高中物理高考第3講　熱力學定律與能量守恒定律-學案下載-教習網(wǎng)

?第3講　熱力學定律與能量守恒定律

知識點　　熱力學第一定律?、?br /> 1．改變物體內(nèi)能的兩種方式
(1)做功；
(2)傳熱。
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熱量與外界對它所做的功的和。
(2)表達式：ΔU＝Q＋W。
(3)ΔU＝Q＋W中物理量正、負號的意義

物理量
意義
符號
W
Q
ΔU
＋
外界對系統(tǒng)做功
系統(tǒng)吸收熱量
內(nèi)能增加
－
系統(tǒng)對外界做功
系統(tǒng)放出熱量
內(nèi)能減少
(4)ΔU＝Q＋W的三種特殊情況
①若過程是絕熱的，則Q＝0，W＝ΔU，外界對系統(tǒng)做的功等于系統(tǒng)內(nèi)能的增加。
②若外界對系統(tǒng)做功為0，即W＝0，則Q＝ΔU，系統(tǒng)吸收的熱量等于系統(tǒng)內(nèi)能的增加。此處的W包含機械功、電流功等一切功。對于不涉及其他力做功的氣體的等容過程，W＝0，Q＝ΔU。
③對于理想氣體，若過程是等溫的，即ΔU＝0，則W＋Q＝0或W＝－Q，外界對氣體做的功等于氣體放出的熱量。
知識點　　能量守恒定律　Ⅰ
1．能量守恒定律的內(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．條件性：能量守恒定律是自然界的普遍規(guī)律，某一種形式的能是否守恒是有條件的，例如，機械能守恒定律具有適用條件，而能量守恒定律是無條件的，是一切自然現(xiàn)象都遵守的基本規(guī)律。
3．第一類永動機
不需要任何動力或燃料，卻能不斷地對外做功的機器。
違背能量守恒定律，因此不可能實現(xiàn)。
知識點　　熱力學第二定律?、?br /> 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。
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，而不產(chǎn)生其他影響。或表述為“第二類永動機是不可能制成的。”
3．用熵的概念表示熱力學第二定律
在自發(fā)過程中，系統(tǒng)總是自發(fā)地向無序方向發(fā)展，即一個孤立系統(tǒng)的熵值總是不減少的。(熵增加原理)
4．第二類永動機
從單一熱庫吸收熱量并把它全部用來對外做功，而不產(chǎn)生其他影響的機器。
違背熱力學第二定律，不可能實現(xiàn)。
5．能源的利用
(1)存在能量耗散和品質(zhì)降低。
(2)重視利用能源時對環(huán)境的影響。
(3)要開發(fā)新能源(如太陽能、生物質(zhì)能、風能、水能等)。

一堵點疏通
1．做功和傳熱的實質(zhì)是相同的。(　　)
2．絕熱過程中，外界壓縮氣體做功20 J，氣體的內(nèi)能一定減少20 J。(　　)
3．根據(jù)熱力學第二定律可知，凡與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過程都具有方向性，在熱傳導中熱量只能自發(fā)地從高溫物體傳遞給低溫物體，而不能自發(fā)地從低溫物體傳遞給高溫物體。(　　)
4．熵增加原理說明一切自然過程總是沿著分子熱運動的無序性增大的方向進行。(　　)
5．隨著技術(shù)不斷進步，熱機的效率可能達到100%。(　　)
6．對能源的過度消耗將使自然界的能量不斷減少，形成能源危機。(　　)
7．在給自行車打氣時，會發(fā)現(xiàn)打氣筒的溫度升高，這是因為外界對氣體做功。(　　)
8．自由擺動的秋千擺動幅度越來越小，能量正在消失。(　　)
9．利用河水的能量使船逆水航行的設(shè)想，符合能量守恒定律。(　　)
10．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。(　　)
答案　1.×　2.×　3.√　4.√　5.×　6.×　7.√
8．×　9.√　10.×
二對點激活
1．(人教版選擇性必修第三冊·P53·T1改編)用活塞壓縮汽缸里的空氣，對空氣做了900 J的功，同時汽缸向外散熱210 J，汽缸里空氣的內(nèi)能(　　)
A．增加了1100 J B.減少了1100 J
C．增加了690 J D.減少了690 J
答案　C
解析　由熱力學第一定律ΔU＝W＋Q，得ΔU＝900 J－210 J＝690 J，即內(nèi)能增加690 J，C正確。
2．(人教版選擇性必修第三冊·P63·T2改編)(多選)下列現(xiàn)象中能夠發(fā)生的是(　　)
A．一杯熱茶在打開杯蓋后，茶會自動變得更熱
B．蒸汽機把蒸汽的內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化成機械能
C．桶中混濁的泥水在靜置一段時間后，泥沙下沉，上面的水變清，泥、水自動分離
D．電冰箱通電后把箱內(nèi)低溫物體的熱量傳到箱外高溫物體
答案　CD
解析　熱量只會自發(fā)地從高溫物體傳到低溫物體，而不會自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體，故A錯誤；機械能可以完全轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，而內(nèi)能卻不能完全轉(zhuǎn)化為機械能，故B錯誤；桶中混濁的泥水在靜置一段時間后，泥沙下沉，上面的水變清，泥、水自動分離是因為泥沙的密度大于水，故可以分離，C正確；電冰箱通電后由于壓縮機做功從而將箱內(nèi)低溫物體的熱量傳到箱外的高溫物體，故D正確。
3. (多選)如圖，一定質(zhì)量的理想氣體從狀態(tài)a出發(fā)，經(jīng)過等容變化過程ab到達狀態(tài)b，再經(jīng)過等溫變化過程bc到達狀態(tài)c，最后經(jīng)等壓變化過程ca回到狀態(tài)a。下列說法正確的是(　　)

A．在過程ab中氣體的內(nèi)能增加
B．在過程ca中外界對氣體做功
C．在過程bc中氣體從外界吸收熱量
D．在過程ca中氣體從外界吸收熱量
答案　ABC
解析　從a到b等容升壓，根據(jù)＝C可知溫度升高，一定質(zhì)量的理想氣體內(nèi)能決定于氣體的溫度，溫度升高，則內(nèi)能增加，A正確；在過程ca中壓強不變，體積減小，所以外界對氣體做功，B正確；在等溫變化過程bc中，氣體膨脹對外做功，而氣體的溫度不變，則內(nèi)能不變，根據(jù)熱力學第一定律ΔU＝W＋Q可知，氣體從外界吸收熱量，C正確；在過程ca中壓強不變，體積減小，所以外界對氣體做功，根據(jù)＝C可知溫度降低，則內(nèi)能減小，根據(jù)熱力學第一定律ΔU＝W＋Q，可知氣體一定向外界放出熱量，D錯誤。
4．地球上有很多的海水，它的總質(zhì)量約為1.4×1018噸，如果這些海水的溫度降低0.1 ℃，將要放出5.8×1023焦耳的熱量，有人曾設(shè)想將海水放出的熱量完全變成機械能來解決能源危機，但這種機器是不能制成的，其原因是(　　)
A．內(nèi)能不能轉(zhuǎn)化成機械能
B．內(nèi)能轉(zhuǎn)化成機械能不滿足熱力學第一定律
C．只從單一熱庫吸收熱量并完全轉(zhuǎn)化成機械能而不產(chǎn)生其他影響的機器不滿足熱力學第二定律
D．上述三種原因都不正確
答案　C
解析　內(nèi)能可以轉(zhuǎn)化成機械能，如熱機，A錯誤；內(nèi)能轉(zhuǎn)化成機械能的過程滿足熱力學第一定律，B錯誤；熱力學第二定律告訴我們：不可能從單一熱庫吸收熱量并把它全部用來做功，而不引起其他變化，C正確，D錯誤。

考點 1　　熱力學第一定律
改變內(nèi)能的兩種方式的比較
方式名稱比較項目
做功
傳熱
區(qū)別
內(nèi)能變化情況
外界對系統(tǒng)做功，系統(tǒng)的內(nèi)能增加；系統(tǒng)對外界做功，系統(tǒng)的內(nèi)能減少
系統(tǒng)吸收熱量，內(nèi)能增加；系統(tǒng)放出熱量，內(nèi)能減少
從能量的角度看
做功是其他形式的能與內(nèi)能相互轉(zhuǎn)化的過程
不同系統(tǒng)間或同一系統(tǒng)不同部分之間內(nèi)能的轉(zhuǎn)移
能的性質(zhì)變化情況
能的性質(zhì)發(fā)生了變化
能的性質(zhì)不變
相互聯(lián)系
做一定量的功或傳遞一定量的熱量在改變內(nèi)能的效果上是相同的
例1　(2020·山西省長治市3月線上測試改編)(多選)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和D后再回到狀態(tài)A。其中，A→B和C→D為等溫過程，B→C和D→A為絕熱過程(氣體與外界無熱量交換)。這就是著名的“卡諾循環(huán)”。該循環(huán)過程中，下列說法正確的是(　　)

A．A→B過程中，氣體對外界做功
B．B→C過程中，氣體分子的平均動能增大
C．C→D過程中，單位時間內(nèi)碰撞單位面積器壁的分子數(shù)增多
D．C→D過程中，氣體放熱
(1)B→C為絕熱過程，體積變大，對外做功，則溫度如何變化？
提示：內(nèi)能減少溫度降低。
(2)C→D為等溫過程，體積減小，壓強如何變化？
提示：增大。
嘗試解答　選ACD。
A→B過程中，溫度不變，體積增大，氣體對外界做功，故A正確；B→C過程中，絕熱膨脹，氣體對外做功，內(nèi)能減小，溫度降低，氣體分子的平均動能減小，故B錯誤；C→D過程中，等溫壓縮，體積變小，壓強增大，分子平均速率不變，則單位時間內(nèi)碰撞單位面積器壁的分子數(shù)增多，故C正確；C→D過程中，氣體內(nèi)能不變，體積減小，外界對氣體做功，則氣體放熱，故D正確。

應(yīng)用熱力學第一定律的三點注意
(1)做功情況看氣體的體積：體積增大，氣體對外做功，W為負；體積減小，外界對氣體做功，W為正。
(2)與外界絕熱，則不與外界發(fā)生熱傳遞，此時Q＝0。
(3)如果研究對象是理想氣體，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)為分子平均動能的變化，從宏觀上看就是溫度發(fā)生了變化。
[變式1－1]　 (2020·山東省泰安三模)如圖所示，開口豎直向上的薄壁絕熱汽缸內(nèi)壁光滑，缸內(nèi)下部裝有電熱絲，一定質(zhì)量的理想氣體被一絕熱活塞封閉在汽缸內(nèi)，活塞與汽缸壁緊密接觸。現(xiàn)通過電熱絲對缸內(nèi)氣體緩慢加熱，則該過程中(　　)

A．氣體的壓強增大
B．氣體的內(nèi)能增大
C．氣體分子熱運動的平均動能可能減小
D．氣體對外界做的功等于氣體吸收的熱量
答案　B
解析　電熱絲對缸內(nèi)氣體緩慢加熱過程中，因外界的大氣壓沒變，汽缸內(nèi)氣體壓強不變，氣體的溫度升高，內(nèi)能增大，A錯誤，B正確；汽缸內(nèi)氣體溫度升高，分子熱運動的平均動能增大，C錯誤；在缸內(nèi)封閉的是一定質(zhì)量的理想氣體，溫度升高，內(nèi)能增加，即ΔU>0，體積增大，對外做功，即W0，根據(jù)ΔU＝W＋Q，可知氣體對外界做的功小于氣體吸收的熱量，D錯誤。
[變式1－2]　(多選)如圖，用隔板將一絕熱汽缸分成兩部分，隔板左側(cè)充有理想氣體，隔板右側(cè)與絕熱活塞之間是真空?，F(xiàn)將隔板抽開，氣體會自發(fā)擴散至整個汽缸。待氣體達到穩(wěn)定后緩慢推壓活塞，將氣體壓回到原來的體積。假設(shè)整個系統(tǒng)不漏氣。下列說法正確的是(　　)

A．氣體自發(fā)擴散前后內(nèi)能減少
B．氣體在被壓縮的過程中內(nèi)能增大
C．在自發(fā)擴散過程中，氣體對外界沒做功
D．氣體在被壓縮過程中，氣體分子的平均動能變大
答案　BCD
解析　氣體向真空自發(fā)擴散過程，對外界不做功，且沒有傳熱，氣體的內(nèi)能不變，則C正確，A錯誤；氣體在被壓縮的過程中，外界對氣體做正功，因汽缸絕熱，故氣體內(nèi)能增大，故B正確；氣體在被壓縮的過程中內(nèi)能增加，而理想氣體無分子勢能，故氣體分子的平均動能增大，D正確。
考點 2　　熱力學第二定律
1.熱力學第一、第二定律的比較
　　定律名稱
比較項目
熱力學第一定律
熱力學第二定律
定律揭示的問題
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
指出一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀自然過程都有特定的方向性
機械能和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化
通過做功機械能與內(nèi)能互相轉(zhuǎn)化
內(nèi)能不可能在不引起其他變化的情況下完全轉(zhuǎn)化為機械能
熱量的傳遞
內(nèi)能的變化量等于外界做的功與吸收的熱量之和
說明熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳向高溫物體
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)
2．兩類永動機的比較
分類
第一類永動機
第二類永動機
設(shè)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
從單一熱庫吸收熱量，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
例2　(2020·天津部分區(qū)高三第一學期期中)下列說法正確的是(　　)
A．熱量不可能從低溫物體傳到高溫物體
B．熱量不可能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體
C．自然界中的一切宏觀過程都是具有可逆性的
D．第二類永動機不違背能量守恒定律，可以制成
(1)熱量可以自發(fā)地從低溫物體傳向高溫物體嗎？
提示：不可以。
(2)第二類永動機不可能制成是違背了能量守恒定律還是熱力學第二定律？
提示：熱力學第二定律。
嘗試解答　選B。
根據(jù)熱力學第二定律可知，不可能把熱量從低溫物體傳到高溫物體而不產(chǎn)生其他影響，即熱量不可能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體，故A錯誤，B正確；根據(jù)熱力學第二定律，一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀自然過程都是不可逆的，故C錯誤；第二類永動機沒有違背能量守恒定律，但違背了熱力學第二定律，不可能制成，故D錯誤。

對熱力學第二定律的理解
(1)在熱力學第二定律的表述中，“自發(fā)地”“不產(chǎn)生其他影響”的涵義：
①“自發(fā)地”指不需要借助外界提供能量的幫助，指明了傳熱等熱力學宏觀現(xiàn)象的方向性；
②“不產(chǎn)生其他影響”的涵義是發(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。
(2)熱力學第二定律的實質(zhì)：
自然界中進行的涉及熱現(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AB。
[變式2－1]　(2020·遼寧省錦州市一模改編)(多選)對于熱力學定律，下列說法正確的是(　　)
A．第一類永動機不可能實現(xiàn)，因為違背了能量守恒定律
B．熱力學第一定律指出，不可能達到絕對零度
C．熱力學第一定律指出，一個熱力學系統(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功的和
D．熱力學第二定律指出，不能從單一熱源吸熱全部用來對外做功而不產(chǎn)生其他影響
答案　ACD
解析　第一類永動機既不消耗能量又能源源不斷對外做功，違背了能量守恒定律，所以不可能制成，故A正確；熱力學第一定律沒有指出是否能達到絕對零度，故B錯誤；據(jù)熱力學第一定律ΔU＝Q＋W可知，一個熱力學系統(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，故C正確；熱力學第二定律指出，不能從單一熱源吸熱全部用來對外做功而不產(chǎn)生其他影響，故D正確。
[變式2－2]　(多選)關(guān)于熱力學定律，下列說法正確的是(　　)
A．科技的進步使得人類有可能生產(chǎn)出從單一熱源吸熱全部用來對外做功而不引起其他變化的熱機
B．物體對外做功，其內(nèi)能一定減少
C．氣體向真空膨脹時雖然不對外做功，但系統(tǒng)的熵是增加的
D．制冷設(shè)備實現(xiàn)從低溫熱源處吸熱，并在高溫熱源處放熱，沒有違反熱力學第二定律
答案　CD
解析　根據(jù)熱力學第二定律，不可能從單一熱源吸熱全部用來對外做功而不引起其他變化，故A錯誤；根據(jù)熱力學第一定律，物體對外做功，若同時物體吸熱，則其內(nèi)能不一定減少，故B錯誤；熵是物體內(nèi)分子運動無序程度的量度，氣體向真空膨脹時雖然不對外做功，但系統(tǒng)的熵是增加的，故C正確；制冷設(shè)備實現(xiàn)從低溫熱源處吸熱，并在高溫熱源處放熱，同時引起其他變化，例如消耗一定的電能，因此沒有違反熱力學第二定律，故D正確。
考點 3　　氣體實驗定律與熱力學第一定律的綜合應(yīng)用
解答此類問題的基本流程

　例3　(2020·江西省上饒市三模)一定質(zhì)量的理想氣體，由狀態(tài)a經(jīng)狀態(tài)b、狀態(tài)c又回到狀態(tài)a，其體積V隨溫度T的變化圖像如圖所示。已知該氣體在狀態(tài)a時溫度為T0、壓強為p0、體積為V0，在狀態(tài)b時溫度為T0、體積為2V0，在狀態(tài)c時體積為2V0，(其中T0＝300 K、壓強p0＝1.0×105 Pa、體積V0＝1.0 L)求：

(1)狀態(tài)c的溫度Tc為多少？
(2)若由狀態(tài)b到狀態(tài)c氣體吸收的熱量為Q＝100 J，則由狀態(tài)c到狀態(tài)a氣體放出的熱量Q′為多少？
(1)狀態(tài)c的壓強能確定嗎？
提示：能，pc＝pa＝p0。
(2)氣體由狀態(tài)a經(jīng)狀態(tài)b、狀態(tài)c又回到狀態(tài)a，整個過程內(nèi)能不變，由a到b內(nèi)能也不變，那么由b到c和由c到a的內(nèi)能改變有什么關(guān)系？
提示：ΔUbc＝－ΔUca。
嘗試解答　(1)600_K__(2)200_J
(1)因氣體由狀態(tài)c到a對應(yīng)的V-T圖像為過原點的直線，故發(fā)生的是等壓變化，即pa＝pc＝p0
由c到a，根據(jù)蓋—呂薩克定律有＝，代入數(shù)據(jù)得Tc＝600 K。
(2)氣體由狀態(tài)b到狀態(tài)c為等容變化，吸收的熱量等于增加的內(nèi)能，即ΔUbc＝Q
氣體由狀態(tài)c到a，溫度降低，內(nèi)能減小，體積減小，外界對氣體做功，則氣體對外放出熱量Q′，根據(jù)熱力學第一定律有ΔUca＝p0(Vc－V0)－Q′
氣體在狀態(tài)b與狀態(tài)a的溫度相等，內(nèi)能相同，有ΔUbc＝－ΔUca，即Q′＝Q＋p0V0
代入數(shù)據(jù)解得Q′＝200 J。

氣體實驗定律與熱力學定律的綜合問題的處理方法
(1)氣體實驗定律的研究對象是一定質(zhì)量的理想氣體。
(2)解決具體問題時，分清氣體的變化過程是求解問題的關(guān)鍵，根據(jù)不同的變化，找出相關(guān)的氣體狀態(tài)參量，利用相關(guān)規(guī)律解決。
(3)對理想氣體，只要體積變化，外界對氣體(或氣體對外界)做功W＝pΔV；只要溫度發(fā)生變化，其內(nèi)能就發(fā)生變化。
(4)結(jié)合熱力學第一定律ΔU＝W＋Q求解問題。
[變式3－1]　一定質(zhì)量的理想氣體從狀態(tài)A變化到狀態(tài)B再變化到狀態(tài)C，其狀態(tài)變化過程的p－V圖像如圖所示。已知該氣體在狀態(tài)C時的溫度為300 K。則：

(1)該氣體在狀態(tài)A、B時的溫度分別為多少？
(2)該氣體從狀態(tài)A到狀態(tài)B是吸熱還是放熱？請說明理由。
答案　(1)TA＝450 K(或tA＝177 ℃)　TB＝300 K(或tB＝27 ℃)　(2)放熱，理由見解析
解析　(1)B到C過程，由理想氣體狀態(tài)方程知＝
解得TB＝TC＝300 K(或tB＝27 ℃)。
又A到B為等容過程，有＝
解得TA＝450 K(或tA＝177 ℃)。
(2)根據(jù)題圖可知，從A到B氣體體積不變，
故外界對氣體做功W＝0
由TA>TB可知，內(nèi)能變化ΔU

相關(guān)學案

相關(guān)學案更多

相關(guān)學案

相關(guān)學案 更多

相關(guān)學案更多