高考物理大一轮复习 第13章 热学 第3节 热力学定律与能量守恒定律优质课件

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[典例] (2017·吉林省实验中学一模)如图所示,圆柱形容器内 用活塞封闭一定质量的理想气体,已知容器横截面积为 S,活塞 重为 G,大气压强为 p0.若活塞固定,封闭气体温度升高 1 ℃,需 吸收的热量为 Q1.若活塞不固定,仍使封闭气体温度升高 1 ℃,需 吸收的热量为 Q2.不计一切摩擦,在活塞可自由移动时,封闭气体 温度升高 1 ℃,活塞上升的高度 h 应为多少?
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解析 活塞固定时,由热力学第一定律,气体增加的内能 ΔU
=Q1 活塞不固定时,设外界对气体做功为 W,活塞上升的高度为
h,则
ΔU=Q2+W=Q2-(p0Sh+Gh)
联立解得 h=pQ02S-+QG1
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[自我诊断] 1.判断正误 (1)物体吸收热量,同时对外做功,内能可能不变.( √ ) (2)做功改变物体内能的过程是内能与其他形式的能相互转化 的过程.( √ ) (3) 自 由 摆 动 的 秋 千 摆 动 幅 度 越 来 越 小 , 说 明 能 量 正 在 消 失.( × )
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(4)热量不可能从低温物体传到高温物体.( × ) (5)热机中,燃气的内能可以全部变为机械能而不引起其他变 化.( × ) (6)一定质量的理想气体向真空中自由膨胀,体积增大,对外 做功,熵增加.( × )
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2.对公式 ΔU=Q+W 符号的规定
符号 + -
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
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3.几种特殊情况 (1)若过程是绝热的,则 Q=0,W=ΔU,外界对物体做的功 等于物体内能的增加量. (2)若过程中不做功,即 W=0,则 Q=ΔU,物体吸收的热量 等于物体内能的增加量. (3)若过程的初、末状态物体的内能不变,即 ΔU=0,则 W+ Q=0 或 W=-Q.外界对物体做的功等于物体放出的热量.
第3节 热力学定律与能量守恒定律
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一、热力学第一定律和能量守恒定律 1.改变物体内能的两种方式 (1) 做功 ;(2) 热传递 . 2.热力学第一定律 (1)内容:一个热力学系统的内能增量等于外界对它传递 的 热量 和外界对它 做功 的和. (2)表达式:W+Q=ΔU.
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3.能的转化和守恒定律 (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, 但在转化或转移的过程中其总量不变. (2)第一类永动机:违背能量守恒定律的机器被称为第一类永 动机.它是不可能制成的.
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3.如图所示,一定质量的理想气体由状态 a 沿 a→b→c 变化 到状态 c 时,吸收了 340 J 的热量,并对外做功 120 J.若该气体 由状态 a 沿 a→d→c 变化到状态 c 时,对外做功 40 J,则这一过 程中气体______(填“吸收”或“放出”)______ J 热量.
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解析:一定质量的理想气体由状态 a 沿 a→b→c 变化到状态 c, 吸收了 340 J 的热量,并对外做功 120 J,由热力学第一定律有 ΔU =Q1+W1=340 J-120 J=220 J,即从状态 a 到状态 c,理想气体 的内能增加了 220 J;若该气体由状态 a 沿 a→d→c 变化到状态 c 时,对外做功 40 J,此过程理想气体的内能增加还是 220 J,所以 可以判定此过程是吸收热量,由热力学第一定律有 ΔU=Q2+W2, 得 Q2=ΔU-W2=220 J+40 J=260 J.
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(2)气体克服外界大气压做功为 W=p0ΔV p0=1.0×105 Pa,ΔV=(h2-h1)S=1.5×10-3m3 代入数据可得 W=150 J 由热力学第一定律 ΔU=-W+Q 可得 ΔU=450 J-150 J=300 J. 答案:(1)180 ℃ (2)300 J
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考点一 热力学第一定律的理解及应用 1.热力学第一定律不仅反映了做功和热传递这两种方式改变 内能的过程是等效的,而且给出了内能的变化量和做功与热传递 之间的定量关系.
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二、热力学第二定律 1.常见的两种表述 (1)克劳修斯表述(按热传递的方向性来表述):热量不能自发 地从 低温 物体传到 高温 物体. (2)开尔文表述(按机械能与内能转化过程的方向性来表述): 不可能从 单一热源 吸收热量,使之完全变成功,而不产生其他影 响.
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2.第二类永动机:违背宏观热现象方向性的机器被称为第二 类永动机.这类永动机不违背 能量守恒定律 ,但它违背 了 热力学第二定律 ,也是不可能制成的.
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2.一定质量的理想气体在某一过程中,外界对气体做功 7.0×104 J,气体内能减少 1.3×105 J,则此过程( )
A.气体从外界吸收热量 2.0×105 J B.气体向外界放出热量 2.0×105 J C.气体从外界吸收热量 6.0×104 J D.气体向外界放出热量 6.0×104 J 解析:选 B.根据热力学第一定律,W+Q=ΔU,所以 Q=ΔU -W=-1.3×105 J-7.0×104 J=-2.0×105 J,即气体向外界放 出热量 2.0×105 J,B 正确.
答案:吸收 260
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4.如图所示,一竖直放置、内壁光滑的汽缸内用不计质量的 活塞封闭有一定质量的理想气体,开始时活塞距汽缸底部的高度 为 h1=0.5 m,给汽缸加热,活塞缓慢上升到距离汽缸底部 h2=0.8 m 处.
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(1)若封闭气体在加热前的温度为 27 ℃,试计算在此过程中气 体温度的变化量 Δt;
(2)若在此过程中汽缸内的气体吸收了 450 J 的热量,试计算 在此过程中汽缸内封闭气体增加的内能 ΔU.(已知活塞的横截面积 S=5.0×10-3 m2,大气压强 p0=1.0×105 Pa.)
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解析:(1)设活塞缓慢上升到距离汽缸底部 h2=0.8 m 处时, 汽缸内气体的温度为 t.此过程为等压过程.由盖—吕萨克定律可 得30h01SK=273h2KS+t代入数据可解得 t=207 ℃,所以,此过程中气 体温度的变化量 Δt=180 ℃.
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