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1、基础课32 热力学定律与能量守恒,-2-,知识点一,知识点二,知识点三,改变物体内能的两种方式,增加,减少,增加,减少,转化,转移,相同,-3-,知识点一,知识点二,知识点三,热力学定律 1.热力学第一定律 (1)内容:一个热力学系统的内能增量 外界向它传递的热量与外界对它所做的功之和。 (2)表达式: 。 (3)意义:热力学第一定律不仅反映了做功和热传递这两种改变内能的过程是 ,而且给出了内能的变化量和做功与热传递之间的 。此定律公式是标量式,应用时各量的单位应统一为国际单位制中的焦耳。,等于,U=W+Q,等效的,定量关系,-4-,知识点一,知识点二,知识点三,2.热力学第二定律 (1)热力
2、学第二定律的两种表述 按照热传递的方向性可表述为:热量不能 从低温物体传到高温物体。这是热力学第二定律的克劳修斯表述。 按照机械能与内能转化的方向性可表述为: 从单一热源吸收热量,使之完全变成功,而不产生其他影响。这是热力学第二定律的开尔文表述。 (2)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 的方向进行。 说明:(1)热力学第二定律的上述两种表述是等价的,可以从一种表述推导出另一种表述。 (2)热力学第二定律又叫熵增加原理,即在任何自然过程中,一个孤立系统的总熵不会减少。,自发地,不可能,增大,-5-,知识点一,知识点二,知识点三,能量守恒定律 1.内容 能量既不会凭空
3、产生,也不会凭空消失,它只能从一种形式 为另一种形式,或者从一个物体 到另一个物体,在转化或转移的过程中其总量不变。 2.普遍性 能量守恒定律是自然界的普遍规律。某一种形式的能是否守恒是 ,例如机械能守恒定律具有适用条件,而能量守恒定律是 ,是一切自然现象都遵守的基本规律。,转化,转移,有条件的,无条件的,-6-,考点一,考点二,考点三,热力学第一定律的理解与应用(师生共研) 1.对公式U=Q+W中物理量的符号的规定,2.三种特殊情况 (1)若过程是绝热的,则Q=0,W=U,即外界对物体(物体对外界)做的功等于物体内能的增加量(减少量)。 (2)等容变化,W=0,Q=U,即物体吸收(放出)的热
4、量等于物体内能的增加量(减少量)。 (3)等温变化,U=0,则W+Q=0或W=-Q,即外界对物体做的功等于物体放出的热量(物体对外界做的功等于物体吸收的热量)。,-7-,考点一,考点二,考点三,例题(2017全国卷)(多选)如图所示,用隔板将一绝热汽缸分成两部分,隔板左侧充有理想气体,隔板右侧与绝热活塞之间是真空。现将隔板抽开,气体会自发扩散至整个汽缸。待气体达到稳定后,缓慢推压活塞,将气体压回到原来的体积。假设整个系统不漏气。下列说法正确的是( ) A.气体自发扩散前后内能相同 B.气体在被压缩的过程中内能增大 C.在自发扩散过程中,气体对外界做功 D.气体在被压缩的过程中,外界对气体做功
5、E.气体在被压缩的过程中,气体分子的平均动能不变,答案,解析,-8-,考点一,考点二,考点三,思维训练 一定质量的气体,在从状态1变化到状态2的过程中,吸收热量280 J,并对外做功120 J,试问: (1)这些气体的内能怎样发生变化?变化了多少? (2)如果这些气体又返回原来的状态,并放出了240 J热量,那么在返回的过程中是气体对外界做功,还是外界对气体做功?做功多少?,-9-,考点一,考点二,考点三,解析 (1)由热力学第一定律可得U=W+Q=-120 J+280 J=160 J,气体的内能增加了160 J。 (2)由于气体的内能仅与状态有关,所以气体从状态2回到状态1的过程中内能应减少
6、,其减少量应等于从状态1到状态2的过程中内能的增加量,则从状态2到状态1的内能应减少160 J,即U=-160 J,又Q=-240 J,根据热力学第一定律得U=W+Q,所以W=U-Q= -160 J-(-240 J)=80 J,即外界对气体做功80 J。 答案 (1)增加 160 J (2)外界对气体做功 80 J,-10-,考点一,考点二,考点三,热力学第二定律的理解(自主悟透) 1.热力学第二定律的涵义 (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”的涵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
7、,如吸热、放热、做功等。在产生其他影响的条件下内能可以全部转化为机械能,如气体的等温膨胀过程。,-11-,考点一,考点二,考点三,2.热力学过程的方向性实例,说明:热力学第二定律的每一种表述,都揭示了大量分子参与的宏观过程的方向性,进而使人们认识到自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性。,-12-,考点一,考点二,考点三,思维训练 (多选)关于热力学定律,以下说法正确的是( ) A.热力学第一定律是能量守恒定律在热力学中的体现,否定了创造和消灭能量的可能性,告诉我们第一类永动机不可能制成 B.热力学第二定律反映了一切与热现象有关的宏观自然过程都具有方向性,告诉我们第二类永动机不可能制成
8、 C.做功和热传递都能改变物体的内能,根据最后的结果可以区分是做功还是热传递使物体温度升高的 D.热力学第一定律指出内能可以与其他形式的能相互转化,热力学第二定律指出内能不可能完全转化为机械能,故二者是相互矛盾的 E.热力学第一定律和热力学第二定律分别从不同的角度揭示了与热现象有关的物理过程所遵循的规律,二者相互独立,又相互补充,都是热力学的理论基础,答案,解析,-13-,考点一,考点二,考点三,热力学第一定律与理想气体状态方程的综合应用(师生共研) 1.处理方法 (1)气体实验定律研究对象是一定质量的理想气体。 (2)解决具体问题时,分清气体的变化过程是求解问题的关键,根据不同的变化,找出相
9、关的气体状态参量,利用相关规律解决。 (3)对理想气体,只要体积变化,外界对气体(或气体对外界)做功W=pV(压强一定);只要温度发生变化,其内能就发生变化。 (4)结合热力学第一定律U=W+Q求解问题。,-14-,考点一,考点二,考点三,2.解题思路,-15-,考点一,考点二,考点三,例题(多选)一定量的理想气体从状态a开始,经历等温或等压过程ab、bc、cd、da回到原状态,其p-T图像如图所示,其中对角线ac的延长线过原点O。下列判断正确的是( ) A.气体在a、c两状态的体积相等 B.气体在状态a时的内能大于它在状态c时的内能 C.在过程cd中气体向外界放出的热量大于外界对气体做的功
10、D.在过程da中气体从外界吸收的热量小于气体对外界做的功 E.在过程bc中外界对气体做的功等于在过程da中气体对外界做的功,答案,解析,-16-,考点一,考点二,考点三,思维训练 (2018河南郑州质检)一定质量的理想气体从状态A变化到状态B,再变化到状态C,其状态变化过程的p-V图像如图所示。已知该气体在状态A时的温度为27 ,求: (1)该气体在状态B时的温度; (2)该气体从状态A到状态C的过程中与外界交换的热量。,-17-,考点一,考点二,考点三,解析 (1)对于理想气体,在AB过程中,解得TC=300 K,所以tC=27 , A、C温度相等,U=0 AC的过程,由热力学第一定律U=Q+W得: Q=U-W=U-WBC =0-1105210-3 J=-200 J, 即气体与外界交换的热量是200 J。 答案 (1)-173 (2)200 J,