第5章 热力学定律-第6章 能源与可持续发展 章末整合学案（2020年鲁科版高中物理选修3-3）

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1、章末整合章末整合(第第 5、6 章章) 热力学定律 热力学第一定律 内容 表达式：UWQ 第一类永动机不可能制成 能量转化和守恒定律 发现历程 内容 应用 热力学第二定律 自然过程的方向性 两种表述 克劳修斯表述 开尔文表述 实质：凡是与热现象有关的 宏观过程都具有方向性 第二类永动机不可能制成 熵 物理意义：量度系统的无序程度 熵增加原理 能量退降 能源与可 持续发展 能源、环境与人类生存 能源的开发与环境保护 一、做功、热传递与内能变化的关系 1.做功与热传递的区别与联系 做功和热传递是改变物体内能的两种方式，它们在改变物体的内能上是等效的， 但它们的本质不同.做功是其他形式的能和内能之间

2、的转化，热传递则是物体间 内能的转移. 2.热力学第一定律 正确理解UWQ 的意义及符号含义是解决本类问题的关键. (1)外界对物体做功，W0；物体对外做功，W0；物体放出热量，Q0，则内能增加|U|； U0，则内能减少|U|. 【例 1】 当把打足气的车胎内的气体迅速放出时，会发现车胎气嘴处的温度明 显降低，则在这个过程中( ) A.气体对外做功，同时向外散发热量 B.气体对外做功，车胎内气体温度降低，从外界吸热 C.外界对车胎内气体做功，车胎内气体向外传递热量 D.外界对车胎内气体做功，同时向车胎内气体传递热量 答案 B 解析 气体迅速放出时，短时间内认为 Q0，气体体积膨胀对外做功，W0

3、， 所以 U0，温度降低；因为车胎内温度低于环境温度，所以从外界吸热，故选 项 B 正确. 【例 2】 一定质量的理想气体自状态 A 经状态 C 变化到状态 B.这一过程的 VT 图象表示如图 1 所示，则( ) 图 1 A.在过程 AC 中，外界对气体做功，内能不变 B.在过程 CB 中，外界对气体做功，内能增加 C.在过程 AC 中，气体压强不断变大 D.在过程 CB 中，气体压强不断减小 答案 AC 解析 由图象可知，AC 过程是等温压缩，CB 过程是等容升温，据气态方程 可判断出：AC 过程气体体积变小，外界对气体做功，气体内能不变，气体压 强不断变大；CB 过程气体体积不变，内能增加

4、，显然气体从外界吸热，气体 压强不断增大，故 A、C 正确. 借题发挥 (1)由图象的物理意义，结合pV T C 气体的状态方程，明确气体的状 态变化. (2)根据 UWQ，作出判断. 【例 3】 一定质量的气体从外界吸收了 4.2105 J 的热量，同时气体对外做了 6105 J 的功，问： (1)物体的内能是增加还是减少？变化量是多少？ (2)分子势能是增加还是减少？ (3)分子的平均动能是增加还是减少？ 答案 (1)减少 1.8105 J (2)增加 (3)减少 解析 (1)气体从外界吸热为 Q4.2105 J，气体对外做功 W6105 J，由热 力学第一定律 UWQ(6105 J)(4

5、.2105 J)1.8105 J.U 为负， 说明气体的内能减少了.所以气体内能减少了 1.8105 J. (2)因为气体对外做功，所以气体的体积膨胀，分子间的距离增大了，分子力做 负功，气体分子势能增加了. (3)因为气体内能减少，同时分子势能增加，所以分子平均动能减少. 二、能量守恒定律及应用 1.能量守恒定律：能量既不会消失，也不会创生，它只能从一种形式转化为另一 种形式，或者从一个物体转移到另一个物体，而能量的总值保持不变. 能量守恒定律是自然界普遍适用的规律，不同形式的能可以相互转化. 2.应用能量守恒定律解题的方法和步骤 (1)认清有多少种形式的能(例如动能、势能、内能、电能、化学

6、能、光能等)在相 互转化. (2)分别写出减少的能量 E减和增加的能量 E增的表达式. (3)根据下列两种思路列出能量守恒方程：E减E增. 某种形式的能减少， 一定存在其他形式的能增加， 且减少量和增加量一定相等. 某个物体的能量减少，一定存在其他物体的能量增加，且减少量与增加量一定 相等. (4)解方程，代入数据，计算结果. 【例 4】 在近地的高空中，雨滴几乎是匀速下落的，设在此过程中所产生的热 量有 30%被雨滴吸收，求雨滴在近地下落 40 m 前、后的温度差？(已知 c 4.2103 J/(kg )，g 取 10 m/s2) 答案 升高 0.03 解析 设雨滴的质量为 m 因为雨滴匀速

7、下落，所以雨滴重力势能的减少等于雨滴克服阻力所做的功 雨滴重力势能的减少 Wmgh400m J 转化成雨滴内能的为 QW 400m J30%120m J 由 Qcmt 得 t Q cm0.03 借题发挥 应用能量守恒定律解决问题时， 首先应明确有哪几种能量参与转化或 转移，哪些能量增加，哪些能量减少，然后利用能量守恒的观点列出方程求解. 三、热力学第二定律的应用 1.热力学第二定律的两种表述 (1)按照热传递的方向性表述为：热量不能自发地从低温物体传递到高温物体， 这是热力学第二定律的克劳修斯表述. (2)按照机械能与内能转化的方向性表述为：不可能从单一热源吸收热量，使之 完全变成有用功，而不

8、引起其他变化.这是热力学第二定律的开尔文表述. 2.熵增加原理 (1)一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行. (2)用熵来表示热力学第二定律：在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会 减小. 3.在整个自然界中，无论有无生命，所有宏观的自发过程都具有单向性，都是不 可逆过程.如河水向下游流，重物向下落，房屋由新到旧直至倒塌，人要从婴儿 到老年直至死亡等. 【例 5】 下面关于热力学第二定律的说法中正确的是( ) A.从微观的角度看，热力学第二定律是一个统计规律 B.一切自然过程总是沿着分子热运动无序性减小的方向进行 C.有的自然过程沿着分子热运动无序性增大的方向进行， 有的自然

9、过程沿着分子 热运动无序性减小的方向进行 D.在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小 答案 AD 解析 系统的热力学过程就是大量分子无序运动状态的变化，从微观角度看，热 力学第二定律是一个统计规律， 所以 A 正确； 热力学第二定律的微观意义是“一 切自然过程总是沿着分子热运动无序性增大的方向进行”，所以 B、C 均错误； D 项是在引入熵之后对热力学第二定律微观意义的描述，D 正确. 【例 6】 炎炎夏日，两位同学在充满凉意的空调室内，就空调机的工作过程是 否遵循热力学第二定律的问题发生了争论. 甲同学说：空调机工作时，不断地把热量从室内传到室外，即从低温物体传到高 温物体，可见它并不遵循热力学第二定律. 乙同学说：热力学第二定律是热力学系统的普遍规律，空调机的工作过程不可能 违背它. 两人各执一词，都无法使对方信服.请你对他们的论点作出评价. 答案 空调机工作时，热量是由低温物体传递到高温物体，但不是自发的，要有 压缩机工作， 产生了其它影响， 所以不违背热力学第二定律， 乙同学的观点正确.