热学 热力学定律与能量守恒

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1．“等效”的意义可以理解为：在改变物体的内能上可以 起到同样的效果，即要使物体改变同样的内能，通过做功或 者热传递都可以实现，若不知道过程我们无法分辨出是做功 还是热传递实现的这种改变．
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2．做功和热传递的本质区别： (1)从运动形式上看，做功是宏观的机械运动向物体的微观分 子热运动的转化．热传递则是通过分子之间的相互作用，使 不同物体间分子热运动变化，是内能的转移． (2)从能量的角度看：做功是其他形式的能向内能的转化，热 传递是内能之间的转移．前者能的性质发生了变化，后者能
点评：应用热力学第一定律时一定要注意各物理量的正负．
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变式训练1：(2008·重庆高考)地面附近有一正在上升的空气 团，它与外界的热交换忽略不计．已知大气压强随高度增加 而降低，则该气团在此上升过程中(不计气团内分子间的势 能)( )
A．体积减小，温度降低 B．体积减小，温度不变
确．选项D是热力学第二定律的表述形式之一，是正确的．
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变式训练3：根据热力学第二定律，下列判断正确的是( A．热机中燃气的内能不可能全部变成机械能 B．电流的能不可能全部变成内能 C．在火力发电机中，燃气的内能不可能全部变成电能 D．在热传导中，热量不可能自发地从低温物体传递给高温 物体 答案：ACD
的增加量ΔU＝U2－U1就等于外界对系统所做的功W，即ΔU
＝W.
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3．热传递
降温 (1)两个温度不同的物体相互接触时温度高的物体要______， 升温 温度低的物体要______，即热量从高温物体传到了低温物体，
这个过程就叫做热传递． (2)热传递的方式：热传导、热对流和热辐射．
的性质不变．
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二、两类永动机的比较
第一类永动机 第二类永动机
从单一热源吸热，全部用来对 不消耗能量却可以源源不断地 外做功而不引起其他变化的机 对外做功的机器 器 违背能量守恒，不可能实现 不违背能量守恒，违背热力学 第二定律，不可能实现
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三、热力学过程方向性实例：
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解析思路：(1)AB (2)①根据ΔU＝－W＋Q ②由Q＝50%PSt 得：太阳光的垂直单位面积上的辐射功率为 得：Q＝ΔU＋W
2( W＋U) 答案： AB )①U＋W ② (2 1 St
P＝2( W＋U ) St
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变式训练2：A、B两装置均由一支一端封闭、一端开口且带 有玻璃泡的管状容器和水银槽组成，除玻璃泡在管上的位置 不同外，其他条件都相同．将两管抽成真空后，开口向下竖 直插入水银槽中(插入过程没有空气进入管内)，水银柱上升 至如图所示位置停止．假设这一过程水银与外界没有热交换， 则下列说法正确的是( )
息地做无规则运动
其中正确的是________；
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(2)如图所示，一集热箱里面封闭着一定量的气体，集热板作 为箱的活塞且正对着太阳，其面积为S.在t时间内集热箱里气 体膨胀对外做功的数值为W，其内能增加了ΔU，已知照射 到集热板上太阳光的能量有50%被箱内气体吸收，求：
①这段时间内集热箱内气体共吸收的热量； ②此位置太阳光在垂直集热板单位面积上的辐射功率．
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A．A中水银的内能增量大于B中水银的内能增量 B．B中水银的内能增量大于A中水银的内能增量 C．A和B中水银体积保持不变，故内能增量相同 D．A和B中水银温度始终相同，故内能增量相同 答案：B
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解析：本题考查能量守恒、大气压力做功以及综合分析能 力．由于水银与外界没有热交换，大气压力对水银做功，一 部分转化为水银的重力势能，一部分转化为水银的内能，两 种情况下管中进入的水银量相等，故大气将槽中水银面向下 压的距离相等，因此大气压力做功相等，A中水银的重力势 能比B中大，因此A中水银的内能增量比B中小，B正确．
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解析思路：根据热力学第二定律，热量不能自发地由低温物 体传递到高温物体，但在一定条件下热量可以由低温物体传 向高温物体，例如电冰箱工作过程．故选项A错误．根据热 力学第一定律，物体内能的变化取决于吸收或放出的热量和 做功的正负两个因素，所以选项B错误．第二类永动机不违 反能量守恒定律，而违反了热力学第二定律，选项C不正
温度差 (3)热传递的条件：存在______
(4)热传递过程实质上是能量转移的过程．
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4．内能的改变有两种方式：做功和热传递 等效 从改变内能的结果看，它们是______的．不同之处是：做功 是能量的转化，热传递是能量的转移．
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二、热力学定律和能量守恒定律 1．热力学第一定律 热力学第一定律：物体内能的改变量等于外界对物体所做的 W＋Q 功与物体从外界吸取的热量之和：ΔU＝__________如果物 体对外做功(或放热)，W(Q)为负值．
第三讲
热力学定律与能量守恒
走进高考第一关
考点关
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考点精析
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一、热、功和内能 1．绝热过程
交换能量 系统只由于外界对它做功而与外界__________，它不从外界
吸热，也不向外界放热，这样的过程叫做绝热过程．
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2．内能 (1)定义：任何一个热力学系统都必定存在一个只依赖于系统 自身状态的物理量，这个物理量在两个状态间的差别与外界 在绝热过程中对系统所做的功相联系．我们把这个物理量称 为系统的内能． (2)计算式：当系统从状态1经过绝热过程达到状态2时，内能
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5．(2009·广东高考，13)(1)远古时代，取火是一件困难的事， 火一般产生于雷击或磷的自燃．随着人类文明的进步，出现 做功 了“钻木取火”等方法．“钻木取火”是通过________方式 机械能 改变物体的内能，把________转变成内能．
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(2)某同学做了一个小实验：先把空的烧瓶放入冰箱冷冻，一 小时后取出烧瓶，并迅速把一个气球紧密地套在瓶颈上，然 后将烧瓶放进盛满热水的烧杯里，气球逐渐膨胀起来，如 热量 图．这是因为烧瓶里的气体吸收了水的________，温度 升高 增大 ________，体积________．
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3．根据热力学定律和分子理论，可知下列说法中正确的是 ( ) A．我们可以利用高科技手段，将流散到周围环境中的内能 重新收集起来加以利用而不引起其他变化 B．气体的状态变化时，温度升高，气体分子的平均动能增 加，气体的压强不一定增大
C．布朗运动是液体分子的运动，它说明分子永不停息地做
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解析：冰箱消耗电能使冰箱内外发生热交换而达到内部致冷， 把冰箱与房间看作一个系统，打开冰箱门后，冰箱与房间内 的热交换发生在系统内，系统内部引不起总能量的变化．但 系统消耗电能增加了系统的总能量，冰箱正常工作，根据能 的转化与守恒定律知．增加的系统能量转化为内能使房间内 的温度升高，故选B.
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表述的 主要思想，故D正确．由wk.baidu.com流热效应中的焦耳定律可知，电 流的能可以全部转化为内能，故B错误．
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笑对高考第三关
技巧关
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考技精讲 一、做功和热传递在改变物体内能上是等效的，但是有着 本质的区别
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2．能量的转化和守恒定律 能量既不能凭空产生，也不能凭空消失，它只能从一种形式 转化 ______成另一种形式，或从一个物体转移到另一个物体，在 不变 转化或转移的过程中其总量______ 3．热力学第二定律 内容：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．
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考点3
热力学第二定律的应用 )
例,3下列说法正确的是(
A．热量不能由低温物体传递到高温物体 B．外界对物体做功，物体的内能必定增加 C．第二类永动机不可能制成，是因为违反了能量守恒定律 D．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 命题意图：考查热力学第二定律的两种表述． 答案：D
Q 热量 能自发传给 低温物体 1．高温物体 Q不能自发传给 热量
2．功 热 不能自发地且不能完全转化为 能自发膨胀到 气体体积V2 (较大) 3．气体体积V1 不能自发收缩到
4．热机 (1)定义：一种把内能转化为______的装置． 机械能 (2)原理 热机从热源吸收热量Q1，推动活塞做功W，然后向冷凝器释 放热量Q2. (3)效率
由能量守恒定律知Q1＝W＋Q2，我们把热机做的功W和它从
热源吸收的热量Q1的比值叫做热机效率，用η表示，即：
＝
W Q1
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考题精练 1.(2009·黑龙江大庆质检)下列说法中正确的是( )
A．若两分子间的距离变大，分子力和分子势能可能均变小 B．温度升高，分子热运动平均动能一定增大，但并非所有 分子的速率都增大 C．热力学第一定律和热力学第二定律是相互独立的 D．对一定质量的气体，在与外界没有发生热量交换的过程 中，内能一定不变 答案：ABC
)
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解析：凡是与热现象有关的宏观热现象都具有方向性．无论 采用任何设备和手段进行能量转化，总是遵循“机械能可全 部转化为内能，而内能不可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变为电能，故C正确．热量从低温
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解读高考第二关
热点关
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典例剖析 考点1 热力学第一定律的应用
例,1一定量的气体，膨胀过程中是外界对气体做功还是气体
对外界做功？如果膨胀时做的功是135 J，同时向外放热85 J， 气体内能的变化量是多少？内能是增加了还是减少了？
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解析思路：对气体来说，体积膨胀，气体对外做功，在热力 学第一定律中W表示外界对气体做的功，故此时W为负， 气体膨胀做的功为135 J，向外界放热85 J，此时 W＝－135 J，Q＝－85 J，由热力学第一定律知： ΔU＝W＋Q＝－135 J－85 J＝－220 J. 即内能减少了220 J. 答案：气体对外界做功220 J 减少
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解析：当分子间的作用力表现为斥力时，随着分子间的距离 变大，分子力和分子势能均变小，A正确；除了热传递，做 功也是改变内能的一种方式，故D错．
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2．在一个与外界没有热交换的房间内打开冰箱门，冰箱正 常工作，过一段时间房间内的温度将作如下变化( A．降低 C．不变 答案：B B．升高 D．无法确定 )
C．体积增大，温度降低
D．体积增大，温度不变 答案：C
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解析：空气团与外界热交换忽略不计，随高度上升压强逐渐 减小，体积逐渐增大对外界做功，所以内能逐渐减小，则温 度逐渐降低，只有C正确，A、B、D均错误．
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考点2
能量守恒定律的综合应用
例,2(1)有以下说法： A．多晶体是各向同性的 B．在轮胎爆裂这一短暂过程中，气体膨胀，温度下降 C．满足能量守恒定律的客观过程都是可以自发进行的 D．从单一热源吸取热量，使之全部变成功，而不产生其他 影响是可能的 E．布朗运动是液体分子的运动，所以它能说明分子永不停
无规则运动 D．利用浅层海水和深层海水之间的温度差制造一种热机， 将海水的一部分内能转化为机械能，这在原理上是可行的 答案：BD
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4．一定质量的气体从外界吸收了4.2×105J的热量，同时气 体对外做了6×105J的功，问： (1)物体的内能变化了多少？ (2)分子势能是增加还是减少？ (3)分子动能如何变化？ 答案：(1)－1.8×105J (2)增加 (3)减少