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(共35张PPT)
第3讲　热力学定律
第十四章
2026届高考物理人教版一轮复习
内容索引
01
02
第一环节　必备知识落实
第二环节　关键能力形成
第一环节　必备知识落实
知识点一
改变物体内能的两种方式
知识点二
热力学第一定律和能量守恒定律
1.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)意义:热力学第一定律不仅反映了做功和热传递这两种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。此定律公式是标量式,应用时各量的单位应统一为国际单位制中的焦耳。
2.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)普遍性
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,例如机械能守恒定律具有适用条件,而能量守恒定律是无条件的,是一切自然现象都遵守的基本规律。
追本溯源从1840年开始,英国物理学家焦耳进行了多种多样的实验,以求精确测定外界对系统做功和热传递对系统状态的影响,以及功与热的相互关系。试想焦耳这项研究工作的意义。
提示 为热力学第一定律和能量守恒定律的建立奠定了坚实的实验基础。
知识点三
热力学第二定律
1.热力学第二定律的两种表述
(1)按照热传递的方向性可表述为:热量不能自发地从低温物体传到高温物体。这是热力学第二定律的克劳修斯表述。
(2)按照机械能与内能转化的方向性可表述为: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。这是热力学第二定律的开尔文表述。
2.热力学第二定律的微观意义:一切自然过程总是沿着分子热运动无序性增大的方向进行。
说明:(1)热力学第二定律的上述两种表述是等价的,可以从一种表述推导出另一种表述。
(2)热力学第二定律又叫熵增加原理,即在任何自然过程中,一个孤立系统的总熵不会减少。
3.两类永动机
追本溯源在热力学第二定律中“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。在借助外界提供能量的帮助下,热量可以由低温物体传到高温物体吗 请举例。
提示 可以。如冰箱、空调。
【知识巩固】
1.思考判断
(1)为了增加物体的内能,必须对物体做功或向它传递热量,做功和热传递的实质是相同的。(　　)
(2)绝热过程中,外界压缩气体做功20 J,气体的内能可能不变。(　　)
(3)在给自行车打气时,会发现打气筒的温度升高,这是因为打气筒从外界吸热。(　　)
(4)可以从单一热库吸收热量,使之完全变成功。(　　)
(5)一定质量的理想气体,在等压膨胀过程中,气体分子的平均动能减小。
(　　)
×
×
×
√
×
2.第一类永动机不可以制成,是因为(　　)
A.违背了能量守恒定律
B.热量总是从高温物体传递到低温物体
C.机械能不能全部转变为内能
D.内能不能全部转化为机械能,同时不引起其他变化
A
解析:第一类永动机无法制成是因为它违背了能量守恒定律,故A正确。
第二环节　关键能力形成
能力形成点1
热力学第一定律的理解与应用(师生共研)
整合构建
1.对公式ΔU=Q+W中物理量的符号的规定
2.三种特殊情况
(1)若过程是绝热的,则Q=0,W=ΔU,即外界对物体(物体对外界)做的功等于物体内能的增加量(减少量)。
(2)等容变化,W=0,Q=ΔU,即物体吸收(放出)的热量等于物体内能的增加量(减少量)。
(3)等温变化,ΔU=0,则W+Q=0或W=-Q,即外界对物体做的功等于物体放出的热量(物体对外界做的功等于物体吸收的热量)。
【典例1】 如图甲所示,用面积为S的活塞在汽缸内封闭着一定质量的理想气体,活塞上放一砝码,活塞和砝码的总质量为m。现使汽缸内的气体缓缓按图乙所示的规律变化,汽缸内的气体从状态A变化到状态B。若该过程中气体内能发生了变化,气体柱高度增加了Δl。外界大气压强为p0。
(1)(多选)下列说法正确的是____________。
A.该过程中汽缸内气体的压强始终为p0
B.该过程中气体的内能不断增大
C.该过程中气体不断从外界吸收热量
D.气体在该过程中吸收的热量大于它对外界做的功
(2)若气体从状态A变化到状态B的过程中从外界吸收的热量为Q,则被封闭气体的内能变化了多少
思维点拨(1)根据从A到B的状态变化,结合热力学第一定律求热量与功的关系。
(2)对汽缸受力分析,根据平衡知识求出气体的压强,应用功的计算公式求出此过程中气体对外所做的功,再利用热力学第一定律可得气体内能的变化量。
BCD
Q-(p0S+mg)Δl
特别提醒如果研究对象是理想气体,因为理想气体没有分子势能,所以它的内能变化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。
训练突破
1.一定质量的气体,在从状态1变化到状态2的过程中,吸收热量280 J,并对外做功120 J。
(1)这些气体的内能怎样发生变化 变化了多少
(2)如果这些气体又返回原来的状态,并放出了240 J热量,那么在返回的过程中是气体对外界做功,还是外界对气体做功 做功多少
解析:(1)由热力学第一定律可得ΔU=W+Q=-120 J+280 J=160 J,气体的内能增加了160 J。
(2)由于气体的内能仅与状态有关,所以气体从状态2回到状态1的过程中内能应减少,其减少量应等于从状态1到状态2的过程中内能的增加量,则从状态2到状态1的内能应减少160 J,即ΔU'=-160 J,又Q'=-240 J,根据热力学第一定律得ΔU'=W'+Q',所以W'=ΔU'-Q'=-160 J-(-240 J)=80 J,即外界对气体做功80 J。
答案:(1)增加　160 J　(2)外界对气体做功　80 J
能力形成点2
热力学第二定律的理解(自主悟透)
整合构建
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。
说明: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。
训练突破
2.如图所示,绝热的汽缸被一个绝热的活塞分成左、右两部分,活塞质量不计,活塞用销钉锁住,活塞与汽缸之间没有摩擦,汽缸左边装有一定质量的理想气体,右边为真空。现在拔去销钉,抽去活塞,让气体向右边的真空做绝热自由膨胀,下列说法正确的是(　　)
A.气体在向真空膨胀的过程中对外做功,气体内能减少
B.气体在向真空膨胀的过程中,分子平均动能变小
C.气体在向真空膨胀的过程中,气体内能不变
D.若无外界的干预,气体分子可以自发地退回到左边,使右边重新成为真空
C
解析:气体在向右边的真空膨胀的过程中没有力的作用,所以气体对外不做功,即W=0,汽缸是绝热的,此过程是绝热过程,则Q=0,根据热力学第一定律ΔU=Q+W,可知ΔU=0,所以气体内能不变,温度不变,分子的平均动能不变,故A、B错误,C正确。无外界的干预,根据热力学第二定律可知,涉及热现象的宏观过程具有方向性,因此,气体分子不可能自发地退回到左边,使右边重新成为真空,故D错误。
3.根据热学中的有关知识,判断下列说法正确的是(　　)
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-273.15 ℃
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,第二类永动机可以制造出来
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。
能力形成点3
气体实验定律与热力学第一定律的综合应用(师生共研)
整合构建
1.四种题型
(1)等压变化:气体膨胀,对外界做功W,应用热力学第一定律代入-W;气体压缩,外界对气体做功W,应用热力学第一定律代入+W。
(2)等容变化:气体体积不变,气体和外界之间互不做功,即W=0,则ΔU=Q。气体从外界吸收的热量等于内能的增加量,气体向外界放出的热量等于内能的减少量。
(3)等温变化:气体内能不变,即ΔU=0,Q+W=0。气体吸热后体积一定增大,由于膨胀对外做的功等于从外界吸收的热量;反之,由于气体被压缩,外界对气体所做的功等于向外释放的热量。
(4)绝热过程:即Q=0,则W=ΔU。气体体积变化导致内能变化,由于膨胀对外做的功等于气体内能的减少量;反之,由于气体被压缩,外界对气体所做的功等于内能的增加量。
2.解题思路
【典例2】 一定质量的理想气体从状态A变化到状态B,再变化到状态C,其状态变化过程的p-V图像如图所示。已知该气体在状态A时的温度为27 ℃,求:
(1)该气体在状态B时的温度;
(2)该气体从状态A到状态C的过程中与外界交换的热量。
思维点拨(1)从状态A到状态B应用查理定律求B状态的温度。
(2)从状态A到状态C应用热力学第一定律求气体与外界交换的热量。
解得TC=300 K,所以tC=27 ℃
A、C温度相等,ΔU=0
A→C的过程,由热力学第一定律ΔU=Q+W得
Q=ΔU-W=ΔU-WBC =0-1×105×2×10-3 J=-200 J
即气体与外界交换的热量是200 J。
答案:(1)-173 ℃　(2)200 J
方法规律气体实验定律与热力学定律的综合问题的处理方法
(1)气体实验定律研究对象是一定质量的理想气体。
(2)解决具体问题时,分清气体的变化过程是求解问题的关键,根据不同的变化,找出相关的气体状态参量,利用相关规律解决。
(3)对理想气体,只要体积变化,外界就对气体(或气体对外界)做功;只要温度发生变化,其内能就发生变化。
(4)结合热力学第一定律ΔU=W+Q求解问题。
训练突破
4.(2024·山东卷)一定质量理想气体经历如图所示的循环过程,a→b过程是等压过程,b→c过程中气体与外界无热量交换,c→a过程是等温过程。下列说法正确的是(　　)
C
A.a→b过程,气体从外界吸收的热量全部用于对外做功
B.b→c过程,气体对外做功,内能增加
C.a→b→c过程,气体从外界吸收的热量全部用于对外做功
D.a→b过程,气体从外界吸收的热量等于c→a过程放出的热量
解析:a→b过程,等压膨胀,温度升高,对外做功,内能增加,A错误。b→c过程绝热膨胀,由热力学第一定律知,内能减少,B错误。a→b→c过程,a、c温度相同,内能相同,整个过程吸收的热量全部用于对外做功,C正确。a→b过程与a→b→c过程吸收的热量相等,等于a→b→c过程中气体对外做的功,即Qab=Wab+Wbc;c→a过程中,Qac=Wac,由于Wab+Wbc>Wac,因此Qab>Qac,故D错误。

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