1、第三讲热力学定律与能量守恒定律第三讲热力学定律与能量守恒定律1知道做功和热传递是改变物体内能的两种方式知道做功和热传递是改变物体内能的两种方式2理解热力学第一定律和热力学第二定律，并会运用其理解热力学第一定律和热力学第二定律，并会运用其解释有关现象解释有关现象3掌握能量守恒定律并会加以运用掌握能量守恒定律并会加以运用4了解能源的开发和利用、能源的利用与环境保护了解能源的开发和利用、能源的利用与环境保护一、热力学第一定律一、热力学第一定律1改变物体内能的两种方式改变物体内能的两种方式(1)做功：在绝热过程中，外界对物体做了多少功，物体做功：在绝热过程中，外界对物体做了多少功，物体的内能就的内能就
2、 多少；物体对外界做了多少功，物体的内能多少；物体对外界做了多少功，物体的内能就就 多少，即多少，即UW.(2)热传递热传递本质：热传递过程是物体间本质：热传递过程是物体间 的过程的过程与内能变化的关系：在单纯的热传递过程中，物体从与内能变化的关系：在单纯的热传递过程中，物体从外界吸收热量，物体的内能就外界吸收热量，物体的内能就 ；物体向外界传递热；物体向外界传递热量，物体的内能就量，物体的内能就 增加增加减少减少内能转移内能转移增加增加减少减少1打气筒是日常生活中常用的一种工具，当我们用打气打气筒是日常生活中常用的一种工具，当我们用打气筒给自行车打气的时候，就是在克服气体压力和摩擦力做筒给自
3、行车打气的时候，就是在克服气体压力和摩擦力做功打气的过程中你有没有试着去摸一下打气筒的外壳？有功打气的过程中你有没有试着去摸一下打气筒的外壳？有什么感觉？打气筒的温度升高了，这是怎么回事？什么感觉？打气筒的温度升高了，这是怎么回事？提示：提示：做功的过程是能量转化的过程，做功使得系统的做功的过程是能量转化的过程，做功使得系统的内能增加了，所以温度升高内能增加了，所以温度升高2热力学第一定律热力学第一定律(1)内容：一个热力学系统的内容：一个热力学系统的 等于外界向等于外界向它传递的它传递的 与外界对它所做与外界对它所做 的和的和(2)表达式：表达式：.(3)符号法则：符号法则：内能增加量内能增
4、加量热量热量功功UWQ名称名称正值正值负值负值U内能内能 .内能内能 .Q系统系统 热量热量系统系统 热量热量W 做功做功 做功做功减少减少增加增加吸收吸收放出放出外界对物体外界对物体物体对外界物体对外界二、热力学第二定律二、热力学第二定律1两种表述两种表述(1)热传递的方向性表述：不可能使热量由热传递的方向性表述：不可能使热量由 物体传物体传到到 物体而不引起其他变化物体而不引起其他变化(2)机械能与内能转化的方向性：机械能与内能转化的方向性：不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功，而不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功，而 其他影响其他影响低温低温高温高温不引起不引起2热量能不能从低
5、温物体传递到高温物体？热量能不能从低温物体传递到高温物体？提示：提示：能，但不是自发进行，需要引起其他变化能，但不是自发进行，需要引起其他变化内能内能 机械能机械能 100%三、能量守恒定律三、能量守恒定律1能量守恒定律能量守恒定律能量既不能凭空能量既不能凭空 ，也不能凭空，也不能凭空 ，它只能从一，它只能从一种形式种形式 为另一种形式，或从一个物体为另一种形式，或从一个物体 到别的物到别的物体，在转化或转移的过程中其体，在转化或转移的过程中其 2永动机永动机由能量守恒定律知，由能量守恒定律知，永动机不可能制成永动机不可能制成由热力学第二定律知，由热力学第二定律知，永动机不可能制成永动机不可能
6、制成产生产生消失消失转化转化转移转移总量不变总量不变第一类第一类第二类第二类3能源与环境能源与环境(1)常规能源：常规能源：、，常规能源，常规能源带来环境污染问题，如温室效应、酸雨、光化学烟雾等带来环境污染问题，如温室效应、酸雨、光化学烟雾等(2)新能源的开发：风能、水能、太阳能、沼气、核能新能源的开发：风能、水能、太阳能、沼气、核能等等石油石油天然气天然气煤煤一、热力学第一定律的理解与应用一、热力学第一定律的理解与应用1热力学第一定律不仅反映了做功和热传递这两种方式热力学第一定律不仅反映了做功和热传递这两种方式改变内能的过程是等效的，而且给出了内能的变化量和做功改变内能的过程是等效的，而且给
7、出了内能的变化量和做功与热传递之间的定量关系此定律是标量式，应用时热量的与热传递之间的定量关系此定律是标量式，应用时热量的单位应统一为国际单位制中的焦耳单位应统一为国际单位制中的焦耳2“等效等效”的意义：的意义：在改变物体的内能上，做功和热传在改变物体的内能上，做功和热传递可以起到同样的效果，即要使物体改变同样的内能，通过递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是做功还是热传递实现的这种改变3做功和热传递的本质区别做功和热传递的本质区别(1)从运动形
8、式上看：做功是宏观的机械运动向物体的微从运动形式上看：做功是宏观的机械运动向物体的微观分子运动的转化观分子运动的转化.热传递则是通过分子之间的相互作用，使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，化，热传递是内能之间的转移前者能的性质发生了变化，后者能的性质不变后者能的性质不变友情提示：友情提示：物体的内能增加与否，不能单纯地只看做功物体的内能增加与否，不能单纯地只看做功或热传递，两
9、个过程需要全面考虑或热传递，两个过程需要全面考虑 一定质量的气体分子之间的作用力表现为引力，从一定质量的气体分子之间的作用力表现为引力，从外界吸收了外界吸收了4.2105 J的热量，同时气体对外做了的热量，同时气体对外做了6105 J的的功，问：功，问：(1)物体的内能变化多少？物体的内能变化多少？(2)分子势能是增加还是减少？分子势能是增加还是减少？(3)分子平均动能如何变化？分子平均动能如何变化？【规范解答规范解答】(1)因气体从外界吸收热量，所以因气体从外界吸收热量，所以Q4.2105 J，气体对外做功，气体对外做功6105 J，则外界对气体做功，则外界对气体做功W6105 J，据热力学
10、第一定律据热力学第一定律UWQ，得，得U6105 J4.2105 J1.8105 J，所以物体内能减少了所以物体内能减少了1.8105 J.(2)因为气体对外做功，体积膨胀，分子间距离增大了，因为气体对外做功，体积膨胀，分子间距离增大了，分子力做负功，气体的分子势能增加了分子力做负功，气体的分子势能增加了(3)因为气体内能减少了，而分子势能增加了，所以分子因为气体内能减少了，而分子势能增加了，所以分子平均动能必然减少了，且分子平均动能的减少量一定大于分平均动能必然减少了，且分子平均动能的减少量一定大于分子势能的增加量子势能的增加量【方法归纳方法归纳】(1)当做功和热传递两种过程同时发生时，当做
11、功和热传递两种过程同时发生时，内能的变化就要用热力学第一定律进行综合分析内能的变化就要用热力学第一定律进行综合分析(2)做功情况看气体的体积：体积增大，气体对外做功，做功情况看气体的体积：体积增大，气体对外做功，W为负；体积缩小，外界做功，为负；体积缩小，外界做功，W为正若与外界绝热，则为正若与外界绝热，则不发生热传递，此时不发生热传递，此时Q0.1在如图所示的坐标系中，一定质量的某种理想气体先在如图所示的坐标系中，一定质量的某种理想气体先后发生以下两种状态变化过程：第一种变化是从状态后发生以下两种状态变化过程：第一种变化是从状态A到状到状态态B，外界对该气体做功为，外界对该气体做功为6 J；
12、第二种变化是从状态；第二种变化是从状态A到状到状态态C，该气体从外界吸收的热量为，该气体从外界吸收的热量为9 J图线图线AC的反向延长线的反向延长线通过坐标原点通过坐标原点O，B、C两状态的温度相同，理想气体的分子两状态的温度相同，理想气体的分子势能为零求：势能为零求：(1)从状态从状态A到状态到状态C的过程，该气体对外界做的功的过程，该气体对外界做的功W1和和其内能的增量其内能的增量U1；(2)从状态从状态A到状态到状态B的过程，该气体内能的增量的过程，该气体内能的增量U2及其及其从外界吸收的热量从外界吸收的热量Q2.解：解：(1)从状态从状态A到状态到状态C的过程，气体发生等容变化的过程，
13、气体发生等容变化该气体对外界做的功该气体对外界做的功W10根据热力学第一定律有根据热力学第一定律有U1W1Q1内能的增量内能的增量U1Q19 J.(2)从状态从状态A到状态到状态B的过程，体积减小，温度升高的过程，体积减小，温度升高该气体内能的增量该气体内能的增量U2U19 J根据热力学第一定律有根据热力学第一定律有U2W2Q2从外界吸收的热量从外界吸收的热量Q2U2W23 J.二、热力学第二定律的理解与应用二、热力学第二定律的理解与应用1对热力学第二定律的理解对热力学第二定律的理解(1)在热力学第二定律的表述中，在热力学第二定律的表述中，“自发地自发地”、“不产生不产生其他影响其他影响”的涵
14、义的涵义“自发地自发地”指明了热传递等热力学宏观现象的方向指明了热传递等热力学宏观现象的方向性，不需要借助外界提供能量的帮助性，不需要借助外界提供能量的帮助“不产生其他影响不产生其他影响”的涵义是发生的热力学宏观过程的涵义是发生的热力学宏观过程只在本系统内完成，对周围环境不产生热力学方面的影只在本系统内完成，对周围环境不产生热力学方面的影响如吸热、放热、做功等响如吸热、放热、做功等(2)热力学第二定律的实质热力学第二定律的实质热力学第二定律的每一种表述，都揭示了大量分子参与热力学第二定律的每一种表述，都揭示了大量分子参与宏观过程的方向性，进而使人们认识到自然界中进行的涉及宏观过程的方向性，进而
15、使人们认识到自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性热现象的宏观过程都具有方向性2两类永动机的比较两类永动机的比较第一类永动机第一类永动机第二类永动机第二类永动机设计目的设计目的不消耗能量却可以不消耗能量却可以源源不断地对外做源源不断地对外做功的机器功的机器从单一热源吸热，全部从单一热源吸热，全部用来对外做功而不引起用来对外做功而不引起其他变化的机器其他变化的机器违背规律违背规律违背能量守恒，不违背能量守恒，不可能实现可能实现不违背能量守恒，违背不违背能量守恒，违背热力学第二定律，不可热力学第二定律，不可能实现能实现友情提示：友情提示：热力学第一定律是和热现象有关的物理过程热力学第一定律
16、是和热现象有关的物理过程中能量守恒的特殊表达形式，说明功及热量与内能改变的定中能量守恒的特殊表达形式，说明功及热量与内能改变的定量关系，而第二定律指出了能量转化与守恒能否实现的条件量关系，而第二定律指出了能量转化与守恒能否实现的条件和过程进行的方向，指出了一切变化过程的自然发展方向不和过程进行的方向，指出了一切变化过程的自然发展方向不可逆，除非靠外界影响所以二者相互独立，又相互补充可逆，除非靠外界影响所以二者相互独立，又相互补充 如图所示，为电冰箱的工作原理示意图压缩机工作如图所示，为电冰箱的工作原理示意图压缩机工作时，强迫制冷剂在冰箱内外的管道中不断循环在蒸发器中时，强迫制冷剂在冰箱内外的管
17、道中不断循环在蒸发器中制冷剂汽化吸收箱体内的热量，经过冷凝器时制冷剂液化，制冷剂汽化吸收箱体内的热量，经过冷凝器时制冷剂液化，放出热量到箱体外放出热量到箱体外(1)下列说法正确的是下列说法正确的是A热量可以自发地从冰箱内传到冰箱外热量可以自发地从冰箱内传到冰箱外B电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到电冰箱的制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电冰箱的工作原理违反热力学第一定律(2)电冰箱的制冷系统从冰箱内吸收的热量与释放到外界电冰
18、箱的制冷系统从冰箱内吸收的热量与释放到外界的热量相比，有怎样的关系？的热量相比，有怎样的关系？【规范解答规范解答】(1)热力学第一定律是热现象中内能与其他热力学第一定律是热现象中内能与其他形式能的转化规律，是能的转化和守恒定律的具体表现，适形式能的转化规律，是能的转化和守恒定律的具体表现，适用于所有的热学过程，故用于所有的热学过程，故C正确，正确，D错误；由热力学第二定律错误；由热力学第二定律可知，热量不能自发地从低温物体传给高温物体，除非有外可知，热量不能自发地从低温物体传给高温物体，除非有外界的影响或帮助电冰箱把热量从低温的内部传到高温的外界的影响或帮助电冰箱把热量从低温的内部传到高温的外
19、部，需要压缩机的帮助并消耗电能，故应选部，需要压缩机的帮助并消耗电能，故应选B、C.(2)由热力学第一定律可知，电冰箱从冰箱内吸了热量，由热力学第一定律可知，电冰箱从冰箱内吸了热量，同时消耗了电能，释放到外界的热量比从冰箱内吸收的热量同时消耗了电能，释放到外界的热量比从冰箱内吸收的热量多多答案：答案：(1)BC(2)释放到外界的热量比从冰箱内吸收的释放到外界的热量比从冰箱内吸收的热量多热量多【方法归纳方法归纳】涉及热力学第二定律的问题分析技巧：涉及热力学第二定律的问题分析技巧：(1)理解热力学第二定律的实质，清楚热力学第二定律的理解热力学第二定律的实质，清楚热力学第二定律的两种表述形式两种表述
20、形式(2)掌握热力学第二定律的一些等效说法如：掌握热力学第二定律的一些等效说法如：“第二类第二类永动机不可能制成永动机不可能制成”“”“不可能制成效率为百分之百的热机不可能制成效率为百分之百的热机”等等2如图所示的汽缸内盛有一定量的理想气体，汽缸壁是如图所示的汽缸内盛有一定量的理想气体，汽缸壁是导热的，缸外环境保持恒温，活塞与汽缸壁的接触光滑但不导热的，缸外环境保持恒温，活塞与汽缸壁的接触光滑但不漏气将活塞杆与外界连接并由外力漏气将活塞杆与外界连接并由外力F使其缓慢地向右移使其缓慢地向右移动，气体将等温膨胀并通过杆对外做功若内能只与温度有动，气体将等温膨胀并通过杆对外做功若内能只与温度有关，则
21、下列说法中正确的是关，则下列说法中正确的是()A气体是从单一热源吸收热量，且全部用来对外做气体是从单一热源吸收热量，且全部用来对外做功，因此该过程违背热力学第二定律功，因此该过程违背热力学第二定律B气体不是从单一热源吸收热量，尽管全部用来对外气体不是从单一热源吸收热量，尽管全部用来对外做功，但此过程不违反热力学第二定律做功，但此过程不违反热力学第二定律C气体是从单一热源吸收热量，且全部用来对外做气体是从单一热源吸收热量，且全部用来对外做功，但此过程不违反热力学第二定律功，但此过程不违反热力学第二定律D气体不是从单一热源吸收热量，也没有全部用来对气体不是从单一热源吸收热量，也没有全部用来对外做功
22、，因此该过程不违反热力学第二定律外做功，因此该过程不违反热力学第二定律解析：解析：由于气体始终通过汽缸与外界接触，外界温度不由于气体始终通过汽缸与外界接触，外界温度不变，活塞杆与外界连接并使其缓慢地右移过程中有足够时间变，活塞杆与外界连接并使其缓慢地右移过程中有足够时间的热交换，所以汽缸内的气体温度也不变，其内能不变，该的热交换，所以汽缸内的气体温度也不变，其内能不变，该过程气体是从单一热源即外部环境吸收热量全部用来对外做过程气体是从单一热源即外部环境吸收热量全部用来对外做功才能保证内能不变，但此过程不违反热力学第二定律，因功才能保证内能不变，但此过程不违反热力学第二定律，因为此过程的发生有别
23、的变化为此过程的发生有别的变化(即外力对活塞做功即外力对活塞做功)来维持，如来维持，如果没有外力果没有外力F对活塞做功，此过程不可能发生对活塞做功，此过程不可能发生答案：答案：C三、能量守恒定律的理解与应用三、能量守恒定律的理解与应用1自然界中能量的存在形式：物体运动具有动能、分子自然界中能量的存在形式：物体运动具有动能、分子运动具有分子动能、电荷具有电势能、原子核内部的运动具运动具有分子动能、电荷具有电势能、原子核内部的运动具有原子能等，可见，在自然界中不同的能量形式与不同的运有原子能等，可见，在自然界中不同的能量形式与不同的运动形式相对应动形式相对应2不同形式的能量之间可以相互转化，且这一
24、转化过程不同形式的能量之间可以相互转化，且这一转化过程是通过做功来完成的是通过做功来完成的3某种形式的能减少，一定有其他形式的能增加，且减某种形式的能减少，一定有其他形式的能增加，且减少量和增加量一定相等少量和增加量一定相等4某个物体的能量减少，一定存在其他物体的能量增某个物体的能量减少，一定存在其他物体的能量增加，且减少量和增加量一定相等加，且减少量和增加量一定相等5在利用能量转化与守恒定律解题时，要注意先搞清楚在利用能量转化与守恒定律解题时，要注意先搞清楚过程中有几种形式的能在转化或转移，分析初、末状态，确过程中有几种形式的能在转化或转移，分析初、末状态，确定定E增增、E减减各为多少，再由
25、各为多少，再由E增增E减减列式计算列式计算友情提示：友情提示：(1)虽然功与能具有相同的单位，但两者是完虽然功与能具有相同的单位，但两者是完全不同的两个概念，在能量守恒定律的表达式中只存在能全不同的两个概念，在能量守恒定律的表达式中只存在能量，不存在功量，不存在功(2)能量的转化和守恒定律是自然界中普遍存在的一种规能量的转化和守恒定律是自然界中普遍存在的一种规律，是无条件的，而机械能守恒定律是有条件的律，是无条件的，而机械能守恒定律是有条件的 一辆汽车正在平直的公路上以速度一辆汽车正在平直的公路上以速度v匀速行驶，此时匀速行驶，此时汽车的功率为汽车的功率为P，已知汽车的总效率为，已知汽车的总效
26、率为，所使用的汽油的热，所使用的汽油的热值为值为q(每完全燃烧单位质量的燃料产生的热量叫热值每完全燃烧单位质量的燃料产生的热量叫热值)，现油，现油箱中还有质量为箱中还有质量为m的汽油的汽油(1)下列关于汽车行驶过程中做功和能量转化情况的说法下列关于汽车行驶过程中做功和能量转化情况的说法正确的是正确的是A阻力对汽车做负功，机械能转化为内能阻力对汽车做负功，机械能转化为内能B汽车行驶时因能量损失故总能量不守恒汽车行驶时因能量损失故总能量不守恒C牵引力对汽车做功，使汽车动能增加牵引力对汽车做功，使汽车动能增加D合外力对汽车的功等于汽油燃烧放出的能量合外力对汽车的功等于汽油燃烧放出的能量(2)汽车还能
27、行使多远？汽车还能行使多远？(设汽车的质量为设汽车的质量为M)【思维点拨思维点拨】先求出剩余汽油燃烧放出的能量，再求出先求出剩余汽油燃烧放出的能量，再求出汽车匀速运动的时间，便可求还能匀速行驶的距离，再由动汽车匀速运动的时间，便可求还能匀速行驶的距离，再由动能定理求出减速的距离能定理求出减速的距离【自主解答自主解答】(1)阻力对汽车做功的过程就是机械能转化阻力对汽车做功的过程就是机械能转化为内能的过程，尽管汽车能量损失，但总能量是守恒的，牵为内能的过程，尽管汽车能量损失，但总能量是守恒的，牵引力对汽车做正功，汽车动能增加，合外力的功等于汽车动引力对汽车做正功，汽车动能增加，合外力的功等于汽车动
28、能的增加，但不等于汽油燃烧放出的能量能的增加，但不等于汽油燃烧放出的能量【误区警示误区警示】汽车还能行驶的距离应包括汽油用完后减汽车还能行驶的距离应包括汽油用完后减速的距离，很多同学漏掉这一段，而只求出匀速行驶距离速的距离，很多同学漏掉这一段，而只求出匀速行驶距离s1.3风沿水平方向以速度风沿水平方向以速度v垂直吹向一直径为垂直吹向一直径为d的风车叶的风车叶轮上，设空气密度为轮上，设空气密度为，风的动能的，风的动能的50%转化为风车的动能，转化为风车的动能，风车带动水车将水提高风车带动水车将水提高h高度，效率为高度，效率为80%.则单位时间最多则单位时间最多可提升的水质量可提升的水质量m_.A
29、、B两装置，均由一支一端封闭、一端开口且带有两装置，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水银槽中(插入过程没有空气进入管内插入过程没有空气进入管内)，水银柱上升至，水银柱上升至图中所示位置停止假设这一过程进入容器的水银体积相图中所示位置停止假设这一过程进入容器的水银体积相等，且水银与外界没有热交换，则两种情况下大气压力对水等，且水银与外界没有热交换，则两种情况下大气压力对水银做的功
30、是否相等？哪个管中的水银内能增量大？银做的功是否相等？哪个管中的水银内能增量大？解：解：由于水银与外界没有热交换，大气压力对水银做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，因此大气压力对进能，两种情况下管中进入的水银量相等，因此大气压力对进入管中的水银做功相等，图入管中的水银做功相等，图A管中水银的重力势能比图管中水银的重力势能比图B的的大，因此大，因此A中水银的内能增量比中水银的内能增量比B中小中小 (2012济南质检济南质检)爆米花酥脆可口、老少皆宜，
31、是许爆米花酥脆可口、老少皆宜，是许多人喜爱的休闲零食，如图为高压爆米花的装置原理图，玉多人喜爱的休闲零食，如图为高压爆米花的装置原理图，玉米在铁质的密闭容器内被加热，迅速打开容器盖后，玉米粒米在铁质的密闭容器内被加热，迅速打开容器盖后，玉米粒就就“爆炸爆炸”成了爆米花设当地温度成了爆米花设当地温度t127，大气压为，大气压为p0，已知密闭容器打开前的气体压强达到已知密闭容器打开前的气体压强达到4p0.试分析：试分析：(1)容器内的气体看做理想气体，求容器内气体的温度？容器内的气体看做理想气体，求容器内气体的温度？(2)假定在一次打开的过程中，容器内气体膨胀对外界做假定在一次打开的过程中，容器内气体膨胀对外界做功功15 kJ，并向外释放了，并向外释放了20 kJ的热量，容器内原有气体的内的热量，容器内原有气体的内能如何变化？变化了多少？能如何变化？变化了多少？
