第3章 3&4 能量守恒定律&热力学第二定律(课件PPT)-【精讲精练】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册（人教版2019）

第三章　热力学定律 3　能量守恒定律 4　热力学第二定律 栏目导航 第三章　热力学定律 1 栏目导航 预习案 必备知识·问题导学 01 探究案 关键能力·互动探究 02 知能达标训练 04 提升案 随堂演练·基础落实 03 栏目导航 第三章　热力学定律 1 栏目导航 第三章　热力学定律 1 01 预习案 必备知识·问题导学 栏目导航 栏目导航 第三章　热力学定律 1 转化 转移 保持不变 相互转化 能量守恒定律 栏目导航 第三章　热力学定律 1 栏目导航 第三章　热力学定律 1 不可逆的 低温 高温 方向性 栏目导航 第三章　热力学定律 1 完全变成功 栏目导航 第三章　热力学定律 1 栏目导航 第三章　热力学定律 1 栏目导航 第三章　热力学定律 1 方向性 不违反 栏目导航 第三章　热力学定律 1 栏目导航 02 探究案 关键能力·互动探究 栏目导航 第三章　热力学定律 1 栏目导航 第三章　热力学定律 1 栏目导航 第三章　热力学定律 1 栏目导航 第三章　热力学定律 1 栏目导航 第三章　热力学定律 1 栏目导航 第三章　热力学定律 1 栏目导航 第三章　热力学定律 1 栏目导航 第三章　热力学定律 1 栏目导航 第三章　热力学定律 1 栏目导航 第三章　热力学定律 1 栏目导航 第三章　热力学定律 1 栏目导航 第三章　热力学定律 1 栏目导航 第三章　热力学定律 1 栏目导航 第三章　热力学定律 1 栏目导航 第三章　热力学定律 1 栏目导航 第三章　热力学定律 1 栏目导航 第三章　热力学定律 1 栏目导航 第三章　热力学定律 1 栏目导航 第三章　热力学定律 1 栏目导航 第三章　热力学定律 1 栏目导航 第三章　热力学定律 1 栏目导航 第三章　热力学定律 1 栏目导航 第三章　热力学定律 1 栏目导航 第三章　热力学定律 1 栏目导航 第三章　热力学定律 1 栏目导航 第三章　热力学定律 1 栏目导航 第三章　热力学定律 1 栏目导航 第三章　热力学定律 1 栏目导航 第三章　热力学定律 1 栏目导航 第三章　热力学定律 1 栏目导航 03 提升案 随堂演练·基础落实 栏目导航 第三章　热力学定律 1 栏目导航 第三章　热力学定律 1 栏目导航 第三章　热力学定律 1 栏目导航 第三章　热力学定律 1 栏目导航 第三章　热力学定律 1 栏目导航 第三章　热力学定律 1 栏目导航 第三章　热力学定律 1 栏目导航 第三章　热力学定律 1 栏目导航 第三章　热力学定律 1 04 知能达标训练 栏目导航 栏目导航 第三章　热力学定律 1 谢谢观看 栏目导航 第三章　热力学定律 1 [学业要求] 1．了解能量守恒定律，会用能量守恒的观点分析、解决有关问题。 2．知道第一类永动机是不可能制成的。 3．知道传热的方向性及任何热现象的宏观过程都是不可逆的。 4．了解热力学第二定律，运用热力学第二定律解决一些实际问题。 5．认识能源和环境与人类生存的关系。 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________为其他形式，或者从一个物体________到别的物体，在转化或转移的过程中能量的总量____________。 2．意义 (1)各种形式的能可以____________。 (2)各种物理现象可以用________________联系在一起。 二、永动机不可能制成 永动机的思想违背了能量守恒，所以是不可能制成的。 三、热力学第二定律 1．热传导的方向性 一切与热现象有关的宏观自然过程都是____________。 2．热力学第二定律的克劳修斯表述 德国物理学家克劳修斯在1850年提出：热量不能自发地从________物体传到________物体。热力学第二定律的克劳修斯表述，阐述的是传热的__________。 四、热力学第二定律的开尔文表述 1．开尔文表述 不可能从单一热库吸收热量，使之______________，而不产生其他影响。(该表述阐述了机械能与内能转化的方向性) 2．意义：开尔文表述阐述了机械能与内能转化的方向性。机械能可以全部转化为内能，而内能无法全部用来做功以转化成机械能。 五、能源是有限的 能源的使用过程中虽然能的总量保持守恒，但能的品质下降了，虽然能量总量不会减少，但有些能量变成了不可再用的能量。能源会逐步减少，因此能源是有限的资源。 1．(多选)下列说法正确的是(　　) A．一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的 B．热量不会从低温物体传给高温物体 C．机械能可以完全转化为内能 D．内能不可能完全转化为机械能 答案　AC 2．热量总是自发地从高温物体传递给低温物体，这说明热传递过程具有__________。冰箱工作时，能把冰箱内的热量传递到冰箱外，这__________(选填“违反”或“不违反”)热力学第二定律。 探究点一　能量守恒定律的理解和应用 1．能量的存在形式及相互转化 (1)各种运动形式都有对应的能：机械运动有机械能，分子的热运动有内能，还有电磁能、化学能、原子能等。 (2)各种形式的能，通过某种力做功可以相互转化。例如，利用电炉取暖或烧水，电能转化为内能；煤燃烧，化学能转化为内能；列车刹车后，轮子温度升高，机械能转化为内能。 2．与某种运动形式对应的能是否守恒是有条件的 例如，物体的机械能守恒，必须是只有重力或系统内的弹力做功；而能量守恒定律是没有条件的，它是一切自然现象都遵守的基本规律。 3．第一类永动机失败的原因分析 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U2<U1，则W<0，系统对外做功是要以内能减少为代价的。若想源源不断地做功，就必须使系统不断回到初始状态，这在无外界能量供给的情况下是不可能的。 　质量为1 000 kg的气锤从2.5 m高处落下，打在质量为200 kg的铁块上，设气锤撞击铁块时做的功有60%用来升高铁块的温度，那么要使铁块的温度升高40 ℃以上，气锤至少应落下多少次？[g取10 m/s2，铁的比热容c＝0.11 cal/(g·℃)] [思路点拨]　本题是一道力热综合题。气锤对铁块做的功，等于气锤的动能减少量，且有60%转化为铁块的内能，用来升高温度。由能的转化和守恒定律，先求气锤下落一次对铁块做功使铁块温度升高的值，再由使铁块升高40 ℃气锤所做的总功，就可求出气锤的下落次数。 [解析]　由机械能守恒得气锤下落到刚撞击铁块时刻的动能Ek＝mgh＝103×10×2.5 J＝2.5×104 J，由动能定理，得气锤撞击铁块一次所做的功W＝Ek－0＝2.5×104 J，使铁块温度升高40 ℃所需的热量Q＝cmΔt＝0.11×200×103×40 cal＝8.8×105 cal＝8.8×105×4.2 J＝3.696×106 J。设气锤应下落n次，才能使铁块温度升高40 ℃，则由能的转化和守恒定律得n·Wη＝Q，所以n＝eq \f(Q,ηW)＝eq \f(3.696×106,0.6×2.5×104)＝246.4，故气锤至少应下落247次。 [答案]　247次 ●核心素养·思维升华 　　利用能量守恒定律解决问题时，首先应明确题目中涉及哪几种形式的能量，其次分析哪种能量增加了，哪种能量减少了，确定研究的系统后，用能量守恒观点求解。 1．如图所示，上端开口、粗细均匀的U形管的底部中间有一阀门，开始阀门关闭，两管中的水面高度差为h，现将阀门打开，最终两管水面相平，则这一过程中(　　) A．大气压做正功，重力做负功，水的内能不变 B．大气压不做功，重力做正功，水的内能增大 C．大气压不做功，重力做负功，水的内能增大 D．大气压做负功，重力做正功，水的内能不变 解析　由于两管粗细相同，作用在液体上的大气压力的合力为零，故大气压力不做功；水流动过程中重心下降，重力做正功，水的重力势能减少，减少的重力势能最终转化为内能，故水的内能增大，选项B对，A、C、D错。 答案　B 探究点二　对热力学第二定律的两种理解 1．自然过程的方向性 (1)热传导具有方向性 两个温度不同的物体相互接触时，热量会自发地从高温物体传给低温物体，而低温物体不可能自发地将热量传给高温物体，要实现低温物体向高温物体传递热量，必须借助外界的帮助，因而产生其他影响或引起其他变化。 (2)气体的扩散现象具有方向性 两种不同的气体可以自发地进入对方，最后成为均匀的混合气体，但这种均匀的混合气体，绝不会自发地分开，成为两种不同的气体。 (3)机械能和内能的转化过程具有方向性 物体在水平面上运动，因摩擦而逐渐停止下来，但绝不可能出现物体吸收原来传递出去的热量后，在地面上重新运动起来。 (4)气体向真空膨胀具有方向性 气体可自发地向真空容器内膨胀，但绝不可能出现气体自发地从容器中流出，使容器内变为真空。 2．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”的涵义 (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向的影响，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。 (4)“不可能”：实际上热机或制冷机系统循环终了时，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，用任何办法都不可能加以消除。 【特别提醒】 (1)热力学第二定律的两种表述是等效的。 (2)热力学第二定律的实质：热力学第二定律的每一种表述，都揭示了大量分子参与宏观过程的方向性，使人们认识到自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性。 　(多选)电冰箱能够不断地把热量从温度较低的冰箱内部传给温度较高的外界空气，这说明了(　　) A．热量能自发地从低温物体传到高温物体 B．在一定条件下，热量可以从低温物体传到高温物体 C．热量的传递过程不具有方向性 D．在自发的条件下热量的传递过程具有方向性 [解析]　一切自发过程都有方向性，如热传导，热量总是由高温物体自发地传向低温物体；又如扩散，气体总是自发地由密度大的地方向密度小的地方扩散。在外界帮助下气体可以由密度小的地方向密度大的地方扩散，热量可以从低温物体传向高温物体，电冰箱就是借助外界做功把热量从低温物体——冷冻食品传向高温物体——周围的大气，故本题答案为B、D。 [答案]　BD 　(多选)根据热力学第二定律分析，下列说法中正确的是(　　) A．热量能够从高温物体传到低温物体，但不能从低温物体传到高温物体 B．热量能够从高温物体传到低温物体，也可以从低温物体传到高温物体 C．机械能可以全部转化为内能，但变化的内能不可以全部转化为机械能 D．机械能可以全部转化为内能，变化的内能也可以全部转化为机械能 [解析]　根据传热的规律可知，热量可以自发地从高温物体传到低温物体，但不能自发地(不需要外界帮助)从低温物体传到高温物体。但是如果借助外界的帮助，热量可以从低温物体传到高温物体，故A错误，B正确；机械能可以全部转化为内能(如一个运动物体克服摩擦力做功且最终停止运动时，机械能全部转化为内能)，在一定条件下，变化的内能也可以全部转化为机械能，如理想气体在等温膨胀过程中，将吸收来的热量全部用来做功，故C错误，D正确。 [答案]　BD ●核心素养·思维升华 (1)一切物理过程均遵守能量守恒定律，但遵守能量守恒定律的物理过程不一定均能实现。 (2)热力学第二定律的两种表述分别对应着一种“不可能”，但都有一个前提条件“自发地”或“不产生其他影响”，如果去掉这种前提条件，就都是有可能的，例如电冰箱的作用就是使热量从低温物体传到高温物体，等温膨胀就是从单一热库吸收热量，使之完全用来做功。但不是自发地或是产生了其他影响。 2．(多选)根据热力学第二定律，下列判断正确的有(　　) A．热机中燃气的内能不可能全部变成机械能 B．电流的能不可能全部变成内能 C．在火力发电机中，燃气的内能不可能全部变成电能 D．在热传导中，热量不可能自发地从低温物体传递给高温物体 解析　凡是与热现象有关的宏观热现象都具有方向性。无论采用任何设备和手段进行能量转化，总是遵循“机械能可全部转化为内能，而内能不能全部转化为机械能”，故A正确；由电流热效应中的焦耳定律可知，电流的能可以全部转化为内能，故B错误；火力发电机发电时，能量转化的过程为内能→机械能→电能，因为内能→机械能的转化过程中会对外放出热量，故燃气的内能必然不能全部变为电能，C正确；热量从低温物体传递到高温物体不能自发进行，必须借助外界的帮助，会带来其他影响，这正是热力学第二定律第一种表述的主要思想，故D正确。 答案　ACD 3．关于热力学第一定律和热力学第二定律，下列论述中正确的是(　　) A．热力学第一定律指出内能可以与其他形式的能相互转化，而热力学第二定律则指出内能不可能完全转化为其他形式的能，故这两条定律是相互矛盾的 B．内能可以全部转化为其他形式的能，只是会产生其他影响，故两条定律并不矛盾 C．两条定律都是有关能量的转化规律，它们不但不矛盾，而且没有本质区别 D．能量守恒定律包含了热力学第一定律和热力学第二定律 解析　热力学第一定律揭示了内能与其他形式能量之间的转化关系，是能量守恒定律在热力学中的具体体现。热力学第二定律则进一步阐明了内能与其他形式能量转化时的方向性，二者表述的角度不同，本质不同，相互补充，并不矛盾，故B正确。 答案　B 探究点三　能源是有限的 1．能源的分类 能源分类方法 按形成或转换特点 能源分类 一次能源 二次能源 特点 自然形成，未经加工 由一次能源经过加工转换而成 举例 太阳能、风能、地热能、核能、潮汐能 焦炭、木炭、蒸汽、液化气、酒精、汽油、电能 2．能源开发和利用 加强开发新能源，特别是清洁能源的开发和利用，控制化石能源开采，提高能源的利用率，降低对环境的污染。 　关于能源的开发和节约，你认为下列哪些观点是错误的(　　) A．常规能源是有限的，无节制地利用常规能源，如石油之类，是一种盲目的短期行为 B．根据能量守恒定律，担心能源枯竭是一种杞人忧天的表现 C．能源的开发和利用，必须要同时考虑其对环境的影响 D．通过核聚变和平利用核能是目前开发新能源的一种新途径 [解析]　能量虽然守恒，但能量耗散导致能量的品质降低即不可再利用，也往往对环境产生破坏，从而应开发新型的清洁型的能源，故B选项错。 [答案]　B ●核心素养·思维升华 能量与能源的区别 (1)能量是守恒的，既不会增加也不会减少； (2)能源是能够提供可利用能量的物质； (3)能量耗散，能量总量不变，但能量品质会下降即能源减少，故我们要节约能源。 4．(多选)下列对能量耗散理解正确的是(　　) 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转化为流散到周围环境的内能，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，宇宙中的能量既没有减少，也没有消失，它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，B、D对。 答案　BD 1．汽车关闭发动机后恰能沿斜坡匀速运动，在这一过程中(　　) A．汽车的机械能守恒 B．汽车的动能和势能相互转化 C．机械能逐渐转化为内能，总能量逐渐减少 D．机械能逐渐转化为内能，总能量不变 解析　汽车在关闭发动机后能匀速运动，说明汽车和斜坡之间一定有摩擦力作用，所以汽车的机械能不守恒，一部分机械能转化为内能，但能的总量保持不变，故选D。 答案　D 2．如图所示，固定在地面上的水平汽缸内由活塞封闭着一定量的气体，气体分子之间的相互作用力可以忽略。假设汽缸壁的导热性能很好，环境的温度保持不变，若用外力F将活塞缓慢地水平向右拉动，则在拉动活塞的过程中，下列说法正确的是(　　) A．气体做等温膨胀，气体分子单位时间对汽缸壁单位面积碰撞的次数将变少 B．气体做等温膨胀，分子的平均动能不变，气体的压强不变 C．气体从外界吸收热量，内能变大 D．气体是从单一热源吸收，全部用来对外做功，此过程违反热力学第二定律 解析　因汽缸导热，气体的温度不变，气体体积变大，则压强减小，气体的体积增大，单位体积内的分子数减小，则气体分子单位时间对汽缸壁单位面积碰撞的次数将变少，选项A正确，B错误；由于气体压迫活塞，故气体对外做功，则由热力学第一定律可知，因温度不变，内能不变，则气体应吸热，且吸收的热量等于对外做功，选项C错误；气体是从单一热源吸收，全部用来对外做功，但要引起气体的变化，此过程不违反热力学第二定律，选项D错误。 答案　A 3．如图所示，绝热的汽缸被一个绝热的活塞分成左、右两部分，活塞质量不计，活塞用销钉锁住，活塞与汽缸之间没有摩擦，汽缸左边装有一定质量的理想气体，右边为真空，现在拔去销钉，抽去活塞，让气体向右边的真空做绝热自由膨胀，下列说法正确的是(　　) A．气体在向真空膨胀的过程中对外做功，气体内能减少 B．气体在向真空膨胀的过程中，分子平均动能变小 C．气体在向真空膨胀的过程中，气体内能增加 D．若无外界的干预，气体分子不可能自发地退回到左边，使右边重新成为真空 解析　气体在向右边的真空膨胀的过程中没有力的作用，所以气体不做功，即W＝0，绝热过程，Q＝0，根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W，可知ΔU＝0，所以气体内能不变，温度不变，分子的平均动能不变，故A、B、C错误；无外界的干预，根据热力学第二定律可知，涉及热现象的宏观过程具有方向性，因此，气体分子不可能自发地退回到左边，使右边重新成为真空，故D正确。 答案　D $$