第三章 热力学定律 章末小结与质量评价（课件PPT）-【新课程学案】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册（教科版2019）

一、知识体系建构——理清物理观念 二、综合考法融会——强化科学思维 [例1]　把浸有乙醚的一小块棉花放在厚玻璃筒的底部，当快速下压活塞时，由于被压缩的空气骤然变热，温度升高，达到乙醚的燃点，浸有乙醚的棉花燃烧起来，此实验的目的是要说明 (　 ) A．做功可以升高物体的温度 B．做功可以改变物体的内能 C．做功一定可以增加物体的内能 D．做功可以增加物体的热量 温度、内能、热量、功的理解 [解析]　当快速下压活塞时，活塞对玻璃筒内的空气做功，改变了气体的内能，气体的温度升高，达到乙醚的燃点，使浸有乙醚的棉花燃烧起来，故B正确；做功改变的是物体的内能，温度升高是内能增大的表现，热量是过程量，所以A、D错误；若外界对系统做功，同时系统对外放出热量，系统内能不一定增加，C错误。 [答案]　B [融会贯通] 温度、内能、热量和功的比较 概念 温度 内能 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整体表现，对个别分子无意义 物体内所有分子动能和分子势能的总和，它是由大量分子的热运动和分子的相对位置所决定的能 是传热过程中内能的改变量，用来度量传热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与内能之间的转化过程。功是该过程能量转化的量度 关系 温度和内能是状态量，热量和功则是过程量，传热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 说明：(1)温度、内能、热量和功是热学中相互关联的四个物理量。当物体的内能改变时，温度不一定改变。只有当通过传热改变物体内能时才会有热量传递，能量的形式没有发生变化。 (2)热量是传热过程中的特征物理量，离开过程谈热量毫无意义。就某一状态而言，只有“内能”，根本不存在“热量”和“功”，因此不能说一个系统中含有多少“热量”或多少“功”。 [对点训练] 1.下列关于温度、内能、热量和功的说法正确的是 (　 ) A．同一物体体积不变时，温度越高，内能越大 B．要使物体的内能增加，一定要吸收热量 C．要使物体的内能增加，一定要对物体做功 D．物体内能增加，它的温度就一定升高 解析：同一物体的内能与温度和体积有关，体积不变时，温度越高，内能越大，A正确；做功和传热在改变物体内能上是等效的，使物体内能增加既可以通过吸收热量也可以通过对物体做功来实现，B、C错误；物体内能是分子动能与分子势能的总和，内能增加可能只是分子势能的增加，分子平均动能可能不变，即温度可能不变，D错误。 答案：A　 热力学第一定律的综合应用 7 [答案]　(1)400 K　(2)200 J [融会贯通] 1．热力学第一定律的意义 热力学第一定律不仅反映了做功和传热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传热之间的定量关系。此定律是标量式，应用时各物理量的单位应统一为国际单位制中的焦耳。 2．正确理解公式的意义及符号的含义 (1)外界对物体做功，W>0；物体对外界做功，W<0。 (2)物体吸收热量，Q>0；物体放出热量，Q<0。 (3)物体内能增加，ΔU>0；物体内能减少，ΔU<0。 3．应用热力学第一定律解题的思路 (1)首先应明确研究对象是哪个物体或哪个热力学系统。 (2)其次要明确物体(或系统)吸收或放出的热量，外界对物体(或系统)所做的功。 (3)最后根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W列出方程进行求解。特别要注意的是物理量的单位及正负号。 [对点训练] 2．(2024·山东高考)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(　 ) 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过程是等压变化且体积增大，气体对外做功，Wab<0，由盖­吕萨克定律可知Tb>Ta，即内能增大，ΔUab>0，根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W可知，a→b过程，气体从外界吸收的热量一部分用于对外做功，另一部分用于增加内能，A错误；b→c过程中气体与外界无热量交换，即Qbc＝0，又由气体体积增大可知Wbc<0，由热力学第一定律ΔU＝Q＋W可知气体内能减少，故B错误；c→a过程为等温过程，可知Tc＝Ta，ΔUac＝0，根据热力学第一定律可知a→b→c过程，气体从外界吸收的热量全部用于对外做功，C正确；a→b→c→a一整个热力学循环过程ΔU＝0，整个过程气体对外做功，根据热力学第一定律可得ΔU＝Qab－Qca－W＝0，故a→b过程气体从外界吸收的热量Qab不等于c→a过程放出的热量Qca，D错误。 答案： C 　 [例3]　 如图所示，汽缸内盛有一定量的理想气体，汽缸壁是导热的，汽缸外环境保持恒温，活塞与汽缸壁的接触面是光滑的，但不漏气。现将活塞与杆连接，使其缓慢地向右移动，这样气体将等温膨胀并对外做功。若已知理想气体的内能只与温度有关，则下列说法正确的是(　 ) 热力学第二定律的理解和应用 A．气体是从单一热库吸热，全部用来对外做功，因此此过程违反了热力学第二定律 B．气体是从单一热库吸热，但并未全部用来对外做功，所以此过程不违反热力学第二定律 C．气体是从单一热库吸热，全部用来对外做功，但此过程不违反热力学第二定律 D．以上三种说法都不对 [解析]　此过程虽然是气体从单一热库吸热，全部用来对外做功，但引起了其他变化(有外力控制着活塞缓慢地移动，而非自动进行的)，所以此过程不违反热力学第二定律。 [答案]　C [融会贯通] 热力学第二定律的两种表述 1．按照传热的方向性表述：热量不可能自发地从低温物体传递到高温物体，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表述：不可能从单一热源吸收热量，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。 [对点训练] 3.(多选)下列说法中正确的是 (　 ) A．随着科学技术的发展，制冷机的制冷温度可以降到－280 ℃ B．热量可以从低温物体传到高温物体 C．无论科技怎样发展，第二类永动机都不可能实现 D．无论科技怎样发展，都无法判断一物体温度升高是通过做功还是传热实现的 解析：制冷机的制冷温度不可能降到－273.15 ℃以下，A错误；在一定条件下，热量可以从低温物体传到高温物体，B正确；不可能从单一热库吸热使之完全变成功而不产生其他影响，即第二类永动机永远不可能实现，C正确；做功和传热在改变物体内能上是等效的，无论科技怎样发展，都无法判断一物体的温度升高是通过做功还是传热实现的，D正确。 答案：BCD　 三、价值好题精练——培树科学态度和责任 1．如图是探究电流通过导体时产生热量的多少与哪些因素有关的实验装置。两个透明容器中密封着等量的空气，U形管中液面高度的变化反映密闭空气温度的变化。下列说法正确的是 (　 ) A．甲装置是为了研究电流产生的热量与电阻的关系 B．甲装置通电一段时间后，左侧容器内空气吸收的热量更多 C．乙装置是为了研究电流产生的热量与电流的关系 D．乙装置通电一段时间后，右侧U形管中液面的高度差比左侧的小 解析：甲装置中右侧两个5 Ω的电阻并联后再与左侧一个5 Ω的电阻串联，根据串联电路的电流特点可知，右端两个电阻的总电流和左端电阻的电流相等，即I右＝I左，两个5 Ω的电阻并联，根据并联电路的电流特点知I右＝I1＋I2，两 电阻阻值相等，则支路中电流相等，I1＝I2，所以右边容器中通过电阻的电流是左侧电阻通过电流的一半，即是研究电流产生的热量与电流的关系，由Q＝I2Rt可知，左边容器中的电阻产生的热量多，温度升得较快，因此通电一段时间后，玻璃管左侧液面高度差更大，故A错误，B正确；在乙装置中，将容器中的电阻丝串联起来接到电源两端，通过它们的电流I与通电时间t相同，左边容器中的电阻小于右边容器中的电阻，即是探究电流产生的热量与电阻大小的关系，故由Q＝I2Rt可知，右边容器中的电阻产生的热量多，温度升得较快，因此通电一段时间后，玻璃管右侧液面高度差更大，故C、D错误。 答案：B　 2．如图，某厂家声称所生产的空气能热水器能将热量从空气吸收到储水箱，下列说法中正确的是 (　 ) A．热量可以自发地从大气传递到储水箱内 B．空气能热水器的工作原理违反了能量守恒定律 C．空气能热水器的工作原理违反了热力学第二定律 D．空气能热水器能够不断地把空气中的热量传到水箱内，但必须消耗电能 解析：该热水器将空气中的能量转移到热水中，符合能量守恒定律，但是热量不可能自发地从低温物体转移到高温物体，实质上在产生热水的过程中，必须消耗电能才能实现，因此也符合热力学第二定律。故A、B、C错误，D正确。 答案：D　 3.(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，放出热量到箱体外。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．电冰箱消耗电能，其制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界，在室内打开冰箱门并不能起到制冷的效果 C．电冰箱的工作原理违反热力学第一定律 D．电冰箱的工作原理不违反热力学第二定律 解析：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物体传到高温物体，需要压缩机的帮助并消耗了电能，电冰箱的工作原理不违反热力学第二定律，B、D正确，A错误；热力学第一定律是热现象中内能与其他形式能的转化或内能转移的规律，是能量守恒定律的具体表现，适用于所有的热学过程，所以电冰箱的工作原理不违反热力学第一定律，C错误。 答案：BD　 4．(2024·河北高考)(多选)如图，水平放置的密闭绝热汽缸被导热活塞分成左右两部分，左侧封闭一定质量的理想气体，右侧为真空，活塞与汽缸右壁中央用一根轻质弹簧水平连接。汽缸内壁光滑且水平长度大于弹簧自然长度，弹簧的形变始终在弹性限度内且体积忽略不计。活塞初始时静止在汽缸正中间，后因活塞密封不严发生缓慢移动，活塞重新静止后(　 ) A．弹簧恢复至自然长度 B．活塞两侧气体质量相等 C．与初始时相比，汽缸内气体的内能增加 D．与初始时相比，活塞左侧单位体积内气体分子数减少 解析：初始活塞受到左侧气体向右的压力和弹簧向左的弹力处于平衡状态，弹簧处于压缩状态。因活塞密封不严，可知左侧气体向右侧真空漏出。左侧气体压强变小，右侧出现气体，对活塞有向左的压力，最终左、右两侧气体压强相等，且弹簧恢复原长，故A正确；由题知活塞初始时静止在汽缸正中间，但由于活塞向左移动，左侧气体体积小于右侧气体体积，则左侧气体质量小于右侧气体质量，故B错误；密闭的汽缸绝热，与外界没有能量交换，但弹簧弹性势能减少了，可知气体内能增加，故C正确；初始时气体在左侧且体积为整个汽缸体积的一半，最终气体充满整个汽缸，则初始活塞左侧单位体积内气体分子数应该是最终状态的两倍，故D正确。 答案：ACD [例2]　如图所示，开口向上、内壁光滑的绝热汽缸竖直放置，卡口离缸底的高度h＝0.1 m。质量M＝20 kg的绝热活塞停在卡口处，活塞的横截面积S＝1×10－2 m2，缸内气体温度t1＝27 ℃，压强p1＝0.9×105 Pa。现通过电热丝缓慢加热缸内气体，已知外界大气压强p0＝1×105 Pa，取重力加速度g＝10 m/s2，缸内气体可视为理想气体，0 ℃＝273 K。 (1)活塞刚要离开卡口时，求气体的热力学温度T2； (2)活塞离开卡口后继续上升了H＝0.1 m，此过程中气体吸收了Q＝320 J的热量，求此过程中气体内能的变化量ΔU。 [解析]　(1)气体加热至使活塞刚要离开卡口，气体经历等容变化，则有＝ 当活塞刚要离开卡口时，根据受力分析有p2S＝p0S＋Mg 代入数据，解得p2＝1.2×105 Pa，T2＝400 K。 (2)活塞离开卡口上升过程中，缸内气体发生等压变化，故气体对外做功，则有W＝－p2SH＝－120 J 此过程吸收热量Q＝320 J 故此过程中ΔU＝W＋Q＝200 J。 $$