99知识讲解热力学定律及能量守恒提高

1、物理总复习：热力学定律及能量守恒【考纲要求】1、理解热力学第一定律、第二定律；2、运用能量守恒定律解决问题.【考点梳理】考点一、改变内能的两种方式1、热传递条件：存在温度差,最终结果是使两物体温度一样.方式：热传导、热对流、热辐射.规律：热量从高温物体传向低温物体.和内能变化的关系： 系统在单纯的传热过程中, 内能的增量 U等于外界向系统传递 的热量Q,即 U Q.2、做功做功改变物体内能的过程是将其他形式的能(如机械能)与内能相互转化的过程, 做功使物体内能发生变化时,内能改变了多少用做功的数值来度量.要点诠释：(1)要使物体改变同样的内能, 通过做功或者热传递都可以实现,假设不知道过程,我

2、们无法分辨出是做功还是热传递实现的这种改变.(2)做功是宏观的机械运动向物体的微观分子热运动的转化.热传递那么是通过分子之 间的相互作用,使不同物体间分子热运动变化,是内能的转移.前者能的性质发生了变化, 后者能的性质不变.(3)物体的内能增加与否,不能单纯地只看做功或热传递,两个过程需要全面考虑. 考点二、热力学第一定律1物体内能的增量 U等于外界对物体做的功 W和物体吸收的热量 Q的总和.2、公式W Q U要点诠释：(1)在应用热力学第一定律时,应特别分清W、Q的正负号,以便准确地判断U的正、负.热力学第一定律的符号法那么： 功W>0,表示外界对系统做功；W<0,表示系统对外界

3、做功. 热量Q >0,表布物体吸热；Q< 0,表布物体放热. 内能 U >0,表示内能增加；U <0,表示内能减少.(2)容易出错的几种特殊情况 假设是绝热过程,那么 Q=0、W= U ,即外界对物体做的功等于物体内能的增加；假设过程中不做功,即 W=0,那么Q= U ,物体吸收的热量等于物体内能的增加； 假设过程的始末状态物体的内能不变,即 U =0,那么W Q 0或W Q,外界对 物体做的功等于物体放出的热量.考点三、热力学第二定律1、两种表述(1)按热传递的方向性来表述：热量不能自发地从低温物体传到高温物体.(2)按机械能与内能转化过程的方向性来表述：不可能从单一

4、热源吸收热量,使之完全 变成功,而不产生其他影响.要点诠释：这里所说自发地是指没有任何外界的影响或帮助,电冰箱工作时能将冰箱内(温度较低)的热量,传给外界空气(温度较高),是由于电冰箱消耗了电能,对制冷系统做了功.上述两种表述是等价的, 即一个说法是正确的, 另一个说法也必然是正确的；如果一个说法是错误的,另一个说法必然也是不成立的.2、热力学第二定律的意义提示了有大量分子参与的宏观过程的方向性,是独立于热力学第一定律的一个重要自然规律.3、热力学第二定律的微观解释(1) 一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行.这是热力学第二定 律的微观意义.(2)从微观的角度看,热力学第二定律

5、是一个统计规律：一个孤立系统总是从嫡小的 状态向嫡大的状态开展, 而嫡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开展.4、两类永动机的比拟第一类永动机第二类水动机不消耗能量却可以源源不断地对外做功 的机器从单一热源吸热,全部用来对外做功而不引起其他变化的 机器违背能量守恒,不可能实现1不违背能量守恒,但违背热力学第二定律,不可能实现一考点四、能量守恒定律1、能量守恒定律(1)能量既不能凭空产生,也不能凭空消失,它只能从一种形式转化为别的形式,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,这就是能的转化和守恒定律.(2)能量的转化和守恒定律是自然界最普遍的规律

6、.(3)永动机是永远造不出来的.2、能源、环境(1)常规能源：人们把煤、石油、天然气叫做常规能源.常规能源有限,常规能源带 来环境问题：温室效应、酸雨、光化学烟雾等.(2)新能源：风能、水流(河流、潮汐)能、太阳能、热核能、氢能源、反物质能等.风能、水流能、生物质能等是可再生能源,而石油、煤炭、天然气是不可再生能源. 要点诠释：对能量守恒定律的理解：1、某种形式的能减少,一定有其他形式的能增加,且减少量与增加量相等.2、某个物体能量的减少,一定存在其他物体能量的增加,且减少量和增加量一定相等.3、在利用能量转化与守恒定律解题时,要注意先搞清过程中有几种形式的能在转化或 转移,分析初、末状态确定

7、E增、E减各为多少,再由 E增=E减列式计算.【典型例题】类型一、热力学第一定律例1、(2021 北京卷)以下说法正确的选项是()A.物体放出热量,其内能一定减小B.物体对外做功,其内能一定减小C.物体吸收热量,同时对外做功,其内能可能增加D.物体放出热量,同时对外做功,其内能可能不变【答案】C【解析】物体内能的改变方式有两种：做功和热传递,只说某一种方式我们无法判断内 能是否变化,故 A、B选项错误；物体放出热量又同时对外做功内能一定减小,故 D选 项错误.物体吸收热量同时对外做功,内能可能增大、减小或不变,故C选项正确.【考点】热力学第一定律举一反三【变式1】100 c的水完全变成100

8、c的水蒸气,那么()A.水分子的内能增加B .水的内能增加C.水所增加的内能小于所吸收的热量D.水所增加的内能等于所吸收的热量【答案】BC【解析】由于温度不变,水分子的内能不变. 体积膨胀,水分子的势能变大,水的内能增加. 体积膨胀时要克服外界大气压力做功,由热力学第一定律可知, 水所增加的内能要小于吸收的热量.【变式2】2021广东卷用密封性好、充满气体的塑料袋包裹易碎品,如下图,充气袋四周被挤压时,假设袋内气体与外界无热交换,那么袋内气体A.体积减小,内能增大B.体积减小,压强减小C.对外界做负功,内能增大D.对外界做正功,压强减小【解析】充气袋被挤压时,气体体积减小,外界对气体做功,由于

9、袋内气体与外界无热交换,故由热力学第二定律知,气体内能增加,应选项 C正确,选项D错误；体积减小, 内能增加,由理想气体状态方程可知压强变大,应选项 A正确,选项B错误.【高清课堂：热力学定律及能量守恒例4】【变式3】A、B两装置,均由一支一端封闭,一端开口且带有玻璃泡的管状容器和水银槽 组成,除玻璃泡在管上的位置不同外,其他条件都相同.将两管抽成真空后,开口向下竖直插入水银槽中插入过程没有空气进入管内,水银柱上升至图示位置停止.假设这一过程水银与外界没有热交换,那么以下说法正确的选项是A . A中水银的内能增量大于 B中水银的内能增量B.B中水银的内能增量大于 A中水银的内能增量C. A和B

10、中水银体积保持不变,故内能增量相同D. A和B中水银温度始终相同,故内能增量相同【答案】B【解析】由于A、B两管中水银上升的体积是一样的,所以水银槽中水银面下降的高度相等,外界大气压对A、B管水银做功相等.由于没有热交换,由热力学第一定律有内能增量与外界做功有关.大气压做功一方面使水银上升转变为水银的重力势能,另一方面使A、B中水银内能增加.由于 A中水银重心高于B中的,所以A中势能大于B中势能.外界大气压做 功又是相等的,所以 A中内能增量小于B中内能增量.应选 Bo 类型二、热力学第二定律例2、关于热力学定律和分子动理论,以下说法正确的选项是A. 一定量气体吸收热量,其内能一定增大B.不可

11、能使热量由低温物体传递到高温物体C.假设两分子间距离增大,分子势能一定增大D.假设两分子间距离减小,分子间引力和斥力都增大【思路点拨】重温热力学第一定律、 第二定律,分子力与分子间距的函数图象和分子势能与 分子间距的函数图象.【答案】D【解析】由热力学第一定律可知,做功和热传递都可以改变物体的内能,一定量的气体吸收热量如果气体同时对外做功,且做功比吸热多,那么气体的内能减少,A项错误；依据外界做功,可以使热量由低温物体传递到高温物体,B项错误；假设两分子间的距离小于平衡时的距离,分子力是斥力,在增大的过程中分子力先做正功,分子势能先减小,C项错误；假设分子间的距离在减小,分子间的引力和斥力都在

12、增大,只不过斥力增大的快些,D项正确.【总结升华】关键是要准确理解热力学第一定律、热力学第二定律、分子力与分子间距的函数图象和分子势能与分子间距的函数图象.两个定律、两个图像 举一反三【变式】关于热力学定律,以下说法正确的选项是 填入正确选项前的字母.选对1个给3分,选对2个给4分,选对3个给6分；每选错1个扣3分,最低得分为0分.A.为了增加物体的内能,必须对物体做功或向它传递热量B.对某物体做功,必定会使该物体的内能增加C.可以从单一热源吸收热量,使之完全变为功D.不可能使热量从低温物体传向高温物体E.功转变为热的实际宏观过程是不可逆过程【答案】ACE【解析】由热力学第一定律 W Q U

13、,知A正确,B错误；由热力学第二定律知,C、D这些过程在借助于外界帮助的情况下是可以实现的,所以C正确、D错误；由自然界中一切与热现象有关的过程都是不可逆的,所以E正确.【高清课堂：热力学定律及能量守恒例5】例3、如图为电冰箱的工作原理示意图.压缩机工作时,强迫制冷剂在冰箱内外的管道中不断循环,在蒸发器中制冷剂汽化吸收箱体内的热量,经过冷凝器时制冷剂液化,放出热量到箱体外,以下说法正确的选项是JL«fLA.热量可以自发地从冰箱内传到冰箱外B.电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界,是由于其消耗了电能C.电冰箱的工作原理不违反热力学第二定律D.电冰箱的工作原理违反热力学第一定

14、律【思路点拨】热力学第二定律,热量不能自发地从低温物体传到高温物体,但是做功是可以的,就不是自发的了.电冰箱的工作原理不违反热力学第一定律、第二定律.【答案】BC【解析】根据热力学第二定律,电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界,是由于消耗了电能,也就是对外界产生了影响, 它的工作原理不违背能量守恒定律, 也就是热 力学第一定律,选项 B、C正确.【总结升华】关键是准确理解热力学第二定律,热量不能自发地从低温物体传到高温物体,电冰箱制冷是通过消耗电能对制冷系统做功来实现的,并不是自发的不可能从单一热源吸收热量,使之完全变成功,而不产生其他影响,消耗了电能对制冷系统做了功,对外界产生了

15、影响.举一反三【变式1】(1)如下图,一淙用的 永动机转轮由5根轻杆和转轴构成,轻杆的末端装有 形状记忆合金制成的叶片,轻推转轮后,进入热水的叶片因伸展面划水,推动转轮转动.离开热水后,叶片形状迅速恢复,转轮因此能较长 时间转动.以下说法正确的选项是A.转轮依靠自身惯性转动,不需要消耗外界能量B.转轮转动所需能量来自形状记忆合金自身C.转动的叶片不断搅动热水,水温升高D.叶片在热水中吸收的热量一定大于在空气中释放的热量(2)如下图,内壁光滑的气缸水平放置.一定质量的理想气体被密封在气缸内,外界大气压强为P0o现对气缸缓慢加热,气体吸收热量Q后,体积由Vi增大为V2.那么在此过程中,气体分子平均

16、动能 (选增 揩大“、不变“或 减小)气体内能变化了【答案】(1) D (2)增大； U Q Po(V2 Vi)【解析】形状记忆合金制成的叶片,在热水中吸收热量而伸长,离开热水后,叶片形状迅速恢复,使轻杆的重心位置发生变化而转动,一局部能量散发空气中,叶片不断搅动热水,对水做功.但叶片吸收的能量大于对水做的功,水的温度逐渐降低,当与环境温度到达平衡,叶片停止转动.故正确的选项为Do(2)气体吸收热量 Q,温度升高,气体分子平均动能增大.气体吸收热量Q为正,对外做功为负,Wp0(V2 V1),根据热力学第一定律,W Q U,气体内能变化了U Q p0(V2 V1).【高清课堂：热力学定律及能量守

17、恒例6】【变式2】如下图,两个相通的容器 P、Q间装有阀门K, P中充满气体,Q为真空,整 个系统与外界没有热交换,翻开阀门KB, P中的气体进入Q中,最终到达平衡,那么()A.气体体积膨胀,内能增加B.气体分子势能减少,内能增加C.气体分子势能增加,压强可能不变D. Q中气体不可能自发地全部退回到P中【答案】D【解析】根据热力学第二定律,自然界涉及热现象的宏观过程都具有方向性,知D正确.容器内气体自由膨胀, 气体与外界之间不做功也没有热交换, 故气体的内能不变,A项不正 确.气体分子间作用力很弱,气体体积变化时,气体分子势能可认为不变,B、C项也不正确.应选D.类型三、能量守恒定律例4、现代

18、典型的燃煤发电厂,总效率一般为 40%,有一座大型燃煤发电厂,如果发出1.0刈09 J的电力,可供一个大城市使用.以下图表示这座发电厂的能量流向,请答复：(1)燃煤提供的能量应等于哪几项能量之和？(2)图中烟囱废气所带走的能量及涡轮机损耗没有标出,请你算出来,并在图上标出；(3)算出这座发电厂的总效率；(4)根据如下图的电厂能量流向, 你认为在哪些地方进行改良可以提升发电厂的总效率？一渴检机损乖L由燃煤提供 世人涉检机 ;山冷凝器推出)笑、办叽虚、_|伯软损卷I.r -|1电能 1,.乂 1,户I 有用功 燃燃发电厂中的能量流向图【思路点拨】抓住能量守恒定律,读懂图的意思,进行根本计算.【答案

19、】见解析.【解析】仔细分析发电过程的能量流向图,搞清各项能量或功之间的关系,根据能量转化与守恒定律可求解.(1)燃煤提供的能量等于进入涡轮机的能量和通过烟囱排出的能量.(2)根据(1)中的解析可得通过烟囱废气所带走的能量为：_9_ _9_8E2.51092.2109J3108J标图略.涡轮机从外界吸热2.2 109J,对外做功 W 1.0 109J所以涡轮机损耗为2.2 109J-1.0 109 J 1.2 109J.标图略.(3)由能量流向图可知该发电厂产生的电能为1.0 109J ,消耗的总能量为 2.5 109J ,一 ,10 109所以其总效率为0 09 100% 40%2.5 10 一、一. .一 .一9 一、(4)从能量流向图中可以看出, 该发电厂的损耗共到达了 1.5 10 J ,即到达了 60%,最主要的损耗是涡轮机的损耗,由冷凝器排出,所以这个地方应作为改造的重点,降低通过冷凝器时能量的消耗,以此提升涡轮机的效率, 进而提升整个电