物理學(xué)案（新教材魯科版）第十五章熱學(xué)第3講熱力學(xué)定律與能量守恒定律

第3講熱力學(xué)定律與能量守恒定律目標(biāo)要求1.理解熱力學(xué)第一定律，知道改變內(nèi)能的兩種方式，并能用熱力學(xué)第一定律解決相關(guān)問題.2.理解熱力學(xué)第二定律，知道熱現(xiàn)象的方向性.3.知道第一類永動(dòng)機(jī)和第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成．考點(diǎn)一熱力學(xué)第一定律能量守恒定律1．改變物體內(nèi)能的兩種方式(1)________；(2)熱傳遞．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＝________.(3)表達(dá)式中的正、負(fù)號(hào)法則：物理量＋－W____對(duì)____做功____對(duì)____做功Q物體______熱量物體______熱量ΔU內(nèi)能________內(nèi)能________3.能量守恒定律(1)內(nèi)容能量既不會(huì)憑空________，也不會(huì)憑空消失，它只能從一種形式________為其他形式，或者從一個(gè)物體________到別的物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中，能量的總量________________．(2)條件性能量守恒定律是自然界的普遍規(guī)律，某一種形式的能是否守恒是有條件的．(例如：機(jī)械能守恒)(3)第一類永動(dòng)機(jī)是不可能制成的，它違背了________________________．1．做功和熱傳遞改變物體內(nèi)能的實(shí)質(zhì)是相同的．()2．絕熱過程中，外界壓縮氣體做功20J，氣體的內(nèi)能一定減少20J．()3．物體吸收熱量，同時(shí)對(duì)外做功，內(nèi)能可能不變．()1．熱力學(xué)第一定律的理解(1)內(nèi)能的變化常用熱力學(xué)第一定律進(jìn)行分析．(2)做功情況看氣體的體積：體積增大，氣體對(duì)外做功，W為負(fù)；體積縮小，外界對(duì)氣體做功，W為正．(3)與外界絕熱，則不發(fā)生熱傳遞，此時(shí)Q＝0.(4)如果研究對(duì)象是理想氣體，因理想氣體忽略分子勢(shì)能，所以當(dāng)它的內(nèi)能變化時(shí)，體現(xiàn)在分子動(dòng)能的變化上，從宏觀上看就是溫度發(fā)生了變化．2．三種特殊情況(1)若過程是絕熱的，則Q＝0，W＝ΔU，外界(物體)對(duì)物體(外界)做的功等于物體內(nèi)能的增加(減少)；(2)若過程中不做功，即W＝0，則Q＝ΔU，物體吸收(放出)的熱量等于物體內(nèi)能的增加(減少)；(3)若在過程的初、末狀態(tài)，物體的內(nèi)能不變，即ΔU＝0，則W＋Q＝0或W＝－Q，外界(物體)對(duì)物體(外界)做的功等于物體放出(吸收)的熱量．例1一定質(zhì)量的理想氣體在某一過程中，外界對(duì)氣體做功×104J，氣體內(nèi)能減少×105J，則此過程()A．氣體從外界吸收熱量×105JB．氣體向外界放出熱量×105JC．氣體從外界吸收熱量×104JD．氣體向外界放出熱量×104J聽課記錄：______________________________________________________________________________________________________________________________________例2(多選)(2021·湖南卷·15(1)改編)如圖，兩端開口、下端連通的導(dǎo)熱汽缸，用兩個(gè)輕質(zhì)絕熱活塞(截面積分別為S1和S2)封閉一定質(zhì)量的理想氣體，活塞與汽缸壁間無摩擦．在左端活塞上緩慢加細(xì)沙，活塞從A下降h高度到B位置時(shí)，活塞上細(xì)沙的總質(zhì)量為m.在此過程中，用外力F作用在右端活塞上，使活塞位置始終不變．整個(gè)過程環(huán)境溫度和大氣壓強(qiáng)p0保持不變，系統(tǒng)始終處于平衡狀態(tài)，重力加速度為g.下列說法正確的是()A．整個(gè)過程，理想氣體的分子平均動(dòng)能保持不變B．整個(gè)過程，理想氣體的內(nèi)能增大C．整個(gè)過程，理想氣體向外界釋放的熱量小于(p0S1h＋mgh)D．左端活塞到達(dá)B位置時(shí)，外力F等于eq\f(mgS2,S1)聽課記錄：______________________________________________________________________________________________________________________________________考點(diǎn)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．或表述為“________永動(dòng)機(jī)是不可能制成的”．2．熱力學(xué)第二定律的微觀意義一切自發(fā)過程總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)的______增大的方向進(jìn)行．3．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．1．可以從單一熱源吸收熱量，使之完全變成功．()2．熱機(jī)中，燃?xì)獾膬?nèi)能可以全部變成機(jī)械能而不引起其他變化．()3．熱量不可能從低溫物體傳給高溫物體．()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(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．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)象的宏觀過程都具有方向性．(1)高溫物體eq\o(,\s\up7(熱量Q能自發(fā)傳給),\s\do5(熱量Q不能自發(fā)傳給))低溫物體．(2)功eq\o(,\s\up7(能自發(fā)地完全轉(zhuǎn)化為),\s\do5(不能自發(fā)地完全轉(zhuǎn)化為))熱．(3)氣體體積V1eq\o(,\s\up7(能自發(fā)膨脹到),\s\do5(不能自發(fā)收縮到))氣體體積V2(較大)．3．兩類永動(dòng)機(jī)的比較第一類永動(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)第二定律例3(多選)下列說法正確的是()A．冰箱能使熱量從低溫物體傳遞到高溫物體，因此不遵循熱力學(xué)第二定律B．自發(fā)的熱傳導(dǎo)是不可逆的C．可以通過給物體加熱而使它運(yùn)動(dòng)起來，但不產(chǎn)生其他影響D．氣體向真空膨脹具有方向性聽課記錄：______________________________________________________________________________________________________________________________________考點(diǎn)三熱力學(xué)第一定律與圖像的綜合應(yīng)用1．氣體的狀態(tài)變化可由圖像直接判斷或結(jié)合理想氣體狀態(tài)方程eq\f(pV,T)＝C分析．2．氣體的做功情況、內(nèi)能變化及吸、放熱關(guān)系可由熱力學(xué)第一定律分析．(1)由體積變化分析氣體做功的情況：體積膨脹，氣體對(duì)外做功；氣體被壓縮，外界對(duì)氣體做功．(2)由溫度變化判斷氣體內(nèi)能變化：溫度升高，氣體內(nèi)能增大；溫度降低，氣體內(nèi)能減小．(3)由熱力學(xué)第一定律ΔU＝W＋Q判斷氣體是吸熱還是放熱．(4)在p－V圖像中，圖像與橫軸所圍面積表示氣體對(duì)外界或外界對(duì)氣體整個(gè)過程中所做的功．例4(2022·湖北卷·3)一定質(zhì)量的理想氣體由狀態(tài)a變?yōu)闋顟B(tài)c，其過程如p－V圖中a→c直線段所示，狀態(tài)b對(duì)應(yīng)該線段的中點(diǎn)．下列說法正確的是()A．a(chǎn)→b是等溫過程B．a(chǎn)→b過程中氣體吸熱C．a(chǎn)→c過程中狀態(tài)b的溫度最低D．a(chǎn)→c過程中外界對(duì)氣體做正功聽課記錄：______________________________________________________________例5(多選)如圖所示，一定質(zhì)量的理想氣體在狀態(tài)A時(shí)壓強(qiáng)為×105Pa，經(jīng)歷A→B→C→A的過程，已知B→C過程中氣體做功絕對(duì)值是C→A過程中氣體做功絕對(duì)值的3倍，下列說法中正確的是()A．C→A的過程中外界對(duì)氣體做功300JB．B→C的過程中氣體對(duì)外界做功600JC．整個(gè)過程中氣體從外界吸收600J的熱量D．整個(gè)過程中氣體從外界吸收450J的熱量聽課記錄：______________________________________________________________考點(diǎn)四熱力學(xué)第一定律與氣體實(shí)驗(yàn)定律的綜合應(yīng)用解決熱力學(xué)第一定律與氣體實(shí)驗(yàn)定律的綜合問題的思維流程例6(2023·福建寧德市模擬)一圓筒形汽缸豎直放置在水平地面上．一質(zhì)量為m、橫截面積為S的活塞將一定質(zhì)量的理想氣體封閉在汽缸內(nèi)，活塞可沿汽缸內(nèi)壁無摩擦滑動(dòng)．當(dāng)活塞靜止時(shí)，活塞與汽缸底部距離為h，如圖(a)所示．已知大氣壓強(qiáng)為p0，重力加速度為g.現(xiàn)把汽缸從圖(a)狀態(tài)緩慢轉(zhuǎn)到圖(b)狀態(tài)，在此過程中氣體溫度不變，則圖(b)狀態(tài)下氣體體積為____________．從圖(b)狀態(tài)開始給汽缸加熱，使活塞緩慢向外移動(dòng)距離l，如圖(c)所示．若此過程中氣體內(nèi)能增量為ΔU，則氣體吸收的熱量應(yīng)為____________．例7如圖所示，體積為V、內(nèi)壁光滑的圓柱形導(dǎo)熱汽缸頂部有一質(zhì)量和厚度均可忽略的活塞，汽缸內(nèi)密封有溫度為T0、壓強(qiáng)為p0的理想氣體，p0和T0分別為外界大氣的壓強(qiáng)和溫度．已知?dú)怏w內(nèi)能U與溫度T的關(guān)系為U＝aT，a為正的常量，容器內(nèi)氣體的所有變化過程都是緩慢的，求：(1)缸內(nèi)氣體與大氣達(dá)到平衡時(shí)的體積V1；(2)在活塞下降過程中，汽缸內(nèi)氣體放出的熱量．_______________________________________________________________________________