2024届一轮复习新人教版 第十四章第3讲 热力学定律与能量守恒定律 学案.docx

第3讲热力学定律与能量守恒定律梳理必备知识填一填回顾基础一、功、热和内能的改变1功与内能的改变在热力学系统的绝热过程中，内能的变化量AU等于外界对系统所做的功W,BPU=Wo在绝热过程中，外界对系统做功，系统的内能增加;系统对外界做功,系统的内能减少。2 .热与内能的改变当系统经过单纯的传热过程时，内能的变化量AU等于外界向系统传递的热量Q,即4U=Q03 .做功和传热引起系统内能改变的区别做功时，内能与其他形式的能（如内能与机械能、内能与电能等）发生转化,而传热只是不同物体（或一个物体的不同部分）之间内能的转移。二、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热量与外界对它所做的功的和。这个关系叫作热力学第一定律。2 .表达式U=Q+Wo3 .应用外界对系统做功时,W取正值;系统对外界做功时,W取负值。外界对系统传递的热量Q取正值,系统向外界传递的热量Q取鱼值。三、能量守恒定律1 .能量守恒定律的表述能量既不会凭空比生,也不会凭空消隽,它只能从一种形式转化为其他形式,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 .第一类永动机不可能制成第一类永动机的思想违背了能量立恒定律,所以是不可能制成的。四、热力学第二定律1定义反映宏观自然过程的方包性的定律就是热力学第二定律。3 .两种表述克劳修斯表述:热量不能巨龙地从低温物体传到高温物体。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。4 .能源是有限的能源的使用过程中虽然能量的总量保持守恒,但能量的品质下降了。虽然能量总量不会减少,但能遮会逐步减少，因此能源是有限的资源。做一做情境自测1 .正误辨析做功和热传递的实质是相同的。（X）外界压缩气体做功20J,气体的内能可能不变。（）给塑料瓶打气时,发现塑料瓶的温度升高,这是因为塑料瓶从外界吸热。（X）热机中,燃气的内能可以全部变成机械能而不引起其他变化。（X）热量不可能从低温物体传给高温物体。（X）2 .古人发明的点火器的示意图如图所示,用牛角做套筒,木质推杆前端粘着艾绒,猛推推杆,可点燃艾绒。在筒内封闭的气体被推杆压缩过程中（B）1:OA.气体温度升高,压强不变B.气体温度升高,压强变大C.气体对外界做正功,气体内能增加D.外界对气体做正功,气体内能减少解析:封闭的气体被推杆压缩过程中，外界对气体做功,气体内能增加,温度升高,并且气体体积减小,压强增大,综上知B正确。3.（多选）下列现象中符合热力学第二定律的是（CD）A.一杯热茶在打开杯盖后,茶会自动变得更热B.蒸汽机把水蒸气的内能全部转化成机械能C.桶中浑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解析:根据热力学第二定律知,A、B错误,D正确;泥、水分离是因为泥沙所受重力大于受到的浮力,C正确。考点一对热力学第一定律的理解和应用想想提炼核心1 .对热力学第一定律的理解内能的变化都要用热力学第一定律进行综合分析。做功情况看气体的体积: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。(气体向真空自发扩散过程中,气体对外界不做功)与外界绝热,则不发生热传递,此时Q=Oo(4)如果研究对象是理想气体,因理想气体忽略分子势能,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。2 .三种特殊情况若过程是绝热的,则Q=0,W=AU,外界对物体做的功等于物体内能的增加。若过程中不做功，即W=O,则Q=AU,物体吸收的热量等于物体内能的增加。若过程的初、末状态物体的内能不变，即AU=O,则W+Q=0或归-Q,外界对物体做的功等于物体放出的热量。悟悟典题例练例1对热力学第一定律的理解（2023北京朝阳区三模）恒温水槽中的气泡缓慢上升的过程中（D）A.压强增加,外界对气泡做功,气泡对外放热B.压强增加,气泡对外做功,气泡从外界吸热C.压强减小,外界对气泡做功,气泡对外放热D.压强减小,气泡对外做功,气泡从外界吸热解析:气泡上升过程中，外界压强降低,则气泡压强减小,气泡温度不变则内能不变,根据P1Vfp2V2,可知气泡的体积变大,则气泡对外界做功,根据热力学第一定律U=Q+W=0,其中W<0,可知Q>0,气泡从外界吸热，故D正确,A、B、C错误。例2公式AU=W+Q的应用（2023山东卷,5）如图所示，内壁光滑的绝热气缸内用绝热活塞封闭一定质量的理想气体,初始时气缸开口向上放置,活塞处于静止状态,将气缸缓慢转动90°过程中，缸内气体（C）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解析:初始时气体的压强P1PO+卓,体积为V1,温度为T1;将气缸缓慢转过90。后,气体的压强为P2=P0,体积为V2,温度为T2。易知V2>%,故气体对外界做功，因气缸和活塞都是绝热的,根据热力学第一定律可得U<O,由于理想气体内能只与气体温度有关,所以T1>T2,选项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少,选项B错误,C正确。方法点拨对一定量理想气体的内能变化,吸热还是放热及外界对气体如何做功等问题,可按下面方法判定：(1)做功情况看体积。体积V减小f外界对气体做功fW>0;体积V增大f气体对外界做功fW<0;自由膨胀fW=Oo内能变化看温度。温度T升高f内能增加fAU>O;温度T降低f内能减少fU<0o吸热还是放热,一般题目中会告知,或由热力学第一定律U=Q÷W,知道W和AU后确定Q。考点二对热力学第二定律的理解和应用想一想提炼核心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、第二定律的比较项目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项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悟-悟典题例练例3对热力学第二定律的理解（2023山东日照三模）下列说法正确的是（C）A.物体放出热量,其内能一定减小B.物体吸收热量,分子的平均动能一定增大C.第二类永动机没有违反能量守恒定律D.空调既能制热又能制冷,说明自发条件下热传递可以逆向解析：由热力学第一定律知,物体放出热量的同时如果外界对物体做功,物体内能可能增大或不变,A错误；由热力学第一定律知,物体吸热的同时如果在对外做功，内能可能减小,则分子平均动能减小,B错误;第二类永动机没有违反能量守恒定律,C正确;根据热力学第二定律可知,热量能够自发地从高温物体传递到低温物体,但不能自发地从低温物体传递到高温物体,在有外界做功的条件下热传递可以逆向,D错误。例4热力学第一定律和热力学第二定律的比较（2023辽宁沈阳三模）2023年4月16号上午,神舟十三号飞船在内蒙古东风着陆场顺利降落。气闸舱是载人航天器中供航天员进入太空或由太空返回用的气密性装置。如图所示,座舱A与气闸舱B之间装有阀门K,座舱A中充满一定质量的空气（可视为理想气体），气闸舱B内为真空。航天员从太空返回气闸舱后,打开阀门K,A中的气体进入B中，最终达到平衡。假设此过程中系统与外界没有热交换。下列说法正确的是（D）ABA.气闸舱B中的气体可能自发地全部回到A中B.气体对外做功,平衡后气体内能减小C.气体对外不做功,平衡后气体温度降低D.气体体积变大,平衡后压强变小解析:根据燧增加原理可知,在任何自然过程中，一个孤立系统的总嫌不会减小。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,所以气闸舱B中的气体不可能自发地全部回到A中，故A错误;该过程为自由扩散,没有对外做功,又因整个系统与外界没有热交换,则根据热力学第一定律AU=Q+W可知,平衡后气体内能不变,温度不变，故B、C错误;根据理想气体状态方程于C,可知气体温度不变,体积增大,则压强减小,故D正确。r方法点拨热力学过程方向性实例高温物体，：胃兽，、低温物体。考点三热力学定律和气体实验定律的综合应用想一想提炼核心1 .判断理想气体内能变化的两种方法一定质量的理想气体，内能的变化完全由温度变化决定,温度升高,内能增大。若吸、放热和做功情况已知,可由热力学第一定律U=W+Q来确定。2 .处理热力学第一定律与气体图像综合问题的思路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。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。结合热力学第一定律判断有关问题。3 .解决气体实验定律与热力学定律综合问题的一般步骤悟-悟典题例练例5盖-吕萨克定律与热力学第一定律的综合（2023山东潍坊三模）如图所示,有一上部开口的圆柱形绝热汽缸,汽缸的高度为31,横截面积为S,一厚度不计的轻质绝热活塞封闭1mo1的单原子分子理想气体。开始时活塞距汽缸底部的距离为1,气体的热力学温度为T1o已知外界大气压为p°,1mo1的单原子分子理想气体内能公式为U=IRT,其中R为常数,T为热力学温度。现对气体缓慢加热，当活塞恰上升到汽缸顶部时,气体吸收的热量为（D）A.2RT+3p01SB.3RT+3p01SC.2RT÷2p01SD.3RT+2p01S解析:活塞上升的过程封闭气体做等压变化，由盖-吕萨克定律可得V1=S1fV2=3S1,解得T2=3T,由热力学第一定律有U=W÷Q,其中1I12U=R(T2-T1)-3RTbW=-poS2>-2poS1,解得Q=3RT1+2p01S,故选Do例6查理定律与热力学第一定律的综合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po,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