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(共16张PPT)
第三章 热力学定律
第2节 能量守恒定律及其应用
下列事例中，各种能量如何转化？
学习目标
1.知道人类对能量概念的认识过程，并能理解能量和能量守恒观念对世界统一性的意义。
2.理解能量守恒定律，知道能量守恒是自然界普遍遵从的基本规律。
3.知道第一类永动机是不可能实现的。
工作中的内燃机
内能
机械能
太阳能发电站
光能
电能
不同形式的能量可以相互转化
光能
机械能
内能
电能
化学能
一、能量守恒定律
1.内容：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中其总量保持不变。
【说明】
①热力学第一定律体现了能量的转化、转移、守恒；
②热力学第一定律是能量守恒定律的一种具体体现。
2.含义：能量守恒定律中的“转化”和“转移”
(1)某种形式的能量减少，一定有其他形式的能量增加，且减少量和增加量一定相等；
(2)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。
3.意义：
(1)本定律是19世纪自然科学中三大发现之一，也庄严宣告了第一类永动机的幻想彻底破灭；
(2)本定律是认识自然、改造自然的有力武器，将广泛的自然科学技术领域联系起来，使不同领域的科学工作者有一系列的共同语言。
盖斯
迈尔
焦耳
亥姆霍兹
化学反应放出的热量与反应步骤无关
功热等价
提出能量守恒的思想
概括和总结能量守恒定律
4.能量守恒观念的形成
5. 对能量守恒定律的理解
① 热力学领域：ΔU=Q+W
热传递：能量的转移
做功：机械能和内能的转化
（1）具体体现
②在力学中：机械能守恒定律
③在电学中：闭合电路欧姆定律
④在电磁学中：楞次定律
能量守恒定律的具体体现
6.能量守恒定律说明：
(1)自然界存在着多种不同形式的运动，每种运动对应着一种形式的能量。
机械运动———机械能
热运动———内能
化学运动——化学能
电荷运动——电能
生物运动——生物能
原子核内部的运动——原子能
(2)不同形式的能量之间可以相互转化。
(3)能量守恒定律适用于任何物理现象和物理过程。
二、第一类永动机不可能制成
任何动力机械的作用都是把其他形式的能转化为机械能。
第一类永动机：不需要动力或燃料，却能源源不断对外做功的机器
（人们把这种不消耗能量的永动机叫第一类永动机）
17～18世纪，许多人致力于制造一种机器，它不需要任何动力或燃料，却能不断地对外做功，史称"第一类永动机"。图3.3-2展示了其中的一种设计。然而，为此目的的任何尝试都失败了。这是为什么呢
违背了能量守恒定律。
①如果没有外界热源供给热量，则有U2－U1＝W，就是说，如果系统内能减少，即U2②层出不穷的永动机设计方案，由于违背了能量守恒定律，无一例外地宣布失败，人类制造永动机的企图是没有任何成功希望的。
1.下列关于能量转化的现象的说法中，正确的是（　　）
A．用太阳灶烧水是太阳能转化为电能
B．电灯发光是电能转化为光能
C．核电站发电是电能转化为内能
D．生石灰放入盛有凉水的烧杯里，水温升高是动能转化为内能
B
2.行驶中的汽车制动后滑行一段距离，最后停下来；流星在夜空中坠落并发出明亮的光焰；降落伞在空中匀速下降；条形磁铁在下落过程中穿过闭合线圈，线圈中产生电流。上述不同现象中所包含的相同物理过程是（　　）
A．物体的动能转化为其他形式的能
B．物体的势能转化为其他形式的能
C．物体的机械能转化为其他形式的能
D．其他形式的能转化为物体的机械能
C
3.如图所示为冲击摆实验装置,一水平飞行的子弹射入沙箱后与沙箱合为一体,共同摆起一定高度,在此过程中有关能量转化的说法中正确的是(　 )
A.子弹的动能转化成沙箱和子弹的内能
B.子弹的动能转化成沙箱和子弹的重力势能
C.子弹的动能转化成沙箱和子弹的动能
D.子弹的动能一部分转化成沙箱和子弹的内能,另一部分
转化为沙箱和子弹的机械能
D
能量守恒定律
永动机不可能制成：违背了能量守恒定律
能量守恒定律
内容：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为别的形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中其总量不变。
表达式：E初=E末(共23张PPT)
第三章 热力学定律
第3节 热力学第二定律
观察与思考：
一滴红色颜料滴进一杯清水中扩散，整杯水将均匀地变红。从系统的角度来看，扩散之前是一种状态，扩散后是另一种状态。那么，水中扩散后的颜料能否自发地重新聚集在一起，而其余部分又变成清水？
1.通过自然界中宏观过程的方向性，了解热力学第二定律；
2.了解热力学第二定律的两种不同表述，能用热力学第二定律解释自然界中的能量转化、转移及方向性问题,并能解决一些实际问题。
一、热传导的方向性
自然规律：两个温度不同的物体互相接触时，热量会自发地从高温物体传给低温物体，但不会自发地从低温物体传给高温物体。可见，热传导过程是有方向性的。
要实现相反方向的过程，必须借助外界的帮助，因而产生其它影响或引起其它变化。
电冰箱的内部温度比外部温度低，为什么致冷系统还能不断地把箱内热量传给外界的空气？
因为电冰箱消耗了电能，对制冷系统做了功，一旦切断电源，电冰箱就不能把其内部的热量传给外界的空气了。相反，外界的热量会自发地传给电冰箱，使其温度逐渐升高。
压缩机会消耗电能，对冷却系统做功
低温
冰箱内的食品
高温
冰箱外的空气
自发
外界做功
向压缩机供电
停止供电
二、机械能和内能转化的方向性
机 内：可自动进行(如摩擦生热)
内 机：不可自动进行
(静止物体不可能自行降温而运动起来)
机械能和内能的转化过程也是有方向性的．
机械能可以全部转化为内能，
内能却无法全部用来做功以转化为机械能，而不产生其他影响
逆向应用：汽车、轮船、飞机等的发动机都是热机，热机是把内能转化为机械能的机器，但效率不可能达到100%，也就是说，要想将内能全部用来做功以转化为机械能而不产生其他影响是不可能的。
第二类永动机：
定义：从单一热源吸收热量并全部用来做功，把它得到的内能全部转化为机械能，热机效率达到100%，这种想象中的热机被称为第二类永动机。
根据气体实验定律，如果气体进行等温膨胀，即气体温度不变，体积增大，则气体压强应减小，而从图中可知，该气体压强是恒定的。显然该气体是不可能进行等温膨胀的。事实上，该过程是一个等压膨胀的过程，气体压强不变，体积增大，温度升高，内能增大，气体吸收的热量不可能百分之百对外做功。
结果：第二类永动机是不可能制成的，内能全部转化为机械能而不产生其他影响是不可能的。
三、扩散的方向性
二氧化氮和空气
红墨水和水
只能自发地由密度大的区域向密度小的区域扩散。
两种不同的气体可以自发地混合，最后成为一种均匀的混合气体，相反，一种均匀的混合气体却不会自发地分开成为两种气体．当然，使用物理或化学方法可以把混合气体分开，但这必然会产生其他影响。
如图所示是两个相同的容器，容器A中装有气体，容器B是真空，打开阀门K，容器A中的气体会自发向容器B扩散，最后两个容器都充满压强相等的气体，这个过程被称为自由膨胀。
外界做功
自由膨胀
自发
抽气机
四、热力学第二定律
克劳修斯
1. 热力学第二定律的克劳修斯表述：
热量不能自发从低温物体传到高温物体。
（1）物体间传热过程的方向性。
高温
低温
自发
（2）自发性：
不需要第三者介入、也不会对任何第三者产生影响。
外界做功
外界环境发生变化
2. 热力学第二定律的开尔文表述
柴油机
汽缸
燃料的化学能
工作物质的内能
机械能
对外做功
燃烧
燃料产生的热量Q
输出机械功W
漏气热损
散热热损
摩擦热损
W< Q
思考：假设能避免这些损失，热机燃料产生的热量 Q=W ？
（1）热机工作原理和过程：
高温热库
低温热库
Q
W
燃料在燃烧(高温物体)
冷凝器或大气(低温物体)
自发
热机在工作过程中必然排出部分热量，热机用于做功的热量一定小于它从高温热库吸收的热量，即：
W< Q
（2）热力学第二定律的开尔文表述：
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。
①热机的效率无法达到100%，总会有损耗
机械能
内能（热）
全部转化（自发）
对第三者有影响
②机械能与内能转化的方向性：
开尔文
注意：
在热力学第二定律的表述中，“自发地”“不产生其他影响”“单一热库”“不可能”的含义。
（1）“自发地”是指热量从高温物体“自发地”传给低温物体的方向性。在传递过程中不会对其他物体产生影响或借助其他物体提供能量等。
（2）“不产生其他影响”的含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响。如吸热、放热、做功等。
（3）“单一热库”：指温度均匀并且恒定不变的系统。若一系统各部分温度不相同或者温度不稳定，则构成机器的工作物质可以在不同温度的两部分之间工作，从而可以对外做功。据报道，有些国家已在研究利用海水上下温度不同来发电。
（4）“不可能”：实际上热机或制冷机系统循环时，除了从单一热库吸收热量对外做功，以及热量从低温热库传到高温热库以外，过程所产生的其他一切影响，不论用任何的办法都不可能加以消除。
不管如何表述，热力学第二定律的实质在于揭示了：一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的。
②对任何一类宏观过程进行方向的说明，都可以作为热力学第二定律的表述。例如：气体向真空的自由膨胀是不可逆的。
热力学第二定律的两种表述之间有什么样的关系？
①两种表述是等价的：可以从一种表述导出另一种表述，两种表述都称为热力学第二定律。
1. 下列宏观过程不能用热力学第二定律解释的是( )
A. 大米和小米混合后小米能自发地填充到大米空隙中而经过一段时间大米、 小米不会自动分开
B. 将一滴红墨水滴入一杯清水中，会均匀扩散到整杯水中，经过一段时间，墨水和清水不会自动分开
C. 冬季的夜晚，放在室外的物体随气温的降低，不会由内能自发地转化为机械能而动起来
D. 随着节能减排措施的不断完善，最终也不会使汽车热机的效率达到100%
A
2. 对热力学第一定律和第二定律的理解，下列说法正确的是( )
A. 热量不能由低温物体传递到高温物体
B. 外界对物体做功，物体的内能必定增加
C. 内能不能全部转化为机械能，同时不引起其他变化
D. 机械能不能全部转化为内能
C
3.在热学中,下列说法正确的是 (　　)
A.第一类永动机不可制成是由于它违背了能量守恒定律
B.第二类永动机不可制成是由于它违背了能量守恒定律
C.热力学第二定律告诉我们机械能可以转化为内能而内能不能转化为机械能
D.热量只能从高温物体传向低温物体,而不能从低温物体传向高温物体
A
热传递具有方向性
热力学第二定律克劳修斯的表述：不可能使热量
由低温物体传递到高温物体，而不引起其他变化。
内能和机械能转化过程具有方向性
热力学第二定律开尔文的表述：不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化。
热力学第二定律：两种表述是等价的。
热力学第二定律(共28张PPT)
3.1 热力学第一定律
第三章　热力学定律
1.理解分子势能与分子间距离的变化关系曲线。
2.知道什么是内能，知道物体的内能跟温度和体积有关。
3.知道做功与内能改变的数量关系，知道热传递的热量与内能变化的关系。
4.知道做功和热传递是改变内能的两种方式，且对改变系统内能是等效的。
5.掌握热力学第一定律及其表达式。
学习目标
一、物体的内能
物理学中，我们把物体内所有分子做热运动的动能和分子势能的总和叫作物体的内能。
内能 = 分子动能 + 分子势能
①物质的量
②温度
③体积
总分子数
热运动的平均动能
分子间距（势能）
思考：内能的决定因素有哪些？
二、改变物体能能的两种方式内能
两手摩擦发热
机械能
内能
转化
生活中做功改变物体内能的例子：
做功
钻木取火
锯木材锯子发热
1.做功
气体做功使内能改变的实验：
机械能
内能
转化
做功
机械能
内能
转化
做功
内能增加
内能减少
做功改变物体内能的过程是其他形式的能(如机械能)与内能相互转化的过程.
绝热过程：不与外界发生热交换的过程.
在绝热过程中，外界对物体做多少功，就有多少其他形式的能转化为内能，物体的内能就增加多少；
在绝热过程中，物体对外界做多少功，就有多少内能转化为其他形式的能，物体的内能就减少多少.
做功并不是改变内能的唯一方式
2.热传递
淬火的过程内能如何改变：
1.铁的温度降低，内能减少。
2.水的温度升高，内能增加。
3. 如果是单纯由热传递引起内能变化时，
系统从外界吸收多少热量，系统的内能就增加多少；
系统向外界放出多少热量，系统的内能就减少多少.
热传递：高温物体总是自发把它的内能传递给低温物体。
热量：热传递过程中物体内能变化的量称为热量，它是一个过程量。
改变内能的两种方式的对比
改变内能的两种方式：做功、热传递
1.做功和热传递在改变内能上的区别：
①做功是其它形式的能与内能之间的转化，例如：摩擦生热、热机
②热传递是不同物体之间内能的转移，例如：烧水、烤火、淬火
2.做功和热传递在改变系统的内能上效果相同
其它形式的能
内能
转化
内能
转移
内能
例1.如图所示，用F表示分子间的作用力，用Ep表示分子间的分子势能，在两个分子间的距离由10r0变为r0的过程中 (　　)
A.F不断增大，Ep不断减小
B.F先增大后减小，Ep不断减小
C.Ep先增大后减小，F不断减小
D.Ep和F都先增大后减小
B
例题精析
解析：在两个分子间的距离由10r0变为r0的过程中，分子力先增大后减小为0，表现为引力，分子力做正功，分子势能一直在减小，故B正确.
例2.(多选)下列说法正确的是 (　　)
A.一个物体的机械能可能为零、但内能不可能为零
B.质量相同、温度也相同的物体内能不一定相同
C.温度越高、运动速度越大的物体，其内能一定越大
D.对于一定量的理想气体来说，温度不变，体积变大，则压强变小，内能变小
解析：物体的机械能由动能和势能组成，动能和势能都可能为0，所以机械能也可能为0，内能由分子动能和分子势能组成，分子动能不可能为零，所以内能不可能为零，A正确；质量相同、温度也相同的物体，分子平均动能相同，但内能还与物质的量，物体状态等因素有关，B正确；温度越高、运动速度越大的物体，其内能不一定大，因为内能还与物体物质的量和体积有关，C错误；一定量的理想气体的内能只与温度有关，温度不变，内能不变，D错误.
答案：AB
例3.如图所示，一定质量的理想气体密封在绝热(即与外界不发生热交换)容器中，容器内装有一可以活动的绝热活塞.今对活塞施以一竖直向下的压力F，使活塞缓慢向下移动一段距离后，气体的体积减小.若忽略活塞与容器壁间的摩擦，则被密封的气体 (　　)
A.温度升高，压强增大，内能减少
B.温度降低，压强增大，内能减少
C.温度升高，压强增大，内能增加
D.温度降低，压强减小，内能增加
解析：由题目可知，压力F对绝热容器中的理想气体做正功，所以理想气体内能增大，温度T升高，体积V减小，再根据理想气体状态方程=c，可知压强p增大，故C正确.
答案：C
一个物体，如果它和外界不发生热传递，则外界对物体所做的功W等于物体内能的增加量 U；如果外界对物体没有做功，则物体吸收的热量Q等于物体内能的增加量 U；如果外界同时对物体做功和进行热传递，则物体内能的增加量 U就等于物体吸收的热量Q和外界对物体做的功W之和。即
上式表示功、热量和内能改变量间的定量关系，在物理学中叫作热力学第一定律。
三、热力学第一定律及其应用
U=Q+W
Q —物体从外界吸收的热量 W — 外界对物体做的功
定律中各量的正、负号及含义
物理量 符号 意义 符号 意义
W ＋ 外界对物体做功 － 物体对外界做功
Q ＋ 物体吸收热量 － 物体放出热量
ΔU ＋ 内能增加 － 内能减少
ΔU = W + Q
如图所示，设密封在容器内的理想气体在保持压强p不变的情况下，
体积从V1膨胀到V2，气体向外推动活塞，外界对气体做负功，W<0，
由盖-吕萨克定律可知，
气体温度升高，内能增加， U>0。
由热力学第一定律可知，Q= U-W>0。
即理想气体在等压膨胀过程中从外界吸热，气体吸收的热量一部分用来增加内能，另一部分转化为对外所做的功。
相反，如果在保持压强p不变的情况下，理想气体被压缩，体积从V 压缩到V ，外界对气体做正功，W>0，
由盖-吕萨克定律可知，<，
气体温度降低，内能减小， U<0。
由热力学第一定律可知，Q= U-W<0，
即气体对外界放热，放出的热量等于外界对气体所做的功与气体内能减小量之和。
例4.一定质量的理想气体，在某一状态变化过程中，气体对外界做功4 J，气体内能减少12 J，则在该过程中（ ）
A．气体放热8 J　　　　　 B．气体吸热8 J
C．气体吸热16 J D．气体放热16 J
解析：根据热力学第一定律可知ΔU＝Q＋W，
所以Q＝ΔU－W＝－12 J－(－4 J)＝－8 J，A正确。
A
例题5. (多选)一定质量的理想气体从状态A经过状态B变化到状态C，其V- T图像如图所示。下列说法正确的是（ ）
A．A→B的过程中，气体对外界做功
B．A→B的过程中，气体放出热量
C．B→C的过程中，气体压强不变
D．A→B→C的过程中，气体内能增加
解析：由题图可知，从A到B的过程中，气体的体积减小，则外界对气体做功，A错误；从A到B过程中，理想气体的温度不变，则内能不变，根据热力学第一定律可知，气体放出热量，B正确；从B到C的过程中，是一个常数，气体发生的是等压变化，气体的温度降低，内能减少，C正确，D错误。
答案：BC
1. (多选)下列现象中，哪些是通过热传递的方式改变物体内能的
（ ）
A．打开电灯开关，灯丝的温度升高，内能增加
B．夏天喝冰镇汽水来解暑
C．冬天搓搓手，会感觉到手变得暖和起来
D．太阳能热水器在阳光照射下，水的温度逐渐升高
BD
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2．关于热传递，下列说法正确的是 ( )
A．热传递的实质是温度的传递
B．物体间存在温度差，才能发生热传递
C．热传递可以在任何情况下进行
D．物体内能发生改变，一定是吸收或放出了热量
B
3．(多选)下列关于热量的说法，正确的是 ( )
CD
A．温度高的物体含有的热量多
B．内能多的物体含有的热量多
C．热量、功和内能的单位相同
D．热量和功都是过程量，而内能是一个状态量
4.下图为某种椅子与其升降部分的结构示意图，M、N两筒间密闭了一定质量的气体，M可沿N的内壁上下滑动，设筒内气体不与外界发生热交换，在M向下滑动的过程中(　　)
A．外界对气体做功，气体内能增大
B．外界对气体做功，气体内能减小
C．气体对外界做功，气体内能增大
D．气体对外界做功，气体内能减小
A
5.如图，绝热容器中间用隔板隔开，左侧装有气体，右侧为真空．现将隔板抽掉，使左侧气体自由膨胀直至达到平衡，则在此过程中(不计气体的分子势能)(　　)
A．气体对外界做功，温度降低，内能减少
B．气体对外界做功，温度不变，内能减少
C．气体不做功，温度不变，内能不变
D．气体不做功，温度不变，内能减少
C
6.一定质量的理想气体，从某一状态开始，经过一系列变化后又回一开始的状态，用W1表示外界对气体做的功，W2表示气体对外界做的功，Q1表示气体吸收的热量，Q2表示气体放出的热量，则在整个过程中一定有（ ）
A．Q1—Q2=W2—W1 B．Q1=Q2
C．W1=W2 D．Q1>Q2
A
7.空气压缩机在一次压缩中，空气向外界传递的热量2.0 ×105J，同时空气的内能增加了1.5 ×105J. 这时，在压缩空气的过程中，外界对空气做了多少功？
解：由热力学第一定律ΔU = Q + W 知：
W= ΔU－Q = +1.5 ×105J -（- 2.0 ×105J） = +3.5 ×105J>0
所以此过程中外界对空气做了3.5 ×105J的功 .

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