《備考指南一輪 物理 》課件-第13章 第3講

熱學(xué)第十三章第3講熱力學(xué)定律與能量守恒【備考指南】1.知道改變內(nèi)能的兩種方式，理解熱力學(xué)第一定律.2.知道與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀物理過程的方向性，了解熱力學(xué)第二定律.3.掌握能量守恒定律及其應(yīng)用．欄目導(dǎo)航01知識(shí)梳理回顧03核心素養(yǎng)提升02要點(diǎn)各個(gè)擊破04配套訓(xùn)練知識(shí)梳理回顧11．熱力學(xué)第一定律(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________與外界對(duì)它所做的功的和．(2)表達(dá)式：ΔU＝__________.(3)ΔU＝Q＋W中正、負(fù)號(hào)法則.一熱力學(xué)第一定律與能量守恒定律熱量符號(hào)WQΔU＋外界對(duì)物體做功物體______熱量內(nèi)能______－物體對(duì)外界做功物體______熱量內(nèi)能______Q＋W

吸收增加放出減少2．能量守恒定律(1)內(nèi)容：能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)憑空消失，它只能從一種形式_______為另一種形式，或者從一個(gè)物體________到別的物體，在________或________的過程中，能量的總量保持不變．(2)能量守恒定律是一切自然現(xiàn)象都遵守的基本規(guī)律．轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)移【對(duì)點(diǎn)小練】1．(2020屆北京海淀名校)下列說法正確的是(

)A．物體溫度升高，每個(gè)分子的動(dòng)能都增加B．物體溫度升高，分子的平均動(dòng)能增加C．物體從外界吸收熱量，物體的內(nèi)能一定增加D．外界對(duì)物體做功，物體的內(nèi)能一定增加【答案】B【解析】物體溫度升高時(shí)平均分子動(dòng)能增加，但并非每個(gè)分子動(dòng)能都增加，故A錯(cuò)誤，B正確；熱傳遞和做功是改變內(nèi)能的兩種方式，兩者等效，只確定一種方式不可確定內(nèi)能如何變化，故C、D錯(cuò)誤．1．兩種表述(1)第一種表述：熱量不能自發(fā)地從________物體傳遞到________物體(克勞修斯表述)．(2)第二種表述：不可能從單一熱源吸收熱量并把它全部用來做功而不引起其他變化(開爾文表述)．2．第二類永動(dòng)機(jī)是指設(shè)想只從單一熱源吸收熱量，使之完全變?yōu)橛杏玫墓Χ灰鹌渌兓臒釞C(jī)．這類永動(dòng)機(jī)不可能制成的原因是其違反了_______________．二熱力學(xué)第二定律低溫高溫

熱力學(xué)第二定律

【對(duì)點(diǎn)小練】1．(多選)(2019屆益陽名校月考)下列有關(guān)熱力學(xué)第二定律的說法不正確的有(

)A．氣體自發(fā)地?cái)U(kuò)散運(yùn)動(dòng)總是向著更為無序的方向進(jìn)行，是可逆過程B．第二類永動(dòng)機(jī)雖然不違反能量守恒定律，但它是制造不出來的C．空調(diào)既能制冷又能制熱，說明熱傳遞不具有方向性D．一定質(zhì)量的理想氣體向真空自由膨脹時(shí)，體積增大，熵減小【答案】ACD【解析】氣體自發(fā)地?cái)U(kuò)散是不可逆的，A錯(cuò)誤．第二類永動(dòng)機(jī)雖然不違反能量守恒定律，但它違反了熱力學(xué)第二定律，是制造不出來的，B正確．熱力學(xué)第二定律的內(nèi)容可以表述為：熱量不能自發(fā)地由低溫物體傳到高溫物體而不產(chǎn)生其他影響．即只要產(chǎn)生其他影響，熱量才能從低溫物體傳到高溫物體．C錯(cuò)誤．一切自然過程總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)的無序性增大的方向進(jìn)行，D錯(cuò)誤．要點(diǎn)各個(gè)擊破2要點(diǎn)1熱力學(xué)第一定律的理解與應(yīng)用1．熱力學(xué)第一定律不僅反映了做功和熱傳遞這兩種方式改變內(nèi)能的過程是等效的，而且給出了內(nèi)能的變化量和做功與熱傳遞之間的定量關(guān)系．2．對(duì)公式ΔU＝Q＋W符號(hào)的規(guī)定符號(hào)WQΔU＋外界對(duì)物體做功物體吸收熱量內(nèi)能增加－物體對(duì)外界做功物體放出熱量內(nèi)能減少3．幾種特殊情況(1)若過程是絕熱的，則Q＝0，W＝ΔU，外界對(duì)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，物體吸收的熱量等于物體內(nèi)能的增加量．(3)若過程的始、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(duì)物體做的功等于物體放出的熱量．例1

2020新春之際出現(xiàn)了罕見的新型冠狀病毒疫情．根據(jù)以往對(duì)冠狀病毒的研究，大多數(shù)病毒耐冷不耐熱，于50～60℃環(huán)境下30分鐘即可被滅活．如圖所示，在絕熱汽缸內(nèi)，有一絕熱活塞封閉一定質(zhì)量的有毒A氣體，開始時(shí)缸內(nèi)氣體溫度為27℃，封閉氣柱長為9cm，活塞橫截面積S＝50cm2.現(xiàn)通過汽缸底部電阻絲給氣體加熱一段時(shí)間，此過程中體吸熱22J，穩(wěn)定后氣體溫度變?yōu)?27℃.已知大壓強(qiáng)為105Pa，活塞與汽缸間無摩擦，不計(jì)活塞重力．求：(1)加熱后活塞到汽缸底部的距離；(2)此過程中氣體內(nèi)能改變了多少？【答案】(1)12cm

(2)7J【答案】(1)0

9J

(2)9J

3J【解析】(1)由題意知從狀態(tài)A到狀態(tài)C的過程，氣體發(fā)生等容變化．該氣體對(duì)外界做的功W1＝0.根據(jù)熱力學(xué)第一定律ΔU1＝W1＋Q1.內(nèi)能的增量ΔU1＝Q1＝9J.(2)從狀態(tài)A到狀態(tài)B的過程，體積減小，溫度升高．該氣體內(nèi)能的增量ΔU2＝ΔU1＝9J．根據(jù)熱力學(xué)第一定律有ΔU2＝W2＋Q2.從外界吸收的熱量Q2＝ΔU2－W2＝3J.要點(diǎn)2能量轉(zhuǎn)化與能量守恒定律的應(yīng)用1．能量守恒定律能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為別的形式，或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到別的物體，在轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的過程中其總量保持不變．這就是能量守恒定律．2．注意(1)能的轉(zhuǎn)化和守恒定律是自然界的普遍規(guī)律，違背該定律的第一類永動(dòng)機(jī)是永遠(yuǎn)無法實(shí)現(xiàn)的．(2)物質(zhì)不同的運(yùn)動(dòng)形式對(duì)應(yīng)著不同形式的能，各種形式的能可以相互轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移．例2

(多選)下面設(shè)想符合能量守恒定律的是(

)A．利用永久磁鐵間的作用力，造一臺(tái)永遠(yuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械B．做一條船，利用流水的能量逆水行舟C．通過太陽照射飛機(jī)，即使飛機(jī)不帶燃料也能飛行D．利用核動(dòng)力駕駛地球離開太陽系【答案】BCD【解析】利用磁場能可以使磁鐵所具有的磁場能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，但由于摩擦力的不可避免性，動(dòng)能最終轉(zhuǎn)化為內(nèi)能使機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)停止，故A不符合．讓船先靜止在水中，設(shè)計(jì)一臺(tái)水力發(fā)電機(jī)使船獲得足夠電能，然后把電能轉(zhuǎn)化為船的動(dòng)能使船逆水航行；同理可利用光能的可轉(zhuǎn)化性和電能的可收集性，使光能轉(zhuǎn)化為飛機(jī)的動(dòng)能，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)不帶燃料也能飛行，故B、C符合．設(shè)計(jì)一種利用反沖理論，以核動(dòng)力為能源，使地球獲得足夠大的能量，掙脫太陽引力的束縛而離開太陽系，故符合．練2

(多選)(2019年佛山名校模擬)如圖所示的哈勃瓶，在瓶內(nèi)塞有一氣球，氣球的吹氣口反扣在瓶口上，瓶底的圓孔上配有一個(gè)橡皮塞，玻璃瓶導(dǎo)熱性能良好．在一次實(shí)驗(yàn)中，瓶內(nèi)有氣球和橡皮塞封閉的一定質(zhì)量的氣體(可視為理想氣體)，在對(duì)氣球緩慢吹氣過程中，則瓶內(nèi)氣體(

)A．密度減少B．平均動(dòng)能增大C．對(duì)外界放出熱量D．若打開橡皮塞后瞬間，溫度將降低【答案】CD【解析】在對(duì)氣球緩慢吹氣過程中，氣球內(nèi)的氣體的量增大．根據(jù)克拉伯龍方程可知，氣體的體積若不變，則氣體壓強(qiáng)變大．瓶內(nèi)氣體的壓強(qiáng)增大，而溫度不變，所以瓶內(nèi)的氣體的體積減小，密度增大，故A錯(cuò)誤．因系統(tǒng)導(dǎo)熱可知瓶內(nèi)氣體的溫度不變，分子的平均動(dòng)能不變，故B錯(cuò)誤．溫度不變時(shí)，體積減小，理想氣體內(nèi)能不變，由熱力學(xué)第一定律知外界對(duì)氣體做功與氣體放出熱量相等，故C正確．若打開橡皮塞后瞬間，氣體將快速從瓶內(nèi)跑出，氣體對(duì)外做功，由于來不及吸收熱量，所以氣體的溫度將降低，故D正確．要點(diǎn)3對(duì)熱力學(xué)第二定律的理解1．在熱力學(xué)第二定律的表述中，“自發(fā)地”“不產(chǎn)生其他影響”的含義(1)“自發(fā)地”指明了熱傳遞等熱力學(xué)宏觀現(xiàn)象的方向性，不需要借助外界提供能量的幫助．(2)“不產(chǎn)生其他影響”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(duì)周圍環(huán)境不產(chǎn)生熱力學(xué)方面的影響，如吸熱、放熱、做功等．2．熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)熱力學(xué)第二定律的每一種表述，都揭示了大量分子參與宏觀過程的方向性，進(jìn)而使人們認(rèn)識(shí)到自然界中進(jìn)行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性．特別提醒：熱量不可能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體，但在有外界影響的條件下，熱量可以從低溫物體傳到高溫物體，如電冰箱．在引起其他變化的條件下內(nèi)能可以全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，如氣體的等溫膨脹過程．4．兩類永動(dòng)機(jī)的比較第一類永動(dòng)機(jī)第二類永動(dòng)機(jī)不需要任何動(dòng)力或燃料，卻能不斷地對(duì)外做功的機(jī)器從單一熱源吸收熱量，使之完全變成功，而不產(chǎn)生其他影響的機(jī)器違背能量守恒定律，不可能制成不違背能量守恒定律，違背熱力學(xué)第二定律，不可能制成例3

(多選)以下現(xiàn)象不違背熱力學(xué)第二定律的是(

)A．一杯熱茶在打開蓋后，茶會(huì)自動(dòng)變涼B．沒有漏氣、沒有摩擦的理想熱機(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)分離D．熱量自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體【答案】AC【解析】熱茶自動(dòng)變涼是熱從高溫物體傳遞到低溫物體，A正確；任何熱機(jī)效率都不可能達(dá)到100%，B錯(cuò)誤；泥水分離是機(jī)械能(重力勢能)向內(nèi)能的轉(zhuǎn)化，C正確；熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體，D錯(cuò)誤．練3

(多選)關(guān)于兩類永動(dòng)機(jī)和熱力學(xué)的兩個(gè)定律，下列說法不正確的是(

)A．第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成是因?yàn)檫`反了熱力學(xué)第一定律B．第一類永動(dòng)機(jī)不可能制成是因?yàn)檫`反了熱力學(xué)第二定律C．由熱力學(xué)第一定律可知做功可以改變內(nèi)能，熱傳遞也可以改變內(nèi)能，但同時(shí)做功和熱傳遞不一定會(huì)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的，從單一熱源吸收熱量，完全變成功也是可能的【答案】AB【解析】第一類永動(dòng)機(jī)違反能量守恒定律，第二類永動(dòng)機(jī)違反熱力學(xué)第二定律，兩類永動(dòng)機(jī)不可能制造出來，故A、B錯(cuò)；由熱力學(xué)第一定律可知W≠0，Q≠0，但ΔU＝W＋Q可以等于0，C對(duì)；由熱力學(xué)第二定律可知D中現(xiàn)象是可能的，但會(huì)引起其他變化，D對(duì)．本題選錯(cuò)誤的，選AB．核心素養(yǎng)提升3熱力學(xué)定律與氣體實(shí)驗(yàn)定律的綜合應(yīng)用解決熱力學(xué)定律與氣體實(shí)驗(yàn)定律等綜合問題的思路【答案】AC【解析】A→B為等溫過程，氣體的內(nèi)能不變，選項(xiàng)A正確；B→C