高中物理新高考第一輪復習教案：第4講　熱力學定律與能量守恒定律

第4講熱力學定律與能量守恒定律必備知識新學法基礎(chǔ)落實一、熱力學第一定律1．改變物體內(nèi)能的兩種方式(1)

__________；(2)

__________．2．熱力學第一定律(1)內(nèi)容：一個熱力學系統(tǒng)的內(nèi)能變化量等于外界向它傳遞的__________與外界對它所__________的和．(2)表達式：W＋Q＝ΔU.[主干知識·填一填]做功熱傳遞熱量做的功二、能的轉(zhuǎn)化和守恒定律1．內(nèi)容：能量既不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為其他形式，或者從一個物體轉(zhuǎn)移到別的物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中，能量的總量保持不變．2．第一類永動機：違背能量守恒定律的機器被稱為第一類永動機．它是不可能制成的．三、熱力學第二定律1．熱力學第二定律的兩種表述(1)克勞修斯表述：熱量不能__________從低溫物體傳到高溫物體．(2)開爾文表述：不可能從單一熱庫吸收熱量，使之完全變成功，而__________其他影響．2．用熵的概念表示熱力學第二定律：在任何自然過程中，一個孤立系統(tǒng)的總熵不會__________．3．熱力學第二定律的微觀意義一切自發(fā)過程總是沿著分子熱運動的__________增大的方向進行．4．第二類永動機不可能制成的原因是違背了_________________．自發(fā)地不產(chǎn)生減小無序性熱力學第二定律1．做功和熱傳遞對改變物體的內(nèi)能具有等效性．2．功W的正負可以根據(jù)系統(tǒng)的體積變化判斷：(1)體積增大→系統(tǒng)對外做功→W<0；(2)體積減小→外界對系統(tǒng)做功→W>0.[規(guī)律結(jié)論·記一記]一、易混易錯判斷1．外界壓縮氣體做功20J，氣體的內(nèi)能可能不變．()2．給自行車打氣時，發(fā)現(xiàn)打氣筒的溫度升高，這是因為打氣筒從外界吸熱．()3．可以從單一熱源吸收熱量，使之完全變成功．()4．在熱機中，燃氣的內(nèi)能可以全部變?yōu)闄C械能而不引起其他變化．()5．自由擺動的秋千擺動幅度越來越小．能量正在消失．()6．利用河水的能量使船逆水航行的設想，符合能量守恒定律．()[必刷小題·測一測]√×√××√二、經(jīng)典小題速練1．(粵教版選擇性必修第三冊P73T8)關(guān)于熱力學定律，下列說法正確的是(

)A．在一定條件下，物體的溫度可以降到0KB．物體從單一熱源吸收的熱量可全部用于做功C．吸收了熱量的物體，其內(nèi)能一定增加D．壓縮氣體總能使氣體的溫度升高B解析：B熱力學的絕對零度不可能達到，A錯誤；根據(jù)熱力學第二定律，物體從單一熱源吸收的熱量可全部用于對外做功，當然會引起其他變化，B正確；物體從外界吸收了熱量，若全部用來對外界做功，其內(nèi)能不變，C錯誤；壓縮氣體的過程對氣體做功，若氣體同時向外界釋放熱量，根據(jù)能量守恒定律可知，氣體的內(nèi)能可能減少，溫度可能降低，故D錯誤．2．(魯科版選擇必修第三冊P70T3)一定質(zhì)量的理想氣體，從某一狀態(tài)開始，經(jīng)過一系列變化后又回到初始狀態(tài)．W1表示外界對氣體做的功，W2表示氣體對外界做的功，Q1表示氣體吸收的熱量，Q2表示氣體放出的熱量．在整個過程中一定有(

)A．Q1－Q2＝W2－W1

B．Q1＝Q2C．W1＝W2 D．Q1>Q2解析：A根據(jù)題意可知，W1為正功，W2為負功，Q1為正，Q2為負，故W＝W1－W2，Q＝Q1－Q2，因為氣體從某一狀態(tài)開始，經(jīng)過一系列變化后又回到開始的狀態(tài)，所以ΔU＝W＋Q＝0，即(W1－W2)＋(Q1－Q2)＝0，所以A正確．A3．(粵教版選擇性必修第三冊P73T7)(多選)下列說法正確的是(

)A．第二類永動機和第一類永動機一樣，都違背了能量守恒定律B．第二類永動機違背了能量轉(zhuǎn)化的方向性C．自然界中的能量是守恒的，所以不用節(jié)約能源D．自然界中的能量盡管是守恒的，但有的能量便于利用，有的不便于利用，所以要節(jié)約能源解析：BD第一類永動機違背能量守恒定律，第二類永動機違背了能量轉(zhuǎn)化的方向性，A錯誤，B正確；自然界中的能量雖然是守恒的，能量在利用過程中品質(zhì)降低了，不便于利用了，所以要節(jié)約能源，C錯誤，D正確．BD關(guān)鍵能力新探究思維拓展命題點一熱力學第一定律的理解及應用(自主學習)[核心整合]1．熱力學第一定律不僅反映了做功和熱傳遞這兩種方式改變內(nèi)能的過程是等效的，而且給出了內(nèi)能的變化量和做功與熱傳遞之間的定量關(guān)系．2．對公式ΔU＝Q＋W符號的確定符號WQΔU＋外界對物體做功物體吸收熱量內(nèi)能增加－物體對外界做功物體放出熱量內(nèi)能減少3.三種特殊情況(1)若過程是絕熱的，則Q＝0，W＝ΔU，外界對物體做的功等于物體內(nèi)能的增加．(2)若過程中不做功，即W＝0，則Q＝ΔU，物體吸收的熱量等于物體內(nèi)能的增加．(3)若過程的初、末狀態(tài)物體的內(nèi)能不變，即ΔU＝0，則W＋Q＝0或W＝－Q.外界對物體做的功等于物體放出的熱量．[題組突破]1．(對氣體內(nèi)能的理解)(多選)對于實際的氣體，下列說法正確的是(

)A．氣體的內(nèi)能包括氣體分子的重力勢能B．氣體的內(nèi)能包括分子之間相互作用的勢能C．氣體的內(nèi)能包括氣體整體運動的動能D．氣體體積變化時，其內(nèi)能可能不變解析：BD氣體的內(nèi)能等于所有分子熱運動的動能和分子之間勢能的總和，故A、C錯誤，B正確；根據(jù)熱力學第一定律ΔU＝W＋Q知道，改變內(nèi)能的方式有做功和熱傳遞，所以體積發(fā)生變化時，內(nèi)能可能不變，故D正確．BD2．(熱力學第一定律的理解)(多選)關(guān)于一定量的氣體，下列說法正確的是(

)A．氣體吸熱，內(nèi)能一定增大B．氣體對外做功時，其內(nèi)能一定減小C．氣體被壓縮時，內(nèi)能可能不變D．一定量的某種理想氣體的內(nèi)能只與溫度有關(guān)CD3.(2021·重慶八中月考)(多選)如圖所示是某噴水壺示意圖．未噴水時閥門K閉合，壓下壓桿A可向瓶內(nèi)儲氣室充氣．多次充氣后按下按柄B打開閥門K，水會自動經(jīng)導管從噴嘴噴出．儲氣室氣體可視為理想氣體，充氣和噴水過程溫度保持不變，則(

)A．充氣過程中，儲氣室內(nèi)氣體的內(nèi)能增大B．充氣過程中，儲氣室內(nèi)氣體分子平均動能減小C．噴水過程中，儲氣室內(nèi)氣體壓強減小D．噴水過程中，儲氣室內(nèi)氣體放熱AC判定物體內(nèi)能變化的方法(1)內(nèi)能的變化都要用熱力學第一定律進行綜合分析．(2)做功情況看氣體的體積：體積增大，氣體對外做功，W為負；體積縮小，外界對氣體做功，W為正．(3)與外界絕熱，則不發(fā)生熱傳遞，此時Q＝0.(4)如果研究對象是理想氣體，則由于理想氣體沒有分子勢能，所以當它的內(nèi)能變化時，體現(xiàn)在分子動能的變化上，從宏觀上看就是溫度的變化．題后反思命題點二熱力學第二定律的理解及應用(自主學習)[核心整合]1．熱力學第二定律關(guān)鍵詞的含義(1)“自發(fā)地”指明了熱傳遞等熱力學宏觀現(xiàn)象的方向性，不需要借助外界提供能量的幫助．(2)“不產(chǎn)生其他影響”指發(fā)生的熱力學宏觀過程只在本系統(tǒng)內(nèi)完成，對周圍環(huán)境不產(chǎn)生熱力學方面的影響，如吸熱、放熱、做功等．3．兩類永動機的比較分類第一類永動機第二類永動機設計要求不需要任何動力或燃料，卻能不斷地對外做功的機器從單一熱源吸收熱量，使之完全變成功，而不產(chǎn)生其他影響的機器不可能制成的原因違背能量守恒定律不違背能量守恒定律，違背熱力學第二定律[題組突破]1．(對熱力學第二定律的理解)(多選)根據(jù)熱力學定律，下列說法正確的是(

)A．第二類永動機違反能量守恒定律，因此不可能制成B．效率為100%的熱機是不可能制成的C．電冰箱的工作過程表明，熱量可以從低溫物體向高溫物體傳遞D．從單一熱源吸收熱量，使之完全變?yōu)楣κ翘岣邫C械效率的常用手段解析：BC第二類永動機不可能制成，是因它違反了熱力學第二定律，故A錯誤；效率為100%的熱機是不可能制成的，故B正確；電冰箱的工作過程表明，熱量可以從低溫物體向高溫物體傳遞，故C正確；從單一熱源吸收熱量，使之完全變?yōu)楣κ遣豢赡軐崿F(xiàn)的，故D錯誤．BC2．(對熱力學第一、第二定律的理解)(2020·全國卷Ⅱ節(jié)選)下列關(guān)于能量轉(zhuǎn)換過程的敘述，違背熱力學第一定律的有________，不違背熱力學第一定律、但違背熱力學第二定律的有________．(填正確答案標號)A．汽車通過燃燒汽油獲得動力并向空氣中散熱B．冷水倒入保溫杯后，冷水和杯子的溫度都變得更低C．某新型熱機工作時將從高溫熱源吸收的熱量全部轉(zhuǎn)化為功，而不產(chǎn)生其他影響D．冰箱的制冷機工作時從箱內(nèi)低溫環(huán)境中提取熱量散發(fā)到溫度較高的室內(nèi)解析：A項符合熱力學第一、第二定律．B項不可能，冷水和杯子溫度不可能都變低，只能是一個升高一個降低，或溫度都不變，B項描述違背了熱力學第一定律．C項描述雖然不違背熱力學第一定律，但違背了熱力學第二定律．D項中冰箱消耗電能從而可以從低溫環(huán)境中提取熱量散發(fā)到溫度較高的室內(nèi)，不違背熱力學第二定律．答案：B

C3．(兩類永動機和熱力學的兩個定律的比較)關(guān)于兩類永動機和熱力學的兩個定律，下列說法正確的是(

)A．第二類永動機不可能制成是因為違反了熱力學第一定律B．第一類永動機不可能制成是因為違反了熱力學第二定律C．由熱力學第一定律可知做功不一定改變內(nèi)能，熱傳遞也不一定改變內(nèi)能，但同時做功和熱傳遞一定會改變內(nèi)能D．由熱力學第二定律可知熱量從低溫物體傳向高溫物體是可能的，從單一熱源吸收熱量，完全變成功也是可能的解析：D第一類永動機違反能量守恒定律，第二類永動機違反熱力學第二定律，A、B錯誤；由熱力學第一定律可知W≠0，Q≠0，但ΔU＝W＋Q可以等于0，C錯誤；由熱力學第二定律可知D中現(xiàn)象是可能的，但會引起其他變化，D正確．D熱力學第一、第二定律的比較題后反思熱力學第一定律熱力學第二定律定律揭示的問題它從能量守恒的角度揭示了功、熱量和內(nèi)能改變量三者的定量關(guān)系它指出自然界中涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程是有方向性的機械能和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化當摩擦力做功時，機械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能內(nèi)能不可能在不引起其他變化的情況下完全變成機械能表述形式只有一種表述形式有多種表述形式兩定律的關(guān)系在熱力學中，兩者既相互獨立，又互為補充，共同構(gòu)成了熱力學知識的理論基礎(chǔ)命題點三熱力學定律與氣體實驗定律的綜合(師生互動)[核心整合]氣體實驗定律與熱力學第一定律的結(jié)合量是氣體的體積和溫度，當溫度變化時，氣體的內(nèi)能變化，當體積變化時，氣體將伴隨著做功，解題時可按以下思路：如圖所示，導熱性良好的汽缸開口向上豎直固定在水平面上．缸內(nèi)輕質(zhì)光滑活塞封閉一段一定質(zhì)量的理想氣體．一根不可伸長的細繩繞過定滑輪，一端拴住活塞，另一端拴著質(zhì)量為m的重物處于平衡狀態(tài)，此時氣體體積為V.用手托著重物，使其緩慢上升，直到細繩剛開始松弛但并未彎曲．已知大氣壓強為p0，活塞橫截面積為S，環(huán)境溫度保持不變．求：(1)從重物開始被托起到最高點的過程中，活塞下降的高度；(2)之后從靜止釋放重物，重物下落到最低點未與地面接觸時，活塞在汽缸內(nèi)比最初托起重物前的位置上升了H.若氣體的溫度不變，則氣體吸收的熱量是多少？例

與理想氣體相關(guān)的熱力學問題的分析方法對一定量理想氣體的內(nèi)能變化，吸熱還是放熱及外界對氣體如何做功等問題，可按下面方法判定：(1)做功情況看體積體積V減小→外界對氣體做功→W>0；體積V增大→氣體對外界做功→W<0；無阻礙地自由膨脹→W＝0.(2)內(nèi)能變化看溫度溫度T升高→內(nèi)能增加→ΔU>0；溫度T降低→內(nèi)能減少→ΔU<0.(3)吸熱還是放熱，一般題目中會告知，或由熱力學第一定律ΔU＝Q＋W，知道W和ΔU后確定Q.題后反思

[題組突破]1．(熱力學第一定律與p-V圖像的綜合)(多選)一定質(zhì)量的理想氣體狀態(tài)變化如圖所示，則(

)A．狀態(tài)b、c的內(nèi)能相等B．狀態(tài)a的內(nèi)能比狀態(tài)b、c的內(nèi)能大C．由a到b的過程中氣體向外界放熱D．由b到c的過程中氣體一直向外界放熱ABC2．(熱力學第一定律與氣體實驗定律的綜合)如圖所示是某氣壓式柱形保溫瓶的結(jié)構(gòu)示意簡圖，現(xiàn)倒入熱水，封閉活塞a，其與液面間封閉一定質(zhì)量的理想氣體，此時瓶內(nèi)氣體溫度為T1，壓強為p0，經(jīng)過一段時間溫度降為T2，忽略這一過程中氣體體積的變化．(1)求溫度降為T2時瓶內(nèi)氣體的壓強p；(2)封閉氣體溫度由T1降為T2過程中，其傳遞的熱量為Q，則氣體的內(nèi)能如何變化，求變化量的大小ΔU.限時規(guī)范訓練[基礎(chǔ)鞏固]1．(2021·江蘇揚州期末)(多選)下列說法正確的是(

)A．一鍋水中撒一點花粉，加熱時發(fā)現(xiàn)水中的花粉在翻滾，這說明溫度越高布朗運動越激烈B．溫度高的物體內(nèi)能不一定大，但分子平均動能一定大C．氣體的體積增大，內(nèi)能有可能保持不變D．空調(diào)機作為制冷機使用時，將熱量從溫度較低的室內(nèi)送到溫度較高的室外，所以制冷機的工作不遵守熱力學第二定律1234567891011BC解析：BC本題考查內(nèi)能、熱力學第二定律等．布朗運動是液體內(nèi)部分子做無規(guī)則運動時，對懸浮小顆粒碰撞作用的不平衡所引起的，花粉的運動是由于水的對流形成的，不是布朗運動，故A錯誤；溫度高的物體內(nèi)能不一定大，因為內(nèi)能不僅與溫度有關(guān)，還與質(zhì)量有關(guān)；溫度是分子平均動能的標志，故溫度高的物體，分子平均動能一定大，故B正確；氣體的體積增大，氣體對外做功，但如果此時氣體吸收熱量，內(nèi)能有可能保持不變，故C正確；空調(diào)機作為制冷機使用時，在壓縮機做功的情況下，將熱量從溫度較低的室內(nèi)送到溫度較高的室外，并不違反熱力學第二定律，故D錯誤．12345678910112．(2021·山東卷)如圖所示，密封的礦泉水瓶中，距瓶口越近水的溫度越高．一開口向下、導熱良好的小瓶置于礦泉水瓶中，小瓶中封閉一段空氣．擠壓礦泉水瓶，小瓶下沉到底部；松開后，小瓶緩慢上浮．上浮過程中，小瓶內(nèi)氣體(

)A．內(nèi)能減少B．對外界做正功C．增加的內(nèi)能大于吸收的熱量D．增加的內(nèi)能等于吸收的熱量1234567891011B12345678910113．(2021·山東濰坊模擬)如圖所示，導熱的汽缸開口向下，缸內(nèi)活塞封閉了一定質(zhì)量的理想氣體，活塞可自由滑動且不漏氣，活塞下掛一個沙桶，沙桶裝滿沙子時，活塞恰好靜止，現(xiàn)將沙桶底部鉆一個小洞，讓沙子慢慢漏出．汽缸外部溫度恒定不變，則(

)A．缸內(nèi)的氣體壓強減小，內(nèi)能減小B．缸內(nèi)的氣體壓強增大，內(nèi)能減小C．缸內(nèi)的氣體壓強增大，內(nèi)能不變D．外界對氣體做功，缸內(nèi)的氣體內(nèi)能增加1234567891011C解析：C本題考查熱力學第一定律的應用．設活塞以及沙桶(含沙子)的質(zhì)量為m，對活塞以及沙桶(含沙子)整體為研究對象，由平衡條件可得p0S＝pS＋mg，則當m減小時，p增大，由理想氣體狀態(tài)方程可知，氣體體積變小，外界對氣體做功，由于氣體的溫度不變，則ΔU＝0，氣體的內(nèi)能不變，選項C正確．12345678910114．(2021·福建莆田二模)一定質(zhì)量的理想氣體從狀態(tài)A變化到狀態(tài)B，該過程氣體的壓強p與體積V的關(guān)系如圖所示，則從A到B的過程(

)A．氣體的溫度降低B．氣體的內(nèi)能減小C．外界對氣體做功D．氣體從外界吸收熱量1234567891011D解析：D本題考查熱力學第一定律的應用．由題圖可知，從A到B的過程，氣體的pV乘積變大，則氣體的溫度升高，內(nèi)能增加，選項A、B錯誤；從A到B的過程，氣體的體積變大，則氣體對外界做功，選項C錯誤；根據(jù)熱力學第一定律可知，氣體內(nèi)能不變，且氣體對外界做功，則氣體從外界吸收熱量，選項D正確．12345678910115．如圖所示，一定質(zhì)量的某種理想氣體從狀態(tài)A變化到狀態(tài)B(

)A．可通過等容變化實現(xiàn)B．不可能經(jīng)過體積減小的過程C．氣體一定從外界吸熱D．外界一定對氣體做正功1234567891011C12345678910116．(2021·河北邯鄲市高三三模)如圖所示，一定質(zhì)量的理想氣體從狀態(tài)A依次經(jīng)過狀態(tài)B、C后再回到狀態(tài)A.A狀態(tài)的體積是2L，溫度是300K，B狀態(tài)的體積為4L，C狀態(tài)的體積是3L，壓強為2×105Pa.(1)在該循環(huán)過程中B狀態(tài)的溫度TB和A狀態(tài)的壓強pA是多少？(2)A→B過程如果內(nèi)能變化了200J，該理想氣體是吸熱還是放熱，熱量Q是多少焦耳？123456789101112345678910111234567891011[能力提升]7．(2021·全國高三專題練習)(多選)如圖所示，一定質(zhì)量的理想氣體經(jīng)歷了a→b、b→c、c→d三個狀態(tài)變化過程，其中縱坐標表示理想氣體壓強p、橫坐標表示理想氣體的熱力學溫度T.則下列結(jié)論正確的是(

)A．a(chǎn)→b過程，理想氣體對外界做正功B．b→c過程，理想氣體向外界放出熱量C．c→d過程，理想氣體內(nèi)能不變D．三個狀態(tài)變化過程對比，c→d過程是理想氣體對外界做正功最多的過程1234567891011ABD12345678910118.(多選)一定質(zhì)量的理想氣體發(fā)生狀態(tài)變化的p-V圖像如圖所示，圖線1、2是兩條等溫線，A、B是等溫線1上的兩點，C、D是等溫線2上的兩點，圖線AD、BC均與V軸平行，則下列說法正確的是(

)A．等溫線1對應的氣體溫度比等溫線2對應的氣體溫度高B．從狀態(tài)A變化到狀態(tài)B，氣體一定吸收熱量C．從狀態(tài)B變化到狀態(tài)C，氣體吸收的熱量比氣體對外界做功多D．從狀態(tài)C變化到狀態(tài)D，單位體積的氣體分子數(shù)增大，但氣體分子的平均動能不變1234567891011BCD12345678910119．(2021·湖南卷改編)(多選)如圖，兩端開口、下端連通的導熱汽缸，用兩個輕質(zhì)絕熱活塞(截面積分別為S1和S2)封閉一定質(zhì)量的理想氣體，活塞與汽缸壁間無摩擦．在左端活塞上緩慢加細沙，活塞從A下降h高度到B位置時，活塞上細沙的總質(zhì)量為m.在此過程中，用外力F作用在右端活塞上，使活塞位置始終不變．整個過程環(huán)境溫度和大氣壓強p0保持不變，系統(tǒng)始終處于平衡狀態(tài)，重力加速度為g.下列說法正確的是(

)A．整個過程，外力F做功大于0，小于mghB．整個過程，理想氣體的分子平均動能保持不變C．整個過程，理想氣體的內(nèi)能增大D．整個過程，理想氣體向外界釋放的熱量小于(p0S1h＋mgh)1234567891011BD解析：BD本題考查理想氣體分子平均動能、內(nèi)能、熱力學第一定律和平衡條件．整個過程，右端活塞位置始終不變，所以外力F不做功，故A錯誤；由于汽缸導熱，整個過程環(huán)境溫度保持不變，所以汽缸內(nèi)氣體溫度不變，理想氣體的分子平均動能保持不變，由于汽缸內(nèi)氣體是理想氣體，不考慮分子勢能，所以整個過程，理想氣體的內(nèi)能不變，故B正確，C錯誤；整個過程，大氣壓力做功為W1＝p0S1h，活塞上的細沙質(zhì)量不斷增加，活塞上細沙的重力做功小于W2＝mgh，根據(jù)能量守恒和熱力學第一定律可得理想氣體向外界放出的熱量小于(p0S1h＋mgh)，故D正確．123456789101110．如圖甲所示，一圓柱形絕熱汽缸開口向上豎直放置，通過絕熱活塞將一定質(zhì)量的理想氣體密封在汽缸內(nèi)，活