高考物理大一轮复习第十一章第三节热力学定律与能量守恒教学讲义.docx
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高考物理大一轮复习第十一章第三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、热力学第一定律和能量守恒定律
1．改变物体内能的两种方式
（1）做功；
（2）热传递．
2．热力学第一定律
（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．能的转化和守恒定律
（1）内容：
能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，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：
违背能量守恒定律的机器被称为第一类永动机．它是不可能制成的．
1.（2014·高考广东卷）用密封性好、充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、热力学第二定律
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：
不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响．
2．第二类永动机：
违背宏观热现象方向性的机器被称为第二类永动机．这类永动机不违背能量守恒定律，但它违背了热力学第二定律，也是不可能制成的．
2.对热力学第二定律，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，是不可逆的
C．热量不可能由低温物体传递到高温物体
D．由热力学第二定律可知热量从低温物体传向高温物体是可能的，从单一热源吸收热量，完全变成功也是可能的
答案：
BD
考点一 对热力学第一定律的理解及应用
1．热力学第一定律不仅反映了做功和热传递这两种方式改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
W
Q
ΔU
＋
外界对物体做功
物体吸收热量
内能增加
－
物体对外界做功
物体放出热量
内能减少
3.几种特殊情况
（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，物体吸收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．
特别提醒：
（1）做功与热传递在改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，一定质量的某种理想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；第二种变化是从状态A到状态C，该气体从外界吸收的热量为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，理想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及其从外界吸收的热量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
根据热力学第一定律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，温度升高
该气体内能的增量ΔU2＝ΔU1＝9J
根据热力学第一定律有ΔU2＝W2＋Q2
从外界吸收的热量Q2＝ΔU2－W2＝3J.
[答案]
（1）0 9J
（2）9J 3J
[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）由于理想气体没有分子势能，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，一定质量的理想气体由状态a沿abc变化到状态c，吸收了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“吸收”或“放出”）热量________J.
解析：
对该理想气体由状态a沿abc变化到状态c，由热力学第一定律可得：
ΔU＝Q－W＝340J－120J＝220J，即从a状态到c状态，理想气体的内能增加了220J；若该气体由状态a沿adc变化到状态c时，对外做功40J，此过程理想气体的内能增加还是220J，所以可以判定此过程是吸收热量，再根据热力学第一定律可得：
ΔU＝Q′－W′，得Q′＝ΔU－W′＝220J＋40J＝260J.
答案：
吸收 260
考点二 对热力学第二定律的理解
1．在热力学第二定律的表述中，“自发地”、“不产生其他影响”的涵义
（1）“自发地”指明了热传递等热力学宏观现象的方向性，不需要借助外界提供能量的帮助．
（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，对周围环境不产生热力学方面的影响．如吸热、放热、做功等．
2．热力学第二定律的实质
热力学第二定律的每一种表述，都揭示了大量分子参与宏观过程的方向性，进而使人们认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．
特别提醒：
热量不可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
第二类永动机
不需要任何动力或燃料，却能不断地对外做功的机器
从单一热源吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响的机器
违背能量守恒定律，不可能制成
不违背能量守恒定律，但违背热力学第二定律，不可能制成
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，必须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．可以从单一热源吸收热量，使之完全变为功
D．不可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可逆过程
[解析] 选项A，内能的改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，物体的内能不一定增加，B错误；选项C，在引起其他变化的情况下，可以从单一热源吸收热量，将其全部变为功，C正确；选项D，在引起其他变化的情况下，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] 热力学第一定律说明发生的任何过程中能量必定守恒，热力学第二定律说明并非所有能量守恒的过程都能实现．
（1）高温物体
低温物体
（2）功
热量
（3）气体体积V1
气体体积V2（较大）
（4）不同气体A和B
混合气体AB
2.（2015·广东汕头模拟）以下哪个现象不违背热力学第二定律（ ）
A．一杯热茶在打开盖后，茶会自动变得更热
B．没有漏气、没有摩擦的理想热机，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、水自动分离
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，效率永远不会达到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一定律的综合应用
对于一定质量的理想气体，状态发生变化时，必然要涉及做功、热传递、内能的变化，利用气态方程（或实验定律）与热力学第一定律解决这类问题的一般思路如下：
＝C⇌
⇌ΔU＝Q＋W.
（2013·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．在某次深潜实验中，“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研究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一定质量的气体，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，如果将该汽缸下潜至990m深处，此过程中封闭气体可视为理想气体．
（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）根据温度变化确定内能的变化情况，根据体积的变化，确定做功情况，由热力学第一定律确定吸、放热情况及与做功的关系．
[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
根据理想气体状态方程得
＝
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.（2014·高考新课标全国卷Ⅰ）一定量的理想气体从状态a开始，经历三个过程ab、bc、ca回到原状态，其p－T图象如图所示．下列判断正确的是（ ）
A．过程ab中气体一定吸热
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.对一定质量的理想气体，由
＝C进行状态分析．由热力学第一定律ΔU＝W＋Q进行吸放热、做功分析．
在不同坐标系中要注意各种图象的不同，从图象中找出体积、温度、压强的变化情况．由p－T图象可知过程ab是等容变化，温度升高，内能增加，体积不变，由热力学第一定律可知过程ab一定吸热，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，由热力学第一定律可知，气体一定吸收热量，选项B错误；过程ca压强不变，温度降低，内能减少，体积减小，外界对气体做功，由热力学第一定律可知，放出的热量一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．（2015·青岛模拟）如图中汽缸内盛有一定量的理想气体，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．若已知理想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第二定律
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第二定律
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第二定律
D．以上三种说法都不对
答案：
C
2．（2015·河北沧州五校联考）一定质量的理想气体由状态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．气体从外界吸收了热量
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，该理想气体做等温变化，而压强变大，由理想气体状态方程
＝C，知气体的体积V减小，由密度公式ρ＝
，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；一定质量的理想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，由热力学第一定律可知，该气体要放热，故选项B正确，选项C错误．
3．（2015·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内有一定量的稀薄气体，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，内能减少
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减少
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，由热力学第一定律知，ΔU＝0，故B对；由玻意耳定律知压强减小；稀薄气体可看做理想气体，内能不变，则温度不变，C错，D、E对．
4．景颇族的祖先发明的点火器如图所示，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．气体温度升高，压强不变
B．气体温度升高，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，气体内能减少
解析：
选B.压缩气体时，外界对气体做功，内能增加，温度升高，体积变小，压强增大，所以只有B正确．
5．（2013·高考山东卷）下列关于热现象的描述正确的是（ ）
A．根据热力学定律，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改变系统内能的
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则的，大量分子的运动也是无规则的
解析：
选C.根据热力学第二定律可知，热机的效率不可能达到100%，A错误．做功是通过能量转化改变系统内能的，而热传递是通过内能的转移改变系统内能的，B错误．根据热力学定律可知，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则的，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一定质量的理想气体，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，气体吸收的热量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判断，理想气体经历一个等压变化．由盖－吕萨克定律得：
＝
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
根据热力学第一定律：
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．第一类永动机不可能制成，是因为违背了能量守恒定律
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，违背了热力学第二定律
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：
AD
2．（2014·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一定质量的理想气体．当环境温度升高时，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.一定质量的某种理想气体的内能只决定于温度，处在导热汽缸中的理想气体由于外界环境温度升高，理想气体的内能要增大，所以选项A正确；再根据理想气体的状态方程：
＝C可知，气体压强不变，当温度升高时，体积要增大，因此气体要对外做功，所以选项B正确，C错误；理想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．（2015·北京丰台模拟）关于一定质量的气体，下列叙述正确的是（ ）
A．气体体积增大时，其内能一定减少
B．外界对气体做功，气体内能一定增加
C．气体从外界吸收热量，其内能一定增加
D．气体温度升高，其分子平均动能一定增加
解析：
选D.做功和热传递是改变物体内能的两种方式，气体体积增大时，可能同时从外界吸收热量，其内能不一定减少；气体从外界吸收热量，可能同时对外做功，其内能不一定增加，同理，外界对气体做功，气体内能不一定增加，选项A、B、C错误．温度是分子平均动能的标志，气体温度升高，其分子平均动能一定增加，选项D正确．
4．（2014·高考重庆卷）重庆出租车常以天然气作为燃料，加气站储气罐中天然气的温度随气温升高的过程中，若储气罐内气体体积及质量均不变，则罐内气体（可视为理想气体）（ ）
A．压强增大，内能减小
B．吸收热量，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，温度升高，气体从外界吸收热量，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．（2015·泰安模拟）被压瘪但尚未破裂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．温度升高，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：
B
6．（2015·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逐渐升高，气泡内气体可视为理想气体，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．气体吸收热量
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，气体吸收热量，故B、C、D正确．
7.（2015·深圳调研）如图所示，一定质量的理想气体由a状态变化到b状态，则此过程中（ ）
A．气体的温度升高
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.理想气体由a状态变化到b状态，由盖—吕萨克定律，体积增大，温度升高，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，由热力学第一定律，W＋Q＝ΔU，气体吸热，则B、C错误．
8．（2015·杭州二中高三月考）一定质量的理想气体在下列哪些过程中，一定从外界吸收了热量（ ）
A．温度保持不变，体积逐渐膨胀
B．体积保持不变，温度逐渐升高
C．压强保持不变，体积逐渐收缩
D．温度逐渐升高，压强逐渐减小
E．温度逐渐升高，体积逐渐收缩
解析：
选ABD.体积增大，气体向外界做功，温度不变，内能不变，故一定吸收了热量，A正确．体积不变，气体与外界不做功，温度升高，内能增大，则只能气体吸收热量，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，故一定向外放出热量，C错误．温度升高，压强减小，则内能变大，体积增大，气体对外界做功，故一定吸收热量，D正确．温度升高，内能增大，体积减小，外界对气体做功，气体不一定从外界吸收热量，E错误．
9．一定质量的理想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．下列判断正确的是（ ）
A．拉力对气体做正功，气体内能增加，吸收热量
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，吸收热量
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，由热力学第一定律ΔU＝W＋Q＝0知，Q＞0，即吸收热量，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，如果把轮胎里的气体视为理想气体，则关于气体喷出的过程，下列说法正确的是（ ）
A．气体的内能减少
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，热力学第一定律的表达式为W＝ΔU，内能减少，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．（2015·河北保定模拟）一定质量的理想气体，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.该理想气体从状态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，气体与外界交换的热量是多少？
解析：
（1）由图可知，从状态A到状态B为等温变化过程，状态B时气体压强为p1＝3p0，设体积为V1，由玻意耳定律得p0V0＝p1V1，解得V1＝
.
（2）由图可知，从状态B到状态C为等压变化过程，状态C时气体温度为T2＝3T0，设体积为V2，由盖－吕萨克定律得
＝
，解得V2＝V0.
（3）由状态B经状态C回到状态A，外界对气体做的总功为ΔW；从状态B到状态C，设外界对气体做功为ΔWBC，ΔWBC＝p2（V1－V2），联立解得ΔWBC＝－2p0V0；
从状态C回到状态A，由图线知为等容过程，外界对气体不做功，所以ΔW＝ΔWBC＝－2p0V0，
从状态B经状态C回到状态A，内能增加量为ΔU＝0，气体从外界吸收的热量为ΔQ，内能增加量为ΔU，由热力学第一定律得ΔU＝ΔQ＋ΔW，解得ΔQ＝2p0V0，即气体从外界吸收热量2p0V0.
答案：
见解析
☆
12．（2015·东北三校联考）如图所示，一个绝热的汽缸竖直放置，上方有一个绝热且光滑的活塞，中间有一个固定的导热性良好的隔板，隔板将汽缸分成两部分，分别密封着两部分理想气体A和B.活塞的质量为m，横截面积为S，与隔板相距h.现通过电热丝缓慢加热气体A，当气体吸收热量Q时，活塞上升了h，此时气体的温度为T1.已知大气压强为p0，重力加速度为g.
（1）加热过程中，若A气体内能增加了ΔE1，求B气体内能增加量ΔE2；
（2）现停止对气体加热，同时在活塞上缓慢添加砂粒，当活塞恰好回到原来的位置时A气体的温度为T2.求此时添加砂粒的总质量Δm.
解析：
（1）B气体对外做功W＝p1Sh＝（p0S＋mg）h
由热力学第一定律得ΔE1＋ΔE2＝Q－W
解得ΔE2＝Q－（mg＋p0S）h－ΔE1.
（2）B气体的初状态
p1＝p0＋
；V1＝2hS；T1
B气体末状态
p2＝p0＋
；V2＝hS；T2
由理想气体状态方程
＝
解得Δm＝
.
答案：
见解析
升级会员 