【物理】2019届二轮复习热力学定律学案（全国通用） 6页

‎ 5.5　《热力学定律》整合与评价 ‎ ‎1.知道热力学第一定律,知道能量守恒定律是自然界普遍遵从的基本规律.‎ ‎2.通过自然界中热传导的方向性等事例,初步了解热力学第二定律,初步了解熵是描述系统无序程度的物理量.‎ ‎3.能运用热力学第一、二定律解释自然界中能量的转化、转移以及方向性问题.‎ ‎4.从能量退降的角度认识能源与人类社会发展的关系,并养成节约能源、保护环境的意识.‎ 一、热力学第一定律 例1　如图所示的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A时外界压缩气体做功200 J,则此过程中气体吸收或放出的热量是多少?‎ 二、热力学第二定律 例2　关于热力学第二定律,下列说法正确的是(　　)‎ A.不可能使热量从低温物体传递到高温物体 B.不可能从单一的热源吸收热量并把它全部用来做功 C.第二类永动机是不可能制成的 D.热力学第二定律是热力学第一定律的推论 变式训练1　下列说法中正确的是(　　)‎ A.热机从高温热源吸收的热量等于它所输出的机械功 B.家用空调机向室外释放的热量等于其从室内吸收的热量 C.热量能自发地从低温物体传到高温物体]‎ D.热量能自发地从高温物体传到低温物体 三、能量守恒定律的应用 例3　太阳与地球的距离为1.5×1011 m,太阳光以平行光束入射到地面,地球表面的面积被水面所覆盖,太阳一年内辐射到地球水面部分的总能量W约为1.87×1024 J.设水面对太阳辐射的平均反射率为7 ,而且将吸收到的35 能量重新辐射出去.太阳辐射可将水面的水蒸发(设在常温、常压下蒸发1 kg水需要2.2×106 J的能量),而后凝结成雨滴降落到地面.试估算整个地球表面的年平均降雨量(以毫米表示.球面积公式为S=4πR2,已知地球的半径R=6.4×106 m).‎ 变式训练2　“和平号”空间站于2001年3月23日成功地坠落在南太平洋海域,坠落过程可简化为从一个近圆轨道(可近似看做圆轨道)开始,经过与大气摩擦,空间站的大部分经过升温、熔化、最后汽化而销毁,剩下的残片坠入大海.此过程中,空间站原来的机械能中除一部分用于销毁和一部分被残片带走外,还有一部分能量E'通过其他方式散失(不考虑坠落过程中化学反应的能量).‎ ‎(1)试导出下列各物理量的符号表示散失能量E'的公式.‎ ‎(2)算出E'的数值(结果保留两位有效数字).‎ 已知:坠落开始时空间站的质量M=1. 57×105 kg;‎ 轨道离地面的高度为h=146 km;‎ 地球半径为R=6.4×106 m;‎ 坠落空间范围内重力加速度可看做g=10 m/s2;‎ 入海残片的质量m=1.2×104 kg;‎ 入海残片的温度升高ΔT=3000 K;‎ 入海残片的入海速度为声速v=340 m/s;‎ 空间站材料每1 kg升温1 K平均所需能量c=1.0×103 J;‎ 每销毁1 kg材料平均所需能量μ=1.0×107 J.‎ ‎ ]‎ 四、与能量有关的信息题 例4　 学家根据考察,比较一致地认为6500万年前地球上发生的那次生物大灭绝(包括恐龙在内的占地球一半左右的生物在一瞬间消失)是由一颗直径大约10 km、质量约为1×1012 t的小行星以20 30 km/s的速度撞到地球上而导致的.这次碰撞释放的能量相当于6×1013 t的TNT炸药爆炸所释放出的能量.现假设有一颗直径1 km的类似小行星撞上了地球,请估算所释放的能量,并讨论给地球所造成的危害.‎ ‎ ]‎ ‎ 学 ‎ 变式训练4　下面提供了四则 技信息:‎ A.低温技术已有重大突破,1933年低温已达0.25 K,1995年达到了2×10-5 K,1998年通过一系列巧妙的方法已达1×10-8 K.完全可以断定,随着低温技术的出现和发展, 学家一定能把热力学温度降到0 K以下 B.随着火箭技术的发展,人类一定能够在地球上任意位置的上空发射同步卫星 C.一个国际 研小组正在研究某种使光速大大降低的介质,这些 学家希望在不久的将来能使光的速度降到每小时40 km左右,慢到几乎跟乌龟爬行的速度相仿.‎ D.由于太阳的照射,海洋表面的温度可达30 ℃左右,而海洋深处的温度则要低得多,在水深100 m 600 m的地方,水温约为4 ℃,因此人们正在研究一种抗腐蚀的热交换机,利用海水温差发电,并且取得了成功 请辨别、判断以上信息正确的是(　　)‎ ‎1.下列说法中正确的有(　　) ‎ A.第二类永动机和第一类永动机一样,都违背了能量守恒定律 B.热机的效率从原理上讲可达100 ‎ C.因为能量守恒,所以“能源危机”是不可能的 D.自然界中的能量尽管是守恒的,但有的能量便于利用,有的不便于利用,故要节约能源 ‎2.对于孤立体系中发生的实际过程,下列说法中正确的是(　　) ‎ A.系统的总熵只能增大或不变,不可能减小 B.系统的总熵可能增大,可能不变,还可能减小 C.系统逐渐从比较有序的状态向更加无序的状态发展 D.系统逐渐从比较无序的状态向更加有序的状态发展 ‎3.地面附近有一正在上升的空气团,它与外界的热交换忽略不计.已知大气压强随高度增加而降低,则该气团在此上升过程中(不计气团内分子间的势能) (　　)‎ A.体积减小,温度降低　　　　B.体积减小,温度不变 C.体积增大,温度降低 D.体积增大,温度不变 ‎4.图示容器中,A、B各有一个可自由移动的轻活塞,活塞下面是水,上面为空气,大气压恒定.A、B底部由带有阀门K的管道相连,整个装置与外界绝热.原先A中的水面比B中高,打开阀门,使A中的水逐渐向B中流,最后达到平衡.在这个过程中(　　)‎ A.大气压力对水做功,水的内能增加 B.水克服大气压力做功,水的内能减少 C.大气压力对水不做功,水的内能不变 D.大气压力对水不做功,水的内能增加 ‎ 5.5　《热力学定律》整合与评价 ‎ ‎1.高考前瞻 近几年的高考中,本单元的命题多集中热力学两大定律的应用、气体状态参量的意义及与热力学第一定律的综合问题等知识点上.本单元内容只限于理解,一般以选择题形式出现,有时也以填空或简单计算题形式考查.‎ ‎2.教学建议 建议从以下几个方面进行复习:‎ ‎(1)明确认识基本概念与规律 ‎①弄清基本概念与规律易混问题,如热量和内能,物体的内能的变化与做功、热传递的关系,机械能与内能等.‎ ‎②建立宏观量与微观量的对应关系.‎ 物体的内能与物体的温度、体积、质量对应;物体内能的改变与做功或热传递的过程对应.‎ ‎(2)强化基本概念与规律的记忆 通过复习,在理解的基础上记住本单元的基本概念与规律,并能灵活地运用于解题中.如分子平均动能与温度的关系、分子势能随分子间距离的变化关系、改变物体内能的两种方式的异同、能量守恒与热力学两大定律的关系等.‎ 热力学定律 一、热力学第一定律 例1　放出的热量为320 J ‎【解析】气体由状态A经过程Ⅰ到状态B的过程中,Q1=420 J,W1=-300 J,则ΔU1=W1+Q1=120 J,‎ 即内能增加了120 J.‎ 气体由状态B经过程Ⅱ回到状态A的过程中,ΔU2=-ΔU1=-120 J,W2=200 J,则Q2=ΔU2-W2=-320 J,即气体向外界放出320 J的热量.‎ ‎【点拨】热力学第一定律是能量守恒定律在热学中的体现,反映了内能与其他能的转化与内能之间转移的关系,利用热力学第一定律求解,但要注意公式中各量的正负号.‎ ‎①外界对物体做功,W>0;物体对外界做功,W<0.‎ ‎②物体从外界吸热,Q>0;物体放出热量,Q<0.‎ ‎③ΔU>0,物体的内能增加;ΔU<0,物体的内能减少.‎ 二、热力学第二定律 例2　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,故A、B错误;热力学第一定律说明在任何过程中能量必须守恒,热力学第二定律说明并非能量守恒过程均能实现.热力学第二定律是反映自然界过程进行的方向和条件的一个规律,它指出自然界中的过程是有方向性的,某些方向的过程可以实现,而另一方向的过程则不能实现,在热力学中,第二定律和第一定律共同描述了能量的变化规律,缺一不可,故选C.‎ ‎【点拨】热力学第一定律与热力学第二定律是两个独立的定律,但又是相互联系、相辅相成的,经常在同一题目中同时进行考查.‎ 变式训练1　D ‎【解析】热机从高温热源吸收热量必须再向低温热源放热才能输出机械功,故A错误;空调机在把热量从低温的室内传递到室外的过程中,必须消耗电能,故B错误;热量要从低温物体传到高温物体,必然要引起其他变化,故C错误.‎ ‎　　三、能量守恒定律的应用 例3　999 mm ‎【解析】设1年内降落到地面上的水的总质量为m 则有:m= kg=5.14×1017 kg 设地球表面覆盖一层水的厚度为h ρV=4πρR2h=m h==998 mm.‎ ‎【点拨】利用能量守恒定律解决问题时应注意以下几点:‎ ‎①分清有多少种能(如动能、热能、电能、内能等)在变化.‎ ‎②研究的系统中有哪些力在做功,有哪些能量在相互转化,是增加还是减少.‎ ‎③明确所研究的过程,系统初、末状态的总的能量,弄清楚在过程中传递的能量.‎ ‎④列方程建立联系,求解或分析解决问题.‎ 变式训练2　(1)E'=Mg(R+h)-(M-m)μ-mv2- cmΔT　(2)3.9×1012 J ‎【解析】这是一道综合性很强的题目,分析题目的主线只有一条,那就是能量.既要考虑机械能(动能、势能),又要考虑内能,还要考虑能量转化.审题时要耐心、仔细.‎ ‎(1)根据题目所给条件,从近圆轨道到地面的空间中重力加速度g=10 m/s2,若以地面为重力势能零点,坠落过程开始空间站在近圆轨道的势能为Ep=Mgh 以v表示空间站在近圆轨道上的速度,由引力提供向心力关系得:Mg=M 由上式可得空间站在近圆轨道上的动能为Ek=Mg(R+h)‎ 在近圆轨道上空间站的机械能E=Mg(+h)‎ 在坠落过程中,用于一部分销毁所需的能量为Q汽=(M-m)μ 用于残片升温所需的能量Q残= cmΔT 残片入海时的动能E残=mv2‎ 以E'表示其他方式散失的能量,则由能量守恒得:‎ E=Q汽+E残+Q残+E'‎ 整理得:‎ E'=Mg(R+h)-(M-m)μ-mv2- cmΔT.‎ ‎(2)将题目所给的数据代入得E'=3.9×1012 J. 学 ]‎ 四、与能量有关的信息题 例4　见解析 ‎【解析】假定这颗小行星与6500万年前撞击地球的那颗小行星的密度、速度均一样,根据体积与质量的关系,就可利用案例中的信息加以估算.‎ 由球体的体积公式V=πR3知,球的直径缩小为原来的,其体积减小为原来的,当小行星的密度和速度相同时,其质量和动能都变为原来的,则它与地球撞击所释放的能量为6×1010 t的TNT炸药爆炸所释放的能量.这会给地球及居住在地球的人类和各种生物带来毁灭性的打击.‎ ‎【点拨】信息题也是近年高考改革的一个方向,分析这类题型主要分三个步骤:‎ ‎①在大量的信息中提取有用的信息;‎ ‎②建立正确的物理模型;‎ ‎③用相关的物理规律来分析解决问题.‎ 变式训练4　CD ‎【解析】0 K的温度不可达到,故A错误;同步卫星只能在赤道上空,故B错误;光速与介质有关,光在不同的介质中传播速度不同,故C正确;利用海水温差发电既不违反能量守恒定律,也不违反热力学第二定律,是可能的,故D正确.‎ ‎1.D　【解析】第二类永动机不违背能量守恒定律,却违背了热力学第二定律;第一类永动机违背能量守恒定律,都不可能实现,所以选项A错误;从热力学第二定律的表述可知,任何热机的效率都达不到100 ,因此B错;能源是提供能量的物质,人们在消耗能源时,放出的能量最终基本上都转化成了内能,无法把这些内能收集起来重新利用(能量退降),而可供利用的能量是有限的,因此“能源危机”并非说明能量不守恒,故C选项错误、D选项正确.‎ ‎2.AC　【解析】根据熵增加原理,在任何自然过程中,一个孤立系统的总熵不会减少,可知A对、B错;根据热力学第二定律的微观解释可知,一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行,所以C对、D错.‎ ‎3.C　【解析】气团上升时,随高度的增大,大气压强不断减小,所以气团将不断膨胀,因而上升过程气团对外做功;又由于它与外界无热交换,根据热力学第一定律知,其内能将减少,所以温度降低,故正确选项为C.‎ ‎4.D　【解析】大气压对左面A的水做正功,WA=p0SAΔh=p0ΔVA,而对B中水做负功WB=-p0SBΔh=-p0ΔVB;A内水面下降,体积减小ΔVA,与B内上升增加的体积ΔVB相同,因此大气压对水做功的代数和为零;而水的重心降低,重力势能减小,由能量守恒定律知水的内能增加.故选D.‎ ‎　　(见活页《金太阳导学测评九》)‎ ‎　　(见《课程纲要》课程评价表格)‎