2021版高考物理教科版大一轮复习基础自查学案：选修3-3热学3 热力学定律与能量守恒
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第3讲 热力学定律与能量守恒
必备知识
一、热力学第一定律
1.改变内能的两种方式:
(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=W+Q。
(3)符号法则。
符号 | W | Q | ΔU |
+ | 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 | 内能减小 |
绝热过程:有Q=0,则W=ΔU。
若不做功:即W=0,则Q=ΔU。
若内能不变,即ΔU=0,则W+Q=0。
二、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。或表述为“第二类永动机是不可能制成的”。
如图所示,用熵的概念描述:在任何自然过程中,一个孤立系统的总熵不会减小(热力学第二定律又叫熵增加原理)。
三、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,或者从一个物体转移到别的物体,在转移或转化的过程中,能量的总量保持不变。
2.普适性: 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。例如,机械能守恒定律具有适用条件,而能量守恒定律是无条件的,是一切自然现象都遵守的基本规律。
3.能源的利用:
(1)存在能量耗散和品质降低。
(2)重视利用能源时对环境的影响。
(3)要开发新能源(如太阳能、生物质能、风能、水流能等)。
基础小题
1.判断下列题目的正误。
(1)做功和热传递的实质是相同的。 ( )
(2)自由摆动的秋千摆动幅度越来越小,说明能量正在消失。 ( )
(3)物体吸收热量,同时对外做功,内能可能不变。( )
(4)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。
( )
(5)热量不可以从低温物体传到高温物体。 ( )
(6)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。 ( )
提示:(1)×。做功和热传递都可以改变物体的内能,但实质不同。前者是能量的转化,后者是能量的转移。
(2)×。自由摆动的秋千摆动幅度越来越小,是因为阻力做功,机械能转化为内能,能量并没有消失。
(3)√。物体吸收热量,对外做功,若W+Q=0,则物体的内能不变。
(4)×。一定质量的理想气体向真空中自由膨胀的过程中,尽管体积增大,但由于不存在作用力,故不做功,内能不变,但气体的熵增加。
(5)×。热量可以从低温物体传到高温物体,如电冰箱、空调器等,只是不能自发地由低温物体传到高温物体。
(6)×。热机中,燃气的内能可以全部转化为机械能,但一定引起其他变化。
2.(教材改编题)(多选)下列现象中能够发生的是 ( )
A.一杯热茶在打开杯盖后,茶会自动变得更热
B.蒸汽机把蒸汽的内能全部转化成机械能
C.桶中混浊的泥水在静置一段时间后,泥沙下沉,上面的水变清,泥、水自动分离
D.电冰箱通电后把冰箱内低温物体的热量传到冰箱外高温物体
【解析】选C、D。热量不能自发地从低温物体传到高温物体,A错误;内能不可能全部转化为机械能而不引起其他变化,B错误;桶中混浊的泥水在静置一段时间后,由于重力作用,泥沙下沉,上面的水变清,C正确;电冰箱消耗电能可以把冰箱内低温物体的热量传到冰箱外高温物体,D正确。
3.如图所示,绝热容器中间用隔板隔开,左侧装有气体,右侧为真空,现将隔板抽掉,让左侧气体自由膨胀到右侧直至平衡,在此过程中 ( )
A.气体对外界做功,温度降低,内能减少
B.气体对外界做功,温度不变,内能不变
C.气体不做功,温度不变,内能不变
D.气体不做功,温度不变,内能减少
【解析】选C。右侧为真空,气体自由膨胀做功“没有对象”,当然不做功。根据热力学第一定律有:ΔU=W+Q,做功W=0,因为是绝热容器,所以没有热交换即:Q=0,因此内能不变,理想气体,内能由温度决定,所以温度不变;故选C。
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