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第3讲热力学定律与能量守恒
课程标准
素养目标
1.知道热力学第一定律.通过有关史实,了解热力学第一定律和能量守恒定律的发现过程,体会科学探索中的挫折和失败对科学发现的意义.
2.理解能量守恒定律,能用能量守恒的观点解释自然现象.体会能量守恒定律是最基本、最普遍的自然规律之一.
3.通过自然界中宏观过程的方向性,了解热力学第二定律.
物理观念:(1)知道热力学第一定律及其符号法则,了解能量守恒定律及永动机不可能制成.
(2)知道传热、扩散现象、机械能与内能的转化具有方向性,了解能量耗散和品质降低的内容,能解释相关现象.
科学思维:(1)理解热力学第一定律的公式并能进行相关的分析计算,能根据能量守恒定律解释永动机不可能制成的原因.
(2)理解热力学第二定律的两种表述,学会用热力学第二定律解释自然界中的能量转化、转移及方向性问题,提高分析推理能力.
考点一热力学第一定律的理解和应用
【必备知识·自主落实】
一、改变物体内能的两种方式
1.________.
2.热传递.
二、热力学第一定律实质是能量守恒定律
1.内容:一个热力学系统的内能变化量等于外界向它传递的________与外界对它所做的功的和.
2.表达式:ΔU=________.
3.表达式中的正、负号法则
符号
W
Q
ΔU
+
外界对物体做功
物体________热量
内能________
-
物体对外界做功
物体________热量
内能________
三、能量守恒定律
1.内容:能量既不会凭空________,也不会凭空消失,它只能从一种形式________为其他形式,或者是从一个物体________到别的物体,在转化或转移的过程中,能量的总量________.
2.第一类永动机是不可能制成的,它违背了________________.
【关键能力·思维进阶】
1.[2023·天津卷]如图是爬山所带氧气瓶,氧气瓶里的气体容积质量不变,爬高过程中,温度减小,则气体()
A.对外做功
B.内能减小
C.吸收热量
D.压强不变
2.(多选)如图,甲图实验1密封的桶装薯片从上海带到拉萨后盖子凸起.若两地温度相同,研究桶内的气体压强p和分子平均动能Ek的变化情况.乙图实验2中中国制造的列车空气弹簧实现了欧洲高端铁路市场全覆盖,空气弹簧安装在列车车厢底部,可以起到有效减震、提升列车运行平稳性的作用.空气弹簧主要由活塞、气缸及密封在气缸内的一定质量气体构成.列车上下乘客及剧烈颠簸均会引起车厢震动.上下乘客时气缸内气体的体积变化较慢,气体与外界有充分的热交换;剧烈颠簸时气缸内气体的体积变化较快,气体与外界来不及热交换,外界温度恒定,气缸内气体视为理想气体.下列说法正确的是()
甲乙
A.甲图实验1中桶内的气体压强p减小和分子平均动能Ek减小
B.甲图实验1中桶内的气体压强p减小和分子平均动能Ek不变
C.乙图实验2中剧烈颠簸造成气体压缩的过程中,空气弹簧内气体的内能增加
D.乙图实验2中剧烈颠簸造成气体压缩的过程中,空气弹簧内气体分子的平均动能减小
3.如图a,一台四冲程内燃机,活塞在压缩冲程某段时间内移动的距离为0.1m,这段过程活塞对气体的压力逐渐增大,其做的功相当于2×103N的恒力使活塞移动相同距离所做的功(图b甲).内燃机工作时汽缸温度高于环境温度,该过程中压缩气体传递给汽缸的热量为25J.
(1)求上述压缩过程中气体内能的变化量;
(2)燃烧后的高压气体对活塞做功,气体推动活塞移动0.1m,其做的功相当于9×103N的恒力使活塞移动相同距离所做的功(图b乙),该做功过程气体传递给汽缸的热量为30J,求此做功过程气体内能的变化量.
考点二热力学第一定律与图像的综合应用
例1一定质量的理想气体从状态A经过状态B变化到状态C再回到状态A,其V-T图像如图所示.O、C、B三点在同一直线上,AB与纵轴平行,则下列说法不正确的是()
A.A→B过程中,单位时间内打到容器壁上单位面积的分子数增多
B.A→B过程中,气体吸收热量
C.B→C过程中,气体放出的热量比外界对气体做的功多
D.C→A过程中,速率大的分子数增多
例2[2023·广东卷]在驻波声场的作用下,水中小气泡周围液体的压强会发生周期性变化,使小气泡周期性膨胀和收缩,气泡内的气体可视为质量不变的理想气体,其膨胀和收缩过程可简化为如图所示的p-V图像,气泡内气体先从压强为p0、体积为V0、温度为T0的状态A等温膨胀到体积为5V0、压强为pB的状态B,然后从状态B绝热收缩到体积为V0、压强为1.9p0、温度为TC的状态C,B到C的过程外界对气体做功为W.已知p0、V0、T0和W.求:
(1)pB的表达式;
(2)TC的表达式;
(3)B到C的过程,气泡内
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