第二講熱力學定律氣體

第二講熱力學定律氣體第1頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一第2頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一一、熱力學定律1．熱力學第一定律(1)內(nèi)容：一般情況下，如果物體跟外界同時發(fā)生做功和熱傳遞的過程，那么，外界對物體所做的功W加上物體從外界吸收的熱量Q等于物體

的增加ΔU.(2)表達式：ΔU＝

.(3)W、Q、ΔU的“＋、－”號法則內(nèi)能W＋Q第3頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一符號WQΔU＋外界對

做功物體吸收熱量內(nèi)能－物體對外界做功物體

熱量內(nèi)能物體放出增加減少2．熱力學第二定律(1)兩種表述①不可能使熱量由低溫物體傳遞到高溫物體，而

．②不可能從單一熱源吸收熱量并把它全部用來做功，而

．不引起其他變化不引起其他變化第4頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一(2)意義：熱力學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．3．熱力學第三定律(1)內(nèi)容：熱力學零度不可達到．(2)熱力學溫度T與攝氏溫度t的關(guān)系：T＝t＋

K.273.15第5頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一[特別提醒]熱力學第一定律說明發(fā)生的任何過程中能量必定守恒，因此，第一類永動機不可能制成．熱力學第二定律說明并非所有能量守恒的過程都能實現(xiàn)，因此，第二類永動機也不可能制成．第6頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一二、氣體的狀態(tài)參量1．溫度(1)宏觀上：表示物體的

程度．(2)微觀上：表示物體分子熱運動的

程度，是分子

的標志．(3)溫標：常用的溫標有熱力學溫標(絕對溫標)和攝氏溫標，二者關(guān)系T＝

K，ΔT＝Δt.冷熱激烈平均動能(t＋273.15)第7頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一2．體積(1)宏觀上：氣體所充滿的容器的

．(2)微觀上：氣體分子所能達到的

．3．壓強(1)宏觀上：器壁單位面積上受到的

．(2)微觀上：大量氣體分子單位時間內(nèi)作用在單位面積上的

．(3)決定因素：微觀上決定于單位體積內(nèi)的分子數(shù)和分子的平均動能；宏觀上決定于氣體的物質(zhì)的量、

和

．容積空間壓力總沖量溫度體積第8頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一三、氣體分子動理論1．氣體分子運動的特點由于氣體分子間距大，氣體分子的大小可以忽略，分子間的作用力很小，也可以忽略．因此，除分子間及分子與器壁間碰撞外，分子間無相互作用力，所以不計

，氣體的內(nèi)能只與氣體的物質(zhì)的量和

有關(guān)．分子勢能溫度第9頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一2．氣體分子運動的統(tǒng)計規(guī)律(1)氣體分子沿各個方向運動的機會(幾率)

．(2)大量氣體分子的速率分布呈現(xiàn)

(中等速率的分子數(shù)目多)、

(速率大或小的分子數(shù)目少)的規(guī)律．(3)當溫度升高時，“中間多”的這一“高峰”向

的一方移動，即速率大的分子數(shù)目增多，速率小的分子數(shù)目減小，分子的平均速率

，但不是每個氣體分子的速率均增大．相等中間大兩頭小速率大增大第10頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一[特別提醒]理想氣體是實際氣體在一定條件下的近似，無分子勢能，內(nèi)能只由溫度和氣體物質(zhì)的量決定．四、氣體狀態(tài)參量間的關(guān)系一定質(zhì)量的氣體，如果三個狀態(tài)參量都不變，則該氣體處于一定的狀態(tài)中．三個狀態(tài)參量可以同時變化，也可以是其中一個參量保持不變，其他兩個參量發(fā)生變化，只有一個狀態(tài)參量發(fā)生變化是不可能的．當一個參量不變時，另兩個參量的關(guān)系為：第11頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一1．溫度不變：分子的平均動能

，若體積減小，單位體積內(nèi)分子數(shù)目

，氣體的壓強

．2．體積不變：單位體積內(nèi)的分子數(shù)目

，溫度升高，分子的平均動能

，氣體的壓強

．3．壓強不變：溫度升高，氣體分子的平均動能

，只有氣體的體積

，單位體積內(nèi)的分子數(shù)

，才可保持氣體的壓強

．不變增多增加不變增加增加增加減少不變增大第12頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一1.關(guān)于氣體分子運動的特點，正確的說法是(

)A．氣體分子的運動速率可由牛頓運動定律求得B．當溫度升高時，氣體分子的速率分布不再是“中間

多，兩頭少”C．氣體分子運動的平均速率與溫度有關(guān)D．氣體分子的平均速度隨溫度升高而增大第13頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一答案：C解析：氣體分子的運動與溫度有關(guān)，當溫度升高時，平均速率變大，但仍然遵循“中間多，兩頭少”的統(tǒng)計規(guī)律，由于分子運動的無規(guī)則性，對于某個分子的運動，不能由牛頓運動定律求得．至于平均速度，可以認為分子向各個方向運動的速率相等．穩(wěn)定時，平均速度幾乎等于零．當溫度升高時，平均速度不一定增大．第14頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一2．(2010·廣東高考)如圖8－2－1是密閉的氣缸，外力推動活塞P壓縮氣體，對缸內(nèi)氣體做功800J，同時氣體向外界放熱200J，缸內(nèi)氣體的(

)A．溫度升高，內(nèi)能增加600JB．溫度升高，內(nèi)能減少200JC．溫度降低，內(nèi)能增加600JD．溫度降低，內(nèi)能減少200J圖8－2－1第15頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一解析：對氣體做功800J，同時氣體放出熱量200J，由熱力學第一定律得ΔU＝W＋Q＝800J－200J＝600J，即氣體溫度升高，內(nèi)能增加600J，故A項正確．答案：A第16頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一3．裝有半瓶開水的熱水瓶，經(jīng)過一晚，瓶塞不易拔出，主要原因是(

)A．瓶內(nèi)氣體因溫度降低而壓強減小B．瓶外因氣溫高而大氣壓強變大C．瓶內(nèi)氣體因體積減小而壓強增大D．瓶內(nèi)氣體因體積增大而壓強減小解析：瓶內(nèi)氣體體積不會變化，但溫度降低，壓強減小，瓶塞內(nèi)外壓力差增大，故瓶塞不易拔出，A對，B、C、D錯．答案：A第17頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一4．熱現(xiàn)象過程中不可避免地出現(xiàn)能量耗散的現(xiàn)象．所謂能量耗散是指在能量轉(zhuǎn)化的過程中無法把流散的能量重新收集、利用．下列關(guān)于能量耗散的說法中正確的是(

)A．能量耗散說明能量不守恒B．能量耗散不符合熱力學第二定律C．能量耗散過程中能量仍守恒D．能量耗散是從能量轉(zhuǎn)化的角度反映出自然界中宏觀過程具有的方向性第18頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一解析：能量耗散是指能量轉(zhuǎn)化的過程中能量的散失，說明自然界中的宏觀熱現(xiàn)象的發(fā)展過程是有方向性的，符合熱力學第二定律，且不違背能量守恒定律，故C、D正確．答案：CD第19頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一5．有一個排氣口直徑為2.0mm的壓力鍋，如圖8－2－2甲所示，排氣口上用的限壓閥G的質(zhì)量為34.5g，根據(jù)圖乙所示的水的飽和蒸汽壓跟溫度關(guān)系的曲線，求當壓力鍋煮食物限壓閥放氣時(即限壓閥被向上頂起時)鍋內(nèi)能達到的最高溫度．8－2－2第20頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一答案：122℃第21頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一第22頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一[典例啟迪]

[例1]如圖8－2－3所示，導熱性能良好的氣缸內(nèi)用活塞封閉著一定質(zhì)量、常溫常壓的氣體，氣缸固定不動．一條細線一端連接在活塞上，另一端跨過兩個光滑的定滑輪后連接在一個小桶上，開始時活塞靜止．現(xiàn)不斷向小桶中添加細沙，使活塞緩慢向上移動(活塞始終未被拉出氣缸、周圍環(huán)境溫度不變)．則在活塞移動的過程中，下列說法正確的是(

)圖8－2－3第23頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一A．氣缸內(nèi)氣體的分子平均動能變小B．氣缸內(nèi)氣體的內(nèi)能變小C．氣缸內(nèi)氣體的壓強變小D．氣缸內(nèi)氣體向外界放熱[審題指導]活塞緩慢向上移動是指活塞始終處于平衡狀態(tài)，導熱性能良好的氣缸內(nèi)外溫度始終相同．第24頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一[解析]

先分析活塞的受力，活塞受力如圖所示，在不斷向小桶中添加細砂時，細線的拉力要不斷增大，由于大氣壓與活塞重力不變，所以氣缸內(nèi)氣體壓強要減小，所以C對；而由于氣缸導熱性能良好，在活塞緩慢移動過程中，氣缸內(nèi)溫度與外界一樣不變，所以分子平均動能不變，內(nèi)能不變，A、B錯；活塞緩慢向上移動過程中，氣體對外界做功，由熱力學第一定律ΔU＝Q＋W可知，氣缸內(nèi)氣體要吸熱，所以D錯．[答案]

C第25頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一[歸納領(lǐng)悟]理想氣體只有分子動能，一定質(zhì)量的氣體，其內(nèi)能只取決于溫度，而與體積無關(guān)．氣體的內(nèi)能只需分析氣體的溫度，溫度升高(或降低)，內(nèi)能增大(或減小)．做功情況分析氣體體積，氣體體積增大，氣體對外做功，氣體體積減小，外界對氣體做功．熱量Q則由熱力學第一定律W＋Q＝ΔU確定．第26頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一[題組突破]

1.一個內(nèi)壁光滑、絕熱的氣缸固定在地面上，絕熱的活塞下方封閉著空氣，若突然用豎直向上的力F將活塞向上拉一些，如圖8－2－4所示．則缸內(nèi)封閉著的氣體(

)A．每個分子對缸壁的沖力都會減小B．單位時間內(nèi)缸壁單位面積上受到的氣體分子碰撞的次數(shù)減少圖8－2－4第27頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一C．分子平均動能不變D．若活塞重力不計，拉力F對活塞做的功等于缸內(nèi)氣體內(nèi)能的改變量解析：把活塞向上拉起體積增大，氣體對活塞做功，氣體內(nèi)能減小，溫度降低，分子的平均沖力變小，碰撞次數(shù)減少，故A、C錯B對；氣體內(nèi)能的減小量等于氣體對大氣做的功減去F做的功，故D錯．答案：B第28頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一2.(2010·全國卷Ⅱ)如圖8－2－5所示，一絕熱容器被隔板K隔開成a、b兩部分，已知a內(nèi)有一定量的稀薄氣體，b內(nèi)為真空．抽開隔板K后，a內(nèi)氣體進入b，最終達到平衡狀態(tài)．在此過程中，(

)A．氣體對外界做功，內(nèi)能減少B．氣體不做功，內(nèi)能不變圖8－2－5第29頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一C．氣體壓強變小，溫度降低D．氣體壓強變小，溫度不變解析：b室為真空，則a氣體體積膨脹對外不做功，由熱力學第一定律ΔU＝W＋Q知，在絕熱時，氣體的內(nèi)能不變，A項錯，B項對．又氣體是稀薄氣體，則只有動能，因此氣體的溫度不變，分子的平均動能不變，分子的密集程度變小，則壓強減小，C項錯，D項對．答案：BD第30頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一[典例啟迪][例2]

根據(jù)熱力學第二定律分析，下列說法中正確的是(

)A．熱量能夠從高溫物體傳到低溫物體，但不能從低溫物體傳到高溫物體B．熱量能夠從高溫物體傳到低溫物體，也可以從低溫物體傳到高溫物體第31頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一C．機械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，但變化的內(nèi)能不可以全部轉(zhuǎn)化為機械能

D．機械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，變化的內(nèi)能也可以全部轉(zhuǎn)化為機械能[思路點撥]從熱力學第二定律的兩種表述出發(fā)解答本題．第32頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一[解析]

根據(jù)熱傳遞的規(guī)律可知，熱量可以自發(fā)地從高溫物體傳到低溫物體，但不能自發(fā)地(不需要外界幫助)從低溫物體傳到高溫物體．借助外界的幫助，熱量可以從低溫物體傳到高溫物體，故選項A錯誤，B正確．機械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能(如一個運動物體克服摩擦力做功而最終停止運動時，機械能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能)，在一定條件下，變化的內(nèi)能也可以全部轉(zhuǎn)化為機械能，如理想氣體在等溫膨脹過程中，將吸收來的熱量全部用來做功，因此選項C錯誤，選項D正確．[答案]

BD第33頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一[歸納領(lǐng)悟]熱力學第二定律揭示了大量分子參與的宏觀過程具有方向性，常見的熱力學過程的方向性實例有：第34頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一[題組突破]3.地球上有很多的海水，它的總質(zhì)量約為1.4×1018噸，如果這些海水的溫度降低0.1℃，將要放出5.8×1023焦耳的熱量，有人曾設(shè)想利用海水放出的熱量使它完全變成機械能來解決能源危機，但這種機器是不能制成的，其原因是(

)A．內(nèi)能不能轉(zhuǎn)化成機械能B．內(nèi)能轉(zhuǎn)化成機械能不滿足熱力學第一定律C．只從單一熱源吸收熱量并完全轉(zhuǎn)化成機械能的機器不滿足熱力學第二定律D．上述三種原因都不正確第35頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一解析：內(nèi)能可以轉(zhuǎn)化成機械能，如熱機，A錯誤；內(nèi)能轉(zhuǎn)化成機械能的過程滿足熱力學第一定律，即能量守恒定律，B錯誤；熱力學第二定律告訴我們：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，C正確．答案：C第36頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一圖8－2－6第37頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一A．熱量可以自發(fā)地從冰箱內(nèi)傳到冰箱外B．電冰箱的制冷系統(tǒng)能夠不斷地把冰箱內(nèi)的熱量傳到外界，是因為其消耗了電能C．電冰箱的工作原理不違反熱力學第二定律D．電冰箱的工作原理違反熱力學第二定律解析：電冰箱能夠從低溫物體吸收熱量，是因為電流做了功，消耗了電能，它不違背熱力學第二定律．答案：BC第38頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一[典例啟迪]

[例3]A、B兩裝置，均由一支一端封閉、一端開口且?guī)в胁Ａ莸墓軤钊萜骱退y槽組成，除玻璃泡在管上的位置不同外，其他條件都相同．將兩管抽成真空后，開口向下插入水銀槽中(插入過程沒有空氣進入管內(nèi))，水銀柱上升至如圖8－2－7所示位置停止．假設(shè)這一過程水銀與外界沒有熱交換，則下列說法正確的是(

)圖8－2－7第39頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一A．A中水銀的內(nèi)能增量大于B中水銀的內(nèi)能增量B．B中水銀的內(nèi)能增量大于A中水銀的內(nèi)能增量C．A和B中水銀體積保持不變，故內(nèi)能增量相同D．A和B中水銀溫度始終相同，故內(nèi)能增量相同[審題指導]

水銀上升的原因是由于大氣壓力的作用，通過大氣壓力做功把大氣的能量轉(zhuǎn)化到系統(tǒng)中．第40頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一[解析]在水銀進入管中的過程中，大氣壓力對水銀做功，把大氣的能量轉(zhuǎn)化為水銀的內(nèi)能和重力勢能，在一定的大氣壓下，靜止時，A、B管中水銀柱的高度是相同的，則進入管中的水銀體積相同，所以大氣壓力做功相同．但兩裝置中水銀重力勢能的增量不同，所以兩者內(nèi)能的改變也不同，由圖可知B管水銀的重力勢能較小，所以B管中水銀的內(nèi)能增量較多．故選項B正確．[答案]

B第41頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一[歸納領(lǐng)悟]1．用能量轉(zhuǎn)化和守恒定律解題，只要知道物理過程初末狀態(tài)的能量和過程中的能量轉(zhuǎn)化情況，不必考慮過程的變化細節(jié)，這可以使問題的解決過程大大簡化．2．解題時，要注意搞清過程中有幾種形式的能在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移，分析初末狀態(tài)，確定ΔE增和ΔE減，利用ΔE增＝ΔE減分析或計算要解決的問題．第42頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一[題組突破]5.如圖8－2－8所示，直立容器內(nèi)部有被隔板隔開的A、B兩部分氣體，A的密度較小，B的密度較大，抽去隔板，加熱氣體，使兩部分氣體均勻混合，設(shè)在此過程氣體吸熱Q，氣體內(nèi)能增量為ΔU，則(

)A．ΔU＝Q

B．ΔU<QC．ΔU>QD．無法比較圖8－2－8第43頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一解析：A、B氣體開始時合重心在中線下，混合均勻后重心在中線，所以系統(tǒng)重力勢能增加．由能量守恒定律可知，吸收的熱量一部分增加氣體內(nèi)能，另一部分增加氣體的重力勢能，故ΔU<Q.答案：B第44頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一6.如圖8－2－9所示，容器A、B中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的底部由帶有閥門K的管道相連，整個裝置與外界絕熱，原先，A水面比B高．打開閥門K，最后達到平衡，在這個過程中(

)A．大氣壓力對水做功，水的內(nèi)能增加B．水克服大氣壓力做功，水的內(nèi)能減少C．大氣壓力對水不做功，水的內(nèi)能不變D．大氣壓力對水不做功，水的內(nèi)能增加圖8－2－9第45頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一答案：D解析：打開K后，水將從A向B流