2023统考版高考物理一轮第十三章热学第3讲热力学定律与能量守恒课件

第3讲　热力学定律与能量守恒\n必备知识·自主排查关键能力·分层突破\n必备知识·自主排查\n一、热力学第一定律1．改变物体内能的两种方式(1)________．(2)________．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＝________．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________为另一种形式，或者是从一个物体________到别的物体，在________或________的过程中，能量的总量保持不变．2．第一类永动机是不可能制成的，它违背了___________．做功热传递Q＋W转化转移转化转移能量守恒定律\n三、热力学第二定律1．热力学第二定律的三种表述(1)克劳修斯表述：热量不能自发地从_____物体传到____物体．(2)开尔文表述：如图甲所示，不可能从单一热源________热量，使之完全变成功，而不产生________．或表述为“第二类永动机不可能制成”．(3)用熵的概念表示热力学第二定律如图乙所示，用熵的概念表述：在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会________(热力学第二定律又叫做熵增加原理)．低温高温吸收其他影响减小\n2．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________的方向进行．3．第二类永动机不可能制成的原因是违背了热力学________.,增大第二定律\n生活情境1.某驾驶员发现中午时车胎内的气压比清晨时高，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，则(1)外界对胎内气体做功，气体内能减少．()(2)外界对胎内气体做功，气体内能增加．()(3)胎内气体对外界做功，内能减少．()(4)胎内气体对外界做功，内能增加．()×××√\n教材拓展2.[源于教材人教版选修3－3P56(说一说)]17～18世纪，许多人致力于制造一种机器，它不需要任何动力或燃料，却能不断对外做功，史称“第一类永动机”．下图展示了其中的一种设计．(1)轮子在转动过程中产生了能量．()(2)轮子转动几下后便会停止，这说明能量在消失．()(3)方案设计者是想机器不消耗任何能量，却不断地对外做功．()(4)方案中的机器称为第一类永动机．()(5)第一类永动机违反了能量守恒定律．()××√√√\n关键能力·分层突破\n考点一　热力学第一定律的理解和应用1．对公式ΔU＝Q＋W符号的规定符号WQΔU＋外界对物体做功物体吸收热量内能增加－物体对外界做功物体放出热量内能减少\n2.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．\n角度1热力学第一定律的理解例1.[2022·广东汕头一模]拔罐是中医传统养生疗法之一，以罐为工具，将点燃的火源放入小罐内加热，然后移走火源并迅速将火罐开口端紧压在皮肤上，火罐就会紧紧地“吸”在皮肤上．假设罐内封闭气体质量不变，可以看作理想气体．与刚压在皮肤上的时刻对比，火罐“吸”到皮肤上一段时间后，火罐内气体的内能________，压强________，单位体积内的分子数________．(均选填“增大”“减小”或“不变”)减小减小增大\n解析：把罐扣在皮肤上，罐内空气的体积等于火罐的容积，体积不变，气体经过热传递，温度不断降低，气体的内能减小；火罐“吸”到皮肤上一段时间后，人的一部分皮肤组织进入火罐内，可知气体的体积减小；人的一部分皮肤组织进入火罐是由于火罐内外气体压力差作用，可知气体压强减小；气体的体积均减小，则单位体积内的分子数增大．\n角度2热力学定律与气体实验定律的综合应用例2.如图所示，长为40cm、内壁光滑的汽缸固定在水平面上，汽缸内用横截面积为100cm2的活塞封闭有压强为1.0×105Pa、温度为27℃的理想气体，开始时活塞位于距汽缸底30cm处，现对封闭的理想气体加热，使活塞缓慢向右移动，已知大气压强为1.0×105Pa.(1)试计算当温度升高到327℃时，缸内封闭气体的压强p；(2)若在此过程中封闭气体共吸收了800J的热量，试计算气体增加的内能ΔU.答案：(1)1.5×105Pa(2)700J\n解析：(1)活塞移动到汽缸口的过程中，缸内气体做等压变化．设活塞的横截面积为S，活塞未移动时封闭气体的温度为T1，当活塞恰好移动到汽缸口时，封闭气体的温度为T2，则由盖—吕萨克定律可知＝代入数据解得：T2＝400K＝127℃因为127℃<327℃，所以气体接着做等容变化，则根据查理定律有＝代入数据解得：p＝1.5×105Pa.(2)气体膨胀过程中活塞移动的距离Δx＝0.1m故大气压力对封闭气体所做的功为W＝－p0SΔx代入数据解得：W＝－100J由热力学第一定律ΔU＝W＋Q代入数据得ΔU＝－100J＋800J＝700J.\n跟进训练1.[2022·广东汕头一模]夏天，从湖底形成的一个气泡，缓慢上升到湖面．越接近水面水的温度越高，水面上大气压强保持不变．若泡内气体可看作质量不变的理想气体，则气泡缓慢上升的过程中，泡内气体单位时间内对气泡壁单位面积的撞击力________，泡内气体分子平均动能________，同时泡内气体对外界做功，根据热力学第一定律可知，泡内气体从湖水中________．减小增大吸热\n解析：气泡缓慢上升的过程中，压强减小，所以泡内气体单位时间内对气泡壁单位面积的撞击力减小；上升过程，水温升高，气泡内气体分子平均动能增大．上升过程，气泡的体积增大而对外做功，但泡内气体温度升高，内能增大，根据热力学笫一定律知，气泡内气体从湖水中吸热．\n2.一定质量的理想气体从状态A变化到状态B，再变化到状态C，其状态变化过程的pV图象如图所示．已知该气体在状态A时的温度为27℃，求：(1)该气体在状态B时的温度．(2)该气体从状态A到状态C的过程中与外界交换的热量．答案：(1)－173℃(2)从外界吸热200J\n解析：(1)对于理想气体，A→B，由查理定律得：＝即TB＝TA＝100K，所以tB＝(100－273)℃＝－173℃.(2)B→C过程由盖—吕萨克定律得：＝，解得：TC＝300K，所以tC＝27℃A、C温度相等，ΔU＝0A→C的过程，由热力学第一定律ΔU＝Q＋W得：Q＝ΔU－W＝pBΔV＝200J，即气体从外界吸热200J.\n3．[2022·辽宁鞍山模拟]一容积为V0的容器通过细管与一个装有水银的粗细均匀的U形管相连(U形管和细管中的气体体积远小于容器的容积V0)，U形管的右管与大气相通，大气压为750mmHg.关闭阀门，U形管的左、右管中水银面高度相同，此时气体温度为300K.现仅对容器内气体进行加热．(1)如图所示，当U形管右侧管中的水银面比左侧管中的水银面高H＝50mm时，求封闭容器内气体的温度；(2)保持(1)问中的温度不变，打开阀门缓慢抽出部分气体，当U形管左侧管中的水银面比右侧管中的水银面高50mm时(水银始终在U形管内)，求封闭容器内剩余气体的质量与原来总质量的比值；(3)判断在抽气的过程中剩余气体是吸热还是放热，并阐述原因．答案：(1)320K(2)(3)吸热，原因见解析\n解析：(1)设升温后气体的压强p1，由题意可知p0＝750mmHg，T0＝300K，p1＝800mmHg由查理定律得＝解得T＝320K(2)当U形管左侧管中的水银面比右侧管中的水银面高50mm时，压强p＝700mmHg.抽气过程可等效为等温膨胀过程，设膨胀后气体的总体积为V，由玻意耳定律得p1V0＝pV设剩余气体的质量与原来总质量的比值为k，由题意得k＝＝(3)吸热．因为抽气过程中剩余气体温度不变，故内能不变，而剩余气体膨胀对外做功，所以根据热力学第一定律可知剩余气体要吸热．\n[思维方法]气态变化中的做功、内能、热量的判断方法(1)做功情况看体积体积V减小→外界对气体做功→W>0；体积V增大→气体对外界做功→W<0；自由膨胀→W＝0；(2)内能变化看温度温度T升高→内能增加→ΔU>0；温度T降低→内能减少→ΔU<0；(3)吸(放)热看定律先判断做功和内能变化，再根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W，确定吸(放)热．特别注意：吸(放)热不能直接根据温度变化判断．\n考点二　热力学第二定律的理解应用1．对热力学第二定律的理解(1)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；②“不产生其他影响”的含义是指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：热力学第二定律的每一种表述，都揭示了一切与热现象有关的宏观过程都具有方向性，即一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的．\n2．两类永动机的比较分类第一类永动机第二类永动机设计初衷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\n例3.(多选)下列关于热力学定律的理解正确的是()A．热量不可能从低温物体传到高温物体B．如果两个系统分别与状态确定的第三个系统达到热平衡，那么这两个系统彼此之间也必定处于热平衡C．物体的摄氏温度变化了1℃，其热力学温度变化了1KD．空调机作为制冷机使用时，将热量从温度较低的室内送到温度较高的室外，所以制冷机的工作不遵守热力学第二定律E．一辆空载的卡车停于水平地面，在缓慢装沙的过程中，若车胎不漏气，胎内气体温度不变，不计分子间势能，则胎内气体向外界放热答案：BCE\n解析：热量能够自发地从高温物体传到低温物体，也能从低温物体传到高温物体，但要引起其他变化，如电冰箱，A错误；达到热平衡的条件是温度相等，则可知如果两个系统分别与状态确定的第三个系统达到热平衡，那么这两个系统彼此之间也必定达到热平衡，故B正确；由T＝t＋273.15K得知，ΔT＝Δt，即热力学温度的变化总等于摄氏温度的变化，故C正确；空调机作为制冷机使用时，空气压缩机做功，要消耗电能，制冷过程不是自发进行的，制冷时将热量从温度较低的室内送到温度较高的室外，所以制冷机的工作遵守热力学第二定律，故D错误；在卡车装沙的过程中胎内气体经历了一个温度不变，压强增大的变化，由理想气体状态方程可知，气体体积变小，故外界对气体做正功；胎内气体内能不变，外界又对气体做正功，根据能量守恒定律，胎内气体向外界放热，故E正确．\n跟进训练4.(多选)根据热力学定律，下列说法正确的是()A．电冰箱的工作表明，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．科技的不断进步使得人类有可能生产出从单一热源吸热全部用来对外做功而不引起其他变化的热机D．即使没有漏气、摩擦、不必要的散热等损失，热机也不可以把燃料产生的内能全部转化为机械能E．对能源的过度消耗使自然界的能量不断减少，形成“能源危机”答案：ABD\n解析：热量可以在外界做功的情况下从低温物体向高温物体传递，但不能自发进行，A正确；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，B正确；不可能从单一热源吸热全部用来对外做功而不引起其他变化，故C错误；根据热力学第二定律，即使没有漏气、摩擦、不必要的散热等损失，热机也不可以把燃料产生的内能全部转化为机械能，故D正确；对能源的过度消耗将形成“能源危机”，但自然界的总能量守恒，故E错误．\n5．下列关于能量转换过程的叙述，违背热力学第一定律的有____，不违背热力学第一定律、但违背热力学第二定律的有____．(填正确答案标号)A．汽车通过燃烧汽油获得动力并向空气中散热B．冷水倒入保温杯后，冷水和杯子的温度都变得更低C．某新型热机工作时将从高温热源吸收的热量全部转化为功，而不产生其他影响D．冰箱的制冷机工作时从箱内低温环境中提取热量散发到温度较高的室内BC\n解析：汽车通过燃烧汽油获得动力并向空气中散热既不违背热力学第一定律也不违背热力学第二定律；冷水倒入保温杯后，冷水和杯子的温度都变得更低，违背了热力学第一定律；热机工作时吸收的热量不可能全部用来对外做功，而不产生其他影响，显然C选项遵循热力学第一定律，但违背了热力学第二定律；冰箱的制冷机工作时，从箱内低温环境中提取热量散发到温度较高的室内，既不违背热力学第一定律也不违背热力学第二定律，综上所述，第一个空选B，第二个空选C.