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第十三章热学（选修3-3）返回导航一、热力学第一定律1．改变物体内能的两种方式(1)______：将其他形式的能转化为内能；(2)________：物体间内能的转移．做功热传递返回导航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、热力学第二定律及微观意义1．热力学第二定律的两种表述(1)克劳修斯表述：热量不能自发地从_________传到_________．(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______________．或表述为“________永动机是不可能制成的．”热量Q＋W低温物体高温物体不产生其他影响第二类返回导航2．用熵的概念表示热力学第二定律在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会_____．3．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．三、能量守恒定律和两类永动机1．能量守恒定律能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式_____为另一种形式，或者从一个物体_______到别的物体，在转化或转移的过程中，能量的_______保持不变．减小无序性转化转移总量返回导航2．两类永动机(1)第一类永动机：不消耗任何能量，却源源不断地对外做功的机器．违背_______________，因此不可能实现．(2)第二类永动机：从单一热源吸收热量并把它全部用来对外做功，而不引起其他变化的机器．违背______________，不可能实现．能量守恒定律热力学第二定律返回导航考点一热力学第一定律的理解与应用1．热力学第一定律不仅反映了做功和热传递这两种方式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．返回导航2．对公式ΔU＝Q＋W符号的规定符号WQΔU＋外界对物体做功物体吸收热量内能增加－物体对外界做功物体放出热量内能减少返回导航3．几种特殊情况(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量．(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量．(3)若过程的初、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或者物体对外界做的功等于物体吸收的热量．返回导航【例1】在如图所示的坐标系中，一定质量的某种理想气体先后发生以下两种状态变化过程：第一种变化是从状态A到状态B，外界对该气体做功为6J；第二种变化是从状态A到状态C，该气体从外界吸收的热量为9J．图线AC的反向延长线过坐标原点O，B，C两状态的温度相同，求：返回导航(1)从状态A到状态C的过程，该气体对外界做的功W1和其内能的增量ΔU1；(2)从状态A到状态B的过程，该气体内能的增量ΔU2及其从外界吸收的热量Q2.〖思路探究〗(1)状态A到状态C的变化过程中图线为一条直线且反向延长线通过原点，这说明了什么？答案：A到C的过程为等容变化．返回导航(2)若在图像中再作出经过状态B的等容线，能否比较状态A与状态B的体积关系？答案：能规范解答：(1)由题意知从状态A到状态C的过程，气体发生等容变化该气体对外界做的功W1＝0根据热力学第一定律有ΔU1＝Q1即内能的增量ΔU1＝Q1＝9J.返回导航(2)从状态A到状态B的过程，体积减小，温度升高该气体内能的增量ΔU2＝ΔU1＝9J根据热力学第一定律有ΔU2＝W2＋Q2从外界吸收的热量Q2＝ΔU2－W2＝3J.答案：(1)09J(2)9J3J返回导航处理气体图像与热力学第一定律问题的方法(1)气体状态变化图像有pV(p1V)，pT，VT图像，一般在同一图像中有气体几个状态变化，对此应依据图像特点判断其状态变化情况，然后由热力学第一定律对问题进行分析、求解．(2)对于某图像中描述的气体的一般状态变化可利用其等温线、等容线或等压线，确定其温度、体积或压强的变化，然后由热力学第一定律对问题进行分析、判断．返回导航【例2】(2017课标Ⅱ，33)(多选)如图，用隔板将一绝热汽缸分成两部分，隔板左侧充有理想气体，隔板右侧与绝热活塞之间是真空．现将隔板抽开，气体会自发扩散至整个汽缸．待气体达到稳定后，缓慢推压活塞，将气体压回到原来的体积．假设整个系统不漏气．下列说法正确的是________．A．气体自发扩散前后内能相同B．气体在被压缩的过程中内能增大C．在自发扩散过程中，气体对外界做功D．气体在被压缩的过程中，外界对气体做功E．气体在被压缩的过程中，气体分子的平均动能不变返回导航ABD解析：气体向真空膨胀时不受阻碍，气体不对外做功，由于汽缸是绝热的，没有热交换，所以气体扩散后内能不变，选项A正确．气体被压缩的过程中，外界对气体做功，且没有热交换，根据热力学第一定律，气体的内能增大，选项B、D正确．气体在真空中自发扩散的过程中气体不对外做功，选项C错误．气体在压缩过程中，内能增大，由于一定质量的理想气体的内能完全由温度决定，温度越高，内能越大，气体分子的平均动能越大，选项E错误．返回导航知识归纳：对气体做功及理想气体内能的理解气体自由扩散时，体积虽变大，但没有施力和受力物体，因此不做功；气体被压缩时，体积减小，外界对气体做功；理想气体不计分子势能，因此理想气体的内能等于所有分子的动能．返回导航考点二热力学第二定律的理解与应用1．在热力学第二定律的表述中，“自发地”、“不产生其他影响”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”的涵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．2．热力学第二定律的实质热力学第二定律的每一种表述，都揭示了大量分子参与宏观过程的方向性，进而使人们认识到自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性．返回导航3．两类永动机的比较第一类永动机第二类永动机不需要任何动力或燃料，却能不断地对外做功的机器从单一热源吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响的机器违背能量守恒定律，不可能制成不违背能量守恒定律，但违背热力学第二定律，不可能制成返回导航【例3】(多选)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．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E．功转变为热的实际宏观过程是不可逆过程〖思路探究〗(1)改变内能的方式有几种？答案：两种，做功和热传递．返回导航(2)热力学第二定律常见的两种表述分别从什么角度表述的？答案：热传导的方向性，机械能和内能转化过程的方向性．解析：做功和热传递都可以改变物体的内能；由热力学第一定律可知，对某物体做功，物体的内能可能增加、不变或减小；由热力学第二定律可知，通过外界作用可以从单一热源吸收热量，使之完全变为功，可以使热量从低温物体传向高温物体；自然界中一切与热现象有关的自然过程都是不可逆的．答案：ACE返回导航返回导航【例4】我国“蛟龙”号深海探测船载人下潜超过七千米，再创载人深潜新纪录．在某次深潜实验中，“蛟龙”号探测到990m深处的海水温度为280K．某同学利用该数据来研究气体状态随海水深度的变化，如图所示，导热良好的气缸内封闭一定质量的气体，不计活塞的质量和摩擦，气缸所处海平面的温度T0＝300K，压强p0＝1atm，封闭气体的体积V0＝3m3.如果将该气缸下潜至990m深处，此过程中封闭气体可视为理想气体．返回导航(1)求990m深处封闭气体的体积(1atm相当于10m深的海水产生的压强)．(2)下潜过程中封闭气体________(选填“吸热”或“放热”)，传递的热量________(选填“大于”或“小于”)外界对气体所做的功．返回导航【审题指导】题干关键隐含信息1.导热良好的气缸气缸内封闭气体的温度与海水温度始终相等2.1atm相当于10m深的海水产生的压强990m深处海水产生的压强为99atm返回导航解析：(1)气缸内的理想气体在深度为990m的海水中的压强为p1＝p0＋ρ水gh＝100atm此处理想气体温度为T1＝280K，由p0V0T0＝p1V1T1联立代入数值可得V1＝2.8×10－2m3.(2)理想气体的温度降低，气体的内能减小ΔU0；理想气体的体积减小，外界对气体做功W0，根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q可知Q0，气体放热，且放出的热量大于外界对气体做的功．答案：(1)2.8×10－2m3(2)放热大于返回导航热力学第一定律与气体实验定律结合问题的解题思路返回导航【跟进题组】1．(定性分析内能的变化问题)(2014浙江自选模块)如图所示，内壁光滑的圆柱型金属容器内有一个质量为m、面积为S的活塞．容器固定放置在倾角为θ的斜面上．一定量的气体被密封在容器内，温度为T0，活塞底面与容器底面平行，距离为h.已知大气压强为p0，重力加速度为g.返回导航(1)容器内气体压强为________；(2)由于环境温度变化，活塞缓慢下移h/2时气体温度为______；此过程中容器内气体________(填“吸热”或“放热”)，气体分子的平均速率______(填“增大”“减小”或“不变”)．返回导航解析：(1)对活塞受力分析pS＝p0S＋mgcosθ，则p＝p0＋mgcosθS.(2)对气体V1T0＝12V1T1，得T1＝12T0.此过程外界对气体做功，温度降低，气体内能减少；故此过程气体放热，由于温度降低气体分子的平均速率减小．答案：(1)p0＋mgcosθS(2)T02放热减小返回导航2．(定量计算内能的变化问题)如图所示pV图像中，一定质量的理想气体由状态A经过ACB过程至状态B气体对外界做功280J，吸收热量410J；气体又从状态B经BDA过程回到状态A，这一过程中气体对外界做功200J．求：(1)气体在ACB过程中内能增加还是减少？变化量是多少？(2)气体在BDA过程中吸热还是放热？吸收或放出的热量是多少？返回导航解析：(1)ACB过程中，W1＝－280J，Q1＝410J，由热力学第一定律得ΔU1＝W1＋Q1＝130J，故气体在ACB过程中内能增加，变化量为130J.(2)气体在BDA过程中，由(1)中结果知，气体内能减少130J，即ΔU2＝－130J，又因气体对外界做功W2＝－200J，由热力学第一定律ΔU2＝W2＋Q2，可得Q2＝70J，即吸收的热量为70J.答案：(1)增加130J(2)吸热70J