2024高考物理一轮复习第十三章热学第3讲热力学定律与能量守恒定律学案+作业含解析新人教版

PAGEPAGE1第3讲热力学定律与能量守恒定律一、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功的和．(2)表达式：ΔU＝Q＋W.(3)ΔU＝Q＋W中正、负号法则：物理量意义符号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自测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B二、热力学其次定律1．热力学其次定律的两种表述(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：不行能从单一热库汲取热量，使之完全变胜利，而不产生其他影响．2．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．3．热力学其次定律的微观意义一切自发过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行．4．其次类永动机不行能制成的缘由是违反了热力学其次定律．自测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CD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，或者是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．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．自测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＝600J B．U＝600J，Ek＝200JC．U＝600J，Ek＝800J D．U＝800J，Ek＝200J答案B解析U＝Ffx＝60×10J＝600JEk＝Fx－U＝80×10J－600J＝200J.1．热力学第肯定律的理解(1)内能的变更都要用热力学第肯定律进行综合分析．(2)做功状况看气体的体积：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．(3)与外界绝热，则不发生热传递，此时Q＝0.(4)假如探讨对象是志向气体，因志向气体忽视分子势能，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．2．三种特别状况(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；(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．例1(2024·全国卷Ⅰ·33(1))某容器中的空气被光滑活塞封住，容器和活塞绝热性能良好，空气可视为志向气体．初始时容器中空气的温度与外界相同，压强大于外界．现使活塞缓慢移动，直至容器中的空气压强与外界相同．此时，容器中空气的温度________(填“高于”“低于”或“等于”)外界温度，容器中空气的密度________(填“大于”“小于”或“等于”)外界空气的密度．答案低于大于解析活塞光滑、容器绝热，活塞缓慢移动，容器内空气体积增大，对外做功，由ΔU＝W＋Q知，气体内能削减，温度降低．气体的压强与温度和单位体积内的分子数有关，由于容器内空气的温度低于外界温度，但压强相同，则容器中空气的密度大于外界空气的密度．变式1(多选)(2024·全国卷Ⅱ·33(1))如图1，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()图1A．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答案ABD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，与外界没有热量交换，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，C错误；气体在被压缩的过程中，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，E错误．变式2(多选)(2024·全国卷Ⅲ·33(1))关于气体的内能，下列说法正确的是()A．质量和温度都相同的气体，内能肯定相同B．气体温度不变，整体运动速度越大，其内能越大C．气体被压缩时，内能可能不变D．肯定量的某种志向气体的内能只与温度有关E．肯定量的某种志向气体在等压膨胀过程中，内能肯定增加答案CDE解析质量和温度都相同的气体，虽然分子平均动能相同，但是不同的气体，其摩尔质量可能不同，则分子个数可能不同，所以分子总动能不肯定相同，A错误；宏观运动和微观运动没有关系，所以宏观运动速度大，内能不肯定大，B错误；气体被压缩，同时对外传热，依据热力学第肯定律知内能可能不变，C正确；志向气体的分子势能为零，所以肯定量的某种志向气体的内能与分子平均动能有关，而温度是分子平均动能的标记，D正确；肯定质量的某种志向气体等压膨胀，温度增大，内能肯定增大，E正确．例2(多选)(2024·全国卷Ⅰ·33(1))如图2，肯定质量的志向气体从状态a起先，经验过程①、②、③、④到达状态e.对此气体，下列说法正确的是()图2A．过程①中气体的压强渐渐减小B．过程②中气体对外界做正功C．过程④中气体从外界汲取了热量D．状态c、d的内能相等E．状态d的压强比状态b的压强小答案BDE解析过程①中，气体由a到b，体积V不变、T上升，则由查理定律知压强增大，A项错误；过程②中，气体由b到c，体积V变大，对外界做正功，B项正确；过程④中，气体由d到e，温度T降低，内能ΔU减小，体积V不变，气体不做功，依据热力学第肯定律ΔU＝Q＋W得Q<0，即气体放出热量，C项错误；状态c、d温度相同，所以内能相等，D项正确；由b到d的过程，作出状态b、d的等压线，分析可得pb>pd，E项正确．变式3(多选)(2024·全国卷Ⅲ·33(1))如图3，肯定质量的志向气体从状态a动身，经过等容过程ab到达状态b，再经过等温过程bc到达状态c，最终经等压过程ca回到状态a.下列说法正确的是()图3A．在过程ab中气体的内能增加B．在过程ca中外界对气体做功C．在过程ab中气体对外界做功D．在过程bc中气体从外界汲取热量E．在过程ca中气体从外界汲取热量答案ABD解析在过程ab中，体积不变，气体对外界不做功，压强增大，温度上升，内能增加，故选项A正确，C错误；在过程ca中，气体的体积减小，外界对气体做功，压强不变，温度降低，内能变小，气体向外界放出热量，故选项B正确，E错误；在过程bc中，温度不变，内能不变，体积增大，气体对外界做功，由热力学第肯定律可知，气体要从外界汲取热量，故选项D正确．变式4(多选)(2024·全国卷Ⅱ·33(1))肯定量的志向气体从状态a起先，经验等温或等压过程ab、bc、cd、da回到原状态，其p－T图象如图4所示，其中对角线ac的延长线过原点O.下列推断正确的是()图4A．气体在a、c两状态的体积相等B．气体在状态a时的内能大于它在状态c时的内能C．在过程cd中气体向外界放出的热量大于外界对气体做的功D．在过程da中气体从外界汲取的热量小于气体对外界做的功E．在过程bc中外界对气体做的功等于在过程da中气体对外界做的功答案ABE解析由志向气体状态方程eq\f(pV,T)＝C得，p＝eq\f(C,V)T，由题图可知，Va＝Vc，选项A正确；志向气体的内能只由温度确定，而Ta>Tc，故气体在状态a时的内能大于在状态c时的内能，选项B正确；由热力学第肯定律ΔU＝Q＋W知，cd过程温度不变，内能不变，则Q＝－W，选项C错误；da过程温度上升，即内能增大，则汲取的热量大于对外界做的功，选项D错误；由志向气体状态方程知：eq\f(paVa,Ta)＝eq\f(pbVb,Tb)＝eq\f(pcVc,Tc)＝eq\f(pdVd,Td)＝C，即paVa＝CTa，pbVb＝CTb，pcVc＝CTc，pdVd＝CTd.设过程bc中压强为p1＝pb＝pc，过程da中压强为p2＝pd＝pa.由外界对气体做功W＝p·ΔV知，过程bc中外界对气体做的功Wbc＝p1(Vb－Vc)＝C(Tb－Tc)，过程da中气体对外界做的功Wda＝p2(Va－Vd)＝C(Ta－Td)，Ta＝Tb，Tc＝Td，故Wbc＝Wda，选项E正确.例3(2024·陕西其次次质检)如图5所示，一个长方形汽缸放置于水平地面上，左右侧壁光滑且绝热，底面面积为S＝20cm2且导热良好，质量为m＝2kg且绝热的活塞下方封闭了肯定量的志向气体，稳定时气柱长度为h＝20cm.现在在活塞上放一个物块(未画出)，待系统再次稳定后，活塞下方的气柱长度变为h′＝10cm，已知大气压强始终为p0＝1×105Pa，重力加速度g＝10m/s2，一切摩擦阻力不计、汽缸气密性良好且外界环境温度保持不变．求：图5(1)活塞上所放物块的质量M；(2)第一次稳定到其次次稳定过程中从底部发生热交换的状况．答案见解析解析(1)初状态，对活塞由平衡学问可知：p0S＋mg＝p1S放上物块再次稳定后：p1Sh＝p2Sh′此时对活塞：p0S＋mg＋Mg＝p2S解得：M＝22kg.(2)对活塞的全过程由动能定理得：(p0S＋mg＋Mg)(h－h′)＋W＝0活塞对气体做功－W，依据热力学第肯定律：ΔU＝Q＋(－W)＝0联立解得：Q＝－44J，即从底部放出的热量为44J.变式5(多选)(2024·四川成都市其次次诊断)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，其中V－T图象如图6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()图6A．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答案ABE解析从状态a到状态b，由志向气体状态方程可知，eq\f(pa·3V0,T0)＝eq\f(pb·3V0,3T0)，整理得：pb＝3pa，同理可知：eq\f(pa·3V0,T0)＝eq\f(pc·V0,T0)，整理得：pc＝3pa，所以pc＝pb>pa，故A正确；从状态a到状态b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；由题图可知，b到c过程气体压强不变，温度降低，所以其体积减小，外界对气体做功，W>0，内能减小，ΔU<0，由热力学第肯定律可知，b到c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，对单个分子没意义，所以b到c过程中气体的温度降低，分子平均动能减小，并不是每一个气体分子的速率都减小，故D错误；由题图可知，c到a过程，志向气体温度不变，所以气体分子的平均动能不变，故E正确．

1．热力学其次定律的含义(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”的含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．热力学过程的方向性实例(1)高温物体eq\o(,\s\up7(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\up7(能自发地完全转化为),\s\do5(不能自发地转化为))热．(3)气体体积V1eq\o(,\s\up7(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\up7(能自发混合成),\s\do5(不能自发分别成))混合气体AB.4．两类永动机的比较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定律，违反热力学其次定律例4如图7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．图7(1)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？答案(1)BC(2)见解析解析(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B项正确，A项错误．(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．变式6(多选)(2024·全国卷Ⅰ·33(1))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答案BDE解析由热力学第肯定律ΔU＝Q＋W知，对气体做功可变更气体的内能，B选项正确；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，A选项错误；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，C选项错误；由热力学其次定律知，D选项正确；依据热平衡定律知，E选项正确．1．(多选)(2024·四川绵阳市第三次诊断)关于热现象，下列说法正确的是()A．热量不能自发地从低温物体传到高温物体B．物体速度增大，则组成物体的分子动能增大C．物体的温度或者体积变更，都可能引起物体内能变更D．相同质量的两个物体，上升相同温度，内能增加肯定相同E．绝热密闭容器中肯定质量气体的体积增大，其内能肯定削减答案ACE解析依据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，A正确；物体分子平均动能的标记是温度，与宏观速度无关，B错误；物体内能等于全部分子的动能与全部分子势能的和，分子平均动能与温度有关，而分子势能与体积有关，所以物体内能与温度和体积有关，C正确；依据C选项的分析，上升相同温度，但体积关系未知，所以内能变更无法推断，D错误；依据热力学第肯定律ΔU＝Q＋W，容器绝热，Q＝0，气体体积增大，所以气体对外做功，W<0，所以ΔU<0，内能削减，E正确．2.(多选)(2024·山西吕梁市第一次模拟)肯定量的志向气体从状态a起先，经验三个过程ab、bc、ca回到原状态，其p－T图象如图1所示．下列推断正确的是()图1A．过程ab中气体肯定吸热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，单位时间内容器壁单位面积受到的气体分子撞击的次数不同答案ADE解析在ab过程中体积不变，则W＝0，但温度上升，气体内能增大，即ΔU>0，由热力学第肯定律ΔU＝W＋Q，气体肯定吸热，故A正确；过程bc中温度不变，则内能不变，即ΔU＝0，但体积增大，气体对外做功，W<0，由热力学第肯定律ΔU＝W＋Q，Q>0，气体吸热，则B错误；过程ca中温度降低即ΔU<0，体积减小，外界对气体做功，W>0，由热力学第肯定律ΔU＝W＋Q，气体放出的热量大于外界对气体做的功，故C错误；a、b和c三个状态中，状态a的温度最低，故分子的平均动能最小，则D正确；b和c两个状态温度相同，分子平均动能相等，但c状态体积大分子密集程度小，单位时间内容器壁单位面积受到的气体分子撞击次数少，故E正确．3．(多选)(2024·东北三省四市教研联合体模拟)肯定质量的志向气体经验如图2所示的循环，图线由两条绝热线和两条等容线组成，其中，a→b和c→d为绝热过程，b→c和d→a为等容过程．下列说法正确的是()图2A．a→b过程中，外界对气体做功B．a→b过程中，气体分子的平均动能不变C．b→c过程中，单位时间内与器壁单位面积碰撞的分子数增多D．c→d过程中，单位体积内气体分子数削减E．d→a过程中，气体从外界汲取热量答案ACD解析a→b过程为绝热过程，Q＝0，体积变小，外界对气体做功，W>0，所以内能ΔU>0，温度上升，气体分子的平均动能变大，故A正确，B错误；b→c过程中，体积不变，由eq\f(pV,T)＝C可知，当压强变大时，温度上升，故单位时间内与器壁单位面积碰撞的分子数增多，故C正确；c→d过程为绝热过程，体积变大，单位体积内气体分子数削减，故D正确；d→a过程中，为等容变更，压强减小，温度降低，可知ΔU<0，W＝0，ΔU＝W＋Q，故Q<0，气体放热，故E错误．4.(多选)(2024·福建龙岩市3月质量检查)如图3所示为肯定质量的志向气体发生状态变更的p－V图象，图线1、2是两条等温线，A、B是等温线1上的两点，C、D是等温线2上的两点，图线AD、BC均与V轴平行，则下列说法正确的是()图3A．等温线1对应的气体温度比等温线2对应的气体温度高B．从状态A变更到状态B，气体肯定汲取热量C．从状态B变更到状态C，气体汲取的热量比气体对外界做功多D．从状态C变更到状态D，单位体积的气体分子数增大，但气体分子的平均动能不变E．从状态D变更到状态A，气体放出的热量比外界对气体做功少答案BCD解析从C→B为等压变更，由公式eq\f(V,T)＝C可知，等温线1对应的气体温度比等温线2对应的气体温度低，故A错误；从状态A到状态B为等温变更，内能不变，体积增大，气体对外做功，由热力学第肯定律得：ΔU＝Q＋W，所