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.ΔUC.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