2020年高考物理一轮复习课件：专题十三 第3讲 热力学定律 能量守恒.ppt

第 3 讲　 热力学定律　能量守恒 考点 1 热力学第一定律 能量守恒定律 1. 改变物体内能的两种方式 (1)________ 是其他形式的能与内能的相互转化 过程，内能 的改变量可用 ________ 的数值来量度 . (2)___________ 是物体间内能的转移过程，内能转移量用 ________ 来量度 . 做功 做功 热传递 热量 2. 热力学第一定律 传递的热量 做的功 (1) 内容：一个热力学系统的内能增量等于外界向它 ________________ 与外界对它所 __________ 的和 . (2) 表达式： ____________________. 3. 能量守恒定律 Δ U ＝ W ＋ Q (1) 内容：能量既不能凭空产生，也不能凭空消失，它只能 从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到另一个 物体 . 在转化或转移的过程中其总量 __________. 这就是能量的 转化和守恒定律 . 保持不变 不消耗 (2) 任何违背能量守恒定律的过程都是不可能的， ________ _________ 而对外做功的第一类永动机是不可能制成的 . 能量 考点 2 热力学第二定律 1. 两种表述 (1) 克劳修斯表述：热量不能 ________ 地从低温物体传到高 温物体 ( 表述了热传递的方向性 ). (2) 开尔文表述：不 可能从单一热源吸收热量，使之完全变 成有用功而 _________________( 表述了机械能与内能转化过程 的方向性 ). 自发 不产生其他影响 2. 第二类永动机是指设想只从单一热源吸收热量，使之完 全变为有用的功而不引起其他变化的热机 . 这类永动机不可能 制成的原因是违反了 __________________. 3. 热力学第二定律的意义：揭示了有大量分子参与的宏观 过程的方向性，是独立于热力学第一定律的一个重要的自然 规律 . 热力学第二定律 4. 热力学第二定律的微观解释 (1) 一切自发过程总是沿着分子热运动的 ________ 性增大 的方向进行 . 这是热力学第二定律的微观意义 . (2) 从微观的角度看，热力学第二定律是一个统计规律：一 个孤立系统总是从熵小的状态向熵大的状态发展 ，而熵值较大 代表着较为无序，所以自发的宏观过程总是向无序度 ________ 的方向发展 . 无序 更大 【 基础自测 】 ( ) A. 一个铁块的温度升高，其内能增大 B. 物体吸收热量，其温度一定升高 C. 热量是热传递过程中物体内能变化的量 度 D. 温度高的物体比温度低的物体含有的热量多 E. 温度总是从物体热的部分传递至冷的部分 解析： 物体吸收热量，温度不一定就升高，例如晶体熔化、 液体沸腾这些过程， B 错误；热量是在热传递过程中传递能量 的多少，是过程量，因此不能说物体含有热量， D 错误；在热 传递的过程中，传递的是能量，不是温度，温度变化是能量变 化的表象， E 错误 . 故选 B 、 D 、 E. 答案： BDE ( ) A. 物体吸收热量，内能 — 定增大 B. 物体对外做功 ，内能一定减少 C. 物体吸收热量，同时对外做功，内能 可能不变 D. 物体放出热量，同时对外做功，内能可能不变 E. 物体放出热量，外界对物体做功，内能可能不变 解析： 根据热力学第一定律 Δ U ＝ W ＋ Q ，物体内能的变化 与外界对物体做功 ( 或物体对外界做功 ) ，物体从外界吸热 ( 或向 外界放热 ) 两种因素有关 . 物体吸收热量，但有可能同时对外做 功，故内能有可能不变甚至减小， A 错误；同理，物体对外做 功的同时有可能吸热，故内能不一定减少， B 错误；若物体吸 收的热量与对外做的功相等，则内能可能不变， C 正确；同理， E 正确 . 若物体放热同时对外做功，物体内能一定减少， D 错误 . 故选 A 、 B 、 D. 答案： ABD 3.( 多选 ) 如图 13-3-1 所示，某同学将空的 薄金属筒开口向下 压入水中 . 设水温均匀且恒定，筒内空气无泄漏，不计气体分子 间相互作用，则被淹没的金属筒在缓慢下降过程中，筒内空气 ) 图 13-3-1 体积减小，下列说法中正确的是 ( A. 从外界吸热 B. 向外界放热 C. 分子势能不变 D. 内能减小 E. 内能不变 解析： 水温恒定，即空气分子平均动能不变；不计分子间 相互作用，即分子势能不变，由此可知空气内能不变 . 筒内空气 体积减小，说明外界对空气做功，根据热力学第一定律知空气 放出热量 . 故 B 、 C 、 E 正确 . 答案： BCE A. 这违背了能量守恒定律 B. 在任何条件下内能都不可能转化为机械能，只有机械能 才会转化为内能 C. 机械能和内能的转化过程具有方向性，内能转化成机械 能是有条件的 D. 机械能可全部转化为内能，而内能不能全部转化为机械 能，同时不引起其他变化 E. 以上说法均不正确 解析： 机械能和内能可以相互转化，但必须通过做功来实 现；由热力学第二定律可知，内能不可能全部转化成机械能， 同时不引起其他变化；无论采用任何设备和手段进行能量转化 总是遵循能量守恒定律 . 故选 A 、 B 、 E. 答案： ABE 符号 W Q Δ U ＋ 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 热点 1 热力学第一定律 [ 热点归纳 ] 1. 对公式 Δ U ＝ Q ＋ W 符号的确定 2. 做功和热传递的区别 做功与热传递在改变内能的效果上是相同的，但是从运动 形式、能量转化的角度上看是不同的 . 做功是其他形式的运动和 热运动的转化，是其他形式的能与内能之间的转化；而热传递 则是热运动的转移，是内能的转移 . 3. 三种特殊情况 (1) 若过程是绝热的，则 Q ＝ 0 ， W ＝ Δ U ，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 ＝ Δ U ，物体吸收的热 量等于物体内能的增加量 . (3) 若过程的始末状态物体的内能不变，即 Δ U ＝ 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 . 4. 应用热力学第一定律的三点注意 (1) 做功看体积：体积增大，气体对外做功， W 为负；体积 缩小，外界对气体做功， W 为正 . 气体在真空中自由膨胀，对外 界不做功， W ＝ 0. (2) 与外界绝热，则不发生热传递，此时 Q ＝ 0. (3) 由于理想气体没有分子势能，所以当它的内能变化时， 主要体现在分子动能的变化上，从宏观上看就是温度发生了 变化 . 考向 1 利用热力学第一定律进行定性分析 【 典题 1 】 ( 多选， 2018 年新课标 Ⅰ 卷 ) 如图 13-3-2 ，一定质 量的理想气体从状态 a 开始，经历过程 ① 、 ② 、 ③ 、 ④ 到达状 ) 态 e ，对此气体，下列说法正确的是 ( A. 过程 ① 中气体的压强逐渐减小 B. 过程 ② 中气体对外界做正功 C. 过程 ④ 中气体从外界吸收了热量 D. 状态 c 、 d 的内能相等 E. 状态 d 的压强比状态 b 的压强小 图 13-3-2 解析： 由理想气体状态方程 可知， p b > p a ，即过 程 ① 中气体的压强逐渐增大， A 错误；由于过程 ② 中气体体积 增大，所以过程 ② 中气体对外做功， B 正确；过程 ④ 中气体体 积不变，对外做功为零，温度降低，内能减小，根据热力学第 一定律，过程 ④ 中气体放出热量， C 错误；由于状态 c 、 d 的温 度相等，根据理想气体的内能只与温度有关，可知状态 c 、 d 的 d 的压强比状态 b 的压强小， E 正确 . 答案： BDE 考向 2 利用热力学第一定律进行定量计算 【 典题 2 】 (2018 年江苏卷 ) 如图 13-3-3 所示，一定质量的 理想气体在状态 A 时压强为 2.0×10 5 Pa ，经历 A → B → C → A 的 过程，整个过程中对外界放出 61.4 J 热量 . 求该气体在 A → B 过 程中对外界所做的功 . 图 13-3-3 解： 整个过程中，外界对气体做功 W ＝ W AB ＋ W CA ，且 W CA ＝ p A ( V C － V A ) 由热力学第一定律 Δ U ＝ Q ＋ W ，得 W AB ＝－ ( Q ＋ W CA ) 已知 Q ＝－61.4 J 代入数据得 W AB ＝－ 138.6 J ，即气体对外界做的功为 138.6 J. 热点 2 热力学第二定律 [ 热点归纳 ] 1. 对热力学第二定律关键词的理解 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 自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性 . 如： ) 【 典题 3 】 ( 多选 ) 关于热力学定律， 下列说法正确的是 ( A. 不可以从 单一热源吸收热量，并把它全部用来做功 B. 可以从单一热源吸收热量，并把它全部用来做功 C. 不可能使热量从低温物体传向高温物体 D. 机械能转变为内能的实际宏观过程是不可逆过 程 E. 与热现象有关的变化过程都具有方向性 解析： 根据热力学第二定律，不可能从单一热源吸收热量， 并把它全部用来做功而不引起其他变化，如果可以引起其他变 化，那么完全用来做功是有可能的，故选项 A 错误， B 正确； 根据热力学第二定律，可以使热量自发地从低温物体传向高温 物体，但要引起其他变化，比如电冰箱要耗电，故选项 C 错误； 根据热力学第二定律，机械能转变为内能的实际宏观过程是不 可逆过程，故选项 D 正确； 与热学有关的变化过程都具有方 向性，选项 E 正确 . 答案： BDE 【 迁移拓展 】 ( 多选 ) 关于第二类永动机，下列说法正确的 是 ( ) A. 能将从单一热源吸收的热量全部用来做功，而不引起其 他变化的热机叫做第二类永动机 B. 第二类永动机违反了能量守恒定律，所以不可能制成 C. 第二类永动机不可能制成，说明机械能可以全部转化为 内能，内能却不可能全部转化为机械能 D. 第二类永动机不可能制成，说明机械能可以全部转化为内 能，内能却不可能在不引起其他变化的同时全部转化为机械能 E. 第二类永动机不违反能量守恒定律，但违反热力学第二 定律 答案： ADE 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 违背能量守恒定律，不可能 实现 不违背能量守恒定律，但违背热力 学第二定律，不可能实现 方法技巧： 两类永动机的比较： 热点 3 热力学定律与气体实验定律综合问题 [ 热点归纳 ] 【 典题 4 】 (2018 年新课标 Ⅱ 卷 ) 如图 13-3-4 ，一竖直放置的 气缸上端开口，气缸壁内有卡口 a 和 b ， a 、 b 间距为 h ， a 距缸 底的高度为 H ；活塞只能在 a 、 b 间移动，其下方密封有一定质 量的理想气 体 . 已知活塞质量为 m ，面积为 S ，厚度可忽略；活 塞和气缸壁均绝热，不计他们之间的摩擦 . 开始时活塞处于静止 状态，上、下方气体压强均为 p 0 ，温度均为 T 0 . 现用电热丝缓慢加热气缸中的气体，直至活塞刚 好到达 b 处 . 求此时气缸内气体的温度以及在此过 程中气体对外所做的功 . 重力加速度大小为 g . 图 13-3-4 解： 开始时活塞位于 a 处，加热后，气缸中的 气体先经历 等容过程，直至活塞开始运动 . 设此时气缸中气体的温度为 T 1 ， 压强为 p 1 ，根据查理定律有 此后，气缸中的气体经历等压过程，直至活塞刚好到达 b 处，设此时气缸中气体的温度为 T 2 ；活塞位于 a 处和 b 处时气 体的体积分别为 V 1 和 V 2 . 根据盖 · 吕萨克定律有 ④ ⑤ ⑥ 式中 V 1 ＝ SH V 2 ＝ S ( H ＋ h ) 联立 ③④⑤⑥ 式解得 ⑦ 从开始加热到活塞到达 b 处的过程中，气缸中的气体对外 做的功为 W ＝ ( p 0 S ＋ mg ) h .