2024高考物理一輪復(fù)習(xí)第十三章熱學(xué)第3節(jié)熱力學(xué)定律與能量守恒教案魯科版

PAGE10-第3節(jié)熱力學(xué)定律與能量守恒一、熱力學(xué)第肯定律1.變更物體內(nèi)能的兩種方式(1)做功:將其他形式的能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能.(2)熱傳遞:物體間內(nèi)能的轉(zhuǎn)移.2.熱力學(xué)第肯定律(1)內(nèi)容:一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)能增量等于外界向它傳遞的熱量與外界對它所做的功的和.(2)表達(dá)式:ΔU=Q+W.二、熱力學(xué)其次定律及微觀意義1.熱力學(xué)其次定律的兩種表述(1)克勞修斯表述:不行能使熱量從低溫物體傳向高溫物體而不引起其他變更.(2)開爾文表述:不行能從單一熱源吸取熱量,使之完全變?yōu)橛杏霉Χ灰鹌渌兏?或表述為“其次類永動(dòng)機(jī)不行能制成.”三、能量守恒定律和兩類永動(dòng)機(jī)1.能量守恒定律能量既不會(huì)消逝,也不會(huì)創(chuàng)生,它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式,或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體,而能量的總值保持不變.2.兩類永動(dòng)機(jī)(1)第一類永動(dòng)機(jī):不消耗任何能量,卻源源不斷地對外做功的機(jī)器.違反能量守恒定律,因此不行能實(shí)現(xiàn).(2)其次類永動(dòng)機(jī):從單一熱源汲取熱量并把它全部用來對外做功,而不引起其他變更的機(jī)器.違反熱力學(xué)其次定律,不行能實(shí)現(xiàn).1.思索推斷(1)做功和熱傳遞的實(shí)質(zhì)是相同的.(×)(2)外界壓縮氣體做功20J,氣體的內(nèi)能可能削減.(√)(3)在給自行車打氣時(shí),會(huì)發(fā)覺打氣筒的溫度上升,這是因?yàn)橥饨鐚怏w做功.(√)(4)熱機(jī)中,燃?xì)獾膬?nèi)能可以全部變?yōu)闄C(jī)械能而不引起其他變更.(×)(5)電冰箱將熱量從低溫物體向高溫物體傳遞過程違反了熱力學(xué)其次定律.(×)(6)自由搖擺的秋千搖擺幅度越來越小,能量正在消逝.(×)2.肯定質(zhì)量的志向氣體在某一過程中,外界對氣體做功7.0×104J,氣體內(nèi)能削減1.3×105J,則此過程(B)A.氣體從外界汲取熱量2.0×105JB.氣體向外界放出熱量2.0×105JC.氣體從外界汲取熱量6.0×104JD.氣體向外界放出熱量6.0×104J解析:由熱力學(xué)第肯定律ΔU=Q+W得Q=ΔU-W=-1.3×105J-7.0×104J=-2.0×105J,負(fù)號表示放出熱量,故選B.3.(多選)關(guān)于氣體的內(nèi)能和熱力學(xué)定律,下列說法正確的是(ACD)A.對氣體做功可以變更其內(nèi)能B.質(zhì)量和溫度都相同的氣體,內(nèi)能肯定相同C.肯定量的志向氣體在等壓膨脹過程中,內(nèi)能肯定增加D.肯定量的志向氣體,溫度越高,氣體分子運(yùn)動(dòng)越猛烈,氣體內(nèi)能越大解析:做功和熱傳遞都能變更內(nèi)能,所以對氣體做功可以變更其內(nèi)能,故A正確;質(zhì)量和溫度都相同的氣體,內(nèi)能不肯定相同,還和氣體的種類有關(guān),故B錯(cuò)誤;由蓋·呂薩克定律可知,肯定量的志向氣體在等壓膨脹過程中氣體溫度上升,內(nèi)能增加,故C正確;肯定量的志向氣體溫度越高,氣體分子運(yùn)動(dòng)越猛烈,而志向氣體內(nèi)能只與溫度有關(guān),故溫度越高,其內(nèi)能越大,故D正確.4.(2024·安徽宿州質(zhì)檢改編)(多選)肯定量的志向氣體的壓強(qiáng)p與熱力學(xué)溫度T的變更圖象如圖所示.下列說法正確的是(CD)A.A→B的過程中,氣體對外界做功,氣體內(nèi)能增加B.B→C的過程中,氣體體積增大,對外做功C.B→C的過程中,氣體對外界放熱,內(nèi)能不變D.B→C的過程中,氣體分子與容器壁每秒碰撞的次數(shù)增加解析:從A到B的過程,是等容升溫過程,氣體不對外做功,氣體從外界汲取熱量,使得氣體內(nèi)能增加,故A錯(cuò)誤;從B到C的過程是等溫壓縮過程,壓強(qiáng)增大,體積減小,外界對氣體做功,氣體放出熱量,內(nèi)能不變,因體積減小,分子數(shù)密度增大,故氣體分子與容器壁每秒碰撞的次數(shù)增加,故B錯(cuò)誤,C,D正確.考點(diǎn)一熱力學(xué)第肯定律1.對公式ΔU=Q+W符號的規(guī)定符號WQΔU+外界對物體做功物體汲取熱量內(nèi)能增加-物體對外界做功物體放出熱量內(nèi)能削減2.幾種特別狀況(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)能的增加量.(2)若過程中不做功,即W=0,則Q=ΔU,物體汲取的熱量等于物體內(nèi)能的增加量.(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.[例1]肯定質(zhì)量的志向氣體,狀態(tài)從A→B→C→D→A的變更過程可用如圖所示的pV圖線描述,其中D→A為等溫線,氣體在狀態(tài)A時(shí)溫度為TA=300K,求:(1)氣體在狀態(tài)C時(shí)溫度TC;(2)若氣體在A→B過程中吸熱1000J,則在A→B過程中氣體內(nèi)能如何變更?變更了多少?解析:(1)D→A為等溫線,則TD=TA=300K,C到D過程由蓋·呂薩克定律得=,所以TC=375K.(2)A到B過程壓強(qiáng)不變,W=-pΔV=-2×105×3×10-3J=-600J由熱力學(xué)第肯定律,得ΔU=Q+W=1000J-600J=400J則氣體內(nèi)能增加,增加了400J.答案:(1)375K(2)氣體內(nèi)能增加增加了400J應(yīng)用熱力學(xué)第肯定律的幾點(diǎn)留意(1)做功看體積:體積增大,氣體對外做功,W為負(fù);體積縮小,外界對氣體做功,W為正.氣體向真空中自由膨脹,對外界不做功,W=0.(2)與外界絕熱,則不發(fā)生熱傳遞,此時(shí)Q=0.(3)由于志向氣體沒有分子勢能,所以當(dāng)它的內(nèi)能變更時(shí),主要體現(xiàn)在分子動(dòng)能的變更上,從宏觀上看就是溫度發(fā)生了變更.(4)做功和熱傳遞都可以變更物體的內(nèi)能,因此用熱力學(xué)第肯定律分析問題時(shí)要考慮全面.熱力學(xué)第肯定律是能量守恒定律在熱學(xué)過程中的詳細(xì)體現(xiàn),將熱力學(xué)第肯定律和氣體狀態(tài)變更的過程相結(jié)合的問題是難點(diǎn).1.(2024·全國Ⅱ卷,33改編)(多選)如圖,用隔板將一絕熱氣缸分成兩部分,隔板左側(cè)充有志向氣體,隔板右側(cè)與絕熱活塞之間是真空.現(xiàn)將隔板抽開,氣體會(huì)自發(fā)擴(kuò)散至整個(gè)氣缸.待氣體達(dá)到穩(wěn)定后,緩慢推壓活塞,將氣體壓回到原來的體積.假設(shè)整個(gè)系統(tǒng)不漏氣.下列說法正確的是(ABD)A.氣體自發(fā)擴(kuò)散前后內(nèi)能相同B.氣體在被壓縮的過程中內(nèi)能增大C.在自發(fā)擴(kuò)散過程中,氣體對外界做功D.氣體在被壓縮的過程中,外界對氣體做功解析:氣體向真空自由擴(kuò)散的過程中,對外不做功;又氣缸和活塞都絕熱,不吸熱也不放熱,由熱力學(xué)第肯定律ΔU=Q+W,Q=0,W=0,所以ΔU=0,內(nèi)能不變,選項(xiàng)A正確,C錯(cuò)誤;氣體被壓縮時(shí),外界對氣體做功,又絕熱,所以內(nèi)能增大,選項(xiàng)B,D正確.2.(2024·福建龍巖質(zhì)檢改編)如圖所示為肯定質(zhì)量的志向氣體發(fā)生狀態(tài)變更的pV圖象,圖線1,2是兩條等溫線,A,B是等溫線1上的兩點(diǎn),C,D是等溫線2上的兩點(diǎn),圖線AD,BC均與V軸平行,則下列說法正確的是(D)A.等溫線1對應(yīng)的氣體溫度比等溫線2對應(yīng)的氣體溫度高B.氣體從狀態(tài)A變更到狀態(tài)B,氣體肯定放出熱量C.氣體從狀態(tài)B變更到狀態(tài)C,氣體汲取的熱量比氣體對外界做功少D.氣體從狀態(tài)C變更到狀態(tài)D,單位體積的氣體分子數(shù)增大,但氣體分子的平均動(dòng)能不變解析:依據(jù)肯定質(zhì)量的志向氣體發(fā)生狀態(tài)變更的pV圖象,圖線1,2是兩條等溫線,A,B是等溫線1上的兩點(diǎn),C,D是等溫線2上的兩點(diǎn)可知,從C→B為等壓變更,由公式=C可知,等溫線1對應(yīng)的氣體溫度比等溫線2對應(yīng)的氣體溫度低,故A錯(cuò)誤;氣體從狀態(tài)A變更到狀態(tài)B,等溫變更,內(nèi)能不變,體積增大,氣體對外做功,由熱力學(xué)第肯定律得ΔU=Q+W,所以氣體肯定汲取熱量,故B錯(cuò)誤;氣體從狀態(tài)B變更到狀態(tài)C,由A的分析可知,氣體的溫度上升,內(nèi)能增大,體積增大,氣體對外做功,由熱力學(xué)第肯定律得ΔU=Q+W,所以氣體汲取的熱量比氣體對外界做功多,故C錯(cuò)誤;氣體從狀態(tài)C變更到狀態(tài)D,發(fā)生等溫變更,所以分子平均動(dòng)能不變,體積減小,單位體積的氣體分子數(shù)增大,故D正確.考點(diǎn)二熱力學(xué)其次定律1.熱力學(xué)其次定律的涵義(1)自然界中諸如熱傳遞等熱力學(xué)宏觀現(xiàn)象具有方向性,不須要借助外界供應(yīng)能量的幫助.(2)“不引起其他變更”的含義是發(fā)生的熱力學(xué)宏觀過程只在本系統(tǒng)內(nèi)完成,對四周環(huán)境不產(chǎn)生熱力學(xué)方面的影響.如吸熱、放熱、做功等.在產(chǎn)生其他影響的條件下內(nèi)能可以全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,如氣體的等溫膨脹過程.2.熱力學(xué)其次定律的實(shí)質(zhì)自然界中進(jìn)行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性.如(1)高溫物體低溫物體(2)功熱(3)氣體體積V1氣體體積V2(較大)(4)不同氣體A和B混合氣體AB3.兩類永動(dòng)機(jī)的比較第一類永動(dòng)機(jī)其次類永動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)要求不須要任何動(dòng)力或燃料,卻能不斷地對外做功的機(jī)器從單一熱源汲取熱量,使之完全變勝利,而不產(chǎn)生其他影響的機(jī)器不行能制成的緣由違反能量守恒定律不違反能量守恒定律,違反熱力學(xué)其次定律[例2]以下現(xiàn)象違反熱力學(xué)其次定律的是(B)A.一杯熱茶在打開蓋后,茶會(huì)自動(dòng)變涼B.沒有漏氣、沒有摩擦的志向熱機(jī),其效率可能是100%C.桶中渾濁的泥水在靜置一段時(shí)間后,泥沙下沉,上面的水變清,泥、水自動(dòng)分別D.在地面上運(yùn)動(dòng)的物體漸漸停下來,機(jī)械能全部變?yōu)閮?nèi)能解析:熱茶自動(dòng)變涼是熱量從高溫物體傳遞到低溫物體,可以自發(fā)進(jìn)行;任何熱機(jī)效率都不行能達(dá)到100%,B違反熱力學(xué)其次定律;泥水分別是機(jī)械能(重力勢能)向內(nèi)能的轉(zhuǎn)化,可以自發(fā)進(jìn)行;物體因摩擦力而停下來,是機(jī)械能(動(dòng)能)向內(nèi)能的轉(zhuǎn)化,是自發(fā)的過程.[針對訓(xùn)練](2024·湖南長沙模擬)(多選)下列關(guān)于其次類永動(dòng)機(jī)說法正確的是(ACD)A.其次類永動(dòng)機(jī)是指沒有冷凝器,只有單一的熱源,能將從單一熱源汲取的熱量全部用來做功,而不引起其他變更的熱機(jī)B.其次類永動(dòng)機(jī)違反了能量守恒定律,所以不行能制成C.其次類永動(dòng)機(jī)違反了熱力學(xué)其次定律,所以不行能制成D.其次類永動(dòng)機(jī)不行能制成,說明機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,但內(nèi)能卻不能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,而不引起其他變更解析:由其次類永動(dòng)機(jī)的定義知,A正確;其次類永動(dòng)機(jī)違反了熱力學(xué)其次定律,B錯(cuò)誤,C正確;由熱力學(xué)其次定律知,機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,但內(nèi)能卻不能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,而不引起其他變更,D正確.考點(diǎn)三熱力學(xué)定律與氣體試驗(yàn)定律的綜合應(yīng)用氣體試驗(yàn)定律與熱力學(xué)定律綜合應(yīng)用的分析思路[例3](2024·湖北四地七校聯(lián)盟期末)如圖所示,導(dǎo)熱性能良好的柱形金屬容器豎直放置,容器上端的輕質(zhì)塞子將容器密閉,內(nèi)有質(zhì)量為m的活塞將容器分為A,B兩個(gè)氣室,A,B兩個(gè)氣室的體積均為V.活塞與容器內(nèi)壁間氣密性好,且沒有摩擦,活塞的截面積為S.已知重力加速度大小為g,大氣壓強(qiáng)大小為,A氣室內(nèi)氣體的壓強(qiáng)大小為.(1)拔去容器上端的塞子,求活塞穩(wěn)定后B氣室的體積VB;(2)拔去塞子待活塞穩(wěn)定后,室溫起先緩慢上升,從活塞穩(wěn)定到其恰好上升到容器頂端的過程中B室氣體從外界吸熱為Q,求這個(gè)過程中B氣室氣體內(nèi)能增量ΔU.解析:(1)拔去塞子待活塞穩(wěn)定后,B室中的氣體初末狀態(tài)溫度不變依據(jù)玻意耳定律,(+)·V=(+)·VB解得VB=V.(2)B氣室氣體汲取的熱量,一部分用來對外做功,一部分為其內(nèi)能增量,室溫緩慢上升的過程中,外界對氣體做功為W=-(+)·S·=-依據(jù)熱力學(xué)第肯定律,ΔU=Q+W=Q-.答案:(1)V(2)Q-題組訓(xùn)練1.(2024·山東泰安一模)(多選)封閉在氣缸內(nèi)肯定質(zhì)量的志向氣體由狀態(tài)A變到狀態(tài)D,其體積V與熱力學(xué)溫度T關(guān)系如圖所示,O,A,D三點(diǎn)在同始終線上.則(AD)A.由狀態(tài)A變到狀態(tài)B過程中,氣體汲取熱量B.由狀態(tài)B變到狀態(tài)C過程中,氣體從外界汲取熱量,內(nèi)能增加C.C狀態(tài)氣體的壓強(qiáng)小于D狀態(tài)氣體的壓強(qiáng)D.D狀態(tài)時(shí)單位時(shí)間內(nèi)與器壁單位面積碰撞的分子數(shù)比A狀態(tài)少解析:由狀態(tài)A變到狀態(tài)B為等容變更,W=0,溫度上升,ΔU>0,依據(jù)熱力學(xué)第肯定律ΔU=W+Q,氣體汲取熱量Q>0,氣體吸熱,A正確;由狀態(tài)B變到狀態(tài)C過程中,內(nèi)能不變,B錯(cuò)誤;C狀態(tài)氣體的壓強(qiáng)大于D狀態(tài)氣體的壓強(qiáng),C錯(cuò)誤;D狀態(tài)與A狀態(tài)壓強(qiáng)相等,D狀態(tài)體積大,單位時(shí)間內(nèi)與器壁單位面積碰撞的分子數(shù)比A狀態(tài)少,D正確.2.(多選)肯定量的志向氣體從狀態(tài)a起先,經(jīng)驗(yàn)三個(gè)過程ab,bc,ca回到原狀態(tài),其pT圖象如圖所示.下列推斷正確的是(AD)A.過程ab中氣體肯定吸熱B.過程bc中氣體既不吸熱也不放熱C.過程ca中外界對氣體所做的功等于氣體所放的熱D.a,b和c三個(gè)狀態(tài)中,狀態(tài)a分子的平均動(dòng)能最小解析:過程ab,志向氣體等容變更,溫度上升,志向氣體的內(nèi)能增大,氣體肯定吸熱,A正確;過程bc,志向氣體等溫變更,壓強(qiáng)減小,而體積變大,氣體對外做功,氣體肯定吸熱,B錯(cuò)誤;過程ca,志向氣體的壓強(qiáng)不變,溫度降低,內(nèi)能減小,體積減小,外界對氣體做功,氣體對外放出的熱量大于外界對氣體做的功,C錯(cuò)誤;依據(jù)上述三過程可知:在a,b,c三個(gè)狀態(tài)中,狀態(tài)a的溫度最低,依據(jù)溫度是分子平均動(dòng)能的標(biāo)記,其分子的平均動(dòng)能最小,D正確.3.肯定質(zhì)量的志向氣體,狀態(tài)從A→B→C→A的變更過程可用如圖所示的pV圖線描述,氣體在狀態(tài)C時(shí)的溫度為TC=300K.(1)求氣體在狀態(tài)A時(shí)的溫度TA,并推斷A,B狀態(tài)溫度的凹凸;(2)若氣體在A→B過程中吸熱500J,則在A→B過程中氣體內(nèi)能如何變更?變更了多少?解析:(1)從A狀態(tài)到C狀態(tài),依據(jù)志向氣體狀態(tài)方程可得=,解得TA=300K.從B狀態(tài)到C狀態(tài),依據(jù)志向氣體狀態(tài)方程可得=解得TB=600K,TB>TA.(2)氣體在A狀態(tài)到B狀態(tài)過程中,壓強(qiáng)不變,W=-pΔV由熱力學(xué)第肯定律得ΔU=W+Q解得ΔU=200J.答案:(1)300KTB>TA(2)氣體的內(nèi)能增加200J1.(2010·福建卷,28)如圖所示,肯定質(zhì)量的志向氣體密封在絕熱(即與外界不發(fā)生熱交換)容器中,容器內(nèi)裝有一可以活動(dòng)的絕熱活塞,現(xiàn)對活塞施以一豎直向下的壓力F,使活塞緩慢向下移動(dòng)一段距離后,氣體的體積減小.若忽視活塞與容器壁間的摩擦力,則被密封的氣體(C)A.溫度上升,壓強(qiáng)增大,內(nèi)能削減B.溫度降低,壓強(qiáng)增大,內(nèi)能削減C.溫度上升,壓強(qiáng)增大,內(nèi)能增加D.溫度降低,壓強(qiáng)減小,內(nèi)能增加解析:外力F做正功,W>0;絕熱,Q=0;由熱力學(xué)第肯定律,內(nèi)能增加,溫度上升;另外,由志向氣體狀態(tài)方程可以推斷出壓強(qiáng)增大.2.(2011·福建卷,28)肯定量的志向氣體在某一過程中,從外界汲取熱量2.5×104J,氣體對外界做功1.0×104J,則該志向氣體的(D)A.溫度降低,密度增大 B.溫度降低,密度減小C.溫度上升,密度增大 D.溫度上升,密度減小解析:據(jù)熱力學(xué)第肯定律知,氣體汲取熱量多于對外做