第十三单元课时3热力学定律

1、2021新亮剑高考总复习选修3-3第十三单元课时3热力学定律1磨剑课前自学目录2CONTENTS悟剑课堂精讲目 录 磨剑课前自学必备知识基础过关磨剑课前自学悟剑课堂精讲目 录必备知识基础过关考点巧讲第4页一、热力学第一定律和能量守恒定律1.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热(2)表达式:U= Q+W。2.能的转化和守恒定律(1)内容能量既不会凭空产生,也不会凭空消失,它只能从一种形式转 到另一个物体,在转化或转移的过程中能量的总量保持不变。量与外界对它所做的功的和。化为另一种形式,或者从一个物体转移目 录必备知识基础过关考点巧讲第5页(2)能源的利用存在能量

2、耗散和品 质下降。重视利用能源时对环境的影响。要开发新能源(如太阳能、生物质能、风能等)。(3)第一类永动机:违背能量守恒定律的机器被称为第一类永动机。它是不可能制成的。目 录必备知识基础过关考点巧讲第6页二、热力学第二定律1.常见的两种表述(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。(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。2.第二类永动机:违背宏观热现象方向性的机器被称为第二类永动机。这类永动机不违背能量守恒 定律,但它违背了热力学第二定律,也是不可能制成的。目 录必备知识考点巧讲基础过关第7页1.(2019 年湖北武汉单元检测)(多选

3、)在热力学第一定律的表达式 U=W+Q 中,关于U、W、Q 各个物理量的正、负,下列说法中正确的是(BCE )。A.外界对物体做功时 W 为负,内能增加时 U 为正B. 物体对外界做功时 W 为负,吸热时 Q 为正C. 吸热时 Q 为正,内能增加时U 为正D. 吸热时 Q 为负,内能增加时U 为负E. 外界对物体做功时 W 为正,吸热时 Q 为正,内能增加时U 为正目 录必备知识考点巧讲基础过关第8页2.(人教版选修 3-3 习题改编)(多选)下列现象中能够发生的是(CDE)。A. 一杯热茶在打开杯盖后,茶会自动变得更热B. 没有摩擦的理想热机可以把获得的能量全部转化为机械能C. 桶中混浊的泥

4、水在静置一段时间后,泥沙下沉,上面的水变清,泥、水自动分离D.电冰箱通电后把箱内低温物体的热量传到箱外高温物体E.机械能可以全部转化为内能,内能也可以全部用来做功转化成机械能目 录必备知识考点巧讲基础过关第9页3.(2019 年陕西榆林质量调研)(多选)关于两类永动机和热力学的两个定律,下列说法正确的是(ABE )。A.第一类永动机不可能制成是因为违反了热力学第一定律B.第二类永动机不可能制成是因为违反了热力学第二定律C. 由热力学第一定律可知,做功不一定改变内能,热传递也不一定改变内能,但同时做功和热传递一定会改变内能D. 由热力学第一定律可知,做功和热传递改变物体内能的效果和方式都相同E.

5、 由热力学第二定律可知,热量从低温物体传向高温物体是可能的,从单一热源吸收热量,完全变成功也是可能的目 录考点巧讲一对热力学第一定律的理解及应用热力学第一定律与气体实验定律、气态方程的综合应用二热力学第二定律 悟剑课堂精讲磨剑课前自学悟剑课堂精讲目 录考点巧讲必备知识基础过关第11页 对热力学第一定律的理解及应用一1. 热力学第一定律不仅反映了做功和热传递这两种方式改变内能的过程是等效的,而且给出了内能的变化量和做功与热传递之间的定量关系。2. 对公式U=Q+W 符号的规定符号WQU+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目 录考点巧讲必备知识基础过关第12页

6、对热力学第一定律的理解及应用一3.几种特殊情况(1) 若过程是绝热的,则 Q=0,W=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=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 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。目 录考点巧讲必备知识基础过关第13页例 12019 年全国卷,T33(1)某容器中的空气被光滑活塞封住,容器和活塞绝热性能良好,空气可视为理想气体。初始时容器中空气的温度与外界相同,压强大于外界。现使活塞缓慢移动, 直至容器中的空气压强与外界相同。此时,容器中空气的温

7、度 (选填“高于”“低于” 或“等于”)外界温度,容器中空气的密度 (选填“大于”“小于”或“等于”)外界空气的密度。低于大于目 录考点巧讲必备知识基础过关第14页整个过程中,容器中的空气绝热膨胀,对外做功,根据热力学第一定律 U=W+Q,容器和活塞绝热,即 Q 为零,可得内能减小,温度降低。容器中空气温度低于外界温度,但压强与外界相同,则容器中空气的密度大于外界空气的密度。目 录考点巧讲必备知识基础过关第15页(1) 气体做功情况的判定方法若气体体积增大,则气体对外做功,W0。若气体体积不变,即等容过程,则W=0。(2) 理想气体内能变化情况的判定方法对一定质量的理想气体,由于无分子势能,其

8、内能只包含分子无规则热运动的动能,其内能只与 温度有关。(3) 应用热力学第一定律时,首先要明确研究对象是哪个物体或哪几个物体组成的系统;其次要正确掌握公式的符号法则,对已知量,必须按符号法则确定它们的正负号后,再代入公式计算;对 未知量,可先按正号代入公式,根据计算结果的正负,确定问题的答案。目 录考点巧讲必备知识基础过关第16页思维拓展热力学第一定律与气体实验定律、气态方程的综合应用1.基本思路目 录考点巧讲必备知识基础过关第17页思维拓展2.四种题型(1) 等压变化:抓住气体膨胀对外界做功 W,应用热力学第一定律时 W 代入负值;气体压缩,外界对气体做功,应用热力学第一定律时 W 代入正

9、值。(2) 等容变化:气体体积不变,气体和外界之间互不做功,即 W=0,则U=Q。气体从外界吸收的热量等于内能的增加量,气体向外界放出的热量等于内能的减少量。(3) 等温变化:气体内能不变,即 U=0,Q+W=0。气体吸热后体积一定增大,膨胀对外做的功等于从外界吸收的热量;反之由于气体被压缩,外界对气体所做的功等于向外释放的热量。(4) 绝热过程,即 Q=0,则 W=U。气体体积变化导致内能变化,膨胀对外做的功等于气体内能的减少量;反之由于气体被压缩,外界对气体所做的功等于内能的增加量。目 录考点巧讲必备知识基础过关第18页例 2 (原创)如图 1 所示,横截面积为 S 的活塞将一定质量的理想

10、气体,密封在内壁光滑的圆柱形汽缸内,气体的体积为 V、温度为 2T0。现将汽缸按图 2 悬挂,此时气体的体积为 2V,然后缓慢降低气体的温度,使气体体积恢复到 V,已知大气压强为 p0,大气的温度为 T0,重力加速度为 g,气体内能 U 与温度的关系为 U=aT(a 为正常数)。求:(1) 活塞的质量 m。(2) 在缸内气体缓慢降温过程中,气体放出的热量 Q。(1)0S(2)aT +2p V0033目 录考点巧讲必备知识基础过关第19页(1)汽缸直立放置时,气体压强 p1=p0+汽缸按图 2 悬挂时,气体压强 p2=p0-根据玻意耳定律,有 p1V=p22V联立解得 m=0 S。3(2)设降温

11、后的温度为 T,根据盖吕萨克定律,有 2 =20外界对气体做功 W=p2(2V-V)由题意可知,气体内能减少 U=a(2T0-T)又根据热力学第一定律 U=W+Q解得 Q=aT0+2p0V。3目 录考点巧讲必备知识基础过关第20页热力学第一定律与理想气体结合问题热力学第一定律往往会与理想气体问题相结合,其结合点在于气体做功与体积变化的关系和内能变化与温度变化的关系,处理方法在于综合应用 =C 和热力学第一定律,具体包括如下考点:(1) 求气体状态参量,处理汽缸等类似模型的热学计算问题。(2) 确定做功与气体体积变化的关系。(3)厘清内能变化与气体温度变化的关系,根据 =C 讨论压强变化。(4)

12、根据热力学第一定律讨论吸、放热情况。注意:理想气体由于不存在分子势能,其内能的变化完全体现在分子动能的变化上,从宏观上看即温度的变化目 录考点巧讲必备知识基础过关第21页变式 1(2019 年辽宁葫芦岛一模)(多选)回热式制冷机是一种深低温设备,制冷极限约 50 K。某台回热式制冷机工作时,一定量的氦气(可视为理想气体)缓慢经历如图所示的四个过程:已知状 态 A 和 B 的温度均为 27 ,状态 C 和 D 的温度均为-133 ,下列判断正确的是(ADE )。A. 气体由状态 A 到 B 的过程,温度先升高后降低B. 气体由状态 B 到 C 的过程,内能保持不变C. 气体由状态 C 到 D 的

13、过程,分子间的平均间距减小D. 气体由状态 C 到 D 的过程,气体对外做功E. 气体由状态 D 到 A 的过程,其热力学温度与压强成正比目 录考点巧讲必备知识基础过关第22页状态 A 和 B 的温度相等,根据 =C 知,经过 A、B 的等温线应是过 A、B 的双曲线,沿直线由 A 到 B,pV 先增大后减小,所以温度先升高后降低,A 项正确;气体由状态 B 到 C 的过程,体积不变,根据 =C 知,压强减小,温度降低,内能减小,B 项错误;气体由状态 C 到 D 的过程,体积增大,分子间的平均间距增大,故C 项错误;气体由状态 C 到 D 的过程,体积增大,气体对外做功,D 项正确;气体由状

14、态 D 到 A 的过程,体积不变,根据 =C 知,其热力学温度与压强成正比,E 项正确。目 录考点巧讲必备知识基础过关第23页 热力学第二定律二1.热力学第二定律的理解(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。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。目 录考点巧讲必备知识基础过关第24页 热力学第二定律3.两类永动机的

15、比较二4.热力学过程的方向性实例(1) 高温物体(2) 功低温物体。热。(3) 气体体积 V1(4) 不同气体 A 和 B气体体积 V2(较大)。混合气体 AB。第一类永动机第二类永动机不需要任何动力或燃料,却能不断地对外做功的机器从单一热源吸收热量,使之完全变成功,而不产生其他影响的机器违背能量守恒定律,不可能制成不违背能量守恒定律,但违背热力学第二定律,不可能制成目 录考点巧讲必备知识基础过关第25页例 3(2019 年湖南长沙模拟)(多选)下列关于第二类永动机说法正确的是( ACE)。A. 第二类永动机是指没有冷凝器,只有单一的热源,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

16、的热机B. 第二类永动机违反了能量守恒定律,所以不可能制成 C.第二类永动机违背了热力学第二定律,所以不可能制成D.随着科技的发展,第二类永动机有可能制成E.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,但内能却不能全部转化为机械能,而不引起其他变化目 录考点巧讲必备知识基础过关第26页由第二类永动机的定义知,A 项正确;第二类永动机违反了热力学第二定律,不可能制成,B、D 两项错误,C 项正确;由热力学第二定律知,机械能可以全部转化为内能,但内能却不能全部转化为机械能,而不引起其他变化,E 项正确。目 录考点巧讲必备知识基础过关第27页变式 2 (2019 年陕西宝鸡中学五模)(多选)下列说法正确的是(ADE)。A.熵较大的宏观状态就是无序程度较大的宏观状态B.内能可以全部转化为机械能而不引起其他变化C. 根据热力学第二定律可知,各种形式的能可以相互转化D. 外界对物体做功,同时物体向外界放出热量,物体的内能可能不变 E.气体向真空的自由膨胀是不可逆的目 录考