2021-2022学年高二物理人教版选修3-3学案：10.7 热力学定律

学案7 章末总结
一、热力学第确定律的综合应用
热力学第确定律揭示了内能的增量(ΔU )与外界对物体做功(W )和物体从外界吸取热量(Q )之间的关系，即ΔU ＝W ＋Q ，正确理解公式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，W >0；物体对外做功，W <0； (2)物体从外界吸热，Q >0；物体放出热量，Q <0； (3)ΔU >0，物体的内能增加；ΔU <0，物体的内能削减．
分析题干，确定内能转变的方式(W 、Q )→推断W 、Q 的符号→代入公式ΔU ＝W ＋Q →得出结论
⎩
⎪⎨⎪⎧
ΔU >0，则内能增加ΔU ；ΔU <0，则内能削减|ΔU |. 例1 如图1所示，确定质量的抱负气体从状态A 经等压过程到状态B .此过程中，气体压强p ＝1.0×105 Pa 不变，吸取的热量Q ＝7.0×102 J ，求此过程中气体内能的增量．
图1
解析 等压变化过程有V A T A ＝V B
T B ，对外做的功W ＝p (V B －V A )
依据热力学第确定律有ΔU ＝Q －W ， 代入数据解得ΔU ＝5.0×102 J.
答案 5.0×102 J
针对训练1 如图2所示，p －V 图中，确定质量的抱负气体由状态A 经过程Ⅰ变至状态B 时，从外界吸取热量420 J ，同时膨胀对外做功300 J ．当气体从状态B 经过程Ⅱ回到状态A 时，外界压缩气体做功200 J ，推断此过程中气体是吸热还是放热，并求出热量变化的多少．
图2
答案 放热 320 J
解析 确定质量的抱负气体由状态A 经过程Ⅰ变至状态B 时，从外界吸取的热量Q 1大于气体膨胀对外做的功W 1，气体内能增加，由热力学第确定律可知，气体内能的增加量为
ΔU ＝Q 1－W 1＝420 J －300 J ＝120 J
气体由状态B 经过程Ⅱ回到状态A 时，气体内能将削减120 J ，而此过程中外界又压缩气体做了W 2＝200 J 的功，因而气体必向外界放热，放出的热量为 Q 2＝ΔU ′－W 2＝(－120 J)－200 J ＝－320 J 即此过程中气体放出的热量是320 J. 二、热力学其次定律
1．热力学其次定律的两种表述
(1)依据热传递的方向性表述为：热量不能自发地从低温物体传到高温物体，这是热力学其次定律的克劳修斯表述．
(2)依据机械能与内能转化的方向性表述为：不行能从单一热库吸取热量，使之完全变成功，而不产生其他影响．这是热力学其次定律的开尔文表述． 2．热力学其次定律的微观意义
(1)一切自发过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行．
(2)用熵来表示热力学其次定律：在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小． 3．分析此类问题的方法
把握热力学其次定律时，要留意理解其本质，即热力学其次定律是对宏观自然过程进行方向性的说明．凡是对这种宏观自然过程进行方向性的说明，都可以作为热力学其次定律的表述．本章对热力学其次定律的表述很多，这些不同形式的表述都是等价的．
例2下列有关热力学其次定律的说法正确的是()
A．气体自发地集中运动总是向着更为无序的方向进行，是可逆过程
B．其次类永动机虽然不违反能量守恒定律，但它是制造不出来的
C．空调既能制冷又能制热，说明热传递不具有方向性
D．确定质量的抱负气体向真空自由膨胀时，体积增大，熵减小
答案B
解析与温度有关的一切热现象的宏观过程都是不行逆的，A项错误；热量不能自发地由高温物体传到低温物体，空调机里的压缩机工作，消耗了电能，产生了其他影响，C项错误；确定质量的抱负气体向真空自由膨胀时，体积增大，熵增大，D项错误．只有B项正确．
针对训练2热力学其次定律指出：内能与机械能的转化具有方向性．请结合熵的变化加以解释．
答案见解析
解析机械运动是宏观状况下物体在空间位置上的变化，物体运动状态的变化完全遵循牛顿运动定律，这是一种有序的运动．热运动是大量分子的无序运动，机械运动向热运动的转化，属于从有序向无序的转化，熵增加，符合热力学规律，因此机械能可以全部转化为内能．反过程是熵减小，不符合熵增加原理，因此内能不能全部转化为机械能，而不引起其他变化.
1．(热力学第确定律)在大气中，空气团竖直运动经过各气层的时间很短，因此，运动过程中空气团与四周空气热量交换极少，可看作绝热过程．潮湿空气团在山的迎风坡上升时，水汽分散成云，到山顶后变得干燥，然后沿着背风坡下降时升温，气象上称这股干热的气流为焚风．
空气团在山的迎风坡上升时温度降低，缘由是空气团________(选填“对外放热”或“对外做功”)；设空气团的内能U与温度T满足U＝CT(C为一常数)，空气团沿着背风坡下降过程中，外界对空气团做的功为W，则此过程中空气团上升的温度ΔT＝________.
答案对外做功W C
解析空气团在山的迎风坡上升时温度降低，空气团内能减小，又绝热，依据热力学第确定律可知空气团对外做功；依据U＝CT得：ΔU＝CΔT①
由依据热力学第确定律得：ΔU＝CΔT②
Q＝0③
①②③联立解得：ΔT＝
W
C
2．(热力学第确定律)确定质量的抱负气体从状态a开头，经受三个过程ab、bc、ca回到原状态，其p－T图象如图4所示，下列推断正确的是()
图4
A．过程ab中气体确定吸热
B．过程bc中气体既不吸热也不放热
C．过程ca中外界对气体所做的功等于气体所放的热
D．a、b和c三个状态中，状态a分子的平均动能最小
E．b和c两个状态中，容器壁单位面积单位时间内受到气体分子撞击的次数不同
答案ADE
解析由p－T图象可知过程ab是等容变化，温度上升，内能增加，体积不变，由热力学第确定律可知过程ab确定吸热，选项A正确；过程bc温度不变，即内能不变，由于过程bc体积增大，所以气体对外做功，由热力学第确定律可知，气体确定吸取热量，选项B错误；过程ca压强不变，温度降低，内能削减，体积减小，外界对气体做功，由热力学第确定律可知，放出的热量确定大于外界对气体做的功，选项C错误；温度是分子平均动能的标志，由p－T图象可知，a状态气体温度最低，则平均动能最小，选项D正确；b、c两状态温度相等，分子平均动能相等，由于压强不相等，所以单位面积单位时间内受到气体分子撞击的次数不同，选项E正确．
3．(热力学定律的应用)以下说法正确的是()
A．电冰箱内的食品温度比室内温度低，说明在确定条件下热量也可以由低温物体传到高温物体
B．内能可以转化为机械能
C．能量的耗散否定了能量守恒定律
D．能量的耗散说明自然界的宏观过程有方向性
答案ABD
解析在确定条件下，热量可以由低温物体传到高温物体，A正确；由能量守恒定律可知，各种形式的能量之间可以相互转化，并且总能量守恒，所以B正确；能量的耗散并没有否定能量守恒定律，而是说明自然界的宏观过程有方向性，C错误，D正确．
4．(热力学定律的应用)下列说法不正确
．．．的是()
A．在任何自然过程中，一切参与者的总能量和总熵保持不变
B．熵无处不在，是系统无序程度的量度
C．一切不行逆过程在熵增加的同时，总是伴随着能量退降
D．由热力学其次定律可知，自然界的能量品质正在退化，可利用的能量越来越少
E．热力学其次定律的微观实质是熵增加
答案A
解析系统的总能量守恒，但总熵可能不变或增加．。