2025版高考物理一轮复习第13章热学第3节热力学定律与能量守恒定律教案

PAGE9-第3节热力学定律与能量守恒定律一、热力学第肯定律1．变更物体内能的两种方式(1)做功；(2)热传递。2．热力学第肯定律(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)正、负号法则：物理量WQΔU＋外界对物体做功物体汲取热量内能增加－物体对外界做功物体放出热量内能削减二、能量守恒定律1．内容能量既不会凭空产生，也不会凭空消逝，它只能从一种形式转化为另一种形式，或者是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．条件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有条件的。3．第一类永动机是不行能制成的，它违反了能量守恒定律。三、热力学其次定律1．热力学其次定律的两种表述(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：不行能从单一热库汲取热量，使之完全变胜利，而不产生其他影响。或表述为“其次类永动机是不行能制成的”。2．用熵的概念表示热力学其次定律：在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小。3．热力学其次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。4．其次类永动机不行能制成的缘由是违反了热力学其次定律。一、思索辨析(正确的画“√”，错误的画“×”)1．外界压缩气体做功20J，气体的内能可能不变。 (√)2．给自行车打气时，发觉打气筒的温度上升，这是因为打气筒从外界吸热。 (×)3．可以从单一热源汲取热量，使之完全变胜利。 (√)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更。 (×)5．自由摇摆的秋千摇摆幅度越来越小，能量正在消逝。 (×)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、走进教材1．(人教版选修3－3P61T2)(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、水自动分别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[由热力学其次定律可知，一切自发进行与热现象有关的宏观过程，都具有方向性，A错误；热机的工作效率不行能达到100%，B错误；泥沙下沉，系统的重力势能削减，没有违反热力学其次定律，C正确；冰箱通过压缩机的工作，把热量从低温物体传到高温物体，该过程消耗了电能，没有违反热力学其次定律，D正确。]2．(沪科版选修3－3P96T2)关于系统的内能及其变更，下列说法中正确的是()A．系统的温度变更时，其内能必定变更B．系统对外做功，其内能不肯定变更；向系统传递热量，其内能不肯定变更C．对系统做功，系统内能必定变更；系统向外传出肯定热量，其内能必定变更D．若系统与外界不发生热交换，则系统的内能必定不变更[答案]B热力学第肯定律的理解和应用eq\o([讲典例示法])1．热力学第肯定律的理解(1)内能的变更都要用热力学第肯定律进行综合分析。(2)做功状况看气体的体积：体积增大，气体对外做功，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)假如探讨对象是志向气体，因志向气体忽视分子势能，所以当它的内能变更时，主要体现在分子动能的变更上，从宏观上看就是温度发生了变更。2．三种特别状况(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，即W＝0，则Q＝ΔU，物体汲取的热量等于物体内能的增加；(3)若过程的初、末状态物体的内能不变，即ΔU＝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。eq\o([典例示法])(多选)(2024·全国卷Ⅲ)如图所示，一开口向上的导热汽缸内，用活塞封闭了肯定质量的志向气体，活塞与汽缸壁间无摩擦。现用外力作用在活塞上，使其缓慢下降。环境温度保持不变，系统始终处于平衡状态。在活塞下降过程中________。(填正确答案标号。)A．气体体积渐渐减小，内能增加B．气体压强渐渐增大，内能不变C．气体压强渐渐增大，放出热量D．外界对气体做功，气体内能不变E．外界对气体做功，气体汲取热量BCD[外力使活塞缓慢下降的过程中，由于温度保持不变，则气体的内能保持不变，气体的体积渐渐减小，外界对气体做功，由热力学第肯定律可知，气体向外界放出热量，又由玻意耳定律可知，气体体积减小，气体的压强增大，由以上分析可知B、C、D正确，A、E错误。]eq\o([跟进训练])对热力学第肯定律的理解1.(多选)用密封性好、充溢气体的塑料袋包袱易碎品，如图所示，充气袋四周被挤压时，假设袋内气体与外界无热交换，则袋内气体()A．体积减小，内能增大 B．体积减小，压强减小C．对外界作负功，内能增大 D．对外界做正功，压强减小AC[实际气体在温度不太低、压强不太大时可看作志向气体。充气袋被挤压，气体体积减小，外界对气体做正功，则W>0，即气体对外界做负功，由于袋内气体与外界无热交换，即Q＝0，依据热力学第肯定律ΔU＝W＋Q知，内能增大，温度上升，选项A、C正确；依据志向气体状态方程eq\f(pV,T)＝C可推断压强肯定增大，选项B、D错误。]热力学第肯定律的应用2．(2024·全国卷Ⅰ)某容器中的空气被光滑活塞封住，容器和活塞绝热性能良好，空气可视为志向气体。初始时容器中空气的温度与外界相同，压强大于外界。现使活塞缓慢移动，直至容器中的空气压强与外界相同。此时，容器中空气的温度________(选填“高于”“低于”或“等于”)外界温度，容器中空气的密度________(选填“大于”“小于”或“等于”)外界空气的密度。[解析]由于初始时封闭在容器中的空气的压强大于外界压强，容器和活塞绝热性能良好，容器中空气与外界没有热量交换，容器中的空气推动活塞对外做功，由热力学第肯定律可知，空气内能减小。依据志向气体内能只与温度有关可知，活塞缓慢移动后容器中空气的温度降低，即容器中的空气温度低于外界温度。因压强与气体温度和分子的密集程度有关，当容器中的空气压强与外界压强相同时，容器中空气温度小于外界空气温度，故容器中空气的密度大于外界空气密度。[答案]低于大于热力学第肯定律与图象的综合应用eq\o([讲典例示法])eq\o([典例示法])(多选)(2024·全国卷Ⅰ·T33(1))如图，肯定质量的志向气体从状态a起先，经验过程①、②、③、④到达状态e。对此气体，下列说法正确的是()A．过程①中气体的压强渐渐减小B．过程②中气体对外界做正功C．过程④中气体从外界汲取了热量D．状态c、d的内能相等E．状态d的压强比状态b的压强小BDE[过程①中，气体由a到b，体积V不变、T上升，则由查理定律知压强增大，A项错误；过程②中，气体由b到c，体积V变大，气体对外界做正功，B项正确；过程④中，气体由d到e，温度T降低，内能ΔU减小，体积V不变，气体不做功，依据热力学第肯定律ΔU＝Q＋W得Q<0，即气体放出热量，C项错误；状态c、d温度相同，所以内能相等，D项正确；由b到d的过程，作出状态b、d的等压线，分析可得pb>pd，E项正确。]处理热力学第肯定律与气体图象的综合问题的思路1．依据气体图象的特点推断气体的温度、体积的变更状况，从而推断气体与外界的吸、放热关系及做功关系。2．在P­V图象中，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．结合热力学第肯定律推断有关问题。eq\o([跟进训练])1．(2024·广东新高考适应性考试)(1)某学生在水瓶中装入半瓶热水，盖紧瓶盖，一段时间后，该同学发觉瓶盖变紧。其本质缘由是单位时间内瓶盖受到瓶内气体分子的撞击次数________(选填“增加”、“削减”或“不变”)，瓶内气体分子平均动能________(选填“增大”、“减小”或“不变”)。(2)轮胎气压是行车平安的重要参数。某型号汽车轮胎容积V0为25L，平安气压范围为2.4～3.0atm。汽车行驶一段时间后，发觉胎压下降到p1＝2.0atm，用车载气泵给其充气，气泵每秒钟注入0.5L压强为p0＝1.0atm的空气。忽视轮胎容积与气体温度的变更。为使气压回到平安范围，求气泵工作的时间范围。[解析](1)随着温度降低，内部气体的压强变小，瓶盖变紧。由于温度降低，则分子平均动能减小；由于平均动能减小，分子平均速率减小，则在其他条件不变的状况下，单位时间内瓶盖受到瓶内气体分子的撞击次数削减。(2)外部向内部充气的过程，依据玻意耳定律有pV0＝p1V0＋np0V设气泵工作的时间为t，因为p0肯定，则有nV＝0.5t(L)联立两式得pV0＝p1V0＋p0×0.5t代入数据得p＝2＋0.02t(atm)由于2.4atm≤p≤3.0atm得20s≤t≤50s。[答案](1)削减减小(2)20s≤t≤50s2.(多选)(2024·全国卷Ⅱ·T33(1))肯定量的志向气体从状态a起先，经验等温或等压过程ab、bc、cd、da回到原状态，其p­T图像如图所示，其中对角线ac的延长线过原点O。下列推断正确的是()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中气体从外界汲取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ABE[由ac的延长线过原点O知，直线Oca为一条等容线，气体在a、c两状态的体积相等，选项A正确；志向气体的内能由其温度确定，故在状态a时的内能大于在状态c时的内能，选项B正确；过程cd是等温变更，气体内能不变，由热力学第肯定律知，气体对外放出的热量等于外界对气体做的功，选项C错误；过程da气体内能增大，从外界汲取的热量大于气体对外界做的功，选项D错误；由志向气体状态方程知：eq\f(paVa,Ta)＝eq\f(pbVb,Tb)＝eq\f(pcVc,Tc)＝eq\f(pdVd,Td)＝C，即paVa＝CTa，pbVb＝CTb，pcVc＝CTc，pdVd＝CTd。设过程bc中压强为p0＝pb＝pc，过程da中压强为p′0＝pd＝pa。由外界对气体做功W＝p·ΔV知，过程bc中外界对气体做的功Wbc＝p0(Vb－Vc)＝C(Tb－Tc)，过程da中气体对外界做的功Wda＝p′0(Va－Vd)＝C(Ta－Td)，Ta＝Tb，Tc＝Td，故Wbc＝Wda，选项E正确(此选项用解除法干脆推断更快捷)。]热力学第肯定律与气体试验定律的综合应用eq\o([讲典例示法])求解气体试验定律与热力学定律的综合问题的一般思路eq\o([典例示法])如图所示，一根两端开口、横截面积为S＝2cm2足够长的玻璃管竖直插入水银槽中并固定(插入水银槽中的部分足够深)。管中有一个质量不计的光滑活塞，活塞下封闭着长L＝21cm的气柱，气体的温度为t1＝7℃，外界大气压取p0＝1.0×105Pa(相当于75cm高汞柱压强)。(1)若在活塞上放一个质量为m＝0.1kg的砝码，保持气体的温度t1不变，则平衡后气柱为多长？(g＝10m/s2)(2)若保持砝码的质量不变，对气体加热，使其温度上升到t2＝77℃，此时气柱为多长？(3)若在(2)过程中，气体汲取的热量为10J，则气体的内能增加多少？[解析](1)被封闭气体的初状态为p1＝p0＝1.0×105Pa，V1＝LS＝42cm3，T1＝280K末状态压强p2＝p0＋eq\f(mg,S)＝1.05×105Pa，V2＝L2S，T2＝T1＝280K依据玻意耳定律，有p1V1＝p2V2，即p1LS＝p2L2S得L2＝20cm。(2)对气体加热后，气体的压强不变，p3＝p2，V3＝L3S，T3＝350K依据盖—吕萨克定律，有eq\f(V2,T2)＝eq\f(V3,T3)，即eq\f(L2S,T2)＝eq\f(L3S,T3)，得L3＝25cm。(3)气体对外做的功W＝p2Sh＝p2S(L3－L2)＝1.05J依据热力学第肯定律ΔU＝Q＋W得ΔU＝10J＋(－1.05J)＝8.95J，即气体的内能增加了8.95J。[答案](1)20cm(2)25cm(3)8.95Jeq\o([跟进训练])1．(2024·辽宁新高考适应性考试)某民航客机在一万米左右高空飞行时，需利用空气压缩机来保持机舱内外气体压强之比为4∶1。机舱内有一导热气缸，活塞质量m＝2kg、横截面积S＝10cm2，活塞与气缸壁之间密封良好且无摩擦。客机在地面静止时，气缸如图(a)所示竖直放置，平衡时活塞与缸底相距l1＝8cm；客机在高度h处匀速飞行时，气缸如图(b)所示水平放置，平衡时活塞与缸底相距l2＝10cm。气缸内气体可视为志向气体，机舱内温度可认为不变。已知大气压强随高度的变更规律如图(c)所示，地面大气压强P0＝1.0×105Pa，地面重力加速度g＝10m/s2。(1)推断气缸内气体由图(a)状态到图(b)状态的过程是吸热还是放热，并说明缘由；(2)求高度h处的大气压强，并依据图(c)估测出此时客机的飞行高度。[解析](1)依据热力学第肯定律ΔU＝W＋Q由于气体体积膨胀，对外做功，而内能保持不变，因此吸热。(2)初态封闭气体的压强p1＝p0＋eq\f(mg,S)＝1.2×105Pa，依据p1l1S＝p2l2S，可得p2＝0.96×105Pa机舱内外气体压之比为4∶1，因此舱外气体压强p′2＝eq\f(1,4)p2＝0.24×105Pa，对应图(c)可知飞行高度为103m。[答案](1)吸热(2)0.24×105Pa102．一横截面积为S的汽缸竖直倒放，汽缸内有一质量为m的活塞，将肯定质量的志向气体封闭在汽缸内，气柱的长度为L，活塞与汽缸壁无摩擦，气体处于平衡状态，如图甲所示，现保持温度不变，把汽缸倾斜，使汽缸侧壁与竖直方向夹角θ＝37°，重新达到平衡后，如图乙所示，设大气压强为p0，汽缸导热良好，已知sin37°＝0.6，cos37°＝0.8，重力加速度为g，求：甲乙(1)此时气柱的长度；(2)分析说明汽缸从竖直倒放到倾斜过程，志向气体吸热还是放热。[解析](1)以活塞为探讨对象，汽缸竖直倒放时，依据平衡条件有p0S＝mg＋p1S，得p1＝p0－eq\f(mg,S)汽缸倾斜后，依据平衡条件有p0S＝mgcos37°＋p2S，得p2＝p0－eq\f(mg,S)cos37°＝p0－eq\f(4mg,5S)依据玻意耳定律有p1LS＝p2xS，解得x＝eq\f(5p0S－5mg,5p0S－4mg)L。(2)由(1)得出气体体积减小，外界对气体做功，W>0，气体等温变更，ΔU＝0，由热力学第肯定律ΔU＝W＋Q，知Q<0，故气体放出热量。[答案](1)eq\f(5p0S－5mg,5p0S－4mg)L(2)放热热力学其次定律eq\o([依题组训练])1．(多选)关于热力