高考物理一轮复习第14章第3节热力学定律与能量守恒定律课时学案

这是一份高考物理一轮复习第14章第3节热力学定律与能量守恒定律课时学案，共12页。学案主要包含了热力学第一定律和能量守恒定律，热力学第二定律等内容，欢迎下载使用。


一、热力学第一定律和能量守恒定律
1．改变物体内能的两种方式：做功和热传递。
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热量与外界对它所做的功的和。
(2)表达式：ΔU＝Q＋W。
3．能量转化和守恒定律
(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化为另一种形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变。
(2)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。
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。
热机工作过程示意图 制冷机工作过程示意图
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。
一、易错易混辨析(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)外界压缩气体做功20 J，气体的内能可能不变。(√)
(2)给自行车打气时，发现打气筒的温度升高，这是因为打气筒从外界吸热。(×)
(3)可以从单一热源吸收热量，使之完全变成功。(√)
(4)热机中，燃气的内能可以全部变为机械能而不引起其他变化。(×)
(5)自由摆动的秋千摆动幅度越来越小，能量正在消失。(×)
(6)利用河水的能量使船逆水航行的设想，符合能量守恒定律。(√)
二、教材习题衍生
1．(人教版选择性必修第三册改编)用活塞压缩汽缸里的空气(可看作理想气体)，对空气做了900 J的功，气体内能增加了690 J，则此过程( )
A．气体从外界吸收热量210 J
B．气体向外界放出热量210 J
C．气体从外界吸收热量1 110 J
D．气体向外界放出热量1 110 J
B [由热力学第一定律知ΔU＝W＋Q，则Q＝ΔU－W＝690 J－900 J＝－210 J，故向外界放热，B正确。]
2．(人教版选择性必修第三册改编)(多选)下列现象中能够发生的是( )
A．一杯热茶在打开杯盖后，茶会自动变得更热
B．蒸汽机把蒸汽的内能全部转化成机械能
C．桶中混浊的泥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
CD [A项违背热力学第二定律，不可能发生；B项蒸汽机的能量损失不可避免，不可能把蒸汽机的内能全部转化为机械能，违背了热力学第二定律，不能发生；C项泥、水自动分离现象能发生，不违背热力学第二定律，只是系统的势能减少了；D项中电冰箱消耗了电能，所以不违背热力学第二定律，能发生。]
3．(人教版选择性必修第三册改编)用隔板将一绝热容器隔成A和B两部分，A中盛有一定质量的理想气体，B为真空(如图①)，现把隔板抽去，A中的气体自动充满整个容器(如图②)，这个过程称为气体的自由膨胀，下列说法正确的是( )
图① 图②
A．自由膨胀过程中，气体分子只做定向运动
B．自由膨胀前后，气体的压强不变
C．自由膨胀前后，气体的温度不变
D．容器中的气体在足够长的时间内，还能全部自动回到A部分
C [分子时刻在做无规则的热运动，故A错误；自由膨胀后，温度不变，体积变大，由气体状态方程可知，压强变小，故B错误；自由膨胀过程中由于不受阻力作用，因此气体不做功，由于容器绝热，因此Q＝0，由ΔU＝W＋Q可知，气体内能不变，因此温度也不变，故C正确；根据热力学第二定律可知，气体向真空的自由膨胀是不可逆的，故D错误。]
热力学第一定律的理解与应用
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关系。
2．对公式ΔU＝Q＋W符号的规定
3．三种特殊情况
[题组突破]
1．(热力学第一定律的理解)(2022·山东卷)如图所示，内壁光滑的绝热汽缸内用绝热活塞封闭一定质量的理想气体，初始时汽缸开口向上放置，活塞处于静止状态，将汽缸缓慢转动90°过程中，缸内气体( )
A．内能增加，外界对气体做正功
B．内能减小，所有分子热运动速率都减小
C．温度降低，速率大的分子数占总分子数比例减少
D．温度升高，速率大的分子数占总分子数比例增加
C [初始时气体的压强p1＝p0＋eq \f(mg,S)，体积为V1，温度为T1；将汽缸缓慢转过90°后，气体的压强为p2＝p0，体积为V2，温度为T2，易知V2>V1，故气体对外界做功，因汽缸和活塞都是绝热的，根据热力学第一定律可得ΔU<0，由于理想气体内能只与气体温度有关，所以T1>T2，A、D错误；内能减小，不是所有气体分子热运动速率都减小，但速率大的分子数占总分子数的比例减小，B错误，C正确。]
2．(热力学第一定律的应用)一定质量的理想气体在某一过程中，外界对气体做了8×104 J的功，气体的内能减少了1.2×105 J，则下列各式中正确的是( )
A．W＝8×104 J，ΔU＝1.2×105 J，Q＝4×104 J
B．W＝8×104 J，ΔU＝－1.2×105 J，Q＝－2×105 J
C．W＝－8×104 J，ΔU＝1.2×105 J，Q＝2×104 J
D．W＝－8×104 J，ΔU＝－1.2×105 J，Q＝－4×104 J
B [由符号法则可知，外界对气体做功，W为正值，气体内能减少，ΔU为负值，代入热力学第一定律表达式得Q＝－2×105 J，故B正确。]
3．(气体实验定律与热力学第一定律)如图所示，在竖直放置的导热性能良好的圆柱形容器内用质量为m的活塞密封一部分理想气体，活塞能无摩擦地滑动，容器的横截面积为S，整个装置放在大气压为p0的室内，稳定时活塞与容器底的距离为h0，现把容器移至大气压仍为p0的室外，活塞缓慢上升d后再次平衡，重力加速度大小为g。若此过程中气体吸收的热量为Q，则密闭气体的内能( )
A．减少了Q－(mg＋p0S)d
B．减少了Q＋(mg＋p0S)d
C．增加了Q－(mg＋p0S)d
D．增加了Q＋(mg＋p0S)d
C [取密闭气体为研究对象，活塞上升过程为等压变化，由盖­吕萨克定律有eq \f(V0,T0)＝eq \f(V,T)
其中V0＝h0S，V＝(h0＋d)S
解得外界温度T＝eq \f(h0＋d,h0)T0
移至室外，活塞上升的过程，密闭气体克服大气压力和活塞的重力做功，所以外界对系统做的功
W＝－(mg＋p0S)d
根据热力学第一定律得密闭气体增加的内能ΔU＝Q＋W＝Q－(mg＋p0S)d，故C正确，A、B、D错误。]
热力学第二定律的理解与应用
1．热力学第二定律的理解
(1)在热力学第二定律的表述中“自发地”“不产生其他影响”的含义。
①“自发地”指明了热传递现象的方向性，不需要借助外界提供能量的帮助。
②“不产生其他影响”是说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

(4)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无序性增大的方向进行。
2．两类永动机的理解
[题组突破]
1．(热力学第二定律的理解)(2022·广东卷)利用空调将热量从温度较低的室内传递到温度较高的室外环境，这个过程________(填“是”或“不是”)自发过程。该过程空调消耗了电能，空调排放到室外环境的热量________(填“大于”“等于”或“小于”)从室内吸收的热量。
[解析] 空调将热量从温度低的室内传递到温度较高的室外，这个过程要消耗电能，不是自发的过程；由于空调的压缩机做功，使得空调排放到室外环境的热量大于从室内吸收的热量。
[答案] 不是 大于
2．(热力学第二定律的应用)(多选)如图所示，为电冰箱的工作原理示意图；压缩机工作时，强迫制冷剂在冰箱内外的管道中不断循环，在蒸发器中制冷剂汽化吸收箱体内的热量，经过冷凝器时制冷剂液化，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．电冰箱的制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背热力学第一定律
D．电冰箱除了将热量从低温热库传到高温热库外，工作过程中所产生的其他一切影响，无论用任何办法都不可能加以消除
BD [根据热力学第二定律，热量不能自发地从低温物体传到高温物体，必须借助于其他系统做功，A错误，B正确；热力学第一定律是热现象中内能与其他形式能的转化规律，是能量守恒定律的具体表现，适用于所有的热学过程，故C错误；压缩机工作时会发热，将一部分电能转化为内能消耗掉，这种影响没法消除，D正确。]
热力学定律与气体实验定律、气体图像的综合应用
解决热力学定律与气体实验定律的综合问题的基本思路
热力学定律与气体实验定律的综合应用
[典例1] (2022·云南昆明一中月考)载人潜水器是进入“无人区”的科考利器。某科技小组深受启发，自己动手制作了潜水器模型。如图所示，高压气瓶通过细管与压载水箱连接，压载水箱通过通海口(细管)通向外界，连接各部分的细管容积不计。压载水箱中有一厚度忽略不计的轻活塞，在地面先将高压空气充入高压气瓶中，关闭阀门K，此时活塞在压载水箱最右端。压载水箱通过通海口装满水后，潜水器下沉到水下h＝10 m处悬停，通过遥控器将阀门K打开，高压气瓶中的气体缓慢膨胀推动活塞，刚好能够将压载水箱中的水全部排出，已知高压气瓶的容积为1 L，压载水箱的容积为4 L，大气压强p0＝1.0×105 Pa，水的密度ρ＝1.0×103 kg/m3，g＝10 m/s2。若气体温度不变，活塞与水箱间的摩擦力忽略不计，求：
(1)高压气瓶中气体的初始压强为大气压的多少倍；
(2)气体膨胀过程吸收的热量。
[解析] (1)对封闭的气体，经历等温过程
p1V1＝p2V2
其中V1＝1 L，V2＝5 L，p2＝p0＋ρgh＝2×105 Pa
代入数据，得p1＝1.0×106 Pa＝10p0。
(2)根据ΔU＝W＋Q
由于等温变化，ΔU＝0，Q＝－W
气体对外做功，W＝－p2ΔV＝－2×105×4×10－3 J＝－800 J
所以Q＝800 J，即吸收800 J的热量。
[答案] (1)10倍 (2)800 J
热力学定律与图像的综合应用
[典例2] (2022·湖北卷)一定质量的理想气体由状态a变为状态c，其过程如p­V图中a→c直线段所示，状态b对应该线段的中点。下列说法正确的是( )
A．a→b是等温过程
B．a→b过程中气体吸热
C．a→c过程中状态b的温度最低
D．a→c过程中外界对气体做正功
B [根据理想气体的状态方程eq \f(pV,T)＝C，可知a→b气体温度升高，内能增加，且体积增大，气体对外界做功，则W<0，由热力学第一定律ΔU＝W＋Q可知a→b过程中气体吸热，A错误，B正确；根据理想气体的状态方程eq \f(pV,T)＝C可知，p­V图像的坐标值的乘积反映温度，a状态和c状态的坐标值的乘积相等，而中间状态的坐标值乘积更大，则a→c过程的温度先升高后降低，且状态b的温度最高，C错误；a→c过程气体体积增大，外界对气体做负功，D错误。]
处理热力学第一定律与气体图像的综合问题的思路
(1)根据气体图像的特点判断气体的温度、体积的变化情况，从而判断气体与外界的吸、放热关系及做功关系。
(2)在p­V图像中，图线与V轴围成的面积表示气体对外界或外界对气体做的功。
(3)结合热力学第一定律判断有关问题。
[跟进训练]
1．(热力学定律与气体实验定律的综合应用)(2022·江苏海安模拟)如图所示是某气压式柱形保温瓶的结构示意简图，现倒入热水，封闭活塞a，其与液面间封闭一定质量的理想气体，此时瓶内气体温度为T1，压强为p0，经过一段时间温度降为T2，忽略这一过程中气体体积的变化。
(1)求温度降为T2时瓶内气体的压强p；
(2)封闭气体温度由T1降为T2过程中，其传递的热量为Q，则气体的内能如何变化，求变化量的大小ΔU。
[解析] (1)瓶内气体发生等容变化，由查理定律得eq \f(p0,T1)＝eq \f(p,T2)，解得p＝eq \f(T2,T1)p0。
(2)封闭气体温度由T1下降到T2过程为等容变化过程，W＝0，温度降低，则气体内能减少，由热力学第一定律得W＋Q＝ΔU，解得ΔU＝Q。
[答案] (1)eq \f(T2,T1)p0 (2)内能减少 Q
2．(热力学定律与图像的综合应用)(2022·辽宁卷)一定质量的理想气体从状态a变化到状态b，其体积V和热力学温度T变化图像如图所示，此过程中该系统( )
A．对外界做正功 B．压强保持不变
C．向外界放热 D．内能减少
A [理想气体从状态a变化到状态b，体积增大，理想气体对外界做正功，A正确；由题图可知V＝V0＋kT，根据理想气体的状态方程有eq \f(pV,T)＝C，联立有p＝eq \f(C,k＋\f(V0,T))，可看出T增大，p增大，B错误；理想气体从状态a变化到状态b，温度升高，内能增大，D错误；理想气体对外界做正功且内能增大，则根据热力学第一定律可知气体从外界吸收热量，C错误。]
符号
W
Q
ΔU
＋
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
内能减小
过程
含义
内能变化
物理意义
绝热
Q＝0
ΔU＝W
外界对物体做的功等于物体内能的增加
等容
W＝0
ΔU＝Q
物体吸收的热量等于物体内能的增加
等温
ΔU＝0
W＝－Q
外界对物体做的功等于物体放出的热量
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