第十四章 课时3 热力学定律与能量守恒-【导与练】2024高考物理一轮复习高中总复习第1轮教师用书word（浙江专用）

课时3　热力学定律与能量守恒 一、热力学第一定律 1.改变物体内能的两种方式 (1)做功:将其他形式的能转化为内能。 (2)热传递:不同物体(或一个物体的不同部分)之间内能的转移。 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热量与外界对它所做的功的和。 (2)表达式:ΔU=Q+W。 其中,做功情况看气体的体积:体积增大,气体对外界做功,W为负;体积缩小,外界对气体做功,W为正。 (3)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。 二、热力学第二定律及微观意义 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。 2.热力学第二定律的理解 (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。 3.热力学第二定律的微观意义 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。 三、能量守恒定律和两类永动机 1.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。 2.两类永动机 (1)第一类永动机:不消耗任何能量,却源源不断地对外做功的机器。违背能量守恒定律,因此不可能实现。 (2)第二类永动机:从单一热源吸收热量并把它全部用来对外做功,而不引起其他变化的机器。违背热力学第二定律,不可能实现。 热力学第一定律 [例1] (2022·山东卷)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p1=p0+,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>V1,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ΔU<0,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。 [变式1] 如图所示,内壁光滑的汽缸水平放置。一定质量的理想气体被密封在汽缸内,外界大气压强为p0。现对汽缸缓慢加热,气体吸收热量Q后,体积由V1增大为V2。则在此过程中(　B　) A.气体分子平均动能减小,气体内能变化了Q-p0(V2-V1) B.气体分子平均动能增大,气体内能变化了Q-p0(V2-V1) C.气体分子平均动能减小,气体内能变化了Q+p0(V2-V1) D.气体分子平均动能增大,气体内能变化了Q+p0(V2-V1) 解析:温度是分子热运动平均动能的标志,温度升高,气体分子平均动能增大。根据热力学第一定律得ΔU=Q+W,而W=-p0ΔV=-p0(V2-V1),所以气体内能变化了ΔU=Q-p0(V2-V1),选项B正确。 热力学第二定律 [例2] 如图所示,一演示用的“永动机”转轮由5根轻杆和转轴构成,轻杆的末端装有用形状记忆合金制成的叶片。轻推转轮后,进入热水的叶片因伸展而“划水”,推动转轮转动,离开热水后,叶片形状迅速恢复,转轮因此能较长时间转动。下列说法正确的是(　D　) A.转轮依靠自身惯性转动,不需要消耗外界能量 B.转轮转动所需能量来自形状记忆合金自身 C.转动的叶片不断搅动热水,水温升高 D.转轮的叶片在热水中吸收的热量一定大于在空气中释放的热量 解析:转轮在转动的过程中克服摩擦力做功,转轮的速度越来越小,所以要维持转轮转动,需要外力做功,故A错误;要维持转轮转动需要外力做功,转轮转动所需能量不能由转轮自己提供,故B错误;转动的叶片不断搅动热水的过程是水对转轮做功的过程,同时水会向四周放出热量,根据热力学第一定律可知水的内能减小,故水温降低,故C错误;根据热力学第二定律,物体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,故叶片在热水中吸收的热量一定大于在空气中释放的热量,故D正确。 [变式2] (多选)如图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