高中物理第45讲热力学定律和能量守恒定律.docx
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高中物理第45讲热力学定律和能量守恒定律
学科教师辅导教案
组长审核：
年 级：
高三 班级名称：
理科班 辅导科目：
物理
班级学生总数：
学科教师：
教学进度：
授课主题
热力学定律和能量守恒定律
教学目的
理解掌握热力学定律，锻炼理解和综合应用能力
教学重难点
教学重点：
理解热力学第一定律、热力学第二定律、能量守恒定律
教学难点：
温度、内能、热量、功之间的区别、第一类永动机和第二类永动机之间的区别
授课日期及时段
教学进度
第次课
教学内容
1、上节课复习与回顾（包含作业处理）
提问笔记
二、新课讲解
（一）课程导入
（2）大数据分析（2007-2018年，共12年）
主题
考点
要求
说明
热力学定律
与能量守恒
热力学第一定律
能量守恒定律
热力学第二定律
Ⅰ
Ⅰ
Ⅰ
1、知道国际单位制中规定的单位符号
2、本部分题型多为选择题和填空题．绝大多数选择题只要求定性分析，极少数填空题要求应用阿伏加德罗常数进行计算（或估算）．
3、高考热学命题的重点内容有：
（1）分子动理论要点，分子力、 分子大小、质量、数目估算；
（2）内能的变化及改变内能的物理过程以及气体压强的决定因素；（3）理想气体状态方程和用图象表示气体状态的变化；（4）热现象实验与探索过程的方法．
4、近两年来热学考题中还涌现了许多对热现象的自主学习和创新能力考查的新情景试题．多以科技前沿、社会热点及与生活生产联系的问题为背景来考查
单位制
中学物理中涉及的国际单位制的基本单位和其他单位，例如摄氏度、标准大气压
Ⅰ
实验
用油膜法估测分子的大小
要求会正确使用温度计
常考点1、热力学第一定律大数据：
07（16）18（33）
两年考了2次
常考点2、大气压的计算、热运动大数据：
08（19）09（14）
两年考了2次
常考点3、理想气体状态方程大数据：
10（33）11（33）12（33）13（33）15（33）16（33）17（33）18（33）
八年考了8次
（3）本节考点讲解
考点一：
对热力学第一定律的理解与应用
例1 （2017年全国卷Ⅲ，33，15分★★★）［物理——选修3–3］（15分）
（1）（5分）如图，一定质量的理想气体从状态a出发，经过等容过程ab到达状态b，再经过等温过程bc到达状态c，最后经等压过程ca回到状态a。
下列说法正确的是_______（填正确答案标号。
选对1个得2分，选对2个得4分，选对3个得5分。
每选错1个扣3分，最低得分为0分）。
A．在过程ab中气体的内能增加
B．在过程ca中外界对气体做功
C．在过程ab中气体对外界做功
D．在过程bc中气体从外界吸收热量
E．在过程ca中气体从外界吸收热量
知识点总结：
1．热力学第一定律不仅反映了做功和热传递这两种方式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热传递之间的定量关系．
2．对公式ΔU＝Q＋W符号的规定
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
3.几种特殊情况
（1）若过程是绝热的，则Q＝0，W＝ΔU，外界对物体做的功等于物体内能的增加量．
（2）若过程中不做功，即W＝0，则Q＝ΔU，物体吸收的热量等于物体内能的增加量．
（3）若过程的始末状态物体的内能不变，即ΔU＝0，则W＋Q＝0或W＝－Q.外界对物体做的功等于物体放出的热量．
巩固1 （2014年全国卷1，33，15分★★★）
（1）（15分）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图像如图所示。
下列判断正确的是.（填正确答案标号。
选对1个得3分，选对2个得4分，选对3个得6分。
每选错1个扣3分，最低得分为0分）
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
巩固2 （2017年全国卷2，33，15分★★★）[物理——选修3–3]
（1）（5分）如图，用隔板将一绝热汽缸分成两部分，隔板左侧充有理想气体，隔板右侧与绝热活塞之间是真空。
现将隔板抽开，气体会自发扩散至整个汽缸。
待气体达到稳定后，缓慢推压活塞，将气体压回到原来的体积。
假设整个系统不漏气。
下列说法正确的是________（选对1个得2分，选对2个得4分，选对3个得5分；每选错1个扣3分，最低得分为0分）。
A．气体自发扩散前后内能相同
B．气体在被压缩的过程中内能增大
C．在自发扩散过程中，气体对外界做功
D．气体在被压缩的过程中，外界对气体做功
E．气体在被压缩的过程中，气体分子的平均动能不变
考点二 对热力学第二定律的理解
例1（★）根据热力学第二定律，下列说法中正确的是（ ）
A．热量能够从高温物体传到低温物体，但不能从低温物体传到高温物体
B．热量能够从高温物体传到低温物体，也可能从低温物体传到高温物体
C．机械能可以全部转化为内能，但内能不可能全部转化为机械能
D．机械能可以全部转化为内能，内能也可能全部转化为机械能
知识点总结：
1．在热力学第二定律的表述中，“自发地”、“不产生其他影响”的涵义．
（1）“自发地”指明了热传递等热力学宏观现象的方向性，不需要借助外界提供能量的帮助．
（2）“不产生其他影响”的涵义是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．
特别提醒 热量不可能自发地从低温物体传到高温物体，但在有外界影响的条件下，热量可以从低温物体传到高温物体，如电冰箱；在引起其他变化的条件下内能可以全部转化为机械能，如气体的等温膨胀过程．
3．两类永动机的比较
第一类永动机
第二类永动机
不需要任何动力或燃料，却能不断地对外做功的机器
从单一热源吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响的机器
违背能量守恒定律，不可能制成
不违背能量守恒定律，违背热力学第二定律，不可能制成
巩固1（★★） 关于第二类永动机，下列说法正确的是（ ）
A．能将从单一热源吸收的热量全部用来做功，而不引起其他变化的热机叫做第二类永动机
B．第二类永动机违反了能量守恒定律，所以不可能制成
C．第二类永动机不可能制成，说明机械能可以全部转化为内能，内能却不可能全部转化为机械能
D．第二类永动机不可能制成，说明机械能可以全部转化为内能，内能却不可能在不引起其他变化的同时全部转化为机械能
巩固2（2018年全国卷I，33，15分★★★）[物理—选修3-3]（15分）
（1）（5分）如图，一定质量的理想气体从状态a开始，经历过程①、②、③、④到达状态e，对此气体，下列说法正确的是（选对1个得2分，选对2个得4分，选对3个得5分：
每选错1个扣3分，最低得分为0分）。
A．过程①中气体的压强逐渐减小B．过程②中气体对外界做正功
C．过程④中气体从外界吸收了热量D．状态c、d的内能相等
E．状态d的压强比状态b的压强小
（4）本节综合练习
A组 热力学定律理解和应用
1.图3为焦耳实验装置图，用绝热性能良好的材料将容
器包好，重物下落带动叶片搅拌容器里的水，引起水
温升高．关于这个实验，下列说法正确的是（ ）
A．这个装置可测定热功当量
B．做功增加了水的热量
图3
C．做功增加了水的内能
D．功和热量是完全等价的，无区别
2．有以下说法：
A．气体的温度越高，分子的平均动能越大
B．即使气体的温度很高，仍有一些分子的运动速率是非常小的
C．对物体做功不可能使物体的温度升高
D．如果气体分子间的相互作用力小到可以忽略不计，则气体的内能只与温度有关
图4
E.一个由不导热的器壁做成的容器，被不导热的隔板分成甲、
乙两室．甲室中装有一定质量的温度为T的气体，乙室为真
空，如图4所示．提起隔板，让甲室中的气体进入乙室．若
甲室中的气体的内能只与温度有关，则提起隔板后当气体重
新达到平衡时，其温度仍为T.
F．空调机作为制冷机使用时，将热量从温度较低的室内送到温度较高的室外，所以制
冷机的工作是不遵守热力学第二定律的
G．对于一定量的气体，当其温度降低时，速率大的分子数目减少，速率小的分子数目增加
H．从单一热源吸取热量使之全部变成有用的机械功是不可能的
其中正确的是______________．
B组 热力学定律与理想气体组合应用
3．（2016年全国卷I，33，15分★★★）[物理——选修3-3]（15分）
（1）（5分）关于热力学定律，下列说法正确的是__________。
（填正确答案标号。
选对1个得2分，选对2个得4分，选对3个得5分，每选错1个扣3分，最低得分为0分）
A．气体吸热后温度一定升高
B．对气体做功可以改变其内能
C．理想气体等压膨胀过程一定放热
D．热量不可能自发地从低温物体传到高温物体
E．如果两个系统分别与状态确定的第三个系统达到热平衡，那么这两个系统彼此之间也必定达到热平衡
4．（2016年全国卷Ⅱ，33，15分★★★）[物理——选修3 3]
（1）一定量的理想气体从状态a开始，经历等温或等压过程ab、bc、cd、da回到原状态，其pT图像如图所示，其中对角线ac的延长线过原点O.下列判断正确的是________．
图1
A．气体在a、c两状态的体积相等
B．气体在状态a时的内能大于它在状态c时的内能
C．在过程cd中气体向外界放出的热量大于外界对气体做的功
D．在过程da中气体从外界吸收的热量小于气体对外界做的功
E．在过程bc中外界对气体做的功等于在过程da中气体对外界做的功
（2）有一传热良好的圆柱形汽缸置于水平地面上，并用一光滑的质量为M的活塞密封一定质量的理想气体，活塞面积为S.开始时汽缸开口向上（如图5甲），已知外界大气压强为p0，被封气体的体积为V0.
①求被封气体的压强；
②现将汽缸倒置（如图乙），待系统重新稳定后，活塞移动的距离是多少？
图5
（5）课堂总结
3、出门测
1．（多选）二氧化碳是导致“温室效应”的主要原因之一，人类在采取节能减排措施的同时，也在研究控制温室气体的新方法，目前专家们正在研究二氧化碳的深海处理技术。
在某次实验中，将一定质量的二氧化碳气体封闭在一可自由压缩的导热容器中，将容器缓慢移到海水某深处，气体体积减小为原来的一半，不计温度变化，则此过程中（ ）
A．封闭气体对外界做正功
B．封闭气体向外界传递热量
C．封闭气体分子的平均动能增大
D．封闭气体从外界吸收热量
E．封闭气体的压强增为原来的2倍
2．思维辨析
（1）做功和热传递的实质是相同的。
（ ）
（2）绝热过程中，外界压缩气体做功20J，气体的内能一定减少。
（ ）
（3）物体吸收热量，同时对外做功，内能可能不变。
（ ）
（4）在给自行车打气时，会发现打气筒的温度升高，这是因为外界对气体做功。
（ ）
（5）自由摆动的秋千摆动幅度越来越小，能量正在消失。
（ ）
（6）利用河水的能量使船逆水航行的设想，符合能量守恒定律。
（ ）
（7）热机中，燃气的内能可以全部变为机械能而不引起其他变化。
（ ）
练一练：
一、选择题
1.如图1所示，绝热容器中间用隔板隔开，左侧装有气体，右侧为
真空，现将隔板抽掉，让左侧气体自由膨胀到右侧直至平衡，在
图1
此过程中（ ）
A．气体对外界做功，温度降低，内能减少
B．气体对外界做功，温度不变，内能不变
C．气体不做功，温度不变，内能不变
D．气体不做功，温度不变，内能减少
2．密闭有空气的薄塑料瓶因降温而变扁，此过程中瓶内空气（不计分子势能）（ ）
A．内能增大，放出热量
B．内能减小，吸收热量
C．内能增大，对外界做功
D．内能减小，外界对其做功
3．如图2所示，A、B两点表示一定质量的某种理想气体的两个状态，
当气体从状态A变化到状态B时（ ）
图2
A．体积必然变大
B．有可能经过体积减小的过程
C．外界必然对气体做正功
D．气体必然从外界吸热
4．以下说法中正确的是（ ）
A．熵增加原理说明一切自然过程总是向着分子热运动的无序性减小的方向进行
B．在绝热条件下压缩气体，气体的内能一定增加
C．布朗运动是在显微镜中看到的液体分子的无规则运动
D．水可以浸润玻璃，但是不能浸润石蜡，这个现象表明一种液体是否浸润某种固体与这两种物质的性质都有关系
5．图3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（ ）
图3
A．热量可以自发地从冰箱内传到冰箱外
B．电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界，是因为其消耗了电能
C．电冰箱的工作原理不违反热力学第一定律
D．电冰箱的工作原理违反热力学第一定律
6．根据热力学定律和分子动理论，可知下列说法正确的是（ ）
A．可以利用高科技手段，将流散到环境中的内能重新收集起来加以利用而不引起其他变化
B．理想气体状态变化时，温度升高，气体分子的平均动能增大，气体的压强可能减小
C．布朗运动是液体分子的运动，温度越高布朗运动越剧烈
D．利用浅层海水和深层海水之间的温度差可以制造一种热机，将海水的一部分内能转化为机械能，这在原理上是可行的
图4
7.固定的水平汽缸内由活塞B封闭着一定量的理想气体，气体分
子之间的相互作用力可以忽略．假设汽缸壁的导热性能很好，
环境的温度保持不变．若用外力F将活塞B缓慢地向右拉动，
如图4所示，则在拉动活塞的过程中，关于汽缸内气体的下列
结论，其中正确的是（ ）
A．气体对外做功，气体内能不变
B．气体对外做功，气体内能减小
C．外界对气体做功，气体内能不变
D．气体从外界吸热，气体内能减小
二、非选择题
8．
（1）根据热力学定律和分子动理论可知，下列说法正确的是________（填入正确选项前的字母）．
A．能量耗散说明能量不守恒
B．0°C的冰融化为0°C的水时，分子平均动能不变
C．空气压缩到一定程度很难再压缩是因为分子间存在斥力的作用
D．理想气体状态变化时，温度升高，气体分子的平均动能增大，气体的压强可能减小
（2）如图5所示，一定质量的理想气体，处在状态A时，温度为tA
＝27℃，求：
①气体在状态B时的温度；
图5
②气体从状态A等容变化到状态M，再等压变化到状态B的过程
中对外所做的功为多少焦耳．（取1atm＝1.0×105Pa）
9．
（1）以下说法正确的是______．
A．当两个分子间的距离为r0（平衡位置）时，分子势能最小
B．布朗运动反映了花粉小颗粒内部分子的无规则运动
C．一滴油酸酒精溶液体积为V，在水面上形成的单分子油膜面积为S，则油酸分子的直径d＝
D．温度、压力、电磁作用等可以改变液晶的光学性质
（2）如图6所示，一直立的汽缸用一质量为m的活塞封闭一定量的理想
气体，活塞横截面积为S，汽缸内壁光滑且缸壁是导热的．开始活塞
被固定，打开固定螺栓K，活塞上升，经过足够长时间后，活塞停在
图6
B点，则活塞停在B点时缸内封闭气体的压强为__________，在该过
程中，缸内气体________（填“吸热”或“放热”）．（设周围环境温度
保持不变，已知AB＝h，大气压强为p0，重力加速度为g）
（3）“水立方”国家游泳中心是北京为2008年夏季奥运会修建的主游泳馆．水立方游泳馆有8条泳道的国际标准比赛用游泳池，游泳池长50m、宽25m、水深3m．设水的摩尔质量为M＝1.8×10－2kg/mol，试估算该游泳池中水分子数．
图7
10．如图7所示，两个壁厚可忽略的圆形金属筒套在一起，底部到顶
部的高度为20cm，两者的横截面积相等，光滑接触且不漏气．将
A系于天花板上，用一块绝热板托住B，使它们内部密封的理想
气体压强与外界压强相等，均为1.1×105Pa，然后缓慢松开绝热
板，让B下沉，当B下沉2cm时，停止下沉并处于静止状态．不
计B筒重力，求：
（1）此时金属筒内气体压强；
（2）若此过程中气体对外做功10J，则气体吸热还是放热？
并求其数值．
参考答案：
考点一：
例1
（1）ABD 巩固1 ADE巩固2
（1）ABD
考点二：
例1 BD 巩固1 AD巩固2
（1）BDE
分组训练
1．AC2．ABEG3．BDE
4．
（1）ABE
（2）①
②
5．
（1）增加 负
（2）①上升 ②2.7cm
出门测：
1、答案 BE2、
（1）×
（2）× （3）√ （4）√ （5）× （6）√ （7）×
练一练：
1．C 2．D3．ABD 4．BD 5．BC 6．BD 7．A
8．
（1）BD
（2）①－33℃ ②300J
9．
（1）AD
（2）p0＋
吸热 （3）1.3×1032个
10．
（1）1×105Pa
（2）吸热 10J
升级会员 