2024高考物理一轮复习第十二章热学第三节热力学定律与能量守恒定律学案新人教版

PAGE10-第三节热力学定律与能量守恒定律eq\a\vs4\al(一、热力学第肯定律)1．变更物体内能的两种方式做功和热传递．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功的和．(2)表达式．ΔU＝Q＋W．(3)ΔU＝Q＋W的几种特别状况．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．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．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．肯定质量的志向气体在某一过程中，外界对气体做功7.0×104J，气体内能削减1.3×105J，则此过程()A．气体从外界汲取热量2.0×105JB．气体向外界放出热量2.0×105JC．气体从外界汲取热量6.0×104JD．气体向外界放出热量6.0×104J答案：Beq\a\vs4\al(二、热力学其次定律)1．两种表述(1)克劳修斯表述(按热传导的方向性表述)：热量不能自发地从低温物体传到高温物体.(2)开尔文表述(按机械能和内能转化过程的方向性表述)：不行能从单一热库汲取热量，使之完全变胜利，而不引起其他影响．2．热力学过程实例(1)高温物体eq\o(,\s\up17(热量Q能自发传给),\s\do20(热量Q不能自发传给))低温物体．(2)功eq\o(,\s\up17(能自发地完全转化为),\s\do20(不能自发地且不能完全转化为))热．(3)气体体积V1eq\o(,\s\up17(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\up17(能自发混合成),\s\do20(不能自发分别成))混合气体AB.3．熵增加原理在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会削减．4．热力学其次定律的微观意义一切自发的过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行．5．其次类永动机不行能制成的缘由违反了热力学其次定律．2．(多选)下列现象中能够发生的是()A．一杯热茶在打开杯盖后，茶会自动变得更热B．蒸汽机把蒸汽的内能全部转化成机械能C．桶中混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．电冰箱通电后把箱内低温物体的热量传到箱外高温物体答案：CDeq\a\vs4\al(三、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，或者从一个物体转移到另一个物体，在转化或转移的过程中其总量保持不变．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．3．第一类永动机是不行能制成的，它违反了能量守恒定律．4．能源的利用(1)存在能量耗散和品质下降．(2)重视利用能源时对环境的影响．(3)要开发新能源(如太阳能、生物质能、风能、水能)3．木箱静止于水平地面上，现在用一个80N的水平推力推动木箱前进10m，木箱受到地面的摩擦力为60N，则转化为木箱与地面系统的内能U和转化为木箱的动能Ek分别是(空气阻力不计)()A．U＝200J，Ek＝600JB．U＝600J，Ek＝200JC．U＝600J，Ek＝800JD．U＝800J，Ek＝200J解析：U＝Ffx＝60×10J＝600J，Ek＝F·x—U＝80×10J－600J＝200J.答案：B考点一热力学第肯定律的理解和应用1.变更内能的两种方式的比较方式名称比较项目做功热传递区分内能变更状况外界对物体做功，物体的内能增加；物体对外界做功，物体的内能削减物体汲取热量，内能增加；物体放出热量，内能削减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则是通过分子之间的相互作用，使同一物体的不同部分或不同物体间的分子热运动发生变更，是内能的转移区分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部分之间内能的转移能的性质变更状况能的性质发生了变更能的性质不变相互联系做肯定量的功或传递肯定量的热量在变更内能的效果上是相同的2.温度、内能、热量、功的比较项目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(热能)物体内全部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确定的能热量热传递过程中内能的变更量．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eq\a\vs4\al(典例)(多选)(2024·全国卷Ⅱ)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()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[思维点拨]要知道气体在向真空膨胀时不对外做功；绝热状态时Q＝0；志向气体的内能只与温度有关．解析：由于隔板右侧是真空，隔板抽开后，气体自发扩散至整个汽缸，并不做功也没有热量交换，所以自发扩散前后内能相同，故选项A正确，选项C错误；气体被压缩过程中，外界对气体做功，没有热量交换，依据ΔU＝W＋Q，气体的内能增大，故选项B、D正确；气体被压缩过程中，温度上升，分子平均动能增大，故选项E错误．答案：ABD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．考点二热力学其次定律1.热力学其次定律的涵义(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．在产生其他影响的条件下内能可以全部转化为机械能，如气体的等温膨胀过程．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加的宏观过程的方向性，进而使人们相识到自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性．3．热力学第一、其次定律的比较定律名称比较项目热力学第肯定律热力学其次定律定律揭示的问题它从能量守恒的角度揭示了功、热量和内能变更量三者的定量关系它指出自然界中出现的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行能在不引起其他变更的状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，共同构成了热力学学问的理论基础4.两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定律不违反能量守恒，违反热力学其次定律eq\a\vs4\al(典例)(多选)(2024·青海西宁一模)关于热力学定律，下列说法正确的是()A．量子技术可以使物体的最低温度达到肯定零度B．系统的内能增量可能小于系统从外界汲取的热量C．热量不行能自发地从低温物体传到高温物体D．可以从单一热库汲取热量，使之完全变胜利，而不产生其他影响E．一切自发过程总是沿着分子热运动的无序性增大方向进行[思维点拨]依据热力学零定律可知：肯定零度无法达到，做功和热传递都能变更内能；物体内能的增量等于外界对物体做的功和物体汲取热量的和，即ΔU＝Q＋W.解析：肯定零度无法达到，故A错误；做功和热传递都能变更内能；物体内能的增量等于外界对物体做的功和物体汲取热量的和，故B正确；依据热力学其次定律，热量不行能自发地从低温物体传到高温物体，故C正确；热力学其次定律可表述为不行能从单一热源吸取热量，使之完全变为有用功而不产生其他影响，故D错误；热力学其次定律可表述为一切自发过程总是沿着分子热运动的无序性增大方向进行，故E正确．答案：BCE考点三气体试验定律与热力学定律的综合应气体试验定律与热力学定律综合应用的分析思路eq\a\vs4\al(典例)如图所示，一圆柱形绝热容器竖直放置，通过绝热活塞封闭着摄氏温度为t1的志向气体，活塞的质量为m，横截面积为S，与容器底部相距h1，现通过电热丝给气体加热一段时间，使气体摄氏温度上升到t2，若这段时间内气体汲取的热量为Q，已知大气压强为p0，重力加速度为g.(1)求气体的压强；(2)这段时间内活塞上升的距离是多少？(3)这段时间内气体的内能如何变更，变更了多少？[思维点拨](1)封闭气体发生什么变更？可利用什么定律求解？(2)利用公式W＝F·l求功，对F要求是什么？解析：(1)分析活塞的受力状况如图所示，依据平衡条件有mg＋p0S＝pS，解得p＝p0＋eq\f(mg,S).(2)设温度为t2时活塞与容器底部相距h2，因为气体做等压变更，由盖—吕萨克定律eq\f(V1,T1)＝eq\f(V2,T2)，得eq\f(h1S,273＋t1)＝eq\f(h2S,273＋t2)，解得h2＝eq\f(h1（273＋t2）,273＋t1)，故活塞上升了Δh＝h2－h1＝eq\f(h1（t2－t1）,273＋t1).(3)气体对外做功为W＝pS·Δh＝eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(p0＋\f(mg,S)))·S·eq\f(h1（t2－t1）,273＋t1)＝(p0S＋mg)eq\f(h1（t2－t1）,273＋t1)，由热力学第肯定律可知削减的内能为ΔE内＝Q－W＝Q－(p0S＋mg)eq\f(h1（t2－t1）,273＋t1).答案：(1)p0＋eq\f(mg,S)(2)eq\f(h1（t2－t1）,273＋t1)(3)内能削减，削减了Q－(p0S＋mg)eq\f(h1（t2－t1）,273＋t1)气体试验定律与热力学定律的综合问题的处理方法1．气体试验定律探讨对象是肯定质量的志向气体．eq\f(p1V1,T1)＝eq\f(p2V2,T2)⇒eq\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(T1＝T2时，p1V1＝p2V2（玻意耳定律）,V1＝V2时，\f(p1,T1)＝\f(p2,T2)（查理定律）,p1＝p2时，\f(V1,T1)＝\f(V2,T2)（盖—吕萨克定律）))(1)粗细匀称的U形管一侧的液面下降h，两侧液面的高度差为2h.(2)留意挖掘题目的隐含条件，如“缓慢移(转)动”，隐含着该过程是等温变更．2．对志向气体，只要体积变更，外界对气体(或气体对外界)要做功W＝pΔV；只要温度发生变更，其内能要发生变更．3．结合热力学第肯定律ΔU＝W＋Q求解问题．1.(多选)关于热力学定律，下列说法正确的是()A．气体吸热后温度肯定上升B．对气体做功可以变更其内能C．志向气体等压膨胀过程肯定放热D．热量不行能自发地从低温物体传到高温物体E．假如两个系统分别与状态确定的第三个系统达到热平衡，那么这两个系统彼此之间也必定达到热平衡解析：气体内能的变更ΔU＝Q＋W，故对气体做功可变更气体的内能，选项B正确；气体吸热为Q，但不确定外界做功W的状况，故不能确定气体温度的变更，选项A错误；志向气体等压膨胀，W<0，由志向气体状态方程eq\f(pV,T)＝C，p不变，V增大，气体温度上升，内能增大，ΔU>0，由ΔU＝Q＋W，知Q>0，气体肯定吸热，选项C错误；由热力学其次定律，选项D正确；依据热平衡性质，选项E正确．答案：BDE2.如图所示，在A→B和D→A的过程中，气体放出的热量分别为4J和20J．在B→C和C→D的过程中，气体汲取的热量分别为20J和12J．求气体完成一次循环对外界所做的功．解析：完成一次循环气体内能不变，ΔU＝0，汲取的热量Q＝(20＋12－4－20)J＝8J，由热力学第肯定律ΔU＝Q＋W，得W＝－8J，气体对外做功为8J.答案：8J3．(2024·江苏崇川区期中)如图所示，肯定质量的志向气体从状态A经等温过程到状态B.此过程中，气体温度t＝20℃，汲取的热量Q＝3.6×102J，已知A状态的体积是1升．(1)求此过程中气体内能的增量；(2)此过程中气体是对外做功还是外界对气体做功，做的功是多少？(3)若气体先从状态A经等压变更到状态C，再经等容变更到状态B，则这个过程气体汲取的热量是多少？解析：(1)由题，A、B两个状态温度相等，志向气体的内能相同．所以此过程中气体内能的增量为0.(2)依据热力学第肯定律：ΔU＝W＋Q，所以W＝ΔU－Q＝0－3.6×102J＝－3.6×102J，负号表示气体对外界做功．(3)由题图可知，A到C过程是等压变更，体积增大，气体对外界做功；C→B气体发生等容变更，气体不做功．由题图可知：pA＝3×105Pa，VA＝1L；pB＝1×105Pa，依据玻意耳定律pAVA＝pBVB，代入数据可得：VB＝3L.C状态的体积与B状态的体积是相等的，所以C状态的体积也等于3升；从A到C气体体积增大：ΔV＝3L－1L＝2L＝2×10－3m3.从A到C的过程中，气体对外做功：WAC＝pA·ΔV＝3×105×2×10－3＝600J，所以从A经过C到B的过程中气体对外做的功WAB也等于600J，依据热力学第肯定律：ΔU＝W＋Q，所以Q′＝WAB＝600J.答案：(1)0(2)360J(3)600J4.如图所示为电冰箱的工作原理示意图．压缩机工作时，强迫制冷剂在冰箱内外的管道中不断循环．在蒸发器中制冷剂汽化汲取箱体内的热量，经过冷凝器时制冷剂液化，放出热量到箱体外．(1)(多选)下列说法正确的是()A．热量可以自发地从冰箱内传到冰箱外B．电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界，是因为其消耗了电能C．电冰箱的工作原理不违反热力学第肯定律D．电冰箱的工作原理违反热力学第肯定律(2)电冰箱的制冷系统从冰箱内汲取的热量与释放到外界的热量相比，有怎样的关系？解析：(1)热力学第肯定律是热现象中内能与其他形式能的转化规律，是能量守恒定律的详细表现，适用于全部的热学过程，故C项正确，D项错误；由热力学其次定律可知，热量不能自发地从低温物体传到高温物体，除非有外界的影响或帮助，电冰箱把热量从低温的内部传到高温的外部，须要压缩机的帮助并消耗电能，故A项错误，B项正确．(2)由热力学第肯定律可知，电冰箱制冷系统从冰箱内汲取了热量，同时消耗了电能，释放到外界的热量比从冰箱内汲取的热量多．答案：(1)BC(2)见解析5.如图甲所示，横截面积为S，质量为M的活塞在汽缸内封闭着肯定质量的志向气体，现对缸内气体缓慢加热，使其温度从T1上升了ΔT，气柱的高度增加了ΔL，汲取的热量为Q.不计汽缸与活塞的摩擦，外界大气压强为p0，重力加速度为g.(1)此加热过程中气体内能增加了多少？(2)若保持缸内气体温度不变，再在活塞上放一砝码，如图乙所示，使缸内气体的体积又复原到初始状态，则所放砝码的质量为多少？解析：(1)设缸内气体的温度为T1时压强为p1，活塞受重力、大气压力和缸内气体的压力作用而平衡，则有Mg＋p0S＝p1S，气体膨胀对外界做功为W＝p1SΔL，依据热力学第肯定律有