高二物理課件： 第四章《 能量守恒與熱力學定律》（教科 選修3-3）

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歡迎進入物理課堂 第1講分子動理論能量守恒與熱力學定律 物體是由大量分子組成的 1 分子的大小 一般分子直徑的數量級 m 估測的方法 法 2 一般分子質量的數量級 10 26kg 3 阿伏加德羅常數 1 1mol的任何物質中含有相同的粒子數 用符號NA表示 NA mol 1 分子動理論的基本觀點和實驗依據阿伏加德羅常數 考綱要求 1 10 10 油膜 6 02 1023 4 分子模型 1 擴散現象 相互接觸的物體互相進入對方的現象 溫度越高 擴散越快 2 布朗運動的特點 永不停息 無規(guī)則運動 顆粒越 運動越劇烈 溫度越 運動越劇烈 運動軌跡不確定 小 高 2 分子永不停息地做無規(guī)則熱運動 3 布朗運動和熱運動的比較 分子間存在著相互作用力 1 分子間同時存在相互作用的引力和斥力 2 分子力是分子間引力和斥力的合力 3 r0為分子間引力和斥力大小相等時的距離 其數量級為10 10m 4 如圖1 1 1所示 分子間的引力和斥力都隨分子間距離的增大而減小 隨分子間距離的減小而增大 但總是斥力變化得較快 r r0時 F引 F斥 分子力F 0 rr0時 F引和F斥都隨距離的增大而減小 但F斥和F引減小得更快 分子力F表現為引力 r 10r0 10 9m 時 F引 F斥迅速減弱 幾乎為零 分子力F 0 圖1 1 1 3 分子動能 勢能和內能 溫度是分子平均動能的標志 內能 考綱要求 溫度是分子平均動能的標志 溫度 分子動能 分子勢能或內能只對大量分子才有意義 任何物體都有內能 體積增大分子勢能不一定增大 如水變成冰 熱力學第一定律 1 內容 一個熱力學系統(tǒng)的內能增量等于外界向它傳遞的熱量與外界對它所做的功的和 2 表達式 U Q W 3 符號規(guī)定 熱力學第一 二定律 考綱要求 能量守恒定律 考綱要求 1 熱力學第二定律 1 表述一 熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體 2 表述二 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 2 能量守恒定律 1 能量守恒定律的內容 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 或者是從一個物體轉移到別的物體 在轉化或轉移的過程中其總量保持不變 2 條件性 能量守恒定律是自然界的普遍規(guī)律 某一種形式的能是否守恒是有條件的 例如 機械能守恒定律具有適用條件 而能量守恒定律是無條件的 是一切自然現象都遵守的基本規(guī)律 3 3 兩類永動機 第一類永動機不消耗任何能量 卻源源不斷地對外做功的機器 不能制成的原因 違背能量守恒定律 第二類永動機從單一熱庫吸收熱量并把它全部用來對外做功 而不引起其他變化的機器 不能制成的原因 違背了熱力學第二定律 1 三種特殊情況 1 若過程是絕熱的 則Q 0 W U 2 若過程中不做功 即W 0 Q U 3 若過程的始 末狀態(tài)物體的內能不變 即 U 0 則W Q 0或W Q 2 在熱力學第二定律的表述中 自發(fā)地 不產生其他影響 的涵義 1 自發(fā)地 指明了熱傳遞等熱力學宏觀現象的方向性 不需要借助外界提供能量的幫助 2 不產生其他影響 的涵義是發(fā)生的熱力學宏觀過程只在本系統(tǒng)內完成 對周圍環(huán)境不產生熱力學方面的影響 如吸熱 放熱 做功等 3 熱力學過程方向性實例 實驗 用油膜法估測分子的大小 注意事項1 實驗前應檢查方盤是否干凈 2 方盤中的水應保持穩(wěn)定狀態(tài) 最好靜置一段時間 痱子粉均勻撒在水面上 3 向水面滴油酸酒精溶液時 針尖應豎直 靠近水面 如果離水面太高 可能無法形成油膜 最好在1cm左右 4 計算油膜面積時 以坐標紙上方格的數目來計算 不足半個的舍去 多于半個的算1個 下列關于布朗運動的說法 正確的是 A 布朗運動是液體分子的無規(guī)則運動B 布朗運動是指懸浮在液體中的固體分子的無規(guī)則運動C 布朗運動說明了液體分子與懸浮顆粒之間存在著相互作用力D 觀察布朗運動會看到 懸浮的顆粒越小 溫度越高 布朗運動越劇烈 1 解析布朗運動是懸浮在液體中的固體小顆粒的無規(guī)則運動 小顆粒由許多分子組成 所以布朗運動不是分子的無規(guī)則運動 也不是指懸浮顆粒內固體分子的無規(guī)則運動 故A B選項錯誤 布朗運動雖然是由液體分子與懸浮顆粒間相互作用引起的 但其重要意義是反映了液體分子的無規(guī)則運動 而不是反映了分子間的相互作用 故C選項錯誤 觀察布朗運動會看到固體顆粒越小 溫度越高 布朗運動越明顯 故D選項正確 答案D 對熱力學第二定律 下列理解正確的是 A 自然界進行的一切宏觀過程都是可逆的B 自然界進行的涉及熱現象的宏觀過程都具有方向性 是不可逆的C 熱量不可能由低溫物體傳遞到高溫物體D 第二類永動機違背了能量守恒定律 因此不可能制成解析由熱力學第二定律可知 熱量不可能從低溫物體傳到高溫物體 而不引起其他變化 由此說明熱量由低溫物體傳到高溫物體是可能的 但要引起其他變化 故C錯 第二類永動機并不違反能量守恒 卻違背了熱力學第二定律 故A D錯 B正確 答案B 2 一定量氣體 吸熱200J 內能減少20J 下列說法中正確的是 A 氣體對外做功180JB 氣體對外做功220JC 外界對氣體做功180JD 外界對氣體做功220J解析根據 U Q W Q 200J U 20J 所以W 220J 即對外做功220J B項正確 答案B 3 下列關于分子熱運動的說法中正確的是 A 布朗運動就是液體分子的熱運動B 氣體如果失去了容器的約束就會散開 這是因為氣體分子之間存在斥力C 對于一定量的理想氣體 如果壓強不變 體積增大 那么它的內能一定增大D 如果氣體溫度升高 分子平均動能會增加 但并不是所有分子的速率都增大解析布朗運動是懸浮在液體中小顆粒的運動 氣體分子散開的原因在于氣體分子能做無規(guī)則熱運動 對于一定量的理想氣體 在壓強不變的情況下 體積增大 溫度升高 分子平均動能增加 理想氣體分子勢能為零 所以內能增大 答案CD 4 設某種物質的摩爾質量為 分子間平均距離為d 已知阿伏加德羅常數為NA 則該物質的密度 可表示為 答案AB 5 如圖1 1 2所示 用F表示兩分子間的作用力 Ep表示分子間的分子勢能 在兩個分子之間的距離由10r0變?yōu)閞0的過程中 A F不斷增大 Ep不斷減小B F先增大后減小 Ep不斷減小C F不斷增大 Ep先增大后減小D F Ep都是先增大后減小解析分子間的作用力是矢量 分子勢能是標量 由圖象可知F先增大后減小 Ep則不斷減小 B正確 答案B 6 圖1 1 2 用油膜法估測分子大小的實驗步驟如下 向體積為V1的純油酸中加入酒精 直到油酸酒精溶液總量為V2 用注射器吸取上述溶液 一滴一滴地滴入小量筒 當滴入n滴時體積為V0 先往邊長為30 40cm的淺盤里倒入2cm深的水 用注射器往水面上滴一滴上述溶液 等油酸薄膜形狀穩(wěn)定后 將事先準備好的玻璃板放在淺盤上 并在玻璃板上描出油酸薄膜的形狀 將畫有油酸薄膜輪廓形狀的玻璃板 放在畫有許多邊長為a的小正方形的坐標紙上 計算出輪廓范圍內正方形的總數為N 其中不足半個格的兩個格算一格 多于半個格的算一格 7 上述實驗步驟中有遺漏和錯誤 遺漏的步驟是 錯誤的步驟是 指明步驟 并改正 油酸分子直徑的表達式d 解析本題考查的是用油膜法測分子直徑 意在考查學生對單分子油膜的理解和粗略估算能力 本實驗中為了使油膜不分裂成幾塊 需在水面上均勻撒上痱子粉 由于本實驗只是一種估算 在數油膜所覆蓋的坐標格數時 大于半個格的算一個格 少于半個格的舍去 油酸溶液在水面上充分擴散后形成一層單分子油膜 油膜厚度可看成分子直 一氣泡從湖底上升到湖面 已知氣泡內氣體的密度為1 29kg m3 平均摩爾質量為0 029kg mol 阿伏加德羅常數NA 6 02 1023mol 1 取氣體分子的平均直徑為2 10 10m 若氣泡內的氣體能完全變?yōu)橐后w 請估算液體體積與原來氣體體積的比值 結果保留一位有效數字 解析題目考查利用阿伏加德羅常數進行估算 設氣體體積為V1 液體體積為V2 由此可知 考點一微觀量的估算 典例1 答案見解析 在求解與阿伏加德羅常數有關的計算問題時 總體思路是 已知銅的摩爾質量為M kg mol 銅的密度為 kg m3 阿伏加德羅常數為NA mol 1 下列判斷錯誤的是 變式1 答案B 如圖1 1 3所示 甲分子固定在坐標原點O 乙分子位于x軸上 甲分子對乙分子的作用力與兩分子間距離的關系如圖中曲線所示 F 0為斥力 F 0為引力 a b c d為x軸上四個特定的位置 現把乙分子從a處由靜止釋放 則 A 乙分子由a到b做加速運動 由b到c做減速運動B 乙分子由a到c做加速運動 到達c時速度最大C 乙分子由a到b的過程中 兩分子間的分子勢能一直減少D 乙分子由b到d的過程中 兩分子間的分子勢能一直增加 考點二分子間作用力 分子勢能 分子力做功 典例2 圖1 1 3 解析由題意可知 乙分子由a到c的過程中 兩分子間表現為引力 分子力做正功 動能一直增大 分子勢能一直減少 到c點時加速度為零 速度達最大 因此 A錯誤 B C正確 b到c分子間表現為引力 分子力做正功 分子勢能減少 c到d分子間表現為斥力 斥力做負功 分子勢能增加 因此 D錯誤 答案BC 2011 廣東廣州 某一密閉容器中密封著一定質量的某種實際氣體 氣體分子間的相互作用力表現為引力 關于實際氣體的下列說法中正確的是 A 在完全失重的情況下 密封容器內的氣體對器壁的頂部沒有作用力B 若氣體膨脹對外界做功 則分子勢能一定增大C 若氣體被壓縮 外界對氣體做功 則氣體內能一定增加D 若氣體從外界吸收的熱量等于膨脹對外界做的功 則氣體分子的動能一定不變 變式2 解析在完全失重的情況下 密封容器內的氣體仍然有壓強 氣體對器壁的頂部有作用力 所以A錯誤 體積膨脹 分子間距離增大 分子力做負功 氣體的分子勢能增加 B正確 外界對氣體做功 但氣體有可能向外界放熱 所以內能的變化情況不能確定 C錯誤 氣體從外界吸收的熱量等于膨脹對外界做的功 所以內能不變 但分子勢能增大了 所以分子動能一定減小 即D錯誤 答案B 考點三熱力學定律及能量守恒定律的理解及應用 典例3 一定質量的氣體 在從一個狀態(tài) 變化到另一個狀態(tài) 的過程中 吸收熱量280J 并對外做功120J 試問 1 這些氣體的內能發(fā)生了怎樣的變化 2 如果這些氣體又返回原來的狀態(tài) 并放出了240J熱量 那么在返回的過程中是氣體對外界做功 還是外界對氣體做功 做功多少 解析 1 由熱力學第一定律可得 U W Q 120J 280J 160J氣體的內能增加了160J 2 由于氣體的內能僅與狀態(tài)有關 所以氣體從 狀態(tài)回到 狀態(tài)的過程中內能的變化應等于從 狀態(tài)到 狀態(tài)的過程中內能的變化 則從 狀態(tài)到 狀態(tài)的內能應減少160J即 U 160J 又Q 240J 根據熱力學第一定律得 U W Q 所以W U Q 160J 240J 80J 即外界對氣體做功80J 答案 1 增加了160J 2 外界對氣體做功80J 熱力學第一定律反映功 熱量與內能改變量之間的定量關系 U W Q 使用時注意符號法則 簡記為 外界對系統(tǒng)取正 系統(tǒng)對外取負 對理想氣體 U僅由溫度決定 W僅由體積決定 絕熱情況下 Q 0 2011 江蘇四市聯考 一定質量的理想氣體 分子力不計 體積由V膨脹到V 如果通過壓強不變的過程實現 對外做功大小為W1 傳遞熱量的值為Q1 內能變化為 U1 如果通過溫度不變的過程來實現 對外做功大小為W2 傳遞熱量的值為Q2 內能變化為 U2 則 A W1 W2 Q1 U2B W1 W2 Q1 Q2 U1 U2C W1 U2D W1 W2 Q1 Q2 U1 U2 變式3 答案B 在 用油膜法估測分子的大小 的實驗中 所用油酸酒精溶液的濃度為每104mL溶液中有純油酸6mL 用注射器測得1mL上述溶液為75滴 把1滴該溶液滴入盛水的淺盤里 待水面穩(wěn)定后 將玻璃板放在淺盤上 用彩筆在玻璃板上描出油膜的輪廊 再把玻璃板放在坐標紙上 其形狀和尺寸如圖1 1 4所示 坐標中正方形方格的邊長為1cm 則 1 油酸薄膜的面積是 cm2 2 每滴油酸酒精溶液中含有純油酸的體積是 mL 取一位有效數字 考點四油膜法估測分子大小 典例4 圖1 1 4 3 按以上實驗數據估測出油酸分子直徑約 m 取一位有效數字 解析 1 運用數格法 多于半個的算一個 小于半個的舍去 有效面積共有115格 油膜的面積 S 115 1cm2 115cm2 答案 1 115 3 2 8 10 6 3 7 10 10 用油膜法估測分子的大小 實驗的簡要步驟如下 A 將畫有油酸膜輪廓的玻璃板放在坐標紙上 數出輪廓內的方格數 不足半個的舍去 多于半個的算一個 再根據方格的邊長求出油酸膜的面積S B 將一滴油酸酒精溶液滴在水面上 待油酸薄膜的形狀穩(wěn)定后 將玻璃板放在淺盤上 用彩筆將薄膜的形狀描畫在玻璃板上 C 用淺盤裝入約2cm深的水 E 根據油酸酒精溶液的濃度 算出一滴溶液中純油酸的體積V 變式4 上述步驟中有步驟遺漏或步驟不完整的 請指出 1 2 上述實驗步驟的合理順序是 某同學實驗中最終得到的計算結果和大多數同學的比較 數據偏大 對出現這種結果的原因 下列說法中可能正確的是 A 錯誤地將油酸酒精溶液的體積直接作為油酸的體積進行計算B 計算油酸膜面積時 錯將不完整的方格作為完整方格處理C 計算油酸膜面積時 只數了完整的方格數D 水面上痱子粉撒得較多 油酸膜沒有充分展開 答案 1 C步驟中 要在水面上撒上痱子粉或石膏粉 2 實驗時 還需要 F 用注射器或滴管將事先配制好的油酸酒精溶液一滴一滴地滴入量筒 記下量筒內增加一定體積時液滴的數目 實驗步驟的合理順序是CFBAED 正確的說法是ACD 同學們 來學校和回家的路上要注意安全 同學們 來學校和回家的路上要注意安全