高三物理一轮复习选修3-3热学第3讲热力学定律与能量守恒课件.ppt

第3讲热力学定律与能量守恒 知识梳理 知识点1热力学第一定律1 改变内能的两种方式 1 2 做功 热传递 2 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 与外界对它所做的功的和 2 表达式 热量 U Q W 3 U Q W中正 负号法则 吸收 放出 增加 减少 4 三种特殊的状态变化过程 如图所示的绝热过程 有Q 则W 外界对系统做的功等于系统内能的增加 不做功过程 即W 0 则Q 系统吸收的热量等于系统内能的增加 内能不变过程 即 U 0 则 或 外界对系统做的功等于 0 U U W Q 0 W Q 系统放出的热量 知识点2能量守恒定律1 内容 能量既不会凭空产生 也不会凭空消失 它只能 或者 在转移或转化的过程中 能量的总量保持不变 从一种形式转化为另一种形式 从一个物体转移 到别的物体 2 普适性 能量守恒定律是自然界的普遍规律 某一种形式的能是否守恒是 的 例如 机械能守恒定律具有适用条件 而能量守恒定律是 的 是一切自然现象都遵守的基本规律 有条件 无条件 知识点3热力学第二定律1 热力学第二定律的三种表述 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 如图甲所示 不可能从单一热源 使之完全变成功 而不产生其他影响 或表述为 第二类永动机不可能制成 吸收 热量 3 如图乙所示 用熵的概念表述 在任何自然过程中 一个孤立系统的总熵 热力学第二定律又叫作熵增加原理 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 的方向进行 不会减小 无序性增大 易错辨析 1 做功和热传递的实质是相同的 2 外界压缩气体做功20J 气体的内能可能不变 3 给自行车打气时 发现打气筒的温度升高 这是因为外界对气体做功 4 电冰箱的工作过程表明 热量可以从低温物体向高温物体传递 5 科技的进步可以使内燃机成为单一热源的热机 6 对能源的过度消耗将使自然界的能量不断减少 形成能源危机 7 空调机在制冷过程中 从室内吸收的热量少于向室外放出的热量 8 一定量100 的水变成100 的水蒸气 其分子之间的势能增加 提示 1 做功改变内能是其他形式能转化为内能 热传递是内能的转移 2 做功和热传递都可以改变内能 外界压缩气体做功20J 气体可能同时放热 内能可能不变 3 活塞克服摩擦做功 使筒内空气的内能增加 迅速压缩活塞对筒内空气做功 使筒内空气的内能增加 4 热量可以从低温物体向高温物体传递 但要引起其他变化 5 不可能从单一热源吸热全部用来对外做功而不引起其他变化 6 对能源的过度消耗将形成能源危机 但自然界的总能量守恒 7 空调机在制冷过程中 从室内吸收的热量少于向室外放出的热量 因为电能也部分转化为热能 8 一定量100 的水变成100 的水蒸气 温度没有变化 分子的平均动能不变 但是在这个过程中要吸热 内能增加 所以分子之间的势能必定增加 考点1热力学第一定律 核心要素精讲 1 热力学第一定律的表达 在 U Q W中 W表示做功情况 说明内能和其他形式的能可以相互转化 Q表示吸热或放热的情况 说明内能可以从一个物体转移到另一个物体 而 U Q W是能量守恒定律的具体体现 2 三种特殊情况 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 2 若过程中不做功 即W 0 Q U 物体吸收的热量等于物体内能的增加 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 3 温度 内能 热量 功的比较 高考命题探究 典例1 如图所示 固定容器及可动活塞P都是绝热的 中间有一导热的固定隔板B B的两边分别盛有气体甲和乙 现将活塞P缓慢地向B移动一段距离 已知气体的温度随其内能的增加而升高 则在移动P的过程中 世纪金榜导学号42722282 A 外力对乙做功 甲的内能不变B 外力对乙做功 乙的内能不变C 乙传递热量给甲 乙的内能增加D 乙的内能增加 甲的内能不变 解析 选C 隔板B是导热的 说明甲 乙两部分气体间有热传递 容器和活塞是绝热的 说明容器内气体与外界没有热交换 当将活塞P向B移动一段距离时 活塞压缩气体对气体乙做功 根据热力学第一定律分析得知 乙的内能增加 温度升高 由于隔板B是导热的 而升温后的乙气体温度比甲高 故热量由乙传向甲 甲的内能增加 强化训练 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200J 同时气体向外界放热100J 缸内气体的 A 温度升高 内能增加100JB 温度升高 内能减少200JC 温度降低 内能增加100JD 温度降低 内能减少200J 解析 选A 外界对气体做功 W 200J 气体向外散热 则Q 100J 根据热力学第一定律得 气体内能的增量 U W Q 200J 100J 100J 即内能增加100J 对于一定质量的理想气体 内能增加 温度必然升高 故A正确 2 2017 海淀区模拟 如图所示 在一个配有活塞的厚壁有机玻璃筒底放置一小团硝化棉 迅速向下压活塞 筒内气体被压缩后可点燃硝化棉 在筒内封闭的气体被活塞压缩的过程中 A 气体对外界做正功 气体内能增加B 外界对气体做正功 气体内能增加C 气体的温度升高 压强不变D 气体的体积减小 压强不变 解析 选B 压缩玻璃筒内的空气 气体的压强变大 机械能转化为筒内空气的内能 空气的内能增加 温度升高 当达到棉花的燃点后 棉花会燃烧 故B正确 A C D错误 规律总结 判定物体内能变化的方法 1 内能的变化都要用热力学第一定律进行综合分析 2 做功情况看气体的体积 体积增大 气体对外界做功 W为负 体积缩小 外界对气体做功 W为正 3 与外界绝热 则不发生热传递 此时Q 0 4 如果研究对象是理想气体 则由于理想气体没有分子势能 所以当它的内能变化时 主要体现在分子动能的变化上 从宏观上看就是温度发生了变化 加固训练 多选 如图所示 一个封闭的绝热汽缸 被中间的挡板分割成左右相等的两部分 左边充满一定量的某种理想气体 右边真空 现将中间的挡板移去 待气体稳定后 则 A 气体的温度不发生变化B 因为气体的体积膨胀了 所以内能降低C 气体分子的平均动能减小D 虽然气体的体积膨胀了 但是没有对外做功E 气体分子在器壁单位面积上单位时间内发生碰撞的平均次数变为原来的一半 解析 选A D E 气体在向真空膨胀的过程中没有力的作用 所以不做功 绝热过程 内能不变 故温度不变 故A正确 B错误 D正确 温度是分子热运动平均动能的标志 温度不变 故分子的平均动能不变 故C错误 气体的温度不变 体积增加为2倍 故分子热运动的平均动能不变 分子数密度减小为一半 故气体分子在器壁单位面积上单位时间内发生碰撞的平均次数变为原来的一半 故E正确 考点2热力学第二定律的理解应用 核心要素精讲 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 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 3 热力学过程方向性实例 1 高温物体低温物体 2 功热 3 气体体积V1气体体积V2 V1 V2 4 不同气体A和B混合气体AB 4 两类永动机的比较 高考命题探究 典例2 多选 2017 榆林模拟 关于第二类永动机 下列说法中正确的是世纪金榜导学号42722283 A 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 而不引起其他变化的热机叫作第二类永动机B 第二类永动机违反了能量守恒定律 所以不可能制成 C 第二类永动机不可能制成 说明机械能可以全部转化为内能 内能却不能全部转化为机械能D 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 内能却不能全部转化为机械能 同时不引起其他变化 解析 选A D 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 而不引起其他变化的热机叫作第二类永动机 故A正确 第二类永动机违反了热力学第二定律 故B错误 机械能可以全部转化为内能 内能却不能全部转化为机械能 同时不引起其他变化 故D正确 C错误 强化训练 1 如图所示中汽缸内盛有定量的理想气体 汽缸壁是导热的 缸外环境保持恒温 活塞与汽缸壁的接触是光滑的 但不漏气 现将活塞杆与外界连接 使其缓慢地向右移动 这样气体将等温膨胀并通过杆对外做功 若已知理想气体的内能只与温度有关 则下列说法正确的是 A 气体是从单一热源吸热 全用来对外做功 因此此过程违反热力学第二定律B 气体从单一热源吸热 但并未全用来对外做功 所以此过程不违反热力学第二定律C 气体是从单一热源吸热 全用来对外做功 但此过程不违反热力学第二定律D A B C三种说法都不对 解析 选C 热力学第二定律从机械能与内能转化过程的方向性来描述是 不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功 而不引起其他变化 本题中如果没有外界的帮助 比如外力拉动活塞杆使活塞向右移动 使气体膨胀对外做功 导致气体温度略微降低 是不可能从外界吸收热量的 即这一过程虽然是气体从单一热源吸热 全用来对外做功 但引起了其他变化 所以此过程不违反热力学第二定律 2 关于两类永动机和热力学的两个定律 下列说法正确的是 A 第二类永动机不可能制成是因为违反了热力学第一定律B 第一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 解析 选D 第一类永动机违反能量守恒定律 第二类永动机违反热力学第二定律 A B错 由热力学第一定律可知W 0 Q 0 但 U W Q可以等于0 C错 由热力学第二定律可知D中现象是可能的 但会引起其他变化 D对 加固训练 2017 衡水模拟 图为电冰箱的工作原理示意图 压缩机工作时 强迫致冷剂在冰箱内外的管道中不断循环 在蒸发器中致冷剂汽化吸收箱体内的热量 经过冷凝器时致冷剂液化 放出热量到箱体外 下列说法正确的是 A 热量可以自发地从冰箱内传到冰箱外B 电冰箱的致冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界 是因为其消耗了电能C 电冰箱的工作原理违反了热力学第一定律D 电冰箱的工作原理违反了热力学第二定律 解析 选B 由热力学第二定律知 热量不能自发地由低温物体传到高温物体 除非施加外部的影响和帮助 电冰箱把热量从低温的内部传到高温外部 需要压缩机的帮助并消耗电能 故A错误 B正确 在工作过程中 是消耗了电能 而使压缩机做功 故不违反热力学第一定律 故C错误 在冰箱制冷中是因为压缩机消耗了电能 从而能使冰箱源源不断地向外界散热 故D错误 考点3气体实验定律与热力学第一定律的综合 核心要素精讲 气体实验定律与热力学第一定律问题处理方法 1 气体实验定律研究对象是一定质量的理想气体 2 解决具体问题时 分清气体的变化过程是求解问题的关键 根据不同的变化 找出与之相关的气体状态参量 利用相关规律解决 3 对理想气体 只要体积变化 外界对气体 或气体对外界 要做功 如果是等压变化 W p V 只要温度发生变化 其内能就发生变化 4 结合热力学第一定律 U W Q求解问题 高考命题探究 典例3 多选 2016 全国卷 一定量的理想气体从状态a开始 经历等温或等压过程ab bc cd da回到原状态 其p T图象如图所示 其中对角线ac的延长线过原点O 下列判断正确的是 世纪金榜导学号42722284 A 气体在a c两状态的体积相等B 气体在状态a时的内能大于它在状态c时的内能C 在过程cd中气体向外界放出的热量大于外界对气体做的功D 在过程da中气体从外界吸收的热量小于气体对外界做的功E 在过程bc中外界对气体做的功等于在过程da中气体对外界做的功 思考探究 1 a b过程p V T如何变化 提示 a b压强减小 温度不变 体积增加 气体膨胀对外做功 2 b c过程p V T如何变化 提示 b c压强不变 温度降低 体积减小 外界对气体做功 同样可以判断c d温度不变 压强增大 体积减小 外界对气体做功 d a压强不变 温度升高 体积增大 膨胀气体对外做功 解析 选A B E 一定量的理想气体 在体积不变时 压强和热力学温度成正比 即Va Vc 选项A正确 气体在状态a时的温度高于在状态c时的温度 而温度是分子平均动能的标志 理想气体忽略分子间的相互作用力 气体的分子势能不变 所以气体在状态a时的内能大于它在状态c时的内能 选项B正确 cd过程为恒温升压过程 压强增大体积减小 外界对系统做正功 但系统内能不变 故放热 放出热量Q W外 选项C错误 da过程为恒压升温过程 内能增大 体积增大对外做功 故吸热 但吸收热量Q W外 E内 故Q W外 选项D错误 bc过程恒压降温 体积减小 外界对气体做功 因为ab和cd过程都是等温过程 paVa pbVb pcVc pdVd 则有paVa pdVd pbVb pcVc 又因pd pa pc pb pa Va Vd pb Vb Vc 所以Wbc Wad 故在过程bc中外界对气体做的功等于在过程da中气体对外界做的功 选项E正确 迁移训练 迁移1 理想气体与热力学定律的组合某驾驶员发现中午时车胎内的气压高于清晨时的 且车胎体积增大 若这段时间胎内气体质量不变且可视为理想气体 那么 A 外界对胎内气体做功 气体内能减小B 外界对胎内气体做功 气体内能增大C 胎内气体对外界做功 内能减小D 胎内气体对外界做功 内能增大 解析 选D 由理想气体状态方程 C可知 对于一定质量的理想气体 压强和体积都增大时温度一定升高 而一定质量的理想气体 其内能仅与温度有关 温度升高时内能增大 因为车胎体积增大 所以胎内气体对外界做功 综上可知 选项D正确 选项A B C错误 迁移2 气体状态变化的图象与实验定律的组合 多选 2016 海南高考 一定量的理想气体从状态M可以经历过程1或者过程2到达状态N 其p V图象如图所示 在过程1中 气体始终与外界无热量交换 在过程2中 气体先经历等容变化再经历等压变化 对于这两个过程 下列说法正确的是 A 气体经历过程1 其温度降低B 气体经历过程1 其内能减小C 气体在过程2中一直对外放热D 气体在过程2中一直对外做功E 气体经历过程1的内能改变量与经历过程2的相同 解析 选A B E 气体经历过程1 气体始终与外界无热量交换 压强减小 体积变大 对外做功 根据热力学第一定律 其内能减小 温度降低 选项A B正确 气体在过程2中 先经历等容过程 体积不变 压强减小 则温度一定降低 对外放热 不对外做功 再经历等压过程 体积变大对外做功 又升温 所以是一个吸热过程 所以选项C D错误 因为气体经历过程1和气体经历过程2的初 末状态相同 所以内能的改变量相同 选项E正确 迁移3 理想气体状态方程与热力学定律的组合一定质量的理想气体从状态A变化到状态B 再变化到状态C 其状态变化过程的p T图象如图所示 已知该气体在状态A时的体积为1 10 3m3 求 世纪金榜导学号42722285 1 该气体在状态C时的体积 2 该气体从状态A到状态B再到状态C的过程中 气体与外界传递的热量 解析 1 A B两状态体积相等 则有得 TB 从B到C压强相同 则 得VC 又 VB VA故 VC 3 10 3m3 2 由A到B为等容降温过程 由B到C为等压升温过程 A到C的过程 应用热力学第二定律得 W Q E 由于状态A和C温度相同 内能不变 E 0 B到C过程 体积变大 W pB VA VC 1 105 1 10 3 3 10 3 J 200J Q W 200J 答案 1 3 10 3m3 2 200J 加固训练 利用燃料燃烧时产生的能量对外做功的机器叫热机 热机是依靠由某些热力学过程组成的特定热力学循环进行工作的 如图所示的p V图表示的是某一热机的循环图 一定质量的气体 可看成理想气体 由状态2经过状态1至状态4 气体对 外做功280J 吸收热量410J 气体又从状态4经状态3回到状态2 这一过程中外界对气体做功200J 求 1 2 1 4过程中气体的内能是增加还是减少 变化量是多少 2 4 3 2过程中气体是吸热还是放热 吸收或放出的热量是多少 解析 1 2 1 4过程中 气体对外界做功280J 则W1 280J 气体吸收热量410J 则Q1 410J由热力学第一定律有 U1 W1 Q1 130J故在2 1 4的过程中气体的内能增加 增加量为130J 2 4 3 2过程中气体内能的变化量为 U2 U1 130J由题知 此过程中外界对气体做功200J 则W2 200J由热力学第一定律有 U2 W2 Q2 130J解得Q2 330J 故在4 3 2的过程中气体放热 放出的热量为330J答案 1 增加130J 2 放热330J