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)開爾文表述：不可能從單一熱庫吸收熱量，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：在任何自然過程中，一個孤立系統(tǒng)的總熵不會減小。物理量WQΔU＋外界對物體做功物體_____熱量內(nèi)能______－物體對外界做功物體______熱量內(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：能量既不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為其他形式，或者從一個物體______到別的物體，在轉(zhuǎn)化或_____的過程中，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：機械能)或幾種形式的能(如：動能＋電勢能)是否守恒是有條件的。(2)第一類永動機是不可能制成的，它違背了能量守恒定律；第二類永動機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)移微點判斷

(1)做功和熱傳遞的實質(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，發(fā)現(xiàn)打氣筒的溫度升高，這是因為打氣筒從外界吸熱。()(4)可以從單一熱源吸收熱量，使之完全變成功。

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

()(6)自由擺動的秋千擺動幅度越來越小，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)第一類永動機違反了熱力學(xué)第二定律。

()(9)第二類永動機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[題點全練通]1．[熱力學(xué)第一定律的理解](2021·山東等級考)

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；松開后，小瓶緩慢上浮。上浮過程中，小瓶內(nèi)氣體

(

)A．內(nèi)能減少B．對外界做正功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中符號法則的理解]一定質(zhì)量的理想氣體在某一過程中，外界對氣體做功7.0×104J，氣體內(nèi)能減少1.3×105J，則此過程

(

)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口向后，內(nèi)壁光滑，用活塞封閉一定質(zhì)量氣體，通過活塞的移動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．分子的平均動能變大C．單位時間分子撞擊活塞的次數(shù)減少D．內(nèi)能變大解析：對活塞進(jìn)行受力分析，如圖所示，當(dāng)汽車勻速時，由平衡關(guān)系可知p0S＝pS，p0＝p，當(dāng)汽車加速時，由平衡關(guān)系變?yōu)榧铀龠\動，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，壓強變小，即體積變大。故單位體積內(nèi)的分子數(shù)變少；單位時間內(nèi)分子撞擊活塞的次數(shù)減小，故A錯誤，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，分子平均動能也減小，故B、D錯誤。答案：C[要點自悟明]1．對熱力學(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)若過程是絕熱的，則Q＝0，W＝ΔU，外界對物體做的功等于物體內(nèi)能的增加。(2)若過程中不做功，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對外做功，或外界對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)宏觀過程只在本系統(tǒng)內(nèi)完成，對周圍環(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)化為機械能，如氣體的等溫膨脹過程。2．熱力學(xué)第二定律的實質(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程的方向性，進(jìn)而使人們認(rèn)識到自然界中進(jìn)行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性。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)的宏觀過程是有方向性的機械能和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化當(dāng)摩擦力做功時，機械能可以全部轉(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，兩者既相互獨立，又互為補充，共同構(gòu)成了熱力學(xué)知識的理論基礎(chǔ)4．兩類永動機的比較永動機第一類永動機第二類永動機設(shè)計要求不需要任何動力或燃料，卻能不斷地對外做功的機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)第二定律的說法正確的是

(

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

2．(多選)下列說法正確的是

(

)A．一定質(zhì)量的理想氣體放出熱量，則分子平均動能一定減少B．熱力學(xué)第二定律是反映宏觀自然過程的方向性的定律C．根據(jù)熱力學(xué)第二定律可知，熱機的效率不可能達(dá)到100%D．一定質(zhì)量的理想氣體膨脹時對外界做了功，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，但若外界同時對氣體做功，W為正，則其內(nèi)能不一定減少，分子平均動能不一定減少，A錯誤；一定質(zhì)量的理想氣體膨脹時對外界做功，W為負(fù)值，當(dāng)Q＜|－W|時內(nèi)能減小，當(dāng)Q＞|－W|時內(nèi)能增大，當(dāng)Q＝|－W|時內(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程的方向性的定律，B正確；由熱力學(xué)第二定律的開爾文表述可知熱機的效率不可能達(dá)到100%，C正確。答案：BCD3．(多選)根據(jù)熱學(xué)中的有關(guān)知識，判斷下列說法中正確的是

(

)A．機械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，內(nèi)能也可以全部用來做功轉(zhuǎn)化成機械能B．自發(fā)的熱傳遞過程是向著分子熱運動無序性增大的方向進(jìn)行的C．盡管技術(shù)不斷進(jìn)步，熱機的效率仍不能達(dá)到100%，制冷機卻可以使溫度降到－293℃D．第一類永動機違背能量守恒定律，第二類永動機不違背能量守恒定律，隨著科技的進(jìn)步和發(fā)展，第二類永動機可以被制造出來解析：機械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，而內(nèi)能也可以全部轉(zhuǎn)化為機械能，只是在這個過程中會引起其他變化，A正確；根據(jù)熱力學(xué)第二定律可知，自發(fā)的熱傳遞過程是向著分子熱運動無序性增大的方向進(jìn)行的，B正確；制冷機也不能使溫度降到－293℃(低于絕對零度)，C錯誤；第一類永動機違背能量守恒定律，第二類永動機不違背能量守恒定律，但違背了熱力學(xué)第二定律，第二類永動機不可能被制造出來，D錯誤。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)過程ab、bc、ca后又回到狀態(tài)a。對于ab、bc、ca三個過程，下列說法正確的是

(

)A．a(chǎn)b過程中，氣體始終吸熱B．ca過程中，氣體始終放熱C．ca過程中，氣體對外界做功D．bc過程中，氣體的溫度先降低后升高E．bc過程中，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p

與熱力學(xué)溫度T的變化圖像如圖所示。下列說法正確的是

(

)A．A→B的過程中，氣體對外界做功，氣體內(nèi)能增加B．A→B的過程中，氣體從外界吸收的熱量等于其內(nèi)能的增加量C．B→C的過程中，氣體體積增大，對外做功D．B→C的過程中，氣體對外界放熱，內(nèi)能減小解析：從A到B的過程，是等容升溫過程，氣體不對外做功，氣體從外界吸收熱量，使得氣體內(nèi)能增加，故A錯誤，B正確；從B到C的過程是等溫壓縮過程，壓強增大，體積減小，外界對氣體做功，氣體放出熱量，內(nèi)能不變，故C、D錯誤。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，壓強為2×105Pa。(1)在該循環(huán)過程中B狀態(tài)的溫度TB和A狀態(tài)的壓強pA是多少？(2)A→B過程如果內(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題的思路(1)根據(jù)氣體圖像的特點判斷氣體的溫度、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外界或外界對氣體做的功。(3)結(jié)合熱力學(xué)第一定律判斷有關(guān)問題。(四)熱力學(xué)定律與氣體實驗定律的綜合[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，外界大氣壓強為p0，缸內(nèi)氣體溫度為T1?，F(xiàn)對汽缸內(nèi)氣體緩慢加熱，使氣體體積由V1增大到V2，該過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)停止加熱時缸內(nèi)氣體的溫度；(2)降溫過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，此時瓶內(nèi)氣體溫度為T1，壓強為p0