高中物理热力学定律教案和课件选修3热力学定律.ppt

热力学定律 一 考纲解读 大纲 对热力学定律这一章的内容要求较高 其中热力学第一定律为 级要求 在2008年的江苏高考中选修3 3中第1题即为热力学第一定律 而且本章内容容易和能量守恒定律相结合 有助于学生对动力学问题的理解 在复习时要引起足够重视 二 命题趋势 本章学习热力学中最基本的两条定律 与第七章分子动理论构成宏观和微观理论中基础的两部分内容 其中热力学第一定律是能量的定律 热力学第二定律是有关宏观过程进行方向的规律 第一定律可能仍然以计算的形式出现 而本章的其他内容会以定性分析即以选择题的形式出现 三 教材内容及重难点剖析 一 功和内能 1 做功可以改变物体的内能 1 举例 用锯条锯木头时 我们克服摩擦力做功 锯条和木头的温度升高 内能增加 用搅拌器在水中搅拌做功 可以使水温升高 内能增加 2 对物体做功 物体的内能增加 3 如果物体对外做功 内能减少 2 热传递可以改变物体的内能 1 举例 灼热的火炉使它和周围的物体内能增加 放在室内的一杯热水不断散热 内能减少 2 没有做功而使物体内能改变的物理过程叫做热传递 3 物体吸收热量 内能增加 物体放出热量 内能减少 3 做功和热传递在改变内能效果上是等效的 3 做功和热传递的区别 1 做功改变内能 实质上是其它形式的能和内能之间转化 2 热传递 实质上是各物体间内能的转移 4 内能改变的量度 1 利用做功的方式改变物体的内能时 对物体做了多少功 物体的内能就增加多少 物体对外做了多少功 物体的内能就减少多少 所以功是物体内能改变的量度 2 利用热传递方式改变物体的内能时 物体吸收多少热量 内能就增加多少 物体放出多少热量 内能就减少多少 所以热量是物体内能改变的量度 3 关于热传递和做功对改变物体内能的等效性 举例 一根锯条 它的温度升高 内能增加 我们可以对它做功 也可以使它吸收热量 分析 两种方式不同 得到的结果却相同 除非事先知道 我们是无法区分是哪种方式使这根金属棒的内能增加的 得到 做功和热传递对改变物体内能是等效的 二 热力学第一定律能量守恒定律 1 内容 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 这个关系叫做热力学第一定律 一 热力学第一定律 2 数学表达式为 u w q 3 符号法则 4 热力学第一定律说明了做功和热传递是系统内能改变的量度 没有做功和热传递就不可能实现能量的转化或转移 同时也进一步揭示了能量守恒定律 5 应用热力学第一定律解题的一般步骤 根据符号法则写出各已知量 w q u 的正 负 根据方程 u w q求出未知量 再根据未知量结果的正 负来确定吸热 放热情况或做功情况 二 能量守恒定律 1 能量既不会凭空产生 也不会凭空消失 它只能从一种形式转化为另一种形式 或者从一个物体转移到别的物体 在转化或转移的过程中其总量不变 这就是能量守恒定律 2 热力学第一定律 机械能守恒定律都是能量守恒定律的具体体现 3 能量守恒定律的重要意义第一 切实树立能量既不会凭空产生 也不会凭空消失的观点 第二 宣告了第一类永动机的失败 4 永动机不可能制成 1 永动机 不消耗任何能量 却可以源源不断地对外做功 这种机器叫永动机 人们把这种不消耗能量的永动机叫第一类永动机 2 根据能量守恒定律 任何一部机器 只能使能量从一种形式转化为另一种形式 而不能无中生有地制造能量 因此第一类永动机是不可能制成的 三 热力学第二定律 1 可逆与不可逆过程 1 热传导的方向性 热传导的过程可以自发地由高温物体向低温物体进行 但相反方向却不能自发地进行 即热传导具有方向性 是一个不可逆过程 2 说明 自发地 过程就是在不受外来干扰的条件下进行的自然过程 热量可以自发地从高温物体传向低温物体 热量却不能自发地从低温物体传向高温物体 要将热量从低温物体传向高温物体 必须有 外界的影响或帮助 就是要由外界对其做功才能完成 电冰箱 空调就是例子 2 热力学第二定律的两种表述 克劳修斯表述 热量不能自发地从低温物体传递到高温物体 开尔文表述 不可能从单一热库吸收热量 使之完全变成功 而不产生其他影响 3 热机 1 热机是把内能转化为机械能的装置 其原理是热机从热源吸收热量q1 推动活塞做功w 然后向冷凝器释放热量q2 2 由能量守恒定律可得 q1 w q2 3 我们把热机做的功和它从热源吸收的热量的比值叫做热机效率 用 表示 即 4 第二类永动机 设想 只从单一热源吸收热量 使之完全变为有用的功而不引起其他变化的热机 第二类永动机不可能制成 表示尽管机械能可以全部转化为内能 但内能却不能全部转化成机械能而不引起其他变化 机械能和内能的转化过程具有方向性 四 热力学第二定律的微观解释 3 热力学第二定律的微观意义一切自然过程总是沿着分子热运动无序性增大的方向进行 1 有序和无序宏观态和微观态 2 熵增加原理一个孤立系统总是从熵小的状态向熵大的状态发展 而熵值较大代表着较为无序 所以自发的宏观过程总是向无序度更大的方向发展 因此热力学第二定律也叫做熵增加原理 五 能源和可持续发展 1 能量耗散 集中度较高且有序度较高的能量 如机械能 电能 化学能等 当它们变为环境的内能后 就成为更加分散且无序度更大的能量 我们无法把这些分散的内能重新收集起来加以利用 这样的转化过程叫做能量耗散 2 能量品质降低 各种形式的能量向内能的转化 是领域内无序程度较小向无序程度较大的转化 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温度差 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 内能等是一种低品质的能量 4 常规能源三种常规能源是 煤 石油 天然气 石油和煤燃烧产生的二氧化碳增加了大气中的二氧化碳的含量 产生了温室效应 引发了一系列问题 如 两级的冰雪融化 海平面上升 海水倒灌 耕地盐碱化 这些都是自然对人类的报复 还有一些问题 如 煤燃烧时形成的二氧化硫等物质使雨水形成 酸雨 3 节约能源能量耗散虽然不会使能的总量不会减少 却会导致能的品质降低 它实际上将能量从可用的形式降级为不大可用的形式 煤 石油 天然气等能源储存着高品质的能量 在利用它们的时候 高品质的能量释放出来并最终转化为低品质的内能 故能量虽然不会减少但能源会越来越少 所以要节约能源 5 开发和利用新能源新能源主要指太阳能 生物能 风能 水能等 这些能源一是取之不尽 用之不竭 二是不会污染环境等等 六 典例分析 例1 金属制成的汽缸中装有柴油与空气的混合物 有可能使汽缸中的柴油达到燃点的过程是 a a 迅速向里推活塞b 迅速向外拉活塞c 缓慢向里推活塞d 缓慢向外拉活塞 例2 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 u 1 2 105j q 4 104jb w 8 104j u 1 2 105j q 2 105jc w 8 104j u 1 2 105j q 2 104jd w 8 104j u 1 2 105j q 4 104j解析 本题主要考查热力学第一定律的应用 因为外界对气体做功 w取正值 即w 8 104j 内能减少 u取负值 即 u 1 2 105j 根据 u w q 可知q u w 1 2 105 8 104 2 105j 即b选项正确 答案 b 例3 一定质量的气体 在压缩过程中外界对气体做功300j 但这一过程中气体的内能减少了300j 问气体在此过程中是吸热还是放热 吸收 或放出 多少热量 解析 由题意可知 w 300j u 300j 根据热力学第一定律可得q u w 300j 300j 600jq为负值表示气体放热 因此气体放出600j的热量 例4 一定质量的气体从外界吸收了4 2 105j的热量 同时气体对外做了6 105j的功 问 1 物体的内能是增加还是减少 变化量是多少 2 分子势能是增加还是减少 3 分子的平均动能是增加还是减少 解析 1 气体从外界吸热为 q 4 2 105j气体对外做功 w 6 105j由热力学第一定律 u w q 6 105 4 2 105j 1 8 105j u为负 说明气体的内能减少了 所以 气体内能减少了1 8 105j 2 因为气体对外做功 所以气体的体积膨胀 分子间的距离增大了 分子力做负功 气体分子势能增加了 3 因为气体内能减少 同时气体分子势能增加 说明气体分子的平均动能一定减少了 例5 下列说法中正确的是 a 理想气体吸收热量内能一定增加b 第二类永动机不可能制造成功是因为能量不会凭空产生 也不会凭空消失 只能从一个物体转移到另一个物体 或从一种形式转化为另一种形式 c 根据热力学第二定律可知 热量不可能从低温物体传到高温物体d 从单一热源吸收的热量全部变成功是可能的 例6 下列所述过程是可逆的 还是不可逆的 a 气缸与活塞的组合内装有气体 当活塞上没有外加压力 活塞与气缸间没有摩擦 气体缓慢地膨胀时 b 上述装置 当活塞上没有外加压力 活塞与气缸上摩擦很大 使气体缓慢地膨胀时 c 上述装置 没有摩擦 但调整外加压力 使气体能缓慢地膨胀时 d 在一绝热容器内盛有液体 不停地搅动它 使它温度升高 e 在一传热容器内盛有液体 容器放在一恒温的大水池内 液体不停地搅动 可保持温度不变 f 在一绝热容器内 不同温度的液体进行混合 g 在一绝热容器内 不同温度的氦气进行混合 解析 a 发生自由膨胀 则是不可逆的 b 有摩擦发生 也是不可逆的 c 是准静态无摩擦的膨胀 则为可逆过程 d 这是做功变为热的过程 一定不可逆 e 此过程中既有 功变热 又有 热传导 也是不可逆过程 f 液体的扩散是不可逆过程 g 有一定温度差的热传导