可以用热力学第一定律

第一篇：可以用热力学第一定律

《热力学第一定律》

一、改变内能的两种方式：做功和热传递

1.做功可以改变物体的内能

【生活实例】列举锯木头和用砂轮磨刀具，锯条、木头和刀具温度升高，说明克服摩擦力做功，可以使物体的内能增加。如果外力对物体做功全部用于物体内能改变的情况下，外力做多少功，物体的内能就改变多少。如果用W表示外界对物体做的功，用ΔE表示物体内能的变化，那么有W=ΔE。功的单位是焦耳，内能的单位也是焦耳。

【演示】演示压缩空气，硝化棉燃烧。说明外力压缩空气过程，对气体做功，使气体的内能增加，温度升高到棉花的燃点而使其燃烧。

以上实例说明做功可以改变物体的内能。 2.热传递可以改变物体的内能

【生活实例】在炉灶上烧热水，火炉烤热周围物体，这些物体温度升高内能增加。这些实例说明依靠热传递方式也可以使物体的内能改变。物体吸收热量，内能增加。物体放出热量，物体的内能减少。如果传递给物体的热量用Q表示，物体内能的变化量是ΔE，那么，Q=ΔE。

热量的计算公式有：Q=cmΔt。热量的单位是焦耳，过去的单位是卡。 所以做功和热传递是改变物体内能的两种方式。 3.做功和热传递对改变物体的内能是等效的。 4.做功和热传递的区别

虽然做功和热传递对改变物体的内能是等效的，但是这两种方式的物理过程有本质的区别。做功使物体内能改变的过程是机械能转化为内能的过程。而热传递的过程只是物体之间内能的转移，没有能量形式的转化。 例：

1.在下列过程中，通过热传递增加物体内能的是

[ ] A. 火车经过铁轨后铁轨的温度升高 B.压缩筒内乙醚，使其燃烧

C.铁棒被太阳晒热 D.汽车刹车后，轮胎变热

2.物体的内能增加这是因为

[ ] A.一定是由于物体吸收了热量 B.一定是由于对物体做了功 C.可能是由于物体吸收了热量，也可能是由于对物体做了功 3.说明下列各题中内能改变的方法：

(1)一盆热水放在室内，一会就凉了，______;

(2)高温高压的气体，迅速膨胀，对外做功，温度降低，______。 (3)铁块在火炉上加热，一会儿热得发红，______; (4)打气筒给车胎打气，过一会筒壁发热，______’ (5)冬天人们往手上呵气取暖，______; (6)两手互相摩擦取暖，______。

二、热力学第一定律

1 、做功W、热传递Q、内能变化ΔU的物理意义

1.做功：做功使物体内能发生变化，实质是能量的转化，是一种形式的能量向另一种形式的能转化。功是能量转化的量度。

2.热传递：是能量的转移，内能由一个物体传递给给另一个物体，传递的能量用Q表示。

3.内能的改变：是物体内所有分子动能和势能之和发生了变化，宏观表现在温度和体积上的变化。

2、W、Q、ΔU正负号的确定

1.W，外界对物体做功，W取正值;物体对外界做功，W取负值。 2.Q，物体吸热，Q取正值;物体放热，Q取负值。

3，ΔU，物体内能增加，ΔU取正值;物体内能减少，ΔU取负值。

3、W、Q、ΔU之间的关系

一个物体，如果它既没有吸收热量也没有放出热量，那么，外界对它做多少功，它的内能就增加多少. ΔU=W 一个物体，如果它既没有对外做功，也没有其他物体对它做功，那么，它从外界吸收多少热量，它的内能就增加多少. ΔU=Q 如果外界既向物体传热又对物体做功，那么物体内能的增加量就等于物体吸收的热量和外界对物体做的功之和.用ΔU表示物体内能的增加量，用Q表示物体 吸收的热量，用W表示外界对物体做的功，那么 ΔU=Q+W

这个式子所表示的，内能的变化量跟功、热量的定量关系，在物理学中叫做热力学第一定律.

物体内能的增加等于物体从外界吸收的热量与外界对物体所做的功的总和。

【例题】

一定量的气体从外界吸收了2.6×105J的热量，内能增加了4.2×105J.外界对气体做了多少功?

解

由(1)式得 W=ΔU-Q =4.2×105J-2.6×105J =1.6×105J 外界对气体做的功是1.6×105J. 思考与讨论

上题中，如果气体吸收的热量仍为2.6×105J，但是内能只增加了1.6×105J，计算结果W将为负值.怎样解释这个结果?一般地讲，ΔU、Q、W的正值和负值各代表什么物理意义?

第二篇：六、热力学第一定律 能量守恒定律 教案示例

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二、热力学第一定律

能量守恒定律

教学目的

1.理解、掌握物体跟外界做功和热传递的过程中W、Q、ΔU的物理意义. 2.会确定W、Q、ΔU的正负号. 3.理解热力学第一定律ΔU=W+Q. 4.会用ΔU=W+Q分析和计算问题. 5.理解、掌握能量守恒定律及重要性.

6.会用能量守恒的观点分析、解决有关问题，明确它的优越性. 7.知道第一类永动机不可能成功的原因. 教具

柴油机模型、电动机、灯泡、打气筒、多媒体. 教学过程 ●引入新课

我们在前面学习了改变内能的两种方法：做功和热传递，那么它们之间有什么数量关系呢?以前我们还学习过电能、化学能等各种形式的能，它们在转化过程中遵守什么样的规律呢?今天我们就来研究这些问题.

【板书】

一、做功W、热传递Q、内能变化ΔU的物理意义

1.做功：做功使物体内能发生变化，本质是能量的转化，是一种形式的能向另一种形式的能转化，功是能量转化的量度.

2.热传递：是能量的转移，内能由一个物体传递给另一个物体，传递的能量用热量Q表示.

3.内能的改变：是物体内所有分子动能和势能之和发生了变化，宏观表现在温度变化和体积变化. 【板书】

二、W、Q、ΔU正负号确定

1.W，外界对物体做功，W取正;物体对外界做功，W取负. 2.Q，物体吸热，Q取正;物体放热，Q取负.

3.ΔU，物体内能增加，ΔU取正;物体内能减少，ΔU取负. 【板书】

三、W、Q、ΔU三者之间关系

在一般情况下，如果物体跟外界同时发生做功和热传递的过程，它们遵守下列关系： ΔU=W+Q 这就是势力学第一定律，它表示了功、势量跟内能改变之间的定量关系.

例：一定量的气体从外界吸收了2.6×105J的热量，内能增加了4.2×105J.是气体对外界做了功，还是外界对气体做了功?做了多少焦耳的功?

启发学生讨论：1.引起物体内能变化的物理过程有哪两种?2.物体内能增加量大于物体从外界吸收的热量是什么原因?3.怎样找W、Q、ΔU的正负值.

引起物体内能变化的物理过程有两种，做功和热传递;物体内能增加量大于物体从外界吸收的热量，是由于还有做功，一定是外界对气体做了功.W=?，Q=2.6×105J，ΔU=4.2×105J，根据热力学第一定律ΔU=W+Q，代入4.2×105=2.6×105+W ∴W=(4.2-2.6)×105=1.6×105(J) W为正值，说明是外界对气体做了1.6×105J的功.

观看柴油机模型，用热力学第一定律解释柴油机正常工作时压燃的原理.

活塞压缩气体，活塞对气体做功，由于时间很短，散热可忽略，机械能转化为气体内能，温度升高，达到柴油燃点，可“点燃”柴油.

做功和热传递能使物体内能改变，能量在转化或转移过程中守恒.不仅机械能，其它形式的能也可以与内能相互转化，如电流通过灯泡钨丝变热发光，电能转化为内能和光能(出示电灯泡).燃料燃烧生热，化学能转化成内能，实验证明：在这些转化过程中，能量都是守恒的.

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四、能量守恒定律 同学们看课文

再看一段录像：风力发电、电动机带动水泵抽水，汽车在公路上行驶，水电站、植物生长等，同时利用投影仪打出讨论题目：

1.能量守恒定律的内容? 2.各种机器的作用是什么?

3.风力发电是什么能转化成什么能?

4.化学上电解食盐的过程，是什么能转化成什么能? 5.为什么说：能量守恒定律是伟大的运动基本规律? 6.第一类永动机为什么不能成功? 7.举出一些生活中能量守恒的实例. 讨论总结： 1.见课本.

2.各种机械都是能量转化器. 3.是机械能转化为电能. 4.是电能转化成化学能.

5.能够把各个领域联系起来，具有共同语言. 6.因为它违背了能量守恒定律.

7.举不胜举.能量守恒是自然界最普遍的规律之一. 能量守恒，就是能量既不会多，也不会少，总量不变. ●巩固练习

1.某一家庭用高压锅煮饭，由于皮垫用久了，当水煮沸时跑气了，大量的热气喷到了距高压锅2米以外的小张手上，但并没有烫伤，为什么?

2.一定质量的气体，从外界吸收了2.6×105J的热量，内能只增加了1.6×105J，做功情况如何? 3.进入冬季，教室与教研室采暖设计一样，但教室温度比教研室高，为什么? 参考题

1.炮兵训练打靶时，炮弹在炮膛中加速飞出炮口的过程中，炮膛中的火药气体温度是变化很大还是很小?说明理由.

2.一瀑布，落差30m，假如在下落过程中机械能减少量全部转化成水的内能，水的温度升高多少?[水的比热容为4.2×103J/(kg℃)] 3.说明下列现象中能量是怎样转化的?[

] A.水电站发电时，水轮机被水流冲击转动，带动发电机发电.

B.利用地热发电. C.化学上的电镀过程.

D.植物生长过程. 说明

1.热力学第一定律ΔU=W+Q中各字母正负值确定是个难点，难就难在物理意义不清楚.

2.各种能量在一定条件下可以相互转化，转化过程中总能量守恒.这是一个意识问题，或者说是悟性，从内心深处感觉到总能量不变.这是很重要的物理思想.

3.以前我们学习的机械能守恒定律，动能定理等，还有刚学的热力学第一定律，都可以统一在能量守恒定律之中.比如说，汽车刹车直到停下的过程中，动能减少，内能增加.或者说，汽车克服摩擦力所做的功等于增加的汽车动能.

三理想气体状态方程

一、理想气体状态方程

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http:// 1.理想气体

提问：什么气体可以看做是理想气体? 学生活动

能严格遵守气体实验定律的气体.

压强不太大、温度不太低(常温、常压)的实际气体. 2.一定质量的某种理想气体的状态方程

(1)推证理想气体的状态方程的理论依据是什么? 气体实验定律.

补充：气体状态参量间的变化与过程无关. (2)推证过程：(要求学生在课下完成) (3)结论：

此式反映的是n个状态间过程的联系. (4)推论：

对一定质量的理想气体，设密度为ρ，有V=m/ρ，则

[例1]教室的容积是100m3，在温度是7℃，大气压强为1.0×105Pa时，室内空气的质量是130kg，当温度升高到27℃时大气压强为1.2×105Pa时，教室内空气质量是多少?

分析：

(1)研究对象是教室内的气体吗? (2)气体的初末态如何确定? 学生回答问题： (1)教室内的气体不能作为研究对象，因为教室内气体的质量发生了变化，有可能是外面的气体跑进教室，也有可能是教室的气体跑到外面.所以以原来教室内的130kg的气体为研究对象，才能根据理想气体的状态方程求解.

(2)初态：p1=1.0×105pa，V1=100m3，T1=273+7=280K 末态：p2=1.2×105Pa，V2=?，T2=300K根据理想气体状态方程：

二、热力学第一定律在理想气体等值变化过程中的应用 1.理想气体的内能

理想气体的分子间作用力为零，分子势能为零，所以理想气体的内能等于分子动能.那么决定一定质量的某种理想气体的内能的宏观标志是什么?

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http:// 温度T 2.几个等值变化过程 (1)绝热过程.

绝热一般指封闭气体的材料绝热或过程完成得迅速，此过程的特点是热量Q=0，那么同学们可以讨论当一个绝热气缸内的气体向外膨胀的过程中，气体的内能如何变化?气体的温度如何变化?

当一个绝热气缸内的气体向外膨胀的过程中，气体的体积变大，气体对外做功，又因为是绝热过程，气体既不吸热也不向外界放热，根据热力学第一定律，其内能减小，气体的温度降低.

(2)等温过程.

等温过程中气体的温度保持不变，所以其内能不变.那么当一定质量的理想气体的压强增大，系统是吸热还是放热?

因为是等温过程，所以系统的内能不变;根据玻-马定律，当气体压强增大时，气体的体积变小，外界对气体做功;根据热力学第一定律，系统向外界放热.

(3)等容过程.

等容过程的特点是什么?那么当一定质量的理想气体的压强增大，系统是吸热还是放热?

体积不变，所以做功W=0;根据查理定律，气体的压强增大，则温度升高，内能变大;根据热力学第一定律，系统从外界吸热.

(4)等压过程.

等压过程的特点是什么?那么当一定质量的理想气体的体积增大，系统是吸热还是放热?

第四节

空气的湿度

一、引入 [放录像]

地上的水、江河湖海里的水，以及动植物的表皮以及动物的呼吸也在不断地散发出水蒸汽，使得我们周围的空气中含有水蒸汽.

[教师]一定体积的空气中含的水蒸气越多，空气就越潮湿，含的水蒸气越少，空气就越干燥，本节课我们就来学习空气的湿度.

二、新课教学

(一)空气的湿度 [投影]阅读思考题

1.什么叫空气的绝对湿度?为什么空气的湿度不用单位体积的空气中所含水蒸气的质量来表示? 2.水蒸发的快慢，动物感觉到的干燥和湿润，与什么有关?有什么关系? 3.什么叫相对湿度?

[学生活动]阅读课文有关内容并解答阅读思考题 [师生总结]

1.空气中所含水蒸气的压强叫做空气的绝对湿度.

2.由于直接测量空气中水蒸气的密度比较困难，所以不用空气中所含水蒸气的密度来表示空气的绝对湿度.

3.水蒸发的快慢，动物感觉到的干燥或湿润，不是完全由空气绝对湿度的大小决定的，而是跟空气中的水蒸气离饱和状态的远近有关系.

在空气的绝对湿度一定的情况下，气温高时水蒸气离饱和状态远，水蒸发的快，气温低时水蒸气离饱和状态近，水蒸发的慢.

当人体中的水蒸发的快时，我们就感到空气比较干燥，反之，我们就感到空气很潮湿. 4.某温度时空气的绝对湿度跟同一温度下水的饱和气压的百分比，叫做此温度下空气的相对湿度. 求解公式为：

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http:// B=p×100% psp→空气的绝对湿度→单位(Pa)

pS→同一温度下水的饱和气压→单位(Pa) B→相对湿度 [强化训练]

1.在潮湿的天气里，洗了的衣服不容易晾干，为什么?

2.在绝对湿度相同的情况下，夏天和冬天的相对湿度哪个大?为什么?

3.当空气的绝对湿度是1.2×103Pa，气温是15℃时，空气的相对湿度是多大? [学生活动] 解答强化训练题

1.在潮湿的天气里，空气的湿度大，空气中的水蒸气接近饱和，水份不容易蒸发，所以洗了的衣服不容易晾干.

2.在绝对湿度相同的情况下，水的饱和汽压ps在温度高时大，温度低时小，根据B=冬天的相对速度大.

3.解：

∵p=1.2×103Pa

查表得ps=1.705×103Pa

p夏天和冬天相比，ps1.2103p∴B===70.4% 3ps1.70510[讨论]

1.当空气的绝对湿度一定时，白天为什么我们感觉到比较干燥，而夜晚却感到很潮湿? 2.水的饱和汽压随温度如何变化? [学生活动] 解答讨论题

1.由课文饱和汽压表可知：

在绝对湿度一定的情况下，在白天，水蒸气离饱和状态较远，我们就感觉到空气比较干燥，而在夜晚气温降低，饱和汽压降低，水蒸气接近饱和，我们就感觉到空气很潮湿.

2.水的饱和汽压随温度的升高而升高. [教师]

由于水的饱和汽压随温度的升高而升高，所以当绝对湿度一定时，空气里的未饱和汽将逐渐接近饱和，当气温降到某一温度时，水蒸气将达到饱和状态，这时将有水蒸气凝结成水，在物体表面上形成一层细小的露滴.

[板书]

使空气里的水蒸气刚好达到饱和时的温度叫做露点. [讨论]

根据露点和气温的差值，能否判断出相对湿度的大小? [学生活动] 解答讨论题

空气中含的水蒸气多，气温只要少许降低一点，就达到露点，水蒸气就达到饱和，反之空气中含的水蒸气

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http:// 少，气温要降低很多，才能达到露点，水蒸气才达到饱和，所以根据露点和气温的差值，可以大致判断出空气中水蒸气的饱和程度，从而判断出相对湿度的大小.

(二)湿度计

[实物投影]课本图13~24的干湿泡湿度计. [投影]

介绍干湿泡温度计的构造：

1.干湿泡温度计是由两支完全相同的温度计组成的. 2.分别观察两支温度计的特征： 从实物投影观察到：

温度计B的感温泡上包着棉纱，棉纱的下端浸在水中 而A中的感温泡是干燥的

→这就是干湿泡温度计名称的由来.

3.学生阅读课文，叙述干湿泡温度计的原理： 由于水的蒸发，温度计B指示的温度总是低于温度计A的，空气的相对湿度越小，其中的水汽离饱和越远，湿泡温度计B上的水蒸发得越快，温度就降得越低，两支温度计的温度差越大.空气的相对湿度越大，其中的水汽越接近饱和，温度计B上的水蒸发得越慢，A、B的温度差就越小，所以干湿泡温度计的温度差的大小跟空气的相对湿度有直接关系.

把不同温度时相应于不同的干湿泡温度差的相对湿度计算出来，绘制成表或画成曲线，根据干湿包湿度计上A、B两支温度计的读数，从表或曲线上很快就可以算出空气的相对湿度.

三、小结

本节课我们主要学习了：

1.空气的湿度是指空气的干湿程度，它是由空所中所含水蒸气的多少来决定的，空气的湿度可以用绝对湿度和相对湿度来表示.

2.空气越潮湿，空气中所含水蒸气的密度越大，水蒸气的压强也越大，由于测量水蒸气的压强要比测量水蒸汽的密度容易得多，因而人们便利用空气中所含水蒸气的压强来表示空气的湿度，称为空气的绝对湿度.

3.人们对空气湿度的关注，往往不直接体现在空气中所含水蒸气的多少上，而是体现在空气中的水蒸气离离饱和状态的远近上，空气中的水蒸气越接近饱和状态，那么空气中水蒸气的压强跟同温度下水的饱和汽压就越近，它们的比值必然越大.

某温度时空气的绝对湿度p与同一温度下水的饱和气压ps的百分比来表示空气的湿度，称为空气的相对湿度B.

即B=p×100% ps4.空气的湿度可以用湿度计来直接测量，常用的湿度计有干湿泡湿度计.

四、作业

课本P85练习六：

五、板书设计

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六、本节优化训练设计

1.当气温突然下降时，空气的相对湿度将___________.

A.增大

B.减小

C.不变

D.不能确定 2.下列说法正确的是___________. A.空气的绝对湿度大时，水的蒸发慢

B.水蒸气的密度一定时，湿度越高相对湿度越小 C.气温低时空气的相对湿度一定大

D.气温降至露点时空气的相对湿度为100%

3.已知20℃时水的饱和汽压是2.338×103Pa，12℃时水的饱和汽压是1.402×103Pa,若20℃时空气的相对湿度是70%，则此时的露点t是___________

A.t>20℃

B.12℃

C.t=12℃

D.t<12℃

4.用测定露点的方法可以确定空气的绝对湿度和相对湿度，设气温为t1,测得其露点为t2，如何得出气温为t1时的绝对湿度和相对湿度.

参考答案：

1.A

2.BD

3.B

4.p=ps2,B=

ps2×100% ps1亿库教育网

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第三篇：热力学第一定律教案[小编推荐]

教学重点：热力学第一定律和能量守恒定律

教学难点：永动机

一、热力学第一定律

改变物体内能的方式有两种：做功和热传递.

运用此公式时，需要注意各物理量的符号：物体内能增加时，

为负;外界对物体做功时，

为负.

为正，物体对外界做功时，

为正，物体内能减少时，为负;物体吸收热量时，

为正，物体放出热量时，

例1：下列说法中正确的是：

A、物体吸收热量，其内能必增加

B、外界对物体做功，物体内能必增加

C、物体吸收热量，同时对外做功，其内能可能减少

D、物体温度不变，其内能也一定不变

答案：C

评析：在分析问题时，要求考虑比较周全，既要考虑到内能包括分子动能和分子势能，又要考虑到改变内能也有两种方式：做功和热传递.

例题2：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. 这时空气对外做了多少功?

解：根据热力学第一定律

知

1.5 ×105J - 2.0 ×105J = -0.5 ×105J

所以此过程中空气对外做了0.5 ×105J的功.

二、能量守恒定律

1、复习各种能量的相互转化和转移

2、能量守恒定律：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.(学生看书学习能量守恒定律内容).

3、能量守恒定律的历史意义.

三、永动机

永动机的原理违背了能量守恒定律，所以是不可能的.

举例说明几种永动机模型

四、作业

第四篇：热力学的两大定律

一、热力学第一定律与能量守恒定律

能量守恒定律：能量既不会凭空产生，也不能凭空消失。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另一个物体。

某一种形式的能是否守恒是有条件的，而能量守恒定律是无条件的，是一切自然现象都遵循的基本规律。

能量守恒定律的发现，使人们进一步认识到：任何一种机器，只能使能量从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体。而不能无中生有地创造能量，不消耗任何能量，却可以源源不断地对外做功的机器(第一类永动机)是不可能制成的。 例1：约在1670年，英国塞斯特城的主教约翰·维尔金是设计了一种磁力“永动机”，如图所示，在斜面顶上放一块强有力的磁铁，斜面

上端有一小孔，斜面下有一连接小孔直至底端的弯

曲轨道。维尔金斯认为：如果在斜面底放一个小铁

球，那么由于磁铁的吸引，小铁球就会向上运动，

当小铁球运动到小孔P处时，它就要掉下，再沿着斜面下的弯曲轨道返回斜面底端Q，由于有速度而

可以对外做功，然后又被磁铁吸引回到斜面上端，到小孔P处又掉下。

在以后的二百多年里，维尔金斯的永动机居然改头换面地出现过多次，其中一次是在1878年，即能量转化和守恒定律被确定20年后，而且竟在德国取得了专利权! 请你分析一下，维尔金斯的“永动机”能实现吗?

解答：维尔金斯的“永动机”不可能实现，因为它违背了能量守恒定律。小球上升过程中，磁场力对小球做正功，使小球增加了机械能;但在小球下落时，同样也受到磁场力，而且磁场力做负功，这个负功与上升过程的正功相互抵消，可见，维尔金斯“永动机”不可能源源不断向外提供能源，所以，维尔金斯的“永动机”不可能实现。

热力学第一定律：在与热现象相关的物理过程中，能的转化和守恒定律的具体表达形式就是热力学第一定律——物体状态变化的过程中，内能的增量等于外界对物体做的功与外界传递给物体的热量之和，其数学表达式为UQW

应用热力学第一定律时必须掌握好它的符号法则：

(1)功W0，表示外界对系统做功;W0，表示系统对外界做功。

(2)热量Q0，表示物体吸热;Q0，表示物体放热。

(3)内能U0，表示内能增加;内能U0，表示内能减少。

例2：一定量的气体在某一过程中，外界对气体做了8×104 J的功，气体的内能减少了

1.2×105 J，这下列各式正确的是

A.W810 J，U1.210 J，Q410 J

B.W810 J，U1.210 J，Q210 J

C.W810 J，U1.210 J，Q210 J

D.W810 J，U1.210 J，

Q410 J 4544554554

54解析：因为外界对气体做功，W取正值，即W810 J;内能减少，U取负值，即U1.210 J;根据UQW可知， 54

QUW(1.21058104) J2105 J，即选项B正确。

例3：如图所示，容器A、B各有一个可自由移动的轻活塞，活塞下面是水，上面是大气，大气压恒定。A、B的底部由带有阀门K的管道相连。整个装置与外界绝热。最初A中水面比B中的高，打开K使A中的水逐渐向B中流，最后达

到平衡，在这个过程中

A.大气压力对水做功，水的内能增加

B.水克服大气压力做功，水的内能减少

C.大气压对水不做功，水的内能不变

D.大气压对水不做功，水的内能增加

解析：因为水的体积不变，故大气压力做的总功为零，但最后达到平衡后，水的重心降低，重力势能减少，而整个装置与外界绝热，根据热力学第一定律，水的内能将增加。选项D正确。

本题的表述，在表面上突出了大气压力做功，殊不知大气压力做的总功为零，而真正起关键作用的因素即重力对水做功却隐匿起来，要求学生经过独立分析去发现这一因素。

二、热力学第二定律的两种常见表述

按热传导的方向性表述：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。

按内能与机械能变化过程的方向性表述：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。即第二类永动机是不可能制成的。

热力学第二定律的两种表述方式，都说明了与热现象有关的物理过程进行的方向，两种表述是一致的，可以证明若违反了其中一种表述，必然违反另一种表述。

如何理解热力学第二定律是一个难点，如有的同学将热力学第二定律片面理解为“不可能使热量由低温物体传递到高温物体”事实上，这样的过程是可能发生的，如电冰箱冷冻室内的温度已经比房间的温度低，但还可以从冷冻室中吸收热量释放到房间中去，不过此过程是不能自发地进行的，代价是要消耗电能，即“引起了其他变化”，希望同学们不要忘了这后半句。而相反的过程是可以自发的进行的——让热量从高温物体传递到低温物体。

例4：下列关于能量转化的说法中，正确的是

A.机械能可以转化为内能，但内能不能转化为机械能

B.机械能可以转化为内能，内能也能转化为机械能

C.机械能不可以转化为内能，但内能可以转化为机械能

D.机械能可以全部转化为内能，但内能不能全部转化为机械能，同时不引起其他变化 答案：BD

三、热力学第一定律与热力学第二定律的区别与联系

热力学第一定律，是跟热现象有关的物理过程中能量守恒定律的特殊表达形式，它说明了功、热量和内能改变之间的定量关系。热力学第二定律指出了符合能量转化与守恒的过程能否实现的条件和过程进行的方向，它说明一切与热现象有关的实际宏观过程是不可逆的。热力学第一定律和热力学第二定律从不同角度揭示了与热现象有关的物理过程所遵循的规律，二者相互独立，又相互补充，都是热力学的理论基础。

A B

例5：下列说法正确的是

A.一切涉及热现象的宏观过程都具有方向性

B.一切不违反能量守恒与转化定律的物理过程都是可以实现的

C.由热力学第二定律可以判断物理过程能否自发进行

D.一切物理过程都不可能自发的进行

答案：AC

附：热力学的另两大定律

热力学第零定律：若两个热力学系统中的任何一个系统都和第三个热力学系统处于热平衡状态，那么，这两个热力学系统也必定处于热平衡。这一结论称做“热力学第零定律”。热力学第零定律的重要性在于它绘出了温度的定义和温度的测量方法。定律中所说的热力学系统是指由大量分子、原子组成的物体或物体系。它为建立温度概念提供了实验基础。这个定律反映出：处在同一热平衡状态的所有的热力学系统都具有一个共同的宏观特征，这一特征是由这些互为热平衡系统的状态所决定的一个数值相等的状态函数，这个状态函数被定义为温度。而温度相等是热平衡之必要的条件。因此，这一基本物理量实质是反映了系统的某种性质。

热力学第三定律：此定律指出，设想通过几个有限的步骤使物体冷却到绝对零度，是不可能的。这一表述是能斯脱于1912年根据对低温现象的研究得出能斯脱定理的推论。

四、能量耗散与未来能源

自然界的总能量虽然是守恒的，但根据热力学第二定律，我们无法把流散在周围的内能重新收集起来加以应用，这种现象叫能量耗散。能量耗散说明自然界的能量转化具有方向性，并提醒人们要警惕能源危机。

我们现今可供利用的能源主要是煤、石油、天然气等常规能源，但由于常规能源的储量有限，加之使用时带来的环境问题。这就迫使我们开发水流能、风能、太阳能、核能等新能源。而核裂变能也仅能供人们使用几百年。因此可以预见几百年后的未来能源，将以核聚变能为主，水流能、风能、太阳能为辅。这样可控热核反应的研究就具有非常重要的意义，而一旦取得突破，海水中丰富的氘就成为“取之不尽、用之不竭”的能源(一升海水中含有0.03克氘，其完全聚变所放出的能量相当于燃烧300升汽油)。

例6：乌鲁木齐市达板城地区风力发电网每台风力发电机4张叶片总共的有效迎风面积为S，空气密度为ρ、平均风速为v，设风力发电机的效率(风的动能转化为电能的百分比)为η.则每台风力发电机的平均功率P=____________。

解析：t时间内冲击叶片的空气的体积为Svt，质量为Svt，动能为

Ek111mv2Svtv2Sv3t 222

依题意PtEk，解得P

Sv32

第五篇：《热力学第二定律》教学设计

【教学目标】

一、知识和技能

1、能判断涉及热现象的宏观过程是具有方向性的;

2、知道并理解热力学第二定律的两种经典表述;

3、形成关于宏观热现象都具有不可逆性的概念;

4、认识到热力学第一定律与热力学第二定律具有同样重要的意义。

二、过程和方法

分析各种热学现象的过程，归纳出现象背后的普遍规律──热力学第二定律。

三、情感、态度和价值观

1、体会科学发现的曲折性和必然性;

2、体会热力学第二定律对于人类实践的指导意义。

【教学重点和难点】

重点：热力学第二定律内容的理解。

难点：热力学第二定律的两种表述的理解。

【设计思路与教学流程】

设计思路：

本节内容的课程标准是：“通过自然界中宏观过程的方向性，了解热力学第二定律。”热力学第二定律是紧跟在热力学第一定律之后的一节内容。学生早在初中就知道了能量的转化与守恒定律，在学完了热力学第一定律之后，对于能量守恒的认识就更深刻了。因此在此基础上提出“利用海水降温释放的热量作为新能源”这一设想，让学生思考、讨论而引入新课。然后再列举一些自发的热学现象，归纳出其中共同的特征：过程的不可逆性。然后就其中的热传导与功热转化两个过程具体分析，归纳出热力学第二定律的两种经典表述：克劳修斯表述和开尔文表述。热力学第二定律的实质就是指宏观自发的涉及热现象的过程都是不可逆的，任何一类宏观自发的热学过程都可以作为热力学第二定律的表述。本节课的难点在于如何理解热力学第二定律的两种表述，特别是开尔文表述。教学中尽可能多地让学生分析实例，再借助于一些多媒体素材(我利用了一些视频及热机、内燃机两个flash动画)，从正、反两方面帮助学生形成对热学现象中的过程认识：热量可以自发地从高温物体传到低温物体;功可以全部转化为热;热量可以从低温物体传到高温物体(但要有条件);热可以转化为功(但不完全)。最终认识到热力学第二定律是与热力学第一定律并重的一条客观规律。

教学流程：

【教学资源】

多媒体课件(包括视频及flash动画)

【教学实录】

一、引入新课

师：我们刚刚学过了热力学第一定律，即能量的转化与守恒定律。既然能量的总量是不变的，但为什么还说有能源危机，还要提倡节约能源呢?曾经有这样一个设想(展示幻灯片)，试图来解决我们的能源危机。

(幻灯片内容)地球上有大量的海水，它的总质量约为1.4×1018t，如果这些海水的温度降低0.1oC，将要放出多少焦耳的热量?海水的比热容为C=4.2×103J/(kg·℃)

师：请大家计算一下，上述过程将释放多少能量?

生：放出5.8×1023J的热量。

师：这相当于1800万个大亚湾核电站一年的发电量。(秦山核电站装机容量为30万千瓦、大亚湾核电站装机容量为百万千瓦)(幻灯片)

师：请大家相互讨论一下，该方案可行吗?

„„(学生分组讨论)

生1：这个方案可行，因为不违背能量守恒定律。

生2：这个方案不可行，若可行的话，科学家早就将这一想法付诸实践了。

生3：不同意2的说法。并不是我们能想到的就一定能实现的。

„„

二、提出热力学第二定律

师：那么这一想法实现的困难是技术上的障碍呢?还是理论上根本不可能?是否还存在一些除了能量的转化与守恒定律之外的一些我们还必须遵循的客观规律呢?现在让我们一起来学习本章第五节：热力学第二定律。

师：我们先从分析一组物理现象开始。请看下面的一些视频：①空气和二氧化氮气体的扩散;②烧红的铁棒浸入水中冷却;③向密闭的广口瓶中充气，将瓶塞充开;④在草坪上滚动的足球最终停下来;⑤一玻璃杯从桌子边缘摔在地面上破碎。(展示视频)

师：这些是我们眼中能看到的现象，大家能否描述一下上述现象的逆过程?并判断这些逆过程可能实现吗?注意语言表述的准确性，大家相互讨论一下。

„„(学生分组讨论)

生1：现象①的逆过程是均匀混合的空气与二氧化氮气体过一段时间变的泾渭分明：上面是空气，下面是二氧化氮。该过程不可能。

生2：现象②的逆过程是浸在水中的铁棒过一段时间后吸收水的热量变红了，而水温降低了。该过程不可能。

生3：现象③的逆过程是从瓶中冲出去的气体又自动回到瓶中，瓶中气体的压强达到了将瓶塞冲开时的压强。该过程不可能。

生4：现象④的逆过程是静止在草坪上的足球自动地吸收草地的热量转化为足球的动能，足球滚了起来。该过程不可能。

生5：现象错误!链接无效。的逆过程是碎在地面上的玻璃杯自动地变成完整的杯子，并跳回桌面。该过程不可能。

师：所有的这些现象有何共同特征?

生：都是不可逆的。

师：既然在不同的现象背后存在着一个共同特征，那么就应该存在着一个普遍的客观规律。事实上，许多科学家已经从不同的角度分别进行了归纳总结，提出了热力学第二定律。

三、热传导过程分析──克劳修斯表述

师：分析诸如②的热传导过程，要发生热传导必须具备什么条件?

生：要有温度差。

师：那么自发的热传导过程有什么特征?

生：总是从高温物体向低温物体传导。

师：热量能否从低温物体传导到高温物体?

生1：不能，诸如②中不可能出现铁棒变红、水温降低的现象。

生2：可能的，电冰箱工作时就是将热量从低温环境传导到高温环境。

师：很好，让我们一起来分析电冰箱的工作过程。请考虑三个问题：一是电冰箱中热量传导的方向性;二是电冰箱中这种热量传导有没有条件?三是分析电冰箱工作时能量转化情况。请大家相互讨论一下。

„„(学生分组讨论)

生1：电冰箱工作时是将热量从低温环境传到高温环境;

生2：只有在电冰箱插上电源后，才能实现上述热量传导过程;

生3：电冰箱工作时，消耗了电能。

师：电冰箱工作时，消耗了电能，再考虑电冰箱制冷剂在箱内吸收的热量与在箱外释放的热量，该过程中能量守恒吗?

生4：能量肯定是守恒的，也许释放到电冰箱外的热量大于在电冰箱内吸收的热量。

师：你的说法不错，诸如过程②和电冰箱的工作过程可以用下面的流程图来表示：

可见，热量传导可以从低温物体到高温物体。可以设想，拔掉电源的冰箱是不可能达到制冷效果的，也就是下面的过程不可能：

(展示幻灯片)

师：早在1850年德国物理学家克劳修斯总结了热传导过程的规律，称之为热力学第二定律的克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传到高温物体。请大家再将这一意思换一种表述方法。

生：也可以说成：热量不可能从低温物体传到高温物体而不产生其他影响。

四、功热转化过程分析──开尔文表述

师：足球在草坪上滚动最终停下来，试分析该过程中的能量转化情况。

生：足球的动能转化为内能。

师：再比如小球从高处落下掉进沙坑，能量的转化情况怎样?

生：小球的机械能转化为内能。

师：机械能可以全部转化为内能，那么内能能否转化为机械能?

生1：不能，因为上面的过程是不可逆的。

生2：可以的，热量可以由高温物体传到低温物体，但也可以由低温物体传到高温物体。

师：你的类比不错。这一问题先搁一下，我们再分析两个实例：一是热机;二是内燃机。(展示flash动画)

请观察热机与内燃机的工作流程，并分析能量转化的情况。

生1：热机工作过程中，锅炉中的水被加热变成水蒸气，水蒸气推动汽缸活塞对外做功，然后排出的尾气经过冷凝器变成液态水回到锅炉。该过程中的能量转化过程是：煤的化学能转化为水蒸汽的内能，再变为活塞运动的机械能。

生2：内燃机工作过程中，先吸入空气与汽油的混合气体，接着活塞向上运动压缩混合气体，点火后混合气体爆炸，推动活塞对外做功，最后将汽缸中的尾气排出。该过程中混合气体的内能转化为机械能。

师：以上两个过程都存在内能转化为机械能的现象。请分析这些过程中，内能全部转化为机械能吗?

生3：不能，因为机械装置存在摩擦损耗，要消耗部分能量。

生4：从汽缸中排出的尾气也带走了部分能量。

师：这样看来，机械能与热能之间的转化也可以用下面的流程图来表示：

(展示幻灯片)

师：热机或内燃机就是从高温热源吸收热量Q1，其中对外做功为W，到低温热源放出热量Q2。这一过程是通过工作物质如水蒸气、汽油和空气混合气体的燃烧等来完成，这些工作物质简称为工质。即使将摩擦损耗的能量理想化地降低到零，也不可能排除尾气带走的热量。在1851年，开尔文就功与热的转化提出了：不可能从单一热源吸收热量，使之完全变为功，而不产生其它影响。这就是热力学第二定律的开尔文表述。所以热机、内燃机的效率总有：。即下面的过程是不可能完成的：

(展示幻灯片)

师：大家能否就开尔文表述换一种说法?

生：不可能有效率为100%的热机。

师：这种说法更简洁。事实上，一般的汽车上的汽油机械效率只有20%～30%，蒸汽轮机的效率比较高，也只能达到60% 。

五、热力学第二定律的实质

师：热传导过程与功热转化过程的分析，得到了热力学第二定律的克劳修斯表述和开尔文表述。这两种表述的共同点是什么?

生：都指明了物理进程的一种方向性。

师：不错，热力学第二定律的实质就是指明了自发的宏观热现象具有方向性。任何一类宏观自然过程进行方向的说明可以作为热力学第二定律的表述。请观察扩散现象、气体向真空扩散的过程(展示幻灯片)。大家能否结合这些现象给出热力学第二定律的其他表述呢?

生1：热力学第二定律也可表述为：扩散过程是不可逆的。

生2：热力学第二定律也可表述为：气体向真空中自由膨胀的过程是不可逆的。

师：这些说法都不错，当然还有其他不同的表述，所有的这些表述都是等价的。请同学们课后相互讨论交流。

六、回顾与思考

师：现在让我们来回顾一开始提出的设想：能否利用海水降温的方法获取有用功?

生1：不行，该过程尽管不违背能量守恒定律，但却违背了热力学第二定律。

师：违背了热力学第二定律中的哪种表述?

生2：违背了开尔文表述。即不可能从海水这单一热源吸收热量，使之变为有用功，而不产生其他影响。

师：不错。但是在没有发现热力学第二定律之前，有许多科学家就试图制造诸如此类的机器，这称之为第二类永动机。现在看来，第二类永动机也不可能实现。开尔文表述是从功能关系来表述的，因此开尔文表述也可说成：第二类永动机不可能实现。可见我们不仅要受制于能量的转化与守恒定律，还要受到能量转化方向的制约。也可以说热力学第一定律指明了我们所拥有的“资本”总量;热力学第二定律则规定了我们“资本”运营的方式和方法。

课后请同学们再利用热力学定律说明开始的五个视频的逆过程为什么不能完成，并完成教材后的问题与练习题。

【教学反思】

与热力学第一定律不同的是，热力学第二定律与日常的生活、学习较远，并且热力学第二定律的两种表述实质上是通过大量实例归纳出来的，因此教学过程中利用好学生熟悉的热学现象和曾经接触过的物理模型就非常重要。而课堂中学生积极主动地发表个人的看法，不管是对的，还是错的，都对本课达成教学目标起到的推进作用。教学中利用流程图形象地将能量转化与守恒的特征与转化的方向性特征并重地表示出来，并从多角度描述热力学第二定律，有效地帮助学生建构了比较完整的宏观热学规律体系。