專題15.3熱力學(xué)定律與能量守恒定律【講】【講核心素養(yǎng)】物理觀念：理想氣體。知道理想氣體的概念并且知道一定質(zhì)量的理想氣體的內(nèi)能只與溫度有關(guān).科學(xué)思維：理想氣體狀態(tài)方程、熱力學(xué)定律1.理解熱力學(xué)第一定律，知道改變內(nèi)能的兩種方式，并能用熱力學(xué)第一定律解決相關(guān)問(wèn)題.2.理解熱力學(xué)第二定律，知道熱現(xiàn)象的方向性.3.知道第一類永動(dòng)機(jī)和第二類永動(dòng)機(jī)不可能實(shí)現(xiàn).科學(xué)態(tài)度：熱機(jī)在生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用?！局v考點(diǎn)題型】【知識(shí)點(diǎn)一】熱力學(xué)第一定律與能量守恒定律1.熱力學(xué)第一定律的理解(1)內(nèi)能的變化都要用熱力學(xué)第一定律進(jìn)行綜合分析。(2)做功情況看氣體的體積：體積增大，氣體對(duì)外做功，W為負(fù)；體積縮小，外界對(duì)氣體做功，W為正。(3)與外界絕熱，則不發(fā)生熱傳遞，此時(shí)Q＝0。(4)如果研究對(duì)象是理想氣體，因理想氣體忽略分子勢(shì)能，所以當(dāng)它的內(nèi)能變化時(shí)，主要體現(xiàn)在分子動(dòng)能的變化上，從宏觀上看就是溫度發(fā)生了變化。2.三種特殊情況(1)若過(guò)程是絕熱的，則Q＝0，W＝ΔU，外界對(duì)物體做的功等于物體內(nèi)能的增加。(2)若過(guò)程中不做功，即W＝0，則Q＝ΔU，物體吸收的熱量等于物體內(nèi)能的增加。(3)若過(guò)程的初、末狀態(tài)物體的內(nèi)能不變，即ΔU＝0，則W＋Q＝0或W＝－Q，外界對(duì)物體做的功等于物體放出的熱量?！纠?】（2022·天津·三模）如圖所示，一定質(zhì)量的理想氣體，由狀態(tài)a經(jīng)過(guò)ab過(guò)程到達(dá)狀態(tài)b，再經(jīng)過(guò)bc過(guò)程到達(dá)狀態(tài)c，然后經(jīng)過(guò)ca過(guò)程回到狀態(tài)a．設(shè)氣體在狀態(tài)a、狀態(tài)b和狀態(tài)c的溫度分別為SKIPIF1<0、SKIPIF1<0和SKIPIF1<0，下列說(shuō)法正確的是（）A．Tb>Tc，整個(gè)過(guò)程吸收熱量 B．Tb>Tc，整個(gè)過(guò)程放出熱量C．Ta=Tc，整個(gè)過(guò)程吸收熱量 D．Ta=Tc，整個(gè)過(guò)程放出熱量【素養(yǎng)升華】本題考察的學(xué)科素養(yǎng)主要是物理觀念?！咀兪接?xùn)練1】（2022·山東·沂水縣第一中學(xué)高三開學(xué)考試）一定質(zhì)量的理想氣體狀態(tài)變化如圖所示，其中p1=3p2，V2=4V1，狀態(tài)1、2對(duì)應(yīng)的溫度分別為T1、T2，由狀態(tài)1變化到狀態(tài)2（氣體外界非真空）的過(guò)程中，下列說(shuō)法正確的是（）A．氣體對(duì)外做功，溫度降低B．氣體分子熱運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能不變C．氣體內(nèi)能增加，一定從外界吸收熱量D．在單位時(shí)間內(nèi)，器壁單位面積上受分子撞擊的次數(shù)增多【技巧總結(jié)】應(yīng)用熱力學(xué)第一定律的三點(diǎn)注意(1)做功看體積：體積增大，氣體對(duì)外做功，W為負(fù)；體積縮小，外界對(duì)氣體做功，W為正。氣體向真空中自由膨脹，對(duì)外界不做功，W＝0。(2)與外界絕熱，則不發(fā)生熱傳遞，此時(shí)Q＝0。(3)由于理想氣體沒(méi)有分子勢(shì)能，所以當(dāng)它的內(nèi)能變化時(shí)，體現(xiàn)在分子動(dòng)能的變化上，從宏觀上看就是溫度發(fā)生的變化?！局R(shí)點(diǎn)二】熱力學(xué)第一定律與圖像的綜合應(yīng)用1.氣體的狀態(tài)變化可由圖象直接判斷或結(jié)合理想氣體狀態(tài)方程eq\f(pV,T)＝C分析.2.氣體的做功情況、內(nèi)能變化及吸放熱關(guān)系可由熱力學(xué)第一定律分析.(1)由體積變化分析氣體做功的情況：體積膨脹，氣體對(duì)外做功；氣體被壓縮，外界對(duì)氣體做功.(2)由溫度變化判斷氣體內(nèi)能變化：溫度升高，氣體內(nèi)能增大；溫度降低，氣體內(nèi)能減小.(3)由熱力學(xué)第一定律ΔU＝W＋Q判斷氣體是吸熱還是放熱.【例2】（多選）（2022·安徽·滁州市第四中學(xué)三模）一定量的理想氣體從狀態(tài)a經(jīng)狀態(tài)b變化到狀態(tài)c，其過(guò)程如SKIPIF1<0圖上的兩條線段所示，則氣體在（）A．狀態(tài)a處的壓強(qiáng)大于狀態(tài)c處的壓強(qiáng)B．由a變化到b的過(guò)程中，氣體對(duì)外做功C．由b變化到c的過(guò)程中，氣體的壓強(qiáng)不變D．由a變化到b的過(guò)程中，氣體從外界吸熱E．由a變化到b的過(guò)程中，從外界吸收的熱量等于其增加的內(nèi)能【素養(yǎng)升華】本題考察的學(xué)科素養(yǎng)主要是物理觀念與科學(xué)思維?！咀兪接?xùn)練2】（多選）（2022·全國(guó)·模擬預(yù)測(cè)）一定質(zhì)量的理想氣體經(jīng)歷SKIPIF1<0的狀態(tài)變化過(guò)程，變化過(guò)程中氣體的SKIPIF1<0圖像如圖所示，氣體在狀態(tài)A時(shí)的溫度為SKIPIF1<0。若該部分理想氣體所具有的內(nèi)能與氣體溫度的關(guān)系為SKIPIF1<0，則下列說(shuō)法正確的是（）A．在狀態(tài)C時(shí)該部分理想氣體的內(nèi)能為SKIPIF1<0B．氣體在狀態(tài)B、C時(shí)的溫度之比為SKIPIF1<0C．SKIPIF1<0過(guò)程氣體對(duì)外界做的功為90JD．SKIPIF1<0過(guò)程中氣體從外界吸收的熱量為SKIPIF1<0E．SKIPIF1<0過(guò)程中氣體發(fā)生等溫變化【方法技巧】判斷理想氣體內(nèi)能變化的兩種方法(1)一定質(zhì)量的理想氣體，內(nèi)能的變化完全由溫度變化決定，溫度升高，內(nèi)能增大。(2)若吸、放熱和做功情況已知，可由熱力學(xué)第一定律ΔU＝W＋Q來(lái)確定?！局R(shí)點(diǎn)三】熱力學(xué)第二定律的理解1.熱力學(xué)第二定律的兩種表述(1)克勞修斯表述：熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體.(2)開爾文表述：不可能從單一熱庫(kù)吸收熱量，使之完全變成功，而不產(chǎn)生其他影響.或表述為“第二類永動(dòng)機(jī)是不可能制成的”.2.熱力學(xué)第二定律的微觀意義一切自發(fā)過(guò)程總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)的無(wú)序度增大的方向進(jìn)行.3.第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成的原因是違背了熱力學(xué)第二定律.【例3】（多選）（2022·四川成都·三模）下列說(shuō)法正確的是（）A．溫度升高，分子熱運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能增大，但并非所有分子的速率都增大B．100℃的水變成100℃的水蒸氣的過(guò)程中，分子勢(shì)能將增大C．氣體很容易充滿整個(gè)容器，這是分子間存在斥力的宏觀表現(xiàn)D．有規(guī)則外形的物體是晶體，沒(méi)有確定幾何外形的物體是非晶體E．熱量不可能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體【素養(yǎng)升華】本題考察的學(xué)科素養(yǎng)主要是科學(xué)思維與物理觀念?！咀兪接?xùn)練3】（2022·山東日照·三模）下列說(shuō)法正確的是（）A．物體放出熱量，其內(nèi)能一定減小B．物體吸收熱量，分子的平均動(dòng)能一定增大C．第二類永動(dòng)機(jī)沒(méi)有違反能量守恒定律D．空調(diào)既能制熱又能制冷，說(shuō)明自發(fā)條件下熱傳遞可以逆向【知識(shí)總結(jié)】1．對(duì)熱力學(xué)第二定律關(guān)鍵詞的理解在熱力學(xué)第二定律的表述中，“自發(fā)地”“不產(chǎn)生其他影響”的含義。(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”的含義是發(fā)生的熱力學(xué)宏觀過(guò)程只在本系統(tǒng)內(nèi)完成，對(duì)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。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(guò)程都具有方向性。如3．兩類永動(dòng)機(jī)的比較分類第一類永動(dòng)機(jī)第二類永動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)要求不需要任何動(dòng)力或燃料，卻能不斷地對(duì)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)器不可能制成的原因違背能量守恒定律不違背能量守恒定律，違背熱力學(xué)第二定律【知識(shí)點(diǎn)四】熱力學(xué)定律與氣體實(shí)驗(yàn)定律的綜合問(wèn)題1.熱力學(xué)定律與氣體實(shí)驗(yàn)定律問(wèn)題的處理方法(1)氣體實(shí)驗(yàn)定律研究對(duì)象是一定質(zhì)量的理想氣體。(2)解決具體問(wèn)題時(shí),分清氣體的變化過(guò)程是求解問(wèn)題的關(guān)鍵,根據(jù)不同的變化,找出與之相關(guān)的氣體狀態(tài)參量,利用相關(guān)規(guī)律解決。(3)對(duì)理想氣體,只要體積變化,外界對(duì)氣體(或氣體對(duì)外界)就要做功,如果是等壓變化,W=pΔV;只要溫度發(fā)生變化,其內(nèi)能就發(fā)生變化。(4)結(jié)合熱力學(xué)第一定律ΔU=W+Q求解問(wèn)題。2.與理想氣體相關(guān)的熱力學(xué)問(wèn)題的分析方法對(duì)一定量理想氣體的內(nèi)能變化,吸熱還是放熱及外界對(duì)氣體如何做功等問(wèn)題,可按下面方法判定:(1)做功情況看體積體積V減小→外界對(duì)氣體做功→W>0;體積V增大→氣體對(duì)外界做功→W<0;無(wú)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(huì)告知,或由熱力學(xué)第一定律ΔU=Q+W,知道W和ΔU后確定Q。【例4】（2022·江西宜春·模擬預(yù)測(cè)）如圖所示，長(zhǎng)方形容器體積為V0＝3L，右上方有一開口與外界相連，活塞將導(dǎo)熱容器分成左、右兩部分，外界溫度為27℃時(shí)，左、右體積比為1：2。當(dāng)外界溫度緩慢上升，活塞就會(huì)緩慢移動(dòng)。設(shè)大氣壓強(qiáng)為p0＝1.0×105Pa，且保持不變，不計(jì)活塞與容器間的摩擦，求：（1）活塞剛好移動(dòng)到容器的正中央時(shí)，外界的溫度；（2）活塞移動(dòng)到容器正中央的過(guò)程中，若左側(cè)容器中氣體的內(nèi)能增加SKIPIF1<0，左邊容器內(nèi)氣體吸收的熱量。【素養(yǎng)升華】本題考察的學(xué)科素養(yǎng)主要是科學(xué)思維與物理觀念。【變式訓(xùn)練4】（2022·遼寧·高三開學(xué)考試）如圖