新教材高考物理一轮复习第14章热学第3节热力学定律与能量守恒定律课件

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一、热力学第一定律1.改变物体内能的两种方式 　　　　　 物体吸收热量内能不一定增大(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.条件性能量守恒定律是自然界的　　　　　　　　,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　　　　　　　　　　　。 
三、热力学第二定律1.热力学第二定律的两种表述(1)按照热传递的方向性可表述为:热量不能　　　　　　从低温物体传到高温物体。这是热力学第二定律的克劳修斯表述。 (2)按照机械能与内能转化的方向性可表述为:　　　　　　从单一热库吸收热量,使之完全变成功,而不产生其他影响。这是热力学第二定律的开尔文表述。 
2.热力学第二定律的微观意义:一切自然过程总是沿着分子热运动无序性　　　　的方向进行。 说明:(1)热力学第二定律的上述两种表述是等价的,可以从一种表述推导出另一种表述。(2)热力学第二定律又叫熵增加原理,即在任何自然过程中,一个孤立系统的总熵不会减少。
易错辨析 (1)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,气体的内能一定减少。 ( 　　)(3)物体吸收热量,同时对外做功,内能可能不变。(　　)(4)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。(　　)
应用提升1.(多选)夏天,从湖底形成的一个气泡在缓慢上升到湖面的过程中没有破裂。越接近水面,湖内水的温度越高,大气压强没有变化,将气泡内气体看成理想气体。则上升过程中,以下说法正确的是(　　)A.气泡内气体对外界做功B.气泡内每个气体分子的动能都变大C.气泡内气体从外界吸收热量D.气泡内气体的压强可能不变
答案 AC　解析 气泡上升过程中,温度升高,压强减小,则根据 =C可知,体积变大,气体对外界做功,选项A正确;气泡的温度升高,则气体分子的平均动能变大,并非气泡内每个气体分子的动能都变大,选项B错误;气体温度升高,内能变大,气体对外界做功,根据ΔU=W+Q可知,气泡内气体从外界吸收热量,选项C正确;因大气压强不变,则随水深度的减小,气泡内气体的压强减小,选项D错误。
2.(2022江苏南京模拟)历史上曾有许多人企图发明制造永动机,先是第一类永动机,后是第二类永动机,都成了镜花水月。正是对永动机不可能制成的论证中,人类发现了能量守恒定律及能量转化的方向性。关于永动机,下列说法正确的是(　　)A.第一类永动机违背了机械能守恒定律B.第二类永动机违背了能量守恒定律C.第二类永动机违背了能量转移转化的不可逆性D.随着科技的发展和人类的进步,第一类永动机终会成功
答案 C　解析 第一类永动机违背了能量守恒定律,不可能制造成功,故A、D错误;第二类永动机违背了热力学第二定律,即违背能量转移转化的不可逆性,但不违背能量守恒定律,故B错误,C正确。
3.(人教版教材选择性必修第三册P64习题改编)如图所示,固定汽缸内由活塞封闭一定质量的气体,开始时活塞处于静止状态,用手拉动活塞缓慢向左移动x,移动过程中活塞与汽缸的摩擦忽略不计,汽缸导热性能良好,环境温度保持不变。大气压强为p0,活塞面积为S,试分析气体是吸热还是放热?
答案 吸热解析 汽缸导热性能良好,环境温度保持不变,故气体的内能不变,气体对外做功,根据热力学第一定律ΔU=W+Q,故气体吸收热量。
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关系。2.对公式ΔU=Q+W符号的规定
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。
4.两类永动机的比较
【对点演练】1.(2023广东清远期末)骑自行车既是安全、绿色的出行方式之一,又是比较不错的有氧运动。山地自行车安装了气压式减震装置来抵抗颠簸从而受到不少人的喜爱,其原理如图所示。如果路面不平,随着骑行时自行车的颠簸,活塞上下振动,下列说法正确的是(　　)A.活塞迅速下压时汽缸内的气体对外界做负功B.活塞迅速下压时汽缸内的气体温度可能减小C.活塞迅速下压时汽缸内的气体的压强减小D.活塞迅速下压时汽缸内的气体的内能减小
解析 当活塞迅速下压时外界对气体做功(汽缸内的气体对外界做负功),且来不及热交换,根据热力学第一定律,气体的内能增大,温度升高,汽缸内的气体分子平均动能增大,气体的体积减小,则气体压强增大,故A正确,B、C、D错误。
2.(2023广东广州期末)如图所示,用隔板将一绝热汽缸分成两部分,隔板左侧充有理想气体,右侧与绝热活塞之间是真空的。现将隔板抽开,气体会自发扩散至整个汽缸,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。整个过程不漏气,则下列说法正确的是(　　)A.气体被压缩过程中内能增大B.气体自发扩散过程中内能减小C.气体自发扩散过程中,气体分子的平均速率增大D.气体被压缩过程中,温度升高,所有分子的速率都增大
解析 由热力学第一定律得ΔU=Q+W,气体被压缩过程中,外界对气体做功,W为正值,汽缸为绝热汽缸,气体与外界没有热传递,Q为零,则ΔU为正值,气体内能增大,故A正确。气体自发扩散过程中,与外界没有热传递,Q为零,气体对外界做功为零,则ΔU为零,气体内能不变,故B错误。气体自发扩散过程中,气体内能不变,分子平均速率不变,故C错误。气体被压缩过程中,气体内能增大,则气体温度升高,分子的平均速率增大,但不是每一个分子的速率都增大,故D错误。
3.(2023广东江门一模)内壁光滑的U形导热汽缸用不计质量的轻活塞封闭一定体积的空气(可视为理想气体),浸在盛有大量冰水混合物的水槽中,活塞在水面下,如图所示。现在轻活塞上方缓慢倒入沙子,下列说法正确的是(　　)A.封闭空气分子的平均动能增大B.活塞压缩封闭空气做功,封闭空气内能增大C.封闭空气的压强变大D.封闭空气从外界吸收了热量
解析 当将沙子缓慢倒在汽缸活塞上时,气体被压缩,体积减小,外界对气体做功,但由于汽缸导热,浸在盛有大量冰水混合物的水槽中,因此汽缸内气体的温度不变,则气体的内能不变,温度是衡量分子平均动能的标志,则分子平均动能不变,故A、B错误。外界对气体做功,气体体积减小,单位体积内的分子数目增多,而汽缸导热,温度不变,气体分子平均运动速率不变,则比起之前状态,单位时间内单位体积的分子对器壁的碰撞次数增加,根据压强微观含义,封闭气体的压强增大,故C正确。根据热力学第一定律ΔU=Q+W,由于汽缸导热,封闭气体的温度不变,即内能不变,而外界又对气体做功,因此气体要向外界放热,故D错误。
1.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”是说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,都揭示了大量分子参与宏观过程的方向性,进而使人们认识到自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性。
(3)热力学过程方向性实例
(4)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。
2.热力学第一、第二定律的比较
【对点演练】4.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
答案 B　C解析 B项中,冷水倒入保温杯后,在热传递过程中,保温杯降温,冷水必升温,若都降温,就违背了热力学第一定律;C项中,新型热机的效率也达不到100%,热量不可能全部转化为功,违背了热力学第二定律。
5.(2022北京海淀区期末)“二氧化碳跨临界直冷制冰”是北京冬奥会的“中国方案”,国家速滑馆5 000 m2的冰面全由它制成,冰面温差可控制在±0.5 ℃以内。其制冰过程可简化为如图所示的循环过程,其中横轴为温度T,纵轴为压强p。过程A→B:一定量的二氧化碳在压缩机的作用下变为高温高压的超临界态(一种介于液态和气态之间,分子间有强烈相互作用的特殊状态);过程B→C:二氧化碳在冷凝器中经历一恒压过程向外放热而变成高压液体;过程C→D:二氧化碳进入蒸发器中蒸发,进而使与蒸发器接触的水降温而凝固;过程D→A:二氧化碳经历一恒压过程回到初始状态。
下列说法正确的是(　　)A.过程A→B中,每个二氧化碳分子的动能都将增大B.过程B→C中,二氧化碳始终遵循理想气体的实验定律C.过程D→A中,若二氧化碳可看作理想气体,则该过程中二氧化碳将吸热D.整个循环过程中,热量从低温的水向高温的二氧化碳传递,违反热力学第二定律
答案 C　解析 温度是分子平均动能的标志,A→B的过程中气体的温度升高,分子的平均动能增大,但不是每一个分子的动能都增大,故A错误;B→C过程中二氧化碳从气体变成液体,不会遵循理想气体实验定律,故B错误;D→A过程中,二氧化碳等压升温,可看作理想气体;该过程中压强不变温度升高,根据一定质量理想气体的状态方程 =C可知气体的体积增大,则气体对外做功;气体的温度升高则气体的内能增大,结合热力学第一定律可知该过程中二氧化碳将吸热,故C正确;整个循环过程中需要外力做功才能实现,所以热量从低温的水向高温的二氧化碳传递,并不违反热力学第二定律,故D错误。
1.热力学定律与气体实验定律问题的处理方法(1)气体实验定律问题的研究对象是一定质量的理想气体。(2)解决具体问题时,分清气体的变化过程是求解问题的关键,根据不同的变化,找出与之相关的气体状态参量,利用相关规律解决。(3)对理想气体,只要体积变化,外界对气体(或气体对外界)就要做功,如果是等压变化,W=pΔV;只要温度发生变化,其内能就发生变化。(4)结合热力学第一定律ΔU=W+Q求解问题。
2.与理想气体相关的热力学问题的分析方法对一定量理想气体的内能变化,吸热还是放热及外界对气体如何做功等问题,可按下面方法判定:(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;无阻碍地自由膨胀→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)吸热还是放热,一般题目中会告知,或由热力学第一定律ΔU=Q+W,知道W和ΔU后确定Q。
【典例突破】典例1.如图所示,封有一定质量理想气体的圆柱形汽缸竖直放置,汽缸的高度H=30 cm,缸体内底面积S=200 cm2,缸体质量m=10 kg。弹簧下端固定在水平桌面上,上端连接活塞,当缸内气体温度T0=280 K时,缸内气体高h=20 cm。现缓慢加热气体,使活塞最终恰好静止在缸口(未漏气),此过程中缸内气体吸收热量为Q=450 J。已知大气压恒为p0=1×105 Pa,重力加速度g取10 m/s2,不计活塞质量、厚度及活塞与缸壁的摩擦,且汽缸底部及活塞表面始终保持水平。求:(1)活塞最终静止在缸口时,缸内气体的温度;(2)加热过程中,缸内气体内能的增加量。
思维点拨 1.对汽缸受力分析,汽缸受重力、外界大气向下的压力、封闭气体向上的压力,加热过程中,汽缸受力不变,因此加热气体过程中封闭气体的压强不变,气体发生等压变化,由等压变化规律计算。2.对活塞受力分析,受弹力、封闭气体向下的压力、外界气体向上的压力,加热过程中,活塞受力不变,因此活塞不动。汽缸向上移动的高度为H-h,气体对外做功W=pS(H-h),由热力学第一定律计算内能的增加量。
答案 (1)420 K　(2)240 J解析 (1)加热过程为等压变化,设缸内气体的末态温度为T,初态温度为T0=280 K由盖-吕萨克定律有代入数据解得T=420 K。(2)设缸内气体的压强为p对汽缸由平衡条件有mg+p0S=pS该过程气体对外做功W=pS(H-h)则外界对气体做功为W'=-W由热力学第一定律有ΔU=W'+Q代入数据解得ΔU=240 J。
【对点演练】6.(2023广东广州二模)如图,某同学将空的玻璃瓶开口向下缓缓压入水中,设水温均匀且恒定,瓶内空气无遗漏,不计气体分子间的相互作用,则被淹没的玻璃瓶在下降过程中,瓶内气体(　　)A.内能增加B.向外界放热C.对外界做正功D.分子平均动能减小
解析 由于气体温度不变,气体内能不变,气体分子平均动能不变;玻璃瓶内空气压强p=p0+ρgh,将玻璃瓶压入水中过程h变大,则气体压强p变大,根据理想气体状态方程有 =C,由于温度T不变,则体积变小,外界对气体做正功;根据热力学第一定律ΔU=Q+W可知,气体向外界放热,故B正确,A、C、D错误。
处理热力学第一定律与气体图像的综合问题的思路(1)根据气体图像的特点判断气体的温度、体积的变化情况,从而判断气体与外界的吸、放热关系及做功关系。(2)在p-V图像中,图线与V轴围成的面积表示气体对外界或外界对气体做的功。(3)结合热力学第一定律判断有关问题。
【典例突破】典例2.一定质量的理想气体从状态a开始,经a→b、b→c、c→a三个过程后回到初始状态a,其p-V图像如图所示。已知三个状态的坐标分别为a(V0,2p0)、b(2V0,p0)、c(3V0,2p0)。以下判断正确的是(　　)
A.气体在a→b过程中对外界做的功小于在b→c过程中对外界做的功B.气体在a→b过程中从外界吸收的热量大于在b→c过程中从外界吸收的热量C.在c→a过程中,外界对气体做的功小于气体向外界放出的热量D.气体在c→a过程中内能的减少量大于b→c过程中内能的增加量
答案 C解析 在p-V图像中,图像与坐标横轴所围的面积表示外界对气体做的功,体积增加时做负功,体积减少时做正功,a→b过程的面积与b→c过程的面积相等,表明两个过程做功大小相等,W1=W2,选项A错误;根据理想气体状态方程, ,pV值越大,温度越高,状态a、b、c三者温度对比Ta=Tb0,根据热力学第一定律,a→b过程,ΔU1=W1+Q1,得出Q1=-W1,b→c过程,ΔU2=W2+Q2,得出Q2=ΔU2-W2,故Q2>Q1,选项B错误;c→a过程的内能变化ΔU3<0,体积减小,W3>0,根据热力学第一定律,c→a过程, ΔU3=W3+Q3,得出W3<|Q3|,选项C正确;Ta=Tb【对点演练】7.(多选)(2023广东珠海期末)一定质量的理想气体的变化过程如图所示,纵坐标V表示体积,横坐标T表示热力学温度。下列说法正确的有(　　)A.c状态的内能大于b状态的内能B.a状态的压强等于c状态的压强C.b→c过程,气体对外界做正功D.a→b过程,气体向外界放出热量