2024高考物理一轮复习第十三单元热学第3讲热力学定律与能量守恒定律学案新人教版

PAGE12-第3讲热力学定律与能量守恒定律考纲考情核心素养►热力学第肯定律Ⅰ►能量守恒定律Ⅰ►热力学其次定律Ⅰ►理解热力学第肯定律及各物理量的意义．►知道热力学其次定律及两种表述方式.物理观念全国卷5年4考高考指数★★★★★►能依据热力学第肯定律和能量守恒定律说明现象，会推断内能的变更．►会依据热力学其次定律推断各种表述的正确性.科学思维学问点一热力学第肯定律1．变更物体内能的两种方式(1)做功；(2)热传递．2．热力学第肯定律(1)内容：一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和．(2)表达式：ΔU＝Q＋W.(3)ΔU＝Q＋W中正、负号法则：学问点二能量守恒定律1．内容能量既不会凭空产生，也不会凭空消逝，它只能从一种形式转化为另一种形式，或者是从一个物体转移到另一个物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变．2．条件性：能量守恒定律是自然界的普遍规律，某一种形式的能是否守恒是有条件的．例如：机械能守恒定律具有适用条件，而能量守恒定律是无条件的，是一切自然现象都遵守的基本规律．学问点三热力学其次定律1．热力学其次定律的三种表述(1)克劳修斯表述热量不能自发地从低温物体传到高温物体．(2)开尔文表述不行能从单一热库汲取热量，使之完全变胜利，而不产生其他影响．或表述为“其次类永动机是不行能制成的．”(3)用熵的概念表示热力学其次定律．在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小．2．热力学其次定律的微观意义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．3．两类永动机(1)第一类永动机：不消耗任何能量，却源源不断地对外做功的机器．违反能量守恒定律，因此不行能制成．(2)其次类永动机：从单一热库汲取热量并把它全部用来对外做功，而不引起其他变更的机器．违反热力学其次定律，不行能制成．1．思索推断(1)外界压缩气体做功20J，气体的内能可能不变．(√)(2)给自行车打气时，发觉打气筒的温度上升，这是因为打气筒从外界吸热．(×)(3)做功和热传递的实质是相同的．(×)(4)绝热过程中，外界压缩气体做功20J，气体的内能肯定削减．(×)(5)物体汲取热量，同时对外做功，内能可能不变．(√)(6)热机中，燃气的内能可以全部变为机械能而不引起其他变更．(×)2．某驾驶员发觉中午时车胎内的气压高于早晨时的，且车胎体积增大．若这段时间胎内气体质量不变且可视为志向气体，那么(D)A．外界对胎内气体做功，气体内能减小B．外界对胎内气体做功，气体内能增大C．胎内气体对外界做功，内能减小D．胎内气体对外界做功，内能增大解析：以胎内气体为探讨对象，由于气体温度上升，内能增大；体积增大，胎内气体对外做功，故D正确．3．(多选)下列对热学相关学问的推断中正确的是(CDE)A．对肯定质量的气体加热，其内能肯定增大B．物体温度上升时，物体内的每个分子的速率都将增大C．对肯定质量的志向气体，当它的压强、体积都增大时，其内能肯定增大D．功转化为热的实际宏观过程是不行逆过程E．自然界中的能量虽然是守恒的，但有的能量便于利用，有的不便于利用，故要节约能源解析：气体内能变更由做功和热传递共同确定，A错误；温度上升，分子的平均动能增大，部分分子速率也会减小，B错误；志向气体压强和体积增大，温度肯定增大，内能肯定增大，C正确；一切涉及热现象的宏观过程都是不行逆的，D正确；自然界中的能量在数量上是守恒的，但能量在转化过程中，品质渐渐降低，可利用的能源在渐渐削减，故要节约能源，E正确．4．(多选)关于热力学第肯定律和热力学其次定律，下列论述错误的是(ACD)A．热力学第肯定律指出内能可以与其他形式的能相互转化，而热力学其次定律则指出内能不行能完全转化为其他形式的能，故这两条定律是相互冲突的B．内能可以全部转化为其他形式的能，只是会产生其他影响，故两条定律并不冲突C．两条定律都是有关能量转化的规律，它们不但不冲突，而且没有本质区分D．能量守恒定律已包含了热力学第肯定律和热力学其次定律E．热力学第肯定律和热力学其次定律是相互独立的解析：热力学第肯定律是能量守恒在热现象中的体现，而热力学其次定律则指出内能和其他形式的能发生转化的方向性，二者并不冲突，故A、C、D错误，B正确；热力学第肯定律和热力学其次定律是相互独立的，各自描述了热现象中不同方面的规律，E正确．5．肯定质量的气体，在从状态1变更到状态2的过程中，汲取热量280J，并对外做功120J，试问：(1)这些气体的内能怎样发生变更？变更了多少？(2)假如这些气体又返回原来的状态，并放出了240J热量，那么在返回的过程中是气体对外界做功，还是外界对气体做功？做功多少？解析：(1)由热力学第肯定律可得ΔU＝W＋Q＝－120J＋280J＝160J，气体的内能增加了160J.(2)由于气体的内能仅与状态有关，所以气体从状态2回到状态1的过程中内能应削减，其削减量应等于从状态1到状态2的过程中内能的增加量，则从状态2到状态1的内能应削减160J，即ΔU′＝－160J，又Q′＝－240J，依据热力学第肯定律得：ΔU′＝W′＋Q′，所以W′＝ΔU′－Q′＝－160J－(－240J)＝80J，即外界对气体做功80J.答案：(1)增加160J(2)外界对气体做功80J考点1热力学第肯定律1．做功和热传递的区分做功与热传递在变更内能的效果上是相同的，但是从运动形式、能量转化的角度上看是不同的．做功是其他形式的运动和热运动的转化，是其他形式的能与内能之间的转化；而热传递则是热运动的转移，是内能的转移．2．温度、内能、热量、功的比较含义特点温度温度表示物体的冷热程度，是物体分子平均动能大小的标记，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内能是物体内全部分子热运动的动能和分子势能的总和，它是由大量分子的热运动和分子的相对位置确定的热量热量是热传递过程中内能的变更量，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符号的规定符号WQΔU＋外界对物体做功物体汲取热量内能增加－物体对外界做功物体放出热量内能削减4.热力学第肯定律的三种特别状况(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，物体汲取的热量等于物体内能的增加量．(3)若过程的初、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．1.(多选)如图所示为某喷水壶的结构示意图．未喷水时阀门K闭合，压下压杆A可向瓶内储气室充气，多次充气后按下按柄B便可打开阀门K，水会自动从喷嘴处喷出．储气室内气体可视为志向气体，充气和喷水过程中温度保持不变．下列说法正确的是(ACE)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，储气室内气体吸热D．喷水过程中，储气室内气体内能减小E．喷水过程中，储气室内气体压强减小解析：充气过程中，储气室内气体质量增大，温度不变，平均动能不变，但内能增大，故A正确，B错误；喷水过程中，液体液面下降，气体体积增大，储气室内气体压强减小，而温度不变，则内能不变，由热力学第肯定律知储气室内气体吸热，C、E正确，D错误．2．(多选)如图，用隔板将一绝热汽缸分成两部分，隔板左侧充有志向气体，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(ABD)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解析：因为汽缸、活塞都是绝热的，隔板右侧是真空，所以志向气体在自发扩散的过程中，既不吸热也不放热，也不对外界做功．依据热力学第肯定律可知，气体自发扩散前后，内能不变，选项A正确，选项C错误；气体被压缩的过程中，外界对气体做功，气体内能增大，又因为肯定质量的志向气体的内能只与温度有关，所以气体温度上升，分子平均动能增大，选项B、D正确，选项E错误．考点2热力学其次定律1．对热力学其次定律关键词的理解在热力学其次定律的表述中，“自发地”“不产生其他影响”的涵义．(1)“自发地”指明白热传递等热力学宏观现象的方向性，不须要借助外界供应能量的帮助．(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，对四周环境不产生热力学方面的影响，如吸热、放热、做功等．2．热力学其次定律的实质自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性．如3．两类永动机的比较分类第一类永动机其次类永动机设计要求不须要任何动力或燃料，却能不断地对外做功的机器从单一热源汲取热量，使之完全变胜利，而不产生其他影响的机器不行能制成的缘由违反能量守恒不违反能量守恒，违反热力学其次定律1．(多选)下列关于热力学其次定律的说法正确的是(BCE)A．全部符合能量守恒定律的宏观过程都能发生B．一切与热现象有关的宏观自然过程都是不行逆的C．机械能可以全部转化为内能，在不产生其他影响的状况下，内能无法全部用来做功而转化成机械能D．气体向真空的自由膨胀是可逆的E．热运动的宏观过程有肯定的方向性解析：符合能量守恒定律，但违反热力学其次定律的宏观过程不能发生，选项A错误；一切与热现象有关的宏观自然过程都是不行逆的，选项B正确；机械能可以全部转化为内能，在不产生其他影响的状况下，但内能无法全部用来做功而转化成机械能，选项C正确；气体向真空的自由膨胀是不行逆的，选项D错误；热运动的宏观过程有肯定的方向性，选项E正确．2．(多选)依据热力学定律，下列说法正确的是(ABD)A．电冰箱的工作表明，热量可以从低温物体向高温物体传递B．空调机在制冷过程中，从室内汲取的热量少于向室外放出的热量C．科技的不断进步使得人类有可能生产出从单一热源吸热全部用来对外做功而不引起其他变更的热机D．即使没有漏气、摩擦、机体的热量损失，热机也不行以把燃料产生的内能全部转化为机械能E．对能源的过度消耗使自然界的能量不断削减，形成“能源危机”解析：热量可以在外界做功的状况下从低温物体向高温物体传递，但不能自发进行，故A项正确；空调机在制冷过程中，从室内汲取的热量少于向室外放出的热量，故B项正确；不行能从单一热源吸热全部用来对外做功而不引起其他变更，故C项错误；即使没有漏气、摩擦、机体的热量损失，热机也不行以把燃料产生的内能全部转化为机械能，它还会受到其他条件的限制，故D项正确；对能源的过度消耗将形成“能源危机”，但自然界的总能量守恒，故E项错误．3．(多选)依据热学中的有关学问，推断下列说法中正确的是(ABE)A．机械能可以全部转化为内能，内能也可以全部用来做功转化成机械能B．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C．尽管技术不断进步，热机的效率仍不能达到100%，制冷机却可以使温度降到－293D．第一类永动机违反能量守恒定律，其次类永动机不违反能量守恒定律，随着科技的进步和发展，其次类永动机可以被制造出来E．空调既能制热又能制冷，说明在不自发的条件下，热量可以逆向传递解析：机械能可以全部转化为内能，而内能也可以全部转化为机械能，只是在这个过程中会引起其他变更，A正确；依据热力学其次定律可知，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，B正确；尽管科技不断进步，热机的效率仍不能达到100%，制冷机也不能使温度降到－293℃，只能接近－273.15℃考点3热力学定律与气体试验定律的综合应用1．“两分析”巧解热力学综合问题：2．应用热力学第肯定律的三点留意：(1)做功看体积：体积增大，气体对外做功，W为负；体积缩小，外界对气体做功，W为正．气体向真空中自由膨胀，对外界不做功，W＝0.(2)与外界绝热，则不发生热传递，此时Q＝0.(3)由于志向气体没有分子势能，所以当它的内能变更时，主要体现在分子动能的变更上，从宏观上看就是温度发生了变更．题型1热力学定律与气体图象综合应用如图，肯定质量的志向气体从状态a变更到状态b，其过程如p­V图中从a到b的直线所示．在此过程中()A．气体温度始终降低B．气体内能始终增加C．气体始终对外做功D．气体始终从外界吸热E．气体汲取的热量始终全部用于对外做功【解析】肯定质量的志向气体从a到b的过程，由志向气体状态方程eq\f(paVa,Ta)＝eq\f(pbVb,Tb)可知Tb>Ta，即气体的温度始终上升，选项A错误；依据志向气体的内能只与温度有关，可知气体的内能始终增加，选项B正确；由于从a到b的过程中气体的体积增大，所以气体始终对外做功，选项C正确；依据热力学第肯定律，从a到b的过程中，气体始终从外界吸热，选项D正确；气体汲取的热量一部分增加内能，一部分对外做功，选项E错误．【答案】BCD1.(多选)如图，肯定质量的志向气体从状态A起先，经验A→B→C→D→E过程后到达状态E，其中BA的延长线经过原点O，BC与横轴平行，DE与纵轴平行，关于该气体，下列说法正确的是(BDE)A．A→B过程中气体的体积渐渐减小B．B→C过程中气体从外界吸热C．C→D过程中内能不变D．D→E过程中气体从外界吸热E．状态A的体积比状态E的体积小解析：因BA延长线经过原点O，由志向气体状态方程可知AB是等容线，所以此过程中气体的体积不变，选项A错误；B→C过程中气体的温度上升，内能增大，因BC与横轴平行，故该过程压强不变，由志向气体状态方程可知气体的体积增大，气体对外界做功，依据热力学第肯定律可知，此过程气体从外界吸热，所以选项B正确；C→D过程中气体的温度上升，内能增大，所以选项C错误；因DE与纵轴平行，故D→E过程中气体的温度不变，内能不变，因压强减小，由志向气体状态方程可知气体的体积增大，对外界做功，依据热力学第肯定律可知，此过程气体从外界吸热，选项D正确；由志向气体状态方程并结合图象可知，C→D过程中气体体积增大，再结合以上各选项的分析可知，状态A的体积比状态E的体积小，所以选项E正确．2.(多选)肯定量的志向气体从状态a起先，经验三个过程：从a到b，b到c，c到a回到原状态，其V­T图象如图所示．用pa、pb、pc分别表示状态a、b、c的压强，下列说法正确的是(ABE)A．pa<pc＝pbB．由a到b的过程中，气体肯定吸热C．由b到c的过程中，气体放出的热量肯定等于外界对气体做的功D．由b到c的过程中，每一个气体分子的速率都减小E．由c到a的过程中，气体分子的平均动能不变解析：本题考查对V­T图象的理解．设a状态的压强为pa，由志向气体状态方程可知eq\f(pa·3V0,T0)＝eq\f(pb·3V0,3T0)，所以pb＝3pa，同理可得eq\f(pa·3V0,T0)＝eq\f(pc·V0,T0)，所以pc＝3pa，所以pc＝pb>pa，故A正确；ab过程中气体的体积不变，没有做功，温度上升，内能增大，所以气体肯定吸热，故B正确；由图象可知，bc过程气体体积减小，外界对气体做功，W>0，气体温度降低，内能减小，ΔU<0，由热力学第肯定律ΔU＝W＋Q可知，气体要放出热量，而且bc过程中气体放出的热量肯定大于外界对气体做的功，故C错误；温度是分子平均动能的标记，是大量分子运动的统计规律，不能反映单个分子的运动状况，所以bc过程中气体的温度降低，分子平均动能减小，并不是每一个分子的速率减小，故D错误；由图可知，ca过程中气体等温膨胀，温度不变，所以气体分子的平均动能不变，故E正确．题型2热力学定律与气体试验定律的综合应用如图所示，上端开口的光滑圆柱形绝热汽缸竖直放置，质量m＝5kg、横截面积S＝50cm2的活塞将肯定质量的志向气体封闭在汽缸内，在汽缸内某处设有体积可忽视的卡环a、b，使活塞只能向上滑动．起先时活塞搁在a、b上，缸内气体的压强等于大气压强，温度为300K．现通过内部电热丝缓慢加热缸内气体，直至活塞恰好离开a、b.已知大气压强p0＝1.0×105Pa，g取10m/s2.(1)求汽缸内气体的温度；(2)接着加热汽缸内的气体，使活塞缓慢上升H＝0.1m(活塞未滑出汽缸)，气体的内能的变更量为18J，则此过程中气体是吸热还是放热？传递的热量是多少？【解析】(1)气体的状态参量为T1＝300Kp1＝p0＝1.0×105Pa对活塞由平衡条件得p2S＝p0S＋mg解得p2＝1.1×105Pa由查理定律得eq\f(p1,T1)＝eq\f(p2,T2)解得T2＝330K.(2)接着加热时，气体做等压变更，温度上升，内能增大，体