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1、高考物理大一轮复习 第十一章 热力学定律与能量守恒课件第1页，本讲稿共29页一、热力学第一定律1.改变内能的两种方式的比较知识梳理知识梳理做功热传递内能变化在绝热过程中,外界对物体做功,物体的内能增加;物体对外界做功,物体的内能减少在单纯的热传递过程中,物体吸收热量,内能增加;物体放出热量,内能减少物理实质其他形式的能与内能之间的转化不同物体间或同一物体的不同部分之间内能的转移相互联系做一定量的功或传递一定量的热量在改变内能的效果上是等效的第2页，本讲稿共29页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:U=W+Q。(3)符
2、号法则符号WQU+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第3页，本讲稿共29页二、热力学第二定律能量守恒定律二、热力学第二定律能量守恒定律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。或表述为:第二类永动机是不可能制成的。2.能量守恒定律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,能量的总和保持不变。第4页，本讲稿共29页3.能源的利用(1)存在能量耗散和品质降低。(2
3、)重视利用能源时对环境的影响。(3)要开发新能源(如太阳能、生物质能、风能、水能等)第5页，本讲稿共29页1.下列说法中正确的有()A.第二类永动机和第一类永动机一样,都违背了能量守恒定律B.热机的效率从原理上讲可达100%C.因为能量守恒,所以“能源危机”是不可能的D.自然界中的能量尽管是守恒的,但有的能量便于利用,有的不便于利用,故要节约能源答案D第二类永动机是指从单一热源吸热,全部用来对外做功而不引起其他变化的机器,它并不违背能量守恒定律,却违背了热力学第二定律;第6页，本讲稿共29页第一类永动机是不消耗能量却可以源源不断地对外做功的机器,它违背能量守恒定律,所以选项A错误。从热力学第二
4、定律的表述可知,任何热机的效率都达不到100%,因此B错误。关于“能源危机”必须明确以下几点:(1)能源是提供能量的资源,如煤、石油等。(2)人们在消耗能源时,放出热量,部分转化为内能,部分转化为机械能,但最终基本上都转化成了内能,人们无法把这些内能全部收集起来重新利用(能量耗散),而可供利用的能源是有限的。因此,“能源危机”并非说明能量不守恒,故C选项错误,D选项正确。第7页，本讲稿共29页2.如图所示,绝热容器中间用隔板隔开,左侧装有气体,右侧为真空。现将隔板抽掉,让左侧气体自由膨胀到右侧直至平衡,在此过程中()A.气体对外界做功,温度降低,内能减少B.气体对外界做功,温度不变,内能不变C
5、.气体不做功,温度不变,内能不变D.气体不做功,温度不变,内能减少第8页，本讲稿共29页答案C抽去隔板,气体膨胀,体积变大,但并没有对外做功,力和在力的方向上发生的位移是功的两个不可缺少的条件,气体体积变大时,若反抗外力且发生位移才能对外做功。本题中气体自由膨胀时,无外力可反抗,即气体不做功,在系统绝热的情况下,内能不变,温度不变,故C正确。第9页，本讲稿共29页3.(多选)夏天,如果将自行车内胎充气过足,又放在阳光下暴晒,车胎极易爆裂。关于这一现象的描述(暴晒过程中内胎容积几乎不变),正确的是()A.车胎爆裂,是车胎内气体温度升高,气体分子间斥力急剧增大的结果B.在爆裂前的过程中,气体温度升
6、高,分子无规则热运动加剧,气体压强增大C.在车胎突然爆裂前的瞬间,气体内能增加D.在车胎突然爆裂后的瞬间,气体内能减少答案BCD分析题意得:车胎在阳光下暴晒,爆裂前内能增加,气体的温度升高,分子无规则热运动加剧,气体压强变大,所以选项B和C是正确的,易知选项A是错误的。当车胎突然爆裂的瞬间,气体膨胀对外做功,温度也会有所下降,所以气体内能减少,选项D正确。第10页，本讲稿共29页4.如图所示,某同学将空的薄金属筒开口向下压入水中。设水温均匀且恒定,筒内空气无泄漏,不计气体分子间相互作用,则被淹没的金属筒在缓慢下降过程中,筒内空气体积减小()A.从外界吸热B.内能增大C.向外界放热D.内能减小答
7、案C筒内空气体积减小,外界对气体做正功,而温度不变,内能不变,由热力学第一定律U=W+Q,可知气体向外放热,故C正确。第11页，本讲稿共29页1.温度、内能、热量、功的比较重难一对热力学第一定律的理解重难一对热力学第一定律的理解重难突破重难突破温度内能(热能)热量功含义表示物体的冷热程度,是物体分子平均动能大小的标志,它是大量分子热运动的集体表现,对个别分子来说,温度没有意义物体内所有分子动能和势能的总和,它是由大量分子的热运动和分子的相对位置所决定的能是热传递过程中内能的改变量,热量用来量度热传递过程中内能转移的多少做功过程是机械能或其他形式的能和内能之间的转化过程关系温度和内能是状态量,热
8、量和功则是过程量。热传递的前提条件是存在温差,传递的是热量而不是温度,实质上是内能的转移第12页，本讲稿共29页2.对热力学第一定律的理解(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定量关系。此定律关系式是标量式,应用时功、内能、热量的单位应统一为国际单位焦耳。(2)几种特殊情况若过程是绝热的,则Q=0,W=U,外界对物体做的功等于物体内能的增加;若过程中不做功,即W=0,则Q=U,物体吸收的热量等于物体内能的增加;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。第
9、13页，本讲稿共29页典例1在如图所示的坐标系中,一定质量的某种理想气体先后发生以下两种状态变化过程:第一种变化是从状态A到状态B,外界对该气体做功为6J;第二种变化是从状态A到状态C,该气体从外界吸收的热量为9J。图线AC的反向延长线通过坐标原点O,B、C两状态的温度相同,理想气体的分子势能为零。求:(1)从状态A到状态C的过程,该气体对外界做的功W1和其内能的增量U1;(2)从状态A到状态B的过程,该气体内能的增量U2及其从外界吸收的热量Q2。第14页，本讲稿共29页解析(1)从状态A到状态C的过程,气体发生等容变化,该气体对外界做的功W1=0根据热力学第一定律有U1=W1+Q1内能的增量
10、U1=Q1=9J(2)从状态A到状态B的过程,体积减小,温度升高该气体内能的增量U2=U1=9J根据热力学第一定律有U2=W2+Q2从外界吸收的热量Q2=U2-W2=3J答案(1)09J(2)9J3J第15页，本讲稿共29页1-1一定质量的理想气体压强p与热力学温度T的关系图象如图所示,AB、BC分别与p轴和T轴平行,气体在状态A时的压强为p0、体积为V0,在状态B时的压强为2p0,则气体在状态B时的体积为;气体从状态A经状态B变化到状态C的过程中,对外做的功为W,内能增加了U,则此过程气体(选填“吸收”或“放出”)的热量为。第16页，本讲稿共29页答案吸收U+W解析对AB过程,温度不变,由玻
11、意耳定律可知,气体在状态B时的体积为V=;气体从状态A经状态B变化到状态C的过程中,对外做的功为W,内能增加了U,由热力学第一定律,知此过程气体吸收的热量为U+W。第17页，本讲稿共29页1.两类永动机的比较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不违背能量守恒定律,但违背热力学第二定律重难二对热力学第二定律的理解重难二对热力学第二定律的理解第18页，本讲稿共29页2.热力学第二定律的涵义(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。
12、(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。3.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。第19页，本讲稿共29页(1)高温物体低温物体(2)功热(3)气体体积V1气体体积V2(较大)(4)不同气体A和B混合气体AB4.热力学过程方向性实例第20页，本讲稿共29页(1)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
13、工作原理不违反热力学第一定律典例2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,在蒸发器中的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。D.电冰箱的工作原理违反热力学第一定律(2)电冰箱的制冷系统从冰箱内吸收的热量与释放的热量相比,有怎样的关系?第21页，本讲稿共29页解析(1)热力学第一定律是热现象中内能与其他形式能的转化现象,是能的转化和守恒定律的具体表现,适用于所有的热学过程,故C正确,D错误;由热力学第二定律可知,热量不能自发地从低温物体传到高温物体,除非有外界的影响或帮助,电冰箱把热量从低温的内部传到高温的外部,需要压
14、缩机的帮助并消耗电能,A错误,B正确。(2)由能量守恒定律可知,制冷系统从冰箱内吸收了热量,同时消耗了电能,释放到外界的热量比从冰箱内吸收的热量多。答案(1)BC(2)释放到外界的热量比从冰箱内吸收的热量多第22页，本讲稿共29页2-1根据你学的热学中的有关知识,判断下列说法中正确的是()A.机械能可能全部转化为内能,内能也可以全部用来做功以转化成机械能B.凡与热现象有关的宏观过程都具有方向性,在热传递中,热量只能从高温物体传递给低温物体,而不能从低温物体传递给高温物体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-273.15D.第一类永动机违背能量守恒定律,第二
15、类永动机不违背能量守恒定律,随着科技的进步和发展,第二类永动机可以制造出来第23页，本讲稿共29页部转化为机械能,A正确;凡与热现象有关的宏观过程都具有方向性,在热传递中,热量可以自发地从高温物体传递给低温物体,也能从低温物体传递给高温物体,但必须借助外界的帮助,B错误;尽管技术不断进步,热机的效率仍不能达到100%,制冷机也不能使温度降到-273.15,只能无限地接近-273.15,永远不能达到,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,而是违背了热力学第二定律,第二类永动机不可以制造出来,D错误。答案A解析机械能可以全部转化为内能,而内能在引起其他变化时也可以全
16、第24页，本讲稿共29页气体实验定律与热力学第一定律的综合应用气体实验定律与热力学第一定律的综合应用气体实验定律与热力学第一定律的结合量是气体的体积和温度,当温度变化时,气体的内能变化,当体积变化时,气体将伴随着做功,解题时要掌握气体变化过程的特点:(1)等温过程:内能不变,即U=0。(2)等容过程:W=0。(3)绝热过程:Q=0。思想方法思想方法第25页，本讲稿共29页典例典例如图,体积为V、内壁光滑的圆柱形导热汽缸顶部有一质量和厚度均可忽略的活塞;汽缸内密封有温度为2.4T0、压强为1.2p0的理想气体。p0和T0分别为大气的压强和温度。已知:气体内能U与温度T的关系为U=T,为正的常数;
17、汽缸内气体的所有变化过程都是缓慢的。求:()汽缸内气体与大气达到平衡时的体积V1;()在活塞下降过程中,汽缸内气体放出的热量Q。第26页，本讲稿共29页吕萨克定律得=解得V1=V()在活塞下降过程中,活塞对气体做的功为W=p0(V-V1)在这一过程中,气体内能的减少量为U=(T1-T0)由热力学第一定律得,汽缸内气体放出的热量为Q=W+U解得Q=p0V+T0解析()在气体由压强p=1.2p0下降到p0的过程中,气体体积不变,温度由T=2.4T0变为T1,由查理定律得=在气体温度由T1变为T0的过程中,体积由V减小到V1,气体压强不变,由盖答案()V()p0V+T0第27页，本讲稿共29页针对训
18、练针对训练如图所示,一圆柱形绝热汽缸竖直放置,通过绝热活塞封闭着一定质量的理想气体。活塞的质量为m,活塞的横截面积为S。初始时,气体的温度为T0,活塞与容器底部相距h,现通过电热丝缓慢加热气体,当气体吸收热量Q时活塞下降了h,已知大气压强为p0,重力加速度为g,不计活塞与汽缸的摩擦。求此时气体的温度和加热过程中气体内能的增加量。(题中各物理量单位均为国际单位制单位)第28页，本讲稿共29页答案2T0Q-(p0S-mg)h解析由盖吕萨克定律得,=,解得T1=2T0。气体在等压变化过程中,活塞受力如图。由平衡条件得pS=p0S-mg气体对活塞做功为W=pSh=(p0S-mg)h,由热力学第一定律有U=Q-W,气体内能的增加量为U=Q-(p0S-mg)h。第29页，本讲稿共29页