新教材 人教版高中物理选择性必修第三册 第三章 热力学定律 知识点考点重点难点提炼汇总.pdf

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“思考与讨论”答案提示:57这种永动机是在一个轮子的边缘等距离地安装12根活动短杆,杆端分别套上一个重球,无论轮子转到什么位置,右边的各个重球总比左边的各个重球离轴心更远一些。设想,右边甩过去的重球作用在离轴较远的距离上,就会迫使轮子按照箭头所示的方向永不停息地旋转下去,至少转到轮轴磨坏时为止。但是,实际上轮子转动一两圈后就停了下来,在这种永动机的设计中,我们总可以找到一个平衡位置,在这个位置上,各个力恰好相互抵消,不再有任何推动力使它运动,永动机必然会在这个平衡位置上静止下来,变成不动机。“永久”的发电机。设计思想如下:先利用外界供给的电能,使电动机转动,再让电动机带动发电机发电。发电机发电后,一部分电供给电动机继续使用,电动机不再利用外界供给的电能;一部分电能供用户使用。这样,一旦这个发电机发出电来,它就可以不再使用外界的能量,自己“源源不断”地发出电来。用能的转化和守恒的知识分析说明,这样的“永动机”能实现吗?提示:上述设想的能量转化过程是这样的,电能→机械能→电能→机械能+电能(用户)。根据能量既不会凭空产生,也不会凭空消失,它只能从一种形式转化为别的形式,或者从一个物体转移到别的物体,所以上述能量转化中均应是守恒的,一旦发电机发出电来不再使用外界能量是不可能的,这种永动机不能实现。(1)各种运动形式都有对应的能:机械运动有机械能,分子的热运动有内能,还有诸如电磁能、化学能、原子能等。(2)各种形式的能,通过某种力做功可以相互转化。例如,利用电炉取暖或烧水,电能转化为内能;煤燃烧,化学能转化为内能;列车刹车后,轮子温度升高,机械能转化为内能。。例如,物体的机械能守恒,必须是只有重力或系统内的弹力做功;而能量守恒定律是没有条件的,它是一切自然现象都遵守的基本规律。:..如果没有外界热源供给热量,则有-U=W,就是说,如果系统内能减少,21即U<U,则W<0,系统对外做功是要以内能减少为代价的。若想源源不断地做21功,就必须使系统不断回到初始状态,在无外界能量供给的情况下是不可能的。2】如图所示为冲击摆实验装置,一质量为m的子弹以射入质量为0M的沙箱后与沙箱合为一体,共同摆起一定高度h,则整个过程中子弹和沙箱由于相互作用所产生的内能为多少?(不计空气阻力)思路点拨:(1),损失的动能转化为内能。(2)子弹与沙箱合为一体共同上升过程中,动能转化为重力势能。[解析],损失动能,转化为系统内能,由能量守恒定律得11U=mv2-(M+m)v2①202由于子弹和沙箱相互作用的时间极短,它们一起从最低点以v做圆周运动,满足机械能守恒,即1(M+m)v2=(M+m)gh②21由①②解得ΔU=mv2-(M+m)gh。201[答案]mv2-(M+m)gh20利用能量守恒定律解题的方法在应用能量守恒定律处理问题时,首先要弄清系统有多少种能量相互转化,分析哪种形式的能量增加了,哪种形式的能量减少了;或者弄清哪个物体的能量增加,哪个物体的能量减少,增加量等于减少量。:..(1)内容:热量不能自发地从低温物体传到高温物体。即传热的过程具有方向性。(2)传热的方向性①热量可以自发地由高温物体传给低温物体。②热量不能自发地由低温物体传给高温物体。③一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的。说明:“自发”,就是不需要任何第三者介入,就能发生。(1)热机①热机工作的两个阶段:第一个阶段是燃烧燃料,把燃料中的化学能变成工作物质的内能。第二个阶段是工作物质对外做功,把自己的内能变成机械能。②热机的效率:热机输出的机械功与燃料产生的热量Q的比值。用公式表W示:=。Q(2)开尔文表达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。(该表述阐述了机械能与内能转化的方向性)注意:热力学第二定律的克劳修斯和开尔文表述是等价的。二、:有序度较高(集中度较高)的能量转化为内能,流散到环境中无法重新收集起来加以利用的现象。,是无序程度较小的状态向无序程度较大的状态的转化,是能够自动发生、全额发生的。。:..际上是将能量从高度有用的高品质形式降级为不大可用的低品质形式。,但能源会逐步减少,因此能源是有限的资源。热力学第二定律“”是大家非常熟悉的成语,如图所示,这其中包含什么物理知识呢?提示:当手伸到火中拿栗子时会被灼伤,即热量从火传到了手上,从而使手的温度升高,这是由热现象的方向性决定的,绝对不会出现手伸到火中后,热量从手上传到火中,而使手的温度降低,而火的温度更高的情况。,正确地理解“自发地”“不产生其他影响”的确切含义是理解热力学第二定律的关键所在。(1)“自发地”过程就是不受外来干扰进行的自然过程,如重物下落、植物的开花结果等都是自然界客观存在的一些过程,它不受外界干扰。在传热过程中,热量可以自发地从高温物体传向低温物体,却不能自发地从低温物体传向高温物体。要将热量从低温物体传向高温物体,必须有“对外界的影响或有外界的帮助”,就是要有外界对其做功才能完成。电冰箱就是一例,它是靠电流做功的帮:..“不产生其他影响”的含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。如吸热、放热、做功等。2.(1)热机:把内能转化成机械能的一种装置。如蒸汽机把水蒸气的内能转化为机械能;内燃机把燃烧后的高温高压气体的内能转化为机械能。(2)热机的工作原理工作物质从热库吸收热量,推动活塞做功W,然后排出废气,同时把热量1Q散发到冷凝器或大气中。2根据能量守恒有Q=W+Q。12(3)热机的效率把热机做的功W与它从热库中吸收的热量Q的比值叫作热机的效率,用1W表示,有η=。Q1因为Q=W+Q,所以Q>W,η<1。121这说明热机不可能把吸收的热能全部转化为机械能,总有一部分要散失到冷凝器或大气中。(4)特别提示:①热机必须有热源和冷凝器。②热机不能把它得到的全部内能转化为机械能。③因热机工作时,总要向冷凝器散热,不可避免地要释放一部分热量Q,所2以总有Q>W。1④热机的效率不可能达到100%,即使是理想热机,没有摩擦,也没有漏气等能量损失,它也不可能把吸收的热量百分之百地转化为机械能,总要有一部分热量散发到冷凝器或大气中。,都揭示了大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程都具有方向性。,即一个说法是正确的,另一个说法也必然是正确的;如:..】(多选)根据热力学第二定律,下列说法正确的是(),,热量不可能自发地从低温物体传递给高温物体思路点拨:(1)100%。(2)对“自发”的正确理解。ACD[手段进行能量转化,热机的效率不可能达到100%,故热机中燃气的内能不能全部转化为机械能,故A正确;火力发电机发电时,能量转化的过程为内能→机械能→电能,因为内能→机械能的转化过程中会对外放出热量,故燃气的内能必然不能全部转变为电能,故C正确;热量从低温物体传递到高温物体不能自发进行,必须借助外界的帮助,结果会带来其他影响,这正是热力学第二定律第一种(克劳修斯)表述的主要思想,故D正确。]理解热力学第二定律的实质,即自然界中进行的所有涉及热现象的宏观过程都具有方向性。理解的关键在于“自发”和“不产生其他影响”。能源是有限的如图,质量和温度相同的水,分别处于固态、液态和气态三种状态下,它们的熵的大小有什么关系?为什么?气体液体固体提示:根据大量分子运动对系统无序程度的影响,热力学第二定律又有一种表述:由大量分子组成的系统自发变化时,总是向着无序程度增加的方向发展,:..至少无序程度不会减少。这就是说,任何一个系统自发变化时,系统的熵要么增加,要么不变,但不会减小。质量相同,温度相同的水,可以由固体自发地向液态、气态转化,所以,气态时的熵最大,其次是液态,固态时的熵最小。(1)各种形式的能最终都转化为内能,流散到周围的环境中,分散在环境中的内能不管数量多么巨大,它也不过只能使地球、大气稍稍变暖一点,却再也不能驱动机器做功了。(2)从可被利用的价值来看,内能较之机械能、电能等,是一种低品质的能量。由此可知,能量耗散虽然不会导致能量的总量减少,却会导致能量品质的降低,实际上是将能量从高度有用的形式降级为不大可用的形式。(3)能量耗散导致可利用能源减少,所以要节约能源。(1)熵是无序程度的量度:根据熵的含义,热力学系统处于非平衡态时的粒子热运动有一定的有序性,因此,其熵值较小;当其达到平衡态后,其粒子热运动的无序性达到极高程度,使其熵值达到最大值。(2)热力学系统演化的方向性:对于绝热或孤立的热力学系统而言,所发生的是由非平衡态向着平衡态的变化过程,因此,总是朝着熵增加的方向进行,或者说,一个孤立系统总是从熵小的状态向熵大的状态发展,这就是熵增加原理,也就是热力学第二定律的另一种表述形式。如果过程可逆,则熵不变;如果过程不可逆,则熵增加,熵增加原理的适用对象是对于孤立系统,如果是非孤立系统,熵有可能减少。【例2】(多选)下列关于能量耗散的说法正确的是(),,:(1)能量转化与转移是守恒的。(2)能量耗散使品质降低,不好利用。BCD[能量耗散是能量在转化的过程中有一部分以内能的形式被周围环境吸收,遵守能量守恒定律,但使得能量品质降低,选项A错误,D正确;耗散的内:..能无法再被利用,选项B正确;其他形式的能在一定的条件下可以全部转化为内能,但相反过程却不能够全额进行,选项C正确。故B、C、D正确。]能量耗散不仅遵循能量守恒定律,而且从能量转化的角度反映出自然界的宏观过程具有方向性。章末复习提高[提升层·能力强化]:ΔU=Q+W。(1)各物理量符合的意义物理量ΔUWQ大于零物体的内能增加外界对物体做功物体吸热小于零物体的内能减少物体对外界做功物体放热物体对外界(或外界对物等于零物体的内能不变物体与外界绝热体)不做功(2)应用热力学第一定律应注意的问题①只有绝热过程Q=0,ΔU=W,用做功可判断内能的变化。:..②只有在气体体积不变时,W=0,ΔU=Q,用吸热、放热情况可判断内能的变化。③若物体内能不变,即ΔU=0,W和Q不一定等于零,而是W+Q=0,功和热量符号相反,大小相等,因此判断内能变化问题一定要全面考虑。④对于气体,做功W的正负一般要看气体体积变化情况,气体体积缩小,W>0;气体体积增大,W<0。【例1】(多选)对于一定质量的理想气体,下列说法正确的是(),,,,气体的压强为零pV思路点拨:(1)由=C可知,P、V、T三者的变化关系。T(2)利用ΔU=W+Q可以判定W、Q、ΔU的变化,还要注意符号法则。AC[一定质量的理想气体的内能仅与温度有关,若气体的压强和体积都不pV变,则温度不变,其内能也一定不变,A正确;由=C知,气体的温度不断升T高,压强不一定增大,B错误;根据热力学第一定律有ΔU=Q+W,气体温度升高1K,ΔU相同,等容过程W=0,等压过程,体积增大,则W<0,故等容过程所吸收的热量一定小于等压过程所吸收的热量,C正确;气体的压强是由于分子不断撞击器壁而产生的,与是否失重无关,D错误。](1)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,气体对外做功,W<0,反之,气体对内做功,W>0)。(2)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ΔU>0,反之,内能减少ΔU<0)。:..(1)传热具有方向性两个温度不同的物体进行接触时,热量会自发地从高温物体传给低温物体,而低温物体不可能自发地将热量传给高温物体。要实现低温物体向高温物体传递热量,必须借助外界的帮助,来产生其他影响或引起其他变化。(2)气体的扩散现象具有方向性两种不同的气体可以自发地进入对方,最后成为均匀的混合气体,但这种均匀的混合气体,绝不会自发地分开,成为两种不同的气体。(3)机械能和内能的转化过程具有方向性物体在水平面上运动,因摩擦而逐渐停下来,但绝不可能出现物体吸收原来传递出去的热量后,在地面上重新运动起来。(4)气体向真空膨胀具有方向性气体可自发地向真空容器膨胀,但绝不可能出现气体自发地再从容器中流回,使容器变为真空。,要注意理解其本质,即热力学第二定律是对宏观自然过程进行方向的说明。凡是对这种宏观自然过程进行方向的说明,都可以作为热力学第二定律的表述。本章对热力学第二定律的表述很多,这些不同形式的表述都是等价的。【例2】(多选)下列说法正确的是(),,但不产生其他影响思路点拨:(1)看能否自发完成。(2)看是否有其他影响或变化。BC[有外界的帮助和影响,热量可以从低温物体传给高温物体,空调消耗的电能必大于室内温度降低所放出的热量,A错误,B正确;不可能通过给物体加热而使它运动起来但不产生其他影响,这违背了热力学第二定律,D错误,C正确。](1)自然界中一切与热现象有关的宏观过程都具有方向性,都是不可逆的。:..(2)理解的关键是“自发”和“不产生其他影响”。