新课标2023版高考物理一轮总复习第十四章热学第4讲热力学定律与能量守恒定律课件

第4讲热力学定律与能量守恒定律一、热力学第一定律1．改变物体内能的两种方式(1)______

；(2)________

。2．热力学第一定律(1)内容：一个热力学系统的内能变化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：ΔU＝________。做功热传递热量Q＋W(3)符号法则二、热力学第二定律1．热力学第二定律的两种表述(1)克劳修斯表述：热量不能_______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。2．热力学第二定律的“熵”描述：在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小。物理量WQΔU＋外界对物体做功物体_____热量内能______－物体对外界做功物体______热量内能_____吸收增加放出减少自发地三、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，它只能从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体______到别的物体，在转化或_____的过程中，能量的总量保持不变。2．普适性：能量守恒定律是自然界的普遍规律。[注意]

(1)某一种形式的能(如：机械能)或几种形式的能(如：动能＋电势能)是否守恒是有条件的。(2)第一类永动机是不可能制成的，它违背了能量守恒定律；第二类永动机不可能制成的原因是违背了热力学第二定律。转移转移微点判断

(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，这是因为打气筒从外界吸热。()(4)可以从单一热源吸收热量，使之完全变成功。

()(5)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。

()(6)自由摆动的秋千摆动幅度越来越小，能量正在消失。

()(7)利用河水的能量使船逆水航行的设想，符合能量守恒定律。

()(8)第一类永动机违反了热力学第二定律。

()(9)第二类永动机违反了能量守恒定律。

()×√×√××√××(一)热力学第一定律的理解及应用[题点全练通]1．[热力学第一定律的理解](2021·山东等级考)

如图所示，密封的矿泉水瓶中，距瓶口越近水的温度越高。一开口向下、导热良好的小瓶置于矿泉水瓶中，小瓶中封闭一段空气。挤压矿泉水瓶，小瓶下沉到底部；松开后，小瓶缓慢上浮。上浮过程中，小瓶内气体

(

)A．内能减少B．对外界做正功C．增加的内能大于吸收的热量D．增加的内能等于吸收的热量答案：B

2．[公式ΔU＝W＋Q中符号法则的理解]一定质量的理想气体在某一过程中，外界对气体做功7.0×104J，气体内能减少1.3×105J，则此过程

(

)A．气体从外界吸收热量2.0×105JB．气体向外界放出热量2.0×105JC．气体从外界吸收热量6.0×104JD．气体向外界放出热量6.0×104J解析：由热力学第一定律ΔU＝W＋Q得Q＝ΔU－W＝－1.3×105J－7.0×104J＝－2.0×105J，即气体向外界放出热量2.0×105J，B正确。答案：B3．[热力学第一定律在绝热系统中的应用]如图是某同学利用汽缸设计的汽车加速度传感器示意图，将汽缸水平固定在汽车上且开口向后，内壁光滑，用活塞封闭一定质量气体，通过活塞的移动判断汽车加速和减速的情况。若汽缸和活塞均绝热，汽车由匀速变为加速前进，汽缸内气体

(

)A．单位体积内的分子数变多B．分子的平均动能变大C．单位时间分子撞击活塞的次数减少D．内能变大解析：对活塞进行受力分析，如图所示，当汽车匀速时，由平衡关系可知p0S＝pS，p0＝p，当汽车加速时，由平衡关系变为加速运动，且加速度a方向向左，由牛顿第二定律可得p0S－pS＝ma，故可知p0>p，压强变小，即体积变大。故单位体积内的分子数变少；单位时间内分子撞击活塞的次数减小，故A错误，C正确；由热学第一定律可知ΔU＝Q＋W，题中绝热，故可知Q等于0，体积变大，W为负值，故内能减小，分子平均动能也减小，故B、D错误。答案：C[要点自悟明]1．对热力学第一定律的理解(1)做功和热传递在改变系统内能上是等效的。(2)做功过程是系统与外界之间的其他形式能量与内能的相互转化。(3)热传递过程是系统与外界之间内能的转移。2．热力学第一定律的三种特殊情况(1)若过程是绝热的，则Q＝0，W＝ΔU，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，则W＝0，Q＝ΔU，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，则W＋Q＝0，即物体吸收的热量全部用来对外做功，或外界对物体做的功等于物体放出的热量。(二)热力学第二定律的理解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。在产生其他影响的条件下内能可以全部转化为机械能，如气体的等温膨胀过程。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的宏观过程的方向性，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．热力学第一、第二定律的比较

类别热力学第一定律热力学第二定律由定律揭示的问题从能量守恒的角度揭示了功、热量和内能改变量三者的定量关系自然界中出现的宏观过程是有方向性的机械能和内能的转化当摩擦力做功时，机械能可以全部转化为内能内能不可能在不引起其他变化的情况下完全变成机械能热量的传递热量可以从高温物体自发传向低温物体热量不能自发地从低温物体传向高温物体两定律的关系在热力学中，两者既相互独立，又互为补充，共同构成了热力学知识的理论基础4．两类永动机的比较永动机第一类永动机第二类永动机设计要求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不可能制成的原因违背能量守恒定律不违背能量守恒定律，违背热力学第二定律[多维训练]1．下列关于热力学第二定律的说法正确的是

(

)A．所有符合能量守恒定律的宏观过程都能发生B．一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的C．机械能可以全部转化为内能，在不产生其他影响的情况下，内能可以全部用来做功而转化成机械能D．气体向真空的自由膨胀是可逆的解析：符合能量守恒定律，但违背热力学第二定律的宏观过程不能发生，A错误；一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的，B正确；机械能可以全部转化为内能，在不产生其他影响的情况下，内能无法全部用来做功而转化成机械能，C错误；气体向真空的自由膨胀是不可逆的，D错误。答案：B

2．(多选)下列说法正确的是

(

)A．一定质量的理想气体放出热量，则分子平均动能一定减少B．热力学第二定律是反映宏观自然过程的方向性的定律C．根据热力学第二定律可知，热机的效率不可能达到100%D．一定质量的理想气体膨胀时对外界做了功，它的内能可能减少解析：根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q可知，一定质量的理想气体放出热量，Q为负值，但若外界同时对气体做功，W为正，则其内能不一定减少，分子平均动能不一定减少，A错误；一定质量的理想气体膨胀时对外界做功，W为负值，当Q＜|－W|时内能减小，当Q＞|－W|时内能增大，当Q＝|－W|时内能不变，故它的内能可能减少，D正确；热力学第二定律就是反映宏观自然过程的方向性的定律，B正确；由热力学第二定律的开尔文表述可知热机的效率不可能达到100%，C正确。答案：BCD3．(多选)根据热学中的有关知识，判断下列说法中正确的是

(

)A．机械能可以全部转化为内能，内能也可以全部用来做功转化成机械能B．自发的热传递过程是向着分子热运动无序性增大的方向进行的C．尽管技术不断进步，热机的效率仍不能达到100%，制冷机却可以使温度降到－293℃D．第一类永动机违背能量守恒定律，第二类永动机不违背能量守恒定律，随着科技的进步和发展，第二类永动机可以被制造出来解析：机械能可以全部转化为内能，而内能也可以全部转化为机械能，只是在这个过程中会引起其他变化，A正确；根据热力学第二定律可知，自发的热传递过程是向着分子热运动无序性增大的方向进行的，B正确；制冷机也不能使温度降到－293℃(低于绝对零度)，C错误；第一类永动机违背能量守恒定律，第二类永动机不违背能量守恒定律，但违背了热力学第二定律，第二类永动机不可能被制造出来，D错误。答案：AB

(三)热力学第一定律与气体图像的综合[多维训练]1．[热力学第一定律与p-V图像的综合](2021·全国乙卷)

(多选)如图，一定质量的理想气体从状态a(p0、V0、T0)经热力学过程ab、bc、ca后又回到状态a。对于ab、bc、ca三个过程，下列说法正确的是

(

)A．ab过程中，气体始终吸热B．ca过程中，气体始终放热C．ca过程中，气体对外界做功D．bc过程中，气体的温度先降低后升高E．bc过程中，气体的温度先升高后降低答案：ABE

2．[热力学第一定律与p-T图像的综合]

一定量的理想气体的压强p

与热力学温度T的变化图像如图所示。下列说法正确的是

(

)A．A→B的过程中，气体对外界做功，气体内能增加B．A→B的过程中，气体从外界吸收的热量等于其内能的增加量C．B→C的过程中，气体体积增大，对外做功D．B→C的过程中，气体对外界放热，内能减小解析：从A到B的过程，是等容升温过程，气体不对外做功，气体从外界吸收热量，使得气体内能增加，故A错误，B正确；从B到C的过程是等温压缩过程，压强增大，体积减小，外界对气体做功，气体放出热量，内能不变，故C、D错误。答案：B

3．[热力学第一定律与V-T图像的综合]

(2022·邯郸模拟)如图所示，一定质量的理想气体从状态A依次经过状态B、C后再回到状态A。A状态的体积是2L，温度是300K，B状态的体积是4L，C状态的体积是3L，压强为2×105Pa。(1)在该循环过程中B状态的温度TB和A状态的压强pA是多少？(2)A→B过程如果内能变化了200J，该理想气体是吸热还是放热，热量Q是多少焦耳？答案：(1)600K

1.5×105Pa

(2)吸收热量500J[规律方法]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p-V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。(四)热力学定律与气体实验定律的综合[多维训练]1．[盖-吕萨克定律与热力学第一定律的综合]如图所示，内壁光滑、足够高的圆柱形汽缸竖直放置，内有一质量为m的活塞封闭一定质量的理想气体。已知活塞横截面积为S，外界大气压强为p0，缸内气体温度为T1。现对汽缸内气体缓慢加热，使气体体积由V1增大到V2，该过程中气体吸收的热量为Q1，停止加热并保持体积V2不变，使其降温到T1，已知重力加速度为g，求：(1)停止加热时缸内气体的温度；(2)降温过程中气体放出的热量。2．[查理定律与热力学第一定律的综合](2022·江苏海安期末)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