第十八单元热力学定律能源讲义上海市高三物理二轮专题等级总复习精讲

第十八单元热力学定律能源目录TOC\o"13"\h\u第1讲物体的内能与热力学第一定律 2第2讲能量守恒与热力学第二定律 11第3讲能源与可持续发展 17课标要求:1.知道热力学第一定律。通过有关史实,了解热力学第一定律和能量守恒定律的发现过程,体会科学探索中的挫折和失败对科学发现的意义。2.理解能量守恒定律,能用能量守恒的观点解释自然现象。体会能量守恒定律是最基本、最普遍的自然规律之一。3.通过自然界中宏观过程的方向性,了解热力学第二定律。4.了解利用水能、风能、太阳能和核能的方式。初步了解核裂变与核聚变。5.知道不同形式的能量可以相互转化,在转化过程中能量总量保持不变,能量转化是有方向性的。6.了解可再生能源和不可再生能源的分类,认识能源的过度开发和利用对环境的影响。7.认识环境污染的危害,了解科学——技术——社会——环境协调发展的重要性,具有环境保护的意识和行为。知识结构第1讲物体的内能与热力学第一定律内容梳理【概念规律】一、内能1.分子动能(1)在热力学中,重要的不是某个分子的动能,而是组成系统的__________分子动能的平均值,这个平均值就叫做分子热运动的__________。(2)温度是分子平均动能的__________标志。2.分子势能组成系统的分子间存在相互作用力,分子间具有由它们的相对位置决定的势能,这就是分子势能。3.影响分子势能大小的因素随着分子间距离的变化,分子力做功,分子势能发生变化,分子间势能的变化微观上与__________决定,宏观上与物体__________有关。分子间距离rrr分子力F表现为引力表现为斥力分子力做功r增大时,做负功r减小时,做负功分子势能最小r增大时,增大r减小时,增大4.内能物体内所有分子的热运动动能与分子势能的总和叫物体的内能。微观上,物体的内能取决于物体所含的分子的总数、分子热运动的平均动能和分子间的距离。宏观上,物体所含物质的多少、温度和体积。二、功和内能1.焦耳实验让重物下落带动叶片搅拌容器中的水,引起水温上升。2.实验结论对一个系统在绝热过程中,只要对系统做功相等,系统温度上升的数值相等,即系统的状态变化相同。3.内能变化和做功的关系当系统从状态1经绝热过程达到状态2时,内能的增加量ΔU=U2−U1就等于外界对系统所做的功4.热和内能系统在单纯的传热过程中,内能的增加量ΔU等于外界向系统传递的热量Q,即ΔU=Q5.做功和热传递的区别做功是宏观的机械运动向物体的微观分子热运动的转化。热传递则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。三、热力学第一定律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。2.表达式为Δ3.注意(1)W的正负：外界对系统做功时,W取__________值;系统对外界做功时,W取__________值。(2)Q的正负：外界对系统传递热量Q取__________值;系统向外界传递热量Q取__________值。答案:一、大量平均动能唯一分子间距体积二、增加减小增加减小三、正负正负【问题情境举隅】内能转化为机械能我们用温差电池使小风扇转动、汽车里的内燃机带动车子向前跑等都是利用内能转化为物体的机械能。热传递改变物体的内能冬天围着火堆烤火取暖,使物体的温度升高,内能增加;一杯热水放着,慢慢就会变冷,内能减小。生活中类似的现象还有很多,这就是通过热传递来改变物体的内能(图1)。做功改变物体的内能冬天我们通过来回摩擦双手,使手的温度上升,从而达到取暖的效果,手的内能增加;夏天我们使用空调,空调通过压缩机做功,将室内的热量转移到室外,使得室内温度降低,内能减少,冰箱也是相同的工作原理。这些现象都是通过做功来改变物体的内能(图2)。关键点拨分子力、分子势能随分子间距离的变化【例题1】分子力F随分子间距离r的变化如图所示,将两分子从相距r=r2A.从r=r2B.从r=r2C.从r=r2D.从r=r2课堂笔记：________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。【点拨1】项目分子力F分子势能Ep(取无穷远处分子势能E随分子间距的随分子r斥力和引力都随距离的增大而rr斥力和引力都随距离的增大而rr斥力=引力F分子势能最小,但不为零r斥力和引力都已十分微弱,可分子势能为零物体的内能【例题2】(多选)关于物体的内能,下列说法中正确的是 ()A.相同质量的两种物质,升高相同的温度,内能的增加量一定相同B.物体的内能改变时温度不一定改变C.内能与物体的温度有关,所以0∘D.内能小的物体也可能将热量传递给内能大的物体课堂笔记:________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。【点拨2】1.分子动能、分子势能、内能、机械能的比较能量分子动能分子势能内能机械能定义分子无规则运动的动能由分子间的相对位置决定的势能所有分子的动能和分子势能的总和物体的动能、重力势能和弹性势能的总和决定因素温度(决定分子平均动能)分子间距温度、体积、物质的量跟宏观运动状态、参考系和零势能点的选取有关备注温度、内能等物理量只对大量分子才有意义，对单个或少量分子没有实际意义2.改变内能的两种方式热力学第一定律的理解【例题3】空气压缩机在一次压缩中,活塞对空气做了2×105J课堂笔记:________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。【点拨3】1.热力学第一定律的理解符号WQΔ+外界对物体做功物体吸收热量内能增加物体对外界做功物体放出热量内能减小2.三种特殊情况(1)若是绝热过程,则Q=0,(2)若过程中不做功(等容过程),即W=0,则Q(3)若过程的始末状态物体的内能不变(等温过程),即ΔU=0,则W+过关演练【经典过关】1.如图让一个分子A不动,另一个分子B从无穷远处逐渐靠近A。设两个分子相距无穷远,它们的分子势能为0;B分子运动到距A为r0时,分子间作用力为零。在这个过程中A.分子B受力的方向与运动方向相同时,分子势能减小B.分子间距离减小到r0C.分子之间的引力达到最大时,分子势能最小D.分子势能为零时,分子间的作用力一定为零2.(多选)关于物体内能,下列说法中正确的是 ()A.每一个分子的动能与分子势能的总和叫物体的内能B.物体所有分子的动能与分子势能的总和叫物体的内能C.一个物体,当它的机械能发生变化时,其内能也一定发生变化D.一个物体内能的多少与它的机械能多少无关3.一定质量的气体,从状态A变化到状态B的过程中,内能增加了160J,下列是关于内能变化的可能原因的说法,其中不可能的是 ()A.从A到B的绝热过程中,外界对气体做功160JB.从A到B的单纯传热过程中,外界对气体传递了160J的热量C.从A到B的过程中吸热280J,并对外界做功120JD.从A到B的过程中放热280J,外界对气体做功120J【综合演练】1.汽车中午在大太阳下暴晒一小时后,车内气体温度__________,内能__________,这是通过__________方式改变内能的。2.某同学想测车内的温度,用喝完的饮料罐,制作一个简易气温计。如图所示,在这个空的铝制饮料罐中插入一根粗细均匀的透明吸管,接口处用蜡密封。吸管中引入一段长度可忽略的油柱,在吸管上标上温度刻度值。罐内气体可视为理想气体,外界大气压不变,以下说法中正确的是 ()A.吸管上的温度刻度值左小右大B.吸管上的温度刻度分布不均匀C.气温升高时,罐内气体增加的内能大于吸收的热量D.在完全失重的环境下,这个气温计仍可使用3.如图所示,水平对置发动机的活塞对称分布在曲轴两侧,可使车辆行驶更加平稳,同时节约能源、减少噪声。图乙为左侧汽缸(圆柱形)简化示意图。某次工厂测试某绝热汽缸的耐压性能,活塞横截面积为S,在距汽缸底部3L处固定两挡片,开始时活塞底部到缸底的距离为L,内部密封一定质量的理想气体,气体温度为27∘C。已知大气压强为p(1)当活塞底部距离缸底L时,气体的压强p1(2)气体温度达到727∘C时,气体的压强(3)在第(2)问条件下,如果此过程中气体吸收的热量为Q,求此过程中气体内能的增加量。第2讲能量守恒与热力学第二定律内容梳理【概念规律】一、能量守恒定律1.内容能量既不会凭空__________,也不会凭空__________,它只能从一种形式__________为其他形式,或者从一个物体__________到别的物体,在转化或转移的过程中,能量的总量保持__________。2.第一类永动机不可能制成(1)第一类永动机:不需要任何动力或燃料,却能不断地对外做功的机器。(2)第一类永动机由于违背了__________,所以不可能制成。二、热力学第二定律1.自然过程的方向性(1)热传递具有方向性:两个温度不同的物体相互接触时,热量会自发地从高温物体传给低温物体,要实现低温物体向高温物体传递热量,必须借助外界的帮助,因为产生其他影响或产生其他变化。(2)气体扩散具有方向性:两种不同的气体可以自发地进入对方,最后成为均匀的混合气体。但混合后的气体不可能自发分开。(3)机械能和内能的转化过程具有方向性:物体在水平地面上运动,因摩擦而逐渐停止,但不可能因吸收原来传递出去的热量后,在地面上重新运动起来。(4)气体向真空膨胀有方向性:气体可以自发地向真空膨胀,但不可能自发地使一个容器恢复真空。(5)整个自然界中,所有的宏观自发过程都具有单向性,都有一定的方向性,都是一种__________过程。2.热力学第二定律的表述(1)一种表述是克劳修斯表述:热量不能自发的从低温物体传到高温物体,而不引起其他变化。(2)另一种表述为开尔文表述:不可能从单一热源吸收热量,使之完全变成功,而不引起其他影响。(3)通常所说的第二类永动机是指从单一热源吸收热量,使之完全变成功,而不产生其它影响的机器。3.第二类永动机不可能制成(1)第二类永动机:设想只从单一热库吸收热量,使之完全变为有用的功而不产生其他影响的热机。(2)第二类永动机由于违背了__________,所以不可能制成。4.热力学第一定律和热力学第二定律的异同热力学第一定律和热力学第二定律是构成热力学知识的理论基础,前者指出在任何热力学过程中能量不会有任何增加或损失,反映的是能量守恒定律。后者则指出哪些过程可以自发地发生,哪些过程必须借助于外界条件才能进行。答案:一、产生消失转化转移不变能量守恒定律二、不可逆热力学第二定律【问题情境举隅】能量转化的方向性我们把一杯热水放着,它只会把热量向周围空气中传递,而慢慢变冷,却不会再把这些热量又重新聚集起来使冷水变热。冰箱能够把冷藏、冷冻室内的热量从低温区转移到冰箱外的高温区,必须通过压缩机做功才能完成,否则无法实现。摩擦生热、气体的自由膨胀等自然过程都具有方向性。能量的守恒给充电时会发热,这个过程就是把电能转化为电池的化学能以及内能。用燃气灶烧水的时候,就是把化学能转化为锅、水、空气的内能。在这些能量转化过程的前后,总能量保持不变。永动机不可能被制成热机不能把内能全部转化为机械能,所以我们能做的就是提高热机的效率。目前,大部分普通家用汽车发动机的效率在30%35%之间。当今最先进的汽油发动机效率可以达到41%。关键点拨能量守恒定律的理解【例题1】如图所示为冲击摆实验装置,一质量为m的子弹以v0射入质量为M的沙箱后与沙箱合为一体,共同摆起一定高度ℎ课堂笔记:________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。【点拨1】能量守恒定律是自然界的普遍规律,是不需要任何条件的。但是某一种形式的能量是否守恒是有条件的,比如机械能守恒的条件是只有重力和弹力做功。热力学第二定律的理解与应用【例题2】如图所示,两种不同的金属组成一个回路,接触头1置于热水杯中,接触头2置于冷水杯中,此时回路中电流计发生偏转,这是温差电现象。假设此过程电流做功为W,接触头1从热水中吸收的热量为Q1,冷水从接触头2吸收的热量为Q2,根据热力学第二定律可得A.Q1=W B.Q1>W课堂笔记:________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。【点拨2】1.在热力学第二定律的表述中，“自发地”“不产生其他影响”的含义(1)“自发地”指明了热传递等热力学宏观现象的方向性，不需要借助外界提供能量的帮助。(2)“不产生其他影响”的含义是发生的热力学宏观过程只在本系统内完成，对周围环境不产生热力学方面的影响，如吸热、放热、做功等。2.热力学第二定律提示自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性。(1)(2)(3)(4)过关演练【经典过关】1.下列过程中可能发生的是 ()A.某种物质从高温热源吸收20kJ的热量,全部转化为机械能,而没有产生其他任何影响B.打开一高压密闭容器,其内气体自发逸出后又自发跑进去,恢复原状C.利用其他手段,使低温物体温度更低,高温物体的温度更高D.将两瓶不同液体混合,然后它们又自发地各自分开2.如图所示,A、B是两个完全相同的铁球,A放在绝热板上,B用绝热绳悬挂。现只让它们吸收热量,当它们升高相同的温度时,它们所吸收的热量分别为QAA.QA=QC.QA>【综合演练】电冰箱已成为我们家里必不可少的一件家电产品。夏天,我们可以将食物放入冰箱,这样食物就不容易变质。有了冰箱,我们在炎炎夏日可以吃上冰镇西瓜、冰镇啤酒还有冰激凌等,用以降暑解渴。右图所示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。1.下列说法中正确的是 ()A.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,是因为其消耗了电能C.电冰箱的工作原理不违反热力学第一定律D.电冰箱的工作原理违反热力学第一定律2.电冰箱的制冷系统从冰箱内吸收的热量与释放到外界的热量相比,有怎样的关系?3.一间密闭的房间里放置了一台电冰箱,为了使房间降温,有人出了一个主意,建议把冰箱接通电源,打开冰箱门,让冰箱的“冷气”进入房间中,房间就变冷了。这种方法可行吗?请说明道理。第3讲能源与可持续发展内容梳理【概念规律】一、能源1.凡是能提供能量的物质资源都叫能源。2.能源的分类:(1)根据来源可分为三大类:来自太阳的能源(煤、石油、天然气以及生物质能、水能、风能等)、地球本身蕴藏的能源(地热能和核燃料所蕴藏的原子核能)及太阳、月球等天体与地球的__________产生的能源(潮汐能等)。(2)根据产生的方式分类可分为一次能源和二次能源。一次能源是指在自然界现成存在的能源(太阳能、水能、煤、石油、天然气等)。二次能源是指由一次能源__________而成的能源产品(电力、焦炭、煤气、蒸汽等)。(3)一次能源又可分为可再生能源和不可再生能源两大类。可以不断得到补充,或能在较短周期内再产生的能源称之为可再生能源(太阳能、生物质能、风能、水能、潮汐能等)。经过亿万年形成而短期内无法恢复的能源称之为不可再生能源(煤、石油、天然气等)。(4)还有其他不同的能源分类方式。如按能源的性质可分为燃料能源、非燃料能源;按能源的利用技术可分为常规能源、新能源等。二、新能源1.水能(1)水能的产生:是指水体的动能、势能和压力能等能量资源。水力发电是利用水能的主要方面。(2)优点:①__________;②成本低;③效率高。(3)缺点:(1)水能分布受水文、气候、地貌等自然条件的限制大。(2)水容易受地形,气候等多方面的因素影响。2.风能(1)风能的产生:太阳辐射造成地球表面各部分受热不均匀,引起大气层中气压分布不均匀,从而形成风。风力发电是利用风能的最重要的方面。(2)优点:①__________;②不需要使用燃料;(③不会产生辐射或空气污染,是清洁能源。(3)缺点:①转换效率偏低下。②受地区的风力间歇性影响。③需要大量土地兴建风力发电场。3.太阳能(1)太阳能的产生：太阳是一个巨大的“核能火炉”。在太阳内部,每时每刻都在发生核裂变,并释放出巨大的能量。(2)优点:①太阳能供应时间长;②太阳能分布广,获取方便;③太阳能安全清洁。(3)缺点:太阳辐射到地球表面的能量尽管巨大,但是单位面积上获得的能量却相对较小,而且不同地区的能量分布不均匀。(4)太阳能的利用①光化转换:植物吸收太阳能发生光合作用,转化成生物能,以化学能的形式储存到植物。②__________转换:太阳能被大气和水吸收形成空气流动、水循环,利用太阳能给物体加热。③__________转换:利用太阳能发电,如太阳能电池(一般应用在航空、航天、通讯、计算器、手表等方面)等。4.核能(1)定义：当原子核发生分裂或相互结合时释放出来的能量。(2)优点:①核能十分巨大,能极大地补充人类能源的不足,使用核能大大地节约了常规能源;②核能能够解决能源分布不平衡的问题。(3)缺点:①不可再生;②核燃料产生核辐射,使用不当会对地球上的生物造成伤害。(4)核裂变和核聚变①核裂变:一个重核(如铀235)裂变成两个原子核,同时释放出大量的能量,这就是核裂变。比如用中子轰击铀235原子核,就能发生链式反应。②核聚变:某些轻核(质量很小),如氘和氚,在超高温下结合成一个新核,同时释放出大量的能量,这就是核聚变,即热核反应。③核电站的核心设备是核反应堆,在核反应堆中的链式反应是加以控制的,是在控制下缓慢释放核能的。而原子弹则是不加控制的核裂变。但是,核聚变目前还不能完全得到控制。三、能源与可持续发展1.能量转移和转化的方向性(1)方向性:能量的转化和转移都是有__________的。(2)能量的利用:我们是在能量的转化和转移过程中,利用能量的。(3)能量释放过度失控就会产生灾害。注意:①不是什么能量都可以利用,能量的利用是有条件的,也是有代价的。②有的东西可以成为能源,有的却不能,因此尽管能量是守恒的,但我们还必须节约能源。2.能源消耗对环境的影响及可持续发展(1)能源消耗对环境的影响：比如大气污染、温室效应、水土流失和土地沙漠化等。(2)未来的理想能源:人类未来的理想能源满足的条件:足够丰富、足够便宜、技术成熟、安全清洁。未来的理想能源要能够大规模替代石油、煤炭和天然气等常规能源。(3)解决能源危机的出路:①节约使用石油、煤和天然气等常规能源,提高②大力开发新能源。未来可推广的能源:太阳能、地热能、核能、潮汐能、风能、可燃冰等。答案:一、相互作用加工转换二、可再生可再生光热光电三、方向利用率【问题情境举隅】水力发电2021年,我国水电年发电量已经达到了1.3万亿度,稳居世界第一。中国的三峡、溪洛渡、白鹤滩、乌东德、向家坝、葛洲坝等水电站位居世界前列,我们还有乌江渡、白山、龙羊峡和以礼河梯级等各类常规水电站。风力发电截至2021年底,全球风电装机总量837GW,其中中国位居第一,装机总量达338.31GW,占世界总装机容量的40.40%,占比国内发电装机总量的13.8%,仅次于水电和火电。太阳能的利用太阳能的利用主要有光热转换和光电转换,光伏发电是一种新兴的可再生能源,是太阳能利用的重要方面。我国太阳能发电技术走在世界前列,已成为世界最大的太阳能发电国。光伏电池可以为手表、计算器、路灯、汽车等提供能源。光热转换也是太阳能的一种应用。光热转换是指通过反射、吸收或其他方式把太阳辐射能集中起来,转换成足够高温度的过程,以有效地满足不同负载的要求。比如:太阳能锅、太阳能热水器等。核能的利用——核电站和“人造小太阳”核能是一种重要的新能源。核电站中的反应堆能够控制核裂变的链式反应速度从而安全稳定地利用核能。我国核电工业历经艰辛,已具一定规模。秦山核电站是中国自行设计、建造和运营管理的第一座30万千瓦压水堆核电站。若干个较轻的原子核也可以结合成一个较重的原子核,同时释放出巨大能量,这样的过程称为核聚变。中国科学院合肥物质科学研究院研制的世界上第一个非圆截面全超导托卡马克装置,即可控核聚变反应装置,被叫做“东方超环”,也被称为“人造小太阳”,2019年已实现在1×108∘关键点拨太阳能【例题1】下列关于太阳能的说法中,错误的是 ()A.太阳能是可供人类利用的一种新能源,它是一次能源B.太阳能分布广阔,获取方便C.太阳能安全、清洁,利用太阳能不会给环境带来污染D.因为太阳能巨大,所以不需要开发其他新能源了课堂笔记:________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。【点拨1】太阳能的优点①太阳阳能供应时间长;②太阳能分布广,获取方便;③太阳能安全清洁。核能【例题2】随着人们对原子核结构认识的不断深入,核能的开发和利用备受关注,下列有关核能的理解中,正确的是 ()A.核能是可再生的清洁能源B.太阳能是由氢原子裂变放出的能量C.能源开发就是要利用核能D.核能是原子核发生变化时放出的能量课堂笔记:________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。【点拨2】1.核能的产生原子核发生分裂(核裂变)或相互结合(核聚变)时都能释放出大量的能量。2.核裂变一个重核裂变成两个中等质量的原子核。如反应堆(加以控制的核裂变)、原子弹(不加以控制的核裂变)。3.核聚变某些轻核(质量很小)在超高温下结合成一个新核,即热核反应。如太阳、“人造小太阳”(核聚变目前还不能完全得到控制,故“人造小太阳