2020年物理高考大一轮复习 第13章 热学 第37讲 热力学定律与能量守恒课件

第十三章热学(选修3－3)高考总复习·物理第37讲热力学定律与能量守恒高考总复习·物理板块一板块二板块三课时达标目录板块一︿︿[知识梳理]1．热力学第一定律(1)内容：一个热力学系统的______增量等于外界向它传递的热量与外界对它所做功的和．(2)表达式：ΔU＝________.内能Q＋W2．热力学第二定律(1)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______热库吸收热量，使之完全对外______，而不产生其他影响．(2)微观意义：一切自发过程总是沿着分子热运动的无序性_______的方向进行．自发地单一做功增大3．能量守恒定律能量既不会_________，也不会_________，它只能从一种形式转化为另一种形式，或者从__________转移到_________，在转化或转移的过程中，能量的总量___________．4．永动机第一类永动机不可能制成的原因是违背了____________；第二类永动机不可能制成的原因是违背了________________．凭空产生凭空消失一个物体别的物体保持不变能量守恒定律热力学第二定律[基础小练]判断下列说法是否正确(1)做功和热传递的实质是相同的．()(2)绝热过程中，外界压缩气体做功10J，气体的内能可能减少．()(3)物体吸收热量，同时对外做功，内能可能不变．()(4)等压膨胀过程中，理想气体的内能一定减少．()(5)不违背能量守恒定律的过程不一定能发生．()(6)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．()××√×√×板块二︿︿[考法精讲]考法一热力学第一定律1．改变内能的两种方式的比较方式名称比较项目做功热传递区别内能变化情况外界对物体做功，物体的内能增加；物体对外界做功，物体的内能减少物体吸收热量，内能增加；物体放出热量，内能减少从运动形式上看做功是宏观的机械运动向物体的微观分子热运动的转化热传递则是通过分子之间的相互作用，使同一物体的不同部分或不同物体间的分子热运动发生变化，是内能的转移从能量的角度看做功是其他形式的能与内能相互转化的过程不同物体间或同一物体不同部分之间内能的转移区别能的性质变化情况能的性质发生了变化能的性质不变相互联系做一定量的功或传递一定量的热量在改变内能的效果上是相同的2.热力学第一定律不仅反映了做功和热传递这两种改变内能的过程是等效的，而且给出了内能的变化量和做功与热传递之间的定量关系．此定律是标量式，应用时功、内能、热量的单位应统一为国际单位焦耳．3．三种特殊情况(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，即W＝0，则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，即ΔU＝0，则W＋Q＝0或W＝－Q，外界对物体做的功等于物体放出的热量．【自主练1】(多选)对内能的理解，下列说法正确的是()A．系统的内能是由系统的状态决定的B．做功可以改变系统的内能，但是单纯地对系统传热不能改变系统的内能C．不计分子之间的分子势能，质量和温度相同的氢气和氧气具有相同的内能D．1g100℃水的内能小于1g100℃水蒸气的内能AD解析系统的内能是一个只依赖于系统自身状态的物理量，所以是由系统的状态决定的，选项A正确；做功和热传递都可以改变系统的内能，选项B错误；质量和温度相同的氢气和氧气的平均动能相同，但它们的物质的量不同，内能不同，选项C错误；在1g100℃的水变成100℃水蒸气的过程中，分子间距离变大，要克服分子间的引力做功，分子势能增大，所以1g100℃水的内能小于1g100℃水蒸气的内能，选项D正确．【自主练2】(2019·林州一中期末)(多选)如图所示，一定质量的理想气体，由状态A经状态B变化到状态C.设由A到B、由B到C的过程中，外界对气体做的功分别为W1、W2，气体从外界吸收的热量分别为Q1、Q2，则()A．W1＝0W20B．Q10Q20C．|W1|＋|W2|＝|Q1|＋|Q2|D．|W1|＋|W2||Q1|＋|Q2|AD解析由图可知，A→B为等容变化，即体积不变，故W1＝0；B→C为等温变化，根据pVT＝C可知，当压强增大则体积减小，故外界对气体做正功，即W20，选项A正确；由图可知，A→B为等容变化，温度不断升高，要吸热，故Q10；B→C为等温变化，温度不变，内能不变，但是外界对其压缩做正功，故要放热，即Q20，选项B错误；由解析B可知，B→C过程中温度不变，内能不变，根据热力学第一定律可知W2＝Q2，由于W1＝0，而且从全过程看温度升高，内能增大，即有W1＋W2Q1＋Q2，选项C错误，D正确．归纳总结理想气体内能变化的判定对一定质量的理想气体，由于无分子势能，其内能只包含分子无规则热运动的动能，这时内能只与温度有关，故判定一定质量的理想气体内能是否变化，应看温度是否发生了变化，与体积无关．考法二热力学第二定律1．热力学过程方向性实例(1)高温物体热量Q能自发传给热量Q不能自发传给低温物体(2)功能自发地完全转化为不能自发地且不能完全转化为热量(3)气体体积V1能自发膨胀到不能自发收缩到气体体积V2(较大)(4)不同气体A和B能自发混合成不能自发分离成混合气体AB2．热力学第一定律和热力学第二定律的关系热力学第一定律是和热现象有关的物理过程中能量守恒的特殊表达形式及热量与内能改变的定量关系．而第二定律指明了能量转化与守恒能否实现的条件和过程进行的方向，指出了一切变化过程的自然发展是不可逆的，除非靠外界影响．所以二者相互联系，又相互补充．3．两类永动机的比较第一类永动机第二类永动机不消耗能量却可以源源不断地对外做功的机器从单一热源吸热，全部用来对外做功而不引起其他变化的机器违背能量守恒，不可能实现不违背能量守恒，违背热力学第二定律，不可能实现【自主练3】(2019·龙岩高三质检)(多选)关于气体的内能和热力学定律，下列说法正确的是()A．对气体做功可以改变其内能B．质量和温度都相同的气体，内能一定相同C．热量不可能从低温物体传到高温物体D．一定量的理想气体在等压膨胀过程中，内能一定增加E．一定量的理想气体温度越高，气体分子运动越剧烈，气体内能越大ADE解析做功和热传递都能改变内能，所以对气体做功可以改变其内能，故选项A正确；质量和温度都相同的气体，内能不一定相同，还和气体的种类有关，故选项B错误；根据热力学第二定律可知，热量不可能从低温物体传到高温物体而不引起其他的变化，故选项C错误；由盖－吕萨克定律可知，理想气体在等压膨胀过程中气体温度升高，气体内能增加，故选项D正确；一定量的理想气体温度越高，气体分子运动越剧烈，而气体内能只与温度有关，温度越高，其内能越大，选项E正确．【自主练4】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)(多选)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．电冰箱的工作原理不违反热力学第一定律D．电冰箱的工作原理违反热力学第二定律BC解析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，选项C正确；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，选项B正确，A、D错误．(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．归纳总结热力学第二定律的涵义(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．考法三气体定律与热力学定律的综合【例题1】(2018·全国卷Ⅲ)(多选)如图所示，一定量的理想气体从状态a变化到状态b，其过程如p­V图中从a到b的直线所示．在此过程中()A．气体温度一直降低B．气体内能一直增加C．气体一直对外做功D．气体一直从外界吸热E．气体吸收的热量一直全部用于对外做功[思维导引]根据连线上纵横坐标变化的规律，结合p­V图象中斜率的物理意义，判断出pV乘积大小变化的特点，进一步比较出温度的高低，再根据气体体积的变化，应用热力学第一定律分析做功及吸热、放热．答案BCD解析一定质量的理想气体从a到b的过程，由理想气体状态方程paVaTa＝pbVbTb可知，TbTa，即气体的温度一直升高，选项A错误；根据理想气体的内能只与温度有关，可知气体的内能一直增加，选项B正确；由于从a到b的过程中气体的体积增大，所以气体一直对外做功，选项C正确；根据热力学第一定律，从a到b的过程中，气体一直从外界吸热，选项D正确；气体吸收的热量一部分增加内能，一部分对外做功，选项E错误．【跟踪训练1­1】(2019·深圳高三调研)如图所示，有一上部开有小孔的圆柱形气缸，气缸的高度为2L，横截面积为S，一厚度不计的轻质活塞封闭1mol的单分子理想气体，开始时活塞距底部的距离为L，气体的热力学温度为T1，已知外界大气压为p0,1mol的单分子理想气体内能公式为U＝32RT，现对气体缓慢加热．求：(1)活塞恰好上升到气缸顶部时，气体的温度和气体吸收的热量；(2)当加热到热力学温度为3T1时，气体的压强．解析(1)开始加热后活塞上升的过程中封闭气体做等压变化，V1＝LS，V2＝2LS，由V1T1＝V2T2，解得T2＝2T1，由热力学第一定律ΔU＝W＋Q，ΔU＝32R(T2－T1)，W＝－p0(V2－V1)，解得Q＝32RT1＋p0LS.(2)设当加热到3T1时气体的压强变为p3，在此之前活塞上升到气缸顶部，对于封闭气体，由理想气体状态方程p3·2LS3T1＝p0·LST1，解得p3＝1.5p0.答案(1)2T132RT1＋p0LS(2)1.5p0【跟踪训练1­2】(2019·河南天一大联考高三期末)如图所示为一定质量的理想气体发生三个状态变化过程的p­V图象，其中，BC段对应的是反比例函数图象的一部分，若气体在状态A时的温度为T0，求：(1)气体在状态C时的温度和体积；(2)若气体从B到C的过程中放出的热量为Q，则气体在A→B→C→A的过程中是吸热还是放热？吸收或放出的热量为多少？解析(1)由于BC段对应的是反比例函数图象的一部分，由理想气体状态方程可知，此过程为等温变化过程，所以TB＝TC，气体在A→B过程为等容过程，有3p0T0＝p0TB，解得TC＝13T0，在B→C过程为等温过程，有3p0VC＝p0V0，解得VC＝13V0.(2)气体在B→C的过程中温度不变，则内能不变，由于放出热量为Q，根据热力学第一定律可知，此过程外界对气体做功为WBC＝Q，气体在A→B→C→A的过程中内能不变，从A到B不做功，即WAB＝0，从C到A气体对外做功为WCA＝PC(VA－VC)，解得WCA＝2p0V0，由p­V图象面积法可知，气体对外做功大于外界对气体做功，即WCAWBC，根据热力学第一定律可得气体在A→B→C→A的过程中吸收热量，吸收热量为Q′＝2p0V0－Q.答案(1)13T013V0(2)吸热Q′＝2p0V0－Q【跟踪训练1­3】(2019·汕头龙湖区高三期末)如图所示，内壁光滑的圆柱形气缸竖直放置，内有一质量为m的活塞封闭一定质量的理想气体．已知活塞截面积为S.外界大气压强为p0，缸内气体的温度为T、体积为V.现对气缸缓慢降温，使活塞下移高度为h，该过程中气体放出的热量为Q；停止降温并“锁定”活塞，使活塞不