高考物理一轮总复习第十三章第三讲热力学定律与能量守恒定律教案

第三讲热力学定律与能量守恒定律一、热力学第一定律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向它传递的热量与外界对它所做的功的和．(2)表达式：ΔU＝Q＋W.(3)ΔU＝Q＋W中正、负号法则：二、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，它只能从一种形式转化为另一种形式，或者是从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变．2．条件性能量守恒定律是自然界的普遍规律，某一种形式的能是否守恒是有条件的．3．第一类永动机是不可能制成的，它违背了能量守恒定律．三、热力学第二定律1．热力学第二定律的两种表述(1)克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传到高温物体．(2)开尔文表述：不可能从单一热源吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响或表述为“第二类永动机是不可能制成的”．2．用熵的概念表示热力学第二定律在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小．3．热力学第二定律的微观意义一切自发过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行．4．第二类永动机不可能制成的原因是违背了热力学第二定律．[小题快练]1．判断题(1)为了增加物体的内能，必须对物体做功或向它传递热量，做功和热传递的实质是相同的．( × )(2)绝热过程中，外界压缩气体做功20 J，气体的内能可能不变．( × )(3)在给自行车打气时，会发现打气筒的温度升高，这是因为打气筒从外界吸热．( × )(4)可以从单一热源吸收热量，使之完全变成功．( √ )2．一定质量的理想气体在某一过程中，外界对气体做功7.0×104J，气体内能减少1.3×105 J，则此过程( B )A．气体从外界吸收热量2.0×105 JB．气体向外界放出热量2.0×105 JC．气体从外界吸收热量6.0×104 JD．气体向外界放出热量6.0×104 J3．(多选)对热力学第二定律，下列理解正确的是( BD )A．自然界进行的一切宏观过程都是可逆的B．自然界进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性，是不可逆的C．热量不可能由低温物体传递到高温物体D．由热力学第二定律可知热量从低温物体传向高温物体是可能的，从单一热源吸收热量，完全变成功也是可能的考点一热力学第一定律 (自主学习)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，即ΔU＝Q＋W.2．三种特殊情况(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)若过程的始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．1－1.[热力学第一定律的理解] (多选)(2015·广东卷)图为某实验器材的结构示意图，金属内筒和隔热外筒间封闭了一定体积的空气，内筒中有水，在水加热升温的过程中，被封闭的空气( )A．内能增大B．压强增大C．分子间引力和斥力都减小D．所有分子运动速率都增大答案：AB1－2.[热力学第一定律的应用] (多选) (2019·拉萨北京实验中学月考)如图，用隔板将一绝热气缸分成两部分，隔板左侧充有理想气体，隔板右侧与绝热活塞之间是真空．现将隔板抽开，气体会自发扩散至整个气缸．待气体达到稳定后，缓慢推压活塞，将气体压回到原来的体积．假设整个系统不漏气．下列说法正确的是( )A．气体自发扩散前后内能相同B．气体在被压缩的过程中内能增大C．在自发扩散过程中，气体对外界做功D．气体在被压缩的过程中，外界对气体做功E．气体在被压缩的过程中，气体分子的平均动能不变解析：气体向真空扩散过程中不对外做功，且又因为气缸绝热，可知气体自发扩散前后内能相同，选项A正确，C错误；气体在被压缩的过程中活塞对气体做功，因气缸绝热，则气体内能增大，选项B、D正确；气体在被压缩的过程中，因气体内能增加，则温度升高，气体分子的平均动能增加，选项E错误．答案：ABD[反思总结]判定物体内能变化的方法1．内能的变化都要用热力学第一定律进行综合分析．2．做功情况看气体的体积：体积增大，气体对外做功，W为负；体积缩小，外界对气体做功，W为正．3．与外界绝热，则不发生热传递，此时Q＝0.4．如果研究对象是理想气体，则由于理想气体没有分子势能，所以当它的内能变化时，主要体现在分子动能的变化上，从宏观上看就是温度发生了变化．考点二热力学第二定律 (自主学习)1．对热力学第二定律关键词的理解在热力学第二定律的表述中，“自发地”“不产生其他影响”的含义：(1)“自发地”指明了热传递等热力学宏观现象的方向性，不需要借助外界提供能量的帮助．(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面的影响，如吸热、放热、做功等．2．热力学第二定律的实质自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性．如(1)高温物体热量Q 能自发传给热量Q 不能自发传给低温物体(2)功能自发地完全转化为不能自发地且不能完全转化为热(3)气体体积V1能自发膨胀到不能自发收缩到气体体积V2(较大)(4)不同气体A和B能自发混合成不能自发分离成混合气体AB3．两类永动机的比较分类第一类永动机第二类永动机设计要求不需要任何动力或燃料，却能不断地对外做功的机器从单一热源吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响的机器不可能制成的原因违背能量守恒不违背能量守恒，但违背热力学第二定律2－1.[热力学第二定律的理解] (多选)根据热力学定律，下列说法正确的是( ) A．第二类永动机违反能量守恒定律，因此不可能制成B．效率为100%的热机是不可能制成的C．电冰箱的工作过程表明，热量可以从低温物体向高温物体传递D．从单一热源吸收热量，使之完全变为功而不引起其他变化是提高机械效率的常用手段E．吸收了热量的物体，其内能也不一定增加答案：BCE2－2.[热力学定律的理解] (多选)下列叙述和热力学定律相关，其中正确的是( ) A．第一类永动机不可能制成，是因为违背了能量守恒定律B．能量耗散过程中能量不守恒C．电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界，违背了热力学第二定律D．能量耗散是从能量转化的角度反映出自然界中的宏观过程具有方向性E．物体从单一热源吸收的热量可全部用于做功答案：ADE考点三气体实验定律与热力学第一定律的综合应用 (自主学习)气体实验定律与热力学第一定律的结合量是气体的体积和温度，当温度变化时，气体的内能变化，当体积变化时，气体将伴随着做功，解题时要掌握气体变化过程的特点：(1)等温过程：内能不变，即ΔU＝0.(2)等容过程：W＝0.(3)绝热过程：Q＝0.3－1.(多选)(2019·甘肃一中期中)如图所示，一定质量的理想气体从状态a变化到状态b，其过程如p－T图中从a到b的直线所示，在此过程中( )A．气体的体积减小B．气体对外界做功C．气体的内能不变D．气体先从外界吸收热量，后向外界放出热量E．外界对气体做功，同时气体向外界放出热量解析：由p1V1＝p2V2得，由a到b压强变大，体积减小．故A正确；温度不变气体内能不变．故C正确；由热力学第一定律可得，外界对气体做功，同时气体向外界放出热量，故E正确．答案：ACE3－2.如图所示，一根上粗下细、粗端与细端都粗细均匀的玻璃管上端封闭、下端开口，横截面积S 1＝4S 2，下端与大气连通．粗管中有一段水银封闭了一定质量的理想气体，水银柱下表面恰好与粗管和细管的交界处平齐，空气柱和水银柱长度均为h ＝4 cm.现在细管口连接一抽气机(图中未画出)，对细管内气体进行缓慢抽气，最终使一半水银进入细管中，水银没有流出细管．已知大气压强为p 0＝76 cmHg.(1)求抽气结束后细管内气体的压强；(2)抽气过程中粗管内气体吸热还是放热？请说明原因．解析：(1)缓慢抽气过程，粗管内气体温度不变，设抽气后粗管内气体压强为p 1，细管内气体压强为p 2，由玻意耳定律知(p 0－ρgh )hS 1＝p 1(h ＋12h )S 1，由S 1＝4S 2知抽气后细管内水银柱长度为2h ，故p 2＝p 1＋(12h ＋2h )ρg ，解得p 2＝58 cmHg.(2)吸热．抽气过程中，粗管内气体温度不变，内能不变，ΔU ＝W ＋Q ＝0，气体体积增大，对外做功，W ＜0，则Q ＞0，故气体需要吸热． 答案：(1)58 cmHg (2)见解析1．关于热力学定律和分子动理论，下列说法正确的是( D ) A ．一定量气体吸收热量，其内能一定增大 B ．不可能使热量由低温物体传递到高温物体 C ．若两分子间距离增大，分子势能一定增大 D ．若两分子间距离减小，分子间引力和斥力都增大2．(多选)用密封性好、充满气体的塑料袋包裹易碎品，如图所示，充气袋四周被挤压时，假设袋内气体与外界无热交换，则袋内气体( AC )A ．体积减小，内能增大B ．体积减小，压强减小C ．对外界做负功，内能增大D ．对外界做正功，压强减小3．(多选)夏天，自行车内胎充气过足，放在阳光下受到暴晒，车胎极易爆裂．关于这一现象对车胎内气体描述正确的有(暴晒过程中内胎容积几乎不变)( BCD ) A ．车胎爆裂，是车胎内气体温度升高，分子间斥力急剧增大的结果B ．在爆裂前的过程中，车胎内气体温度升高，分子无规则热运动加剧，气体压强增大C ．在爆裂前的过程中，车胎内气体吸热，内能增加D ．在车胎突然爆裂的瞬间，车胎内气体内能减少4. 如图所示，一个厚度和质量不计、横截面积为S ＝10 cm 2的绝热汽缸倒扣在水平桌面上，汽缸内有一绝热的“T”形活塞固定在桌面上，活塞与汽缸封闭一定质量的理想气体，开始时，气体的温度为T 0＝300 K, 压强为p ＝0.5×105Pa, 活塞与汽缸底的距离为h ＝10 cm ，活塞与汽缸可无摩擦滑动且不漏气，大气压强为p 0＝1.0×105Pa.求：(1)此时桌面对汽缸的作用力F ；(2)现通过电热丝给气体缓慢加热到T ，此过程中气体吸收热量为Q ＝7 J ， 内能增加了ΔU ＝5 J ，整个过程活塞都在汽缸内，求T 的值． 解析：(1)对汽缸受力分析，由平衡条件有F ＋pS ＝p 0S ，得F ＝(p 0－p )S ＝50 N.(2)设温度升高至T 时活塞距离汽缸底H ，则 气体对外界做功W ＝p 0ΔV ＝p 0S (H －h )， 由热力学第一定律ΔU ＝Q －W ， 解得H ＝12 cm.气体温度从T 0升高到T 的过程，由理想气体状态方程得pSh T 0＝p 0SH T， 解得T ＝p 0HphT 0＝720 K. 答案：(1)50 N (2)720 K[A 组·基础题]1．(2015·重庆卷)某驾驶员发现中午时车胎内的气压高于清晨时的，且车胎体积增大．若这段时间胎内气体质量不变且可视为理想气体，那么( D ) A ．外界对胎内气体做功，气体内能减小B．外界对胎内气体做功，气体内能增大C．胎内气体对外界做功，内能减小D．胎内气体对外界做功，内能增大2. (2018·开封模拟)一定质量的理想气体的状态经历了如图所示的ab、bc、cd、da四个过程，其中bc的延长线通过原点，cd垂直于ab且与水平轴平行，da与bc平行，则气体体积在( B )A．ab过程中不断减小B．bc过程中保持不变C．cd过程中不断增加D．da过程中保持不变解析：因为bc的延长线通过原点，所以bc是等容线，即气体体积在bc过程中保持不变，B 正确；ab是等温线，压强减小则体积增大，A错误；cd是等压线，温度降低则体积减小，C 错误；连接aO交cd于e，则ae是等容线，即V a＝V e，因为V d<V e，所以V d<V a，所以da过程中体积发生变化，D错误．3．(多选)根据热力学定律，下列说法中正确的是( AB )A．电冰箱的工作过程表明，热量可以从低温物体向高温物体传递B．空调机在制冷过程中，从室内吸收的热量少于向室外放出的热量C．科技的进步可以使内燃机成为单一热源的热机D．对能源的过度消耗将使自然界的能量不断减少，形成“能源危机”4．(多选)关于热力学定律，下列说法正确的是( ACE )A．为了增加物体的内能，必须对物体做功或向它传递热量B．对某物体做功，必定会使该物体的内能增加C．可以从单一热源吸收热量，使之完全变为功D．不可能使热量从低温物体传向高温物体E．功转变为热的实际宏观过程是不可逆过程5．(多选) 如图所示，汽缸和活塞与外界均无热交换，中间有一个固定的导热性良好的隔板，封闭着两部分气体A和B，活塞处于静止平衡状态．现通过电热丝对气体A加热一段时间，后来活塞达到新的平衡，不计气体分子势能，不计活塞与汽缸壁间的摩擦，大气压强保持不变，则下列判断正确的是( ACE )A ．气体A 吸热，内能增加B ．气体B 吸热，对外做功，内能不变C ．气体A 分子的平均动能增大D ．气体A 和气体B 内每个分子的动能都增大E ．气体B 分子单位时间内对器壁单位面积碰撞总次数减少[B 组·能力题]6. 如图所示，—个绝热的汽缸(汽缸足够高)竖直放置，内有一个绝热且光滑的活塞，中间有一个固定的导热性良好的隔板，隔板将汽缸分成两部分，分别密封着两部分理想气体A 和B .活塞的质量m ＝8 kg ，横截面积S ＝10 cm 2，与隔板相距h ＝25 cm ，现通过电热丝缓慢加热气体，当A 气体吸收热量Q ＝200 J 时，活塞上升了h ′＝10 cm ，此时气体的温度为t 1＝27 ℃，已知大气压强p 0＝1×105Pa ，重力加速度g 取10 m/s 2.(1)加热过程中，若A 气体的内能增加了ΔU 1＝55 J ，求B 气体的内能增加量ΔU 2； (2)现在停止对气体加热，同时在活塞上缓慢添加砂粒，当活塞恰好回到原来的位置时，A 气体的温度为t 2＝30 ℃，求添加砂粒的总质量M . 解析：(1)B 气体对外做功W ＝(p 0S ＋mg )h ′＝18 J ，由热力学第一定律得ΔU 1＋ΔU 2＝Q －W ，ΔU 2＝Q －W －ΔU 1＝127 J. (2)B 气体的初状态p 1＝p 0＋mg S＝1.8×105Pa ， V 1＝(h ＋h ′)S ＝3.5×10－4 m 3，T 1＝(27＋273) K ＝300 K ， B 气体的末状态p 2＝p 0＋(m ＋M )g S，V 2＝hS ＝2.5×10－4 m 3，T 2＝(30＋273) K ＝303 K ，由理想气体状态方程得p 1V 1T 1＝p 2V 2T 2，代入数据得M ＝7.452 kg. 答案：(1)127 J (2)7.452 kg7．一定质量的理想气体，其内能跟温度成正比．在初始状态A 时，体积为V 0，压强为p 0，温度为T 0，已知此时其内能为U 0.该理想气体从状态A 经由一系列变化，最终还回到原来状态A ，其变化过程的p －T 图象如图所示，其中CA 延长线过坐标原点，B 、A 在同一竖直线上．求： (1)气体在状态B 的体积；(2)气体在状态C 的体积；(3)从状态B 经由状态C ，最终回到状态A 的过程中，气体与外界交换的热量．解析：(1)由题图可知，从状态A 到状态B 气体温度T 1＝T 0，为等温变化过程，在状态B 时气体压强p 1＝3p 0，设体积为V 1，由玻意耳定律有p 0V 0＝p 1V 1，解得V 1＝V 03.(2)由题图可知，从状态B 到状态C 气体压强p 2＝p 1＝3p 0，为等压变化过程，在状态C 时气体温度T 2＝3T 0，设体积为V 2，由盖—吕萨克定律有V 1T 1＝V 2T 2，解得V 2＝V 0.(3)由状态B 经状态C 回到状态A ，设外界对气体做的总功为ΔW ，从状态B 到状态C ，设外界对气体做功为ΔW BC ， ΔW BC ＝p 2(V 1－V 2)， 联立解得ΔW BC ＝－2p 0V 0.从状态C 回到状态A ，由图线知为等容过程，外界对气体不做功，所以ΔW ＝ΔW BC ＝－2p 0V 0. 由状态B 经状态C 回到状态A ，气体内能增加量为ΔU ＝0，设气体从外界吸收的热量为ΔQ ，由热力学第一定律ΔU ＝ΔQ ＋ΔW ，解得ΔQ ＝2p 0V 0，即气体从外界吸收热量2p 0V 0. 答案：(1)V 03 (2)V 0 (3)从外界吸收热量2p 0V 0。