高二物理課件： 第四章《 能量守恒與熱力學(xué)定律》（教科 選修3-3）

歡迎進(jìn)入物理課堂 第1講分子動(dòng)理論能量守恒與熱力學(xué)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(shù)量級(jí) m 估測(cè)的方法 法 2 一般分子質(zhì)量的數(shù)量級(jí) 10 26kg 3 阿伏加德羅常數(shù) 1 1mol的任何物質(zhì)中含有相同的粒子數(shù) 用符號(hào)NA表示 NA mol 1 分子動(dòng)理論的基本觀點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)依據(jù)阿伏加德羅常數(shù) 考綱要求 1 10 10 油膜 6 02 1023 4 分子模型 1 擴(kuò)散現(xiàn)象 相互接觸的物體互相進(jìn)入對(duì)方的現(xiàn)象 溫度越高 擴(kuò)散越快 2 布朗運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn) 永不停息 無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng) 顆粒越 運(yùn)動(dòng)越劇烈 溫度越 運(yùn)動(dòng)越劇烈 運(yùn)動(dòng)軌跡不確定 小 高 2 分子永不停息地做無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng) 3 布朗運(yùn)動(dòng)和熱運(yùn)動(dòng)的比較 分子間存在著相互作用力 1 分子間同時(shí)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(shí)的距離 其數(shù)量級(jí)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(shí) F引 F斥 分子力F 0 rr0時(shí) 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(xiàn)為引力 r 10r0 10 9m 時(shí) 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(dòng)能 勢(shì)能和內(nèi)能 溫度是分子平均動(dòng)能的標(biāo)志 內(nèi)能 考綱要求 溫度是分子平均動(dòng)能的標(biāo)志 溫度 分子動(dòng)能 分子勢(shì)能或內(nèi)能只對(duì)大量分子才有意義 任何物體都有內(nèi)能 體積增大分子勢(shì)能不一定增大 如水變成冰 熱力學(xué)第一定律 1 內(nèi)容 一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)能增量等于外界向它傳遞的熱量與外界對(duì)它所做的功的和 2 表達(dá)式 U Q W 3 符號(hào)規(guī)定 熱力學(xué)第一 二定律 考綱要求 能量守恒定律 考綱要求 1 熱力學(xué)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(kù)吸收熱量 使之完全變成功 而不產(chǎn)生其他影響 2 能量守恒定律 1 能量守恒定律的內(nèi)容 能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生 也不會(huì)憑空消失 它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式 或者是從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到別的物體 在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過(guò)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(jī)械能守恒定律具有適用條件 而能量守恒定律是無(wú)條件的 是一切自然現(xiàn)象都遵守的基本規(guī)律 3 3 兩類永動(dòng)機(jī) 第一類永動(dòng)機(jī)不消耗任何能量 卻源源不斷地對(duì)外做功的機(jī)器 不能制成的原因 違背能量守恒定律 第二類永動(dòng)機(jī)從單一熱庫(kù)吸收熱量并把它全部用來(lái)對(duì)外做功 而不引起其他變化的機(jī)器 不能制成的原因 違背了熱力學(xué)第二定律 1 三種特殊情況 1 若過(guò)程是絕熱的 則Q 0 W U 2 若過(guò)程中不做功 即W 0 Q U 3 若過(guò)程的始 末狀態(tài)物體的內(nèi)能不變 即 U 0 則W Q 0或W Q 2 在熱力學(xué)第二定律的表述中 自發(fā)地 不產(chǎn)生其他影響 的涵義 1 自發(fā)地 指明了熱傳遞等熱力學(xué)宏觀現(xiàn)象的方向性 不需要借助外界提供能量的幫助 2 不產(chǎn)生其他影響 的涵義是發(fā)生的熱力學(xué)宏觀過(guò)程只在本系統(tǒng)內(nèi)完成 對(duì)周圍環(huán)境不產(chǎn)生熱力學(xué)方面的影響 如吸熱 放熱 做功等 3 熱力學(xué)過(guò)程方向性實(shí)例 實(shí)驗(yàn) 用油膜法估測(cè)分子的大小 注意事項(xiàng)1 實(shí)驗(yàn)前應(yīng)檢查方盤(pán)是否干凈 2 方盤(pán)中的水應(yīng)保持穩(wěn)定狀態(tài) 最好靜置一段時(shí)間 痱子粉均勻撒在水面上 3 向水面滴油酸酒精溶液時(shí) 針尖應(yīng)豎直 靠近水面 如果離水面太高 可能無(wú)法形成油膜 最好在1cm左右 4 計(jì)算油膜面積時(shí) 以坐標(biāo)紙上方格的數(shù)目來(lái)計(jì)算 不足半個(gè)的舍去 多于半個(gè)的算1個(gè) 下列關(guān)于布朗運(yùn)動(dòng)的說(shuō)法 正確的是 A 布朗運(yùn)動(dòng)是液體分子的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)B 布朗運(yùn)動(dòng)是指懸浮在液體中的固體分子的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)C 布朗運(yùn)動(dòng)說(shuō)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(yùn)動(dòng)會(huì)看到 懸浮的顆粒越小 溫度越高 布朗運(yùn)動(dòng)越劇烈 1 解析布朗運(yùn)動(dòng)是懸浮在液體中的固體小顆粒的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng) 小顆粒由許多分子組成 所以布朗運(yùn)動(dòng)不是分子的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng) 也不是指懸浮顆粒內(nèi)固體分子的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng) 故A B選項(xiàng)錯(cuò)誤 布朗運(yùn)動(dòng)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(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng) 而不是反映了分子間的相互作用 故C選項(xiàng)錯(cuò)誤 觀察布朗運(yùn)動(dòng)會(huì)看到固體顆粒越小 溫度越高 布朗運(yùn)動(dòng)越明顯 故D選項(xiàng)正確 答案D 對(duì)熱力學(xué)第二定律 下列理解正確的是 A 自然界進(jìn)行的一切宏觀過(guò)程都是可逆的B 自然界進(jìn)行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過(guò)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(dòng)機(jī)違背了能量守恒定律 因此不可能制成解析由熱力學(xué)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(shuō)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(cuò) 第二類永動(dòng)機(jī)并不違反能量守恒 卻違背了熱力學(xué)第二定律 故A D錯(cuò) B正確 答案B 2 一定量氣體 吸熱200J 內(nèi)能減少20J 下列說(shuō)法中正確的是 A 氣體對(duì)外做功180JB 氣體對(duì)外做功220JC 外界對(duì)氣體做功180JD 外界對(duì)氣體做功220J解析根據(jù) U Q W Q 200J U 20J 所以W 220J 即對(duì)外做功220J B項(xiàng)正確 答案B 3 下列關(guān)于分子熱運(yùn)動(dòng)的說(shuō)法中正確的是 A 布朗運(yùn)動(dòng)就是液體分子的熱運(yùn)動(dòng)B 氣體如果失去了容器的約束就會(huì)散開(kāi) 這是因?yàn)闅怏w分子之間存在斥力C 對(duì)于一定量的理想氣體 如果壓強(qiáng)不變 體積增大 那么它的內(nèi)能一定增大D 如果氣體溫度升高 分子平均動(dòng)能會(huì)增加 但并不是所有分子的速率都增大解析布朗運(yùn)動(dòng)是懸浮在液體中小顆粒的運(yùn)動(dòng) 氣體分子散開(kāi)的原因在于氣體分子能做無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng) 對(duì)于一定量的理想氣體 在壓強(qiáng)不變的情況下 體積增大 溫度升高 分子平均動(dòng)能增加 理想氣體分子勢(shì)能為零 所以內(nèi)能增大 答案CD 4 設(shè)某種物質(zhì)的摩爾質(zhì)量為 分子間平均距離為d 已知阿伏加德羅常數(shù)為NA 則該物質(zhì)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(shì)能 在兩個(gè)分子之間的距離由10r0變?yōu)閞0的過(guò)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(shì)能是標(biāo)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(cè)分子大小的實(shí)驗(yàn)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(dāng)?shù)稳雗滴時(shí)體積為V0 先往邊長(zhǎng)為30 40cm的淺盤(pán)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(zhǔn)備好的玻璃板放在淺盤(pán)上 并在玻璃板上描出油酸薄膜的形狀 將畫(huà)有油酸薄膜輪廓形狀的玻璃板 放在畫(huà)有許多邊長(zhǎng)為a的小正方形的坐標(biāo)紙上 計(jì)算出輪廓范圍內(nèi)正方形的總數(shù)為N 其中不足半個(gè)格的兩個(gè)格算一格 多于半個(gè)格的算一格 7 上述實(shí)驗(yàn)步驟中有遺漏和錯(cuò)誤 遺漏的步驟是 錯(cuò)誤的步驟是 指明步驟 并改正 油酸分子直徑的表達(dá)式d 解析本題考查的是用油膜法測(cè)分子直徑 意在考查學(xué)生對(duì)單分子油膜的理解和粗略估算能力 本實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)只是一種估算 在數(shù)油膜所覆蓋的坐標(biāo)格數(shù)時(shí) 大于半個(gè)格的算一個(gè)格 少于半個(gè)格的舍去 油酸溶液在水面上充分?jǐn)U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?dú)馀輧?nèi)氣體的密度為1 29kg m3 平均摩爾質(zhì)量為0 029kg mol 阿伏加德羅常數(shù)NA 6 02 1023mol 1 取氣體分子的平均直徑為2 10 10m 若氣泡內(nèi)的氣體能完全變?yōu)橐后w 請(qǐng)估算液體體積與原來(lái)氣體體積的比值 結(jié)果保留一位有效數(shù)字 解析題目考查利用阿伏加德羅常數(shù)進(jìn)行估算 設(shè)氣體體積為V1 液體體積為V2 由此可知 考點(diǎn)一微觀量的估算 典例1 答案見(jiàn)解析 在求解與阿伏加德羅常數(shù)有關(guān)的計(jì)算問(wèn)題時(shí) 總體思路是 已知銅的摩爾質(zhì)量為M kg mol 銅的密度為 kg m3 阿伏加德羅常數(shù)為NA mol 1 下列判斷錯(cuò)誤的是 變式1 答案B 如圖1 1 3所示 甲分子固定在坐標(biāo)原點(diǎn)O 乙分子位于x軸上 甲分子對(duì)乙分子的作用力與兩分子間距離的關(guān)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(gè)特定的位置 現(xiàn)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(yùn)動(dòng) 由b到c做減速運(yùn)動(dòng)B 乙分子由a到c做加速運(yùn)動(dòng) 到達(dá)c時(shí)速度最大C 乙分子由a到b的過(guò)程中 兩分子間的分子勢(shì)能一直減少D 乙分子由b到d的過(guò)程中 兩分子間的分子勢(shì)能一直增加 考點(diǎn)二分子間作用力 分子勢(shì)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(guò)程中 兩分子間表現(xiàn)為引力 分子力做正功 動(dòng)能一直增大 分子勢(shì)能一直減少 到c點(diǎn)時(shí)加速度為零 速度達(dá)最大 因此 A錯(cuò)誤 B C正確 b到c分子間表現(xiàn)為引力 分子力做正功 分子勢(shì)能減少 c到d分子間表現(xiàn)為斥力 斥力做負(fù)功 分子勢(shì)能增加 因此 D錯(cuò)誤 答案BC 2011 廣東廣州 某一密閉容器中密封著一定質(zhì)量的某種實(shí)際氣體 氣體分子間的相互作用力表現(xiàn)為引力 關(guān)于實(shí)際氣體的下列說(shuō)法中正確的是 A 在完全失重的情況下 密封容器內(nèi)的氣體對(duì)器壁的頂部沒(méi)有作用力B 若氣體膨脹對(duì)外界做功 則分子勢(shì)能一定增大C 若氣體被壓縮 外界對(duì)氣體做功 則氣體內(nèi)能一定增加D 若氣體從外界吸收的熱量等于膨脹對(duì)外界做的功 則氣體分子的動(dòng)能一定不變 變式2 解析在完全失重的情況下 密封容器內(nèi)的氣體仍然有壓強(qiáng) 氣體對(duì)器壁的頂部有作用力 所以A錯(cuò)誤 體積膨脹 分子間距離增大 分子力做負(fù)功 氣體的分子勢(shì)能增加 B正確 外界對(duì)氣體做功 但氣體有可能向外界放熱 所以內(nèi)能的變化情況不能確定 C錯(cuò)誤 氣體從外界吸收的熱量等于膨脹對(duì)外界做的功 所以內(nèi)能不變 但分子勢(shì)能增大了 所以分子動(dòng)能一定減小 即D錯(cuò)誤 答案B 考點(diǎn)三熱力學(xué)定律及能量守恒定律的理解及應(yīng)用 典例3 一定質(zhì)量的氣體 在從一個(gè)狀態(tài) 變化到另一個(gè)狀態(tài) 的過(guò)程中 吸收熱量280J 并對(duì)外做功120J 試問(wèn) 1 這些氣體的內(nèi)能發(fā)生了怎樣的變化 2 如果這些氣體又返回原來(lái)的狀態(tài) 并放出了240J熱量 那么在返回的過(guò)程中是氣體對(duì)外界做功 還是外界對(duì)氣體做功 做功多少 解析 1 由熱力學(xué)第一定律可得 U W Q 120J 280J 160J氣體的內(nèi)能增加了160J 2 由于氣體的內(nèi)能僅與狀態(tài)有關(guān) 所以氣體從 狀態(tài)回到 狀態(tài)的過(guò)程中內(nèi)能的變化應(yīng)等于從 狀態(tài)到 狀態(tài)的過(guò)程中內(nèi)能的變化 則從 狀態(tài)到 狀態(tài)的內(nèi)能應(yīng)減少160J即 U 160J 又Q 240J 根據(jù)熱力學(xué)第一定律得 U W Q 所以W U Q 160J 240J 80J 即外界對(duì)氣體做功80J 答案 1 增加了160J 2 外界對(duì)氣體做功80J 熱力學(xué)第一定律反映功 熱量與內(nèi)能改變量之間的定量關(guān)系 U W Q 使用時(shí)注意符號(hào)法則 簡(jiǎn)記為 外界對(duì)系統(tǒng)取正 系統(tǒng)對(duì)外取負(fù) 對(duì)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(lián)考 一定質(zhì)量的理想氣體 分子力不計(jì) 體積由V膨脹到V 如果通過(guò)壓強(qiáng)不變的過(guò)程實(shí)現(xiàn) 對(duì)外做功大小為W1 傳遞熱量的值為Q1 內(nèi)能變化為 U1 如果通過(guò)溫度不變的過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn) 對(duì)外做功大小為W2 傳遞熱量的值為Q2 內(nèi)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(cè)分子的大小 的實(shí)驗(yàn)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(cè)得1mL上述溶液為75滴 把1滴該溶液滴入盛水的淺盤(pán)里 待水面穩(wěn)定后 將玻璃板放在淺盤(pán)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(biāo)紙上 其形狀和尺寸如圖1 1 4所示 坐標(biāo)中正方形方格的邊長(zhǎng)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(shù)字 考點(diǎn)四油膜法估測(cè)分子大小 典例4 圖1 1 4 3 按以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)估測(cè)出油酸分子直徑約 m 取一位有效數(shù)字 解析 1 運(yùn)用數(shù)格法 多于半個(gè)的算一個(gè) 小于半個(gè)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(cè)分子的大小 實(shí)驗(yàn)的簡(jiǎn)要步驟如下 A 將畫(huà)有油酸膜輪廓的玻璃板放在坐標(biāo)紙上 數(shù)出輪廓內(nèi)的方格數(shù) 不足半個(gè)的舍去 多于半個(gè)的算一個(gè) 再根據(jù)方格的邊長(zhǎng)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(pán)上 用彩筆將薄膜的形狀描畫(huà)在玻璃板上 C 用淺盤(pán)裝入約2cm深的水 E 根據(jù)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(qǐng)指出 1 2 上述實(shí)驗(yàn)步驟的合理順序是 某同學(xué)實(shí)驗(yàn)中最終得到的計(jì)算結(jié)果和大多數(shù)同學(xué)的比較 數(shù)據(jù)偏大 對(duì)出現(xiàn)這種結(jié)果的原因 下列說(shuō)法中可能正確的是 A 錯(cuò)誤地將油酸酒精溶液的體積直接作為油酸的體積進(jìn)行計(jì)算B 計(jì)算油酸膜面積時(shí) 錯(cuò)將不完整的方格作為完整方格處理C 計(jì)算油酸膜面積時(shí) 只數(shù)了完整的方格數(shù)D 水面上痱子粉撒得較多 油酸膜沒(méi)有充分展開(kāi) 答案 1 C步驟中 要在水面上撒上痱子粉或石膏粉 2 實(shí)驗(yàn)時(shí) 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(nèi)增加一定體積時(shí)液滴的數(shù)目 實(shí)驗(yàn)步驟的合理順序是CFBAED 正確的說(shuō)法是ACD 同學(xué)們 來(lái)學(xué)校和回家的路上要注意安全 同學(xué)們 來(lái)學(xué)校和回家的路上要注意安全