第三講熱力學(xué)定律與能量守恒定律1知道做功和熱傳遞是改變物體內(nèi)能的兩種方式2理解熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律，并會(huì)運(yùn)用其解釋有關(guān)現(xiàn)象3掌握能量守恒定律并會(huì)加以運(yùn)用4了解能源的開(kāi)發(fā)和利用、能源的利用與環(huán)境保護(hù)一、熱力學(xué)第一定律1改變物體內(nèi)能的兩種方式(1)做功：在絕熱過(guò)程中，外界對(duì)物體做了多少功，物體的內(nèi)能就 多少；物體對(duì)外界做了多少功，物體的內(nèi)能就 多少，即UW.(2)熱傳遞本質(zhì)：熱傳遞過(guò)程是物體間 的過(guò)程與內(nèi)能變化的關(guān)系：在單純的熱傳遞過(guò)程中，物體從外界吸收熱量，物體的內(nèi)能就 ；物體向外界傳遞熱量，物體的內(nèi)能就 增加增加減少減少內(nèi)能轉(zhuǎn)移內(nèi)能轉(zhuǎn)移增加增加減少減少1打氣筒是日常生活中常用的一種工具，當(dāng)我們用打氣筒給自行車(chē)打氣的時(shí)候，就是在克服氣體壓力和摩擦力做功打氣的過(guò)程中你有沒(méi)有試著去摸一下打氣筒的外殼？有什么感覺(jué)？打氣筒的溫度升高了，這是怎么回事？提示：做功的過(guò)程是能量轉(zhuǎn)化的過(guò)程，做功使得系統(tǒng)的內(nèi)能增加了，所以溫度升高2熱力學(xué)第一定律(1)內(nèi)容：一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)的 等于外界向它傳遞的 與外界對(duì)它所做 的和(2)表達(dá)式： .(3)符號(hào)法則：內(nèi)能增加量?jī)?nèi)能增加量熱量熱量功功UWQ名稱(chēng)名稱(chēng)正值正值負(fù)值負(fù)值U內(nèi)能內(nèi)能 .內(nèi)能內(nèi)能 .Q系統(tǒng)系統(tǒng) 熱量熱量系統(tǒng)系統(tǒng) 熱量熱量W 做功做功 做功做功減少減少增加增加吸收吸收放出放出外界對(duì)物體外界對(duì)物體物體對(duì)外界物體對(duì)外界二、熱力學(xué)第二定律1兩種表述(1)熱傳遞的方向性表述：不可能使熱量由 物體傳到 物體而不引起其他變化(2)機(jī)械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化的方向性：不 可 能 從 單 一 熱 庫(kù) 吸 收 熱 量 ， 使 之 完 全 變 成 功 ， 而 其他影響低溫低溫高溫高溫不引起不引起2熱量能不能從低溫物體傳遞到高溫物體？提示：能，但不是自發(fā)進(jìn)行，需要引起其他變化內(nèi)能內(nèi)能 機(jī)械能機(jī)械能 100% 三、能量守恒定律1能量守恒定律能量既不能憑空 ，也不能憑空 ，它只能從一種形式 為另一種形式，或從一個(gè)物體 到別的物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過(guò)程中其 2永動(dòng)機(jī)由能量守恒定律知， 永動(dòng)機(jī)不可能制成由熱力學(xué)第二定律知， 永動(dòng)機(jī)不可能制成產(chǎn)生產(chǎn)生消失消失轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)移總量不變總量不變第一類(lèi)第一類(lèi)第二類(lèi)第二類(lèi)3能源與環(huán)境(1)常規(guī)能源： 、 、 ，常規(guī)能源帶來(lái)環(huán)境污染問(wèn)題，如溫室效應(yīng)、酸雨、光化學(xué)煙霧等(2)新能源的開(kāi)發(fā)：風(fēng)能、水能、太陽(yáng)能、沼氣、核能等石油石油天然氣天然氣煤煤一、熱力學(xué)第一定律的理解與應(yīng)用1熱力學(xué)第一定律不僅反映了做功和熱傳遞這兩種方式改變內(nèi)能的過(guò)程是等效的，而且給出了內(nèi)能的變化量和做功與熱傳遞之間的定量關(guān)系此定律是標(biāo)量式，應(yīng)用時(shí)熱量的單位應(yīng)統(tǒng)一為國(guó)際單位制中的焦耳2“等效”的意義：在改變物體的內(nèi)能上，做功和熱傳遞可以起到同樣的效果，即要使物體改變同樣的內(nèi)能，通過(guò)做功或者熱傳遞都可以實(shí)現(xiàn)，若不知道過(guò)程我們無(wú)法分辨出是做功還是熱傳遞實(shí)現(xiàn)的這種改變3做功和熱傳遞的本質(zhì)區(qū)別(1)從運(yùn)動(dòng)形式上看：做功是宏觀的機(jī)械運(yùn)動(dòng)向物體的微觀分子運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)化. 熱傳遞則是通過(guò)分子之間的相互作用，使不同物體間分子熱運(yùn)動(dòng)變化，是內(nèi)能的轉(zhuǎn)移(2)從能量的角度看：做功是其他形式的能向內(nèi)能的轉(zhuǎn)化，熱傳遞是內(nèi)能之間的轉(zhuǎn)移前者能的性質(zhì)發(fā)生了變化，后者能的性質(zhì)不變友情提示：物體的內(nèi)能增加與否，不能單純地只看做功或熱傳遞，兩個(gè)過(guò)程需要全面考慮 一定質(zhì)量的氣體分子之間的作用力表現(xiàn)為引力，從外界吸收了4.2105 J的熱量，同時(shí)氣體對(duì)外做了6105 J的功，問(wèn)：(1)物體的內(nèi)能變化多少？(2)分子勢(shì)能是增加還是減少？(3)分子平均動(dòng)能如何變化？【規(guī)范解答】(1)因氣體從外界吸收熱量，所以Q4.2105 J，氣體對(duì)外做功6105 J，則外界對(duì)氣體做功W6105 J，據(jù)熱力學(xué)第一定律UWQ，得U6105 J4.2105 J1.8105 J，所以物體內(nèi)能減少了1.8105 J.(2)因?yàn)闅怏w對(duì)外做功，體積膨脹，分子間距離增大了，分子力做負(fù)功，氣體的分子勢(shì)能增加了(3)因?yàn)闅怏w內(nèi)能減少了，而分子勢(shì)能增加了，所以分子平均動(dòng)能必然減少了，且分子平均動(dòng)能的減少量一定大于分子勢(shì)能的增加量【方法歸納】(1)當(dāng)做功和熱傳遞兩種過(guò)程同時(shí)發(fā)生時(shí)，內(nèi)能的變化就要用熱力學(xué)第一定律進(jìn)行綜合分析(2)做功情況看氣體的體積：體積增大，氣體對(duì)外做功，W為負(fù)；體積縮小，外界做功，W為正若與外界絕熱，則不發(fā)生熱傳遞，此時(shí)Q0.1在如圖所示的坐標(biāo)系中，一定質(zhì)量的某種理想氣體先后發(fā)生以下兩種狀態(tài)變化過(guò)程：第一種變化是從狀態(tài)A到狀態(tài)B，外界對(duì)該氣體做功為6 J；第二種變化是從狀態(tài)A到狀態(tài)C，該氣體從外界吸收的熱量為9 J圖線AC的反向延長(zhǎng)線通過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)O，B、C兩狀態(tài)的溫度相同，理想氣體的分子勢(shì)能為零求：(1)從狀態(tài)A到狀態(tài)C的過(guò)程，該氣體對(duì)外界做的功W1和其內(nèi)能的增量U1；(2)從狀態(tài)A到狀態(tài)B的過(guò)程，該氣體內(nèi)能的增量U2及其從外界吸收的熱量Q2.解：(1)從狀態(tài)A到狀態(tài)C的過(guò)程，氣體發(fā)生等容變化該氣體對(duì)外界做的功W10根據(jù)熱力學(xué)第一定律有U1W1Q1內(nèi)能的增量U1Q19 J.(2)從狀態(tài)A到狀態(tài)B的過(guò)程，體積減小，溫度升高該氣體內(nèi)能的增量U2U19 J根據(jù)熱力學(xué)第一定律有U2W2Q2從外界吸收的熱量Q2U2W23 J.二、熱力學(xué)第二定律的理解與應(yīng)用1對(duì)熱力學(xué)第二定律的理解(1)在熱力學(xué)第二定律的表述中，“自發(fā)地”、“不產(chǎn)生其他影響”的涵義“自發(fā)地”指明了熱傳遞等熱力學(xué)宏觀現(xiàn)象的方向性，不需要借助外界提供能量的幫助“不產(chǎn)生其他影響”的涵義是發(fā)生的熱力學(xué)宏觀過(guò)程只在本系統(tǒng)內(nèi)完成，對(duì)周?chē)h(huán)境不產(chǎn)生熱力學(xué)方面的影響如吸熱、放熱、做功等(2)熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)熱力學(xué)第二定律的每一種表述，都揭示了大量分子參與宏觀過(guò)程的方向性，進(jìn)而使人們認(rèn)識(shí)到自然界中進(jìn)行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過(guò)程都具有方向性2兩類(lèi)永動(dòng)機(jī)的比較第一類(lèi)永動(dòng)機(jī)第一類(lèi)永動(dòng)機(jī)第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)目的設(shè)計(jì)目的不消耗能量卻可以不消耗能量卻可以源源不斷地對(duì)外做源源不斷地對(duì)外做功的機(jī)器功的機(jī)器從單一熱源吸熱，全部從單一熱源吸熱，全部用來(lái)對(duì)外做功而不引起用來(lái)對(duì)外做功而不引起其他變化的機(jī)器其他變化的機(jī)器違背規(guī)律違背規(guī)律違背能量守恒，不違背能量守恒，不可能實(shí)現(xiàn)可能實(shí)現(xiàn)不違背能量守恒，違背不違背能量守恒，違背熱力學(xué)第二定律，不可熱力學(xué)第二定律，不可能實(shí)現(xiàn)能實(shí)現(xiàn)友情提示：熱力學(xué)第一定律是和熱現(xiàn)象有關(guān)的物理過(guò)程中能量守恒的特殊表達(dá)形式，說(shuō)明功及熱量與內(nèi)能改變的定量關(guān)系，而第二定律指出了能量轉(zhuǎn)化與守恒能否實(shí)現(xiàn)的條件和過(guò)程進(jìn)行的方向，指出了一切變化過(guò)程的自然發(fā)展方向不可逆，除非靠外界影響所以二者相互獨(dú)立，又相互補(bǔ)充 如圖所示，為電冰箱的工作原理示意圖壓縮機(jī)工作時(shí)，強(qiáng)迫制冷劑在冰箱內(nèi)外的管道中不斷循環(huán)在蒸發(fā)器中制冷劑汽化吸收箱體內(nèi)的熱量，經(jīng)過(guò)冷凝器時(shí)制冷劑液化，放出熱量到箱體外(1)下列說(shuō)法正確的是A熱量可以自發(fā)地從冰箱內(nèi)傳到冰箱外B電冰箱的制冷系統(tǒng)能夠不斷地把冰箱內(nèi)的熱量傳到外界，是因?yàn)槠湎牧穗娔蹸電冰箱的工作原理不違反熱力學(xué)第一定律D電冰箱的工作原理違反熱力學(xué)第一定律(2)電冰箱的制冷系統(tǒng)從冰箱內(nèi)吸收的熱量與釋放到外界的熱量相比，有怎樣的關(guān)系？【規(guī)范解答】(1)熱力學(xué)第一定律是熱現(xiàn)象中內(nèi)能與其他形式能的轉(zhuǎn)化規(guī)律，是能的轉(zhuǎn)化和守恒定律的具體表現(xiàn)，適用于所有的熱學(xué)過(guò)程，故C正確，D錯(cuò)誤；由熱力學(xué)第二定律可知，熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳給高溫物體，除非有外界的影響或幫助電冰箱把熱量從低溫的內(nèi)部傳到高溫的外部，需要壓縮機(jī)的幫助并消耗電能，故應(yīng)選B、C.(2)由熱力學(xué)第一定律可知，電冰箱從冰箱內(nèi)吸了熱量，同時(shí)消耗了電能，釋放到外界的熱量比從冰箱內(nèi)吸收的熱量多答案：(1)BC(2)釋放到外界的熱量比從冰箱內(nèi)吸收的熱量多【方法歸納】涉及熱力學(xué)第二定律的問(wèn)題分析技巧：(1)理解熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)，清楚熱力學(xué)第二定律的兩種表述形式(2)掌握熱力學(xué)第二定律的一些等效說(shuō)法如：“第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)不可能制成”“不可能制成效率為百分之百的熱機(jī)”等2如圖所示的汽缸內(nèi)盛有一定量的理想氣體，汽缸壁是導(dǎo)熱的，缸外環(huán)境保持恒溫，活塞與汽缸壁的接觸光滑但不漏氣將活塞桿與外界連接并由外力F使其緩慢地向右移動(dòng)，氣體將等溫膨脹并通過(guò)桿對(duì)外做功若內(nèi)能只與溫度有關(guān)，則下列說(shuō)法中正確的是()A氣體是從單一熱源吸收熱量，且全部用來(lái)對(duì)外做功，因此該過(guò)程違背熱力學(xué)第二定律B氣體不是從單一熱源吸收熱量，盡管全部用來(lái)對(duì)外做功，但此過(guò)程不違反熱力學(xué)第二定律C氣體是從單一熱源吸收熱量，且全部用來(lái)對(duì)外做功，但此過(guò)程不違反熱力學(xué)第二定律D氣體不是從單一熱源吸收熱量，也沒(méi)有全部用來(lái)對(duì)外做功，因此該過(guò)程不違反熱力學(xué)第二定律解析：由于氣體始終通過(guò)汽缸與外界接觸，外界溫度不變，活塞桿與外界連接并使其緩慢地右移過(guò)程中有足夠時(shí)間的熱交換，所以汽缸內(nèi)的氣體溫度也不變，其內(nèi)能不變，該過(guò)程氣體是從單一熱源即外部環(huán)境吸收熱量全部用來(lái)對(duì)外做功才能保證內(nèi)能不變，但此過(guò)程不違反熱力學(xué)第二定律，因?yàn)榇诉^(guò)程的發(fā)生有別的變化(即外力對(duì)活塞做功)來(lái)維持，如果沒(méi)有外力F對(duì)活塞做功，此過(guò)程不可能發(fā)生答案：C三、能量守恒定律的理解與應(yīng)用1自然界中能量的存在形式：物體運(yùn)動(dòng)具有動(dòng)能、分子運(yùn)動(dòng)具有分子動(dòng)能、電荷具有電勢(shì)能、原子核內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)具有原子能等，可見(jiàn)，在自然界中不同的能量形式與不同的運(yùn)動(dòng)形式相對(duì)應(yīng)2不同形式的能量之間可以相互轉(zhuǎn)化，且這一轉(zhuǎn)化過(guò)程是通過(guò)做功來(lái)完成的3某種形式的能減少，一定有其他形式的能增加，且減少量和增加量一定相等4某個(gè)物體的能量減少，一定存在其他物體的能量增加，且減少量和增加量一定相等5在利用能量轉(zhuǎn)化與守恒定律解題時(shí)，要注意先搞清楚過(guò)程中有幾種形式的能在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移，分析初、末狀態(tài)，確定E增、E減各為多少，再由E增E減列式計(jì)算友情提示：(1)雖然功與能具有相同的單位，但兩者是完全不同的兩個(gè)概念，在能量守恒定律的表達(dá)式中只存在能量，不存在功(2)能量的轉(zhuǎn)化和守恒定律是自然界中普遍存在的一種規(guī)律，是無(wú)條件的，而機(jī)械能守恒定律是有條件的 一輛汽車(chē)正在平直的公路上以速度v勻速行駛，此時(shí)汽車(chē)的功率為P，已知汽車(chē)的總效率為，所使用的汽油的熱值為q(每完全燃燒單位質(zhì)量的燃料產(chǎn)生的熱量叫熱值)，現(xiàn)油箱中還有質(zhì)量為m的汽油(1)下列關(guān)于汽車(chē)行駛過(guò)程中做功和能量轉(zhuǎn)化情況的說(shuō)法正確的是A阻力對(duì)汽車(chē)做負(fù)功，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能B汽車(chē)行駛時(shí)因能量損失故總能量不守恒C牽引力對(duì)汽車(chē)做功，使汽車(chē)動(dòng)能增加D合外力對(duì)汽車(chē)的功等于汽油燃燒放出的能量(2)汽車(chē)還能行使多遠(yuǎn)？(設(shè)汽車(chē)的質(zhì)量為M)【思維點(diǎn)撥】先求出剩余汽油燃燒放出的能量，再求出汽車(chē)勻速運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，便可求還能勻速行駛的距離，再由動(dòng)能定理求出減速的距離【自主解答】(1)阻力對(duì)汽車(chē)做功的過(guò)程就是機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的過(guò)程，盡管汽車(chē)能量損失，但總能量是守恒的，牽引力對(duì)汽車(chē)做正功，汽車(chē)動(dòng)能增加，合外力的功等于汽車(chē)動(dòng)能的增加，但不等于汽油燃燒放出的能量【誤區(qū)警示】汽車(chē)還能行駛的距離應(yīng)包括汽油用完后減速的距離，很多同學(xué)漏掉這一段，而只求出勻速行駛距離s1.3風(fēng)沿水平方向以速度v垂直吹向一直徑為d的風(fēng)車(chē)葉輪上，設(shè)空氣密度為，風(fēng)的動(dòng)能的50%轉(zhuǎn)化為風(fēng)車(chē)的動(dòng)能，風(fēng)車(chē)帶動(dòng)水車(chē)將水提高h(yuǎn)高度，效率為80%.則單位時(shí)間最多可提升的水質(zhì)量m_. A、B兩裝置，均由一支一端封閉、一端開(kāi)口且?guī)в胁Ａ莸墓軤钊萜骱退y槽組成，除玻璃泡在管上的位置不同外，其他條件都相同將兩管抽成真空后，開(kāi)口向下豎直插入水銀槽中(插入過(guò)程沒(méi)有空氣進(jìn)入管內(nèi))，水銀柱上升至圖中所示位置停止假設(shè)這一過(guò)程進(jìn)入容器的水銀體積相等，且水銀與外界沒(méi)有熱交換，則兩種情況下大氣壓力對(duì)水銀做的功是否相等？哪個(gè)管中的水銀內(nèi)能增量大？ 解：由于水銀與外界沒(méi)有熱交換，大氣壓力對(duì)水銀做功，一部分轉(zhuǎn)化為水銀的重力勢(shì)能，一部分轉(zhuǎn)化為水銀的內(nèi)能，兩種情況下管中進(jìn)入的水銀量相等，因此大氣壓力對(duì)進(jìn)入管中的水銀做功相等，圖A管中水銀的重力勢(shì)能比圖B的大，因此A中水銀的內(nèi)能增量比B中小 (2012濟(jì)南質(zhì)檢)爆米花酥脆可口、老少皆宜，是許多人喜愛(ài)的休閑零食，如圖為高壓爆米花的裝置原理圖，玉米在鐵質(zhì)的密閉容器內(nèi)被加熱，迅速打開(kāi)容器蓋后，玉米粒就“爆炸”成了爆米花設(shè)當(dāng)?shù)販囟萾127，大氣壓為p0，已知密閉容器打開(kāi)前的氣體壓強(qiáng)達(dá)到4p0.試分析：(1)容器內(nèi)的氣體看做理想氣體，求容器內(nèi)氣體的溫度？(2)假定在一次打開(kāi)的過(guò)程中，容器內(nèi)氣體膨脹對(duì)外界做功15 kJ，并向外釋放了20 kJ的熱量，容器內(nèi)原有氣體的內(nèi)能如何變化？變化了多少？