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1、第第三三节热力学定律与能量节热力学定律与能量守恒守恒2021/8/9 星期一1一、改一、改变变内能的两种方式内能的两种方式1改改变变内能的两种方式是内能的两种方式是_和和_2做功和做功和热传递热传递改改变变内能是内能是_的，但做功的，但做功是能量的是能量的_，而，而热传递热传递是是_做功做功热传递热传递等效等效转转化化转转移移2021/8/9 星期一2二、热力学第一定律二、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功的和界向它传递的热量与外界对它所做功的和2公式：公式：UWQ正正值值负值负值U内能内能_内能减少内能减少
2、Q吸收吸收热热量量放出放出_W_对对系系统统做做功功系系统对统对外界做功外界做功增加增加热热量量外界外界2021/8/9 星期一33.热热力学第二定律力学第二定律表述一：表述一：_热传导热传导的方向性的方向性表述二：表述二：_机机械能和内能械能和内能转转化化过过程的方向性程的方向性不可能使不可能使热热量从低温物体量从低温物体传传向高温物向高温物体而不引起其他体而不引起其他变变化化不可能从不可能从单单一一热热源吸收源吸收热热量，使之量，使之完全完全变为变为有用功而不引起其他有用功而不引起其他变变化化2021/8/9 星期一4三、能量守恒定律三、能量守恒定律1内容：能量既不会消失，也不会内容：能量
3、既不会消失，也不会创创生，它只能生，它只能从一种形式从一种形式转转化化为为另一种形式，或者从一个物体另一种形式，或者从一个物体转转移到另一个物体，能量的移到另一个物体，能量的总值总值保持不保持不变变2永永动动机机由能量守恒定律知，由能量守恒定律知，_永永动动机不可能制成机不可能制成由由热热力学第二定律知，力学第二定律知，_永永动动机不可能机不可能制成制成第一第一类类第二第二类类2021/8/9 星期一5四、能源与四、能源与环环境境1常常规规能源：能源：_，常常规规能源能源带带来来环环境境污污染染问题问题，如温室效，如温室效应应、酸雨、光化学烟酸雨、光化学烟雾雾等等2新能源的开新能源的开发发：风
4、风能、水能、太阳能、沼能、水能、太阳能、沼气、核能等气、核能等煤、石油、天然气煤、石油、天然气2021/8/9 星期一6课堂互动讲练课堂互动讲练一、改一、改变变物体内能的方式的理解物体内能的方式的理解1与内能相关的物理量的比与内能相关的物理量的比较较概念概念温度温度内能内能(热热能能)热热量量功功含含义义表示物体的冷表示物体的冷热热程度，是物程度，是物体分子平均体分子平均动动能大小的能大小的标标志，志，它是大量分子它是大量分子热热运运动动的集体的集体表表现现，对对个个别别分子来分子来说说，温，温度没有意度没有意义义物体内所有分物体内所有分子子动动能和能和势势能能的的总总和，它是和，它是由大量分
5、子的由大量分子的热热运运动动和分子和分子的相的相对对位置所位置所决定的能决定的能是是热传递过热传递过程程中内能的改中内能的改变变量，量，热热量是用量是用来量度来量度热传递热传递过过程中内能程中内能转转移的多少移的多少做功做功过过程是机程是机械能或其他形械能或其他形式的能和内能式的能和内能之之间间的的转转化化过过程程2021/8/9 星期一7概概念念温度温度内能内能(热热能能)热热量量功功关关系系温度和内能是状温度和内能是状态态量，量，热热量和功量和功则则是是过过程程量量热传递热传递的前提条件是存在温差，的前提条件是存在温差，传递传递的是的是热热量而不是温度，量而不是温度，实质实质上是内能的上是
6、内能的转转移移2021/8/9 星期一82.改变内能的两种方式的比较改变内能的两种方式的比较名称名称比比较项较项目目做功做功热传递热传递内能内能变变化化外界外界对对物体做物体做功，物体的内功，物体的内能增加物体能增加物体对对外界做功，物外界做功，物体的内能减少体的内能减少物体吸收物体吸收热热量，量，内能增加物体内能增加物体放出放出热热量，内量，内能减少能减少2021/8/9 星期一9名称名称比比较项较项目目做功做功热传递热传递物理物理实质实质其他形式的能其他形式的能与内能之与内能之间间的的转转化化不同物体不同物体间间或或同一物体不同同一物体不同部分之部分之间间内能内能的的转转移移相互相互联联系
7、系做一定量的功或做一定量的功或传递传递一定量一定量的的热热在改在改变变内能的效果上是内能的效果上是相同的相同的2021/8/9 星期一10名名师师点睛：点睛：(1)温度、内能、温度、内能、热热量和功是量和功是热热学学中相互关中相互关联联的四个物理量当物体的内能改的四个物理量当物体的内能改变时变时，温度不一定改，温度不一定改变变只有当通只有当通过热传递过热传递改改变变物体内能物体内能时时才会有才会有热热量量传递传递，但能的形，但能的形式没有式没有发发生生变变化化(2)热热量是量是传递过传递过程中的特征物理量，离开程中的特征物理量，离开过过程程谈热谈热量毫无意量毫无意义义就某一状就某一状态态而言，
8、只有而言，只有“内能内能”，根本不存在，根本不存在“热热量量”和和“功功”，因此不能因此不能说说一个系一个系统统中含有中含有“多少多少热热量量”或或“多少功多少功”2021/8/9 星期一11(3)对对于理想气体，由于分子于理想气体，由于分子间间没有相互作用没有相互作用力，没有分子力，没有分子势势能，所以理想气体的内能只能，所以理想气体的内能只与温度和物与温度和物质质的量有关当理想气体体的量有关当理想气体体积积减减小小时时，外界，外界对对气体做功，内能要增加，当理气体做功，内能要增加，当理想气体体想气体体积积增大增大时时，气体，气体对对外界做功，内能外界做功，内能要减小要减小2021/8/9
9、星期一12即即时应时应用用1(2009年高考广年高考广东东卷卷)(1)远远古古时时代，取火是一件困代，取火是一件困难难的事，火一般的事，火一般产产生于雷生于雷击击或磷的自燃随着人或磷的自燃随着人类类文明的文明的进进步，出步，出现现了了“钻钻木取火木取火”等方法等方法“钻钻木木取火取火”是通是通过过_方式改方式改变变物体的内能，把物体的内能，把_转变转变成内能成内能(2)某同学做了一个小某同学做了一个小实验实验：先把空的：先把空的烧烧瓶放入冰箱瓶放入冰箱冷冷冻冻，一小，一小时时后取出后取出烧烧瓶，并迅速把一个气球瓶，并迅速把一个气球紧紧密密地套在瓶地套在瓶颈颈上，然后将上，然后将烧烧瓶放瓶放进进
10、盛盛满热满热水的水的烧烧杯里，杯里，气球逐气球逐渐渐膨膨胀胀起来，如起来，如图图1331所示所示这这是因是因为为烧烧瓶里的气体吸收了水的瓶里的气体吸收了水的_，温度，温度_，体，体积积_2021/8/9 星期一13图图13312021/8/9 星期一14解析：解析：(1)“钻钻木木”的的过过程是做功的程是做功的过过程，是把程，是把机械能机械能转转化化为为内能的内能的过过程；要想取到火必程；要想取到火必须须使温度升高到木使温度升高到木头头的燃点的燃点(2)由由热热力学第一定律知，力学第一定律知，烧烧瓶里的气体吸收瓶里的气体吸收热热量后，气体的内能增加，因而温度升高，量后，气体的内能增加，因而温度
11、升高，体体积积增大增大答案：答案：(1)做功机械能做功机械能(2)热热量升高增量升高增大大2021/8/9 星期一15二、二、热热力学定律的理解力学定律的理解1对热对热力学第一定律的理解力学第一定律的理解(1)热热力学第一定律不力学第一定律不仅仅反映了做功和反映了做功和热传递热传递这这两种改两种改变变内能内能过过程是等效的，而且程是等效的，而且给给出了出了内能的内能的变变化量和做功与化量和做功与热传递热传递之之间间的定量关的定量关系此定律系此定律应应用用时时各量的各量的单单位位应统应统一一(2)对对公式公式UQW符号的符号的规规定定符号符号WQU外界外界对对物体做物体做功功物体吸收物体吸收热热
12、量量内能增加内能增加物体物体对对外界做外界做功功物体放出物体放出热热量量内能减少内能减少2021/8/9 星期一16(3)几种特殊情况几种特殊情况若过程是绝热的，则若过程是绝热的，则Q0，WU，外界，外界对物体做的功等于物体内能的增加对物体做的功等于物体内能的增加若过程中不做功，即若过程中不做功，即W0，则，则QU，物，物体吸收的热量等于物体内能的增加体吸收的热量等于物体内能的增加若过程的始末状态物体的内能不变，即若过程的始末状态物体的内能不变，即U0，则，则WQ0或或WQ，外界对物体做，外界对物体做的功等于物体放出的热量的功等于物体放出的热量2021/8/9 星期一172对热力学第二定律的理
13、解对热力学第二定律的理解(1)在热力学第二定律的表述中，在热力学第二定律的表述中，“自发地自发地”、“不产生其他影响不产生其他影响”的涵义的涵义“自发地自发地”指明了热传递等热力学宏观现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象的方向性，不需要借助外界提供能量的帮助帮助“不产生其他影响不产生其他影响”的涵义是发生的热力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、放境不产生热力学方面的影响如吸热、放热、做功等热、做功等2021/8/9 星期一18(2)热力学第二定律的实质热力学第二定律的实质热力学
14、第二定律的每一种表述，都揭示了大热力学第二定律的每一种表述，都揭示了大量分子参与宏观过程的方向性，进而使人们量分子参与宏观过程的方向性，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程都具有方向性2021/8/9 星期一192021/8/9 星期一203两类永动机的比较两类永动机的比较第一第一类类永永动动机机第二第二类类永永动动机机不需要任何不需要任何动动力或力或燃料，却能不断地燃料，却能不断地对对外做功的机器外做功的机器从从单单一一热热源吸收源吸收热热量，使之完全量，使之完全变变成成功，而不功，而不产产生其他生其他影响的机器影响的机器违违
15、背能量守恒，不背能量守恒，不可能制成可能制成不不违违背能量守恒，背能量守恒，违违背背热热力学第二定力学第二定律，不可能制成律，不可能制成2021/8/9 星期一214.热力学第一定律与第二定律的关系热力学第一定律与第二定律的关系热力学第一定律中，摩擦力做功可以全部转热力学第一定律中，摩擦力做功可以全部转化为内能；热力学第二定律却说明这一内能化为内能；热力学第二定律却说明这一内能在不引起其他变化的情况下不可能完全变成在不引起其他变化的情况下不可能完全变成功热量可以从高温物体自发传向低温物体，功热量可以从高温物体自发传向低温物体，而热力学第二定律却说明热量不能自发从低而热力学第二定律却说明热量不能
16、自发从低温物体传向高温物体第一定律说明在任何温物体传向高温物体第一定律说明在任何过程中能量必定守恒，第二定律却说明并非过程中能量必定守恒，第二定律却说明并非所有能量守恒的过程均可以实现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中过程进行的热力学第二定律是反映自然界中过程进行的方向和条件的一个规律，它指出自然界中出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、缺一不可个定律相辅相成、缺一不可2021/8/9 星期一22即即时应时应用用2.(2011年安徽合肥模年安徽合肥模拟拟)地球上有很多的海水，它地
17、球上有很多的海水，它的的总质总质量量约为约为1.41018吨，如果吨，如果这这些海水的温度降些海水的温度降低低0.1，将要放出，将要放出5.81023焦耳的焦耳的热热量，有人曾量，有人曾设设想利用海水放出的想利用海水放出的热热量使它完全量使它完全变变成机械能来成机械能来解决能源危机，但解决能源危机，但这这种机器是不能制成的，其原种机器是不能制成的，其原因是因是()A内能不能内能不能转转化成机械能化成机械能B内能内能转转化成机械能不化成机械能不满满足足热热力学第一定律力学第一定律C只从只从单单一一热热源吸收源吸收热热量并完全量并完全转转化成机械能的化成机械能的机器不机器不满满足足热热力学第二定律
18、力学第二定律D上述三种原因都不正确上述三种原因都不正确2021/8/9 星期一23解析：解析：选选C.内能可以内能可以转转化成机械能，如化成机械能，如热热机，机，A错误错误；内能；内能转转化成机械能的化成机械能的过过程程满满足足热热力学力学第一定律，即能量守恒定律，第一定律，即能量守恒定律，B错误错误；热热力学力学第二定律告第二定律告诉诉我我们们：不可能从：不可能从单单一一热热源吸收源吸收热热量并把它全部用来做功，而不引起其他量并把它全部用来做功，而不引起其他变变化，化，C正确正确2021/8/9 星期一24经典题型探究经典题型探究题型一题型一热力学第一定律的应用热力学第一定律的应用例例例例1
19、 1(2009年高考江年高考江苏苏卷改卷改编编)(1)若一气泡从若一气泡从湖底上升到湖面的湖底上升到湖面的过过程中温度保持不程中温度保持不变变，则则在在此此过过程中关于气泡中的气体，下列程中关于气泡中的气体，下列说说法正确的法正确的是是_(填写填写选项选项前的字母前的字母)A气体分子气体分子间间的作用力增大的作用力增大B气体分子的平均速率增大气体分子的平均速率增大C气体分子的平均气体分子的平均动动能减小能减小D气体气体组组成的系成的系统统的的熵熵增加增加2021/8/9 星期一25(2)若将气泡内的气体视为理想气体，气泡从若将气泡内的气体视为理想气体，气泡从湖底上升到湖面的过程中，对外界做了湖
20、底上升到湖面的过程中，对外界做了0.6 J的功，则此过程中的气泡的功，则此过程中的气泡_(填填“吸收吸收”或或“放出放出”)的热量是的热量是_J气泡到达湖气泡到达湖面后，温度上升的过程中，又对外界做了面后，温度上升的过程中，又对外界做了0.1 J的功，同时吸收了的功，同时吸收了0.3 J的热量，则此过程中，的热量，则此过程中，气泡内气体内能增加了气泡内气体内能增加了_J.【思路点【思路点拨拨】根据分子根据分子动动理理论论和和热热力学第力学第一定律解决此一定律解决此题题2021/8/9 星期一26【解析】【解析】(1)气泡的上升气泡的上升过过程气泡内的程气泡内的压压强强减小，温度不减小，温度不变
21、变，由玻意耳定律知，上升，由玻意耳定律知，上升过过程中体程中体积积增大，微增大，微观观上体上体现为现为分子分子间间距增大，距增大，分子分子间间引力减小，温度不引力减小，温度不变变所以气体分子的所以气体分子的平均平均动动能、平均速率不能、平均速率不变变，此，此过过程程为为自自发过发过程，故程，故熵熵增大增大D项项正确正确(2)理想气体等温理想气体等温过过程中内能不程中内能不变变，由，由热热力学力学第一定律第一定律UQW，物体，物体对对外做功外做功0.6 J，则则一定同一定同时时从外界吸收从外界吸收热热量量0.6 J，才能保，才能保证证内能不内能不变变而温度上升的而温度上升的过过程，内能增加了程，
22、内能增加了0.2 J.2021/8/9 星期一27【答案】【答案】(1)D(2)吸收吸收0.60.2【规规律律总结总结】(1)当做功和当做功和热传递热传递两种两种过过程程同同时发时发生生时时，内能的，内能的变变化就是要用化就是要用热热力学第力学第一定律一定律进进行行综综合分析合分析(2)做功情况看气体的体做功情况看气体的体积积：体：体积积增大，气体增大，气体对对外做功，外做功，W为负为负；体；体积缩积缩小，外界小，外界对对气体气体做功，做功，W为为正若与外界正若与外界绝热绝热，则则不不发发生生热热传递传递，此，此时时Q0.2021/8/9 星期一28题型二题型二热力学第二定律的应用热力学第二定
23、律的应用下列下列说说法中正确的是法中正确的是()A热热量不能由低温物体量不能由低温物体传递传递到高温物体到高温物体B外界外界对对物体做功，物体的内能必定增加物体做功，物体的内能必定增加C第二第二类类永永动动机不可能制成，是因机不可能制成，是因为违为违反了能反了能量守恒定律量守恒定律D不可能从不可能从单单一一热热源吸收源吸收热热量并把它全部用来量并把它全部用来做功，而不引起其他做功，而不引起其他变变化化例例例例2 22021/8/9 星期一29【思路点【思路点拨拨】一定条件下，一定条件下，热热量能不能由量能不能由低温物体低温物体传传向高温物体呢？物体内能的向高温物体呢？物体内能的变变化，化，是不
24、是一定有外界是不是一定有外界对对物体做功呢？世界上是物体做功呢？世界上是否存在着效率否存在着效率为为100%的的热热机呢？机呢？2021/8/9 星期一30【解析】【解析】根据根据热热力学第二定律，力学第二定律，热热量不能量不能自自发发地由低温物体地由低温物体传递传递到高温物体，但在一到高温物体，但在一定条件下，定条件下，热热量可以由低温物体量可以由低温物体传传向高温物向高温物体，例如体，例如电电冰箱的工作冰箱的工作过过程，故程，故选项选项A错误错误；根据根据热热力学第一定律，物体内能的力学第一定律，物体内能的变变化取决化取决于吸收或放出的于吸收或放出的热热量和做功的正量和做功的正负负两个因素
25、，两个因素，所以所以选项选项B错误错误；第二；第二类类永永动动机不机不违违反能量守反能量守恒定律，而恒定律，而违违反了反了热热力学第二定律，力学第二定律，选项选项C错错误误；选项选项D是是热热力学第二定律的表述形式之一，力学第二定律的表述形式之一，是正确的是正确的2021/8/9 星期一31【答案】【答案】D【规规律律总结总结】热热力学第二定律重在理解，力学第二定律重在理解，应应熟熟记记两种表述，并理解两种表述的等效性，两种表述，并理解两种表述的等效性，应应抓住抓住热热力学第二定律的力学第二定律的实质实质，即自然界中，即自然界中进进行的所有涉及行的所有涉及热现热现象的宏象的宏观过观过程都具有方程都具有方向性向性2021/8/9 星期一322021/8/9 星期一33