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高二物理第五章 热力学定律鲁教版
【本讲教育信息】
一.教学内容：
§3-3第五章 热力学定律
二、知识重点：
1、掌握热力学第一定律会用△U = W + Q分析和计算问题
2、掌握能量守恒定律的内容和应用
3、了解热力学第二定律的多种表述和应用
4、综合应用热力学定律、能量守恒定律分析物体内能的变化
5、关于能源和可持续发展的部分知识
三、知识难点：
1、热力学第一定律△U = W + Q中各物理量的意义及正负号的确定，这对学生是很困难的，要用收入、支出和结存的观点去分析，要抓住研究对象。
2、能够理解应用能量守恒的观点去分析和解决问题，它的优越性是不管中间过程细节问题，要逐渐培养学生用能量观点解题。
3、对于热力学第二定律的两种表述的内容的理解和等效性
4、综合应用热力学定律解决物体内能变化关系
（一）热力学第一定律及其应用
1、内容：物体内能的增加等于外界对物体所做的功与从外界吸收的热量之和
2、表达式：ΔU= Q + W
符号法则：Q——吸热取“+”，放热取“－”； W——对物体做功取“+”，物体对外界做功取“－”； ΔU——增加取“+”，减少取“－”。
3、第一类永动机：不消耗任何能量而能永远对外做功的机器。第一类永动机不可能实现，因为它违背了热力学第一定律（也可以说是违背了能量守恒定律）
例1.下列说法中正确的是 A、物体吸热后温度一定升高
B、物体温度升高一定是因为吸收了热量 C、0℃的冰化为0℃的水的过程中内能不变
D、100℃的水变为100℃的水汽的过程中内能增大 解：吸热后物体温度不一定升高，例如冰融化为水或水沸腾时都需要吸热，而温度不变，这时吸热后物体内能的增加表现为分子势能的增加，所以A不正确。做功也可以使物体温度升高，例如用力多次来回弯曲铁丝，铁丝弯曲点的温度会明显升高，这是做功增加了物体的内能，使温度上升，所以B不正确。冰化为水时要吸热，内能中的分子动能不变，但分子势能增加，因此内能增加，所以C不正确。水沸腾时要吸热，内能中的分子动能不变但分子势能增加，所以内能增大，D正确。
55例2.一定量的气体从外界吸收了2.6×10J的热量，内能增加了4.2×10J。是气体对外
用心
爱心
专心 界做了功，还是外界对气体做了功？做了多少焦耳的功？如果气体吸收的热量仍为2.6×5510J不变，但是内能只增加了1.6×10J，这一过程做功情况怎样？
解：根据题意得出：
55Q = 2.6×10J，△U =4.2×10J，求：W = ？
55根据△U = W + Q代入可得：4.2×10J = W + 2.6×10J 5 W = 1.6×10J
5W为正值，外界对气体做功，做了1.6×10J的功。
555 第二问中：Qˊ= 2.6×10J，△Uˊ=1.6×10J，计算结果Wˊ=-1.0×10J。这说明气体对外界做功（气体体积变大），做了1.0×10J的功。
例3.关于物体的内能变化，以下说法中正确的是： A、物体吸收热量，内能一定增大 B、物体对外做功，内能一定减小
C、物体吸收热量，同时对外做功，内能可能不变 D、物体放出热量，同时对外做功，内能可能不变
解析：根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，仅知道物体吸热或仅知道物体对外做功，内能的变化无法确定，选项A、B错误。
若物体吸热（Q>0），而对外做功（W
（二）对能量转化与守恒的理解及其应用
1、能量守恒定律：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，在转化或转移的过程中能量总量保持不变。
2、能量守恒定律的地位表达：能量守恒定律是经过人类的长期探索后，在19世纪确立的。恩格斯曾经把这一定律称为“伟大的运动基本定律”，认为它的发现是“19世纪自然科学的三大发现之一”（另两大发现分别是细胞学说和达尔文的生物进化论）。
3、对于“热”这一概念的新理解
（1）摩擦生热――表示机械能转化为内能，这里的“热”字指的是内能。
（2）电熨斗通电后很快热起来――这里的“热”字表示的是冷热程度，表示温度升高的意思。
（3）热功当量――这里的“热”字指的是热量，表示热量与功在改变物体内能数量上具有相当的关系。
（4）热与工农业生产、日常生活有紧密联系――这里的“热”字表示的是物体的一切热现象。
例4.“奋进号”航天飞机进行过一次太空飞行，其主要任务是给国际空间站安装太阳能电池板。该太阳能电池板长L=73m，宽d=12m，将太阳能转化为电能的转化率为η=20%，已
2611知太阳的辐射总功率为P0=3.83×10W，地日距离为R0=1.5×10m，国际空间站离地面的高度为h=370km，它绕地球做匀速圆周运动约有一半时间在地球的阴影内，所以在它能发电的时间内将把所发电的一部分储存在蓄电池内。由以上数据，估算这个太阳能电池板能对国际空间站提供的平均功率是多少？
解：由于国际空间站离地面的高度仅为地球半径的约二十分之一，可认为是近地卫星，h远小于R0，因此它离太阳的距离可认为基本不变，就是地日距离R0。太阳的辐射功率应视
用心
爱心
专心 为均匀分布在以太阳为圆心，地日距离为半径的球面上，由此可以算出每平方米接收到的太22阳能功率I0=P0/4πR0=1.35kW/m（该数据被称为太阳常数），再由电池板的面积和转化率，5可求出其发电时的电功率为P=I0Ldη=2.6×10W，由于每天只有一半时间可以发电，所以平均功率只是发电时电功率的一半即130kW。
例5.下面设想符合能量转化和守恒定律的是
A、利用永久磁铁间的作用力，造一台永远转动的机械 B、做成一条船，利用流水的能量逆水行舟
C、通过太阳照射飞机，即使飞机不带燃料也能飞行 D、利用核动力，驾驶地球离开太阳系 解析：利用磁场能可以使磁铁所具有的磁场能转化为动能，但由于摩擦力的不可避免性，动能最终转化为内能使转动停止，故A错，让船先静止在水中，设计一台水力发电机使船获得足够电能，然后把电能转化为船的动能使船逆水航行；同理可利用光能的可转化性和电能的可收集性，使光能转化为飞机的动能，实现飞机起飞，故BC可选；设计一种利用反冲理论以核动力为能源，使地球获得足够大的能量，挣脱太阳引力的束缚而离开太阳系，故D可选。
（三）热力学第二定律及其应用
1、热力学第二定律的两种表述： 表述一（克劳休斯表述）：不可能使热量由低温物体传递到高温物体，而不引起其他变化（按照热传递的方向性来表述）
表述二（开尔文表述）：不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化。也可表述为第二类永动机是不可能制成的。（机械能与内能转化具有方向性）
这两种表述是等价的，可以从一种表述导出另一种表述，所以他们都称为热力学第二定律。
意义：热力学第二定律揭示了有大量分子参与的宏观过程的方向性。（自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性）
2、热力学第二定律的其它表述：
表述三：第二类永动机是不可能制成的。
（能从单一热源吸收热量，然后全部用来做功，而不引起其他变化的机器，称为第二类永动机。第二类永动机并不违反能量守恒定律，人们为了制造出第二类永动机作出了各种努力，但同制造第一类永动机一样，都失败了。）
3、热机：把内能转化为机械能的装置
表述四：热机效率总是小于100％。
4、能量耗散。自然界的能量是守恒的，但是有的能量便于利用，有些能量不便于利用。很多事例证明，我们无法把流散的内能重新收集起来加以利用。这种现象叫做能量的耗散。它从能量转化的角度反映出自然界中的宏观现象具有方向性。
5、热力学第二定律的微观解释：
一切不可逆过程总是沿着大量分子热运动无序程度增大的方向进行的。能量转化的角度反映出自然界中的宏观现象具有方向性。
例6.（2004年高考科研测试）图中气缸内盛有定量的理想气体，气缸壁是导热的，缸外环境保持恒温，活塞与气缸壁的接触是光滑的，但不漏气。现将活塞杆与外界连接使其缓慢的向右移动，这样气体将等温膨胀并通过杆对外做功。若已知理想气体的内能只与温度有关，用心
爱心
专心 则下列说法正确的是
A、气体是从单一热源吸热，全用来对外做功，因此此过程违反热力学第二定律
B、气体是从单一热源吸热，但并未全用来对外做功，所以此过程不违反热力学第二定律
C、气体是从单一热源吸热，全用来对外做功，但此过程不违反热力学第二定律 D、ABC三种说法都不对 答案：C
（四）热力学第三定律：绝对零度不可达到
宇宙中存在着温度的下限：－273.15℃，以这个下限为起点的温度叫做热力学温度，用T表示，单位是开尔文，符号是K，热力学温度T同摄氏温度t的换算关系是：T = t + 273.15K 虽然实验室中的低温已经非常接近热力学零度了（绝对零度）。大量事实表明：热力学零度不可达到；这个结论称做热力学第三定律。
尽管热力学零度不可能达到，但是只要温度不是绝对零度就总有可能降低。因此，热力学第三定律不阻止人们想办法尽可能地接近绝对零度。
（五）综合应用热力学定律、能量守恒定律分析物体内能的变化
例7.对于一定量的理想气体，下列四个论述中正确的是（）
A、当分子热运动变剧烈时，压强必变大 B、当分子热运动变剧烈时，压强可以不变 C、当分子间的平均距离变大时，压强必变小 D、当分子间的平均距离变大时，压强必变大 答案：C
例8.如图所示，固定容器及可动活塞P都是绝热的，中间有一导热的固定隔板B，B的两边分别盛有气体甲和乙。现将活塞P缓慢地向B移动一段距离，已知气体的温度随其内能的增加而升高，则在移动P的过程中（）
A、外力对乙做功；甲的内能不变 B、外力对乙做功；乙的内能不变
用心
爱心
专心 C、乙传递热量给甲；乙的内能增加 D、乙的内能增加；甲的内能不变 答案：C
【知识扩展】
（六）能源与可持续发展：
1、常规能源与新能源；
常规能源有：煤、石油、天然气等
新能源有：风能、潮汐能、太阳能、原子能、沼气等。
2、常规能源的储备与利用间的关系：
3、常规能源的利用与环境污染
环境污染的种类：大气污染、水污染、噪声污染 具体有：温室效应、酸雨、光化学污染
4、环境污染的防止
（1）什么叫常规能源，常规能源在你所了解的工农业生产、生活中有哪些应用？ 答：煤、石油、天然气叫常规能源。火力发电要消耗煤；交通运输工具的工作要燃烧汽油；烧水做饭要燃烧天然气等等
（2）目前人类所使用的能源主要有哪几种？其中哪些是属于可再生能源？哪些属于不可再生能源？
答：煤、石油、天然气、水能、风能、沼气、太阳能、核能等。其中水能、风能属可再 生能源而石油、煤、天然气、核能属不可再生能源，沼气和太阳能具有取之不尽用之不竭，不污染环境的特点。
（3）为什么说现在世界正面临能源危机？
答：世界能源消费主要以煤、石油、天然气为主，每年的消费量大约相当于80亿吨石油，我国的消费量约占世界的10.8%,其中煤的消耗占世界的26.6%，成为全球第一大煤消费国。而这些能源都是非可再生的。都是地质时代生物固定太阳能积累下来的，用一点少一点。据估计按目前的开采速度，石油、天然气可开采40年左右，煤可开采200——300年左右。虽然太阳能具有取之不尽用之不竭的特点，但它的利用受天气的影响较大，还不能大规模利用。因此世界正面临能源危机。
（4）为什么要大力提倡节能？请你谈谈节能的措施。
答：正是由于上面的世界性的能源危机，使得节能成了世界性的发展趋势。就连世界头号超级大国美国也猛然醒悟，推出一系列节能的新举措，因为每获得1美元国民生产总值，消费的能源为同样情况下的日本、德国的两倍。在我国，能源对国民生产总值的产出率是世界平均水平的1/7。据统计，1952年——1987年，国民收入增长8.9 倍，而同期能耗却增长14.9倍，每获取1美元国民生产总值耗能是世界平均水平的2.3倍。这样造成我国每年多消耗标准煤6亿吨。低水平的利用，单位产值的高耗能。使我国能源浪费很大，但同时也蕴藏着节能的潜力。
而问题并不仅仅在此，节能对减少环境的污染也有重要的意义。如每燃烧一吨煤可产生440千克的二氧化碳，20千克的二氧化硫，260千克灰渣，15千克烟尘。而二氧化硫、二氧化碳又是造成酸雨、加剧温室效应的直接原因。我国北方城市几乎100%的大气悬浮粒超标，25%的城市人口饮用不符合卫生标准的水，这是污染所致。随着我国人口的增加，经济的快速发展，能源需求将会进一步加大，如国民经济按每年8%——9%的速度递增，2010年能源将缺口8亿吨——10亿吨标准煤，占全年总需求量的30%。形势严峻，怎么办？办法是有的，那就是厉行节约能源，开发新能源。①要加大宣传力度，教育人们从自身节约1两油、1度
用心
爱心
专心 电做起，牢记能源有限，浪费一点少一点，树立节能光荣，浪费可耻的观念。②要依靠先进的科学技术加强设备更新，降低能耗，提高能源利用率。
【模拟试题】
1、一定量的气体吸收热量，体积膨胀并对外做功，则此过程的末态与初态相比（）A、气体内能一定增加 B、气体内能一定减小
C、气体内能一定不变 D、气体内能是增是减不能确定
2、如图所示的绝热容器，把隔板抽掉，让左侧气体自由膨胀到右侧直至平衡（）
A、气体对外做功，内能减少，温度降低 B、气体对外做功，内能不变，温度不变
C、气体不做功，内能不变，温度不变，压强减小 D、气体不做功，内能减少，压强减小
3、关于对永动机的认识，下列说法正确的是：（）
A、第一类永动机和第二类永动机都违背了能量守恒定律，所以都不可能制成B、第一类永动机违背了能量守恒定律，第二类永动机没有违背能量守恒定律，因此，随着科学技术的迅猛发展，第二类永动机是可以制成的。
C、第一类永动机违反了热力学第一定律，第二类永动机违反了热力学第二定律，这两类永动机都不可能制成。
D、两类永动机的实质和工作原理是相同的，都是人们的美好设想，是永远不会实现的4、如图所示，两个相通的容器P、Q间装有阀门K、P中充满气体，Q为真空，整个系统与外界没有热交换.打开阀门K后，P中的气体进入Q中，最终达到平衡，则（）
A、气体体积膨胀，内能增加 B、气体分子势能减少，内能增加 C、气体分子势能增加，压强可能不变 D、Q中气体不可能自发地全部退回到P中
5、下列说法中正确的是（）
A、任何物体的内能就是组成物体的所有分子热运动动能的总和
B、只要对内燃机不断改进，就可以把内燃机得到的全部内能转化为机械能 C、做功和热传递在改变内能的方式上是不同的 D、满足能量守恒定律的物理过程都能自发进行
6、对一定质量的气体，下列说法中正确的是 A、温度升高，压强一定增大
B、温度升高，分子热运动的平均动能一定增大
用心
爱心
专心 C、压强增大，体积一定减小
D、吸收热量，可能使分子热运动加剧、气体体积增大
7、关于永动机和热力学定律的讨论，下列叙述正确的是 A、第二类永动机违反能量守恒定律
B、如果物体从外界吸收了热量，则物体的内能一定增加 C、外界对物体做功，则物体的内能一定增加
D、做功和热传递都可以改变物体的内能，但从能量转化或转移的观点来看这两种改变方式是有区别的8、下图为电冰箱的工作原理示意图。压缩机工作时，强迫致冷剂在冰箱内外的管道中不断循环。在蒸发器中致冷剂汽化吸收箱体内的热量，经过冷凝器时致冷剂液化，放出热量到箱体外。下列说法正确的是
A、热量可以自发地从冰箱内传到冰箱外
B、电冰箱的致冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界，是因为其消耗了电能 C、电冰箱的工作原理不违反热力学第一定律 D、电冰箱的工作原理违反热力学第一定律
9、如图，某同学将空的薄金属筒开口向下压入水中。设水温均匀且恒定，筒内空气无泄漏，不计气体分子间相互作用，则被淹没的金属筒在缓慢下降过程中，筒内空气体积减小
A、从外界吸热 B、内能增大 C、向外界放热 D、内能减小
10、关于物体内能的变化情况，下列说法中正确的是()A、吸热的物体，其内能一定增加 B、体积膨胀的物体，其内能一定减少 C、放热的物体，其内能也可能增加 D、绝热压缩的物体，其内能一定增加
11、一定量气体可经不同的过程从状态(P1、V1、T1)变到状态(P2、V2、T2)，已知T2＞T1，则在这些过程中()A、气体一定都从外界吸收热量
B、气体和外界交换的热量都是相等的 C、外界对气体所做的功都是相等的 D、气体内能的变化量都是相等的用心
爱心
专心
12、关于物体的内能，下列说法中正确的是()A、相同质量的两种物体升高相同的温度，内能增量一定相同 B、一定量0℃的水结成0℃的冰，内能一定减少
C、一定量的气体体积增大，但既不吸热也不放热，内能一定减小 D、一定质量的气体吸收热量而保持体积不变，内能一定减小
13、行驶中的汽车制动后滑行一段距离，最后停下；流星在夜空中坠落并发出明亮的光焰；降落伞在空中匀速下降；条形磁铁在下落过程中穿过闭合线圈，线圈中产生电流，上述不同现象中所包含的相同物理过程是()A、物体克服阻力做功
B、物体的势能转化为其他形式的能量 C、物体的动能转化为其他形式的能量 D、物体的机械能转化为其他形式的能量
14、太阳直接射到地面上的辐射功率，在与光垂直的平面上，每平方米的功率约为140W，2若面积为2m，且与阳光垂直的某热水器内有10kg的水，若水的初温为20℃，热效率为80%，3需多长时间才能使水沸腾?(C水＝4.2×10J/kg·℃)
5515、一定量的气体从外界吸收了4.2×10J的热量，内能增加了2.6×10J。是气体对外界做了功，还是外界对气体做了功？做了多少焦耳的功？
用心
爱心
专心
试题答案
1、D2、C3、C4、D5、C6、BD
7、D8、BC9、C10、CD11、D
12、BC13、AD14、解：设时间t内太阳辐射到水面的能量为E＝P0S·t，水吸收的能量为E′＝ηE＝80%P0S·t 又∵ Q吸＝cmΔt，且有 Q吸＝E′ ∴ cmΔt＝80%P0St cm△t4.21031080故 t＝＝s＝15000s.0.814020.8p0s15、解析：引起物体内能变化的物理过程有两种，做功和热传递，由于物体内能的增加量
5小于物体从外界吸收的热量，所以一定存在物体对外界做功。Q＝4.2×10J>0，ΔU＝2.6×555510J>0，根据热力学第一定律：ΔU＝W＋Q得W＝2.6×10J－4.2×10J＝－1.6×10J
用心
爱心
专心
