新教材同步輔導2023年高中物理第三章熱力學定律第二節(jié)能量守恒定律及其應(yīng)用課件粵教版選擇性必修第三冊

第三章熱力學定律學習目標1．理解能量守恒定律，知道能量守恒定律是自然界普遍遵從的基本規(guī)律．(重點)2．理解第一類永動機是不可能制成的．(難點)3．知道熱傳遞、擴散現(xiàn)象、機械能與內(nèi)能的轉(zhuǎn)化等都具有方向性．具有方向性的過程是不可逆的．(重點)4．理解熱力學第二定律的兩種表述，并能用熱力學第二定律解釋第二類永動機不可能制成(難點、重點)續(xù)上表物理與STSE

知識點一能量守恒定律1．內(nèi)容：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)化為另一種形式，或者從一個物體轉(zhuǎn)移到別的物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中，能量的總量保持不變．2．意義．(1)各種形式的能可以相互轉(zhuǎn)化．(2)各種互不相關(guān)的物理現(xiàn)象可以用能量守恒定律聯(lián)系在一起．知識點二第一類永動機不可能制成1．第一類永動機：不需要任何動力或燃料，卻能不斷地對外做功的機器．2．第一類永動機不可能制成的原因：違背能量守恒定律．3．意義：正是歷史上設(shè)計永動機的失敗，才使后人的思考走上了正確的道路．知識點三自然過程自發(fā)進行的方向性1．熱傳導的方向性．兩個溫度不同的物體互相接觸時，熱量會自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體，但不會自發(fā)地從低溫物體傳給高溫物體．這說明：熱傳導過程是有方向的．2．機械能和內(nèi)能轉(zhuǎn)化過程的方向性．(1)機械能和內(nèi)能轉(zhuǎn)化過程具有方向性，即機械能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的過程是可以自發(fā)進行的，內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機械能的過程，是不能自發(fā)進行的，要將內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機械能，必然會引起其他影響．(2)第二類永動機．從單一熱源吸熱全部用來做功，而不引起其他變化的熱機．3．擴散的方向性．兩種不用的氣體可以自發(fā)地混合，最后成為一種均勻的混合氣體．相反，一種均勻的混合氣體卻不會自發(fā)地分開成為兩種氣體．知識點四熱力學第二定律的表述1．第一種表述(克勞修斯表述)：熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳遞到高溫物體．(按照熱傳導的方向性來表述的)2．第二種表述(開爾文表述)：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．(按照機械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化過程的方向性來表述的)熱力學第二定律的這兩種表述是等價的．熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性．3．自然界中一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的自然過程都具有方向性．1.(多選)細繩一端固定在天花板上，另一端拴一質(zhì)量為m的小球，如圖所示．使小球在豎直平面內(nèi)擺動，經(jīng)過一段時間后，小球停止擺動．下列說法中正確的是(

)A．小球機械能不守恒B．小球能量正在消失C．小球擺動過程中，只有動能和重力勢能在相互轉(zhuǎn)化D．總能量守恒，但小球的機械能減少解析：小球在豎直平面內(nèi)擺動，經(jīng)過一段時間后，小球停止擺動，說明機械能通過克服阻力做功不斷地轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，即機械能不守恒，故A正確；小球的機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，能量的種類變了，但能量不會消失，故B錯誤；小球長時間擺動過程中，重力勢能和動能相互轉(zhuǎn)化的同時，機械能不斷地轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，故擺動的幅度越來越小，但總能量守恒，故C錯誤，D正確．答案：AD2．第一類永動機是不可能制成的，這是因為(

)A．它不符合機械能守恒定律B．它違背了能的轉(zhuǎn)化和守恒定律C．它做功產(chǎn)生的熱不符合熱功當量D．暫時找不到合理的設(shè)計方案和理想材料解析：第一類永動機不可能制成的原因是違背了能的轉(zhuǎn)化和守恒定律，故B正確．答案：B3．下列說法正確的是(

)A．熱傳導的過程是有方向性的B．根據(jù)熱力學第二定律可知，熱量不可能從低溫物體傳給高溫物體C．機械能全部變成內(nèi)能是不可能的D．熱力學第二定律表明，所有物理過程都具有方向性解析：根據(jù)熱力學第二定律和實驗事實都可以說明，熱傳導的過程是有方向性的，熱量可以從高溫物體自發(fā)地傳給低溫物體，卻不能自發(fā)地從低溫物體傳給高溫物體，選項A正確；如果借助外界的幫助，熱量是可以從低溫物體傳給高溫物體的，但肯定引起其他的變化，比如電冰箱制冷時需要消耗電能，選項B錯誤；機械能可以全部轉(zhuǎn)變成內(nèi)能，而內(nèi)能卻不能全部轉(zhuǎn)變成機械能，選項C錯誤．熱力學第二定律指出了所有大量分子參與的宏觀過程具有方向性，即涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程具有方向性，但并不是指所有的物理過程都具有方向性，選項D錯誤．答案：A探究一能量守恒定律的理解和應(yīng)用1．能量的存在形式及相互轉(zhuǎn)化．(1)各種運動形式都有對應(yīng)的能：機械運動的物體有機械能，分子的熱運動有內(nèi)能，還有電磁能、化學能、原子能等．(2)各種形式的能可以相互轉(zhuǎn)化．例如，利用電爐取暖或燒水，電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；煤燃燒時，化學能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；列車剎車時輪子溫度升高，機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能．2．與某種運動形式對應(yīng)的能是否守恒是有條件的．例如，物體的機械能守恒，必須是只有重力或系統(tǒng)內(nèi)的彈力做功；而能量守恒定律是沒有條件的，它是一切自然現(xiàn)象都遵守的基本規(guī)律．3．能量守恒定律中的“轉(zhuǎn)化”和“轉(zhuǎn)移”．(1)某種形式的能量減少，一定有其他形式的能量增加，且減少量和增加量一定相等．(2)某個物體的能量減少，一定存在其他物體的能量增加，且減少量和增加量一定相等．4．第一類永動機失敗的原因分析．如果沒有外界熱源供給熱，則有U2－U1＝W，就是說，如果系統(tǒng)內(nèi)能減少，即U2<U1，則W<0，系統(tǒng)對外做功是要以內(nèi)能減少為代價的．若想源源不斷地做功，就必須使系統(tǒng)不斷回到初始狀態(tài)，在無外界能量供給的情況下是不可能的．【典例1】如圖所示，直立容器的內(nèi)部有被隔板隔開的A、B兩部分氣體，A的密度小，B的密度大．抽去隔板，加熱氣體，使兩部分氣體均勻混合．設(shè)在此過程中氣體吸收的熱量為Q，氣體內(nèi)能的增量為ΔE，則(

)A．ΔE＝Q

B．ΔE<QC．ΔE>Q D．ΔE＝0解析：抽去隔板，加熱氣體，使兩部分氣體均勻分布，其重心升高，重力勢能增加，由能量守恒定律知，增加的重力勢能由內(nèi)能轉(zhuǎn)化而來，所以內(nèi)能的增量小于吸收的熱量，故選項B正確．答案：B利用能量守恒定律解決問題時，首先應(yīng)明確題目中涉及哪幾種形式的能量，其次分析哪種能量增加了，哪種能量減少了，確定研究的系統(tǒng)后，用能量守恒的觀點求解．1．(多選)下列關(guān)于第一類永動機的說法正確的是(

)A．第一類永動機是不消耗任何能量卻可源源不斷地對外做功的機器B．第一類永動機不能制成的原因是違背了熱力學第一定律C．第一類永動機不能制成的原因是技術(shù)問題D．第一類永動機不能制成的原因是違背了能量守恒定律解析：第一類永動機是不消耗任何能量卻能源源不斷地對外做功的機器，這是人們的美好愿望，但它違背了能量守恒定律，這也是它不能制成的原因，故A、D正確．答案：AD2．(多選)行駛中的汽車制動后滑行一段距離，最后停下；流星在夜空中墜落并發(fā)出明亮的火焰；降落傘在空中勻速下降；條形磁鐵在下落過程中穿過閉合線圈，線圈中產(chǎn)生電流．上述不同現(xiàn)象中所包含的相同的物理過程是(

)A．物體克服阻力做功B．物體的動能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量C．物體的勢能化為其他形式的能量D．物體的機械能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量解析：題干四個現(xiàn)象中物體的運動過程都受到阻力作用，汽車主要是制動阻力，流星、降落傘是空氣阻力，條形磁鐵下落主要是受到磁場阻力，因而物體能克服阻力做功，故A正確；四個運動過程中，汽車是動能轉(zhuǎn)化成了其他形式的能，流星、降落傘、條形磁鐵是重力勢能轉(zhuǎn)化成其他形式的能，總之是機械能轉(zhuǎn)化為其他形式的能，故D正確，B、C錯誤．答案：AD3．如圖所示，容器A、B各有一個可以自由移動的輕活塞，活塞下面是水，上面是大氣，大氣壓恒定．A、B的底部由帶閥門K的管道相連，整個裝置與外界絕熱，原先A中水面比B中的高，打開閥門，使A中的水逐漸向B中流動，最后達到平衡，在這個過程中(

)A．大氣壓對水不做功，水的內(nèi)能減少B．水克服大氣壓做功，水的內(nèi)能減少C．大氣壓對水不做功，水的內(nèi)能不變D．大氣壓對水不做功，水的內(nèi)能增加解析：打開閥門K，使A中的水逐漸流向B中，最后水面持平，A中水面下降hA，B中水面上升hB，相當于A中SAhA體積的水移到B中，且SAhA＝SBhB，這部分水的重心降低，重力對水做正功，重力勢能減小了．大氣壓力做功情況是大氣壓對A容器中的水做正功，對B容器中的水做負功，所以，大氣壓力對水做的總功為p0SAhA－p0SBhB，由于SAhA＝SBhB，所以大氣壓對水做的總功為零，又由于系統(tǒng)絕熱，與外界沒有熱交換，只有重力做功，重力勢能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，故選項D正確．答案：D探究二熱力學第二定律的理解和應(yīng)用1．對熱力學第二定律的理解．(1)“自發(fā)地”：指熱量從高溫物體“自發(fā)地”傳給低溫物體的方向性．在傳熱過程中不會對其他物體產(chǎn)生影響，或借助其他物體提供能量等．(2)“不產(chǎn)生其他影響”：含義是發(fā)生的熱力學宏觀過程只在本系統(tǒng)內(nèi)完成，對周圍環(huán)境不產(chǎn)生熱力學方面的影響，如吸熱、放熱、做功等．(3)“單一熱庫”：指溫度均勻并且恒定不變的系統(tǒng)．若一系統(tǒng)各部分溫度不相同或者溫度不穩(wěn)定，則構(gòu)成機器的工作物質(zhì)可以在不同溫度的兩部分之間工作，從而可以對外做功．據(jù)報道，有些國家已在研究利用表層海水與深層海水的溫差來發(fā)電．(4)“不可能”：實際上熱機系統(tǒng)循環(huán)終了時，除了從單一熱庫吸收熱量對外做功，以及熱量從高溫熱庫傳到低溫熱庫以外，過程中所產(chǎn)生的其他一切影響，不論用任何的辦法都不可能加以消除．2．熱力學第二定律的實質(zhì)．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，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．3．熱力學過程方向性實例．【典例2】

(多選)下列現(xiàn)象不可能發(fā)生的是(

)A．在一與外界絕熱的房間內(nèi)，將一臺正在工作的電冰箱的門打開，能使該房間降溫B．蒸汽機把蒸汽的內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機械能C．一個在粗糙的水平地面上運動的物體最終要停下來，物體的動能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能D．在熱傳導中，熱量可以自發(fā)地從高溫物體傳向低溫物體解析：在一與外界絕熱的房間內(nèi)，將一臺正在工作的電冰箱的門打開，消耗了電能，產(chǎn)生了焦耳熱，所以房間溫度不僅不能降低還會升高，故A不可能發(fā)生；蒸汽機不可能把蒸汽的內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機械能，轉(zhuǎn)化過程中必然存在能量耗散，故B不可能發(fā)生；一個在粗糙的水平地面上運動的物體最終要停下來，物體的動能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，C可能發(fā)生；在熱傳導中，熱量可以自發(fā)地從高溫物體傳向低溫物體，D可能發(fā)生．答案：AB對熱力學第二定律理解的兩個誤區(qū)(1)誤認為熱量只能由高溫物體傳到低溫物體，不能由低溫物體傳到高溫物體．熱量可以由高溫物體傳到低溫物體，也可以由低溫物體傳到高溫物體；但是，前者可以自發(fā)完成，而后者則必須有外界參與．(2)誤認為機械能可以完全轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，而內(nèi)能不能完全轉(zhuǎn)化為機械能．機械能可以完全轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，內(nèi)能也可以完全轉(zhuǎn)化為機械能；但是，前者可以不產(chǎn)生其他影響，而后者一定會產(chǎn)生其他影響．4．(多選)下列哪些過程具有方向性(

)A．熱傳導過程B．動能向勢能的轉(zhuǎn)化過程C．氣體的擴散過程D．氣體向真空中的膨脹過程解析：熱傳遞、氣體的擴散和氣體在真空中的膨脹都是與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀自然過程，由熱力學第二定律可知，它們都是不可逆的，具有方向性，故選項A、C、D正確；動能向勢能的轉(zhuǎn)化與熱現(xiàn)象無關(guān)，是可逆的，不具有方向性，故選項B錯誤．答案：ACD5．下列關(guān)于熱現(xiàn)象的描述正確的是(

)A．滿足能量守恒定律的宏觀過程都可以自發(fā)進行B．做功和熱傳遞都通過能量轉(zhuǎn)化的方式改變系統(tǒng)內(nèi)能C．電冰箱的工作過程表明，熱量可以從低溫物體向高溫物體傳遞D．溫度不同的兩塊金屬接觸，達到熱平衡后，它們具有的相同的物理量是熱量解析：滿足能量守恒定律的宏觀過程不一定都可以自發(fā)進行，例如熱量由低溫物體向高溫物體的傳遞，選項A錯誤；做功是通過能量轉(zhuǎn)化的方式改變系統(tǒng)內(nèi)能，而熱傳遞是通過能量的轉(zhuǎn)移來改變物體的內(nèi)能的，選項B錯誤；電冰箱的工作過程表明，熱量可以從低溫物體向高溫物體傳遞，選項C正確；溫度不同的兩塊金屬接觸，達到熱平衡后，它們具有的相同的物理量是溫度，選項D錯誤．答案：C6．(多選)電冰箱能夠不斷地把熱量從溫度較低的冰箱內(nèi)部傳給溫度較高的外界空氣，這說明了(

)A．熱量能自發(fā)地從低溫物體傳給高溫物體B．在一定條件下，熱量可以從低溫物體傳給高溫物體C．熱量的傳遞過程不具有方向性D．在自發(fā)地條件下熱量的傳遞過程具有方向性解析：電冰箱正常工作時能夠不斷地把熱量從溫度較低的冰箱內(nèi)部傳給溫度較高的外部空氣，但必須耗電，說明在一定條件下，熱量可以從低溫物體傳給高溫物體，故A錯誤，B正確；關(guān)閉電源后，熱量就不可能從溫度較低的冰箱內(nèi)部傳給溫度較高的外界空氣，說明在自發(fā)的條件下熱量的傳遞過程具有方向性，故C錯誤，D正確．答案：BD探究三兩個定律和兩類永動機的比較1．熱力學第一定律與熱力學第二定律的區(qū)別與聯(lián)系．項目熱力學第一定律熱力學第二定律區(qū)別熱力學第一定律揭示了做功和傳熱對改變物體內(nèi)能的規(guī)律關(guān)系ΔU＝W＋Q，指明內(nèi)能不但可以轉(zhuǎn)移，而且還能跟其他形式的能相互轉(zhuǎn)化．熱力學第一定律是能量守恒定律在熱學中的一種表述形式，是從能的角度揭示不同物質(zhì)運動形式相互轉(zhuǎn)化的可能性熱力學第二定律揭示了大量分子參與的宏觀過程的方向性．如機械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，內(nèi)能卻不可能全部轉(zhuǎn)化為機械能而不引起其他變化，進一步揭示了各種能量轉(zhuǎn)化過程及物質(zhì)運動形式的轉(zhuǎn)化過程都具有方向性2.第二類永動機．(1)第二類永動機：只從單一熱庫吸收熱量，使之完全變?yōu)楣Χ灰鹌渌兓臒釞C．(2)第二類永動機不可能制成的原因：雖然第二類永動機不違反能量守恒定律，但大量的事實證明，在任何情況下，熱機都不可能只有一個熱庫，熱機要不斷地把吸取的熱量變?yōu)橛杏玫墓?，就不可避免地將一部分熱量傳給低溫熱庫．續(xù)上表聯(lián)系熱力學第一定律是和熱現(xiàn)象有關(guān)的物理過程中能量守恒的特殊表達形式，說明功及熱量與內(nèi)能改變的定量關(guān)系，而熱力學第二定律指出了能量轉(zhuǎn)化與守恒能否實現(xiàn)的條件和過程進行的方向，指出了一切變化過程的自然發(fā)展方向不可逆，除非靠外界影響，所以二者相互獨立，又相互補充3．兩類永動機的比較．項目第一類永動機第二類永動機設(shè)計要求不消耗任何能量，可以不斷做功(或只給予很小的能量啟動后，可以永遠運動下去)將內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機械能，而不引起其他變化(或只有一個熱源，實現(xiàn)內(nèi)能與機械能的轉(zhuǎn)化)不可能的原因違背了能量守恒定律違背了熱力學第二定律【典例3】關(guān)于熱力學第一定律和熱力學第二定律，下列論述正確的是(

)A．熱力學第一定律指出內(nèi)能可以與其他形式的能相互轉(zhuǎn)化，而熱力學第二定律則指出內(nèi)能不可能完全轉(zhuǎn)化為其他形式的能，故這兩條定律是相互矛盾的B．內(nèi)能可以全部轉(zhuǎn)化為其他形式的能，只是會產(chǎn)生其他影響，故兩條定律并不矛盾C．兩條定律都是有關(guān)能量的轉(zhuǎn)化規(guī)律，它們不但不矛盾，而且沒有本質(zhì)區(qū)別D．其實，能量守恒定律已經(jīng)包含了熱力學第一定律和熱力學第二定律解析：熱力學第一定律揭示了內(nèi)能與其他形式能量之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系，是能量守恒定律在熱力學中的具體體現(xiàn)，熱力學第二定律則進一步闡明了內(nèi)能與其他形式能量轉(zhuǎn)化時的方向性，二者表述的角度不同，本質(zhì)不同，相互補充，并不矛盾，故C、D錯誤，B正確；內(nèi)能在一定條件下可以全部轉(zhuǎn)化為機械能，熱量也可以由低溫物體傳遞到高溫物體，但是要引起其他變化，如電冰箱制冷機工作要消耗電能，故A錯誤．答案：B熱力學第一定律和熱力學第二定律的應(yīng)用技巧(1)應(yīng)用熱力學第一定律，一定要考慮改變物體內(nèi)能的兩種方式，只有做功和熱傳遞兩方面都確定，才能確定物體內(nèi)能的變化．(2)熱力學第二定律的應(yīng)用，關(guān)鍵是對熱現(xiàn)象宏觀過程的方向性的理解，要抓住“自發(fā)”和“不引起其他變化”等所表述的物理意義．7．(多選)下列說法正確的有(

)A．第二類永動機和第一類永動機一樣，都違背了能量守恒定律B．第二類永動機違背了能量轉(zhuǎn)化的方向性C．自然界中的能量是守恒的，所以不用節(jié)約能源D．自然界中的能量盡管是守恒的，但有的能量便于利用，有的不便于利用，故要節(jié)約能源解析：第一類永動機違背了能量守恒定律，第二類永動機違背了能量轉(zhuǎn)化的方向性，故A項錯誤，B項正確；雖然自然界中能量守恒，但能源的品質(zhì)不同，有的便于利用，有的不便于利用，為了便于有效地利用能源，仍要節(jié)約能源，故C錯誤，D正確．答案：BD8．(多選)關(guān)于兩類永動機和熱力學兩大定律，下列說法正確的是(

)A．熱力學第一定律和熱力學第二定律是相互獨立的B．熱力學第二定律的兩種表述是等效的C．由熱力學第一定律可知做功不一定改變內(nèi)能，熱傳遞也不一定改變內(nèi)能，但同時做功和熱傳遞一定會改變內(nèi)能D．由熱力學第二定律可知熱量從低溫物體傳向高溫物體是可能的，從單一熱庫吸收熱量，完全變成功也是可能的解析：熱力學第二定律有幾種不同的表述形式，但它們是等效的，它與熱力學第一定律是各自獨立的，故A、B正確；由熱力學第一定律可知W≠0，Q≠0，但ΔU＝W＋Q可以等于0，C錯誤；由熱力學第二定律可知D中現(xiàn)象是可能的，但不引起其他變化是不可能的，D正確．答案：ABD探究四熵——無序程度的量變1．有序與無序．所謂有序，是指事物內(nèi)部的要素或事物之間有規(guī)則的聯(lián)系和運動轉(zhuǎn)化；無序是指事物內(nèi)部各種要素或事