高中物理人教版 (新课标)选修3第十章 热力学定律综合与测试学案

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[核心速填]
1．内能
(1)功和内能：在绝热情况下，功是能量变化的量度．
(2)热和内能：只有热传递时，热量是内能变化的量度．
(3)做功和热传递在改变物体的内能上呈等效的．
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功W和传递的热量Q的总和．
(2)表达式：ΔU＝Q＋W.
(3)能量守恒定律：不创生，不消失，只能转化和转移，总量不变．
(4)第一类永动机不能制成，违背了能量守恒定律．
3．热力学第二定律
(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：不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响．
(3)微观解释：一切自发过程总是沿分子热运动无序性增大的方向进行．
(4)熵增加原理：在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减少．
(5)第二类永动机不能制成，违背了热力学第二定律．
4．能源与可持续发展
(1)能量耗散：一切能量最终要转化成不可回收的能量．
(2)环境污染：温室效应，酸雨，光化学烟雾．
(3)开发新能源：太阳能，生物质能，风能，水能等．
1．公式：ΔU＝Q＋W.
2．注意各物理量符号和理想气体的特点
(1)各物理量符合的意义
(2)应用热力学第一定律应注意的问题
①只有绝热过程Q＝0，ΔU＝W，用做功可判断内能的变化．
②只有在气体体积不变时，W＝0，ΔU＝Q，用吸热、放热情况可判断内能的变化．
③若物体内能不变，即ΔU＝0，W和Q不一定等于零，而是W＋Q＝0，功和热量符号相反．大小相等，因此判断内能变化问题一定要全面考虑．
④对于气体，做功W的正负一般要看气体体积变化，气体体积缩小，W>0；气体体积增大，W<0.
【例1】 (多选)对于一定质量的理想气体，下列说法正确的是( )
A．若气体的压强和体积都不变，其内能也一定不变
B．若气体的温度不断升高，其压强也一定不断增大
C．若气体温度升高1 K，其等容过程所吸收的热量一定小于等压过程所吸收的热量
D．在完全失重状态下，气体的压强为零
E．当气体温度升高时，气体的内能一定增大
ACE [一定质量的理想气体的内能与温度有关，若气体的压强和体积都不变，则温度不变，其内能也一定不变，A正确；由eq \f(pV,T)＝C知，气体的温度不断升高，压强不一定增大，B错误；根据热力学第一定律有ΔU＝Q＋W，气体温度升高1 K，ΔU相同，等容过程W＝0，等压过程，体积增大，则W<0，故等容过程所吸收的热量一定小于等压过程所吸收的热量，C正确；气体的压强是由于分子频繁撞击器壁而产生的，与是否失重无关，D错误；温度升高，理想气体的内能一定增大，E正确．]
[一语通关]
(1)对于气体要抓住体积V变化是做功的标志(气体自由膨胀除外，一般情况下，V变大，对外做功，W＜0，反之，对内做功，W＞0)．
(2)对于理想气体要抓住温度T变化是内能变化的标志(T升高，内能增加ΔU＞0，反之，内能减少ΔU＜0)．
1．在如图所示的坐标系中，一定质量的某种理想气体先后发生以下两种状态变化过程：第一种变化是从状态A到状态B，外界对该气体做功为6 J；第二种变化是从状态A到状态C，该气体从外界吸收的热量为9 J．图线AC的反向延长线过坐标原点O，B、C两状态的温度相同，理想气体的分子势能为零．求：
(1)从状态A到状态C的过程，该气体对外界做的功W1和其内能的增量ΔU1；
(2)从状态A到状态B的过程，该气体内能的增量ΔU2及其从外界吸收的热量Q2.
[解析] (1)由题意知从状态A到状态C的过程，气体发生等容变化
该气体对外界做的功W1＝0
根据热力学第一定律有：ΔU1＝W1＋Q1
内能的增量ΔU1＝Q1＝9 J.
(2)从状态A到状态B的过程，体积减小，温度升高
该气体内能的增量ΔU2＝ΔU1＝9 J
根据热力学第一定律有ΔU2＝W2＋Q2
从外界吸收的热量Q2＝ΔU2－W2＝3 J.
[答案] (1)0 9 J (2)9 J 3 J
1．热力学第二定律的几种表现形式
(1)热传递具有方向性
两个温度不同的物体进行接触时，热量会自发地从高温物体传给低温物体，而低温物体不可能自发地将热量传给高温物体．要实现低温物体向高温物体传递热量，必须借助外界的帮助，来产生其他影响或引起其他变化．
(2)气体的扩散现象具有方向性
两种不同的气体可以自发地进入对方，最后成为均匀的混合气体，但这种均匀的混合气体，绝不会自发地分开，成为两种不同的气体．
(3)机械能和内能的转化过程具有方向性
物体在水平面上运动，因摩擦而逐渐停下来，但绝不可能出现物体吸收原来传递出去的热量后，在地面上重新运动起来．
(4)气体向真空膨胀具有方向性
气体可自发地向真空容器膨胀，但绝不可能出现气体自发地再从容器中流回，使容器变为真空．
2．深刻理解热力学第二定律的内涵
掌握热力学第二定律时，要注意理解其本质，即热力学第二定律是对宏观自然过程进行方向的说明．凡是对这种宏观自然过程进行方向的说明，都可以作为热力学第二定律的表述．本章对热力学第二定律的表述很多，这些不同形式的表述都是等价的．
【例2】 (多选)下列说法正确的是( )
A．冰箱能使热量从低温物体传递到高温物体，因此不遵循热力学第二定律
B．空调工作时消耗的电能比室内温度降低所放出的热量要多
C．自发的热传导是不可逆的
D．可以通过给物体加热而使它运动起来，但不产生其它影响
E．气体向真空膨胀具有方向性
BCE [有外界的帮助和影响，热量可以从低温物体传递到高温物体，空调消耗的电能必大于室内温度降低所放出的热量，A错误，B正确；不可能通过给物体加热而使它运动起来但不产生其它影响，这违背了热力学第二定律，D错误，C正确；气体可自发地向真空容器膨胀，E正确．]
[一语通关]
(1)自然界中一切与热现象有关的宏观过程都具有方向性，都是不可逆的．
(2)理解的关键是“自发”和“不引起其他变化”．
2．(多选)地球上有很多的海水，它的总质量约为1.4×1018吨，如果这些海水的温度降低0.1 ℃，将要放出5.8×1023焦耳的热量，有人曾设想利用海水放出的热量使它完全变成机械能来解决能源危机，但这种机器是不能制成的，关于其原因下列说法中不正确的是( )
A．内能不能转化成机械能
B．内能转化成机械能不满足热力学第一定律
C．只从单一热源吸收热量并完全转化成机械能的机械不满足热力学第二定律
D．机械能可全部转化为内能，内能不可能全部转化为机械能，同时不引起其它变化
E．上述原因都不正确
ABE [本题考查热力学第一定律和热力学第二定律的应用，内能可以转化成机械能，如热机，A错误；内能转化成机械能的过程满足热力学第一定律，即能量守恒定律，B错误；热力学第二定律告诉我们：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，C、D正确．]
热力学第一定律及其应用
物理量
ΔU
W
Q
大于零
物体的内能增加
外界对物体做功
物体吸热
小于零
物体的内能减少
物体对外界做功
物体放热
等于零
物体内能不变
物体对外界(或外界对物体)不做功
物体与外界绝热
热力学第二定律及其应用