第十三 熱力學(xué)定律
1.本主要是研究熱和功間的關(guān)系、熱力學(xué)第一第二定律，了解能的開發(fā)利用，以拓寬同學(xué)們的視野。
2.本主要是以以前學(xué)習(xí)過的內(nèi)容為基礎(chǔ)，研究功與能間的關(guān)系，以熱力學(xué)定律為基礎(chǔ)結(jié)合各種能量間關(guān)系的計算。
3.高考中以選擇題形式考查對基礎(chǔ)知識的理解，以計算題形式計算能量間的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移關(guān)系。
第一時 熱力學(xué)定律
【要求】
1．理解熱力學(xué)第一定律和能量守恒定律。
2．知道熱力學(xué)第二定律，知道能與環(huán)境的關(guān)系，了解新能的開發(fā)和利用。
【知識再現(xiàn)】
一、功和能
做功與熱傳遞在改變內(nèi)能方面二者是等價的．做功時內(nèi)能與其它形式的能相互轉(zhuǎn)化．熱傳遞是不同物體(或一個物體的不同部分)之間內(nèi)能的轉(zhuǎn)移。
二、熱力學(xué)第一定律
功、熱量跟內(nèi)能改變之間的定量關(guān)系△U＝W+Q。
三、能的轉(zhuǎn)化和守恒定律
1．能量既不能憑空產(chǎn)生，也不能憑空消失，它只能從一種形式 為另一種形式或從 到另一個物體。
2．不消耗任何能量，卻不斷地對外做功的機器叫 ，它違背了能的 ，因此這種機器 制造出。
四、熱力學(xué)第二定律
1．熱力學(xué)第二定律的兩種表述
表述一，不可能使 由低溫物體傳遞到 而不引起其他 。
表述二：不可能從 并把它全部用對外 而不引起其他變化。
2．第二類永動機：只從 吸取熱量，使之全部用做功，而不引起其他變化的熱機。
五、能的開發(fā)利用
1．能與人類發(fā)展關(guān)系是： 。
2．能與環(huán)境的關(guān)系是： 。
3． 等為新能。
知識點一溫度、熱量、功、內(nèi)能
功、熱量是能量轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)移的量度，是與內(nèi)能的變化相聯(lián)系的，是過程量．內(nèi)能是狀態(tài)量．物體的內(nèi)能大，并不意味著物體一定會對外做功或向外傳遞熱量，或者做的功多，傳遞的熱量多．只有物體的內(nèi)能變化大的過程中做的功或傳遞的熱量才會多．溫度只是分子平均動能的標(biāo)志．物體的內(nèi)能除與溫度有關(guān)外，還與物體的物質(zhì)的量、體積、物態(tài)等因素有關(guān)．
【應(yīng)用1】判斷下列各種說法是否正確( )
A．物體從10℃變?yōu)?℃，其熱量減少了．
B．物體從10℃變?yōu)?℃，放出了一定的內(nèi)能．
C．物體從10℃變?yōu)?℃，其內(nèi)能減少了．
D．物體從10℃變?yōu)?℃，物體可能釋放了一定熱量．
導(dǎo)示:熱量是在有熱交換過程中內(nèi)能轉(zhuǎn)移的物理量，物體沒有熱量減少的說法，A錯。B中也只能說是放出了熱量，而不是內(nèi)能，B錯。物體的內(nèi)能不僅與溫度有關(guān)，還與體積有關(guān)，C錯。物體溫度降低，可能向外傳熱，也可能有做功過程，D正確。
熱力學(xué)問題中，一樣要區(qū)分過程量與狀態(tài)量之間的關(guān)系，
知識點二熱力學(xué)第一定律
物體內(nèi)能的增量△U等于外界對物體做的功W和物體吸收的熱量Q的總和．表達(dá)式：W十Q＝△U
【應(yīng)用2】關(guān)于物體內(nèi)能及其變化，下列說法中正確的是 ( )
A．物體的溫度改變時，其內(nèi)能必定改變
B．物體對外做功，其內(nèi)能不一定改變；向物體傳遞熱量，其內(nèi)能不一定改變
C．對物體做功，其內(nèi)能必定改變；物體向外傳出一定熱量其內(nèi)能必定改變
D．若物體與外界不發(fā)生熱交換，則物體的內(nèi)能必定不改變
導(dǎo)示: 物體的內(nèi)能不僅與溫度有關(guān)，還與體積有關(guān)，溫度改變，內(nèi)能不一定變化，A錯。改變物體內(nèi)能有兩種方式：做功與熱傳遞。物體對外做功，其內(nèi)能不一定改變；同樣向物體傳遞熱量，其內(nèi)能不一定改變，B正確，CD錯。故選B。
符號法則：外界對物體做功，物體體積減小，W取正值；物體對外界做功，物體體積增大，W取負(fù)值．物體吸收熱量，Q取正值；物體放出熱量，Q取負(fù)值；物體內(nèi)能增加，△U取正值，物體內(nèi)能減少，△U取負(fù)值．
知識點三能量守恒定律
能量是量度物體運動的物理量，不同形式的能與不同的運動形式相對應(yīng)．如：內(nèi)能與分子熱運動相對應(yīng)，電能與電荷運動相對應(yīng)等．能的轉(zhuǎn)化一定要通過做功才能實現(xiàn)，而能的轉(zhuǎn)移要通過某種形式的傳遞完成．不同形式能的轉(zhuǎn)化，意味著物體的運動由一種形式轉(zhuǎn)化成了另一種形式，因此，能量守恒是溝通不同運動的重要紐帶．
【應(yīng)用3】如圖所示，容器A、B各有一個自由移動的輕活塞，活塞下面是水，上面是大氣，大氣壓恒定，A、B的底部由帶著閥門的管道相連，整個裝置與外界絕熱，開始時，A中的水面比B中的高，打開閥門，使A中的水逐漸向B中流，最后達(dá)到平衡，在這個過程中（ ）
A．大氣壓力對水做功，水的內(nèi)能增加
B．水克服大氣壓力做功，水的內(nèi)能減少
C．大氣壓力對水不做功，水的內(nèi)能不變
D．大氣壓力對水不做功，水的內(nèi)能增加
導(dǎo)示: 大氣壓力對左側(cè)水做功，同時右側(cè)水對大氣做功， 可知兩者做功相等，所以大氣對水做功為零。而水的內(nèi)能增加的原因是因為重力對水做了功，轉(zhuǎn)化成了水的內(nèi)能。故ABC錯，D正確。
各種形式的能在轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移中總能量守恒是無條的，而某種或某幾種形式的能的守恒是有條的，如：在只有重力和彈力做功時，機械能才守恒，對此應(yīng)予以注意．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，如：相互摩擦的系統(tǒng)中，一對滑動摩擦力所做的總功是負(fù)值，因此使系統(tǒng)的機械能減少，內(nèi)能增加，摩擦力所做總功的絕對值等于滑動摩擦力與相對位移的乘積，即等于系統(tǒng)損失的機械能．同理，若某個物體的能量減少，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，這也是列能量守恒定律方程式的兩條基本思路．
知識點四熱力學(xué)第二定律
熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律是熱力學(xué)知識的基礎(chǔ)理論．熱力學(xué)第一定律指出任何熱力學(xué)過程中能量守恒，而對過程沒有其他限制。熱力學(xué)第二定律指明哪些過程可以自發(fā)的發(fā)生，哪些過程不可能自發(fā)的發(fā)生，如：第二類永動機不可能實現(xiàn)，熱機效率不可能是100％，熱現(xiàn)象過程中能量耗散是不可避免的，宏觀的實際的熱現(xiàn)象過程是不可逆的．
【應(yīng)用4】下列說法中正確的是（ ）
A．熱量能自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體
B．熱量不能從低溫物體傳到高溫物體
C．熱傳導(dǎo)是有方向的
D．能量耗散說明能量是不守恒的
導(dǎo)示: 熱量能自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體，而從低溫物體傳到高溫物體則必需有一定的條，A對B錯。熱傳導(dǎo)具有方向性，C正確。所有物理現(xiàn)象都遵循能的轉(zhuǎn)化與守恒定律，D錯。故選AC。
熱力學(xué)第二定律有多種表述，但無論用什么方式表述，都是揭示了自然界的基本規(guī)律：一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的實際宏觀過程都是不可逆的．
類型一熱力學(xué)第一定律的應(yīng)用
物體內(nèi)能的增加與否，不能單單只看做功或者熱傳遞，要將二者結(jié)合起，內(nèi)能的變化由△U＝W+Q得到．應(yīng)用熱力學(xué)第一定律時，注意正確判斷△U、W、Q的正負(fù)號。
【例1】在溫度均勻的液體中，一個小氣泡由液體的底層緩慢地升到液面，上升過程中氣泡的體積不斷地增大，則氣泡在浮起的過程中( )
A．放出熱量 B．吸收熱量
C．不吸熱也不放熱 D．無法判斷
導(dǎo)示: 氣體分子之間的距離很大，相互作用力很小，對氣體說，氣體的狀態(tài)變化時，分子勢能幾乎不變．所以，一定質(zhì)量的氣體的內(nèi)能的變化，就是氣體分子熱運動的動能總和的變化，即由溫度的變化決定．在溫度均勻的液體中，一個小氣泡由液體的底層緩慢地升到液面的過程中，小氣泡溫度不變，其內(nèi)能增量△U＝0．上升過程中，氣泡的體積不斷增大，氣體對外做功，即有W<0，根據(jù)熱力學(xué)第一定律，可知Q>0，所以氣泡在浮起的過程中，吸收熱量，因此選項B正確．
物體處于大氣環(huán)境中，做功的一個顯著特點是物體的體積發(fā)生了變化，體積增大，物體對外做功，體積減小，外界對物體做功。
類型二能量守恒定律的應(yīng)用
通過做功把其他形式的能量(特別是機械能)轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的問題是一類重要的綜合題．解這類綜合題的關(guān)鍵在于弄清內(nèi)能的．如：在機械能與內(nèi)能相互轉(zhuǎn)化的過程中，轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的往往不是研究對象的全部機械能，而是系統(tǒng)損失的機械能．
【例2】直立容器內(nèi)部有被隔開的AB兩部分氣體,A的密度小,B的密度大,抽去隔板,加熱氣體,使這兩部分氣體均勻混合,設(shè)在此過程中氣體吸熱Q,氣體內(nèi)能增量為ΔU,則
A.ΔU=Q B.ΔU<Q C.ΔU>Q D.無法比較
導(dǎo)示:AB混合前重心在中線以下，混合后重心在中線上，所以系統(tǒng)重力勢能增大.吸收熱量的一部分轉(zhuǎn)化為重力勢能，故ΔU<Q。故選B。
此類問題往往會結(jié)合平拋運動、圓周運動、相對運動、電磁感應(yīng)等力、電知識，需要綜合運用系統(tǒng)能量守恒等重要規(guī)律，是高考中的一個重點．
1．在一個與外界沒有熱交換的房間內(nèi)打開冰箱門,冰箱冰箱正常工作,過一段時間房間內(nèi)的溫度將如何變化?（ ）
A.降低 B.升高 C.不變 D.無法判斷
2．下列說法中正確的是( )
A．自然界中進行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性
B．根據(jù)熱力學(xué)第二定律，可以發(fā)明一種機器將散失的能量重新收集、重新利用
C．可以用特殊的方法，使熱機效率達(dá)到100％
D．冰箱可以實現(xiàn)熱量從低溫物體傳給高溫物體，所以熱力學(xué)第二定律不正確
3．如圖,密閉絕熱容器內(nèi)有一絕熱的具有一定質(zhì)量的活塞,活塞的上部封閉著氣體,下部為真空,活塞與器壁的摩擦忽略不計.置于真空中的輕彈簧的一端固定于容器的底部,另一端固定在活塞上.彈簧被壓縮后用繩扎緊,此時彈簧的彈性勢能為Ep(彈簧處在自然長度時的彈性勢能為0 ).現(xiàn)繩突然斷開,彈簧推動活塞向上運動,經(jīng)過多次往復(fù)運動后,活塞靜止,氣體達(dá)到平衡狀態(tài).經(jīng)過此過程（ ）
A. Ep全部轉(zhuǎn)換為氣體的內(nèi)能
B. Ep一部分轉(zhuǎn)換成活塞的重力勢能,其余部分仍為彈簧的彈性勢能
C. Ep全部轉(zhuǎn)換成活塞的重力勢能和氣體的內(nèi)能
D. Ep一部分轉(zhuǎn)換成活塞的重力勢能,一部分轉(zhuǎn)換為氣體的內(nèi)能,其余部分仍為彈簧的彈性勢能
參考答案：
1．B 2．A 3．D
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