【优化方案】2022届高三物理大一轮复习-第11章-第3节-热力学定律与能量守恒-教学讲义-

第三节热力学定律与能量守恒一、热力学第确定律和能量守恒定律1．转变物体内能的两种方式(1)做功；(2)热传递．2．热力学第确定律(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＋W3．能的转化和守恒定律(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，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变．(2)第一类永动机：违反能量守恒定律的机器被称为第一类永动机．它是不行能制成的．1.(2022·高考广东卷)用密封性好、布满气体的塑料袋包裹易碎品，如图所示，充气袋四周被挤压时，假设袋内气体与外界无热交换，则袋内气体()A．体积减小，内能增大B．体积减小，压强减小C．对外界做负功，内能增大D．对外界做正功，压强减小答案：AC二、热力学其次定律1．常见的两种表述(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：不行能从单一热库吸取热量，使之完全变成功，而不产生其他影响．2．其次类永动机：违反宏观热现象方向性的机器被称为其次类永动机．这类永动机不违反能量守恒定律，但它违反了热力学其次定律，也是不行能制成的．2.对热力学其次定律，下列理解正确的是()A．自然界进行的一切宏观过程都是可逆的B．自然界进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性，是不行逆的C．热量不行能由低温物体传递到高温物体D．由热力学其次定律可知热量从低温物体传向高温物体是可能的，从单一热源吸取热量，完全变成功也是可能的答案：BD考点一对热力学第确定律的理解及应用1．热力学第确定律不仅反映了做功和热传递这两种方式转变内能的过程是等效的，而且给出了内能的变化量和做功与热传递之间的定量关系．2．对公式ΔU＝Q＋W符号的规定符号WQΔU＋外界对物体做功物体吸取热量内能增加－物体对外界做功物体放出热量内能削减3.几种特殊状况(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，物体吸取的热量等于物体内能的增加量．(3)若过程的始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．特殊提示：(1)做功与热传递在转变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)气体向真空中膨胀不做功．在如图所示的坐标系中，确定质量的某种抱负气体先后发生以下两种状态变化过程：第一种变化是从状态A到状态B，外界对该气体做功为6J；其次种变化是从状态A到状态C，该气体从外界吸取的热量为9J．图线AC的反向延长线过坐标原点O，B、C两状态的温度相同，抱负气体的分子势能为零．求：(1)从状态A到状态C的过程，该气体对外界做的功W1和其内能的增量ΔU1；(2)从状态A到状态B的过程，该气体内能的增量ΔU2及其从外界吸取的热量Q2.[解析](1)由题意知从状态A到状态C的过程，气体发生等容变化该气体对外界做的功W1＝0依据热力学第确定律ΔU1＝W1＋Q1内能的增量ΔU1＝Q1＝9J.(2)从状态A到状态B的过程，体积减小，温度上升该气体内能的增量ΔU2＝ΔU1＝9J依据热力学第确定律有ΔU2＝W2＋Q2从外界吸取的热量Q2＝ΔU2－W2＝3J.[答案](1)09J(2)9J3J[总结提升](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．(2)与外界绝热，则不发生热传递，此时Q＝0.(3)由于抱负气体没有分子势能，所以当它的内能变化时，主要体现在分子动能的变化上，从宏观上看就是温度发生了变化．1.如图所示，确定质量的抱负气体由状态a沿abc变化到状态c，吸取了340J的热量，并对外做功120J．若该气体由状态a沿adc变化到状态c时，对外做功40J，则这一过程中气体______(填“吸取”或“放出”)热量________J.解析：对该抱负气体由状态a沿abc变化到状态c，由热力学第确定律可得：ΔU＝Q－W＝340J－120J＝220J，即从a状态到c状态，抱负气体的内能增加了220J；若该气体由状态a沿adc变化到状态c时，对外做功40J，此过程抱负气体的内能增加还是220J，所以可以判定此过程是吸取热量，再依据热力学第确定律可得：ΔU＝Q′－W′，得Q′＝ΔU－W′＝220J＋40J＝260J.答案：吸取260考点二对热力学其次定律的理解1．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，不需要借助外界供应能量的挂念．(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热力学其次定律的每一种表述，都揭示了大量分子参与宏观过程的方向性，进而使人们生疏到自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性．特殊提示：热量不行能自发地从低温物体传到高温物体，但在有外界影响的条件下，热量可以从低温物体传到高温物体，如电冰箱；在引起其他变化的条件下内能也可以全部转化为机械能，如气体的等温膨胀过程．3．两类永动机的比较第一类永动机其次类永动机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取热量，使之完全变成功，而不产生其他影响的机器违反能量守恒定律，不行能制成不违反能量守恒定律，但违反热力学其次定律，不行能制成关于热力学定律，下列说法正确的是()A．为了增加物体的内能，必需对物体做功或向它传递热量B．对某物体做功，必定会使该物体的内能增加C．可以从单一热源吸取热量，使之完全变为功D．不行能使热量从低温物体传向高温物体E．功转变为热的实际宏观过程是不行逆过程[解析]选项A，内能的转变可以通过做功或热传递进行，故A正确；选项B，对某物体做功，物体的内能不愿定增加，B错误；选项C，在引起其他变化的情 况下，可以从单一热源吸取热量，将其全部变为功，C正确；选项D，在引起其他变化的状况下，可以使热量从低温物体传向高温物体，D错误；选项E，涉及热现象的宏观过程都具有方向性，故E正确．[答案]ACE[规律总结]热力学第确定律说明发生的任何过程中能量必定守恒，热力学其次定律说明并非全部能量守恒的过程都能实现．(1)高温物体eq\o(,\s\up13(热量Q能自发传给),\s\do5(热量Q不能自发传给))低温物体(2)功eq\o(,\s\up13(能自发地完全转化为),\s\do5(不能自发地完全转化为))热量(3)气体体积V1eq\o(,\s\up13(能自发膨胀到),\s\do5(不能自发收缩到))气体体积V2(较大)(4)不同气体A和Beq\o(,\s\up13(能自发混合成),\s\do5(不能自发分别成))混合气体AB2.(2021·广东汕头模拟)以下哪个现象不违反热力学其次定律()A．一杯热茶在打开盖后，茶会自动变得更热B．没有漏气、没有摩擦的抱负热机，其效率可能是100%C．桶中浑浊的泥水在静置一段时间后，泥沙下沉，上面的水变清，泥、水自动分别D．热量自发地从低温物体传到高温物体解析：选C.茶不会自发地变得更热，选项A错误；无论什么样的热机，效率永久不会达到100%，选项B错误；热量不会自发地从低温物体传到高温物体，选项D错误．方法技巧——气态方程与热力学第确定律的综合应用对于确定质量的抱负气体，状态发生变化时，必定要涉及做功、热传递、内能的变化，利用气态方程(或试验定律)与热力学第确定律解决这类问题的一般思路如下：eq\f(pV,T)＝C⇌eq\b\lc\{\rc\}(\a\vs4\al\co1(V⇌ΔV⇌W,T⇌ΔT⇌ΔU))⇌ΔU＝Q＋W.(2021·高考山东卷)我国“蛟龙”号深海探测船载人下潜超过七千米，再创载人深潜新纪录．在某次深潜试验中，“蛟龙”号探测到990m深处的海水温度为280K．某同学利用该数据来争辩气体状态随海水深度的变化．如图所示，导热良好的汽缸内封闭确定质量的气体，不计活塞的质量和摩擦，汽缸所处海平面的温度T0＝300K，压强p0＝1atm，封闭气体的体积V0＝3m3，假如将该汽缸下潜至990m深处，此过程中封闭气体可视为抱负气体．(1)求990m深处封闭气体的体积(1atm相当于10m深的海水产生的压强)．(2)下潜过程中封闭气体________(填“吸热”或“放热”)，传递的热量________(填“大于”或“小于”)外界对气体所做的功．[审题点睛](1)分析封闭气体的初、末状态，明确气体状态变化遵守的规律，选用公式列方程求解．(2)依据温度变化确定内能的变化状况，依据体积的变化，确定做功状况，由热力学第确定律确定吸、放热状况及与做功的关系．[解析](1)当汽缸下潜至990m时，设封闭气体的压强为p，温度为T，体积为V，由题意可知p＝100atm①依据抱负气体状态方程得eq\f(p0V0,T0)＝eq\f(pV,T)②代入数据得V＝2.8×10－2m3.③(2)下潜过程中温度降低，则ΔU<0，气体体积减小，则W>0，由ΔU＝Q＋W知，Q<0，放热，且|Q|>W.[答案](1)2.8×10－2m3(2)放热大于3.(2022·高考新课标全国卷Ⅰ)确定量的抱负气体从状态a开头，经受三个过程ab、bc、ca回到原状态，其p－T图象如图所示．下列推断正确的是()A．过程ab中气体确定吸热B．过程bc中气体既不吸热也不放热C．过程ca中外界对气体所做的功等于气体所放的热D．a、b和c三个状态中，状态a分子的平均动能最小E．b和c两个状态中，容器壁单位面积单位时间内受到气体分子撞击的次数不同解析：选ADE.对确定质量的抱负气体，由eq\f(pV,T)＝C进行状态分析．由热力学第确定律ΔU＝W＋Q进行吸放热、做功分析．在不同坐标系中要留意各种图象的不同，从图象中找出体积、温度、压强的变化状况．由p－T图象可知过程ab是等容变化，温度上升，内能增加，体积不变，由热力学第确定律可知过程ab确定吸热，选项A正确；过程bc温度不变，即内能不变，由于过程bc体积增大，所以气体对外做功，由热力学第确定律可知，气体确定吸取热量，选项B错误；过程ca压强不变，温度降低，内能削减，体积减小，外界对气体做功，由热力学第确定律可知，放出的热量确定大于外界对气体做的功，选项C错误；温度是分子平均动能的标志，由p－T图象可知，a状态气体温度最低，则平均动能最小，选项D正确；b、c两状态温度相等，分子平均动能相等，由于压强不相等，所以单位面积单位时间内受到气体分子撞击的次数不同，选项E正确．1．(2021·青岛模拟)如图中汽缸内盛有确定量的抱负气体，汽缸壁是导热的，缸外环境保持恒温，活塞与汽缸壁的接触是光滑的，但不漏气．现将活塞杆与外界连接使其缓慢向右移动，这样气体将等温膨胀并通过杆对外做功．若已知抱负气体的内能只与温度有关，则下列说法正确的是()A．气体是从单一热源吸热，全用来对外做功，因此此过程违反热力学其次定律B．气体是从单一热源吸热，但并未全用来对外做功，所以此过程不违反热力学其次定律C．气体是从单一热源吸热，全用来对外做功，但此过程不违反热力学其次定律D．以上三种说法都不对答案：C2．(2021·河北沧州五校联考)确定质量的抱负气体由状态A变化到状态B，气体的压强随热力学温度的变化如图所示，则此过程()A．气体的密度增大B．外界对气体做功C．气体从外界吸取了热量D．气体分子的平均动能增大解析：选AB.由图象可得：从状态A到状态B，该抱负气体做等温变化，而压强变大，由抱负气体状态方程eq\f(pV,T)＝C，知气体的体积V减小，由密度公式ρ＝eq\f(m,V)，故气体的密度增大，选项A正确；温度是分子平均动能的标志，温度不变，气体分子的平均动能不变，选项D错误；确定质量的抱负气体的内能只与温度有关，温度不变，内能不变，而体积减小，则外界对气体做功，由热力学第确定律可知，该气体要放热，故选项B正确，选项C错误．3．(2021·东北三省四市协作体联考)如图所示，一绝热容器被隔板K隔开成a、b两部分．已知a内有确定量的淡薄气体，b内为真空．抽开隔板K后，a内气体进入b，最终达到平衡状态．在此过程中()A．气体对外界做功，内能削减B．气体不做功，内能不变C．气体压强变小，温度降低D．气体压强变小，温变不变E．单位时间内和容器壁碰撞的分子数目削减解析：选BDE.a内气体向真空膨胀，不对外界做功，故A错；又因容器绝热，Q＝0，由热力学第确定律知，ΔU＝0，故B对；由玻意耳定律知压强减小；淡薄气体可看做抱负气体，内能不变，则温度不变，C错，D、E对．4．景颇族的祖先制造的点火器如图所示，用牛角做套筒，木制推杆前端粘着艾绒．猛推推杆，艾绒即可点燃．对筒内封闭的气体，在此压缩过程中()A．气体温度上升，压强不变B．气体温度上升，压强变大C．气体对外界做正功，气体内能增加D．外界对气体做正功，气体内能削减解析：选B.压缩气体时，外界对气体做功，内能增加，温度上升，体积变小，压强增大，所以只有B正确．5．(2021·高考山东卷)下列关于热现象的描述正确的是()A．依据热力学定律，热机的效率可以达到100%B．做功和热传递都是通过能量转化的方式转变系统内能的C．温度是描述热运动的物理量，一个系统与另一个系统达到热平衡时两系统温度相同D．物体由大量分子组成，其单个分子的运动是无规章的，大量分子的运动也是无规章的解析：选C.依据热力学其次定律可知，热机的效率不行能达到100%，A错误．做功是通过能量转化转变系统内能的，而热传递是通过内能的转移转变系统内能的，B错误．依据热力学定律可知，温度相同是达到热平衡的标准，C正确．单个分子的运动是无规章的，但大量分子的运动具有统计规律，D错误．6．在一个密闭的汽缸内有确定质量的抱负气体，如图乙所示是它从状态A变化到状态B的V－T图象，已知AB的反向延长线通过坐标原点，气体在A点的压强为p＝1.0×105Pa，在从状态A变化到状态B的过程中，气体吸取的热量Q＝7.0×102J，求此过程中气体内能的增量ΔU.甲乙解析：由V－T图线经过坐标原点可以推断，抱负气体经受一个等压变化．由盖－吕萨克定律得：eq\f(VA,TA)＝eq\f(VB,TB)解得：VB＝8.0×10－3m3气体对外做的功：W＝p(VB－VA)＝1.0×105×(8.0×10－3－6.0×10－3)J＝2.0×102J依据热力学第确定律：ΔU＝Q＋W解得：ΔU＝7.0×102J－2.0×102J＝5.0×102J.答案：5.0×102J一、选择题1．下列叙述和热力学定律相关，其中正确的是()A．第一类永动机不行能制成，是由于违反了能量守恒定律B．能量耗散过程中能量不守恒C．电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界，违反了热力学其次定律D．能量耗散是从能量转化的角度反映出自然界中的宏观过程具有方向性答案：AD2．(2022·高考山东卷)如图，内壁光滑、导热良好的汽缸中用活塞封闭有确定质量的抱负气体．当环境温度上升时，缸内气体()A．内能增加B．对外做功C．压强增大D．分子间的引力和斥力都增大解析：选AB.确定质量的某种抱负气体的内能只打算于温度，处在导热汽缸中的抱负气体由于外界环境温度上升，抱负气体的内能要增大，所以选项A正确；再依据抱负气体的状态方程：eq\f(pV,T)＝C可知，气体压强不变，当温度上升时，体积要增大，因此气体要对外做功，所以选项B正确，C错误；抱负气体没有分子间的相互作用力，因此分子间的作用力始终为零，故D选项错误．3．(2021·北京丰台模拟)关于确定质量的气体，下列叙述正确的是()A．气体体积增大时，其内能确定削减B．外界对气体做功，气体内能确定增加C．气体从外界吸取热量，其内能确定增加D．气体温度上升，其分子平均动能确定增加解析：选D.做功和热传递是转变物体内能的两种方式，气体体积增大时，可能同时从外界吸取热量，其内能不愿定削减；气体从外界吸取热量，可能同时对外做功，其内能不愿定增加，同理，外界对气体做功，气体内能不愿定增加，选项A、B、C错误．温度是分子平均动能的标志，气体温度上升，其分子平均动能确定增加，选项D正确．4．(2022·高考重庆卷)重庆出租车常以自然 气作为燃料，加气站储气罐中自然 气的温度随气温上升的过程中，若储气罐内气体体积及质量均不变，则罐内气体(可视为抱负气体)()A．压强增大，内能减小B．吸取热量，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.储气罐内气体体积及质量均不变，温度上升，气体从外界吸取热量，分子平均动能增大，内能增大，压强变大．因气体体积不变，故外界对气体不做功，只有B正确．5．(2021·泰安模拟)被压瘪但尚未裂开的乒乓球放在热水里泡一会，就会重新鼓起来．这一过程乒乓球内的气体()A．吸热，对外做功，内能不变B．吸热，对外做功，内能增加C．温度上升，体积增大，压强不变D．压强增大，单位体积内分子数增多答案：B6．(2021·东北三校联考)一个气泡从湖底缓慢上升到湖面，在上升的过程中温度渐渐上升，气泡内气体可视为抱负气体，在此过程中，关于气泡内气体下列说法正确的是()A．气体分子平均动能变小B．气体吸取热量C．气体对外做功D．气体内能增加解析：选BCD.气泡上升到湖面时体积变大，气体对外做功，因温度上升，气体分子平均动能变大，气体内能增加，气体吸取热量，故B、C、D正确．7.(2021·深圳调研)如图所示，确定质量的抱负气体由a状态变化到b状态，则此过程中()A．气体的温度上升B．气体对外放热C．外界对气体做功D．气体分子间平均距离变小解析：选A.抱负气体由a状态变化到b状态，由盖—吕萨克定律，体积增大，温度上升，气体分子间平均距离变大，则A正确，D错误；体积增大，对外做功，内能增大，由热力学第确定律，W＋Q＝ΔU，气体吸热，则B、C错误．8．(2021·杭州二中高三月考)确定质量的抱负气体在下列哪些过程中，确定从外界吸取了热量()A．温度保持不变，体积渐渐膨胀B．体积保持不变，温度渐渐上升C．压强保持不变，体积渐渐收缩D．温度渐渐上升，压强渐渐减小E．温度渐渐上升，体积渐渐收缩解析：选ABD.体积增大，气体向外界做功，温度不变，内能不变，故确定吸取了热量，A正确．体积不变，气体与外界不做功，温度上升，内能增大，则只能气体吸取热量，B正确．体积减小，外界对气体做功，压强不变，体积减小，则温度减小，内能减小，故确定向外放出热量，C错误．温度上升，压强减小，则内能变大，体积增大，气体对外界做功，故确定吸取热量，D正确．温度上升，内能增大，体积减小，外界对气体做功，气体不愿定从外界吸取热量，E错误．9．确定质量的抱负气体被活塞封闭在透热的汽缸中，如图所示．不计活塞与汽缸的摩擦，当用外力向上缓慢拉动活塞的过程中，环境温度保持不变．下列推断正确的是()A．拉力对气体做正功，气体内能增加，吸取热量B．拉力对气体做正功，气体内能保持不变，放出热量C．气体对外做功，内能减小，放出热量D．气体对外做功，内能不变，吸取热量解析：选D.活塞缓慢上移的过程中，气体膨胀对活塞做功，而气体温度保持不变，内能不变，由热力学第确定律ΔU＝W＋Q＝0知，Q＞0，即吸取热量，故只有D正确．10．夏天，小明同学把自行车轮胎上的气门芯拔出的时候，会觉得从轮胎里喷出的气体凉，假如把轮胎里的气体视为抱负气体，则关于气体喷出的过程，下列说法正确的是()A．气体的内能削减B．气体的内能不变C．气体来不及与外界发生热交换，对外做功，温度降低D．气体膨胀时，热量散得太快，使气体温度降低了E．气体分子的平均动能减小解析：选ACE.气体喷出时，来不及与外界交换热量，发生绝热膨胀，Q＝0，对外做功，热力学第确定律的表达式为W＝ΔU，内能削减，温度降低，温度是分子平均动能的标志，则A、C、E正确．二、非选择题11．(2021·河北保定模拟)确定质量的抱负气体，其内能跟温度成正比．在初始状态A时，体积为V0，压强为p0，温度为T0，已知此时其内能为U0.该抱负气体从状态A经由一系列变化，最终还回到原来状态A，其变化过程的p－T图如图所示，其中CA延长线过坐标原点，BA在同一竖直直线上．求：(1)状态B的体积；(2)状态C的体积；(3)从状态B经由状态C，最终回到状态A的过程中，气体与外界交换的