全国通用版最新版高考物理 第14章 选考部分 第52课时 热力学定律能量守恒定律学案doc.docx

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全国通用版最新版高考物理第14章选考部分第52课时热力学定律能量守恒定律学案doc

第52课时　热力学定律　能量守恒定律

考点1　热力学第一定律

1．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。

2．热力学第一定律符号意义

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。

[例1]　一定质量的气体，在从状态1变化到状态2的过程中，吸收热量280J，并对外做功120J，试问：

（1）气体的内能怎样发生变化？

变化了多少？

（2）如果气体又返回原来的状态，并放出了240J热量，那么在返回的过程中是气体对外界做功，还是外界对气体做功？

做功多少？

解析　

（1）由热力学第一定律可得ΔU＝W＋Q＝－120J＋280J＝160J，气体的内能增加了160J。

（2）由于气体的内能仅与状态有关，所以气体从状态2回到状态1的过程中内能应减少，其减少量应等于从状态1到状态2的过程中内能的增加量，则从状态2到状态1的内能应减少160J，即ΔU′＝－160J，又Q′＝－240J，根据热力学第一定律得：

ΔU′＝W′＋Q′，所以W′＝ΔU′－Q′＝－160J－（－240J）＝80J，即外界对气体做功80J。

答案　

（1）增加'160J'

（2）外界对气体做功'80J

（1）要弄清各量的正负号含义，一定要准确掌握热力学第一定律的符号法则。

（2）考虑问题要全面，做功和热传递都能改变物体的内能，忽视任一方式都会造成错解。

1．（多选）一定质量的理想气体，当发生如下哪些状态变化时，能放出热量（　　）

A．体积不变，压强减小B．压强不变，体积减小

C．温度不变，体积减小D．温度不变，压强减小

答案　ABC

解析　根据

＝C可知，体积不变，压强减小，则温度降低，内能减小，即W＝0、ΔU<0，根据ΔU＝W＋Q可知Q<0，则气体放热，A正确；同理压强不变，体积减小，则温度降低，内能减小，即W>0、ΔU＝0，根据ΔU＝W＋Q可知Q<0，气体放热，B正确；温度不变，体积减小，即ΔU＝0、W>0，则Q<0，气体放热，C正确；温度不变，压强减小，则体积变大，即ΔU＝0，W<0，则Q>0，气体吸热，D错误。

2．（粤教版选修3－3P73·T3）在一个密闭隔热的房间里，有一电冰箱正在工作，如果打开电冰箱的门，过一段时间后房间的温度会（　　）

A．降低B．不变

C．升高D．无法判断

答案　C

解析　电冰箱工作时，将部分电能转化为热能散发到房间内，所以房间内温度升高，C正确。

3．（多选）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

答案　ACE

解析　气体喷出时，来不及与外界交换热量，发生绝热膨胀，即Q＝0、W<0，根据ΔU＝W＋Q可知ΔU<0，即内能减少，温度降低，气体分子的平均动能减小，A、C、E正确。

考点2　热力学第二定律的理解与应用

1．热力学第二定律的三种表述

（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：

不可能从单一热源吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响。

或表述为“第二类永动机不可能制成”。

（3）用熵的概念表述：

在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小（热力学第二定律又叫做熵增加原理）。

2．热力学第二定律的微观意义：

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。

1．（2017·南昌模拟）（多选）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

E．物体从单一热源吸收的热量可全部用于做功

答案　ADE

解析　第一类永动机违背能量守恒定律，A正确；能量耗散过程中能量也是守恒的，B错误；电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界，因为它消耗了电能，所以不违背热力学第二定律，C错误；能量耗散反映了能量转化的方向性，D正确；在产生了其他影响的情况下，物体从单一热源吸收的热量可以全部用于做功，E正确。

2．（人教版选修3－3P61·T2改编）（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、水自动分离

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

解析　A、B违背热力学第二定律，故不能发生，A、B错误；泥水分离是由于重力作用，能够发生，C正确；选项D可以通过消耗电能的方式实现，故能发生，D正确。

考点3　热力学定律与气体实验定律的综合

　解答此类问题基本流程

[例2]　

如图所示，一圆柱形绝热汽缸竖直放置，通过绝热活塞封闭着一定质量的理想气体。

已知外界大气压强为p0，活塞的横截面积为S、质量为m＝

，活塞与容器底部相距h，此时封闭气体的温度为T0。

现在活塞上放置一质量与活塞质量相等的物块，再次平衡后活塞与容器底部相距

h，接下来通过电热丝缓慢加热气体，气体吸收热量Q时，活塞再次回到原初始位置。

重力加速度为g，不计活塞与汽缸的摩擦。

求：

（1）活塞上放置物块再次平衡后，气体的温度；

（2）加热过程中气体的内能增加量。

解析　

（1）由平衡条件可知

初状态：

p1＝p0＋

＝

p0，T1＝T0，V1＝Sh，

末状态：

p2＝p0＋

＝

p0，V2＝

Sh，

由理想气体状态方程得：

＝

，解得T＝

T0。

（2）由热力学第一定律ΔU＝W＋Q，式中

W＝－

（2mg＋p0S）＝－

，

解得ΔU＝Q＋W＝Q－

。

答案　

（1）

T0　

（2）Q－

一定量的理想气体发生变化，一般有绝热过程（Q＝0）、无功过程（W＝0）、一般过程（Q、W均不为零）。

（1）做功情况看体积

体积V减小→外界对气体做功→W＝pΔV>0；

体积V增大→气体对外界做功→W＝pΔV<0；

自由膨胀→W＝0

体积不变→W＝pΔV＝0

（2）内能变化看温度（理想气体）

温度T升高→内能增加→ΔU>0；

温度T降低→内能减少→ΔU<0；

温度T不变→内能不变→ΔU＝0。

（3）吸热还是放热，一般题目中会说明，或由热力学第一定律ΔU＝Q＋W，知道W和ΔU后确定Q的正负。

（2017·湖南师大附中检测）如图所示，体积为V、内壁光滑的圆柱形导热汽缸顶部有一质量和厚度均可忽略的活塞；汽缸内密封有温度为2.4T0、压强为1.2p0的理想气体。

p0和T0分别为大气的压强和温度。

已知：

气体内能U与

温度T的关系为U＝aT，a为正的常量；容器内气体的所有变化过程都是缓慢的，求：

（1）汽缸内气体与大气达到平衡时的体积V1；

（2）在活塞下降过程中，汽缸内气体放出的热量Q。

答案　

（1）0.5V　

（2）

p0V＋aT0

解析　

（1）在气体由压强p＝1.2p0下降到p0的过程中，V不变，温度由T＝2.4T0变为T1，

由查理定律得

＝

，得：

T1＝2T0

在气体温度由T1变为T0的过程中，体积由V减小到V1，气体压强不变，

由盖—吕萨克定律得

＝

，解得：

V1＝0.5V。

（2）活塞下降过程中，活塞对气体做功W＝p0（V－V1）

在这一过程中，气体内能的变化量ΔU＝a（T0－T1）

由热力学第一定律得Q＝ΔU－W＝－aT0－

p0V，所以汽缸内气体放出的热量

p0V＋aT0。

1．一定质量的气体在某一过程中，外界对气体做了8×104J的功，气体的内能减少了1.2×105J，则下列各式中正确的是（　　）

A．W＝8×104J，ΔU＝1.2×105J，Q＝4×104J

B．W＝8×104J，ΔU＝－1.2×105J，Q＝－2×105J

C．W＝－8×104J，ΔU＝1.2×105J，Q＝2×104J

D．W＝－8×104J，ΔU＝－1.2×105J，Q＝－4×104J

答案　B

解析　因为外界对气体做功，W取正值，即W＝8×104J；内能减少，ΔU取负值，即ΔU＝－1.2×105J；根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，可知Q＝ΔU－W＝－1.2×105J－8×104J＝－2×105J，B正确。

2．某驾驶员发现中午时车胎内的气压高于清晨时的，且车胎体积增大。

若这段时间胎内气体质量不变且可视为理想气体，那么（　　）

A．外界对胎内气体做功，气体内能减小

B．外界对胎内气体做功，气体内能增大

C．胎内气体对外界做功，内能减小

D．胎内气体对外界做功，内能增大

答案　D

解析　由

＝C可知车胎内气体p、V增大时，车胎内气体温度升高，内能增大；车胎体积增大，气体对外做功，D正确。

3．下列说法正确的是（　　）

A．科技的进步可以使内燃机成为单一热源的热机

B．分子间作用力的合力表现为引力时，若分子间的距离增大，则分子间的合力一定减小，分子势能一定增大

C．显微镜下观察到的布朗运动就是液体分子的无规则运动

D．气体从外界吸收热量，其内能不一定增加

答案　D

解析　根据热力学第二定律，从单一热源吸收热量，全部用来对外做功而不引起其他变化是不可能的，故A错误；分子间作用力的合力表现为引力时，若分子间的距离增大，则分子间的合力不一定减小，分子势能一定增大，故B错误；布朗运动是悬浮在液体中的固体小颗粒的运动，不是液体分子的运动，故C错误；根据热力学第一定律，做功和热传递都可以改变物体的内能，气体从外界吸收热量，其内能不一定增加，故D正确。

4．在一锅正在沸腾的水中，一个小气泡由底层缓慢地升到液面，上升过程中气泡的压强不断减小，则气泡在上浮过程中（　　）

A．内能增大B．内能减小

C．外界对气泡做功D．吸收热量

答案　D

解析　在沸腾的水中，此环境下，气泡的温度恒定，则气泡的内能不变，故A、B错误；根据玻意耳定律，pV＝C，气泡在上升过程中，压强减小，则体积增大，即气泡对外做功，故C错误；通过上述分析，得知气泡内能不变，且对外做功，根据ΔU＝W＋Q，则气泡吸收了热量，故D正确。

5．（多选）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

答案　AC

解析　由ΔU＝W＋Q可知做功和热传递是改变内能的两种途径，它们是等效的，A正确，B错误；由热力学第二定律可知，可以从单一热源吸收热量，使之全部变为功，但会产生其他影响，C正确；由热力学第二定律知，热量只是不能自发地从低温物体传向高温物体，D错误。

6．（多选）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，茶会自动变凉

B．没有漏气、没有摩擦的理想热机，其效率可能是100%

C．热量自发地从低温物体传到高温物体

D．在地面上运动的物体逐渐停下来，机械能全部变为内能

答案　AD

解析　热茶自动变凉是热从高温物体传递到低温物体，A正确；任何热机效率都不可能达到100%，B错误；热量不能自发地从低温物体传到高温物体，C错误；物体因摩擦力而停下来，是机械能（动能）向内能的转化，是自发过程，D正确。

7．（2017·东北三省四市联考）（多选）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，温度不变

答案　BD

解析　a内气体向真空膨胀，不对外界做功，故A错误；又因容器绝热，Q＝0，由热力学第一定律知，ΔU＝0，故B正确；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错误，D正确。

8．一定质量的理想气体从状态A变化到状态B再变化到状态C，其状态变化过程的pV图象如图所示。

已知该气体在状态A时的温度为27℃。

（1）求该气体在状态B、C时的温度；

（2）该气体从状态A到状态C的过程中是吸热还是放热？

传递的热量是多少？

答案　

（1）－73℃　27℃　

（2）吸收热量　200J

解析　

（1）气体从状态A到状态B做等容变化，由查理定律有

＝

，解得TB＝200K，即tB＝－73℃；

气体从状态B到状态C做等压变化，由盖—吕萨克定律有

＝

，解得TC＝300K，即tC＝27℃。

（2）因为状态A和状态C温度相等，内能不变，所以在这个过程中ΔU＝0

由热力学第一定律ΔU＝Q＋W得Q＝－W

在整个过程中，气体在B到C过程对外做功，故

W＝－pBΔV＝－200J

即Q＝－W＝200J，是正值，所以气体从状态A到状态C过程中是吸热，吸收的热量Q＝200J。

9．（2016·全国卷Ⅰ）（多选）关于热力学定律，下列说法正确的是（　　）

A．气体吸热后温度一定升高

B．对气体做功可以改变其内能

C．理想气体等压膨胀过程一定放热

D．热量不可能自发地从低温物体传到高温物体

E．如果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　根据热力学第一定律，气体吸热的同时若对外做功，则内能不一定增大，温度不一定升高，A错误；对气体做功可以改变其内能，B正确；理想气体等压膨胀过程，对外做功，由理想气体状态方程

＝C可知，气体温度升高，内能增大，故气体一定吸热，C错误；根据热力学第二定律知，热量不可能自发地从低温物体传到高温物体，D正确；根据热平衡定律，如果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，E正确。

10．（2017·江苏南通四校联考）（多选）一定质量的理想气体，沿箭头方向由状态1变化到状态2，其中气体放出热量的变化过程是（　　）

答案　BD

解析　A项，由图象是双曲线知，状态1到状态2是等温变化过程，故状态1与状态2温度相同内能相同，又从状态1至状态2气体的体积增加，故气体对外做功，根据热力学第一定律知，气体从外界吸热，故A错误；B项，由图象有p1>p2，V1>V2，根据理想气体状态方程

＝

知T1>T2，所以从状态1至状态2，气体体积减小所以外界对气体做功，又T1>T2说明气体的内能减小，根据热力学第一定律知气体对外放热，故B正确；C项，由图象知，状态1至状态2，气体温度升高内能增加，气体体积增大气体对外做功，根据热力学第一定律知，气体从外界吸收热量，故C错误；D项，由图象知气体的体积保持不变，气体对外界不做功，从状态2至状态1气体的温度降低内能减小，根据热力学第一定律，气体对外放热，故D正确。

11．（2016·全国卷Ⅱ）

（多选）一定量的理想气体从状态a开始，经历等温或等压过程ab、bc、cd、da回到原状态，其pT图象如图所示，其中对角线ac的延长线经过原点O。

下列判断正确的是（　　）

A．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中气体从外界吸收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　在pT图象中过原点的倾斜直线都是等容线，a、c在同一等容线上，体积相等，A正确；一定质量的理想气体，分子数确定，不计分子势能，因此内能只与温度有关，由图象知Ta>Tc，即气体在状态a时的内能大于状态c时的内能，B正确；根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q可知，在c→d中T不变，即ΔU＝0，那么W＝－Q，

即向外界放出的热量等于外界对气体做的功，C错误；d→a中，温度升高，ΔU>0，由p不变、T升高可知V增大，W<0，Q＝ΔU＋|W|，可见气体从外界吸收的热量大于气体对外界做的功，D错误；b→c为等压变化，有

＝

，外界对气体做功Wbc＝pc（Vb－Vc）＝

（Tb－Tc）。

d→a为等压变化，有

＝

，气体对外界做功Wda＝pa（Va－Vd）＝

（Ta－Td），由

＝

及Tb－Tc＝Ta－Td可知，Wbc＝Wda，E正确。

12.

（2017·河北张家口联考）如图所示，一直柱形导热汽缸竖直放置，通过绝热活塞封闭着一定质量的理想气体。

已知大气压强为p0，重力加速度为g，不计活塞与汽缸的摩擦，活塞的质量为m、横截面积为S。

因为电热丝的加热，某时刻气体温度为T1，活塞与容器底部相距h。

现停止加热，气体通过汽缸缓慢放热，当气体放出热量Q时，气体温度下降到T2，求该过程中：

（1）活塞下降的距离；

（2）气体内能的改变量。

答案　

（1）

h　

（2）（p0S＋mg）

h－Q

解析　

（1）气体发生等压变化，有

＝

，

解得Δh＝

h。

（2）放热过程中，外界对气体做的功

W＝pS·Δh＝（p0S＋mg）

h，

由热力学第一定律知内能改变量

ΔU＝W－Q＝（p0S＋mg）

h－Q。