2023版高考物理一轮复习第十二章热学第3节热力学定律（选修3-3）

PAGEPAGE2第3节热力学定律(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。(×)突破点(一)热力学第一定律1．改变内能的两种方式的比拟做功热传递区别内能变化情况外界对物体做功，物体的内能增加；物体对外界做功，物体的内能减少物体吸收热量，内能增加；物体放出热量，内能减少从运动形式上看做功是宏观的机械运动向物体的微观分子热运动的转化热传递是通过分子之间的相互作用，使同一物体的不同局部或不同物体间的分子热运动发生变化，是内能的转移从能量的角度看做功是其他形式的能与内能相互转化的过程不同物体间或同一物体不同局部之间内能的转移能的性质变化情况能的性质发生了变化能的性质不变联系做一定量的功或传递一定量的热量在改变内能的效果上是相同的2.温度、内能、热量、功的比拟含义特点温度表示物体的冷热程度，是物体分子平均动能大小的标志，它是大量分子热运动的集体表现，对个别分子来说，温度没有意义状态量内能(热能)物体内所有分子动能和势能的总和，它是由大量分子的热运动和分子的相对位置所决定的能热量是热传递过程中内能的改变量，热量用来量度热传递过程中内能转移的多少过程量功做功过程是机械能或其他形式的能和内能之间的转化过程3.对公式ΔU＝Q＋W符号确实定符号WQΔU＋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4．三种特殊情况(1)假设过程是绝热的，那么Q＝0，W＝ΔU，外界对物体做的功等于物体内能的增加。(2)假设过程中不做功，即W＝0，那么Q＝ΔU，物体吸收的热量等于物体内能的增加。(3)假设过程的始末状态物体的内能不变，即ΔU＝0，那么W＋Q＝0或W＝－Q，外界对物体做的功等于物体放出的热量。[多角练通]1．(多项选择)(2022·淄博、莱芜二模)健身球是一个充满气体的大皮球，现把健身球放在水平地面上。假设在人体压向健身球的过程中球内气体温度保持不变，那么()A．气体分子的平均动能增大 B．气体的密度增大C．气体的内能增大 D．外界对气体做功解析：选BD在人压向健身球的过程中，外界对球做功，气体所占的体积减小，故气体的密度增大；气体温度不变，故气体分子的平均动能不变；由于外界对气体做功，但气体温度不变，故内能不变；由热力学第一定律可知，气体对外放热；故A、C错误；B、D正确。2．(多项选择)(2022·潮州朝安区高三模拟)对于一定量的气体，以下说法正确的选项是()A．气体的体积指的是该气体的分子所能到达的空间的体积，而不是该气体所有分子体积之和B．只要能减弱气体分子热运动的剧烈程度，气体的温度就可以降低C．在完全失重的情况下，气体对容器壁的压强为零D．气体从外界吸收热量，其内能一定增加E．气体在等压膨胀过程中温度一定升高解析：选ABE气体的体积指的是该气体的分子所能到达的空间的体积，A正确；温度高，气体分子热运动就剧烈，B正确；在完全失重的情况下，分子热运动不停息，气体对容器壁的压强不为零，C错误；做功也可以改变物体的内能，D错误；气体在等压膨胀过程中温度一定升高，E正确。3．(多项选择)(2022·海南高考)一定量的理想气体从状态M可以经历过程1或者过程2到达状态N，其p­V图像如下图。在过程1中，气体始终与外界无热量交换；在过程2中，气体先经历等容变化再经历等压变化。对于这两个过程，以下说法正确的选项是()A．气体经历过程1，其温度降低B．气体经历过程1，其内能减小C．气体在过程2中一直对外放热D．气体在过程2中一直对外做功E．气体经历过程1的内能改变量与经历过程2的相同解析：选ABE气体经历过程1，压强减小，体积变大，气体膨胀对外做功，内能减小，故温度降低，选项A、B正确；气体在过程2中，根据理想气体状态方程eq\f(pV,T)＝C，那么开始时，气体体积不变，压强减小，那么温度降低，对外放热；然后压强不变，体积变大，气体膨胀对外做功，那么温度升高，需要吸热，应选项C、D错误；过程1和过程2的初、末状态相同，故气体内能改变量相同，选项E正确。突破点(二)热力学第二定律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．热力学第一、第二定律的比拟热力学第一定律热力学第二定律定律揭示的问题它从能量守恒的角度揭示了功、热量和内能改变量三者的定量关系它指出自然界中出现的宏观过程是有方向性的机械能和内能的转化当摩擦力做功时，机械能可以全部转化为内能内能不可能在不引起其他变化的情况下完全变成机械能热量的传递热量可以从高温物体自发传向低温物体说明热量不能自发地从低温物体传向高温物体表述形式只有一种表述形式有多种表述形式两定律的关系在热力学中，两者既相互独立，又互为补充，共同构成了热力学知识的理论根底3.两类永动机的比拟第一类永动机第二类永动机设计要求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不可能制成的原因违背能量守恒定律不违背能量守恒定律，违背热力学第二定律[典例](多项选择)(2022·东北三省四市模拟)以下说法中正确的选项是()A．相互间到达热平衡的两物体的内能一定相等B．民间常用“拔火罐〞来治疗某些疾病，方法是将点燃的纸片放入火罐内，当纸片燃烧完时，迅速将火罐开口端紧压在皮肤上，火罐就会紧紧地“吸〞在皮肤上。其原因是火罐内的气体体积不变时，温度降低，压强减小C．空调既能制热又能制冷，说明在不自发的条件下，热传递可以逆向D．自发的热传递过程是向着分子热运动无序性增大的方向进行的[解析]相互间到达热平衡的两物体的温度相同，内能不一定相等，故A错误；火罐内气体压强小于大气压强，所以火罐能“吸〞在皮肤上，故B正确；根据热力学第二定律可知，热量不能自发地从低温物体传递到高温物体，但在一定外界条件影响下可以实现，故C正确；根据热力学第二定律可知，自然发生的热传递过程是向着分子热运动无序性增大的方向进行的，故D正确。[答案]BCDeq\a\vs4\al([方法规律])4个常见的宏观热现象方向性实例(1)高温物体eq\o(,\s\up7(热量Q能自发传递),\s\do5(热量Q不能自发传递))低温物体。(2)功eq\o(,\s\up7(能独立全转化为),\s\do5(不能独立地完全转化为))热量。(3)气体体积V1eq\o(,\s\up7(能自发膨胀),\s\do5(不能自发压缩))气体体积V2(V2＞V1)。(4)不同气体A和Beq\o(,\s\up7(能自发混合),\s\do5(不能自发别离))混合气体AB。[集训冲关]1．(2022·连云港模拟)关于能量和能源，以下说法正确的选项是()A．在能源利用的过程中，能量在数量上并未减少B．由于自然界中总的能量守恒，所以不需要节约能源C．能量耗散说明能量在转化过程中不断减少D．人类在不断地开发和利用新能源，所以能量可以被创造解析：选A根据能量守恒定律可知，在能源使用过程中，能量在数量上并未减少，故A正确，C错误；虽然自然界中的总能量不会减少，但是能源的品质会降低，无法再利用，故还需要节约能源，故B错误；根据能量守恒可知，能量不会被创造，也不会消失，故D错误。2．(2022·重庆模拟)卡诺循环是由法国工程师卡诺于1824年提出的，它可用于分析热机的工作过程，卡诺循环包括四个步骤：等温膨胀、绝热膨胀、等温压缩、绝热压缩。以下相关说法中正确的选项是()A．随着设备的改良和技术的提高，热机效率可能到达100%B．绝热膨胀和绝热压缩过程中，气缸内气体的内能保持不变C．等温压缩过程中，因外界对气体做功，故气缸内气体内能增大D．等温膨胀过程中，单位时间内在单位面积上碰撞气缸壁的分子数减少解析：选D由热力学第二定律可知，热机效率不可能到达100%，选项A错；绝热膨胀和绝热压缩过程中，与外界没有热量交换，而气缸体积改变，气缸内气体的内能因做功而改变，选项B错；等温压缩过程中，温度不变，气缸内气体内能不变，选项C错；等温膨胀过程中，温度不变，体积增大，单位体积内分子数目减少，单位时间内在单位面积上碰撞气缸壁的分子数减少，选项D对。3．(多项选择)(2022·洛阳孟津一高检测)以下说法正确的选项是()A．液体外表层分子间距离大于液体内局部子间距离，故液体外表存在张力B．悬浮在液体中的固体小颗粒会不停地做无规那么的运动，这种运动是分子热运动C．把很多小的单晶体放在一起，就变成了非晶体D．第二类永动机没有违反能量守恒定律E．绝对零度不可到达解析：选ADE通常，处于液体外表层的分子较为稀疏，其分子间距较大，液体分子之间的合力表现为平行于液体界面的引力，故A正确；悬浮在液体中的固体小颗粒会不停地做无规那么的运动，这种运动是布朗运动，故B错误；把很多小的单晶体放在一起，就变成了多晶体，故C错误；第二类永动机没有违反能量守恒定律，但是违背了热力学第二定律，故D正确；因为任何空间必然存有能量和热量，也不断进行相互转换而不消失，所以绝对零度是不存在的，故E正确。突破点(三)气体实验定律与热力学第一定律的综合求解此类综合问题的通用思路[典例](2022·潍坊模拟)如下图在绝热气缸内，有一绝热轻活塞封闭一定质量的气体，开始时缸内气体温度为27℃，封闭气柱长为9cm，活塞横截面积S＝50cm2。现通过气缸底部电阻丝给气体加热一段时间，此过程中气体吸热22J，稳定后气体温度变为127℃。大气压强等于105Pa，活塞与气缸间无摩擦，求：(1)加热后活塞到气缸底部的距离；(2)此过程中气体内能改变了多少。[解析](1)取被封闭的气体为研究的对象，开始时气体的体积为L1S，温度为：T1＝(273＋27)K＝300K，末状态的体积为：L2S，温度为：T2＝(273＋127)K＝400K气体做等压变化，那么：eq\f(L1S,T1)＝eq\f(L2S,T2)代入数据得：L2＝12cm。(2)在该过程中，气体对外做功：W＝F·ΔL＝p0S(L2－L1)＝105×50×10－4×(12－9)×10－2J＝15J，由热力学第一定律：ΔU＝Q－W＝22J－15J＝7J。[答案](1)12cm(2)7J[方法规律]判断理想气体内能变化的两种方法(1)一定质量的理想气体，内能的变化完全由温度变化决定，温度升高，内能增大。(2)假设吸、放热和做功情况，可由热力学第一定律ΔU＝W＋Q来确定。[集训冲关]1.(多项选择)(2022·超级全能生26省联考)如下图，p­V坐标系中每个方格的边长均相等，在p­V图中的直线段AB表示一定质量的理想气体的状态变化过程，那么气体从状态A变化到状态B的整个过程中，以下说法正确的选项是()A．气体的温度保持不变B．气体的内能先增加某一值，再减少同样的值C．气体对外做功，并吸热D．气体的密度不断减小解析：选BCD设题图中每一个小方格的长度为单位长度1。等温过程pV＝常量，应是一条双曲线(上半支)，直线段AB明显不符，故A错误；pV＝CT，C为恒量，pV越大，T越高。状态在(2,2)处温度最高。在状态A和B，pV乘积相等，所以温度先升高，后又减小到初始温度；气体的内能先增加某一值，再减少同样的值，故B正确；气体膨胀就会对外界做功，整个过程中气体初末温度相等，所以整个过程内能变化为0。根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，由于气体的内能增加，ΔU＝0，由于气体膨胀对外做功，W<0，所以Q>0，即气体一定吸收热量，故C正确；气体的体积在不断增大，质量一定，所以气体的密度在不断减小，故D正确。2．(2022·大庆一模)如下图，一定质量的理想气体从状态A变化到状态B，再由B变化到C。状态A的温度为300K。(1)求气体在状态B的温度；(2)由状态B变化到状态C的过程中，气体是吸热还是放热？简要说明理由。解析：(1)由理想气体的状态方程eq\f(pAVA,TA)＝eq\f(pBVB,TB)解得气体在状态B的温度TB＝1200K。(2)由B→C，气体做等容变化，由查理定律得：eq\f(pB,TB)＝eq\f(pC,TC)解得TC＝600K故气体由B到C为等容变化，不做功，但温度降低，内能减小。根据热力学第一定律，ΔU＝W＋Q，可知气体要放热。答案：(1)1200K(2)放热对点训练：热力学第一定律1．(2022·北京高考)以下说法正确的选项是()A．物体放出热量，其内能一定减小B．物体对外做功，其内能一定减小C．物体吸收热量，同时对外做功，其内能可能增加D．物体放出热量，同时对外做功，其内能可能不变解析：选C根据热力学第一定律(公式ΔU＝Q＋W)可知，做功和热传递都可以改变物体的内能，当外界对物体做的功大于物体放出的热量或物体吸收的热量大于物体对外界做的功时，物体的内能增加，选项A、B错误，选项C正确；物体放出热量同时对外做功，那么Q＋W<0，内能减小，选项D错误。2．(2022·重庆高考)重庆出租车常以天然气作为燃料。加气站储气罐中天然气的温度随气温升高的过程中，假设储气罐内气体体积及质量均不变，那么罐内气体(可视为理想气体)()A．压强增大，内能减小B．吸收热量，内能增大C．压强减小，分子平均动能增大D．对外做功，分子平均动能减小解析：选B温度是分子平均动能的宏观标志，故天然气的温度升高过程中，分子平均动能增大，又天然气可视为理想气体，不需要考虑分子势能，而气体质量不变，储气罐内天然气分子数不变，所以气体分子总动能增大，故内能增大，A、D项错；由热力学第一定律可知，气体体积不变，内能增大，那么一定从外界吸收热量，B项对；天然气体积不变，随温度升高，气体压强增大，C项错。3．(2022·福州质检)如图是某喷水壶示意图。未喷水时阀门K闭合，压下压杆A可向瓶内储气室充气；屡次充气后按下按柄B翻开阀门K，水会自动经导管从喷嘴处喷出。储气室内气体可视为理想气体，充气和喷水过程温度保持不变，那么()A．充气过程中，储气室内气体内能增大B．充气过程中，储气室内气体分子平均动能增大C．喷水过程中，储气室内气体放热D．喷水过程中，储气室内气体压强增大解析：选A充气过程中，储气室内气体的质量增加，气体的温度不变，故气体的平均动能不变，气体内能增大，选项A正确，B错误；喷水过程中，气体对外做功，体积增大，而气体温度不变，那么气体吸热，所以气体压强减小，选项C、D错误。对点训练：热力学第二定律4．(多项选择)(2022·湖南长沙模拟)关于第二类永动机，以下说法中正确的选项是()A．第二类永动机是指没有冷凝器，只有单一的热源，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．第二类永动机违背了热力学第二定律，所以不可能制成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，内能却不能全部转化为机械能E．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，但内能却不能全部转化为机械能，而不引起其他变化解析：选ACE由第二类永动机的定义知，A正确；第二类永动机违反了热力学第二定律，故B错误，C正确；机械能可以全部转化为内能，但内能却不能全部转化为机械能，而不引起其他变化，故E正确，D错误。5．(多项选择)(2022·开封5月质检)以下说法中正确的选项是()A．气体放出热量，其分子的平均动能可能增大B．布朗运动不是液体分子的运动，但它可以说明液体分子在永不停息地做无规那么运动C．当分子力表现为斥力时，分子力和分子势能总是随分子间距离的减小而增大D．第二类永动机不违背能量守恒定律，但违背了热力学第一定律E．某气体的摩尔体积为V，每个分子的体积为V0，那么阿伏加德罗常数可表示为NA＝eq\f(V,V0)解析：选ABC根据热力学第一定律，气体放出热量，假设外界对气体做功，使气体温度升高，其分子的平均动能增大，故A正确；布朗运动是悬浮在液体中的固体小颗粒的无规那么运动，不是液体分子的运动，但它可以说明液体分子在永不停息地做无规那么运动，故B正确；当分子力表现为斥力时，分子力总是随分子间距离的减小而增大，随分子间距离的减小，分子力做负功，所以分子势能也增大，故C正确；第二类永动机不违背能量守恒定律，但违背了热力学第二定律，故D错误；某固体或液体的摩尔体积为V，每个分子的体积为V0，那么阿伏加德罗常数可表示为NA＝eq\f(V,V0)，对于气体此式不成立，故E错误。6．(多项选择)(2022·济南模拟)以下说法正确的选项是()A．单晶体冰糖磨碎后熔点不会发生变化B．足球充足气后很难压缩，是足球内气体分子间斥力作用的结果C．一定质量的理想气体经过等容过程，吸收热量，其内能一定增加D．自然发生的热传递过程是向着分子热运动无序性增大的方向进行的E．一定质量的理想气体体积保持不变，单位体积内分子数不变，温度升高，单位时间内撞击单位面积上的分子数不变解析：选ACD单晶体冰糖有固定的熔点，磨碎后物质微粒排列结构不变，熔点不变，A正确；足球充足气后很难压缩是由于足球内外的压强差的原因，与气体的分子之间的作用力无关，B错误；一定质量的理想气体经过等容过程，吸收热量，没有对外做功，根据热力学第一定律可知，其内能一定增加，故C正确；根据热力学第二定律可知，自然发生的热传递过程是向着分子热运动无序性增大的方向进行的，故D正确；一定质量的理想气体体积保持不变，单位体积内分子数不变，温度升高，分子的平均动能增大，那么平均速率增大，单位时间内撞击单位面积上的分子数增大，E错误。7．(多项选择)(2022·郑州高三质检)以下说法正确的选项是()A．分子间距离增大时，分子间的引力和斥力都减小B．布朗运动就是气体或液体分子的无规那么运动C．食盐晶体中的钠、氯离子按一定规律分布，具有空间上的周期性D．做功和热传递在改变系统内能方面是不等价的E．第二类永动机虽不违背能量守恒定律，但也是不可能制成的解析：选ACE分子间距离增大时，分子间的引力和斥力都减小，故A正确；布朗运动是悬浮在液体中的固体小颗粒的无规那么运动，不是分子的运动，故B错误；食盐晶体中的钠、氯离子按一定规律分布，具有空间上的周期性，C正确；做功和热传递在改变系统内能方面是等价的，故D错误；第二类永动机虽不违背能量守恒定律，但违背热力学第二定律，仍不可能制成，故E正确。对点训练：气体实验定律与热力学第一定律的综合8．(多项选择)(2022·广东高考)如图为某实验器材的结构示意图，金属内筒和隔热外筒间封闭了一定体积的空气，内筒中有水，在水加热升温的过程中，被封闭的空气()A．内能增大B．压强增大C．分子间引力和斥力都减小D．所有分子运动速率都增大解析：选AB在水加热升温的过程中，封闭气体的温度升高，内能增大，选项A正确；根据eq\f(p,T)＝C知，气体的压强增大，选项B正确；气体的体积不变，气体分子间的距离不变，分子间的引力和斥力不变，选项C错误；温度升高，分子热运动的平均速率增大，但并不是所有分子运动的速率都增大，选项D错误。9.(多项选择)如下图，气缸和活塞与外界均无热交换，中间有一个固定的导热性良好的隔板，封闭着两局部气体A和B，活塞处于静止平衡状态。现通过电热丝对气体A加热一段时间，后来活塞到达新的平衡，不计气体分子势能，不计活塞与气缸壁间的摩擦，大气压强保持不变，那么以下判断正确的选项是()A．气体A吸热，内能增加B．气体B吸热，对外做功，内能不变C．气体A分子的平均动能增大D．气体A和气体B内每个分子的动能都增大E．气体B分子单位时间内对器壁单位面积碰撞次数减少解析：选ACE气体A进行等容变化，那么W＝0，根据ΔU＝W＋Q可知气体A吸收热量，内能增加，温度升高，气体A分子的平均动能变大，但是不是每个分子的动能都增加，选项A、C正确，D错误；因为中间是导热隔板，所以气体B吸收热量，温度升高，内能增加；又因为压强不变，故体积变大，气体对外做功，选项B错误；气体B的压强不变，但是体积增大，平均动能增大，所以气体B分子单位时间内对器壁单位面积的碰撞次数减少，选项E正确。10．〔多项选择〕(2022·哈尔滨第三中学模拟)以下关于分子运动和热现象的说法正确的选项是()A．气体如果失去了容器的约束就会散开，这是因为气体分子之间存在势能的缘故B．一定量100℃的水变成100℃的水蒸气，其分子之间的势能增加C．对于一定量的气体，如果压强不变，体积增大，那么它一定从外界吸热D．如果气体分子总数不变，而气体温度升高，气体分子的平均动能增大，因此压强必然增大E．一定量气体的内能等于其所有分子热运动动能和分子之间势能的总和解析：选BCE气体分子间距较大，分子间的分子力很小，分子永不停息地做无规那么运动，所以气体如果失去了容器的约束就会散开，故A错误；一定量100℃的水变成100℃的水蒸气，内能增加，动能不变，分子势能增加，故B正确；由eq\f(pV,T)＝C可知，对于一定量的气体，如果压强不变，体积增大那么温度升高，体积增大对外做功，温度升高那么内能增加，结合热力学第一定律可知，气体一定从外界吸收热量，故C正确；气体分子总数不变，气体温度升高，气体分子的平均动能增大，但不知气体体积的变化情况，因此压强不一定增大，故D错误；一定量气体的内能等于其所有分子热运动动能和分子之间势能的总和，故E正确。故B、C、E正确。11．一定质量的理想气体由状态A经状态B变为状态C，其中A→B过程为等压变化，B→C过程为等容变化。VA＝0.3m3，TA＝TC＝300K