲不变，E乙增大

C．E甲增大，E乙不变D．E甲增大，E乙减小

答案　D

解析　本题解题的关键是明确甲、乙两气室气体都经历绝热过程，内能的改变取决了做功的情况，对甲室内的气体，在拉杆缓慢向外拉的过程中，活塞左移，压缩气体，外界对甲室气体做功，其内能应增大，对乙室内的气体，活塞左移，气体膨胀，气体对外界做功，内能就减小，故D选项正确．

借题发挥　

（1）压缩气体，外界对气体做功，内能增大，温度升高，柴油机就是利用这个原理点火的．

（2）在绝热过程中，末态内能大于初态内能时，ΔU为正，W为正，外界对系统做功．末态内能小于初态内能时，ΔU为负，W为负，系统对外界做功．

例2

　下列关于系统的内能的说法正确的是（　　）

A．系统的内能是由系统的状态决定的

B．分子动理论中引入的系统内能和热力学中引入的系统内能是一致的

C．做功可以改变系统的内能，但单纯地对系统传热不能改变系统的内能

D．气体在大气中绝热膨胀时对外做了功，但气体的内能不变

答案　AB

解析　系统的内能是一个只依赖于系统自身状态的物理量，所以是由系统的状态决定的，A对；正因为内能是由系统的状态决定的，所以分子动理论中引入的内能和热力学中引入的内能是一致的，B对；做功和热传递都可以改变系统的内能，C错；气体绝热膨胀时对外界做了功，又因为与外界没有热交换，所以系统的内能要减小，故D错．

题组一　做功与内能的变化

1．用下述方法改变物体的内能，属于做功的方式是（　　）

A．用锤子打铁时，铁块发热

B．用磨刀石磨刀时，刀发热

C．双手互搓，手发热

D．用天然气烧水

答案　ABC

解析　A、B、C中的过程都是力对系统（铁块、刀、手）做功，内能增加和温度升高的过程．而D中用天然气烧水则是通过热传导和热对流来实现水温升高的．

2．在给自行车轮胎打气时，会发现胎内空气温度升高，这是因为（　　）

A．胎内气体压强不断增大，而容积不变

B．轮胎从外界吸热

C．外界空气温度本来就高于胎内气体温度

D．打气时，外界不断地对胎内气体做功

答案　D

解析　给自行车轮胎打气，人对胎内气体做功，气体内能增加，所以温度升高．

3．一定质量的气体封闭在绝热的汽缸内，当用活塞压缩气体时，一定增大的物理量有（不计气体分子势能）（　　）

A．气体体积B．气体分子密度

C．气体内能D．气体分子的平均动能

答案　BCD

解析　绝热过程外力对系统做功，内能增加，温度升高，分子平均动能增加．

4．如图1所示为某种椅子与其升降部分的结构示意图，M、N两筒间密闭了一定质量的气体，M可沿N的内壁上下滑动．设筒内气体不与外界发生热交换，在M向下滑动的过程中（　　）

图1

A．外界对气体做功，气体内能增大

B．外界对气体做功，气体内能减小

C．气体对外界做功，气体内能增大

D．气体对外界做功，气体内能减小

答案　A

解析　因为M、N内被封气体体积减小，所以外界对气体做功，又因气体与外界没有热交换即绝热过程，所以ΔU＝W，且ΔU>0，气体内能增加，A正确．

5．如图2所示，绝热容器中间用隔板隔开，左侧装有气体，右侧为真空．现将隔板抽掉，让左侧气体自由膨胀到右侧直至平衡，在此过程中（　　）

图2

A．气体对外界做功，温度降低，内能减少

B．气体对外界做功，温度不变，内能不变

C．气体不做功，温度不变，内能不变

D．气体不做功，温度不变，内能减少

答案　C

解析　气体向真空膨胀，不做功；此为绝热容器，无热传递，Q＝0.

6．在下述各种现象中，不是由做功引起系统温度变化的是（　　）

A．在阳光照射下，水的温度升高

B．用铁锤不断锤打铅块，铅块温度会升高

C．在炉火上烧水，水的温度升高

D．电视机工作一段时间，其内部元件温度升高

答案　AC

解析　阳光照射下水温升高是热辐射使水的温度升高，在炉火上烧水是热传导和对流使水的温度升高，用铁锤锤打铅块的过程，是做功的过程，铅块温度升高，是由于外界做功引起的．电视机工作时，电流通过各元件，电流做功使其温度升高．可见A、C不是由做功引起温度变化的，故选A、C.

7．一定质量的气体经历一缓慢的绝热膨胀过程．设气体分子间的势能可忽略，则在此过程中（　　）

A．外界对气体做功，气体分子的平均动能增加

B．外界对气体做功，气体分子的平均动能减少

C．气体对外界做功，气体分子的平均动能增加

D．气体对外界做功，气体分子的平均动能减少

答案　D

解析　绝热膨胀过程是指气体膨胀过程未发生热传递，膨胀过程气体体积增大，气体对外界做功W＜0.由ΔU＝U2－U1＝W可知，气体内能减小．由于气体分子间的势能忽略，故气体分子的平均动能减少．

考点二、热和内能

1．传热和内能变化的关系

系统在单纯传热过程中，内能的增量ΔU等于外界向系统传递的热量Q，即ΔU＝Q.

2．区分三组概念

（1）内能与热量：

内能是状态量，可以说系统具有多少内能而不能说传递多少内能；热量是过程量，不能说系统具有多少热量，只能说传递了多少热量．

（2）热量与温度

热量是系统的内能变化的量度，而温度是系统内部大量分子做无规则运动的激烈程度的标志．虽然热传递的前提是两个系统之间要有温度差，但是传递的是能量，不是温度．

（3）热量与功

热量和功，都是系统内能变化的量度，都是过程量，一定量的热量与一定量的功相当，功是能量变化的量度，但它们之间有着本质的区别．

例3

　一铜块和一铁块，质量相等，铜块的温度T1比铁块的温度T2高，当它们接触在一起时，如果不和外界交换能量，则（　　）

A．从两者开始接触到热平衡的整个过程中，铜块内能的减少量等于铁块内能的增加量

B．在两者达到热平衡以前的任意一段时间内，铜块内能减少量不等于铁块内能的增加量

C．达到热平衡时，铜块的温度T＝

D．达到热平衡时，两者的温度相等

答案　AD

解析　一个系统在热交换的过程中，如果不与外界发生热交换，温度高的物体放出的热量等于温度低的物体吸收的热量，直到温度相等，不再发生热交换为止，而热量是热传递过程中内能的变化量，所以选项A、D都正确，选项B错误；根据热平衡方程c铜m（T1－T）＝c铁m（T－T2），解得T＝

，由此可知选项C是错误的．

例4

　若对物体做1200J的功，可使物体温度升高3℃，改用传热的方式，使物体温度同样升高3℃，那么物体应吸收________J的热量，如果对该物体做3000J的功，物体的温度升高5℃，表明该过程中，物体应________（填“吸收”或“放出”）热量________J.

答案　1200　放出　1000

解析　做功和传热在改变物体内能上是等效的，因此物体用做功方式使温度升高3℃，如用吸热方式，也使温度升高3℃应吸收1200J的热量．

如对物体做功3000J，温度升高5℃，而物体温度升高5℃，需要的功或热量应为ΔE.

1200J＝cm×3℃，ΔE＝cm×5℃，所以ΔE＝2000J.

Q＝ΔE－W＝－1000J，因此物体应放出1000J的热量．

题组二　传热与内能的变化

1．下列关于内能与热量的说法中，正确的是（　　）

A．马铃薯所含热量高

B．内能越大的物体热量也越多

C．热量自发地从内能大的物体流向内能小的物体

D．热量自发地从温度高的物体流向温度低的物体

答案　D

解析　选项A是一种很常见的说法，但从物理学的角度来看，却有不妥，热量是过程量，不是状态量，不能像内能那样蕴含在物体中，选项A错；说法B与说法A存在相同的错误，此外，物体的内能与热量之间，在数量上没有必然联系，选项B错；两物体之间热量的流向只与它们的温度有关，与它们的内能无关，选项C错．

2．在一个完全真空的绝热容器中放入两个物体，它们之间没有发生热传递，这是因为（　　）

A．两物体没有接触

B．两物体的温度相同

C．真空容器不能发生热对流

D．两物体具有相同的内能

答案　B

解析　发生热传递的条件是有温度差，而与物体内能的多少、是否接触周围的环境（是否真空）无关，故选项B正确，A、C、D错误．

题组三　综合应用

1．如图3所示，A、B是两个完全相同的球，分别浸没在水和水银的同一深度处，A、B两球用同一种材料制成，当温度稍微升高时，球的体积会明显变大，如果开始水和水银的温度相同，且两液体温度同时缓慢升高到同一值，两球膨胀后，体积相等，则（　　）

图3

A．A球吸收的热量较多

B．B球吸收的热量较多

C．两球吸收的热量一样多

D．无法确定

答案　B

解析　A、B两球升高同样的温度，体积变化又相同，则二者内能的变化相同，而B球是处在水银中的，B球膨胀时受到的压力大，对外做功多，因此B球吸收热量较多一些．

2．在外界不做功的情况下，物体的内能增加了50J，下列说法中正确的是（　　）

A．一定是物体放出了50J的热量

B．一定是物体吸收了50J的热量

C．一定是物体分子动能增加了50J

D．物体的分子平均动能可能不变

答案　BD

解析　在外界不做功的情况下，内能的改变量等于传递的热量，内能增加，一定是吸收了相等能量的热量，故A错，B对；物体内能包括所有分子的动能和势能，内能由分子数、分子平均动能、分子势能共同决定，所以内能增加了50J并不一定是分子动能增加了50J．物体的分子平均动能有可能不变，这时吸收的50J热量全部用来增加分子势能．

3．如图4所示的容器中，A、B中各有一个可自由移动的活塞，活塞下面是水，上面是大气，大气压恒定，A、B的底部由带阀门K的管道相连，整个装置与外界绝热．打开阀门前，A中水面比B中水面高，打开阀门后，A中的水逐渐向B中流，最后达到同一高度，在这个过程中（　　）

图4

A．大气压力对水做功，水的内能增加

B．水克服大气压力做功，水的内能减少

C．大气压力对水不做功，水的内能不变

D．大气压力对水不做功，水的内能增加

答案　D

解析　打开阀门K稳定后，容器A、B中的水面相平，相当于图中画斜线部分的水从A移到B，这部分水的重力势能减少了，即重力对水做了功，同时大气压力对A容器中的水做正功为p0SAhA，对B容器中的水做负功为p0SBhB，因为两部分水的体积相等，所以大气压力对水做的总功为零．由于容器绝热，系统与外界之间没有热交换，而重力对系统做正功，故水的内能增加．

4．某同学做了一个小实验；先把空的烧瓶放入冰箱冷冻，一小时后取出烧瓶，并迅速把一个气球紧密地套在瓶颈上，然后将烧瓶放进盛满热水的烧杯里，气球逐渐膨胀起来，如图5所示．这是因为烧瓶里的气体吸收了水的____________，温度____________，体积________．

图5

（2）若只对一定质量的理想气体做1500J的功，可使其温度升高5K．若改成只用热传递的方式，使气体温度同样升高5K，那么气体吸收________J的热量．如果对该气体做了2000J的功，使其温度升高了5K，表明在该过程中，气体还________（选填“吸收”或“放出”）热量________J.

答案　

（1）热量　升高　增大　

（2）1500　放出　500

解析　

（1）烧瓶和烧瓶内的气体要从热水杯中吸收水的热量，温度升高，体积增大．

（2）做功和热传递都可以改变物体的内能，且是等效的．

5．关于热传递，下列说法中正确的是（　　）

A．热传递的实质是温度的传递

B．物体间存在着温度差，才能发生热传递

C．热传递可以在任何情况下进行

D．物体内能发生改变，一定是吸收或放出了热量

答案　B

解析　热传递的实质是物体间内能的转移，故A错；热传递的条件是物体间存在温度差，高温物体放出热量，低温物体吸收热量，若两物体温度相同，它们之间便不再发生热传递，即达到了热平衡，故B对，C错；物体吸收或放出热量，内能会发生变化，但内能变化不一定是热传递引起的，还可以通过做功的方式实现，故D错．

6．对于热量、功和内能，三者的说法正确的是（　　）

A．热量、功、内能三者的物理意义等同

B．热量、功都可以作为物体内能的量度

C．热量、功、内能的单位不相同

D．热量和功是由过程决定的，而内能是由物体状态决定的

答案　D

解析　物体的内能是指物体内所有分子动能和分子势能的总和，而要改变物体的内能可以通过做功或热传递两种途径，这三者的物理意义不同，A错；热量是表示在热传递过程中物体内能变化多少的，而功是量度用做功的方式来改变物体内能多少的，B错；三者单位都是焦耳，C错；热量和功是过程量，内能是状态量，D正确．

●热力学第一定律　能量守恒定律

[目标定位]　1.理解热力学第一定律，并掌握其表达式.2.能运用热力学第一定律解释自然界能量的转化、转移问题.3.理解能量守恒定律，知道能量守恒定律是自然界普遍遵从的基本规律.4.知道第一类永动机是不可能制成的．

考点一、热力学第一定律

1．对热力学第一定律的理解

（1）对ΔU＝W＋Q的理解：

做功和热传递都可以改变内能，如果系统跟外界同时发生做功和热传递的过程，那么外界对系统所做的功W加上物体从外界吸收的热量Q等于系统内能的增加ΔU，即ΔU＝Q＋W.

（2）对ΔU、Q、W符号的规定

①功W：

外界对系统做功，W>0，即W为正值；

系统对外界做功，W<0，即W为负值．

②热量Q：

系统吸热为正，Q>0；

系统放热为负，Q<0.

③内能变化：

系统内能增加，ΔU>0，即ΔU为正值；

系统内能减少，ΔU<0，即ΔU为负值．

2．判断是否做功的方法

一般情况下外界对系统做功与否，需看系统的体积是否变化．

（1）若系统体积增大，表明系统对外界做功，W<0；

（2）若系统体积变小，表明外界对系统做功，W>0.

例1

　空气压缩机在一次压缩中，活塞对空气做了2×105J的功，同时空气的内能增加了1.5×105J，这一过程中空气向外界传递的热量是多少？

答案　5×104J

解析　选择被压缩的空气为研究对象，根据热力学第一定律有ΔU＝W＋Q.

由题意可知W＝2×105J，ΔU＝1.5×105J，代入上式得

Q＝ΔU－W＝1.5×105J－2×105J＝－5×104J.

负号表示空气向外释放热量，即空气向外界传递的热量为5×104J.

借题发挥　应用热力学第一定律解题的一般步骤

（1）明确研究对象是哪个物体或者是哪个热力学系统．

（2）分别列出物体或系统吸收或放出的热量；外界对物体或系统所做的功或物体或系统对外所做的功．

（3）根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W列出方程进行求解．

（4）特别注意的是物理量的正负号及其物理意义．

题组一　热力学第一定律的应用

1．关于物体内能的变化情况，下列说法中正确的是（　　）

A．吸热的物体，其内能一定增加

B．体积膨胀的物体，其内能一定减少

C．放热的物体，其内能也可能增加

D．绝热压缩的物体，其内能一定增加

答案　CD

解析　做功和传热都可以改变物体的内能，不能依据一种方式的变化就判断内能的变化．

2．下列过程可能发生的是（　　）

A．物体吸收热量，对外做功，同时内能增加

B．物体吸收热量，对外做功，同时内能减少

C．外界对物体做功，同时物体吸热，内能减少

D．外界对物体做功，同时物体放热，内能增加

答案　ABD

解析　当物体吸收的热量多于对外做的功时，物体的内能就增加，A正确；当物体吸收的热量少于对外做的功时，物体的内能就减少，B正确；外界对物体做功，同时物体吸热，则物体的内能必增加，C错误；当物体放出的热量少于外界对物体做的功时，物体的内能增加，D正确．

3．如图1所示是密闭的汽缸，外力推动活塞P压缩气体，对缸内气体做功800J，同时气体向外界放热200J，缸内气体的（　　）

图1

A．温度升高，内能增加600J

B．温度升高，内能减少200J

C．温度降低，内能增加600J

D．温度降低，内能减少200J

答案　A

解析　对一定质量的气体，由热力学第一定律ΔU＝W＋Q可知，ΔU＝800J＋（－200J）＝600J，ΔU为正表示内能增加了600J，对气体来说，分子间距较大，分子势能为零，内能等于所有分子动能的和，内能增加，气体分子的平均动能增加，温度升高，选项A正确．

4．给旱区送水的消防车停于水平地面，在缓慢放水过程中，若车胎不漏气，胎内气体温度不变，不计分子间势能，则胎内气体（　　）

A．从外界吸热B．对外界做负功

C．分子平均动能减小D．内能增加

答案　A

解析　胎内气体经历了一个温度不变、压强减小、体积增大的过程．温度不变，分子平均动能和内能不变．体积增大，气体对外界做正功．根据热力学第一定律气体一定从外界吸热．

5．一定量的气体从外界吸收了2.6×105J的热量，内能增加了4.2×105J.

（1）是气体对外界做了功，还是外界对气体做了功？

做了多少焦耳的功？

（2）如果气体吸收的热量仍为2.6×105J不变，但是内能增加了1.6×105J，计算结果W＝－1.0×105J，是负值，怎样解释这个结果？

（3）在热力学第一定律ΔU＝W＋Q中，W、Q和ΔU为正值、负值各代表什么物理意义？

答案　见解析

解析　

（1）根据ΔU＝W＋Q得W＝ΔU－Q，将Q＝2.6×105J，ΔU＝4.2×105J代入式中得：

W＝1.6×105J>0，说明外界对气体做了1.6×105J的功．

（2）如果吸收的热量Q＝2.6×105J，内能增加了1.6×105J，即ΔU＝1.6×105J，则W＝－1.0×105J，说明气体对外界做功．

（3）在公式ΔU＝W＋Q中，ΔU>0，物体内能增加；ΔU<0，物体内能减少．Q>0，物体吸热；Q<0，物体放热．W>0，外界对物体做功；W<0，物体对外界做功．

6．关于内能的变化，以下说法正确的是（　　）

A．物体吸收热量，内能一定增大

B．物体对外做功，内能一定减少

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

答案　C

解析　根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，物体内能的变化与做功及热传递两个因素均有关，物体吸收热量，内能不一定增大，因为物体可能同时对外做功，故内能有可能不变或减少，A错；物体对外做功，还有可能吸收热量，内能可能不变或增大，B错，C正确；放出热量，同时对外做功，内能一定减少，D错误．

7.一定量的气体在某一过程中，外界对气体做了8×104J的功，气体的内能减少了1.2×105J，则下列各式中正确的是（　　）

A．W＝8×104J，ΔU＝1.2×105J，Q＝4×104J

B．W＝8×104J，ΔU＝－1.2×105J，Q＝－2×105J

C．W＝－8×104J，ΔU＝1.2×105J，Q＝2×104J

D．W＝－8×104J，ΔU＝－1.2×105J，Q＝－4×104J

答案　B

解析　因为外界对气体做功，W取正值，即W＝8×104J；内能减少，ΔU取负值，即ΔU＝－1.2×105J；根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，可知Q＝ΔU－W＝－1.2×105J－8×104J＝－2×105J，B选项正确．

二、能量守恒定律

1．不同形式的能量之间可以相互转化

（1）各种运动形式都有对应的能，如机械运动对应机械能，分子热运动对应内能等．

（2）不同形式的能量之间可以相互转化，如“摩擦生热”机械能转化为内能，“电炉取热”电能转化为内能等．

2．能量守恒定律及意义

各种不同形式的能之间相互转化或转移时能量的总量保持不变．

意义：

一切物理过程都适用，比机械能守恒定律更普遍，是19世纪自然科学的三大发现之一．

3．第一类永动机是不可能制成的

（1）不消耗能量而能源源不断地对外做功的机器，叫第一类永动机．因为第一类永动机违背了能量守恒定律，所以无一例外地归于失败．

（2）永动机给我们的启示人类利用和改造自然时，必须遵循自然规律．

（3）第一类永动机：

人们把设想的不消耗能量的机器称为第一类永动机．

（4）第一类永动机由于违背了能量守恒定律，所以不可能制成．

例2

　如图1所示，直立容器内部被隔板隔开的A、B两部分气体，A的密度小，B的密度大，加热气体，并使两部分气体混合均匀，设此过程中气体吸热为Q，气体内能的增量为ΔU，则（　　）

图1

A．ΔU＝QB．ΔU

C．ΔU>QD．无法比较

答案　B

解析　因A部分气体密度小，B部分气体密度大，以整体为研究对象，开始时，气体的重心在中线以下，混合均匀后，气体的重心应在中线上，所以有重力做负功，使气体的重力势能增大，由能量守恒定律可知，吸收的热量Q有一部分增加气体的重力势能，另一部分增加内能．故正确答案为B.

题组二　能量守恒定律

1．一颗子弹以某一水平速度击中了静止在光滑水平面上的木块，并从中穿出．对于这一过程，下列说法中正确的是（　　）

A．子弹减少的机械能等于木块增加的机械能

B．子弹减少的动能等于木块增加的动能

C．子弹减少的机械能等于木块增加的动能与木块增加的内能之和

D．子弹减少的动能等于木块增加的动能与子弹和木块增加的内能之和

答案　D

解析　射穿木块的过程中，由于相互间摩擦力的作用使得子弹的动能减小，木块获得动能，同时产生热量，且系统产生的热量在数值上等于系统机械能的损失．A，B项没有考虑到系统增加的内能，C项中应考虑的是系统减少的机械能等于系统增加的内能．故正确答案为D.

2．汽车关闭发动机后，沿斜面匀速下滑的过程中（　　）

A．汽车的机械能守恒

B．汽车的动能和势能相互转化

C．汽车的机械能转化成内能，汽车的总能量减少

D．汽车的机械能逐渐转化为内能，汽车的总能量守恒

答案　C

解析　汽车能匀速下滑，一定受阻力作用，克服阻力做功，机械能转化为内能，一部分内能散发出去，汽车的总能