新教材适用2024-2025学年高中物理第3章热力学定律章末小结学案新人教版选择性必修第三册

章末小结一、热力学第肯定律的理解与应用ΔU＝Q＋W中各物理量符号的意义ΔUWQΔU>0，物体的内能增加W>0，外界对物体做功Q>0，物体吸热ΔU<0，物体的内能削减W<0，物体对外界做功Q<0，物体放热ΔU＝0，物体的内能不变W＝0，物体对外界(或外界对物体)不做功Q＝0，物体与外界绝热①绝热过程Q＝0，ΔU＝W，用做功可推断内能的改变。②只有在气体体积不变时，W＝0，ΔU＝Q，用吸、放热状况可推断内能的改变。③若物体内能不变，即ΔU＝0，W和Q不肯定等于零，而是W＋Q＝0，功和热量符号相反，大小相等，因此推断内能改变问题肯定要全面考虑。④对于气体，做功W的正负一般要看气体体积改变状况，气体体积缩小，W>0；气体体积增大，W<0(气体自由膨胀除外)。⑤对于志向气体要抓住温度T改变是内能改变的标记(T上升，内能增加，ΔU>0，反之，内能削减，ΔU<0)。典例1(多选)对于肯定质量的志向气体，下列说法正确的是(AC)A．若气体的压强和体积都不变，其内能也肯定不变B．若气体的温度不断上升，其压强也肯定不断增大C．若气体温度上升1K，其等容过程所汲取的热量肯定小于等压过程所汲取的热量D．在完全失重状态下，气体的压强为零解析：肯定质量的志向气体的内能仅与温度有关，若气体的压强和体积都不变，则温度不变，其内能也肯定不变，A正确；由eq\f(pV,T)＝C知，气体的温度不断上升，压强不肯定增大，B错误；依据热力学第肯定律有ΔU＝Q＋W，气体温度上升1K，ΔU相同，等容过程W＝0，等压过程气体体积增大，则W<0，故等容过程所汲取的热量肯定小于等压过程所汲取的热量，C正确；气体的压强是由于分子不断撞击器壁而产生的，与是否失重无关，D错误。典例2如图所示，在紫铜管内滴入乙醚，盖紧管塞。用手拉住绳子两端快速往复拉动，管塞会被冲开。管塞被冲开前(D)A．外界对管内气体做功，气体内能增大B．管内气体对外界做功，气体内能减小C．管内气体内能不变，压强变大D．管内气体内能增加，压强变大解析：绳克服摩擦做功，使管壁内能增加，温度上升。通过传热，管内气体的内能增加，温度上升，压强增大，直至将管塞冲开，故选D。二、热力学其次定律的理解1．热力学其次定律的几种表现形式①传热具有方向性；②气体的扩散现象具有方向性；③机械能和内能的转化过程具有方向性；④气体向真空膨胀具有方向性。留意：热力学其次定律是对宏观自然过程进行方向的说明。热力学其次定律的不同表述都是等价的。典例3(多选)下列说法正确的是(ACD)A．即使气体的温度很高，仍有一些分子的运动速率是特别小的B．空调机作为制冷机运用时，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循热力学其次定律的C．对于肯定量的气体，当其温度降低时，速率大的分子数目削减，速率小的分子数目增加D．从单一热库汲取热量使之全部变成有用的机械功而不引起其他改变是不行能的解析：即使气体的温度很高，只是分子的平均速率较大，但是仍有一些分子的运动速率是特别小的，A正确；空调机作为制冷机运用时，将热量从温度较低的室内送到温度较高的室外，要消耗电能，所以此过程是遵循热力学其次定律的，B错误；对于肯定量的气体，当其温度降低时，分子的平均速率减小，速率大的分子数目削减，速率小的分子数目增加，C正确；依据热力学其次定律，从单一热库汲取热量使之全部变成有用的机械功而不引起其他改变是不行能的，D正确。三、热力学第肯定律与气体状态改变的综合应用①探讨对象是否为志向气体；②只要体积改变，外界对气体(或气体对外界)做功W＝pΔV，只要温度发生改变，其内能就发生改变；③结合热力学第肯定律ΔU＝W＋Q求解问题。典例4如图所示为一气缸内封闭的肯定质量的气体的p-V图像，当该系统从状态a沿过程a→c→b到达状态b时，有335J的热量传入系统，系统对外界做功126J。(1)若沿a→d→b过程，系统对外做功42J，则有多少热量传入系统？(2)若系统由状态b沿曲线过程返回状态a时，外界对系统做功84J，问系统是吸热还是放热？热量传递是多少？解析：(1)沿a→c→b过程，由热力学第肯定律知：ΔU＝W＋Q＝(－126＋335)J＝209J，沿a→d→b过程，由热力学第肯定律知：ΔU＝W′＋Q′，得：Q′＝ΔU－W′＝209J－(－42)J＝251J，即有251J的热量传入系统。(2)因为由a→b，ΔU＝209J，所以由b→a，ΔU′＝－ΔU＝－209J，由热力学第肯定律知ΔU′＝W″＋Q″，得Q″＝ΔU′－W″＝(－209－84)J＝－293J，负号说明系统放出热量。答案：(1)251J(2)放热293J典例5(多选)(2024·湖南卷)如图所示，两端开口、下端连通的导热气缸，用两个轻质绝热活塞(截面积分别为S1和S2)封闭肯定质量的志向气体，活塞与气缸壁间无摩擦。在左端活塞上缓慢加细沙，活塞从A下降h高度到B位置时，活塞上细沙的总质量为m。在此过程中，用外力F作用在右端活塞上，使右端活塞位置始终不变。整个过程环境温度和大气压强P0保持不变，系统始终处于平衡状态，重力加速度为g。下列说法正确的是(BD)A．整个过程，外力F做功大于0，小于mghB．整个过程，志向气体的分子平均动能保持不变C．整个过程，志向气体的内能增大D．整个过程，志向气体向外界释放的热量小于p0s1h＋mgh解析：做功的两个必要因素是力和在力的方向上有位移，由于右端活塞没有移动，可知整个过程，外力F做功等于0，A错误；依据气缸导热且环境温度不变，可知气缸内气体的温度也保持不变，则整个过程，志向气体的分子平均动能保持不变，内能不变，B正确，C错误；由内能不变可知，志向气体向外界释放的热量等于外界对志向气体做的功：Q＝W<p0S1h＋mgh，D正确。一、高考真题探析典题(2024·湖北卷，T3)肯定质量的志向气体由状态a变为状态c，其过程如p－V图中a→c直线段所示，状态b对应当线段的中点。下列说法正确的是(B)A．a→b是等温过程B．a→b过程中气体吸热C．a→c过程中状态b的温度最低D．a→c过程中外界对气体做正功解析：依据志向气体的状态方程eq\f(pV,T)＝C可知a→b气体温度上升，内能增加，且体积增大气体对外界做功，则W<0，由热力学第肯定律ΔU＝W＋Q，可知a→b过程中气体吸热，A错误、B正确；依据志向气体的状态方程，可知，p－V图像的坐标值的乘积反映温度，a状态和c状态的坐标值的乘积相等，而中间状态的坐标值乘积更大，a→c过程的温度先上升后降低，且状态b的温度最高，C错误；a→c过程气体体积增大，外界对气体做负功，D错误。二、临场真题练兵1.(2024·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(B)A．对外做功 B．内能减小C．汲取热量 D．压强不变解析：由于爬山过程中气体体积不变，故气体不对外做功，故A错误；爬山过程中温度降低，则气体内能减小，故B正确；依据热力学第肯定律可知ΔU＝W＋Q，爬山过程中气体不做功，但内能减小，故可知气体放出热量，故C错误；爬山过程中氧气瓶里的气体容积质量均不变，温度减小，依据志向气体状态方程有eq\f(PV,T)＝C，可知气体压强减小，故D错误；故选B。2．(多选)(2024·山东卷)肯定质量的志向气体，初始温度为300K，压强为1×105Pa。经等容过程，该气体汲取400J的热量后温度上升100K；若经等压过程，须要汲取600J的热量才能使气体温度上升100K。下列说法正确的是(AD)A．初始状态下，气体的体积为6LB．等压过程中，气体对外做功400JC．等压过程中，气体体积增加了原体积的eq\f(1,4)D．两个过程中，气体的内能增加量都为400J解析：令志向气体的初始状态的压强，体积和温度分别为p1＝p0，V1＝V0，T1＝300K，等容过程为状态二：p2＝？，V2＝V1＝V0，T2＝400K；等压过程为状态三：p3＝p0，V3＝？，T3＝400K，由志向气体状态方程可得eq\f(p1V1,T1)＝eq\f(p2V2,T2)＝eq\f(p3V3,T3)，解得p2＝eq\f(4,3)p0，V3＝eq\f(4,3)V0，体积增加了原来的eq\f(1,3)，C错误；等容过程中气体做功为零，由热力学第肯定律ΔU＝W＋Q＝400J，两个过程的初末温度相同即内能改变相同，因此内能增加都为400J，D正确；等压过程内能增加了400J，汲取热量为600J，由热力学第肯定律可知气体对外做功为200J，即做功的大小为W＝p0eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(4,3)V0－V0))＝200J，解得V0＝6L，A正确，B错误；故选AD。3．(多选)(2024·山西卷)如图，一封闭着志向气体的绝热气缸置于水平地面上，用轻弹簧连接的两绝热活塞将气缸分为f、g、h三部分，活塞与气缸壁间没有摩擦。初始时弹簧处于原长，三部分中气体的温度、体积、压强均相等。现通过电阻丝对f中的气体缓慢加热，停止加热并达到稳定后(AD)A．h中的气体内能增加B．f与g中的气体温度相等C．f与h中的气体温度相等D．f与h中的气体压强相等解析：当电阻丝对f中的气体缓慢加热时，f中的气体内能增大，温度上升，依据志向气体状态方程可知f中的气体压强增大，会缓慢推动左边活塞，可知h的体积也被压缩压强变大，对活塞受力分析，依据平衡条件可知，弹簧弹力变大，则弹簧被压缩。与此同时弹簧对右边活塞有弹力作用，缓慢向右推动左边活塞。故活塞对h中的气体做正功，且是绝热过程，由热力学第肯定律可知，h中的气体内能增加，A正确；未加热前，三部分中气体的温度、体积、压强均相等，当系统稳定时，活塞受力平衡，可知弹簧处于压缩状态，对左边活塞分析pfS＝F弹＋pgS，则pf>pg，分别对f、g内的气体分析，依据志向气体状态方程有eq\f(p0V0,T0)＝eq\f(pfVf,Tf)，eq\f(p0V0,T0)＝eq\f(pgVg,Tg)，由题意可知，因弹簧被压缩，则Vf>Vg，联立可得Tf>Tg，B错误；在达到稳定过程中h中的气体体积变小，压强变大，f中的气体体积变大。由于稳定时弹簧保持平衡状态，故稳定时f、h中的气体压强相等，依据志向气体状态方程对h气体分析可知eq\f(p0V0,T0)＝eq\f(phVh,Th)，联立可得Tf>Th，C错误；对弹簧、活塞及g中的气体组成的系统分析，依据平衡条件可知，f与h中的气体压强相等，D正确。故选AD。4．(多选)(2024·全国卷)对于肯定量的志向气体，经过下列过程，其初始状态的内能与末状态的内能可能相等的是(ACD)A．等温增压后再等温膨胀B．等压膨胀后再等温压缩C．等容减压后再等压膨胀D．等容增压后再等压压缩E．等容增压后再等温膨胀解析：对于肯定质量的志向气体内能由温度确定，故等温增压和等温膨胀过程温度均保持不变，内能不变，故A正确；依据志向气体状态方程eq\f(PV,T)＝C，可知等压膨胀后气体温度上升，内能增大，等温压缩温度不变，内能不变，故末状态与初始状态相比内能增加，故B错误；依据志向气体状态方程可知等容减压过程温度降低，内能减小；等压膨胀过程温度上升，末状态的温度有可能和初状态的温度相等，内能相等，故C正确；依据志向气体状态方程可知等容增压过程温度上升；等压压缩过程温度降低，末状态的温度有可能和初状态的温度相等，内能相等，故D正确；依据志向气体状态方程可知等容增压过程温度上升；等温膨胀过程温度不变，故末状态的内能大于初状态的内能，故E错误。故选ACD。5.(2024·广东卷)在驻波声场作用下，水中小气泡四周液体的压强会发生周期性改变，使小气泡周期性膨胀和收缩，气泡内气体可视为质量不变的志向气体，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过程中外界对气体做功为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过程，气泡内气体的内能改变了多少？答案：(1)eq\f(1,5)p0(2)1.9T0(3)W解析：(1)由题可知，依据玻意耳定律可得pAVA＝pBVB解得pB＝eq\f(1,5)p0；(2)依据志向气体状态方程可知eq\f(pBVB,TB)＝eq\f(pCVC,TC)；解得TC＝1.9T0；(3)依据热力学第肯定律可知ΔU＝W＋Q其中Q＝0，故气体内能增加ΔU＝W。6．(2024·浙江卷)某探究小组设计了一个报警装置，其原理如图所示。在竖直放置的圆柱形容器内用面积S＝100cm2、质量m＝1kg的活塞密封肯定质量的志向气体，活塞能无摩擦滑动。起先时气体处于温度TA＝300K、活塞与容器底的距离h0＝30cm的状态A。环境温度上升时容器内气体被加热，活塞缓慢上升d＝3cm恰好到达容器内的卡口处，此时气体达到状态B。活塞保持不动，气体被接着加热至温度Tc＝363K的状态C时触动报警器。从状态A到状态C的过程中气体内能增加了ΔU＝158J。取大气压p0＝0.99×105Pa，求气体。(1)在状态B的温度；(2)在状态C的压强；(3)由状态A到状态C过程中从外界汲取热量Q。答案：(1)330K(2)1.1×105Pa(3)188J解析：(1)依据题意可知，气体由状态A改变到状态B的过程中，封闭气体的压强不变，则有eq\f(VA,TA)＝eq\f(VB,TB)解得TB＝eq\f(VB,VA)TA＝330K；(2)从状态A到状态B的过程中，活塞缓慢上升，则pBS＝p0S＋mg解得pB＝1×105Pa依据题意可知，气体由状态B改变到状态C的过程中，气体的体积不变，则有eq\f(pB,TB)＝eq\f(pC,TC)解得pC＝eq\f(TC,TB)pB＝1.1×105Pa；(3)依据题意可知，从状态A到状态C的过程中气体对外做功为W0＝pBSΔh＝30J由热力学第肯定律有ΔU＝W＋Q解得Q＝ΔU－(－W0)＝188J。7．(2024·山东卷，T5)如图所示，内壁光滑的绝热气缸内用绝热活塞封闭肯定质量的志向气体，初始时气缸开口向上放置，活塞处于静止状态，将气缸缓慢转动90°过程中，缸内气体(C)A．内能增加，外界对气体做正功B．内能减小，全部分子热运动速率都减小C．温度降低，速率大的分子数占总分子数比例削减D．温度上升，速率大的分子数占总分子数比例增加解析：初始时气体的压强p1＝p0＋eq\f(mg,S)，体积为V1，温度为T1；将气缸缓慢转过90°后，气体的压强为p2＝p0，体积为V2，温度为T2。易知V2>V1，故气体对外界做功，因气缸和活塞都是绝热的，依据热力学第肯定律可得ΔU<0，由于志向气体内能只与气体温度有关，所以T1>T2，A、D错误；内能减小，不是全部气体分子热运动速率都减小，但速率大的分子数占总分子数的比例减小，B错误，C正确。8．(多选)(2024·全国甲卷，T33(1))肯定量的志向气体从状态a改变到状态b，其过程如p－T图上从a到b的线段所示。在此过程中(BCE)A．气体始终对外做功B．气体的内能始终增加C．气体始终从外界吸热D．气体汲取的热量等于其对外做的功E．气体汲取的热量等于其内能的增加量解析：依据志向气体状态方程可知，过原点的p－T图像的斜率与体积V有关，肯定量的志向气体从状态a到状态b，体积不变，对外不做功，选项A、D错误；志向气体的内能只与温度有关，又肯定量志向气体从状态a到状态b，温度始终上升，则气体内能始终增加，选项B正确；由热力学第肯定律可知，气体始终从外界吸热，气体汲取的热量等于其内能的增加量，选项C、E正确。9．(2024·山东卷，2)如图所示，密封的矿泉水瓶中，距瓶口越近水的温度越高。一开口向下、导热良好的小瓶置于矿泉水瓶中，小瓶中封闭一段空气。挤压矿泉水瓶，小瓶下沉究竟部；松开后，小瓶缓慢上浮，上浮过程中，小瓶内气体(B)A．内能削减B．对外界做正功C．增加的内能大于汲取的热量D．增加的内能等于汲取的热量解析：由于越接近矿泉水瓶口，水的温度越高，因此小瓶上浮的过程中，小瓶内温度上升，内能增加，A错误；在小瓶上升的过程中，小瓶内气体的温度渐渐上升，压强渐渐减小，依据志向气体状态方程eq\f(pV,T)＝C，气体体积膨胀，对外界做正功，B正确；由A、B分析，小瓶上升时，小瓶内气体内能增加，气体对外做功，依据热力学第肯定律ΔU＝W＋Q，由于气体对外做功，因此汲取的热量大于增加的内能，CD错误。10．(多选)(2024·全国乙卷，T33(1))如图，肯定量的志向气体从状态a(p0，V0，T0)经热力学过程ab、bc、ca后又回到状态a，对于ab、bc