第14章 第40讲 热力学定律与能量守恒（教师用书）-【名师大课堂】2025年新高考物理艺术生总复习必备

(1)当环境温度缓慢升高时,活塞是否移动? 简 要分析理由; (2)若环境温度不变,因阀门封闭不严,B中气体 向外缓慢漏气,活塞将缓慢向右移动,求当B中 气体体积减为原来的一半时,A中气体的压强. 解析:(1)假设温度升高的过程中活塞不移动,则 气体体积不变,气体发生等容变化,由查理定律 可得p T= p' T' 解得p'=T'Tp 可得气体压强的变化 量为Δp=p'-p=T'-TT p= ΔT Tp 对于两部分 气体而言,ΔT、T、p 都相同,即两边气体压强的 变化量 相 同,因 此 当 环 境 温 度 升 高 时,活 塞 不 移动. (2)设开始时A中气体的体积为3V,B 中气体的 体积为2V,当B中气体因漏气减为原来一半时, 此时A中气体体积变为4V,A中气体发生等温 变化,由玻意耳定律有p·3V=p″·4V 解得此 时A中气体的压强为p″=34p. 答案:(1)不移动,见解析 (2)34p 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 第40讲 热力学定律与能量守恒 1.热力学第一定律 (1)改变物体内能的两种方式 ① 做功 .② 热传递 . (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:ΔU= Q+W . ③ΔU= Q+W 中正、负号法则: 物 理 量意 义 符 号 W Q ΔU + 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 减少 功 W 的 正 负 可 以 根 据 系 统 的 体 积 变 化 判断 ①体积增大→系统对外做功→W<0; ②体积减小→外界对系统做功→W>0. (3)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 为另一种形式,或者是从一 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条件性 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. ③第一类永动机是不可能制成的,它违背了 能 量守恒定律 . 2.热力学第二定律 (1)热力学第二定律的三种表述 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:如图甲所示,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 .或表述为“第二类永动机不可能制 成”. ③用熵的概念表示热力学第二定律 如图乙所示,用熵的概念表述:在任何自然过程 中,一个孤立系统的总熵不会 减小 (热力学 第二定律又叫做熵增加原理). (2)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. (3)第二类永动机不可能制成的原因是违背了热 力学 第二定律 . 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 861 热力学第一定律的理解和应用 1.热力学第一定律ΔU=Q+W (1)符号法则 符号 W Q ΔU + 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 (2)三种特殊情况 过程 含义 内能变化 物理意义 绝热 Q=0 ΔU=W 外界对物体做的功等于 物体内能的增加 等容 W=0 Q=ΔU 物体吸收的热量等于物 体内能的增加 等温 ΔU=0 W=-Q 外界对物体做的功,等 于物体放出的热量 2.做功和热传递的区别与联系 两种方式 做功 热传递 区 别 内能变 化情况 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 物体吸收热量,内 能增加;物体放出 热量,内能减少 从运动 形式上 看 做功是宏观的 机械运动向物 体的微观分子 热运动的转化 热传递是通过分 子之间的相互作 用,使同一物体的 不同部分或不同 物体间的分子热 运动发生变化 从能量 的角度 看 做功是其他形 式的能与内能 相 互 转 化 的 过程 不同物体间或同 一物体不同部分 之间内能的转移 能的性 质变化 情况 能的性质发生 了变化 能的性质不变 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相同的 (热力学第一定律应用) 如图是密闭的气缸,外力推动 活塞 P 压缩气体,对缸内气体 做功800J,同时气体向外界放 热200J,缸内气体的 ( A ) A.温度升高,内能增加600J B.温度升高,内能减少200J C.温度降低,内能增加600J D.温度降低,内能减少200J 解析:据题,外界对气体做功,W=800J,气体向 外散热,则Q=-200J,根据热力学第一定律得, 气体内能的增量ΔU=W +Q=800J-200J= 600J,即内能增加600J;对于一定质量的理想气 体,内能增加,温度必然升高.A项正确. 热力学第二定律的理解和应用 1.热力学第二定律的理解 (1)在热力学第二定律的表述中“自发地”“不产 生其他影响”的含义 ①“自发地”指明了热传递现象的方向性,不需要 借助外界提供能量的帮助. ②“不产生其他影响”是说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. (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)热力学过程方向性实例 ①高温物体 热量Q 能自发传给 热量Q 不能自发传给 􀜩 􀜨􀜑􀜑􀜑􀜑􀜑􀜑􀜑􀜑 低温物体 ②功 能自发地完全转化为 不能自发地完全转化为 􀜩 􀜨􀜑􀜑􀜑􀜑􀜑􀜑􀜑􀜑􀜑 内能 ③气体体积V1(较小) 能自发膨胀到 不能自发膨胀到 􀜩 􀜨􀜑􀜑􀜑􀜑􀜑􀜑􀜑 气体体积 V2(较大) ④不同气体A 和B 能自发混合成 不能自发分离成 􀜩 􀜨􀜑􀜑􀜑􀜑􀜑􀜑􀜑 混合气体AB (4)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. 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 961 2.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 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 指出自然界中出现 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 表述 形式 只有一种表述形式 有多种表述形式 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 (多选)根据你学过的热学中的有关知识, 判断下列说法中正确的是 ( AC ) A.机械能可以全部转化为内能 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.制冷机在制冷过程中,从室内吸收的热量少 于向室外放出的热量 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 气体实验定律与热力学定律的综合 求解气体实验定律与热力学定律的综合问题的一 般思路 一容积为V0 的容器通过细管与一个装有 水银的粗细均匀的 U形管相连(U形管和细管 中的气体体积远小于容器的容积V0),U形管的 右管与大气相通,大气压为750mmHg.关闭阀 门,U形管的左、右管中水银面高度相同,此时气 体温度为300K.现仅对容器内气体进行加热. (1)如图所示,当U形管右侧管中的水银面比左 侧管中的水银面高 H=50mm时,求封闭容器 内气体的温度; (2)保持(1)问中的温度不变,打开阀门缓慢抽出 部分气体,当 U形管左侧管中的水银面比右侧 管中的水银面高50mm时(水银始终在 U形管 内),求封闭容器内剩余气体的质量与原来总质 量的比值; (3)判断在抽气的过程中剩余气体是吸热还是放 热,并阐述原因. 解析:(1)设 升 温 后 气 体 的 压 强 为 p1,由 题 意 可知 p0=750mmHg,T0=300K, p1=800mmHg 由查理定律得p0 T0 =p1T1 解得T=320K. (2)当U形管左侧管中的水银面比右侧管中的 水银面高50mm时,压强p=700mmHg. 抽气过程可等效为等温膨胀过程,设膨胀后气体 的总体积为V,由玻意耳定律得p1V0=pV 设剩余气体的质量与原来总质量的比值为k,由 题意得k= V0 V = 7 8. (3)吸热.因为抽气过程中剩余气体温度不变,故 内能不变,而剩余气体膨胀对外做功,所以根据 热力学第一定律可知剩余气体要吸热. 答案:(1)320K (2)78 (3)吸热 原因见解析 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 071