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(共50張PPT)
第十四章　熱學(xué)
第3講　熱力學(xué)定律與能量守恒定律
素養(yǎng)目標(biāo)　1.能認(rèn)識物質(zhì)的運(yùn)動形式有多種，不同運(yùn)動形式對應(yīng)不同形式的能，各種形式的能在一定條件下可以相互轉(zhuǎn)化.（物理觀念） 2.認(rèn)識熱力學(xué)第一定律、熱力學(xué)第二定律及兩類永動機(jī).（物理觀念） 3.理解熱力學(xué)第一定律與能量守恒定律的關(guān)系.（科學(xué)思維） 4.能應(yīng)用熱力學(xué)第一定律分析有關(guān)實(shí)際問題.（科學(xué)思維）
A. 內(nèi)能變大 B. 壓強(qiáng)變大
C. 體積不變 D. 從水中吸熱
解析：恒溫水槽內(nèi)氣泡上浮過程中氣泡內(nèi)氣體的溫度保持不變，內(nèi)能不變，A錯誤；氣泡內(nèi)外壓強(qiáng)相等，則氣泡內(nèi)氣體壓強(qiáng)p＝p0＋ρ水gh，隨著氣泡上浮，水壓減小，氣泡內(nèi)氣體的壓強(qiáng)也減小，B錯誤；由玻意耳定律pV＝C知，氣泡的體積變大，氣體對外做功，由熱力學(xué)第一定律ΔU＝Q＋W知，氣體從水中吸熱，C錯誤，D正確.
D
做功　
熱量　
Q＋W　
轉(zhuǎn)化　
轉(zhuǎn)移　
轉(zhuǎn)化　
轉(zhuǎn)移　
總量　
普遍規(guī)律　
能量守恒定律　
深化1　　熱力學(xué)第一定律ΔU＝Q＋W
（1）符號法則
符號 W Q ΔU
＋ 外界對物體做功 物體吸收熱量 內(nèi)能增加
－ 物體對外界做功 物體放出熱量 內(nèi)能減小
（2）三種特殊情況
過程 含義 內(nèi)能變化 物理意義
絕熱 Q＝0 ΔU＝W 外界對物體做的功等于物體內(nèi)能的增加
等容 W＝0 Q＝ΔU 物體吸收的熱量等于物體內(nèi)能的增加
等溫 ΔU＝0 W＝－Q 外界對物體做的功，等于物體放出的熱量
深化2　　溫度、內(nèi)能、熱量、功的比較
項(xiàng)目 含義 特點(diǎn)
溫度 表示物體的冷熱程度，是物體分子平均動能大小的標(biāo)志，它是大量分子熱運(yùn)動的集體表現(xiàn)，對個別分子來說，溫度沒有意義 狀態(tài)量
內(nèi)能 物體內(nèi)所有分子動能和勢能的總和，它是由大量分子的熱運(yùn)動和分子的相對位置所決定的能 狀態(tài)量
熱量 指在熱力學(xué)系統(tǒng)與外界之間依靠溫差傳遞的能量，熱量是過程量，只能說“吸收”“放出”，不能說“含有”“具有” 過程量
功 做功過程是機(jī)械能或其他形式的能和內(nèi)能之間的轉(zhuǎn)化過程
思維模型　理解熱力學(xué)第一定律公式并能進(jìn)行相關(guān)的分析計(jì)算.
BD
A. 對外做功，體積膨脹
B. 對外不做功，最終壓強(qiáng)減小
C. 內(nèi)能減少，最終溫度降低
D. 無序度變大
C
A. 狀態(tài)a的內(nèi)能大于狀態(tài)b
B. 狀態(tài)c的溫度低于狀態(tài)b
C. a→b過程中氣體對外界做功比a→c→b過程做功少
D. c→b過程中氣體吸收熱量
A. 熱量能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體
B. 液體的表面張力方向總是跟液面相切
C. 在不同的慣性參考系中，物理規(guī)律的形式是不同的
D. 當(dāng)波源與觀察者相互接近時，觀察者觀測到波的頻率大于波源振動的頻率
解析：根據(jù)熱力學(xué)第二定律，熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體，A錯誤；液體的表面張力方向總是與液面相切，B正確；根據(jù)愛因斯坦假設(shè)，在不同的慣性參考系中，物理規(guī)律的形式都是相同的，C錯誤；根據(jù)多普勒效應(yīng)可知，當(dāng)觀察者與波源相互接近時，觀察者觀測到的波的頻率大于波源振動的頻率，D正確.
BD
自發(fā)地　
不產(chǎn)生其他
影響　
第二類　
減小　
無序性　
熱力學(xué)第二定律　
深化1　　對熱力學(xué)第二定律的理解
（1）“自發(fā)地”指明了熱傳遞等熱力學(xué)宏觀現(xiàn)象的方向性，不需要借助外界提供能量的幫助.
（2）“不產(chǎn)生其他影響”的涵義是發(fā)生的熱力學(xué)宏觀過程只在本系統(tǒng)內(nèi)完成，對周圍環(huán)境不產(chǎn)生熱力學(xué)方面的影響.如吸熱、放熱、做功等.
深化2　　熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)
自然界中進(jìn)行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性.
（1）高溫物體 低溫物體.
（2）功 熱.
（3）氣體體積V1（較小） 氣體體積V2（較大）.
（4）不同氣體A和B 混合氣體AB.
深化3　　兩類永動機(jī)的比較
第一類永動機(jī) 第二類永動機(jī)
不需要任何動力或燃料，卻能不斷地對外做功的機(jī)器 從單一熱源吸收熱量，使之完全變成功，而不產(chǎn)生其他影響的機(jī)器
違背能量守恒定律，不可能制成 不違背能量守恒定律，但違背熱力學(xué)第二定律，不可能制成
思維模型　理解熱力學(xué)第二定律的兩種表述，學(xué)會用熱力學(xué)第二定律解釋自然界中的能量轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)移及方向性問題.
A. 汽車通過燃燒汽油獲得動力并向空氣中散熱
B. 冷水倒入保溫杯后，冷水和杯子的溫度都變得更低
C. 某新型熱機(jī)工作時將從高溫?zé)嵩次盏臒崃咳哭D(zhuǎn)化為功，而不產(chǎn)生其他影響
D. 冰箱的制冷機(jī)工作時從冰箱內(nèi)低溫環(huán)境中提取熱量散發(fā)到溫度較高的室內(nèi)
B　
C　
解析：燃燒汽油產(chǎn)生的內(nèi)能一方面向機(jī)械能轉(zhuǎn)化，同時向空氣轉(zhuǎn)移，既不違背熱力學(xué)第一定律，也不違背熱力學(xué)第二定律；冷水倒入保溫杯后，冷水和杯子的溫度都變得更低，需要對外做功或?qū)ν夥懦鰺崃浚乇魯嗔藗鳠徇^程，水也沒有對外做功，故違背熱力學(xué)第一定律；某新型熱機(jī)工作時將從高溫?zé)嵩次盏臒崃咳哭D(zhuǎn)化為功，必然產(chǎn)生其他影響，故違背熱力學(xué)第二定律；制冷機(jī)消耗電能工作時從冰箱內(nèi)低溫環(huán)境中提取熱量散發(fā)到溫度較高的室內(nèi)，發(fā)生了內(nèi)能的轉(zhuǎn)移，同時對外界產(chǎn)生了影響，既不違背熱力學(xué)第一定律，也不違背熱力學(xué)第二定律.
角度2　熱力學(xué)定律與氣體實(shí)驗(yàn)定律的綜合應(yīng)用
AC
A. 氣體并沒有對外做功，氣體內(nèi)能不變
B. B中氣體可自發(fā)地全部退回到A中
C. 氣體溫度不變，體積增大，壓強(qiáng)減小
D. 氣體體積膨脹，對外做功，內(nèi)能減小
解析：氣體自由擴(kuò)散，沒有對外做功，又因?yàn)檎麄€系統(tǒng)與外界沒有熱交換，根據(jù)ΔU＝W＋Q可知內(nèi)能不變，故A正確，D錯誤；根據(jù)熵增加原理可知一切宏觀熱現(xiàn)象均具有方向性，故B中氣體不可能自發(fā)地全部退回到A中，故B錯誤；因?yàn)閮?nèi)能不變，故溫度不變，因?yàn)闅忾l艙B內(nèi)為真空，故擴(kuò)散后氣體體積V增大，根據(jù)玻意耳定律有pV＝C（定值），可知p減小，故C正確.
A. bc過程外界對氣體做功
B. ca過程氣體壓強(qiáng)不變
C. ab過程氣體放出熱量
D. ca過程氣體內(nèi)能減小
AC
深化1　　一定質(zhì)量理想氣體不同圖像的比較
過程 圖像類別 圖像特點(diǎn) 圖像示例
等溫
過程 p－V pV＝CT（其中C為常量），即p、V之積越大，溫度越高，等溫線離原點(diǎn)越遠(yuǎn)
過程 圖像類別 圖像特點(diǎn) 圖像示例
等容
過程 p－T
等壓
過程 V－T
深化2　　做功、傳熱和內(nèi)能變化的判斷方法
（1）做功情況看體積
體積V減小→外界對氣體做功→W＞0；
體積V增大→氣體對外界做功→W＜0；
無阻礙地自由膨脹→W＝0.
（2）內(nèi)能變化看溫度
溫度T升高→內(nèi)能增加→ΔU＞0；
溫度T降低→內(nèi)能減少→ΔU＜0.
（3）吸熱還是放熱，一般題目中會告知，或由熱力學(xué)第一定律ΔU＝Q＋W，知道W和ΔU后確定Q.
角度1　p－V圖像與熱力學(xué)定律的綜合應(yīng)用
C
A. 自狀態(tài)A至狀態(tài)B，氣體的溫度不變
B. 氣體在狀態(tài)B時的內(nèi)能為3U0
C. 自狀態(tài)A至狀態(tài)B，氣體吸收的熱量為8U0＋4p0V0
D. 自狀態(tài)A至狀態(tài)B，再至狀態(tài)C，氣體吸收的熱量比放出的熱量多2U0
BD
A. 氣體在C、D狀態(tài)下的壓強(qiáng)關(guān)系為pC＜pD
B. 氣體在A、B狀態(tài)下的壓強(qiáng)關(guān)系為pA＝pB
C. 氣體在B→C的過程中對外做功，內(nèi)能減少
D. 氣體在D→A的過程中放出熱量
解析：由題圖可知，氣體從狀態(tài)C到狀態(tài)D的過程中體積不變，溫度降低，由查理定律可知，氣體壓強(qiáng)減小，即pC＞pD，A錯誤.從A→B的V－t圖線的反向延長線與t軸的交點(diǎn)坐標(biāo)為（－273.15 ℃，0），可知?dú)怏w由狀態(tài)A到狀態(tài)B發(fā)生等壓變化，即pA＝pB，B正確.由題圖可知，氣體在B→C的過程中，溫度不變，體積變大，可知?dú)怏w的內(nèi)能不變，氣體對外做功，C錯誤.氣體在D→A的過程中，溫度降低，內(nèi)能減少，體積減小，外界對氣體做功，由熱力學(xué)第一定律可知?dú)怏w放出熱量，D正確.
限時跟蹤檢測
A級·基礎(chǔ)對點(diǎn)練
題組一　熱力學(xué)第一定律
A. 氣泡內(nèi)氣體對外界做功
B. 氣泡內(nèi)每個氣體分子的動能都變大
C. 氣泡內(nèi)氣體從外界吸收熱量
D. 氣泡內(nèi)氣體的壓強(qiáng)可能不變
AC
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A. 壓強(qiáng)增大 B. 壓強(qiáng)不變
C. 吸熱 D. 放熱
C
解析：水逐漸流出的過程中，瓶內(nèi)封閉氣體的體積逐漸增大，由玻意耳定律pV＝C（常量）可知，封閉氣體的壓強(qiáng)逐漸減小，A、B錯誤；瓶內(nèi)封閉氣體溫度不變，則其內(nèi)能不變，即ΔU＝0，又瓶內(nèi)封閉氣體的體積增大，氣體對外界做功，即W＜0，根據(jù)熱力學(xué)第一定律ΔU＝W＋Q可知Q＞0，則瓶內(nèi)封閉氣體從外界吸收熱量，C正確，D錯誤.
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A. 第二類永動機(jī)不可能制成是因?yàn)檫`反了熱力學(xué)第一定律
B. 第一類永動機(jī)不可能制成是因?yàn)檫`反了熱力學(xué)第二定律
C. 由熱力學(xué)第一定律可知做功不一定改變內(nèi)能，傳熱也不一定改變內(nèi)能，但同時做功和傳熱一定會改變內(nèi)能
D. 由熱力學(xué)第二定律可知熱量從低溫物體傳向高溫物體是可能的，從單一熱源吸收熱量，完全變成功也是可能的
D
解析：第一類永動機(jī)違反能量守恒定律，第二類永動機(jī)違反熱力學(xué)第二定律，A、B錯誤；由熱力學(xué)第一定律可知W≠0，Q≠0，但ΔU＝W＋Q可以等于0，C錯誤；由熱力學(xué)第二定律可知D中現(xiàn)象是可能的，但會引起其他變化，D正確.
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A. 熱量可以自發(fā)地從冰箱內(nèi)傳到冰箱外
B. 電冰箱的制冷系統(tǒng)能夠不斷地把冰箱內(nèi)的熱量傳到外界，是因?yàn)槠湎牧穗娔?br/>C. 電冰箱的工作原理不違反熱力學(xué)第一定律
D. 電冰箱的工作原理違反熱力學(xué)第一定律
BC
解析：由熱力學(xué)第二定律可知，熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體，除非有外界的影響或幫助，電冰箱把熱量從低溫的內(nèi)部傳到高溫的外部，需要壓縮機(jī)的幫助并消耗電能，故B正確，A錯誤；熱力學(xué)第一定律是熱現(xiàn)象中內(nèi)能與其他形式能的轉(zhuǎn)化規(guī)律，是能量守恒定律的具體表現(xiàn)，適用于所有的熱學(xué)過程，故C正確，D錯誤.
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題組三　熱力學(xué)定律與氣體實(shí)驗(yàn)定律的綜合應(yīng)用
A. a→b過程，氣體內(nèi)能不變，不與外界發(fā)生傳熱
B. b→c過程，氣體分子單位時間內(nèi)與器壁單位面積上的碰撞次數(shù)不變
C. c→d過程，氣體從外界吸收的熱量大于氣體內(nèi)能的增加量
D. a→b→c→d→e→a整個過程， 氣體放出的熱量大于吸收的熱量
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A. A→C過程氣體吸收的熱量大于對外做的功
B. A→C的過程中，氣體分子的平均動能一直減小
C. 氣體在A狀態(tài)的內(nèi)能等于在C狀態(tài)的內(nèi)能
D. A→C過程氣體吸收的熱量等于A→B→C過程氣體吸收的熱量
C
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解析：A→C的過程中，由熱力學(xué)第一定律有ΔUAC＝QAC＋WAC，由于A、C處于同一條等溫線上，所以TA＝TC，氣體在A狀態(tài)的內(nèi)能等于在C狀態(tài)的內(nèi)能，即ΔUAC＝0，由氣體體積增大知WAC＜0，因此可得QAC＞0，QAC＝｜WAC｜，此過程中氣體吸收的熱量等于對外做的功，故A錯誤，C正確；根據(jù)A→C的過程中等溫線的變化可知，氣體溫度先升高后降低，則氣體分子的平均動能先增大后減小，故B錯誤；A→B→C過程，有ΔUABC＝QABC＋WABC，ΔUABC＝0，QABC＝｜WABC｜，由p－V圖像與橫軸所圍的面積表示氣體對外做的功可知｜WABC｜＞｜WAC｜，得到QABC＞QAC，故D錯誤.
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A. 狀態(tài)A→B的過程氣體吸熱
B. 狀態(tài)A的氣體壓強(qiáng)為1.0×105 Pa
C. 狀態(tài)B→C過程是等壓變化
D. 狀態(tài)B→C過程氣體對外做功200 J
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B級·能力提升練
A. 從外界吸收熱量
B. 壓強(qiáng)變大
C. 分子平均動能變大
D. 內(nèi)能變大
A
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解析：噴水的過程中，氣體的體積變大，對外做功，W＜0，溫度保持不變即內(nèi)能不變，根據(jù)熱力學(xué)第一定律ΔU＝W＋Q可知，Q＞0，即氣體從外界吸收熱量，A正確，D錯誤.氣體發(fā)生等溫變化，體積膨脹，根據(jù)玻意耳定律可知壓強(qiáng)減小，B錯誤.溫度是分子平均動能的標(biāo)志，氣體溫度保持不變，則分子平均動能不變，C錯誤.
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9. 如圖所示，測定一個形狀不規(guī)則小塊固體體積，將此小塊固體放入已知容積為V0的導(dǎo)熱效果良好的容器中，開口處豎直插入兩端開口的薄玻璃管，其橫截面積為S，接口用蠟密封.容器內(nèi)充入一定質(zhì)量的理想氣體，并用質(zhì)量為m的活塞封閉，活塞能無摩擦滑動，穩(wěn)定后測出氣柱長度為l1.將此容器放入熱水中，活塞緩慢豎直向上移動，再次穩(wěn)定后氣柱長度為l2、溫度為T2.已知S＝4.0×10－4 m2，m＝0.1 kg，
l1＝0.2 m，l2＝0.3 m，T2＝350 K，V0＝2.0×10－4 m3，大氣壓強(qiáng)p0＝1.0×
105 Pa，環(huán)境溫度T1＝300 K.
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不變　
變小　
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（2）求此不規(guī)則小塊固體的體積V；
答案：（2）4×10－5 m3
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（3）若此過程氣體內(nèi)能增加10.3 J，求吸收熱量Q.
答案：（3）14.4 J
解析：（3）此過程氣體內(nèi)能增加10.3 J，即ΔU＝10.3 J
外界對氣體做的功W＝－pΔV＝－pS（l2－l1）
對活塞，根據(jù)平衡條件有p0S＋mg＝pS
根據(jù)熱力學(xué)第一定律有ΔU＝Q＋W
聯(lián)立并代入數(shù)據(jù)解得Q＝14.4 J.
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（1）求活塞上升過程中左側(cè)缸內(nèi)氣體的壓強(qiáng)；
答案：（1）1.075×105 Pa　
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（2）求斷開電源時氣體升高的溫度；
答案：（2）100 K
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（3）求穩(wěn)定后整個過程中氣體吸收的熱量.
答案：（3）293.5 J
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