新人教版14.3热力学定律与能量守恒学案

第3讲热力学定律与能量守恒课程标准1.知道热力学第一定律．通过有关史实，了解热力学第一定律和能量守恒定律的发现过程，体会科学探索中的挫折和失败对科学发现的意义．2.理解能量守恒定律，能用能量守恒的观点解释自然现象．体会能量守恒定律是最基本、最普遍的自然规律之一．3.通过自然界中宏观过程的方向性，了解热力学第二定律．素养目标物理观念：(1)知道热力学第一定律及其符号法则，了解能量守恒定律及永动机不可能制成．(2)知道传热、扩散现象、机械能与内能的转化具有方向性，了解能量耗散和品质降低的内容，能解释相关现象．科学思维：(1)理解热力学第一定律的公式并能进行相关的分析计算，能根据能量守恒定律解释永动机不可能制成的原因．(2)理解热力学第二定律的两种表述，学会用热力学第二定律解释自然界中的能量转化、转移及方向性问题，提高分析推理能力．必备知识·自主落实一、改变物体内能的两种方式1．________．2．热传递．二、热力学第一定律实质是能量守恒定律1．内容：一个热力学系统的内能变化量等于外界向它传递的________与外界对它所做的功的和．2．表达式：ΔU＝________．3．表达式中的正、负号法则符号WQΔU＋外界对物体做功物体________热量内能________－物体对外界做功物体________热量内能________三、能量守恒定律1．内容：能量既不会凭空________，也不会凭空消失，它只能从一种形式________为其他形式，或者是从一个物体________到别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量________．2．第一类永动机是不可能制成的，它违背了________________．四、热力学第二定律1．热力学第二定律的两种表述(1)克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传到高温物体．不需要任何第三者介入，就能发生(2)开尔文表述：不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响．或表述为“________永动机是不可能制成的”．2．热力学第二定律的微观意义一切自发过程总是沿着分子热运动的________增大的方向进行．3．第二类永动机不可能制成的原因是违背了热力学第二定律．走进生活泉城济南，以泉闻名．小张同学在济南七十二名泉之一的珍珠泉游览时，发现清澈幽深的泉池底部，不断有气泡生成，上升至水面破裂．(1)气泡在泉水里上升过程中，气泡对泉水做正功还是做负功？(2)气泡在泉水里上升过程中，气泡吸收热量还是放出热量？关键能力·精准突破考点一热力学第一定律的理解和应用1．几种特殊情况(1)若过程是绝热的，则Q＝0，W＝ΔU，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＝ΔU，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ΔU＝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．2．两点注意(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．气体向真空中自由膨胀，对外界不做功，W＝0.(2)对于理想气体要抓住温度T变化是内能变化的标志(T升高，内能增加ΔU>0，反之，内能减少ΔU<0)．针对训练1.如图是密闭的汽缸，外力推动活塞P压缩气体，对缸内气体做功800J，同时气体向外界放热200J，缸内气体的()A．温度升高，内能增加600JB．温度升高，内能减少200JC．温度降低，内能增加600JD．温度降低，内能减少200J2．如图a，一台四冲程内燃机，活塞在压缩冲程某段时间内移动的距离为m，这段过程活塞对气体的压力逐渐增大，其做的功相当于2×103N的恒力使活塞移动相同距离所做的功(图b甲)．内燃机工作时汽缸温度高于环境温度，该过程中压缩气体传递给汽缸的热量为25J.(1)求上述压缩过程中气体内能的变化量；(2)燃烧后的高压气体对活塞做功，气体推动活塞移动m，其做的功相当于9×103N的恒力使活塞移动相同距离所做的功(图b乙)，该做功过程气体传递给汽缸的热量为30J，求此做功过程气体内能的变化量．考点二热力学第二定律的理解和应用1．热力学第二定律的含义(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．在产生其他影响的条件下内能可以全部转化为机械能．2．热力学第二定律的实质热力学第二定律的每一种表述，都揭示了大量分子参与的宏观过程的方向性，进而使人们认识到自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性．3．热力学过程的方向性实例针对训练3.(多选)根据热力学第二定律，下列说法中正确的是()A．不可能从单一热库吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化B．没有冷凝器，只有单一的热库，能从单一热库吸收热量全部用来做功，而不引起其他变化的热机是可以实现的C．制冷系统将冰箱里的热量传到外界较高温度的空气中而不引起其他变化D．不可能使热量由低温物体传到高温物体，而不引起其他变化4．(多选)对于热力学定律，下列说法正确的是()A．第一类永动机不可能制成，因为违背了能量守恒定律B．热力学第一定律指出，可能达到绝对零度C．热力学第一定律指出，一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的热量与外界对它所做功的和D．热力学第二定律指出，不能从单一热源吸热全部用来对外做功而不产生其他影响考点三气体实验定律与热力学第一定律的综合应用考向1热力学第一定律与图像的综合应用例1[2022·辽宁卷]一定质量的理想气体从状态a变化到状态b，其体积V和热力学温度T变化图像如图所示，此过程中该系统()A．对外界做正功 B．压强保持不变C．向外界放热 D．内能减少[解题心得]例2[2022·江苏卷]如图所示，一定质量的理想气体分别经历a→b和a→c两个过程，其中a→b为等温过程，状态b、c的体积相同，则()A．状态a的内能大于状态bB．状态a的温度高于状态cC．a→c过程中气体吸收热量D．a→c过程中外界对气体做正功[解题心得]考向2热力学第一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的综合问题的求解思路例3[2023·陕西西安检测]如图所示，圆柱形洒水壶密封时容积为V，打气筒气室容积ΔV＝V50，某次浇花时，倒入壶中的水的体积为4V5并密封，然后开始打气，每一次打入压强为p0、体积为V50的空气，已知大气压强为p0，不计喷水细管的体积及喷水后细管内剩余液体的压强，已知气体质量m∝pVT(p为气体压强，V为气体体积，T为热力学温度(1)至少打几次气后，洒水壶里的水可以全部喷完？(2)若在喷洒过程中洒水壶中空气从外界吸收的热量为12J，求壶中空气对外做的功．[试答]例4[2023·安徽名校二联]如图所示，一个圆筒形导热汽缸开口向上竖直放置，内有活塞，其横截面积为S＝1×10－4m2，质量为m＝1kg，活塞与汽缸之间无摩擦且不漏气，其内密封有一定质量的理想气体，气柱高度h＝m．已知大气压强p0＝×105Pa，重力加速度g＝10m/s2.(1)如果在活塞上缓慢堆放一定质量的细砂，气柱高度变为原来的23，求砂子的质量m砂(2)如果在(1)基础上给汽缸底缓慢加热，使活塞恢复到原高度，此过程中气体吸收热量5J，求气体内能的增量ΔU.[试答]第3讲热力学定律与能量守恒必备知识·自主落实一、1．做功二、1．热量2．Q＋W3．吸收增加放出减少三、1．产生转化转移保持不变2．能量守恒定律四、1．(2)第二类2．无序性走进生活答案：(1)气泡对泉水做正功．(2)气泡吸收热量．关键能力·精准突破1．解析：外界对气体做功W＝800J，气体向外散热，则Q＝－200J，根据热力学第一定律得，气体内能的增量ΔU＝W＋Q＝800J－200J＝600J，即内能增加600J；对于一定质量的理想气体，内能增加，温度必然升高．A项正确．答案：A2．解析：(1)压缩过程活塞对气体做的功W1＝F1l1＝2×103×J＝200J气体内能的变化量ΔU1＝W1＋Q1＝200J－25J＝175J.(2)气体膨胀过程中气体对外界所做的功W2＝F2l2＝－9×103×J＝－900J气体内能的变化量ΔU2＝W2＋Q2＝－900J－30J＝－930J汽缸内气体在压缩过程中内能增加了175J，在膨胀做功过程中气体内能减少了930J.答案：(1)175J(2)减少了930J3．解析：热力学第二定律揭示了与热现象有关的物理过程的方向性．机械能和内能的转化过程具有方向性，机械能可以全部转化为内能，而内能要全部转化为机械能必须借助外界的帮助，因而会引起其他变化，选项A正确，选项B错误；传热过程也具有方向性，热量能自发地从高温物体传到低温物体，但要从低温物体传到高温物体，必然会引起其他变化(外界对系统做功)，选项C错误，选项D正确．答案：AD4．解析：第一类永动机既不消耗能量又能源源不断对外做功，违背了能量守恒定律，所以不可能制成，A正确；绝对零度是无法达到的，故B错误；根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W可知，一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和，故C正确；热力学第二定律指出，不能从单一热源吸热全部用来对外做功而不产生其他影响，故D正确．答案：ACD例1解析：理想气体从状态a变化到状态b，体积增大，理想气体对外界做正功，A正确；由题图V­T图像可知V＝V0＋kT，根据理想气体的状态方程有pVT＝C，联立有p＝Ck+V0T，可看出T增大，p增大，选项B错误；理想气体从状态a变化到状态b，温度升高，内能增大，D错误；理想气体对外界做正功且内能增大，答案：A例2解析：由于a→b的过程为等温过程，即状态a和状态b温度相同，根据温度是气体分子平均动能的标志，可知状态a和状态b的分子平均动能相同，而理想气体内能只与温度有关，所以理想气体状态a的内能等于状态b的内能，选项A错误；由于状态b和状态c体积相同，且pb<pc，根据理想气体状态方程pbVbTb＝pcVcTc，可知Tb<Tc，又因为Tb＝Ta，故Ta<Tc，选项B错误；因为a→c过程气体体积增大，气体对外界做正功；而气体温度升高，内能增加，根据热力学第一定律，ΔU＝W答案：C例3解析：(1)对洒水壶中的气体，状态1：p1＝p0，V1＝V设至少打n次气后洒水壶中气体为状态2：p2，V2＝V当水刚好全部喷洒完毕时气体为状态3：p3＝p0，V3＝V气体由状态1到状态2，根据质量关系有p1V1＋np0ΔV＝p2V2气体由状态2到状态3做等温变化，由玻意耳定律有p2V2＝p3V3联立解得n＝40次．(2)喷洒过程中由于环境温度不变，气体内能不变，根据热力学第一定律