新課標(biāo)2023版高考物理一輪總復(fù)習(xí)第十四章熱學(xué)第4講熱力學(xué)定律與能量守恒定律課件

第4講熱力學(xué)定律與能量守恒定律一、熱力學(xué)第一定律1．改變物體內(nèi)能的兩種方式(1)______

；(2)________

。2．熱力學(xué)第一定律(1)內(nèi)容：一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)能變化量等于外界向它傳遞的______與外界對(duì)它所做的功的和。(2)表達(dá)式：ΔU＝________。做功熱傳遞熱量Q＋W(3)符號(hào)法則二、熱力學(xué)第二定律1．熱力學(xué)第二定律的兩種表述(1)克勞修斯表述：熱量不能_______從低溫物體傳到高溫物體。(2)開(kāi)爾文表述：不可能從單一熱庫(kù)吸收熱量，使之完全變成功，而不產(chǎn)生其他影響。2．熱力學(xué)第二定律的“熵”描述：在任何自然過(guò)程中，一個(gè)孤立系統(tǒng)的總熵不會(huì)減小。物理量WQΔU＋外界對(duì)物體做功物體_____熱量?jī)?nèi)能______－物體對(duì)外界做功物體______熱量?jī)?nèi)能_____吸收增加放出減少自發(fā)地三、能量守恒定律1．內(nèi)容：能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為其他形式，或者從一個(gè)物體______到別的物體，在轉(zhuǎn)化或_____的過(guò)程中，能量的總量保持不變。2．普適性：能量守恒定律是自然界的普遍規(guī)律。[注意]

(1)某一種形式的能(如：機(jī)械能)或幾種形式的能(如：動(dòng)能＋電勢(shì)能)是否守恒是有條件的。(2)第一類永動(dòng)機(jī)是不可能制成的，它違背了能量守恒定律；第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成的原因是違背了熱力學(xué)第二定律。轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)移微點(diǎn)判斷

(1)做功和熱傳遞的實(shí)質(zhì)是相同的。

()(2)外界壓縮氣體做功20J，氣體的內(nèi)能可能不變。

()(3)給自行車打氣時(shí)，發(fā)現(xiàn)打氣筒的溫度升高，這是因?yàn)榇驓馔矎耐饨缥鼰帷?)(4)可以從單一熱源吸收熱量，使之完全變成功。

()(5)熱機(jī)中，燃?xì)獾膬?nèi)能可以全部變?yōu)闄C(jī)械能而不引起其他變化。

()(6)自由擺動(dòng)的秋千擺動(dòng)幅度越來(lái)越小，能量正在消失。

()(7)利用河水的能量使船逆水航行的設(shè)想，符合能量守恒定律。

()(8)第一類永動(dòng)機(jī)違反了熱力學(xué)第二定律。

()(9)第二類永動(dòng)機(jī)違反了能量守恒定律。

()×√×√××√××(一)熱力學(xué)第一定律的理解及應(yīng)用[題點(diǎn)全練通]1．[熱力學(xué)第一定律的理解](2021·山東等級(jí)考)

如圖所示，密封的礦泉水瓶中，距瓶口越近水的溫度越高。一開(kāi)口向下、導(dǎo)熱良好的小瓶置于礦泉水瓶中，小瓶中封閉一段空氣。擠壓礦泉水瓶，小瓶下沉到底部；松開(kāi)后，小瓶緩慢上浮。上浮過(guò)程中，小瓶?jī)?nèi)氣體

(

)A．內(nèi)能減少B．對(duì)外界做正功C．增加的內(nèi)能大于吸收的熱量D．增加的內(nèi)能等于吸收的熱量答案：B

2．[公式ΔU＝W＋Q中符號(hào)法則的理解]一定質(zhì)量的理想氣體在某一過(guò)程中，外界對(duì)氣體做功7.0×104J，氣體內(nèi)能減少1.3×105J，則此過(guò)程

(

)A．氣體從外界吸收熱量2.0×105JB．氣體向外界放出熱量2.0×105JC．氣體從外界吸收熱量6.0×104JD．氣體向外界放出熱量6.0×104J解析：由熱力學(xué)第一定律ΔU＝W＋Q得Q＝ΔU－W＝－1.3×105J－7.0×104J＝－2.0×105J，即氣體向外界放出熱量2.0×105J，B正確。答案：B3．[熱力學(xué)第一定律在絕熱系統(tǒng)中的應(yīng)用]如圖是某同學(xué)利用汽缸設(shè)計(jì)的汽車加速度傳感器示意圖，將汽缸水平固定在汽車上且開(kāi)口向后，內(nèi)壁光滑，用活塞封閉一定質(zhì)量氣體，通過(guò)活塞的移動(dòng)判斷汽車加速和減速的情況。若汽缸和活塞均絕熱，汽車由勻速變?yōu)榧铀偾斑M(jìn)，汽缸內(nèi)氣體

(

)A．單位體積內(nèi)的分子數(shù)變多B．分子的平均動(dòng)能變大C．單位時(shí)間分子撞擊活塞的次數(shù)減少D．內(nèi)能變大解析：對(duì)活塞進(jìn)行受力分析，如圖所示，當(dāng)汽車勻速時(shí)，由平衡關(guān)系可知p0S＝pS，p0＝p，當(dāng)汽車加速時(shí)，由平衡關(guān)系變?yōu)榧铀龠\(yùn)動(dòng)，且加速度a方向向左，由牛頓第二定律可得p0S－pS＝ma，故可知p0>p，壓強(qiáng)變小，即體積變大。故單位體積內(nèi)的分子數(shù)變少；單位時(shí)間內(nèi)分子撞擊活塞的次數(shù)減小，故A錯(cuò)誤，C正確；由熱學(xué)第一定律可知ΔU＝Q＋W，題中絕熱，故可知Q等于0，體積變大，W為負(fù)值，故內(nèi)能減小，分子平均動(dòng)能也減小，故B、D錯(cuò)誤。答案：C[要點(diǎn)自悟明]1．對(duì)熱力學(xué)第一定律的理解(1)做功和熱傳遞在改變系統(tǒng)內(nèi)能上是等效的。(2)做功過(guò)程是系統(tǒng)與外界之間的其他形式能量與內(nèi)能的相互轉(zhuǎn)化。(3)熱傳遞過(guò)程是系統(tǒng)與外界之間內(nèi)能的轉(zhuǎn)移。2．熱力學(xué)第一定律的三種特殊情況(1)若過(guò)程是絕熱的，則Q＝0，W＝ΔU，外界對(duì)物體做的功等于物體內(nèi)能的增加。(2)若過(guò)程中不做功，則W＝0，Q＝ΔU，物體吸收的熱量等于物體內(nèi)能的增加。(3)若過(guò)程的始、末狀態(tài)物體的內(nèi)能不變，則W＋Q＝0，即物體吸收的熱量全部用來(lái)對(duì)外做功，或外界對(duì)物體做的功等于物體放出的熱量。(二)熱力學(xué)第二定律的理解1．熱力學(xué)第二定律的含義(1)“自發(fā)地”指明了熱傳遞等熱力學(xué)宏觀現(xiàn)象的方向性，不需要借助外界提供能量的幫助。(2)“不產(chǎn)生其他影響”的含義是發(fā)生的熱力學(xué)宏觀過(guò)程只在本系統(tǒng)內(nèi)完成，對(duì)周圍環(huán)境不產(chǎn)生熱力學(xué)方面的影響，如吸熱、放熱、做功等。在產(chǎn)生其他影響的條件下內(nèi)能可以全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，如氣體的等溫膨脹過(guò)程。2．熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)熱力學(xué)第二定律的每一種表述，都揭示了大量分子參與的宏觀過(guò)程的方向性，進(jìn)而使人們認(rèn)識(shí)到自然界中進(jìn)行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過(guò)程都具有方向性。3．熱力學(xué)第一、第二定律的比較

類別熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第二定律由定律揭示的問(wèn)題從能量守恒的角度揭示了功、熱量和內(nèi)能改變量三者的定量關(guān)系自然界中出現(xiàn)的宏觀過(guò)程是有方向性的機(jī)械能和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化當(dāng)摩擦力做功時(shí)，機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能內(nèi)能不可能在不引起其他變化的情況下完全變成機(jī)械能熱量的傳遞熱量可以從高溫物體自發(fā)傳向低溫物體熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳向高溫物體兩定律的關(guān)系在熱力學(xué)中，兩者既相互獨(dú)立，又互為補(bǔ)充，共同構(gòu)成了熱力學(xué)知識(shí)的理論基礎(chǔ)4．兩類永動(dòng)機(jī)的比較永動(dòng)機(jī)第一類永動(dòng)機(jī)第二類永動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)要求不需要任何動(dòng)力或燃料，卻能不斷地對(duì)外做功的機(jī)器從單一熱源吸收熱量，使之完全變成功，而不產(chǎn)生其他影響的機(jī)器不可能制成的原因違背能量守恒定律不違背能量守恒定律，違背熱力學(xué)第二定律[多維訓(xùn)練]1．下列關(guān)于熱力學(xué)第二定律的說(shuō)法正確的是

(

)A．所有符合能量守恒定律的宏觀過(guò)程都能發(fā)生B．一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀自然過(guò)程都是不可逆的C．機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，在不產(chǎn)生其他影響的情況下，內(nèi)能可以全部用來(lái)做功而轉(zhuǎn)化成機(jī)械能D．氣體向真空的自由膨脹是可逆的解析：符合能量守恒定律，但違背熱力學(xué)第二定律的宏觀過(guò)程不能發(fā)生，A錯(cuò)誤；一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀自然過(guò)程都是不可逆的，B正確；機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，在不產(chǎn)生其他影響的情況下，內(nèi)能無(wú)法全部用來(lái)做功而轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，C錯(cuò)誤；氣體向真空的自由膨脹是不可逆的，D錯(cuò)誤。答案：B

2．(多選)下列說(shuō)法正確的是

(

)A．一定質(zhì)量的理想氣體放出熱量，則分子平均動(dòng)能一定減少B．熱力學(xué)第二定律是反映宏觀自然過(guò)程的方向性的定律C．根據(jù)熱力學(xué)第二定律可知，熱機(jī)的效率不可能達(dá)到100%D．一定質(zhì)量的理想氣體膨脹時(shí)對(duì)外界做了功，它的內(nèi)能可能減少解析：根據(jù)熱力學(xué)第一定律ΔU＝W＋Q可知，一定質(zhì)量的理想氣體放出熱量，Q為負(fù)值，但若外界同時(shí)對(duì)氣體做功，W為正，則其內(nèi)能不一定減少，分子平均動(dòng)能不一定減少，A錯(cuò)誤；一定質(zhì)量的理想氣體膨脹時(shí)對(duì)外界做功，W為負(fù)值，當(dāng)Q＜|－W|時(shí)內(nèi)能減小，當(dāng)Q＞|－W|時(shí)內(nèi)能增大，當(dāng)Q＝|－W|時(shí)內(nèi)能不變，故它的內(nèi)能可能減少，D正確；熱力學(xué)第二定律就是反映宏觀自然過(guò)程的方向性的定律，B正確；由熱力學(xué)第二定律的開(kāi)爾文表述可知熱機(jī)的效率不可能達(dá)到100%，C正確。答案：BCD3．(多選)根據(jù)熱學(xué)中的有關(guān)知識(shí)，判斷下列說(shuō)法中正確的是

(

)A．機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，內(nèi)能也可以全部用來(lái)做功轉(zhuǎn)化成機(jī)械能B．自發(fā)的熱傳遞過(guò)程是向著分子熱運(yùn)動(dòng)無(wú)序性增大的方向進(jìn)行的C．盡管技術(shù)不斷進(jìn)步，熱機(jī)的效率仍不能達(dá)到100%，制冷機(jī)卻可以使溫度降到－293℃D．第一類永動(dòng)機(jī)違背能量守恒定律，第二類永動(dòng)機(jī)不違背能量守恒定律，隨著科技的進(jìn)步和發(fā)展，第二類永動(dòng)機(jī)可以被制造出來(lái)解析：機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，而內(nèi)能也可以全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，只是在這個(gè)過(guò)程中會(huì)引起其他變化，A正確；根據(jù)熱力學(xué)第二定律可知，自發(fā)的熱傳遞過(guò)程是向著分子熱運(yùn)動(dòng)無(wú)序性增大的方向進(jìn)行的，B正確；制冷機(jī)也不能使溫度降到－293℃(低于絕對(duì)零度)，C錯(cuò)誤；第一類永動(dòng)機(jī)違背能量守恒定律，第二類永動(dòng)機(jī)不違背能量守恒定律，但違背了熱力學(xué)第二定律，第二類永動(dòng)機(jī)不可能被制造出來(lái)，D錯(cuò)誤。答案：AB

(三)熱力學(xué)第一定律與氣體圖像的綜合[多維訓(xùn)練]1．[熱力學(xué)第一定律與p-V圖像的綜合](2021·全國(guó)乙卷)

(多選)如圖，一定質(zhì)量的理想氣體從狀態(tài)a(p0、V0、T0)經(jīng)熱力學(xué)過(guò)程ab、bc、ca后又回到狀態(tài)a。對(duì)于ab、bc、ca三個(gè)過(guò)程，下列說(shuō)法正確的是

(

)A．a(chǎn)b過(guò)程中，氣體始終吸熱B．ca過(guò)程中，氣體始終放熱C．ca過(guò)程中，氣體對(duì)外界做功D．bc過(guò)程中，氣體的溫度先降低后升高E．bc過(guò)程中，氣體的溫度先升高后降低答案：ABE

2．[熱力學(xué)第一定律與p-T圖像的綜合]

一定量的理想氣體的壓強(qiáng)p

與熱力學(xué)溫度T的變化圖像如圖所示。下列說(shuō)法正確的是

(

)A．A→B的過(guò)程中，氣體對(duì)外界做功，氣體內(nèi)能增加B．A→B的過(guò)程中，氣體從外界吸收的熱量等于其內(nèi)能的增加量C．B→C的過(guò)程中，氣體體積增大，對(duì)外做功D．B→C的過(guò)程中，氣體對(duì)外界放熱，內(nèi)能減小解析：從A到B的過(guò)程，是等容升溫過(guò)程，氣體不對(duì)外做功，氣體從外界吸收熱量，使得氣體內(nèi)能增加，故A錯(cuò)誤，B正確；從B到C的過(guò)程是等溫壓縮過(guò)程，壓強(qiáng)增大，體積減小，外界對(duì)氣體做功，氣體放出熱量，內(nèi)能不變，故C、D錯(cuò)誤。答案：B

3．[熱力學(xué)第一定律與V-T圖像的綜合]

(2022·邯鄲模擬)如圖所示，一定質(zhì)量的理想氣體從狀態(tài)A依次經(jīng)過(guò)狀態(tài)B、C后再回到狀態(tài)A。A狀態(tài)的體積是2L，溫度是300K，B狀態(tài)的體積是4L，C狀態(tài)的體積是3L，壓強(qiáng)為2×105Pa。(1)在該循環(huán)過(guò)程中B狀態(tài)的溫度TB和A狀態(tài)的壓強(qiáng)pA是多少？(2)A→B過(guò)程如果內(nèi)能變化了200J，該理想氣體是吸熱還是放熱，熱量Q是多少焦耳？答案：(1)600K

1.5×105Pa

(2)吸收熱量500J[規(guī)律方法]處理熱力學(xué)第一定律與氣體圖像的綜合問(wèn)題的思路(1)根據(jù)氣體圖像的特點(diǎn)判斷氣體的溫度、體積的變化情況，從而判斷氣體與外界的吸、放熱關(guān)系及做功關(guān)系。(2)在p-V圖像中，圖線與V軸圍成的面積表示氣體對(duì)外界或外界對(duì)氣體做的功。(3)結(jié)合熱力學(xué)第一定律判斷有關(guān)問(wèn)題。(四)熱力學(xué)定律與氣體實(shí)驗(yàn)定律的綜合[多維訓(xùn)練]1．[蓋-呂薩克定律與熱力學(xué)第一定律的綜合]如圖所示，內(nèi)壁光滑、足夠高的圓柱形汽缸豎直放置，內(nèi)有一質(zhì)量為m的活塞封閉一定質(zhì)量的理想氣體。已知活塞橫截面積為S，外界大氣壓強(qiáng)為p0，缸內(nèi)氣體溫度為T1?，F(xiàn)對(duì)汽缸內(nèi)氣體緩慢加熱，使氣體體積由V1增大到V2，該過(guò)程中氣體吸收的熱量為Q1，停止加熱并保持體積V2不變，使其降溫到T1，已知重力加速度為g，求：(1)停止加熱時(shí)缸內(nèi)氣體的溫度；(2)降溫過(guò)程中氣體放出的熱量。2．[查理定律與熱力學(xué)第一定律的綜合](2022·江蘇海安期末)如圖所示是某氣壓式柱形保溫瓶的結(jié)構(gòu)示意簡(jiǎn)圖，現(xiàn)倒入熱水，封閉活塞a，其與液面間封閉一定質(zhì)量的理想氣體，此時(shí)瓶?jī)?nèi)氣體溫度為T1，壓強(qiáng)為p0