2024高考物理大一轮复习课件 第十五章 第3讲 热力学定律与能量守恒定律

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1.理解热力学第一定律，知道改变内能的两种方式，并能用热力学第一定律解决相关问题.2.理解热力学第二定律，知道热现象的方向性.3.知道第一类永动机和第二类永动机不可能制成.
热力学定律与能量守恒定律
考点一　热力学第一定律　能量守恒定律
考点二　热力学第二定律
考点三　热力学第一定律与图像的综合应用
考点四　热力学第一定律与气体实验定律的综合应用
热力学第一定律　能量守恒定律
1.改变物体内能的两种方式(1) ；(2)传热.2.热力学第一定律(1)内容：一个热力学系统的内能变化量等于外界向它传递的 与外界对它所做的功的和.(2)表达式：ΔU＝ .
(3)表达式中的正、负号法则：
3.能量守恒定律(1)内容能量既不会凭空 ，也不会凭空消失，它只能从一种形式 为其他形式，或者从一个物体 到别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量 .(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.(例如：机械能守恒)(3)第一类永动机是不可能制成的，它违背了 .
1.做功和传热改变物体内能的实质是相同的.(　　)2.绝热过程中，外界压缩气体做功20 J，气体的内能一定减少20 J.(　　)3.物体吸收热量，同时对外做功，内能可能不变.(　　)
1.热力学第一定律的理解(1)内能的变化常用热力学第一定律进行分析.(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，则不发生传热，此时Q＝0.(4)如果研究对象是理想气体，因理想气体忽略分子势能，所以当它的内能变化时，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.
2.三种特殊情况(1)若过程是绝热的，则Q＝0，W＝ΔU，外界(物体)对物体(外界)做的功等于物体内能的增加(减少)；(2)若过程中不做功，即W＝0，则Q＝ΔU，物体吸收(放出)的热量等于物体内能的增加(减少)；(3)若在过程的初、末状态，物体的内能不变，即ΔU＝0，则W＋Q＝0或W＝－Q，外界(物体)对物体(外界)做的功等于物体放出(吸收)的热量.
例1　一定质量的理想气体在某一过程中，外界对气体做功7.0×104 J，气体内能减少1.3×105 J，则此过程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 J
由热力学第一定律ΔU＝W＋Q得Q＝ΔU－W＝－1.3×105 J－7.0×104 J＝－2.0×105 J，即气体向外界放出热量2.0×105 J，B正确.
例2　(多选)(2021·湖南卷·15(1)改编)如图，两端开口、下端连通的导热汽缸，用两个轻质绝热活塞(截面积分别为S1和S2)封闭一定质量的理想气体，活塞与汽缸壁间无摩擦.在左端活塞上缓慢加细沙，活塞从A下降h高度到B位置时，活塞上细沙的总质量为m.在此过程中，用外力F作用在右端活塞上，使活塞位置始终不变.整个过程环境温度和大气压强p0保持不变，系统始终处于平衡状态，重力加速度为g.下列说法正确的是A.整个过程，理想气体的分子平均动能保持不变B.整个过程，理想气体的内能增大C.整个过程，理想气体向外界释放的热量小于　(p0S1h＋mgh)D.左端活塞到达B位置时，外力F等于
根据汽缸导热且环境温度没有变，可知汽缸内的温度也保持不变，则整个过程，理想气体的分子平均动能保持不变，内能不变，A正确，B错误；
由内能不变可知理想气体向外界释放的热量等于外界对理想气体做的功：Q＝WWB，则根据ΔU＝W＋Q，因为汽缸和活塞都是绝热的，即Q＝0，故有ΔUA>ΔUB，即重新平衡后汽缸A内气体的内能大于汽缸B内气体的内能；由题图乙中曲线可知曲线②中分子速率大的分子数占总分子数百分比较大，即曲线②的温度较高，由前面分析可知汽缸B温度较低，故曲线①表示汽缸B中气体分子的速率分布规律.
8.(多选)(2022·全国乙卷·33(1)改编)一定量的理想气体从状态a经状态b变化到状态c，其过程如T－V图上的两条线段所示，则气体在A.状态a处的压强大于状态c处的压强B.由a变化到b的过程中，气体对外做功C.由b变化到c的过程中，气体的压强不变D.由a变化到b的过程中，从外界吸收的热量等于其　增加的内能
理想气体由a变化到b的过程中，因体积增大，则气体对外做功，故B正确；
理想气体由a变化到b的过程中，温度升高，则内能增大，由热力学第一定律有ΔU＝Q＋W，而ΔU>0，W0，Q>ΔU，即气体从外界吸热，且从外界吸收的热量大于其增加的内能，故D错误.
9.(多选)(2022·全国甲卷·33(1)改编)一定量的理想气体从状态a变化到状态b，其过程如p－T图上从a到b的线段所示.在此过程中A.气体一直对外做功B.气体的内能一直增加C.气体一直从外界吸热D.气体吸收的热量等于其内能的增加量
因从a到b气体温度升高，可知气体内能增加，选项B正确；因W＝0，ΔU>0，根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q可知，气体一直从外界吸热，且气体吸收的热量等于内能增加量，选项C、D正确.
10.(2022·江苏卷·7)如图所示，一定质量的理想气体分别经历a→b和a→c两个过程，其中a→b为等温过程，状态b、c的体积相同，则A.状态a的内能大于状态bB.状态a的温度高于状态cC.a→c过程中气体吸收热量D.a→c过程中外界对气体做正功
由于a→b的过程为等温过程，即状态a和状态b温度相同，分子平均动能相同，对于理想气体，状态a的内能等于状态b的内能，故A错误；
因为a→c过程气体体积增大，气体对外界做正功，而气体温度升高，内能增加，根据ΔU＝W＋Q，可知气体吸收热量，故C正确，D错误.
11.(2023·江苏通州区月考)真空泵抽气腔与容器相连，活塞向左运动时从容器中抽气，活塞向右运动时阀门自动关闭，将进入抽气腔内的气体全部排出，示意图如图甲.设抽气过程中抽气腔与容器中的气体压强始终相等，每次抽气活塞均从抽气腔最右端移动至最左端.已知容器的容积为V0，抽气腔的容积为nV0，初始时刻气体压强为p0.
(1)若抽气过程中气体的温度保持不变，求第一次抽气后容器中气体的压强p；
(2)若在绝热的条件下，某次抽气过程中，气体压强p随体积V变化的规律如图乙，求该过程气体内能的变化量ΔU.
答案　－0.8np0V0
12.(2023·江苏省丹阳高级中学月考)某兴趣小组设计了一温度报警装置，原理图如图.一定质量的理想气体被一上表面涂有导电物质的轻活塞密封在导热汽缸内，活塞厚度不计，横截面积S＝100 cm2，开始时活塞距汽缸底部的高度为h＝0.3 m，周围环境温度为t0＝27 ℃，当环境温度上升，
活塞上移Δh＝0.01 m时，活塞上表面与a、b两触点接触，报警器报警.不计一切摩擦，大气压强恒为p0＝1.0×105 Pa，求：(1)该报警装置的报警温度为多少摄氏度；
(2)若上述过程气体吸收的热量为30 J，则此过程气体内能的增加量为多少.
气体等压膨胀对外做功，则W＝－p0·ΔV＝－p0(S·Δh)，代入数据得W＝－10 J，由热力学第一定律得ΔU＝W＋Q，代入数据得ΔU＝－10 J＋30 J＝20 J.
13.绝热的活塞与汽缸之间封闭一定质量的理想气体，汽缸开口向上置于水平面上，活塞与汽缸壁之间无摩擦，缸内气体的内能UP＝72 J，如图甲所示.已知活塞横截面积S＝5×10－4 m2，其质量为m＝1 kg，大气压强p0＝1.0×105 Pa，重力加速度g＝10 m/s2，如果通过电热丝给封闭气体缓
慢加热，活塞由原来的P位置移动到Q位置，此过程封闭气体的V－T图像如图乙所示，且知气体内能与热力学温度成正比.求：
(1)封闭气体最后的体积；
答案　6×10－4 m3
以气体为研究对象，由于压强不变，
解得VQ＝6×10－4 m3
(2)封闭气体吸收的热量.
解得UQ＝108 J活塞从P位置缓慢移到Q位置，活塞受力平衡，气体为等压变化，以活塞为研究对象有pS＝p0S＋mg
外界对气体做功W＝－p(VQ－VP)＝－24 J由热力学第一定律有UQ－UP＝Q＋W可得气体吸收的总热量为Q＝60 J.