新課改瘦專用2025版高考物理一輪復(fù)習(xí)第十二章第3節(jié)熱力學(xué)定律與能量守恒定律學(xué)案含解析

PAGEPAGE9第3節(jié)熱力學(xué)定律與能量守恒定律一、熱力學(xué)第肯定律1．變更物體內(nèi)能的兩種方式(1)做功；(2)熱傳遞。2．熱力學(xué)第肯定律(2)表達式：ΔU＝Q＋W。3．ΔU＝W＋Q中正、負號法則物理量WQΔU＋外界對物體做功物體汲取熱量內(nèi)能增加－物體對外界做功物體放出熱量內(nèi)能削減二、熱力學(xué)其次定律及微觀意義1．熱力學(xué)其次定律的兩種表述(1)克勞修斯表述：熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體。(2)開爾文表述：不行能從單一熱庫汲取熱量，使之完全變勝利，而不產(chǎn)生其他影響。或表述為“其次類永動機是不行能制成的。”2．用熵的概念表示熱力學(xué)其次定律在任何自然過程中，一個孤立系統(tǒng)的總熵不會減小(選填“增大”或“減小”)。3．熱力學(xué)其次定律的微觀意義一切自發(fā)過程總是沿著分子熱運動的無序性增大的方向進行。三、能量守恒定律和兩類永動機1．能量守恒定律能量既不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消逝，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或者從一個物體轉(zhuǎn)移到別的物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中，能量的總量保持不變。2．兩類永動機(1)第一類永動機：不消耗任何能量，卻源源不斷地對外做功的機器。違反能量守恒定律，因此不行能實現(xiàn)。(2)其次類永動機：從單一熱源汲取熱量并把它全部用來對外做功，而不引起其他變更的機器。違反熱力學(xué)其次定律，不行能實現(xiàn)。[基礎(chǔ)自測]一、推斷題(1)外界壓縮氣體做功20J，氣體的內(nèi)能可能不變。(√)(2)給自行車打氣時，發(fā)覺打氣筒的溫度上升，這是因為打氣筒從外界吸熱。(×)(3)可以從單一熱源汲取熱量，使之完全變勝利。(√)(4)熱機中，燃氣的內(nèi)能可以全部變?yōu)闄C械能而不引起其他變更。(×)(5)自由搖擺的秋千搖擺幅度越來越小，能量正在消逝。(×)(6)利用河水的能量使船逆水航行的設(shè)想，符合能量守恒定律。(√)二、選擇題1．肯定質(zhì)量的志向氣體在某一過程中，外界對氣體做功7.0×104J，氣體內(nèi)能削減1.3×105J，則此過程()A．氣體從外界汲取熱量2.0×105JB．氣體向外界放出熱量2.0×105JC．氣體從外界汲取熱量6.0×104JD．氣體向外界放出熱量6.0×104J解析：選B由熱力學(xué)第肯定律ΔU＝W＋Q得Q＝ΔU－W＝－1.3×105J－7.0×104J＝－2.0×105J，即氣體向外界放出熱量2.0×105J，B正確。2．[人教版選修3－3P61T2](多選)下列現(xiàn)象中能夠發(fā)生的是()A．一杯熱茶在打開杯蓋后，茶會自動變得更熱B．蒸汽機把蒸汽的內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化成機械能C．桶中混濁的泥水在靜置一段時間后，泥沙下沉，上面的水變清，泥、水自動分別D．電冰箱通電后把箱內(nèi)低溫物體的熱量傳到箱外高溫物體解析：選CD由熱力學(xué)其次定律可知，一切自發(fā)進行與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過程，都具有方向性，A錯誤；熱機的工作效率不行能達到100%，B錯誤；泥沙下沉，系統(tǒng)的重力勢能削減，沒有違反熱力學(xué)其次定律，C正確；冰箱通過壓縮機的工作，把熱量從低溫物體傳到高溫物體，該過程消耗了電能，沒有違反熱力學(xué)其次定律，D正確。3．(多選)對于熱力學(xué)第肯定律和熱力學(xué)其次定律的理解，下列說法正確的是()A．肯定質(zhì)量的氣體膨脹對外做功100J，同時從外界汲取120J的熱量，則它的內(nèi)能增大20JB．物體從外界汲取熱量，其內(nèi)能肯定增加；物體對外界做功，其內(nèi)能肯定削減C．凡與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過程都具有方向性，在熱傳遞中，熱量只能從高溫物體傳遞給低溫物體，而不能從低溫物體傳遞給高溫物體D．其次類永動機違反了熱力學(xué)其次定律，沒有違反熱力學(xué)第肯定律解析：選AD依據(jù)熱力學(xué)第肯定律知ΔU＝W＋Q＝－100J＋120J＝20J，故選項A正確；依據(jù)熱力學(xué)第肯定律ΔU＝W＋Q，可知物體從外界汲取熱量，其內(nèi)能不肯定增加，物體對外界做功，其內(nèi)能不肯定削減，選項B錯誤；通過做功的方式可以讓熱量從低溫物體傳遞給高溫物體，如電冰箱，選項C錯誤；其次類永動機沒有違反能量守恒定律，熱力學(xué)第肯定律是能量轉(zhuǎn)化和守恒定律在熱學(xué)中的反映，因此其次類永動機沒有違反熱力學(xué)第肯定律，不能制成是因為它違反了熱力學(xué)其次定律，故選項D正確。高考對本節(jié)內(nèi)容的考查，主要集中在熱力學(xué)第肯定律與能量守恒定律、熱力學(xué)其次定律的理解及應(yīng)用，通常以選擇題的形式呈現(xiàn)，難度一般，另外對熱力學(xué)第肯定律與氣體試驗定律還經(jīng)常在計算題中進行綜合考查，難度中等?？键c一熱力學(xué)第肯定律與能量守恒定律[基礎(chǔ)自修類][題點全練]1．[熱力學(xué)第肯定律的理解](多選)下列說法正確的是()A．氣體擴散現(xiàn)象表明氣體分子間存在斥力B．對于同一志向氣體，溫度越高，分子平均動能越大C．熱量總是自發(fā)地從分子平均動能大的物體傳遞到分子平均動能小的物體D．用活塞壓縮汽缸內(nèi)的志向氣體，對氣體做了3.0×105J的功，同時氣體向外界放出1.5×105J的熱量，則氣體內(nèi)能增加了1.5×105J解析：選BCD氣體擴散現(xiàn)象表明氣體分子在做無規(guī)則運動，選項A錯誤；由于溫度是分子平均動能的標(biāo)記，故對于同一志向氣體，溫度越高，分子平均動能越大，選項B正確；分子的平均動能大，則說明物體的溫度高，熱量總是自發(fā)地從高溫物體傳遞到低溫物體，選項C正確；用活塞壓縮汽缸內(nèi)的志向氣體，依據(jù)熱力學(xué)第肯定律，對氣體做了3.0×105J的功，同時氣體向外界放出1.5×105J的熱量，則氣體內(nèi)能增加了1.5×105J，選項D正確。2．[熱力學(xué)第肯定律的應(yīng)用](多選)(2024·全國卷Ⅱ改編)如圖，用隔板將一絕熱汽缸分成兩部分，隔板左側(cè)充有志向氣體，隔板右側(cè)與絕熱活塞之間是真空。現(xiàn)將隔板抽開，氣體會自發(fā)擴散至整個汽缸。待氣體達到穩(wěn)定后，緩慢推壓活塞，將氣體壓回到原來的體積。假設(shè)整個系統(tǒng)不漏氣。下列說法正確的是()A．氣體自發(fā)擴散前后內(nèi)能相同B．氣體在被壓縮的過程中內(nèi)能增大C．在自發(fā)擴散過程中，氣體對外界做功D．氣體在被壓縮的過程中，外界對氣體做功解析：選ABD抽開隔板，氣體自發(fā)擴散過程中，氣體對外界不做功，與外界沒有熱交換，因此氣體的內(nèi)能不變，A項正確，C項錯誤；氣體在被壓縮的過程中，外界對氣體做功，D項正確；由于氣體與外界沒有熱交換，依據(jù)熱力學(xué)第肯定律可知，氣體在被壓縮的過程中內(nèi)能增大，B項正確。[名師微點]1．對熱力學(xué)第肯定律的理解(1)做功和熱傳遞在變更系統(tǒng)內(nèi)能上是等效的。(2)外界對系統(tǒng)做功是其他形式能量與內(nèi)能的轉(zhuǎn)化。(3)熱傳遞是外界與系統(tǒng)之間內(nèi)能的轉(zhuǎn)移。2．熱力學(xué)第肯定律的三種特別狀況(1)若過程是絕熱的，則Q＝0，W＝ΔU，外界對物體做的功等于物體內(nèi)能的增加。(2)若過程中不做功，則W＝0，Q＝ΔU，物體汲取的熱量等于物體內(nèi)能的增加。(3)若過程的始、末狀態(tài)物體的內(nèi)能不變，則W＋Q＝0，即物體汲取的熱量全部用來對外做功，或外界對物體做的功等于物體放出的熱量?？键c二熱力學(xué)其次定律的理解及應(yīng)用[基礎(chǔ)自修類][題點全練]1．[對熱力學(xué)其次定律的理解](多選)下列說法中正確的是()A．熱量可以從低溫物體傳遞到高溫物體B．科技的進步可以使內(nèi)燃機成為單一熱源的熱機C．能源危機指能量的過度消耗導(dǎo)致自然界的能量不斷削減D．功可以全部轉(zhuǎn)化為熱量，熱量也可以全部轉(zhuǎn)化為功解析：選AD電冰箱可以使熱量從低溫物體向高溫物體傳遞，A正確；由熱力學(xué)其次定律知不行能有單一熱源的熱機，B錯誤；能量是守恒的，C錯誤；功可以全部轉(zhuǎn)化為熱量，依據(jù)熱力學(xué)其次定律可知，在外界的影響下，熱量也可以全部轉(zhuǎn)化為功，D正確。2．[熱力學(xué)第一、二定律的綜合考查](多選)關(guān)于熱力學(xué)定律，下列說法正確的是()A．氣體吸熱后溫度肯定上升B．對氣體做功可以變更其內(nèi)能C．志向氣體等壓膨脹過程肯定放熱D．熱量不行能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體解析：選BD依據(jù)熱力學(xué)第肯定律，氣體吸熱后假如對外做功，則溫度不肯定上升，說法A錯誤。變更物體內(nèi)能的方式有做功和傳熱，對氣體做功可以變更其內(nèi)能，說法B正確。志向氣體等壓膨脹對外做功，依據(jù)eq\f(pV,T)＝恒量知，膨脹過程肯定吸熱，說法C錯誤。依據(jù)熱力學(xué)其次定律，熱量不行能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體，說法D正確。3．[其次類永動機的理解](多選)關(guān)于其次類永動機，下列說法中正確的是()A．其次類永動機是指沒有冷凝器，只有單一的熱源，能將從單一熱源汲取的熱量全部用來做功，而不引起其他變更的熱機B．其次類永動機違反了能量守恒定律，所以不行能制成C．其次類永動機違反了熱力學(xué)其次定律，所以不行能制成D．其次類永動機不行能制成，說明機械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，內(nèi)能卻不能全部轉(zhuǎn)化為機械能解析：選AC由其次類永動機的定義知，A正確；其次類永動機沒有違反能量守恒定律，而是違反了熱力學(xué)其次定律，故B錯誤，C正確；機械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，但內(nèi)能卻不能全部轉(zhuǎn)化為機械能，而不引起其他變更，故D錯誤。[名師微點]1．對熱力學(xué)其次定律關(guān)鍵詞的理解在熱力學(xué)其次定律的表述中，“自發(fā)地”“不產(chǎn)生其他影響”的含義。(1)“自發(fā)地”指明白熱傳遞等熱力學(xué)宏觀現(xiàn)象的方向性，不須要借助外界供應(yīng)能量的幫助。(2)“不產(chǎn)生其他影響”的含義是發(fā)生的熱力學(xué)宏觀過程只在本系統(tǒng)內(nèi)完成，對四周環(huán)境不產(chǎn)生熱力學(xué)方面的影響。如吸熱、放熱、做功等。2．熱力學(xué)其次定律的實質(zhì)自然界中進行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性。如(1)高溫物體eq\o(,\s\up7(熱量Q能自發(fā)地傳給),\s\do5(熱量Q不能自發(fā)地傳給))低溫物體(2)功eq\o(,\s\up7(能自發(fā)地完全轉(zhuǎn)化為),\s\do5(不能自發(fā)地且不能完全轉(zhuǎn)化為))熱(3)氣體體積V1eq\o(,\s\up7(能自發(fā)地膨脹到),\s\do5(不能自發(fā)地收縮到))氣體體積V2(較大)(4)不同氣體A和Beq\o(,\s\up7(能自發(fā)地混合成),\s\do5(不能自發(fā)地分別成))混合氣體AB3．兩類永動機的比較分類第一類永動機其次類永動機設(shè)計要求不須要任何動力或燃料，卻能不斷地對外做功的機器從單一熱源汲取熱量，使之完全變勝利，而不產(chǎn)生其他影響的機器不行能制成的緣由違反能量守恒定律不違反能量守恒定律，違反熱力學(xué)其次定律考點三氣體試驗定律與熱力學(xué)定律的綜合[師生共研類]求解氣體試驗定律與熱力學(xué)定律的綜合問題的通用思路[典例]如圖所示，一根兩端開口、橫截面積為S＝2cm2足夠長的玻璃管豎直插入水銀槽中并固定(插入水銀槽中的部分足夠深)。管中有一個質(zhì)量不計的光滑活塞，活塞下封閉著長L＝21cm的氣柱，氣體的溫度為t1＝7℃，外界大氣壓取p0＝1.0×105Pa(相當(dāng)于75cm高汞柱壓強)。(1)若在活塞上放一個質(zhì)量為m＝0.1kg的砝碼，保持氣體的溫度t1不變，則平衡后氣柱為多長？(g＝10m/s2)(2)若保持砝碼的質(zhì)量不變，對氣體加熱，使其溫度上升到t2＝77℃，此時氣柱為多長？(3)若在(2)過程中，氣體汲取的熱量為10J，則氣體的內(nèi)能增加多少？[解析](1)被封閉氣體的初狀態(tài)為p1＝p0＝1.0×105Pa，V1＝LS＝42cm3，T1＝280K末狀態(tài)壓強p2＝p0＋eq\f(mg,S)＝1.05×105Pa，V2＝L2S，T2＝T1＝280K依據(jù)玻意耳定律，有p1V1＝p2V2，即p1LS＝p2L2S，得L2＝20cm。(2)對氣體加熱后，氣體的壓強不變，p3＝p2，V3＝L3S，T3＝350K依據(jù)蓋—呂薩克定律，有eq\f(V2,T2)＝eq\f(V3,T3)，即eq\f(L2S,T2)＝eq\f(L3S,T3)，得L3＝25cm。(3)氣體對外做的功W＝p2Sh＝p2S(L3－L2)＝1.05J依據(jù)熱力學(xué)第肯定律ΔU＝Q＋W得ΔU＝10J＋(－1.05J)＝8.95J，即氣體的內(nèi)能增加了8.95J。[答案](1)20cm(2)25cm(3)8.95J[題點全練]1．[熱力學(xué)定律與T-V圖像的綜合](多選)(2024·全國卷Ⅰ改編)如圖，肯定質(zhì)量的志向氣體從狀態(tài)a起先，經(jīng)驗過程①、②、③、④到達狀態(tài)e。對此氣體，下列說法正確的是()A．過程①中氣體的壓強漸漸減小B．過程②中氣體對外界做正功C．過程④中氣體從外界汲取了熱量D．狀態(tài)c、d的內(nèi)能相等解析：選BD過程①中，氣體體積V不變、溫度T上升，則壓強增大，故A錯誤。過程②中，氣體體積V變大，對外界做功，故B正確。過程④中，氣體溫度T降低，內(nèi)能減小，體積V不變，氣體不做功，依據(jù)熱力學(xué)第肯定律ΔU＝Q＋W得Q＜0，即氣體放出熱量，故C錯誤。狀態(tài)c、d溫度相同，所以內(nèi)能相等，故D正確。2．[熱力學(xué)定律與p-V圖像的綜合](多選)(2024·全國卷Ⅲ改編)如圖，肯定量的志向氣體從狀態(tài)a變更到狀態(tài)b，其過程如p-V圖中從a到b的直線所示。在此過程中()A．氣體溫度始終降低B．氣體內(nèi)能始終增加C．氣體始終對外做功D．氣體始終從外界吸熱解析：選BCD由志向氣體的狀態(tài)方程eq\f(pV,T)＝C知，從a到b氣體溫度始終上升，故A錯誤。肯定質(zhì)量的志向氣體的內(nèi)能由溫度確定，可知氣體內(nèi)能始終增加，故B正確。氣體體積漸漸膨脹，始終對外做功，故C正確。依據(jù)熱力學(xué)第肯定律可知，氣體始終從外界吸熱，故D正確。3．[熱力學(xué)定律與p-T圖像的綜合](多選)肯定量的志向氣體從狀態(tài)a起先，經(jīng)驗三個過程ab、bc、ca回到原狀態(tài)，其p-T圖像如圖所示。下列推斷正確的是()