高三物理復(fù)習(xí)熱學(xué)第3講熱力學(xué)定律與能量守恒省公開課一等獎新名師獲獎

第3講熱力學(xué)定律與能量守恒1/762/76【知識梳理】知識點1熱力學(xué)第一定律1.改變內(nèi)能兩種方式:(1)_____。(2)_______。做功熱傳遞3/762.熱力學(xué)第一定律:(1)內(nèi)容:一個熱力學(xué)系統(tǒng)內(nèi)能增量等于外界向它傳遞_____與外界對它所做功和。(2)表示式:________。熱量ΔU=Q+W4/76(3)ΔU=Q+W中正、負(fù)號法則。物理量意義符號WQΔU+外界對物體做功物體_____熱量內(nèi)能_____-物體對外界做功物體_____熱量內(nèi)能_____吸收放出增加降低5/76(4)三種特殊狀態(tài)改變過程。6/76①如圖所表示絕熱過程:有Q=__,則W=____,外界對系統(tǒng)做功等于系統(tǒng)內(nèi)能增加。②不做功過程:即W=0,則Q=____,系統(tǒng)吸收熱量等于系統(tǒng)內(nèi)能增加。③內(nèi)能不變過程:即ΔU=0,則______或_____,外界對系統(tǒng)做功等于_______________。0ΔUΔUW+Q=0W=-Q系統(tǒng)放出熱量7/76知識點2能量守恒定律1.內(nèi)容:能量既不會憑空產(chǎn)生,也不會憑空消失,它只能___________________________,或者_(dá)_________________________,在轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)化過程中,能量總量保持不變。從一個形式轉(zhuǎn)化為另一個形式從一個物體轉(zhuǎn)移到別物體8/762.普適性:能量守恒定律是自然界普遍規(guī)律,某一個形式能是否守恒是_______。比如,機(jī)械能守恒定律含有適用條件,而能量守恒定律是_______,是一切自然現(xiàn)象都恪守基本規(guī)律。有條件無條件9/76知識點3熱力學(xué)第二定律1.熱力學(xué)第二定律三種表述:(1)克勞修斯表述:熱量不能自發(fā)地________________________。從低溫物體傳到高溫物體10/76(2)開爾文表述:如圖甲所表示,不可能從單一熱源__________,使之完全變成功,而不產(chǎn)生其它影響。或表述為“第二類永動機(jī)不可能制成”。吸收熱量11/76(3)如圖乙所表示,用熵概念表述:在任何自然過程中,一個孤立系統(tǒng)總熵_________(熱力學(xué)第二定律又叫作熵增加原理)。2.熱力學(xué)第二定律微觀意義:一切自發(fā)過程總是沿著分子熱運動___________方向進(jìn)行。不會減小無序性增大12/76【易錯辨析】(1)做功和熱傳遞實質(zhì)是相同。()(2)外界壓縮氣體做功20J,氣體內(nèi)能可能不變。()(3)給自行車打氣時,發(fā)覺打氣筒溫度升高,這是因為外界對氣體做功。()13/76(4)電冰箱工作過程表明,熱量能夠從低溫物體向高溫物體傳遞。()(5)科技進(jìn)步能夠使內(nèi)燃機(jī)成為單一熱源熱機(jī)。()(6)對能源過分消耗將使自然界能量不停降低,形成能源危機(jī)。()14/76(7)空調(diào)機(jī)在制冷過程中,從室內(nèi)吸收熱量少于向室外放出熱量。()(8)一定量100℃水變成100℃水蒸氣,其分子之間勢能增加。()15/76提醒:(1)×。做功改變內(nèi)能是其它形式能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,熱傳遞是內(nèi)能轉(zhuǎn)移。(2)√。做功和熱傳遞都能夠改變內(nèi)能,外界壓縮氣體做功20J,氣體可能同時放熱,內(nèi)能可能不變。(3)×?；钊朔Σ磷龉?使筒內(nèi)空氣內(nèi)能增加,快速壓縮活塞對筒內(nèi)空氣做功,使筒內(nèi)空氣內(nèi)能增加。16/76(4)√。熱量能夠從低溫物體向高溫物體傳遞,但要引發(fā)其它改變。(5)×。不可能從單一熱源吸熱全部用來對外做功而不引發(fā)其它改變。(6)×。對能源過分消耗將形成能源危機(jī),但自然界總能量守恒。17/76(7)√?？照{(diào)機(jī)在制冷過程中,從室內(nèi)吸收熱量少于向室外放出熱量,因為電能也部分轉(zhuǎn)化為熱能。(8)√。一定量100℃水變成100℃水蒸氣,溫度沒有改變,分子平均動能不變,不過在這個過程中要吸熱,內(nèi)能增加,所以分子之間勢能必定增加。18/76考點1熱力學(xué)第一定律【關(guān)鍵要素精講】1.熱力學(xué)第一定律表示:在ΔU=Q+W中,W表示做功情況,說明內(nèi)能和其它形式能能夠相互轉(zhuǎn)化;Q表示吸熱或放熱情況,說明內(nèi)能能夠從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體,而ΔU=Q+W是能量守恒定律詳細(xì)表示。19/762.三種特殊情況:(1)若過程是絕熱,則Q=0,W=ΔU,外界對物體做功等于物體內(nèi)能增加。(2)若過程中不做功,即W=0,Q=ΔU,物體吸收熱量等于物體內(nèi)能增加。(3)若過程始、末狀態(tài)物體內(nèi)能不變,即ΔU=0,則W+Q=0或W=-Q,外界對物體做功等于物體放出熱量。20/763.溫度、內(nèi)能、熱量、功比較:含義特點溫度表示物體冷熱程度,是物體分子平均動能大小標(biāo)志,它是大量分子熱運動集體表現(xiàn),對個別分子來說,溫度沒有意義狀態(tài)量內(nèi)能(熱能)物體內(nèi)全部分子動能和勢能總和,它是由大量分子熱運動和分子相對位置所決定能21/76含義特點熱量指在熱力系統(tǒng)與外界之間依靠溫差傳遞能量,熱量是過程量,只能說“吸收”“放出”不能說“含有”“含有”過程量功做功過程是機(jī)械能或其它形式能和內(nèi)能之間轉(zhuǎn)化過程22/76【高考命題探究】【典例1】如圖所表示,固定容器及可動活塞P都是絕熱,中間有一導(dǎo)熱固定隔板B,B兩邊分別盛有氣體甲和乙?，F(xiàn)將活塞P遲緩地向B移動一段距離,已知氣體溫度隨其內(nèi)能增加而升高。則在移動P過程中()世紀(jì)金榜導(dǎo)學(xué)號4272228223/76A.外力對乙做功;甲內(nèi)能不變B.外力對乙做功;乙內(nèi)能不變C.乙傳遞熱量給甲;乙內(nèi)能增加D.乙內(nèi)能增加;甲內(nèi)能不變24/76【解析】選C。隔板B是導(dǎo)熱,說明甲、乙兩部分氣體間有熱傳遞;容器和活塞是絕熱,說明容器內(nèi)氣體與外界沒有熱交換。當(dāng)將活塞P向B移動一段距離時,活塞壓縮氣體對氣體乙做功,依據(jù)熱力學(xué)第一定律分析得知,乙內(nèi)能增加,溫度升高。因為隔板B是導(dǎo)熱,而升溫后乙氣體溫度比甲高,故熱量由乙傳向甲,甲內(nèi)能增加。25/76【強化訓(xùn)練】1.如圖是密閉汽缸,外力推進(jìn)活塞P壓縮氣體,對缸內(nèi)氣體做功200J,同時氣體向外界放熱100J,缸內(nèi)氣體()26/76A.溫度升高,內(nèi)能增加100JB.溫度升高,內(nèi)能降低200JC.溫度降低,內(nèi)能增加100JD.溫度降低,內(nèi)能降低200J27/76【解析】選A。外界對氣體做功,W=200J;氣體向外散熱,則Q=-100J,依據(jù)熱力學(xué)第一定律得,氣體內(nèi)能增量ΔU=W+Q=200J-100J=100J,即內(nèi)能增加100J。對于一定質(zhì)量理想氣體,內(nèi)能增加,溫度必定升高,故A正確。28/762.(·海淀區(qū)模擬)如圖所表示,在一個配有活塞厚壁有機(jī)玻璃筒底放置一小團(tuán)硝化棉,快速向下壓活塞,筒內(nèi)氣體被壓縮后可點燃硝化棉。在筒內(nèi)封閉氣體被活塞壓縮過程中()29/76A.氣體對外界做正功,氣體內(nèi)能增加B.外界對氣體做正功,氣體內(nèi)能增加C.氣體溫度升高,壓強不變D.氣體體積減小,壓強不變30/76【解析】選B。壓縮玻璃筒內(nèi)空氣,氣體壓強變大,機(jī)械能轉(zhuǎn)化為筒內(nèi)空氣內(nèi)能,空氣內(nèi)能增加,溫度升高,當(dāng)?shù)竭_(dá)棉花燃點后,棉花會燃燒,故B正確,A、C、D錯誤。31/76【規(guī)律總結(jié)】判定物體內(nèi)能改變方法(1)內(nèi)能改變都要用熱力學(xué)第一定律進(jìn)行綜合分析。(2)做功情況看氣體體積:體積增大,氣體對外界做功,W為負(fù);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)假如研究對象是理想氣體,則因為理想氣體沒有分子勢能,所以當(dāng)它內(nèi)能改變時,主要表達(dá)在分子動能改變上,從宏觀上看就是溫度發(fā)生了改變。32/76【加固訓(xùn)練】(多項選擇)如圖所表示,一個封閉絕熱汽缸,被中間擋板分割成左右相等兩部分。左邊充滿一定量某種理想氣體,右邊真空。現(xiàn)將中間擋板移去,待氣體穩(wěn)定后,則()33/76A.氣體溫度不發(fā)生改變B.因為氣體體積膨脹了,所以內(nèi)能降低C.氣體分子平均動能減小D.即使氣體體積膨脹了,不過沒有對外做功E.氣體分子在器壁單位面積上單位時間內(nèi)發(fā)生碰撞平均次數(shù)變?yōu)樵瓉矶种?4/76【解析】選A、D、E。氣體在向真空膨脹過程中沒有力作用,所以不做功,絕熱過程,內(nèi)能不變,故溫度不變,故A正確,B錯誤,D正確;溫度是分子熱運動平均動能標(biāo)志,溫度不變,故分子平均動能不變,故C錯誤;氣體溫度不變,體積增加為2倍,故分子熱運動平均動能不變,分子數(shù)密度減小為二分之一,故氣體分子在器壁單位面積上單位時間內(nèi)發(fā)生碰撞平均次數(shù)變?yōu)樵瓉矶种?故E正確。35/76考點2熱力學(xué)第二定律了解應(yīng)用【關(guān)鍵要素精講】1.熱力學(xué)第二定律含義:(1)“自發(fā)地”指明了熱傳遞等熱力學(xué)宏觀現(xiàn)象方向性,不需要借助外界提供能量幫助。(2)“不產(chǎn)生其它影響”含義是發(fā)生熱力學(xué)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(xué)方面影響,如吸熱、放熱、做功等。36/762.熱力學(xué)第二定律實質(zhì):熱力學(xué)第二定律每一個表述,都揭示了大量分子參加宏觀過程方向性,進(jìn)而使人們認(rèn)識到自然界中進(jìn)行包括熱現(xiàn)象宏觀過程都含有方向性。37/763.熱力學(xué)過程方向性實例:(1)高溫物體低溫物體。(2)功

熱。(3)氣體體積V1氣體體積V2(V1<V2)。(4)不一樣氣體A和B混合氣體AB。38/764.兩類永動機(jī)比較:分類第一類永動機(jī)第二類永動機(jī)設(shè)計要求不需要任何動力或燃料,卻能不停地對外做功機(jī)器從單一熱源吸收熱量,使之完全變成功,而不產(chǎn)生其它影響機(jī)器不可能制成原因違反能量守恒不違反能量守恒,違反熱力學(xué)第二定律39/76【高考命題探究】【典例2】(多項選擇)(·榆林模擬)關(guān)于第二類永動機(jī),以下說法中正確是世紀(jì)金榜導(dǎo)學(xué)號42722283()A.沒有冷凝器,只有單一熱源,能將從單一熱源吸收熱量全部用來做功,而不引發(fā)其它改變熱機(jī)叫作第二類永動機(jī)B.第二類永動機(jī)違反了能量守恒定律,所以不可能制成40/76C.第二類永動機(jī)不可能制成,說明機(jī)械能能夠全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,內(nèi)能卻不能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能D.第二類永動機(jī)不可能制成,說明機(jī)械能能夠全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,內(nèi)能卻不能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,同時不引發(fā)其它改變41/76【解析】選A、D。沒有冷凝器,只有單一熱源,能將從單一熱源吸收熱量全部用來做功,而不引發(fā)其它改變熱機(jī)叫作第二類永動機(jī),故A正確;第二類永動機(jī)違反了熱力學(xué)第二定律,故B錯誤;機(jī)械能能夠全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,內(nèi)能卻不能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,同時不引發(fā)其它改變,故D正確,C錯誤。42/76【強化訓(xùn)練】1.如圖所表示中汽缸內(nèi)盛有定量理想氣體,汽缸壁是導(dǎo)熱,缸外環(huán)境保持恒溫,活塞與汽缸壁接觸是光滑,但不漏氣?，F(xiàn)將活塞桿與外界連接,使其遲緩地向右移動,這么氣體將等溫膨脹并經(jīng)過桿對外做功。若已知理想氣體內(nèi)能只與溫度相關(guān),則以下說法正確是()43/76A.氣體是從單一熱源吸熱,全用來對外做功,所以此過程違反熱力學(xué)第二定律B.氣體從單一熱源吸熱,但并未全用來對外做功,所以此過程不違反熱力學(xué)第二定律C.氣體是從單一熱源吸熱,全用來對外做功,但此過程不違反熱力學(xué)第二定律D.A、B、C三種說法都不對44/76【解析】選C。熱力學(xué)第二定律從機(jī)械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化過程方向性來描述是:不可能從單一熱源吸收熱量并把它全部用來做功,而不引發(fā)其它改變。本題中假如沒有外界幫助,比如外力拉動活塞桿使活塞向右移動,使氣體膨脹對外做功,造成氣體溫度略微降低,是不可能從外界吸收熱量,即這一過程即使是氣體從單一熱源吸熱,全用來對外做功,但引發(fā)了其它改變,所以此過程不違反熱力學(xué)第二定律。45/762.關(guān)于兩類永動機(jī)和熱力學(xué)兩個定律,以下說法正確是()A.第二類永動機(jī)不可能制成是因為違反了熱力學(xué)第一定律B.第一類永動機(jī)不可能制成是因為違反了熱力學(xué)第二定律46/76C.由熱力學(xué)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(xué)第二定律可知熱量從低溫物體傳向高溫物體是可能,從單一熱源吸收熱量,完全變成功也是可能47/76【解析】選D。第一類永動機(jī)違反能量守恒定律,第二類永動機(jī)違反熱力學(xué)第二定律,A、B錯;由熱力學(xué)第一定律可知W≠0,Q≠0,但ΔU=W+Q能夠等于0,C錯;由熱力學(xué)第二定律可知D中現(xiàn)象是可能,但會引發(fā)其它改變,D對。48/76【加固訓(xùn)練】(·衡水模擬)圖為電冰箱工作原理示意圖。壓縮機(jī)工作時,強迫致冷劑在冰箱內(nèi)外管道中不停循環(huán)。在蒸發(fā)器中致冷劑汽化吸收箱體內(nèi)熱量,經(jīng)過冷凝器時致冷劑液化,放出熱量到箱體外。以下說法正確是()49/76A.熱量能夠自發(fā)地從冰箱內(nèi)傳到冰箱外B.電冰箱致冷系統(tǒng)能夠不停地把冰箱內(nèi)熱量傳到外界,是因為其消耗了電能C.電冰箱工作原理違反了熱力學(xué)第一定律D.電冰箱工作原理違反了熱力學(xué)第二定律50/76【解析】選B。由熱力學(xué)第二定律知,熱量不能自發(fā)地由低溫物體傳到高溫物體,除非施加外部影響和幫助。電冰箱把熱量從低溫內(nèi)部傳到高溫外部,需要壓縮機(jī)幫助并消耗電能。故A錯誤,B正確;在工作過程中,是消耗了電能,而使壓縮機(jī)做功,故不違反熱力學(xué)第一定律,故C錯誤;在冰箱制冷中是因為壓縮機(jī)消耗了電能,從而能使冰箱源源不停地向外界散熱,故D錯誤。51/76考點3氣體試驗定律與熱力學(xué)第一定律綜合【關(guān)鍵要素精講】氣體試驗定律與熱力學(xué)第一定律問題處理方法:(1)氣體試驗定律研究對象是一定質(zhì)量理想氣體。(2)處理詳細(xì)問題時,分清氣體改變過程是求解問題關(guān)鍵,依據(jù)不一樣改變,找出與之相關(guān)氣體狀態(tài)參量,利用相關(guān)規(guī)律處理。52/76(3)對理想氣體,只要體積改變,外界對氣體(或氣體對外界)要做功,假如是等壓改變,W=pΔV;只要溫度發(fā)生改變,其內(nèi)能就發(fā)生改變。(4)結(jié)合熱力學(xué)第一定律ΔU=W+Q求解問題。53/76【高考命題探究】【典例3】(多項選擇)(·全國卷Ⅱ)一定量理想氣體從狀態(tài)a開始,經(jīng)歷等溫或等壓過程ab、bc、cd、da回到原狀態(tài),其p-T圖象如圖所表示,其中對角線ac延長線過原點O。以下判斷正確是()世紀(jì)金榜導(dǎo)學(xué)號4272228454/76A.氣體在a、c兩狀態(tài)體積相等B.氣體在狀態(tài)a時內(nèi)能大于它在狀態(tài)c時內(nèi)能C.在過程cd中氣體向外界放出熱量大于外界對氣體做功D.在過程da中氣體從外界吸收熱量小于氣體對外界做功E.在過程bc中外界對氣體做功等于在過程da中氣體對外界做功55/76【思索探究】(1)a→b過程p、V、T怎樣改變?提醒:a→b壓強減小、溫度不變,體積增加,氣體膨脹對外做功。56/76(2)b→c過程p、V、T怎樣改變?提醒:b→c壓強不變,溫度降低,體積減小,外界對氣體做功;一樣能夠判斷c→d溫度不變,壓強增大,體積減小,外界對氣體做功,d→a壓強不變,溫度升高,體積增大,膨脹氣體對外做功。57/76【解析】選A、B、E。一定量理想氣體,在體積不變時,壓強和熱力學(xué)溫度成正比,即Va=Vc,選項A正確;氣體在狀態(tài)a時溫度高于在狀態(tài)c時溫度,而溫度是分子平均動能標(biāo)志,理想氣體忽略分子間相互作用力,氣體分子勢能不變,所以氣體在狀態(tài)a時內(nèi)能大于它在狀態(tài)c時內(nèi)能,選項B正確;cd過程為恒溫升壓過程,壓強增大致積減小,外界對系統(tǒng)做正功,58/76但系統(tǒng)內(nèi)能不變,故放熱,放出熱量Q=W外,選項C錯誤;da過程為恒壓升溫過程,內(nèi)能增大,體積增大對外做功,故吸熱,但吸收熱量Q=W外+ΔE內(nèi),故Q>W外,選項D錯誤;bc過程恒壓降溫,體積減小,外界對氣體做功,因為ab和cd過程都是等溫過程,paVa=pbVb,pcVc=pdVd,則有paVa-pdVd=pbVb-pcVc,又因pd=pa,pc=pb,pa(Va-Vd)=pb(Vb-Vc),所以Wbc=Wad,故在過程bc中外界對氣體做功等于在過程da中氣體對外界做功,選項E正確。59/76【遷移訓(xùn)練】60/76遷移1:理想氣體與熱力學(xué)定律組合某駕駛員發(fā)覺中午時車胎內(nèi)氣壓高于清晨時,且車胎體積增大。若這段時間胎內(nèi)氣體質(zhì)量不變且可視為理想氣體,那么()A.外界對胎內(nèi)氣體做功,氣體內(nèi)能減小B.外界對胎內(nèi)氣體做功,氣體內(nèi)能增大C.胎內(nèi)氣體對外界做功,內(nèi)能減小D.胎內(nèi)氣體對外界做功,內(nèi)能增大61/76【解析】選D。由理想氣體狀態(tài)方程=C可知,對于一定質(zhì)量理想氣體,壓強和體積都增大時溫度一定升高;而一定質(zhì)量理想氣體,其內(nèi)能僅與溫度相關(guān),溫度升高時內(nèi)能增大;因為車胎體積增大,所以胎內(nèi)氣體對外界做功;綜上可知,選項D正確,選項A、B、C錯誤。62/76遷移2:氣體狀態(tài)改變圖象與試驗定律組合(多項選擇)(·海南高考)一定量理想氣體從狀態(tài)M能夠經(jīng)歷過程1或者過程2抵達(dá)狀態(tài)N,其p-V圖象如圖所表示。在過程1中,氣體一直與外界無熱量交換;在過程2中,氣體先經(jīng)歷等容改變再經(jīng)歷等壓改變。對于這兩個過程,以下說法正確是()63/76A.氣體經(jīng)歷過程1,其溫度降低B.氣體經(jīng)歷過程1,其內(nèi)能減小C.氣體在過程2中一直對外放熱D.氣體在過程2中一直對外做功E.氣體經(jīng)歷過程1內(nèi)能改變量與經(jīng)歷過程2相同64/76【解析】選A、B、E。氣體經(jīng)歷過程1,氣體一直與外界無熱量交換,壓強減小,體積變大,對外做功。依據(jù)熱力學(xué)第一定律,其內(nèi)能減小,溫度降低,選項A、B正確;氣體在過程2中,先經(jīng)歷等容過程,體積不變,壓強減小,則溫度一定降低,對外放熱,不對外做功;再經(jīng)歷等壓過程,體積變大對外做功,又升溫,所以是一個吸熱過程,所以選項C、D錯誤;因為氣體經(jīng)歷過程1和氣體經(jīng)歷過程2初、末狀態(tài)相同,所以內(nèi)能改變量相同,選項E正確。65/76遷移3:理想氣體狀態(tài)方程與熱力學(xué)定律組合一定質(zhì)量理想氣體從狀態(tài)A改變到狀態(tài)B,再改變到狀態(tài)C,其狀態(tài)改變過程p-T圖象如圖所表示。已知該氣體在狀態(tài)A時體積為1×10-3m3。求:世紀(jì)金榜導(dǎo)學(xué)號4272228566/76(1)該氣體