【志鸿优化设计】（江苏专用）2014届高考物理 第十一章热学第三节热力学定律与能量守恒教学案

1 第三节第三节 热力学定律与能量守恒热力学定律与能量守恒 一 改变物体的内能有两种方式 和 二 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 与外界对它所做功的和 2 表达式 U 3 U Q W的几种特殊情况 1 若过程是绝热的 则Q 0 W U 等于物体内能的增加 2 若过程中不做功 即W 0 则Q U 等于物体内能的增加 3 若过程的始末状态物体的内能不变 即 U 0 则W Q 0 或W Q 外界对 物体做的功等于 三 热力学第二定律 1 两种表述 1 克劳修斯表述 按热传导的方向性表述 不可能使热量由低温物体传递到高温 物体 而不引起 2 开尔文表述 按机械能和内能转化过程的方向性表述 不可能从单一热源吸 收热量并把它全部用来做功 而不 2 热力学过程方向性实例 高温物体低温物体 功热 气体体积V1气体体积V2 较大 不同气体A和B混合气体AB 3 熵增加原理 在任何自然过程中 一个孤立系统的总熵不会 四 能量守恒定律 1 内容 能量既不会凭空 也不会凭空 它只能从一种形式 为另一种形式 或者 从一个物体 到另一个物体 在转化或转移的过程中其总量 2 两类永动机的比较 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 从单一热源吸热 全部用来对外做功 而不引起其他变化 违背能量守恒定律 不违背能量守恒定律 但违背热力学 第二定律 3 能源的利用 1 存在能量耗散和 2 重视利用能源时对 的影响 3 要开发新能源 如 生物质能 风能 水流能等 1 对于一定质量的气体 2 A 吸热时其内能可以不变 B 吸热时其内能一定不变 C 不吸热也不放热时其内能可以减小 D 不吸热也不放热时其内能一定不变 2 下列说法中正确的是 A 一切涉及热现象的宏观过程都具有方向性 B 一切不违反能量转化和守恒定律的物理过程都是可能实现的 C 由热力学第二定律可以判断物理过程能否自发进行 D 一切物理过程都不可能自发地进行 3 易错辨析 1 绝热过程就是等温过程 2 热量不能从低温物体传递到高温物体 一 对热力学第一定律的理解 自主探究自主探究 1 一定质量的气体 在从一个状态变化到另一个状态的过程中 吸收热量 280 J 并对外做功 120 J 试问 1 这些气体的内能发生了怎样的变化 2 如果这些气体又返回原来的状态 并放出了 24 0 J 热量 那么在返回的过程中 是气体对外界做功 还是外界对气体做功 做功多少 思考 1 U Q W中的正 负号法则 思考 2 温度 内能 热量 功的比较 二 对热力学第二定律的理解 自主探究自主探究 2 下列说法正确的是 A 热量可以自发地从冰箱内传到冰箱外 B 电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界 是因为其消耗了电能 C 电冰箱的工作原理不违反热力学第一定律 D 电冰箱的工作原理违反热力学第一定律 思考 1 电冰箱的制冷系统从冰箱内吸收的热量与释放到外界的热量相比 有怎样的 关系 思考 2 自发地 不产生其他影响 的含义是什么 命题研究一 热力学定律的应用 题例 1 如图为某种椅子与其升降部分的结构示意图 M N两筒间密闭了一定质量 的气体 M可沿N的内壁上下滑动 设筒内气体不与外界发生热交换 在M向下滑动的过 程中 A 外界对气体做功 气体内能增大 B 外界对气体做功 气体内能减小 C 气体对外界做功 气体内能增大 D 气体对外界做功 气体内能减小 解题要点 规律总结规律总结 判定物体内能变化的方法 3 1 当做功和热传递两种过程同时发生时 内能的变化就要用热力学第一定律进行综 合分析 2 做功情况看气体的体积 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 3 与外界绝热 则不发生热传递 此时Q 0 4 如果研究对象是理想气体 则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 命题研究二 气体实验定律与热力学第一定律 题例 2 2012 浙江自选模块 一定质量的理想气体 状态从A B C D A的变 化过程可用如图所示的p V图描述 图中p1 p2 V1 V2和V3为已知量 1 气体状态从A到B是 过程 填 等容 等压 或 等温 2 状态从B到C的变化过程中 气体的温度 填 升高 不变 或 降低 3 状态从C到D的变化过程中 气体 填 吸热 或 放热 4 状态从A B C D的变化过程中 气体对外界所做的总功为 解题要点 规律总结规律总结 气体实验定律与热力学定律的综合问题的处理方法 1 气体实验定律研究对象是一定质量的理想气体 2 解决具体问题时 分清气体的变化过程是求解问题的关键 根据不同的变化 找 出与之相关的气体状态参量 利用相关规律解决 3 对理想气体 只要体积变化外界对气体 或气体对外界 要做功W p V 只要 温度发生变化 其内能要发生变化 4 结合热力学第一定律 U W Q求解问题 1 一定质量的气体在某一过程中 外界对气体做了 8 104 J 的功 气体的内能减少 了 1 2 105 J 则下列各式中正确的是 A W 8 104 J U 1 2 105 J Q 4 104 J B W 8 104 J U 1 2 105 J Q 2 105 J C W 8 104 J U 1 2 105 J Q 2 104 J D W 8 104 J U 1 2 105 J Q 4 104 J 2 一个气泡从恒温水槽的底部缓慢向上浮起 若不计气泡内空气分子势能的变化 则 A 气泡对外做功 内能不变 同时放热 B 气泡对外做功 内能不变 同时吸热 C 气泡内能减少 同时放热 D 气泡内能不变 不吸热也不放热 3 如图所示 一向右开口的气缸放置在水平地面上 活塞可无摩擦移动且不漏气 气缸中间位置有小挡板 初始时 外界大气压为p0 活塞紧压小挡板处 现缓慢升高缸内 气体温度 则如下图所示的p T图象能正确反映缸内气体压强变化情况的是 4 4 1 气体膨胀对外做 100 J 的功 同时从外界吸收 120 J 的热量 则这个过程气体 的内能 选填 增加 或 减少 J 在任何自然过程中 一个孤立系 统的熵是 选填 增加 减小 或 不变 的 2 如图所示 一定质量的理想气体 由状态A沿直线AB变化到状态B 在此过程 中 气体分子平均速率的变化情况是 3 密闭容器内充满 100 的水的饱和汽 此时容器内压强为 1 标准大气压 若保 持温度不变 使其体积变为原来的一半 此时容器内水蒸气的压强等于 标准大气 压 5 参考答案参考答案 基础梳理自测基础梳理自测 知识梳理 一 做功 热传递 二 1 热量 2 Q W 3 1 外界对物体做的功 2 物体吸收的热量 3 物体放出的热量 三 1 1 其他变化 2 引起其他变化 3 减少 四 1 产生 消失 转化 转移 保持不变 3 1 品质下降 2 环境 3 太阳能 基础自测 1 AC 解析 解析 内能的改变既可以通过做功来实现 又可以通过热传递来完成 还可以 做功和热传递同时进行 由此分析知 A C 是可能的 B D 是不绝对的 故选项 A C 正确 2 AC 解析 解析 热力学第二定律指出了热现象的方向性 这也就说明了这些过程中的一 些逆过程在某些条件下也是可以发生的 但也有的是不可能发生的 选项 A C 正确 3 答案 答案 1 错误 绝热过程是系统与外界无热量交换 但不排除做功使系统温度 改变 2 错误 热量不能 自发地 由低温物体传递到高温物体 核心理解深化核心理解深化 自主探究 1 答案 答案 1 增加了 160 J 2 外界对气体做功 80 J 解析 解析 1 由热力学第一定律知 U W Q 120 J 280 J 160 J 内能增加了 160 J 2 由于气体的内能仅与状态有关 所以气体从 状态回到 状态的过程中内能的变 化应等于从 状态到 状态过程中内能的变化 则从 状态到 状态的内能应减少 160 J 即 U 160 J 又Q 240 J 根据热力学第一定律得 U W Q 所以W U Q 160 J 240 J 80 J 即外界对气体做功 80 J 提示 1 符号 WQ 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 2 1 温度 内能 热量和功是热学中相互关联的四个物理量 当物体的内能改变时 温度不一定改变 只有当通过热传递改变物体内能时才会有热量传递 但能的形式没有发 生变化 2 热量是热传递过程中的特征物理量 离开过程谈热量毫无意义 就某一状态而言 只有 内能 根本不存在 热量 和 功 因此不能说一个系统中含有 多少热量 或 多少功 3 物体的内能大并不意味着物体一定会对外做功或向外传递热量 或者做的功多 传递的热量多 只有物体内能的变化大时 过程中做的功或传递的热量才会多 自主探究 2 BC 解析 解析 热力学第一定律是热现象中内能与其他形式能的转化规律 是能的转化和守恒定律的具体表现 适用于所有的热学过程 故选项 C 正确而 D 错误 根 据热力学第二定律可知 热量不能自发地从低温物体传到高温物体 必须借助于其他系统 做功 选项 A 错误 B 正确 提示 1 由热力学第一定律可知 电冰箱制冷系统从冰箱内吸收了热量 同时消耗了 电能 释放到外界的热量比从冰箱内吸收的热量多 2 1 自发地 指明了热传递等热力学宏观过程的方向性 不需要借助外界提供能 6 量的帮助 2 不产生其他影响 的含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 考向探究突破考向探究突破 题例 1 A 解析 解析 M筒向下滑动的过程中压缩气体 对气体做功 又由于气体不与 外界发生热交换 根据热力学第一定律可知气体的内能增加 选项 A 正确 题例 2 答案 答案 1 等压 2 降低 3 放热 4 p2 V3 V1 p1 V3 V2 解析 解析 1 由p V图象可以看出 从A到B是等压变化 2 从B到C状态 气体体积不变 压强减小 由 定值可知 气体温度降低 pV T 3 从C到D状态 气体压强不变 体积减小 由 定值可知 气体温度降低 内 pV T 能减少 U 0 由于气体体积减小 外界对气体做功 W 0 由热力学第一定律 U W Q可知 Q 0 放热 4 从A B 气体体积增大 气体对外界做功W1 p2 V3 V1 从B C 气体体积 不变 W2 0 从C D 气体体积减小 外界对气体做功或气体对外界做负功 即 W3 p1 V3 V2 故从A B C D的变化过程中 气体对外界做总功 W W1 W2 W3 p2 V3 V1 p1 V3 V2 演练巩固提升演练巩固提升 1 B 解析 解析 因为外界对气体做功 W取正值 即W 8 104 J 内能减少 U取负 值 即 U 1 2 105 J 根据热力学第一定律 U W Q 可知 Q U W 1 2 105 J 8 104 J 2 105 J 即选项 B 正确 2 B 解析 解析 在气泡缓慢上升的过程中 气泡外部的压强逐渐减小 气泡膨胀 对外 做功 故气泡中空气分子的内能减小 温度降低 但由于外部恒温 且气泡缓慢上升 故 可以认为上升过程中气泡内空气的温度始终等于外界温度 内能不变 故需从外界吸收热 量 且吸收的热量等于气泡内空气对外界所做的功 选项 B 正确 3 B 解析 解析 初始时刻 活塞紧压小挡板 说明气缸中的气体压强小于外界大气压强 在缓慢升高气缸内气体温度时 气体先做等容变化