高中物理第三章热力学基础章末总结教学案粤教版选修3_3

高中物理第三章热力学基础章末总结教学案粤教版选修3_3

第三章 热力学基础 章末总结 一、热力学第一定律及其应用 热力学第一定律揭示了内能的增量(ΔU)与外界对物体做功(W)以及物体从外界吸收热量(Q) 之间的关系，即ΔU＝W＋Q，正确理解公式的意义及符号含义是解决本类问题的关键． (1)外界对物体做功，W>0；物体对外做功，W<0； (2)物体从外界吸热，Q>0；物体放出热量，Q<0； (3)ΔU>0，物体的内能增加；ΔU<0，物体的内能减少． 分析题干，确定内能改变的方式(W、Q)→判断 W、Q 的符号→代入公式ΔU＝W＋Q→得出结论 ΔU>0，则内能增加ΔU； ΔU<0，则内能减少|ΔU|. 例 1 如图 1 所示，p－V 图中，一定质量的理想气体由状态 A 经过程Ⅰ变至状态 B 时，从外 界吸收热量 420 J，同时膨胀对外做功 300 J．当气体从状态 B 经过程Ⅱ回到状态 A 时，外界 压缩气体做功 200 J，判断此过程中气体是吸热还是放热，并求出热量变化的多少． 图 1 答案 放热 320 J 解析 一定质量的理想气体由状态 A 经过程Ⅰ变至状态 B 时，从外界吸收的热量 Q1 大于气体 膨胀对外做的功 W1，气体内能增加，由热力学第一定律可知，气体内能的增加量为ΔU＝Q1 ＋W1＝420 J＋(－300 J)＝120 J 气体由状态 B 经过程Ⅱ回到状态 A 时，气体内能将减少 120 J，而此过程中外界又压缩气体 做了 W2＝200 J 的功，因而气体必向外界放热，放出的热量为 Q2＝ΔU′－W2＝(－120) J－200 J＝－320 J 即此过程中气体放出的热量是 320 J. 二、热力学第二定律及其应用 1．热力学第二定律的两种表述 (1)按照热传递的方向性表述为：热量不能自动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)按照机械能和内能转化过程的方向性表述为：不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来 做功，而不引起其他变化．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实质 (1)一切与热现象有关的自发的宏观过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行． (2)用熵来表示热力学第二定律：在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小． 3．分析此类问题的方法 掌握热力学第二定律时，要注意理解其本质，即热力学第二定律是对宏观自然过程进行方向 性的说明．凡是对这种宏观自然过程进行方向性的说明，都可以作为热力学第二定律的表 述．本章对热力学第二定律的表述很多，这些不同形式的表述都是等价的． 例 2 下列有关热力学第二定律的说法正确的是( ) A．气体自发地扩散运动总是向着更为无序的方向进行，是可逆过程 B．第二类永动机虽然不违反能量守恒定律，但它是制造不出来的 C．空调既能制冷又能制热，说明热传递不具有方向性 D．一定质量的理想气体向真空自由膨胀时，体积增大，气体对外做功 答案 B 解析 与温度有关的一切热现象的宏观过程都是不可逆的，A 项错误；热量不能自发地由低 温物体传到高温物体，空调机里的压缩机工作，消耗了电能，产生了其他影响，C 项错误； 一定质量的理想气体向真空自由膨胀时，体积增大，气体没有做功，D 项错误．只有 B 项正 确． 针对训练 热力学第二定律指出：内能与机械能的转化具有方向性．请结合熵的变化加以解 释． 答案 见解析 解析 机械运动是宏观情况下物体在空间位置上的变化，物体运动状态的变化完全遵循牛顿 运动定律．这是一种有序的运动．热运动是大量分子的无序运动．机械运动向热运动的转化， 属于从有序向无序的转化，熵增加，符合热力学规律，因此机械能可以全部转化为内能．反 过程是熵值减小，不符合熵增加原理，因此内能不能全部转化为机械能，而不引起其他变化. 1．(热力学第一定律)如图 2 所示，A、B 是两个完全相同的球，分别浸没在水和水银的同一 深度内，A、B 两球用同一种材料制成，当温度稍微升高时，球的体积会明显变大，如果开始 水和水银的温度相同，且两液体温度同时缓慢升高同一值，两球膨胀后，体积相等，则( ) 图 2 A．A 球吸收的热量较多 B．B 球吸收的热量较多 C．两球吸收的热量一样多 D．无法确定 答案 B 解析 两球初、末态温度分别相同，初、末态体积也相同，所以内能增量相同，但水银中的 B 球膨胀时对外做功多，所以吸热较多，故选 B. 2．(热力学第一定律的综合应用)(多选)一定量的理想气体从状态 a 开始，经历三个过程 ab、 bc、ca 回到原状态，其 p－T 图象如图 3 所示，下列判断正确的是 ( ) 图 3 A．过程 ab 中气体一定吸热 B．过程 bc 中气体既不吸热也不放热 C．过程 ca 中外界对气体所做的功等于气体所放的热 D．a、b 和 c 三个状态中，状态 a 分子的平均动能最小 E．b 和 c 两个状态中，容器壁单位面积单位时间内受到气体分子撞击的次数不同 答案 BC 解析 由 p－T 图像可知过程 ab 是等容变化，温度升高，内能增加，体积不变，由热力学第 一定律可知过程 ab 一定吸热，选项 A 正确；过程 bc 温度不变，即内能不变，由于过程 bc 体积增大，所以气体对外做功，由热力学第一定律可知，气体一定吸收热量，选项 B 错误； 过程 ca 压强不变，温度降低，内能减少，体积减小，外界对气体做功，由热力学第一定律可 知，放出的热量一定大于外界对气体做的功，选项 C 错误；温度是分子平均动能的标志，由 p－T 图像可知，a 状态气体温度最低，则平均动能最小，选项 D 正确；b、c 两状态温度相等， 分子平均动能相等，由于压强不相等，所以单位面积单位时间内受到气体分子撞击的次数不 同，选项 E 正确． 3．(热力学第二定律)关于热力学第二定律，下列表述正确的是( ) A．不可能使热量从低温物体传递到高温物体 B．不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功 C．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 D．在任何的自然过程中，一个孤立系统的总熵一定增加 答案 C 解析 如果有外界的帮助，可以使热量从低温物体传递到高温物体，也可以把热量全部用来 做功，A、B 错误；任何自然的过程都沿无序性增大的方向进行，C 正确；在任何自然过程中 一个孤立系统的总熵不会减小，总熵不会减小即总熵不变或增加，D 错误． 4．(热力学定律的应用)(多选)关于热力学定律，下列说法正确的是( ) A．为了增加物体的内能，必须对物体做功或向它传递热量 B．对某物体做功，必定会使物体的内能增加 C．可以从单一热源吸收热量，使之完全变为功 D．不可能使热量从低温物体传向高温物体 答案 AC 解析 做功和热传递都可以改变物体的内能，A 正确；由热力学第一定律可知对某物体做功， 物体的内能可能增加、不变或减小，故 B 错误；由热力学第二定律可知，通过外界作用可以 从单一热源吸收热量，使之完全变为功，也可以使热量从低温物体传向高温物体，D 错误．