2021高考物理一轮复习第十三章热学第3节热力学定律与能量守恒课件鲁科版

1、第第3 3节热力学定律与能量守恒节热力学定律与能量守恒知识梳理知识梳理教材梳理教材梳理自主预习自主预习一、热力学第一定律一、热力学第一定律1.改变物体内能的两种方式改变物体内能的两种方式(1) :将其他形式的能转化为内能将其他形式的能转化为内能.(2) :物体间内能的转移物体间内能的转移.2.热力学第一定律热力学第一定律(1)内容内容:一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的 与外界对与外界对它所做的功的和它所做的功的和.(2)表达式表达式:u= .做功做功热传递热传递热量热量q+w二、热力学第二定律及微观意义二、热力学第二定律及微观意义1.热力学第

2、二定律的两种表述热力学第二定律的两种表述(1)克劳修斯表述克劳修斯表述:不可能使热量从不可能使热量从 传向传向 而不引而不引起其他变化起其他变化.(2)开尔文表述开尔文表述:不可能从单一热源吸取热量不可能从单一热源吸取热量,使之完全变为有用功而使之完全变为有用功而 .或表述为或表述为“第二类永动机不可能制成第二类永动机不可能制成.”低温物体低温物体高温物体高温物体不引起其他变化不引起其他变化三、能量守恒定律和两类永动机三、能量守恒定律和两类永动机1.能量守恒定律能量守恒定律能量既不会消失能量既不会消失,也不会创生也不会创生,它只能从一种形式它只能从一种形式 为另一种形式为另一种形式,或者或者从

3、一个物体从一个物体 到另一个物体到另一个物体,而能量的而能量的 保持不变保持不变.2.两类永动机两类永动机(1)第一类永动机第一类永动机:不消耗任何能量不消耗任何能量,却源源不断地对外做功的机器却源源不断地对外做功的机器.违背违背 ,因此不可能实现因此不可能实现.(2)第二类永动机第二类永动机: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,而不引起其而不引起其他变化的机器他变化的机器.违背违背 ,不可能实现不可能实现.转化转化转移转移总值总值能量守恒定律能量守恒定律热力学第二定律热力学第二定律小题检测小题检测1.思考判断思考判断(1)做功和热传递的实质是相同

4、的做功和热传递的实质是相同的.( )(2)外界压缩气体做功外界压缩气体做功20 j,气体的内能可能减少气体的内能可能减少.( )(3)在给自行车打气时在给自行车打气时,会发现打气筒的温度升高会发现打气筒的温度升高,这是因为外界对气体做功这是因为外界对气体做功.( )(4)热机中热机中,燃气的内能可以全部变为机械能而不引起其他变化燃气的内能可以全部变为机械能而不引起其他变化.( )(5)电冰箱将热量从低温物体向高温物体传递过程违背了热力学第二定律电冰箱将热量从低温物体向高温物体传递过程违背了热力学第二定律.( )(6)自由摆动的秋千摆动幅度越来越小自由摆动的秋千摆动幅度越来越小,能量正在消失能量

5、正在消失.( )2.一定质量的理想气体在某一过程中一定质量的理想气体在某一过程中,外界对气体做功外界对气体做功 7.0104 j,气体内能减气体内能减少少1.3105 j,则此过程则此过程( )a.气体从外界吸收热量气体从外界吸收热量2.0105 jb.气体向外界放出热量气体向外界放出热量2.0105 jc.气体从外界吸收热量气体从外界吸收热量6.0104 jd.气体向外界放出热量气体向外界放出热量6.0104 j解析解析:由热力学第一定律由热力学第一定律u=q+w得得q=u-w=-1.3105 j-7.0104 j=-2.0105 j,负号表示放出热量负号表示放出热量,故选故选b.b3.(多

6、选多选)关于气体的内能和热力学定律关于气体的内能和热力学定律,下列说法正确的是下列说法正确的是( )a.对气体做功可以改变其内能对气体做功可以改变其内能b.质量和温度都相同的气体质量和温度都相同的气体,内能一定相同内能一定相同c.一定量的理想气体在等压膨胀过程中一定量的理想气体在等压膨胀过程中,内能一定增加内能一定增加d.一定量的理想气体一定量的理想气体,温度越高温度越高,气体分子运动越剧烈气体分子运动越剧烈,气体内能越大气体内能越大解析解析:做功和热传递都能改变内能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所以对气体做功可以改变其内能,故故a正确正确;质量和温度都相同的气体质量和

7、温度都相同的气体,内能不一定相同内能不一定相同,还和气体的种类有关还和气体的种类有关,故故b错误错误;由由盖盖吕萨克定律可知吕萨克定律可知,一定量的理想气体在等压膨胀过程中气体温度升高一定量的理想气体在等压膨胀过程中气体温度升高,内能内能增加增加,故故c正确正确;一定量的理想气体温度越高一定量的理想气体温度越高,气体分子运动越剧烈气体分子运动越剧烈,而理想气体而理想气体内能只与温度有关内能只与温度有关,故温度越高故温度越高,其内能越大其内能越大,故故d正确正确.acd4.(2019安徽宿州质检改编安徽宿州质检改编)(多选多选)一定量的理想气体的压强一定量的理想气体的压强p与热力学温度与热力学温

8、度t的变化图象如图所示的变化图象如图所示.下列说法正确的是下列说法正确的是( )a.ab的过程中的过程中,气体对外界做功气体对外界做功,气体内能增加气体内能增加b.bc的过程中的过程中,气体体积增大气体体积增大,对外做功对外做功c.bc的过程中的过程中,气体对外界放热气体对外界放热,内能不变内能不变d.bc的过程中的过程中,气体分子与容器壁每秒碰撞的次数增加气体分子与容器壁每秒碰撞的次数增加cd解析解析:从从a到到b的过程的过程,是等容升温过程是等容升温过程,气体不对外做功气体不对外做功,气体从外界吸收热量气体从外界吸收热量,使得气体内能增加使得气体内能增加,故故a错误错误;从从b到到c的过程

9、是等温压缩过程的过程是等温压缩过程,压强增大压强增大,体积体积减小减小,外界对气体做功外界对气体做功,气体放出热量气体放出热量,内能不变内能不变,因体积减小因体积减小,分子数密度增大分子数密度增大,故气体分子与容器壁每秒碰撞的次数增加故气体分子与容器壁每秒碰撞的次数增加,故故b错误错误,c,d正确正确.考点研析考点研析感悟提升感悟提升考点一热力学第一定律考点一热力学第一定律1.对公式对公式u=q+w符号的规定符号的规定符号符号wqu+外界对物体做功外界对物体做功物体吸收热量物体吸收热量内能增加内能增加-物体对外界做功物体对外界做功物体放出热量物体放出热量内能减少内能减少2.几种特殊情况几种特殊

10、情况(1)若过程是绝热的若过程是绝热的,则则q=0,w=u,外界对物体做的功等于物体内能的增加量外界对物体做的功等于物体内能的增加量.(2)若过程中不做功若过程中不做功,即即w=0,则则q=u,物体吸收的热量等于物体内能的增加量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若过程的初、末状态物体的内能不变,即即u=0,则则 w+q=0或或w=-q.外界对外界对物体做的功等于物体放出的热量物体做的功等于物体放出的热量. 例例1 一定质量的理想气体一定质量的理想气体,状态从状态从abcda的变化过程可用如图所的变化过程可用如图所示的示的pv图线描述图线描述,其中其中da

11、为等温线为等温线,气体在状态气体在状态a时温度为时温度为ta=300 k,求求:(1)气体在状态气体在状态c时温度时温度tc;(2)若气体在若气体在ab过程中吸热过程中吸热1 000 j,则在则在ab过程中气体内能如何变化过程中气体内能如何变化?变变化了多少化了多少?答案答案:(1)375 k(2)气体内能增加增加了气体内能增加增加了400 j方法总结方法总结应用热力学第一定律的几点注意应用热力学第一定律的几点注意(1)做功看体积做功看体积:体积增大体积增大,气体对外做功气体对外做功,w为负为负;体积缩小体积缩小,外界对气体做功外界对气体做功,w为正为正.气体向真空中自由膨胀气体向真空中自由膨

12、胀,对外界不做功对外界不做功,w=0.(2)与外界绝热与外界绝热,则不发生热传递则不发生热传递,此时此时q=0.(3)由于理想气体没有分子势能由于理想气体没有分子势能,所以当它的内能变化时所以当它的内能变化时,主要体现在分子动能主要体现在分子动能的变化上的变化上,从宏观上看就是温度发生了变化从宏观上看就是温度发生了变化.(4)做功和热传递都可以改变物体的内能做功和热传递都可以改变物体的内能,因此用热力学第一定律分析问题时因此用热力学第一定律分析问题时要考虑全面要考虑全面.热力学第一定律是能量守恒定律在热学过程中的具体体现热力学第一定律是能量守恒定律在热学过程中的具体体现,将热将热力学第一定律和

13、气体状态变化的过程相结合的问题是难点力学第一定律和气体状态变化的过程相结合的问题是难点.题组训练题组训练1.(2017全国全国卷卷,33改编改编)(多选多选)如图如图,用隔板将一绝热气缸分成两部分用隔板将一绝热气缸分成两部分,隔板左隔板左侧充有理想气体侧充有理想气体,隔板右侧与绝热活塞之间是真空隔板右侧与绝热活塞之间是真空.现将隔板抽开现将隔板抽开,气体会自发气体会自发扩散至整个气缸扩散至整个气缸.待气体达到稳定后待气体达到稳定后,缓慢推压活塞缓慢推压活塞,将气体压回到原来的体积将气体压回到原来的体积.假设整个系统不漏气假设整个系统不漏气.下列说法正确的是下列说法正确的是( )a.气体自发扩散

14、前后内能相同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气体在被压缩的过程中内能增大c.在自发扩散过程中在自发扩散过程中,气体对外界做功气体对外界做功d.气体在被压缩的过程中气体在被压缩的过程中,外界对气体做功外界对气体做功abd解析解析:气体向真空自由扩散的过程中气体向真空自由扩散的过程中,对外不做功对外不做功;又气缸和活塞都绝热又气缸和活塞都绝热,不吸不吸热也不放热热也不放热,由热力学第一定律由热力学第一定律u=q+w,q=0,w=0,所以所以u=0,内能不变内能不变,选项选项a正确正确,c错误错误;气体被压缩时气体被压缩时,外界对气体做功外界对气体做功,又绝热又绝热,所以内能

15、增大所以内能增大,选项选项b,d正确正确.2.(2019福建龙岩质检改编福建龙岩质检改编)如图所示为一定质量的理想气体发生状态变化的如图所示为一定质量的理想气体发生状态变化的pv图象图象,图线图线1,2是两条等温线是两条等温线,a,b是等温线是等温线1上的两点上的两点,c,d是等温线是等温线2上的两上的两点点,图线图线ad,bc均与均与v轴平行轴平行,则下列说法正确的是则下列说法正确的是( )a.等温线等温线1对应的气体温度比等温线对应的气体温度比等温线2对应的气体温度高对应的气体温度高b.气体从状态气体从状态a变化到状态变化到状态b,气体一定放出热量气体一定放出热量c.气体从状态气体从状态b

16、变化到状态变化到状态c,气体吸收的热量比气体对外界做功少气体吸收的热量比气体对外界做功少d.气体从状态气体从状态c变化到状态变化到状态d,单位体积的气体分子数增大单位体积的气体分子数增大,但气体分子的平均但气体分子的平均动能不变动能不变d考点二热力学第二定律考点二热力学第二定律1.热力学第二定律的涵义热力学第二定律的涵义(1)自然界中诸如热传递等热力学宏观现象具有方向性自然界中诸如热传递等热力学宏观现象具有方向性,不需要借助外界提供不需要借助外界提供能量的帮助能量的帮助.(2)“不引起其他变化不引起其他变化”的含义是发生的热力学宏观过程只在本系统内完成的含义是发生的热力学宏观过程只在本系统内完

17、成,对对周围环境不产生热力学方面的影响周围环境不产生热力学方面的影响.如吸热、放热、做功等如吸热、放热、做功等.在产生其他影响在产生其他影响的条件下内能可以全部转化为机械能的条件下内能可以全部转化为机械能,如气体的等温膨胀过程如气体的等温膨胀过程.3.两类永动机的比较两类永动机的比较第一类永动机第一类永动机第二类永动机第二类永动机设计要求设计要求不需要任何动力或燃料不需要任何动力或燃料,却能不断地却能不断地对外做功的机器对外做功的机器从单一热源吸收热量从单一热源吸收热量,使之完使之完全变成功全变成功,而不产生其他影响而不产生其他影响的机器的机器不可能制不可能制成的原因成的原因违背能量守恒定律违

18、背能量守恒定律不违背能量守恒定律不违背能量守恒定律,违背热违背热力学第二定律力学第二定律例例2 以下现象违背热力学第二定律的是以下现象违背热力学第二定律的是( )a.一杯热茶在打开盖后一杯热茶在打开盖后,茶会自动变凉茶会自动变凉b.没有漏气、没有摩擦的理想热机没有漏气、没有摩擦的理想热机,其效率可能是其效率可能是100%c.桶中浑浊的泥水在静置一段时间后桶中浑浊的泥水在静置一段时间后,泥沙下沉泥沙下沉,上面的水变清上面的水变清,泥、水自动分泥、水自动分离离d.在地面上运动的物体逐渐停下来在地面上运动的物体逐渐停下来,机械能全部变为内能机械能全部变为内能b解析解析:热茶自动变凉是热量从高温物体传

19、递到低温物体热茶自动变凉是热量从高温物体传递到低温物体,可以自发进行可以自发进行;任何热任何热机效率都不可能达到机效率都不可能达到100%,b违背热力学第二定律违背热力学第二定律;泥水分离是机械能泥水分离是机械能(重力势重力势能能)向内能的转化向内能的转化,可以自发进行可以自发进行;物体因摩擦力而停下来物体因摩擦力而停下来,是机械能是机械能(动能动能)向内向内能的转化能的转化,是自发的过程是自发的过程. 针对训练针对训练 (2019湖南长沙模拟湖南长沙模拟)(多选多选)下列关于第二类永动机说法正确的是下列关于第二类永动机说法正确的是( )a.第二类永动机是指没有冷凝器第二类永动机是指没有冷凝器

20、,只有单一的热源只有单一的热源,能将从单一热源吸收的热能将从单一热源吸收的热量全部用来做功量全部用来做功,而不引起其他变化的热机而不引起其他变化的热机b.第二类永动机违背了能量守恒定律第二类永动机违背了能量守恒定律,所以不可能制成所以不可能制成c.第二类永动机违背了热力学第二定律第二类永动机违背了热力学第二定律,所以不可能制成所以不可能制成d.第二类永动机不可能制成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说明机械能可以全部转化为内能,但内能却不能但内能却不能全部转化为机械能全部转化为机械能,而不引起其他变化而不引起其他变化acd解析解析:由第二类永动机的定义知由第二类永动机的定义知

21、,a正确正确;第二类永动机违背了热力学第二定第二类永动机违背了热力学第二定律律,b错误错误,c正确正确;由热力学第二定律知由热力学第二定律知,机械能可以全部转化为内能机械能可以全部转化为内能,但内能却但内能却不能全部转化为机械能不能全部转化为机械能,而不引起其他变化而不引起其他变化,d正确正确.考点三热力学定律与气体实验定律的综合应用考点三热力学定律与气体实验定律的综合应用气体实验定律与热力学定律综合应用的分析思路气体实验定律与热力学定律综合应用的分析思路题组训练题组训练1.(2019山东泰安一模山东泰安一模)(多选多选)封闭在气缸内一定质量的理想气体由状态封闭在气缸内一定质量的理想气体由状态

22、a变到变到状态状态d,其体积其体积v与热力学温度与热力学温度t关系如图所示关系如图所示,o,a,d三点在同一直线上三点在同一直线上.则则( )a.由状态由状态a变到状态变到状态b过程中过程中,气体吸收热量气体吸收热量b.由状态由状态b变到状态变到状态c过程中过程中,气体从外界吸收热量气体从外界吸收热量,内能增加内能增加c.c状态气体的压强小于状态气体的压强小于d状态气体的压强状态气体的压强d.d状态时单位时间内与器壁单位面积碰撞的分子数比状态时单位时间内与器壁单位面积碰撞的分子数比a状态少状态少ad解析解析:由状态由状态a变到状态变到状态b为等容变化为等容变化,w=0,温度升高温度升高,u0,

23、根据热力学第一根据热力学第一定律定律u=w+q,气体吸收热量气体吸收热量q0,气体吸热气体吸热,a正确正确;由状态由状态b变到状态变到状态c过程过程中中,内能不变内能不变,b错误错误;c状态气体的压强大于状态气体的压强大于d状态气体的压强状态气体的压强,c错误错误;d状态与状态与a状态压强相等状态压强相等,d状态体积大状态体积大,单位时间内与器壁单位面积碰撞的分子数比单位时间内与器壁单位面积碰撞的分子数比a状态少状态少,d正确正确.2.(多选多选)一定量的理想气体从状态一定量的理想气体从状态a开始开始,经历三个过程经历三个过程ab,bc,ca回到原状态回到原状态,其其pt图象如图所示图象如图所

24、示.下列判断正确的是下列判断正确的是( )a.过程过程ab中气体一定吸热中气体一定吸热b.过程过程bc中气体既不吸热也不放热中气体既不吸热也不放热c.过程过程ca中外界对气体所做的功等于气体所放的热中外界对气体所做的功等于气体所放的热d.a,b和和c三个状态中三个状态中,状态状态a分子的平均动能最小分子的平均动能最小ad解析解析:过程过程ab,理想气体等容变化理想气体等容变化,温度升高温度升高,理想气体的内能增大理想气体的内能增大,气体一定吸气体一定吸热热,a正确正确;过程过程bc,理想气体等温变化理想气体等温变化,压强减小压强减小,而体积变大而体积变大,气体对外做功气体对外做功,气气体一定吸

25、热体一定吸热,b错误错误;过程过程ca,理想气体的压强不变理想气体的压强不变,温度降低温度降低,内能减小内能减小,体积减体积减小小,外界对气体做功外界对气体做功,气体对外放出的热量大于外界对气体做的功气体对外放出的热量大于外界对气体做的功,c错误错误;根据根据上述三过程可知上述三过程可知:在在a,b,c三个状态中三个状态中,状态状态a的温度最低的温度最低,根据温度是分子平均根据温度是分子平均动能的标志动能的标志,其分子的平均动能最小其分子的平均动能最小,d正确正确.(2)气体在气体在a状态到状态到b状态过程中状态过程中,压强不变压强不变,w=-pv由热力学第一定律得由热力学第一定律得u=w+q解得解得u=200 j.答案答案:(1)300 ktbta(2)气体的内能增加气体的内能增加200 j真题试做真题试做模拟演练模拟演练1.(2010福建卷福建卷,28)如图所示如图所示,一定质量的理想气体密封在绝热一定质量的理想气体密封在绝热(即与外界不发即与外界不发生热交换生热交换)容器中容器中,容器内装有一可以活动的绝热活塞容器内装有一可以活动的绝