熱力學定律和能量守恆

2020-12-05 高中物理知識

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1.熱力學第一定律

(1)改變物體內能的兩種方式

① 做功 ② 熱傳遞

(2)熱力學第一定律

①內容:一個熱力學系統的內能增量等於外界向它傳遞的熱量與外界對它所做的功的和

②表達式:

對熱力學第一定律的理解

(1)熱力學第一定律不僅反映了做功和熱傳遞這兩種改變內能的過程是等效的,而且給出了內能的變化量和做功與熱傳遞之間的定量關係。此定律是標量式,應用時功、內能、熱量的單位應統一為國際單位焦耳。

(2)公式ΔU=Q+W的符號的規定

(3)幾種特殊情況

①若過程是絕熱的,則 Q=0,W=ΔU,外界對物體做的功等於物體內能的增加;

②若過程中不做功,即 W=0,則Q=ΔU,物體吸收的熱量等於物體內能的增加;

③若過程的始末狀態物體的內能不變,即ΔU=0,則W+Q=0或W=-Q,外界對物體做的功等於物體放出的熱量。

(4)注意事項

①應用熱力學第一定律時要明確研究的對象是哪個物體或者是哪個熱力學系統;

②應用熱力學第一定律計算時,要依照符號法則代入數據,對結果的正、負也同樣依照規則來解釋其意義;

③分析此類問題需要注意兩點,「絕熱」說明與外界沒有熱交換,氣體向真空擴散時對外不做功。

2.熱力學第二定律

(1)熱力學第二定律的兩種表述

①克勞修斯表述:熱量不能 自發地 從低溫物體傳到高溫物體。

②開爾文表述:不可能從單一熱庫吸收熱量,使之完全變成功,而不產生其他影響 。或表述為「 第二類 永動機是不可能製成的。」(第一類永動機是違反「能量守恆定律」。關於第一類永動機可點擊藍色字體參考前文:汽車加水就能行,永動機再版?)

(2)用熵的概念表示熱力學第二定律

在任何自然過程中,一個孤立系統的總熵不會 減小

(3)熱力學第二定律的微觀意義

一切自然過程總是沿著分子熱運動的 無序性 增大的方向進行。

理解

(1)在熱力學第二定律的表述中,「自發地」、「不產生其他影響」的涵義:

①「自發地」指明了熱傳遞等熱力學宏觀現象的方向性,不需要藉助外界提供能量的幫助

②「不產生其他影響」的涵義是發生的熱力學宏觀過程只在本系統內完成,對周圍環境不產生力學方面的影響,如吸熱、放熱、做功等。

(2)熱力學第二定律的實質

熱力學第二定律的每一種表述,都揭示了大量分子參與宏觀過程的方向性,進而使人們認識到自然界中進行的涉及熱現象的宏觀過程都具有方向性。

(3)熱力學過程方向性的幾個實例

3.能量守恆定律

(1)能量守恆定律

能量既不會憑空產生,也不會憑空消失,它只能從一種形式_轉化_為另一種形式,或者從一個物體 轉移 到別的物體,在轉化或轉移的過程中,能量的 總量 保持不變。

(2)能源的利用

① 存在能量耗散和能源(利用)品質下降的問題;

能量的耗散(能量轉化的方向性):能源燃燒(或使用)時一旦把自己的熱量釋放出去,它就不會自動聚集起來供人類重新利用,這叫做能量的耗散。關心你學習的,公眾號:高中物理知識能量守恆定律與能源

② 注意能源的利用過程會造成環境汙染;

③要開發新能源(如太陽能、風能、水能、生物質能等)

練習:

1.關於熱力學定律,下列說法正確的是________。

A.在一定條件下物體的溫度可以降到0 K

B.物體從單一熱源吸收的熱量可全部用於做功

C.吸收了熱量的物體,其內能一定增加

D.壓縮氣體總能使氣體的溫度升高

2.關於熱力學定律,下列說法正確的是________。

A.為了增加物體的內能,必須對物體做功或向它傳遞熱量

B.對某物體做功,必定會使該物體的內能增加

C.可以從單一熱源吸收熱量,使之完全變為功

D.不可能使熱量從低溫物體傳向高溫物體

3.如圖所示,內壁光滑的汽缸水平放 置,一定質量的理想氣體被活塞密封在汽缸內,外界大氣壓強為p0。現對汽缸緩慢加熱,氣體吸收熱量 Q後,體積由V1增大為V2。則在此過程中,氣體分子平均動能______(選填「增大」、 「不變」或「減小」),氣體內能變化了______。

1.解析:0 K是絕對零度,不可能達到,A項錯;由熱力學第一定律可知,C、D選項錯;答案 B

2.[解析]改變內能的方法有做功和熱傳遞兩種,所以為了增加物體的內能,必須對物體做功或向它傳遞熱量,選項A正確;對物體做功的同時物體向外界放熱,則物體的內能可能不變或減小,選項B錯誤;根據熱力學第二定律可知,在對外界有影響的前提下,可以從單一熱源吸收熱量,使之完全變為功,選項C正確;在有外界做功的條件下,可以使熱量從低溫物體傳遞到高溫物體,選項D錯誤。答案AC

3.解析:溫度是分子熱運動平均動能的標誌,溫度升高,氣體分子平均動能增大。根據熱力學第一定律得:ΔUQW,而W=-p0SΔL=-pV=-p0(V2-V1),所以氣體內能變化了ΔUQp0(V2-V1)。答案:增大ΔUQp0(V2-V1)

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