江苏版高考物理一轮复习第14章第3节热力学定律与能量守恒定律课件

这是一份江苏版高考物理一轮复习第14章第3节热力学定律与能量守恒定律课件，共60页。PPT课件主要包含了链接教材·夯基固本，负号法则，细研考点·突破题型，两类永动机的比较等内容，欢迎下载使用。

一、热力学第一定律1．改变物体内能的两种方式(1)______；(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______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______为其他形式，或者是从一个物体______到别的物体，在转化或转移的过程中，能量的______保持不变。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。3．第一类永动机是不可能制成的，它违背了____________定律。
三、热力学第二定律1．热力学第二定律的两种表述(1)克劳修斯表述：热量不能_________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_________其他影响。或表述为“第___类永动机是不可能制成的”。【温馨提示】　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______(选填“增大”或“减小”)。
2．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_________增大的方向进行。3．第二类永动机不可能制成的原因是违背了__________________。
一、易错易误辨析(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)外界压缩气体做功20 J，气体的内能可能不变。(　　)(2)给自行车打气时，发现打气筒的温度升高，这是因为打气筒从外界吸热。(　　)(3)可以从单一热源吸收热量，使之完全变成功。(　　)(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。(　　)
(5)自由摆动的秋千摆动幅度越来越小，能量正在消失。(　　)(6)利用河水的能量使船逆水航行的设想，符合能量守恒定律。(　　)
二、教材习题衍生1．(热力学第二定律的理解及应用)下列现象中不能够发生的是(　　)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部分转化成机械能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．电冰箱通电后把箱内低温物体的热量传到箱外高温物体
A　[由热力学第二定律可知，一切自发进行的与热现象有关的宏观过程，都具有方向性，A不能发生；热机的工作效率不可能达到100%，B可以发生；泥沙下沉，系统的重力势能减少，没有违背热力学第二定律，C可以发生；冰箱通过压缩机的工作，把热量从低温物体传到高温物体，该过程消耗了电能，没有违背热力学第二定律，D可以发生。]
2．(热力学第一、二定律的理解及应用)对于热力学第一定律和热力学第二定律的理解，下列说法正确的是(　　)A．一定质量的气体膨胀对外做功100 J，同时从外界吸收120 J的热量，则它的内能减少20 JB．物体从外界吸收热量，其内能一定增加；物体对外界做功，其内能一定减少C．凡与热现象有关的宏观过程都具有方向性，在热传递中，热量只能从高温物体传递给低温物体，而不能从低温物体传递给高温物体D．第二类永动机违反了热力学第二定律，没有违反热力学第一定律
D　[根据热力学第一定律知ΔU＝W＋Q＝－100 J＋120 J＝20 J，内能增加20 J，故选项A错误；根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，可知物体从外界吸收热量，其内能不一定增加，物体对外界做功，其内能不一定减少，选项B错误；通过做功的方式可以让热量从低温物体传递给高温物体，如电冰箱，选项C错误；第二类永动机没有违反能量守恒定律，热力学第一定律是能量守恒定律在热学中的反映，因此第二类永动机没有违反热力学第一定律，不能制成是因为它违反了热力学第二定律，故选项D正确。]
3．(热力学第一定律与气体实验定律的综合应用)2022年5月15日，我国自主研发的“极目一号”Ⅲ型浮空艇创造了海拔9032米的大气科学观测世界纪录。若在浮空艇某段上升过程中，艇内气体温度降低，体积和质量视为不变，则艇内气体(视为理想气体)(　　)A．吸收热量 B．压强增大C．内能减小 D．对外做负功
1．(热力学第一定律的理解)下列说法正确的是(　　)A．物体放出热量，其内能一定减小B．物体对外做功，其内能一定减小C．物体吸收热量，同时对外做功，其内能可能增加D．物体放出热量，同时对外做功，其内能可能不变
考点1　热力学第一定律与能量守恒定律
C　[由热力学第一定律ΔU＝W＋Q可知，若物体放出热量，但外界对物体做正功，则ΔU不一定为负值，即内能不一定减小，故A项错误；同理可分析出，B项和D项错误，C项正确。]
2．(热力学第一定律的应用)(2023·苏锡常镇四市调研)如图所示，内壁光滑的绝热汽缸内用绝热活塞封闭一定质量的理想气体，初始时汽缸开口向上放置，活塞处于静止状态，将汽缸缓慢转动90°过程中，缸内气体(　　)A．内能增加，外界对气体做正功B．内能减小，所有分子热运动速率都减小C．温度降低，速率大的分子数占总分子数比例减少D．温度升高，速率大的分子数占总分子数比例增加
C　[初始时汽缸开口向上，活塞处于平衡状态，汽缸内外气体对活塞的压力差与活塞的重力平衡，设初始时汽缸内的压强为p1，活塞的面积为S，则有：p1S－p0S＝mg，汽缸在缓慢转动的过程中，汽缸内外气体对活塞的压力差大于重力沿汽缸壁的分力，故汽缸内气体缓慢的将活塞往外推，最后汽缸水平，缸内气压等于大气压。汽缸、活塞都是绝热的，故缸内气体与外界没有发生热传递，汽缸内气体将活塞往外推，气体对外做功，根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W得，气体内能减小，故缸内理想气体的温度降低，分子热运动的平均速率减小，故速率大的分子数占总分子数的比例减小，并不是所有分子热运动的速率都减小，故A、B、D错误；C正确。]
3．(公式ΔU＝W＋Q中符号法则的理解)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
B　[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。]
4．(能量守恒定律的理解)木箱静止于水平地面上，现在用一个80 N的水平推力推动木箱前进10 m，木箱受到地面的摩擦力为60 N，则转化为木箱与地面系统的内能U和转化为木箱的动能Ek分别是(空气阻力不计)(　　)A．U＝200 J，Ek＝600 JB．U＝600 J，Ek＝200 JC．U＝600 J，Ek＝800 J D．U＝800 J，Ek＝200 J
B　[U＝Ffx＝60×10 J＝600 J，Ek＝Fx－U＝80×10 J－600 J＝200 J。]
1．对热力学第一定律的理解(1)做功和热传递在改变系统内能上是等效的。(2)外界对系统做功是其他形式能量与内能的转化。(3)热传递是外界与系统之间内能的转移。
2．热力学第一定律的三种特殊情况(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。(2)若过程中不做功，则W＝0，Q＝ΔU，物体吸收的热量等于物体内能的增加。(3)若过程的始、末状态物体的内能不变，则W＋Q＝0，即物体吸收的热量全部用来对外做功，或外界对物体做的功等于物体放出的热量。
3．应用热力学第一定律的三点注意(1)做功看体积：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。气体向真空中自由膨胀，对外界不做功，W＝0。(2)与外界绝热，则不发生热传递，此时Q＝0。(3)由于理想气体没有分子势能，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的变化。
1．(热力学第一、第二定律的综合考查)关于热力学定律，下列说法正确的是(　　)A．为了增加物体的内能，必须对物体做功或向它传递热量B．对某物体做功，必定会使该物体的内能增加C．不可以从单一热源吸收热量，使之完全变为功D．不可能使热量从低温物体传向高温物体
考点2　热力学第二定律的理解及应用　
A　[内能的改变可以通过做功或热传递进行，故A对；对某物体做功，若物体向外放热，则物体的内能不一定增加，B错；在引起其他变化的情况下，从单一热源吸收热量可以将其全部变为功，C错；在引起其他变化的情况下，可以将热量从低温物体传向高温物体，D错。]
2．(两类永动机的比较)下列说法正确的是(　　)A．压缩气体总能使气体的温度升高B．能量耗散过程中能量是不守恒的C．第一类永动机不可能制成，是因为违背了能量守恒定律D．第二类永动机不违背能量守恒定律，但违背了热力学第一定律
C　[内能的变化取决于做功和热传递两个方面，压缩气体并不一定能使气体温度升高，选项A错误；由能量守恒定律可知，选项B错误；第一类永动机是指不消耗能量却可以不断向外做功的机器，违背了能量守恒定律，选项C正确；第二类永动机不违背能量守恒定律，但违背了热力学第二定律，选项D错误。]
3．(热力学第二定律的应用)(2023·盐城高三模拟预测)利用“涡流效应”可实现冷热气体的分离。如图所示，一冷热气体分离装置由喷嘴、涡流室、环形管、分离挡板和冷热两端管等构成。高压氮气由喷嘴切向流入涡流室中，然后以螺旋方式在环形管中向右旋转前进，分子热运动速率较小的气体分子将聚集到环形管中心部位，而分子热运动速率较大的气体分子将聚集到环形管边缘部位。气流到达分离挡板处时，中心部位气流与分离挡板碰撞后反向，从A端流出，边缘部位气流从B端流出。下列说法正确的是(　　)
A．A端为热端，B端为冷端B．A端流出的气体分子热运动平均速率一定小于B端流出的C．A端流出的气体内能一定大于B端流出的D．该装置气体进出的过程满足能量守恒定律，但违背了热力学第二定律
B　[根据题目描述可知，A端为冷端，B端为热端，因此A端流出的气体分子热运动平均速率一定小于B端流出的，但气体的质量未知，所以无法确定气体内能的大小关系，故B正确，A、C错误；该装置气体进出的过程满足能量守恒定律，冷热气体接触的部分会发生热传递，因此也满足热力学第二定律，故D错误；故选B。]
4．(热力学第一、第二定律的综合考查)如图所示为电冰箱的工作原理示意图。压缩机工作时，强迫制冷剂在冰箱内外的管道中不断循环。在蒸发器中制冷剂汽化吸收箱体内的热量，经过冷凝器时制冷剂液化，放出热量到箱体外。
(1)下列说法正确的是(　　)A．热量可以自发地从冰箱内传到冰箱外B．电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界，是因为其消耗了电能C．电冰箱的工作原理违反热力学第二定律D．电冰箱的工作原理违反热力学第一定律(2)电冰箱的制冷系统从冰箱内吸收的热量与释放到外界的热量相比，有怎样的关系？
[解析]　(1)热力学第一定律是热现象中内能与其他形式能的转化规律，是能量守恒定律的具体表现，适用于所有的热学过程，故D项错误；由热力学第二定律可知，热量不能自发地从低温物体传到高温物体，除非有外界的影响或帮助，电冰箱把热量从低温的内部传到高温的外部，需要压缩机的帮助并消耗电能，故B项正确，A、C项错误。
(2)由热力学第一定律可知，电冰箱制冷系统从冰箱内吸收了热量，同时消耗了电能，释放到外界的热量比从冰箱内吸收的热量多。[答案]　(1)B　(2)见解析
1．对热力学第二定律关键词的理解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的帮助。(2)“不产生其他影响”的含义是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。
1. (热力学第一定律与p-V图像的综合)(2022·江苏卷)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
考点3　热力学第一定律与图像的综合应用
2. (热力学第一定律与V-T图像的综合)如图所示，一定质量的理想气体从状态a开始，经历过程①、②、③、④到达状态e。对此气体，下列说法正确的是(　　)A．过程①中气体的压强逐渐减小B．过程②中外界对气体做功C．过程④中气体从外界吸收了热量D．状态c、d的内能相等
3．(热力学第一定律与p-T图像的综合)一定质量的理想气体从状态a开始，经历等温或等压过程ab、bc、cd、da回到原状态，其p-T 图像如图所示，其中对角线ac的延长线过原点O。下列判断正确的是(　　)A．气体在a、c两状态时的体积Va>VcB．气体在状态a时的内能大于它在状态c时的内能C．在过程cd中气体向外界放出的热量大于外界对气体做的功D．在过程da中气体从外界吸收的热量小于气体对外界做的功
B　[由ac的延长线过原点O知，直线Oca为一条等容线，气体在a、c两状态的体积相等，选项A错误；理想气体的内能由其温度决定，故在状态a时的内能大于在状态c时的内能，选项B正确；过程cd是等温变化，气体内能不变，由热力学第一定律知，气体对外放出的热量等于外界对气体做的功，选项C错误；过程da气体内能增大，从外界吸收的热量大于气体对外界做的功，选项D错误。]
4．(热力学第一定律与p-V图像的综合)(2019·江苏卷)如图所示，一定质量理想气体经历A→B的等压过程，B→C的绝热过程(气体与外界无热量交换)，其中B→C过程中内能减少900 J。求A→B→C过程中气体对外界做的总功。
[解析]　由题意可知，A→B过程为等压膨胀，所以气体对外做功为：W1＝－p(VB－VA)B→C过程：由热力学第一定律得：W2＝ΔU则气体对外界做的总功为：W＝－(W1＋W2)代入数据解得：W＝1 500 J。[答案]　1 500 J
(1)一定质量的理想气体，内能的变化完全由温度变化决定，温度升高，内能增大。(2)若吸、放热和做功情况已知，可由热力学第一定律ΔU＝W＋Q来确定。
[典例]　如图所示，一根两端开口、横截面积为S＝2 cm2足够长的玻璃管竖直插入水银槽中并固定(插入水银槽中的部分足够深)。管中有一个质量不计的光滑活塞，活塞下封闭着长L＝21 cm的气柱，气体的温度为t1＝7 ℃，外界大气压取p0＝1.0×105 Pa(相当于75 cm高汞柱压强)。
考点4　热力学第一定律与气体实验定律的综合应用
(1)若在活塞上放一个质量为m＝0.1 kg的砝码，保持气体的温度t1不变，则平衡后气柱为多长； (g＝10 m/s2)(2)若保持砝码的质量不变，对气体加热，使其温度升高到t2＝77 ℃，此时气柱为多长；(3)若在(2)过程中，气体吸收的热量为10 J，则气体的内能增加多少？
(3)气体对外做的功W＝－p2SΔL＝－p2S(L3－L2)＝－1.05 J根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W得ΔU＝10 J＋(－1.05 J)＝8.95 J，即气体的内能增加了8.95 J。[答案]　(1)20 cm　(2)25 cm　(3)8.95 J
[跟进训练]1．(2021·江苏卷)如图所示，一定质量理想气体被活塞封闭在汽缸中，活塞的面积为S，与汽缸底部相距L，汽缸和活塞绝热性能良好，气体的压强、温度与外界大气相同，分别为p0和t0。现接通电热丝加热气体，一段时间后断开，活塞缓慢向右移动距离L后停止，活塞与汽缸间的滑动摩擦为Ff，最大静摩擦力等于滑动摩擦力，整个过程中气体吸收的热量为Q，求该过程中(1)内能的增加量ΔU；(2)最终温度T。
[解析]　(1)活塞移动时受力平衡p1S＝p0S＋Ff气体对外界做功W＝－p1SL根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W解得ΔU＝Q－(p0S＋Ff)L。
2. (2022·苏州市高三第一学期期末考试)如图所示，上端开口的光滑圆柱形绝热汽缸竖直放置，在距缸底h＝0.5 m处有体积可忽略的卡环a、b。质量m＝5 kg、截面积S＝25 cm2的活塞搁在a、b上，将一定质量的理想气体封闭在汽缸内，开始时缸内气体的压强等于大气压强，温度为T0＝300 K。内部电热丝缓慢加热汽缸内气体，直至活塞离开a、b缓慢上升Δh＝0.1 m, 已知大气压强p0＝1×105 Pa, g取10 m/s2。(1)求当活塞缓慢上升Δh时(活塞未滑出汽缸)缸内气体的温度T；(2)若全过程电阻丝放热45 J，求气体内能的变化ΔU。