1、本章整合,思考并回答下列问题 本章共有6节,大致可分为三个单元,第一单元包括第13节,着重介绍热力学第一定律及其实验基础;第二单元包括第4、5节,分别从宏观和微观两个方面阐释热力学第二定律和熵;第三单元包括第6节内容,讲能源的开发和节能。,1.思考关于“热力学第一定律”的学习内容,正确填写下图。答案:W Q 转化 转移 做功和热传递 W+Q,2.做功和热传递改变内能是等效的,本质上有什么不同? 答案:在改变物体的内能上,做功和热传递可以起到同样的效果,如果把内能改变相同的两个物体放在一起,我们无法分辨出哪个是热传递改变内能的,哪个是做功改变内能的。不过,做功和热传递还是有着本质的区别的。 从能
2、量角度看:做功是其他形式的能和物体内能的转化;热传递则是内能在物体之间或物体的不同部分之间的转移。,3.请你写出热力学第一定律的表达式,并说明公式中各字母代表的物理意义和符号是如何规定的。 答案:公式为U=Q+W。 符号规定:当外界对物体做功时,W取正,物体克服外力做功时,W取负;当物体从外界吸热时,Q取正,物体向外界放热时,Q取负;U为正,表示物体内能增加,U为负,表示物体内能减少。,4.思考关于“热力学第二定律”的学习内容,正确填写下图。答案:热量不能自发地从低温物体传到高温物体 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 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
3、行 在任何自然过程中,一个孤立系统的总熵不会减少,5.如何理解热力学第一定律与热力学第二定律的相辅性? 答案:热力学第一定律中,摩擦力做功可以全部转化为内能。热力学第二定律却说这一内能在不引起其他变化的情况下不可能完全用来做功。热量可以从高温物体自动传向低温物体,而热力学第二定律却说热量不能自动从低温物体传向高温物体。热力学第一定律说明在任何过程中能量必定守恒,热力学第二定律说明并非所有能量守恒的过程均可以实现。热力学第二定律是反映自然界过程进行的方向和条件的一个规律,它指出自然界中出现的过程是具有方向性的,在热力学中,两个定律相辅相成、缺一不可。,专题一,专题二,专题三,专题一 热力学第一定
4、律及应用 1.表达式:U=Q+W。 2.U、Q、W的正负问题 凡是能使物体内能增加的,均取正号。如内能增加,U为正;外界对物体做功,W取正号;外界向物体传递热量,Q取正号。反之,取负号。 3.两个标志 对于气体要抓住体积V变化是做功的标志(气体自由膨胀除外,一般情况下,V变大,对外做功,W0);对于理想气体要抓住温度T变化是内能变化的标志(T升高,内能增加U0,反之,内能减少U0)。,专题一,专题二,专题三,4.注意的问题 热力学第一定律中的功是指能够转化为内能的那一部分功,如汽车在牵引力作用下前进,这个牵引力做的功对汽车内能的改变没有任何影响,它只能改变汽车动能的大小,而汽车克服摩擦力所做的
5、功使得汽车的内能增大。,专题一,专题二,专题三,【例题1】 景颇族的祖先发明的点火器如图所示,用牛角做套筒,木制推杆前端粘着艾绒,猛推推杆,艾绒即可点燃。对筒内封闭的气体,在此压缩过程中( ) A.气体温度升高,压强不变 B.气体温度升高,压强变大 C.气体对外界做正功,气体内能增加 D.外界对气体做正功,气体内能减少 解析:筒内封闭气体被压缩过程中,外界对气体做正功。由热力学第一定律U=Q+W知,气体内能增加,温度升高。由理想气体状态方程 知,气体体积减小压强增大。选项A、C、D错误,B正确。 答案:B,专题一,专题二,专题三,专题二 热力学第一定律与热力学第二定律的比较 1.关于摩擦生热
6、热力学第一定律中,滑动摩擦力做功可以全部转化为内能。热力学第二定律却说明这一热量不可能在不引起其他变化的情况下完全变成功。 2.关于热量的传递 热力学第一定律说明,热量可以从高温物体自动传向低温物体,而热力学第二定律却说明热量不能自发地从低温物体传向高温物体。 3.关于能量 热力学第一定律说明在任何过程中能量必定守恒,热力学第二定律却说明并非所有能量守恒过程均能实现,能量转化有方向性。,专题一,专题二,专题三,4.两个定律的关系 热力学第一定律是和热现象有关的物理过程中能量守恒的特殊表达形式,说明功及热量与内能改变的定量关系,而第二定律指出了能量转化与守恒能否实现的条件和过程进行的方向,指出了
7、一切变化过程的自然发展方向不可逆,除非靠外界影响。所以二者相互独立,又相互补充。,专题一,专题二,专题三,【例题2】 关于热力学第一定律和热力学第二定律,下列论述正确的是( ) A.热力学第一定律指出内能可以与其他形式的能相互转化,而热力学第二定律则指出内能不可能完全转化为其他形式的能,故这两条定律是相互矛盾的 B.内能可以全部转化为其他形式的能,只是会产生其他影响,故两条定律并不矛盾 C.两条定律都是有关能量的转化规律,它们不但不矛盾,而且没有本质区别 D.其实,能量守恒定律已经包含了热力学第一定律和热力学第二定律,专题一,专题二,专题三,解析:热力学第一定律揭示了内能与其他形式能量之间的转
8、化关系,是能量守恒定律在热学中的具体体现。热力学第二定律则进一步阐明了内能与其他形式能量转化时的方向性,二者表述的角度不同,本质不同,相互补充,并不矛盾,故C、D项错误,B项正确;内能在一定条件下可以全部转化为机械能,热量也可以由低温物体传递到高温物体,但是要引起其他变化,如电冰箱制冷机工作还要消耗电能,故A项错误。 答案:B,专题一,专题二,专题三,变式训练1关于热力学第二定律,下列表述正确的是( ) A.不可能使热量从低温物体传递到高温物体 B.不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功 C.第二类永动机是不可能制成的 D.热力学第二定律是热力学第一定律的推论,专题一,专题二,专题三,解析
9、:如果有外界的帮助,可以使热量从低温物体传递到高温物体,也可以把热量全部用来做功,故选项A、B均错。热力学第一定律说明在任何过程中能量必须守恒,热力学第二定律却说明并非能量守恒的过程均能实现。热力学第二定律是反映自然界过程进行的方向和条件的一个规律,它指出自然界中出现的过程是具有方向性的,某些方向的过程可以实现,而另一些方向的过程则不能实现,在热力学中,第二定律和第一定律相辅相成,缺一不可,故选项D错。故正确选项为C。 答案:C,专题一,专题二,专题三,专题三 能量守恒定律的应用 1.不同形式的能量之间可以相互转化 (1)自然界中能量存在的形式:物体运动具有机械能、分子运动具有内能、电荷的运动
10、具有电能、原子核内部的运动具有原子能等,可见,在自然界中不同的能量形式与不同的运动形式相对应。 (2)不同形式的能量之间的转化:摩擦生热是通过克服摩擦力做功将机械能转化为内能;水壶中的水沸腾时水蒸气对壶盖做功将壶盖顶起,表明内能转化为机械能;电流通过电热丝做功可将电能转化为内能等。这些实例说明了不同形式的能量之间可以相互转化,且这一转化过程是通过做功来完成的。,专题一,专题二,专题三,2.应用能量守恒定律解题的方法和步骤 (1)认清有多少种形式的能(例如动能、势能、内能、电能、化学能、光能等)在相互转化。 (2)分别写出减少的能量E减和增加的能量E增的表达式。 (3)根据下列两种思路列出能量守
11、恒方程: E减=E增 某种形式的能减少,一定存在其他形式的能增加,且减少量和增加量一定相等。 某个物体的能量减少,一定存在其他物体的能量增加,且减少量与增加量一定相等。 (4)列方程,代入数据,计算结果。,专题一,专题二,专题三,【例题3】 能源问题是当前热门话题,传统的能源煤和石油,由于储量有限,有朝一日要被开采完毕,同时在使用过程中也会带来污染,寻找新的、无污染的能源是人们努力的方向,利用潮汐发电即为一例。 如图所示,表示的是利用潮汐发电,左方为陆地和海湾,中间为水坝;其下有通道,水经通道可带动发电机,涨潮时,水进入海湾,待内外水面高度相同时,堵住通道,如图甲所示;潮落至最低点时放水发电,
12、如图乙所示;待内外水面高度相同时,再堵住通道,直到下次涨潮至最高点,又放水发电,如图丙所示。设海湾面积为5.0107 m2,高潮与低潮间高度差为3.0 m,则一天内流水的平均功率为 MW(假设海水的密度与水的密度相同,g取10 m/s2 )。,专题一,专题二,专题三,解析:潮汐发电实质就是将海水的重力势能转化为电能。每次涨潮时流进海湾(落潮时流出海湾)的海水的重力为mg=Shg=1.01035.0107310 N=1.51012 N,其重心高度变化为h=1.5 m。一天内海水两进两出,故水流功率为答案:100,专题一,专题二,专题三,变式训练2人们工作、学习和劳动都需要能量,食物在人体内经消化过程转化为葡萄糖,葡萄糖在体内又转化为CO2和H2O,同时释放的能量E=2.87106 Jmol-1。一个质量为60 kg的短跑运动员起跑时以 s的时间冲出1 m远。他在这一瞬间消耗体内储存的葡萄糖为多少克?(葡萄糖的摩尔质量为180 g/mol),专题一,专题二,专题三,答案:0.27 g,
