高二物理热力学定律5—6节 章末小结人教实验版知识精讲

高二物理热力学定律5—6节 章末小结人教实验版知识精讲

高二物理热力学定律5—6节 章末小结人教实验版 ‎ ‎【本讲教育信息】‎ 一. 教学内容：‎ 热力学定律5—6节 章末小结 知识要点：‎ ‎1. 明确什么是有序和无序、宏观态和微观态 ‎2. 理解热力学第二定律的微观意义 ‎3. 了解熵的概念，会用熵解释热力学第二定律 ‎4. 知道能量耗散，了解能源与人类社会环境的关系 重点、难点解析：‎ 一. 热力学第二定律的微观意义 ‎1.有序和无序 确定某种规则，符合这个规则的就是有序的，不符合确定的规则和要求的分布是无序的。‎ ‎2. 宏观态和微观态 规定了某种规则，我们就规定了一个“宏观态”，这个“宏观态”可能包含一种或几种“微观态”，不同的“宏观态”对应的微观态的个数不同。如果一个“宏观态”对应的“微观态”比较多，就说这个“宏观态”是比较无序的。‎ ‎3. 热力学第二定律的微观意义 一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行。‎ 我们所说的有序状态，指的是对应着较少微观态的那样的宏观态。 自发的过程总是倾向于出现与较多微观态对应的宏观态，因此自发的过程总是从有序向着无序发展的。‎ ‎4. 熵 ‎（1）熵的概念 物理学中用字母表示一个宏观状态所对应的微观状态的数目，用字母S表示熵式中叫做玻耳兹曼常数。‎ 微观态的数目是分子运动无序性的一种量度，由于越大，熵S也越大，那么熵S自然也是系统内分子运动无序性的量度。‎ ‎（2）熵增加原理 在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小，从微观角度看，热力学的第二定律是一个统计规律：一个孤立系统总是从熵小的状态向熵大的状态发展，而熵值较大代表着较为无序，所以自发的宏观过程总是向无序度更大的方向发展。因此，热力学第二定律又叫做熵增加原理。‎ 例1. 两个温度不同的物体接触时，热量会自发地从高温物体传向低温物体，直到两者温度相等；一个温度处处相等的物体，不可能自发地变得一部分温度高、另一部分温度低。 怎样从分子热运动的角度解释热传递的这种方向性？‎ 解析：两个物体温度不同，分子热运动的平均动能不同，一个物体分子平均动能大，另一个分子平均动能小，总体上看。分子热运动的分布较为有序，能量适当集中，而热量由高温物体传到低温物体的过程中，能量变的分散和退降，分子热运动的分布较为无序。由于一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行。所以热传递是由高温物体传向低温物体的，热传递具有方向性。‎ 例2. 热力学第二定律的开尔文表述指出：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。‎ 解析：机械运动是宏观情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所反映的因果关系，这是一种有序的运动。 热运动是大量分子的无规则运动，系统的一个宏观状态包含着大量的微观状态，这是一种无序的运动。机械运动向热运动的转化，属于从有序向无序的转化，会导致熵的增加，符合热力学的规律，因此机械能可以全部转换化为内能。‎ ‎ 反之，热运动向机械运动的转化，属于从无序向有序的转化，即从高熵向低熵转化，不符合熵增加原理，因此内能向机械能的转化不能全部实现。‎ 二. 能量耗散和品质降低 ‎1. （1）能量耗散 集中度较高且有序度较高的能量（如机械能、电能、化学能等），当它们变为环境的内能后，就成为更加分散且无序度更大的能量，我们无法把这些分散的内能重新收集起来加以利用，这样的转化过程叫做能量耗散。‎ ‎（2）能量品质降低 各种形式的能量向内能的转化，是微观领域内无序程度较小向无序程度较大的转化，是能够自动发生、全额发生的。而内能向机械能的转化过程，由热力学第二定律知道，这种转化是有条件的，即环境中必须存在着温度差，而且内能不能全额转化为机械能。因此，从可被利用的价值来看，内能较之机械能、电能等，是一种低品质的能量.‎ 说明：①能量耗散虽然不会使能的总量减少，却会导致能量品质的降低，它实际上将能量从高度有用的形式降级为不大可用的形式。煤、石油、天然气等能源储存着高品质的能量，在利用它们的时候，高品质的能量释放出来并最终转化为低品质的内能。‎ ‎②能量虽然不会减少但能源会越来越少，所以要节约能源。‎ ‎2. 能源与环境 ‎（1）常规能源：煤、石油、天然气 化石能源：煤、石油 ‎（2）能源分类：‎ ‎①不可再生能源：如煤、石油、天然气等 ‎②可再生能源：如风能、水能等 ‎（3）化石能源造成的环境污染主要有：‎ ‎①温室效应 大量燃烧石油、煤炭、天然气等产生的二氧化碳气 体，增大了大气中二氧化碳的含量，由于二氧化碳对长波的辐射有强烈的吸收作用，且像暖房的玻璃一样，只准太阳光的热辐射进来，不让室内长波的热辐射出去，使地球气温上升，这种效应叫温室效应。温室效应使两极的冰雪融化，海平面上升，淹没沿海城市，使海水倒流入河流，从而使耕地盐碱化。‎ ‎②酸雨 酸雨是指pH小于5.6的雨、雪或其他形式的大气降水。形成酸雨的主要原因是燃烧煤炭和石油，以及工业生产等释放到大气中的二氧化硫等物质使雨水酸度升高，形成“酸雨”，腐蚀建筑物、酸化土壤。‎ ‎③化学烟雾 内燃机工作时的高温使空气中和燃料中的多种物质发生化学反应，产生氮氧化合物和碳氢化合物。这些化合物在大气中受到紫外线的照射，产生二次污染物质——化学烟雾。这些物质有毒，能引起人的多种疾病。‎ ‎3. 开发新能源 化石能源的短缺和利用常规能源带来的环境污染。使得新能源的开发成为当务之急。‎ 能源主要有下列几种：‎ ‎（1）太阳能：是取之不尽，用之不竭的。同时太阳能是一种清洁能源，不会污染环境。‎ ‎（2）生物质能：生物质能指绿色植物通过光合作用储存在生物体内的太阳能，储存形式是生物分子的化学能。‎ ‎（3）风能：为了增加风力发电的功率，通常把很多风车建在一起。成为“风车田”。我国的新疆、内蒙古等地已经开始大规模利用风力发电。‎ ‎（4）水能：水是可再生的。水电对环境的影响小，发电成本低。‎ 例3. 下列对能量耗散的理解正确的有 A. 能量耗散说明能量在不断减少 B. 能量耗散遵守能量守恒定律 C. 能量耗散说明能量不能凭空产生，但可以凭空消失 D. 能量耗散从能量角度反映出自然界的宏观过程具有方向性 解析：在发生能量转化的宏观过程中，其他形式的能量最终会转化为流散到周围环境中的内能，无法再回收利用，这种现象叫能量耗散。能量耗散并不违反能量守恒定律，宇宙的能量既没有减少，也没有消失，它只从能量角度反映出自然界的宏观过程具有方向性，故A、C错。答案BD 特别提示：能量耗散虽然不会使能的总量减少，却会导致能量品质的降低。‎ 例4. 某地的平均风速为5。已知空气密度是1.2kg／m3，有一风车，它的车叶转动时可形成半径为12m的圆面，如果这个风车能将此圆内10％的气流的动能转变为电能。则该风车带动的发电机的功率是多少？‎ 解析：首先可以求出在时间t内作用于风车的气流质量为，这些气流的动能为，转变的电能为，故风车带动的发电机的功率为 代入数据以后得P=3.4kW 特别提示：本题考查动能、功率、能的转化等知识，计算过程中要注意各物理量的关系和转变关系。利用能量守恒定律求解。‎ 三. 知识结构 例5. 如图所示，固定容器及可动活塞P都是绝热的，中间有一导热的固定隔板B，B的两边分别盛有气体甲和乙。现将活塞P缓慢地向B移动一段距离，已知气体的温度随其内能的增加而升高，则在移动P的过程中 A. 外力对乙做功，甲的内能不变 B. 外力对乙做功，乙的内能不变 C. 乙传热给甲，乙的内能增加 D. 乙的内能增加，甲的内能不变 解析：隔板B是导热的，说明甲、乙两部分气体间有热传递；容器和活塞是绝热的，说明容器内气体与外界没有热交换。当将活塞P向B移动一段距离时，活塞压缩气体对气体乙做功，故乙的内能增加，温度升高。又由于隔板B是导热的，而升温后的乙气体温度比甲高，故热量由乙传向甲。由于气体与外界是绝热的，故当最后达到热平衡时的温度比最初的温度有所升高，甲、乙的内能都增加，所以正确选项是 C 答案：C 例6. 关于热力学第二定律，下列表述正确的是 A. 不可能使热量从低温物体传递到高温物体 B. 不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功 C. 第二类永动机是不可能制成的 D. 热力学第二定律是热力学第一定律的推论 解析：‎ 如果有外界的帮助，可以使热量从低温物体传递到高温物体，也可以把热量全部用来做功。热力学第一定律说明在任何过程中能量必须守恒，热力学第二定律却说明并非能量守恒过程均能实现。热力学第二定律是反映自然界过程进行的方向和条件的一个规律。它指出自然界中出现的过程是有方向性的，某些方向的过程可以实现，而另一方向的过程则不能实现，在热力学中，第二定律和第一定律相辅相成，缺一不可。‎ 答案：C 例7. 下面关于热力学第二定律微观意义的说法正确的是 A. 从微观的角度看，热力学第二定律是一个统计规律 B. 一切自然过程总是沿着分子热运动无序性减小的方向进行 C. 有的自然过程沿着分子热运动无序性增大的方向进行。有的自然过程沿着分子热运动无序性减小的方向进行 D. 在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小 解析：系统的热力学过程就是大量分子无序运动状态的变化，从微观角度看，热力学第二定律是一个统计规律，所以A对，热力学第二定律的微观意义是“一切自然过程总是沿着分子热运动无序性增大的方向进行”所以B、C均错。D是在引入熵之后对热力学第二定律微观意义的描述，D对。‎ 答案：AD 例8. （2020·广西）如图所示，密闭绝热容器内有一绝热的具有一定质量的活塞，活塞的上部封闭着气体，下部为真空，活塞与器壁间的摩擦忽略不计。置于真空中的轻弹簧一端固定于容器的底部，另一端固定在活塞上，弹簧被压缩后用绳扎紧，此时弹簧的弹性势能为E（弹簧处在自然长度时的弹性势能为零）。现绳突然断开，弹簧推动活塞向上运动，经过多次往复运动后活塞静止，气体达到平衡状态。经过此过程 A. E全部转换为气体的内能 B. E一部分转换成活塞的重力势能，其余部分仍为弹簧的弹性势能 C. E全部转换成活塞的重力势能和气体的内能 D. E一部分转换成活塞的重力势能，一部分转换为气体的内能，其余部分仍为弹簧的弹性势能。‎ 解析：当绳子突然断开时，活塞受弹簧的弹力F、活塞的重力G、封闭气体对活塞向下的压力F’的共同作用，如图所示，其合力向上，经多次往复运动后活塞静止时，活塞处于三力平衡状态。气体体积必减小，外力对气体做正功，由于绝热，所做的功全部转化为气体的内能，气体的内能增加。而活塞最终的静止位置比初始位置高，其重力势能增加，最终弹力与另外两个力的合力平衡，弹簧仍有形变。设最终弹簧的弹性势能为E’，由能量守恒定律得＋活塞增加的重力势能＋气体增加的内能，所以D选项正确。‎ 答案：D 例9. （2020·全国）如图所示，绝热隔板K把绝热的汽缸分隔成体积相等的两部分，K与汽缸壁的接触是光滑的。两部分中分别盛有相同质量、相同温度的同种气体a和b。气体分子之间相互作用势能可忽略。现通过电热丝对气体a加热一段时间后，a、b各自达到新的平衡 A .a的体积增大了，压强变小了 B. b的温度升高了 C. 加热后a的分子热运动比b的分子热运动更激烈 D. a增加的内能大于b增加的内能 解析：a气体吸收热量，体积增大，使隔板K压缩b气体，由热力学第一定律可知，b气体内能增大，即温度升高，B正确，对a、b两部分气体来说，加热前p、V、T皆相等，加热后，，由常数可知，。所以C、D正确，，所以A不正确。‎ 答案：BCD 特别提示：本题考查了热力学第一定律和用理想气体状态方程对气体状态的定性分析，处理本题的关键是对加热前后气体状态的变化进行分析。‎ ‎【模拟试题】‎ ‎1. 下列关于热力学第二定律的表述中正确的是 （ ）‎ A. 热量不能自发地从低温物体传到高温物体 B. 不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功而不产生其他影响 C. 气体向真空的自由膨胀是不可逆的 D. 在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小 ‎2. 下面关于熵的有关说法错误的是 （ ）‎ A. 熵是系统内分子运动无序性的量度 B. 在自然过程中熵总是增加的 C. 热力学第二定律也叫做熵减小原理 D. 熵值越大代表着越为无序 ‎3. 下列物理过程中，通过做功改变内能的有 （ ）‎ A. 燃料在汽缸内燃烧，汽缸内气体推动活塞运动，缸内气体温度降低的过程 B. 子弹射入木块，子弹升温的过程 C. 将重物加速举高，物体的重力势能和动能同时增大的过程（不计空气阻力）‎ D. 冰在阳光照射下，熔化为水的过程 ‎4. 热传递的规律是 （ ）‎ A. 热量总是从热量较多的物体传递给热量较少的物体 B. 热量总是从温度较高的物体传递给温度较低的物体 C. 热量总是从内能较多的物体传递给内能较少的物体 D. 热量总是从比热容大的物体传递给比热容较小的物体 ‎5. 关于物体的内能，下列说法中正确的是 （ ）‎ A. 手感到冷时。搓搓手就会感到暖和些，这是利用做功来改变物体的内能 B. 物体沿光滑斜面下滑时速度增大。这是利用做功来使物体内能增大 C. 阳光照晒衣服，衣服的温度升高，这是利用热传递来改变物体的内能 D. 用打气筒打气，筒内气体变热，这是利用热传递来改变物体的内能 ‎6. 一定质量的理想气体吸热膨胀，保持压强不变，它的内能增加，那么 （ ）‎ A. 它吸收的热量等于内能的增量 B. 它吸收的热量小于内能的增量 C. 它吸收的热量大于内能的增量 D. 它吸收的热量可以大于内能的增量，也可以小于内能的增量 ‎7. 1gl00的水和lgl00的水蒸气相比较，下述说法中正确的是 （ ）‎ A. 分子的平均动能与分子的总动能都相同 B. 分子的平均动能相同，分子总动能不同 C. 内能相同 D. 1gl00的水的内能小于lgl00的水蒸气的内能 ‎8. 在轮胎爆炸这一短暂过程中，关于轮胎内的气体，下列叙述正确的是 （ ）‎ A. 气体膨胀，温度不变 B. 气体膨胀，温度升高 C. 气体膨胀，温度下降 D. 压强不变，内能增大 ‎9. 下列能源中，哪些属于不污染环境，且不需要开采费用的新能源 （ ）‎ A. 太阳能 B. 核能 C. 风能 D. 沼气 ‎10. 下列说法中，正确的是 （ ）‎ A. 因为能量守恒，所以“能源危机”是不可能的 B. 甲物体自发传递热量给乙物体，从微观看，是大量分子从无序程度大的运动状态向无序程度小的运动状态的转化 C. 第二类永动机是指效率达到100％的热机 D. 在有些自然过程中，一个孤立系统的总熵可以保持不变 ‎11. 如图，A、B两点表示一定质量的某种理想气体的两个状态。当气体自状态A变化到状态B时 （ ）‎ A. 体积必然变大 B. 有可能经过体积减小的过程 C. 外界必然对气体做正功 D. 气体必然从外界吸热 ‎12. A物体的质量是B物体质量的n倍，B的比热容是A的k倍，若A吸收的热量是B吸收的热量的m倍，则A物体升高的温度是B物体升高的温度的 （ ）‎ A. 倍 B. 倍 C. 倍 D. 倍 ‎13. 下列说法正确的是 （ ）‎ A. 冰箱能使热量从低温物体传递到高温物体，因此不遵守热力学第二定律 B. 空调工作时消耗的电能与室内温度降低所放出的热量可以相等 C. 自发的热传导是不可逆的 D. 不可能通过给物体加热而使它运动起来，因为违背热力学第一定律 ‎14. 下列过程中，可能实现的是 （ ）‎ A. 将海水温度自动下降时释放的内能全部转化为机械能 B. 利用海洋不同深度的海水温度不同来制造一种机器。把海水的内能变为机械能 C. 在粗糙水平面上运动的物体，它的动能转化为内能，使物体温度升高 D. 静止在光滑水平面上的物体，温度降低时释放的内能可以转化为物体的动能，使物体运动起来 ‎15. 在一个标准大气压下，水在沸腾时，lg水由液态变成同温度的汽态，其体积由1.043cm3变为1676cm3。已知水的汽化热为2263. 8J／g，求：‎ ‎（1）体积膨胀时气体对外界做的功W；‎ ‎（2）气体吸收的热量Q；‎ ‎（3）气体增加的内能△E，。‎ ‎【试题答案】‎ ‎1. ABCD 2. C 3. AB 4. B 5. AC ‎6. C 7. AD 8. C 9. C 10. AC ‎11. CD 12. ABD 13. C 14. BC ‎15. （1）169.7J （2）2263.8J （3）2094J