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,,第2單元 熱力學(xué)定律 能的轉(zhuǎn)化和守恒,一、物體的內(nèi)能 1．分子的動能 (1)物體內(nèi)分子無規(guī)則運動所具有的能稱為分子動能． 分子的動能是指一個分子具有的能，不是分子的總動能．從物質(zhì)是由大量分子組成的觀點看，研究單個分子的動能是沒有意義的，應(yīng)從統(tǒng)計的觀點看分子的動能，由此可見，有意義的是分子的平均動能．,(2)分子的平均動能： 物體內(nèi)分子動能的平均值． (3)溫度是分子平均動能的標志：,【例1】 對一定量的氣體， 下列說法正確的是( ) A．氣體的體積是所有氣體分子的體積之和 B．氣體分子的熱運動越劇烈，氣體溫度就越高 C．氣體對器壁的壓強是由大量氣體分子對器壁不斷碰撞而產(chǎn)生的 D．當(dāng)氣體膨脹時，氣體分子之間的勢能減小，因而氣體的內(nèi)能減少,【解析】 氣體分子距離遠大于分子大小，所以氣體的體積遠大于所有氣體分子體積之和，A項錯；溫度是物體分子平均動能的標志，是表示分子熱運動劇烈程度的物理量，B項正確；氣體壓強的微觀解釋是大量氣體分子頻繁撞擊產(chǎn)生的，C項正確；氣體膨脹，說明氣體對外做功，但不能確定吸、放熱情況，故不能確定內(nèi)能變化情況，D項錯． 【答案】 BC,(4)分子的動能與機械運動物體的動能不同： 分子的動能是對機械運動中物體的動能的拓展，但和機械運動中物體的動能有本質(zhì)的區(qū)別．機械運動的形式取決于外界作用的客觀條件，所以機械運動中物體的動能可以為零，而分子運動是永不停息的，因此分子的動能不可能為零．,2．分子的勢能 (1)存在的前提：分子力做功與路徑無關(guān)，由體積決定．因此理想氣體的內(nèi)能由溫度決定，與體積無關(guān)．原因是：理想氣體分子間無相互作用的分子力，故無分子勢能，與體積無關(guān)． (2)定義：分子間存在相互作用力，由分子間相對位置所決定的勢能，叫做分子勢能． (3)分子勢能變化的判斷方法： 分子力做正功，分子勢能減小；分子力做負功，分子勢能增加．,【例2】 (2013·重慶)某未密閉房間的空氣溫度與室外的相同，現(xiàn)對該室內(nèi)空氣緩慢加熱，當(dāng)室內(nèi)空氣溫度高于室外空氣溫度時( ) A．室內(nèi)空氣的壓強比室外的小 B．室內(nèi)空氣分子的平均動能比室外的大 C．室內(nèi)空氣的密度比室外大 D．室內(nèi)空氣對室外空氣做了負功,【解析】 未密閉房間說明是等壓變化，壓強不變，故A項錯誤；溫度是分子平均動能的標志；溫度升高分子平均動能增加，故B項正確；等壓升溫，體積增大，密度變小，故C項錯誤；體積增大，對外做正功，故D項錯誤． 【答案】 B,3．物體的內(nèi)能 (1)定義：物體內(nèi)所有分子的動能和勢能的總和叫做物體的內(nèi)能． 【例3】 下列說法正確的是( ) A．液體中懸浮微粒的布朗運動是做無規(guī)則運動的液體分子撞擊微粒而引起的 B．物體溫度越高，其分子的平均動能越大 C．物體里所有分子動能的總和叫做物體的內(nèi)能 D．只有通過熱傳遞的方式才能改變物體的內(nèi)能,【解析】 布朗運動這一現(xiàn)象是液體分子撞擊微粒造成的．溫度是分子平均動能的標志，所以A、B項正確．內(nèi)能是指物體里所有分子動能與勢能的總和．做功和熱傳遞都能改變物體的內(nèi)能，所以C、D項錯誤． 【答案】 AB,(2)內(nèi)能與溫度和體積的關(guān)系： 由于分子動能與溫度有關(guān)，分子勢能與體積有關(guān)，所以，一定質(zhì)量的某種物體的內(nèi)能是由物體的溫度和體積共同決定的． 【例4】 關(guān)于內(nèi)能下列說法正確的是( ) A．一定質(zhì)量的某種物體的內(nèi)能是由物體的溫度和體積共同決定的 B．由于內(nèi)能與溫度和體積有關(guān)，因此兩種物質(zhì)只要體積和溫度相同．它們的內(nèi)能必相同,C．0 ℃的冰溶化成0 ℃的水．體積減小了，分子勢能必減小 D．0 ℃的冰溶化成0 ℃的水，體積減小了，分子勢能必增加 【解析】 物體的內(nèi)能在質(zhì)量一定的情況下，內(nèi)能由體積和溫度共同決定，當(dāng)兩種不同物體相比較，分子動能和勢能相同，但分子數(shù)不相同時，物體的內(nèi)能也不相同，故A項正確，B項錯誤.0 ℃的冰溶化成0 ℃的水，體積減小，不能就此認為其勢能也減小，而應(yīng)從改變內(nèi)能的兩種方式上去分析．冰溶化過程吸收熱量，內(nèi)能增加，而溫度不變，所增加的只能是分子的勢能．故D項正確，C項錯誤．,【答案】 AD,(3)內(nèi)能和機械能： 物體處于任何狀態(tài)都具有內(nèi)能．但物體只有運動才有動能．物體有內(nèi)能未必有動能，但有動能一定同時有內(nèi)能．,二、改變物體內(nèi)能的方式——做功和熱傳遞 1．改變內(nèi)能的兩種方式 做功和熱傳遞在改變物體內(nèi)能上是等效的，但它們之間又有本質(zhì)的區(qū)別．做功是其他形式的能與物體內(nèi)能的轉(zhuǎn)化；熱傳遞是內(nèi)能在物體間的轉(zhuǎn)移．,【例5】 如圖所示，密閉絕熱容器內(nèi)有一絕熱的具有一定質(zhì)量的活塞，活塞的上部封閉著氣體，下部為真空，活塞與器壁的摩擦忽略不計．置于真空中的輕彈簧的一端固定于容器的底部，另一端固定在活塞上，彈簧被壓縮后用繩扎緊，此時彈簧的彈性勢能為Ep(彈簧處在自然長度時的彈性勢能為零)．現(xiàn)繩突然斷開，彈簧推動活塞向上運動，經(jīng)過多次往復(fù)運動后活塞靜止，氣體達到平衡態(tài)．經(jīng)過此過程( ),A．Ep全部轉(zhuǎn)化為氣體的內(nèi)能 B．Ep一部分轉(zhuǎn)化成活塞的重力勢能，其余部分仍為彈簧的彈性勢能 C．Ep全部轉(zhuǎn)化成活塞的重力勢能和氣體的內(nèi)能 D．Ep一部分轉(zhuǎn)化成活塞的重力勢能，一部分轉(zhuǎn)化為氣體的內(nèi)能，其余部分仍為彈簧的彈性勢能,【解析】 通過對活塞受力分析確定彈簧末狀態(tài)再利用能量守恒判斷．活塞最后平衡，故彈簧處于壓縮狀態(tài)，Ep沒有全部轉(zhuǎn)化為其他形式的能量．活塞對氣體做功，并且容器是絕熱的，故氣體內(nèi)能增加，由能量守恒，可判定D項正確． 【答案】 D,2．熱功當(dāng)量J＝4.2焦/卡 熱功當(dāng)量的測定，說明做功和熱傳遞在改變內(nèi)能上是等效的．,【例6】 下圖為焦耳實驗裝置圖，用絕熱性能良好的材料將容器包好，重物下落帶動葉片攪拌容器里的水，引起水溫升高．關(guān)于這個實驗，下列說法正確的是( ),A．這個裝置可測定熱功當(dāng)量 B．做功增加了水的熱量 C．做功增加了水的內(nèi)能 D．功和熱量是完全等價的，無區(qū)別 【答案】 AC,三、兩個概念 1．熱運動 指的是分子的無規(guī)則運動，其運動主體為分子．不是布朗運動，布朗運動的主體是布朗微粒． 2．熱平衡 指的是兩物體的溫度相同時，達到平衡的一種狀態(tài)．熱平衡的宏觀標志為溫度相等．,在達到熱平衡的過程中，內(nèi)能是從高溫物體傳向低溫物體，而不是從內(nèi)能大的物體傳向內(nèi)能小的物體．在高考試題中常用“熱傳遞”“絕熱”“導(dǎo)熱”等的說法，要將它們區(qū)別開來．如“絕熱”活塞，說明活塞兩側(cè)無熱量傳遞，除非巧合，一般溫度不等；“導(dǎo)熱”活塞，說明最終兩側(cè)溫度相等．,【例7】 如圖所示，水平放置的密封汽缸內(nèi)的氣體被一豎直隔板分隔為左右兩部分，隔板可在汽缸內(nèi)無摩擦滑動，右側(cè)氣體內(nèi)有一電熱絲．汽缸壁和隔板均絕熱．初始時隔板靜止，左右兩邊氣體溫度相等．現(xiàn)給電熱絲提供一微弱電流，通電一段時間后切斷電源．當(dāng)缸內(nèi)氣體再次達到平衡時，與初始狀態(tài)相比( ),A．右邊氣體溫度升高，左邊氣體溫度不變 B．左右兩邊氣體溫度都升高 C．左邊氣體壓強增大 D．右邊氣體內(nèi)能的增加量等于電熱絲放出的熱量 【解析】 當(dāng)電熱絲通電后，右邊氣體吸收熱量后，溫度升高，壓強增大，隔板不再平衡，向左移動，右側(cè)氣體對左側(cè)氣體做功，由于隔板和汽缸均絕熱，使左側(cè)氣體的內(nèi)能增加，溫度升高，體積減小，因此左側(cè)氣體的壓強也增大，當(dāng)隔板再次平衡時兩邊壓強均增大了，所以選項A錯誤，選項B、C正確．,右側(cè)氣體對左側(cè)氣體做了功，根據(jù)熱力學(xué)第一定律ΔU＝W＋Q，得右邊氣體內(nèi)能的增加量小于電熱絲放出的熱量，右邊氣體內(nèi)能的增加值為電熱絲發(fā)出的熱量減去對左邊的氣體所做的功，故選項D錯誤． 【答案】 BC,四、熱力學(xué)第一定律 1．內(nèi)容 一個熱學(xué)系統(tǒng)內(nèi)能的變化ΔU，決定于系統(tǒng)與外界交換的熱量Q和做功W. 2．表達式：ΔU＝W＋Q 3．符號法則：得正失負． 外界對物體做功為正值，反之為負值；物體從外界吸熱為正值，反之為負值；物體的內(nèi)能增加為正值，反之為負值．,【例8】 (2010·廣東)右圖是密閉的汽缸，外力推動活塞P壓縮氣體，對缸內(nèi)氣體做功800 J，同時氣體向外界放熱200 J，缸內(nèi)氣體的( ),A．溫度升高，內(nèi)能增加600 J B．溫度升高，內(nèi)能減少200 J C．溫度降低，內(nèi)能增加600 J D．溫度降低，內(nèi)能減少200 J 【解析】 由能量守恒，ΔU＝W＋Q＝－200 J＋800 J＝600 J，內(nèi)能增加600 J，則溫度一定升高． 【答案】 A,五、熱力學(xué)第二定律 內(nèi)容：兩種表述 (1)按照熱傳導(dǎo)的方向性可表述為：熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳遞到高溫物體． (2)按照機械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化過程的方向性可表述為：不可能從單一熱庫吸收熱量，使之完全變成功，而不產(chǎn)生其他影響． 其他表述：第二類永動機是不可能制成的；不能制成效率為100%的熱機；任何一類宏觀自然過程進行方向的說明都可以作為熱力學(xué)第二定律的表述．熱力學(xué)第二定律使人們認識到，自然界中進行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性．,【例9】 下列說法正確的是( ) A．機械能全部變成內(nèi)能是不可能的 B．第二類永動機不可能制造成功的原因是因為能量既不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失，只能從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體，或從一種形式轉(zhuǎn)化成另一種形式． C．根據(jù)熱力學(xué)第二定律可知，熱量不可能從低溫物體傳到高溫物體 D．從單一熱源吸收的熱量全部變成功是可能的 【答案】 D,【例10】 判斷下列說法是否正確： A．(2007·海南·17)空調(diào)機作為制冷機使用時，將熱量從溫度較低的室內(nèi)送到溫度較高的室外，所以制冷機的工作是不遵守?zé)崃W(xué)第二定律的．(×) B．(2007·海南·17)從單一熱源吸取熱量使之全部變成有用的機械功是不可能的．(×) C．(2009·四川·16)物體從單一熱源吸收的熱量可全部用于做功．(√),D．(2009·海南·14)功可以全部轉(zhuǎn)化為熱，但熱量不能全部轉(zhuǎn)化為功．(×) E．(2009·海南·14)熱量能夠自發(fā)地從高溫物體傳遞到低溫物體，但不能自發(fā)地從低溫物體傳遞到高溫物體．(√) F．(2008·天津·14)沒有摩擦的理想熱機可以把吸收的能量全部轉(zhuǎn)化為機械能．(×) G．(2008·四川·14)熱量只能從高溫物體向低溫物體傳遞．(×),H．(2004·天津·15)熱量不能由低溫物體傳遞到高溫物體．(×) I．(2004·天津·15)外界對物體做功，物體的內(nèi)能必定增加．(×) G．(2004·天津·15)第二類永動機不可能制成，是因為違反了能量守恒定律．(×) K．(2004·天津·15)不可能從單一熱源吸收熱量并把它全部用來做功，而不引起其他變化．(√),L．(2006·天津·14)只要對內(nèi)燃機不斷改進，就可以把內(nèi)燃機得到的全部內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能．(×) M．(2006·天津·14)滿足能量守恒定律的物理過程都能自發(fā)進行．(×) O．(2013·山東·36(1))根據(jù)熱力學(xué)定律，熱機的效率可以達到100%.(×),六、能的轉(zhuǎn)化與守恒定律 能量既不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為別的形式，或者從一個物體轉(zhuǎn)移到別的物體，在轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的過程中其總量不變． 【例11】 在一個沒有熱交換的房間內(nèi)打開電扇，電扇正常工作．過一段時間房間內(nèi)的溫度將作如下變化( ) A．升高 B．降低 C．不變 D．無法判斷,【解析】 把電扇與房間看作一個系統(tǒng)．電扇正常工作時，電扇和房間內(nèi)熱交換發(fā)生在系統(tǒng)內(nèi)，系統(tǒng)內(nèi)部不引起總能量的變化．但電扇消耗電能增加了系統(tǒng)的總能量．根據(jù)能的轉(zhuǎn)化與守恒定律知，增加的系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化為內(nèi)能使房間的溫度升高．故選A項． 【答案】 A,七、固體、液體 記住教科書中所列舉的實例中的晶體和非晶體，理解各向同性、各向異性，液晶的特性，表面張力及其成因，毛細現(xiàn)象及其成因．,【例12】 (2010·海南)下列說法正確的是( ) A．當(dāng)一定質(zhì)量的氣體吸熱時，其內(nèi)能可能減小 B．玻璃、石墨和金剛石都是晶體，木炭是非晶體 C．單晶體有固定的熔點，多晶體和非晶體沒 有固定的熔點 D．當(dāng)液體與大氣相接觸時，液體表面層內(nèi)的分子所受其他分子作用力的合力總是指向液體內(nèi)部 E．氣體分子單位時間內(nèi)與單位面積器壁碰撞的次數(shù)，與單位體積內(nèi)氣體的分子數(shù)和氣體溫度有關(guān) 【答案】 ADE,【觸類旁通】 (2012·江蘇)下列現(xiàn)象中，能說明液體存在表面張力的有( ) A．水黽可以停在水面上 B．葉面上的露珠呈球形 C．滴入水中的紅墨水很快散開 D．懸浮在水中的花粉做無規(guī)則運動,【解析】 由于液體表面層分子引力，使得液體表面具有收縮的趨勢，露珠表面張力使表面面積收縮到最小，從而使它收縮成一個球形，水面的張力給水黽向上的彈力，選項A、B正確；滴入水中的紅墨水很快散開是擴散現(xiàn)象，是液體分子無規(guī)則熱運動的反映，故選項C錯誤；懸浮在水中的花粉做無規(guī)則運動是布朗運動，是液體分子無規(guī)則熱運動的反映，故選項D錯誤． 【答案】 AB,八、濕度 【例13】 (2011·海南)關(guān)于空氣濕度，下列說法正確的是( ) A．當(dāng)人們感到潮濕時，空氣的絕對濕度一定較大 B．當(dāng)人們感到干燥時，空氣的相對濕度一定較小 C．空氣的絕對濕度用空氣中所含水蒸氣的壓強表示 D．空氣的相對濕度定義為水的飽和蒸氣壓與相同溫度時空氣中所含水蒸氣的壓強之比,【解析】 在一定氣溫條件下，大氣中相對濕度越大，水汽蒸發(fā)也就越慢，人就感受到越潮濕，故當(dāng)人們感到潮濕時，空氣的相對濕度一定較大，但絕對濕度不一定大，故A項錯誤；在一定氣溫條件下，大氣中相對濕度越小，水汽蒸發(fā)也就越快，人就越感到干燥，故當(dāng)人們感到干燥時，空氣的相對濕度一定較小，但絕對濕度不一定小，故B項正確；絕對濕度是指一定空間中水蒸氣的絕對含量，可用空氣中水的蒸氣壓來表示，故C項正確；相對濕度為某一被測蒸氣壓與相同溫度下的飽和蒸氣壓的比值的百分數(shù)，相對濕度則給出大氣的潮濕程度，而不是水的飽和蒸氣壓與相同溫度時空氣中所含水蒸氣的壓強之比，故D項錯誤．,【答案】 BC 【學(xué)法指導(dǎo)】 絕對濕度是指一定空間中水蒸氣的絕對含量，可用空氣中水的蒸氣壓來表示；相對濕度為某一被測蒸氣壓與相同溫度下的飽和蒸氣壓的比值的百分數(shù)；在一定氣溫條件下，大氣中相對濕度越大，水汽蒸發(fā)也就越慢，人就感受到越潮濕；在一定氣溫條件下，大氣中相對濕度越小，水汽蒸發(fā)也就越快，人就越感到干燥．,一、對“做功和熱傳遞是改變物體內(nèi)能的方式”的深化理解 做功和熱傳遞是改變物體內(nèi)能的方式，其中“做功”不是任何形式的功，而是指能夠產(chǎn)生內(nèi)能的功．,【例1】 在如圖所示的兩端開口的“U”形管中，盛有同種液體，并用管閂K將液體隔成左、右兩部分，左邊液面比右邊液面高．現(xiàn)打開管閂K，從打開管閂到兩邊液面第一次平齊的過程中，液體向外放熱為Q，內(nèi)能變化量為ΔU，動能變化量為ΔEk；大氣對液體做功W1，重力做功為W2，液體克服阻力做功為W3.由功能關(guān)系可得：,①W1＝0；②W2－W3＝ΔEk；③W2－W3＝Q＝ΔU；④W3－Q＝ΔU.其中正確的是( ) A．①②③ B．①②④ C．②③ D．①③ 【解析】 由動能定理，可知W2－W3＋W1＝ΔEk，其中W1＝p·ΔV左－p·ΔV右＝0，知①②正確．由熱力學(xué)第一定律，知ΔU＝W＋Q，即ΔU＝W3－Q，故④正確，③錯誤．綜合以上分析可知B項正確． 【答案】 B,【學(xué)法指導(dǎo)】 本題對應(yīng)做功的表達有W1、W2、W3，但能夠改變物體內(nèi)能的功是W3，其中W1、W2、W3功的代數(shù)和為液體外力做的功，對應(yīng)的應(yīng)該為液體動能的改變量．從而看出，同樣是功，但形成效果不同，在理解基本概念、基本規(guī)律時，要注意將看似相同的物理量放在一起，進行比較和鑒別，從而達到認識事物的本質(zhì)的目的．,二、兩類永動機的區(qū)別 1．第一類永動機：不消耗任何能量，卻可以源源不斷地對外做功，這種機器稱為第一類永動機．它所以不能實現(xiàn)，是由于它違反能量轉(zhuǎn)化和守恒定律． 2．第二類永動機：一種熱機，只從單一熱源吸收熱量，可以全部用來做功，而不引起其他變化，這種熱機叫第二類永動機．第二類永動機并不違反能量守恒定律，但因機械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，內(nèi)能卻不能全部轉(zhuǎn)化成機械能，同時不引起其他變化，因此第二類永動機也是不能實現(xiàn)．即違反了熱力學(xué)第二定律．,【例2】 關(guān)于永動機的說法正確的是( ) A．第一類永動機和第二類永動機之所以不能制成，是因為都違反了能的轉(zhuǎn)化和守恒定律 B．第二類永動機從理論上講可以制成，只是現(xiàn)代科技不夠發(fā)達 C．第二類永動機不可制成，說明了機械能和內(nèi)能轉(zhuǎn)化過程有方向性 D．第二類永動機符合能量守恒定律，因此是可以制成的 【答案】 C,熱力學(xué)第二定律的微觀解釋 一、有序、無序、宏觀態(tài)、微觀態(tài) 【例1】 (1)如圖所示，把一塊潔凈的玻璃板吊在橡皮筋的下端，使玻璃板水平地接觸水面，如果你想使玻璃板離開水面，必須用比玻璃板重力________的拉力向上拉橡皮筋．原因是水分子和玻璃的分子間存在________作用．,(2)往一杯清水中滴入一滴紅墨水，一段時間后，整杯水都變成了紅色．這一現(xiàn)象在物理學(xué)中稱為________現(xiàn)象，是由于分子的________而產(chǎn)生的．這一過程是沿著分子熱運動的無序性________的方向進行的． 【答案】 大 分子引力 擴散 無規(guī)則運動(熱運動) 增加,二、麥克斯韋速率分布律 【例2】 (2010·福建)1859年麥克斯韋從理論上推導(dǎo)出了氣體分子速率的分布規(guī)律，后來有許多實驗驗證了這一規(guī)律．若以橫坐標v表示分子速率，縱坐標f(v)表示各速率區(qū)間的分子數(shù)占總分子數(shù)的百分比．下面四幅圖中能正確表示某一溫度下氣體分子速率分布規(guī)律的是( ),【解析】 各速率區(qū)間的分子數(shù)占總分子數(shù)的百分比不能為負值，A、B選項錯誤；氣體分子速率的分布規(guī)律呈現(xiàn)“中間多，兩頭少”的趨勢，速率為0的分子幾乎不存在，故C選項錯，D選項正確． 【答案】 D,【觸類旁通】 (2012·江蘇)密閉在鋼瓶中的理想氣體，溫度升高時壓強增大．從分子動理論的角度分析，這是由于分子熱運動的________增大了．該氣體在溫度T1、T2時的分子速率分布圖象如圖所示，則T1________(選填“大于”或“小于”)T2.,【解析】 密閉在鋼瓶中的理想氣體體積不變，溫度升高時分子平均動能增大壓強增大．溫度升高時，速率大的分子所占比重較大，T1＜T2. 【答案】 平均動能 小于,三、熵、熵增原理 【例3】 若一氣泡從湖底上升到湖面的過程中溫度保持不變，則在此過程中關(guān)于氣泡中的氣體，下列說法正確的是( ) A．氣體分子間的作用力增大 B．氣體分子的平均速率增大 C．氣體分子的平均動能減小 D．氣體組成的系統(tǒng)地熵增加,【解析】 氣泡的上升過程氣泡內(nèi)的壓強減小，溫度不變，由玻意耳定律知，上升過程中體積增大，微觀上體現(xiàn)為分子間距增大，分子間引力減小，溫度不變，所以氣體分子的平均動能、平均速率不變，此過程為自發(fā)過程，故熵增大．D項正確． 【答案】 D,