高考物理一轮复习第十三章第3讲热力学定律与能量守恒学案解析版.docx

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高考物理一轮复习第十三章第3讲热力学定律与能量守恒学案解析版

第3讲　热力学定律与能量守恒

主干梳理对点激活

知识点　　热力学第一定律　Ⅰ

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）ΔU＝Q＋W中正、负号法则

（4）ΔU＝Q＋W的三种特殊情况

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。

②外界对系统做功为0，即W＝0，则Q＝ΔU，物体吸收的热量等于物体内能的增加。

此处的W包含机械功、电流功等一切功。

对于不涉及其他力做功的气体等容过程，W＝0，Q＝ΔU。

③对于理想气体，若过程是等温的，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。

知识点　　热力学第二定律　Ⅰ

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

不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响。

或表述为“第二类永动机是不可能制成的。

”

（3）用熵的概念表示热力学第二定律。

在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小。

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。

知识点　　能量守恒定律　Ⅰ

1．能量守恒定律的内容：

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．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。

例如，机械能守恒定律具有适用条件，而能量守恒定律是无条件的，是一切自然现象都遵守的基本规律。

3．两类永动机

（1）第一类永动机：

不需要任何动力或燃料，却能不断地对外做功的机器。

违背能量守恒定律，因此不可能实现。

（2）第二类永动机：

从单一热库吸收热量并把它全部用来对外做功，而不产生其他影响的机器。

违背热力学第二定律，不可能实现。

4．能源的利用

（1）存在能量耗散和品质降低。

（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、水能等）。

一思维辨析

1．做功和热传递的实质是相同的。

（　　）

2．绝热过程中，外界压缩气体做功20J，气体的内能一定减少20J。

（　　）

3．根据热力学第二定律可知，凡与热现象有关的宏观过程都具有方向性，在热传导中热量只能自发地从高温物体传递给低温物体，而不能自发地从低温物体传递给高温物体。

（　　）

4．熵增加原理说明一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行。

（　　）

5．尽管技术不断进步，热机的效率仍不能达到100%，制冷机却可以使温度降到－283℃。

（　　）

6．对能源的过度消耗将使自然界的能量不断减少，形成能源危机。

（　　）

7．在给自行车打气时，会发现打气筒的温度升高，这是因为外界对气体做功。

（　　）

8．自由摆动的秋千摆动幅度越来越小，能量正在消失。

（　　）

9．利用河水的能量使船逆水航行的设想，符合能量守恒定律。

（　　）

10．热机中，燃气的内能可以全部变为机械能而不引起其他变化。

（　　）

答案　1.×　2.×　3.√　4.√　5.×　6.×　7.√

8．×　9.√　10.×

二对点激活

1．（人教版选修3－3·P56·T1改编）用活塞压缩汽缸里的空气，对空气做了900J的功，同时汽缸向外散热210J，汽缸里空气的内能（　　）

A．增加了1100JB．减少了1100J

C．增加了690JD．减少了690J

答案　C

解析　由热力学第一定律ΔU＝W＋Q，得ΔU＝900J－210J＝690J，内能增加690J。

2．（人教版选修3－3·P61·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　热量只会自发地从高温物体传到低温物体，而不会自发地从低温物体传到高温物体，故A错误；机械能可以完全转化为内能，而内能却不能完全转化为机械能，故B错误；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、水自动分离是因为泥沙的密度大于水，故可以分离，C正确；电冰箱通电后由于压缩机做功从而将低温物体的热量传到箱外的高温物体，故D正确。

3．（2018·石家庄一模）（多选）一定质量的理想气体从状态a开始，经历三个过程（a到b、b到c、c到a）回到原状态，其V－T图象如图所示，pa、pb、pc分别表示状态a、b、c时气体的压强，下列说法正确的是（　　）

A．由a到b的过程中，气体一定吸热

B．pc>pb＝pa

C．由b到c的过程中，气体放出的热量一定大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　ACE

解析　由a到b的过程中，气体温度升高，根据一定量的理想气体内能只与温度有关可知，气体内能增大，又因为气体体积不变，外界对气体不做功，由热力学第一定律可知，气体一定吸热，A正确；根据理想气体状态方程可知，pa

4．地球上有很多的海水，它的总质量约为1.4×1018吨，如果这些海水的温度降低0.1℃，将要放出5.8×1023焦耳的热量，有人曾设想将海水放出的热量完全变成机械能来解决能源危机，但这种机器是不能制成的，其原因是（　　）

A．内能不能转化成机械能

B．内能转化成机械能不满足热力学第一定律

C．只从单一热库吸收热量并完全转化成机械能而不产生其他影响的机器不满足热力学第二定律

D．上述三种原因都不正确

答案　C

解析　内能可以转化成机械能，如热机，A错误；内能转化成机械能的过程满足热力学第一定律，即能量守恒定律，B错误；热力学第二定律告诉我们：

不可能从单一热库吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化，C正确。

考点细研悟法培优

考点1　热力学第一定律

改变内能的两种方式的比较

例1　（2018·太原二模）（多选）如图，一定质量的理想气体从状态1等温变化到状态2，再从状态2绝热变化到状态3，此后，从状态3等温变化到状态4，最后从状态4绝热变化回到状态1。

这种循环称为卡诺循环。

下列说法正确的是（　　）

A．从1到2的过程中气体吸收热量

B．从2到3的过程中气体对外界做功

C．从3到4的过程中气体从外界吸收热量

D．一次卡诺循环中，气体对外界做的总功大于气体从外界吸收的总热量

E．一次卡诺循环中气体向外界释放的热量小于吸收的热量

解题探究　

（1）一定质量的理想气体的内能取决于________。

提示：

温度

（2）如何判断气体状态变化过程是吸热还是放热？

提示：

根据体积变化判断做功W的正负，根据温度变化判断ΔU内能变化的正负，最后根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W来判断是吸热还是放热。

尝试解答　选ABE。

从1到2的过程中气体的温度不变，内能不变，体积增大，气体对外做功，由热力学第一定律ΔU＝W＋Q可知，气体从外界吸收热量，A正确；从2到3的过程中气体体积增大，所以气体对外界做功，B正确；从3到4的过程中气体的温度不变，内能不变，体积减小，外界对气体做功，由热力学第一定律可知气体向外界放出热量，C错误；由p－V图象中图线与横轴围成的面积等于该过程中气体所做的功，可知一次卡诺循环气体向外界做正功，由热力学第一定律可知，一次卡诺循环气体对外界做的总功等于气体从外界吸收的热量，D错误；因为一次卡诺循环总体上气体从外界吸热，所以向外界放出的热量小于吸收的热量，E正确。

总结升华

应用热力学第一定律的三点注意

（1）做功情况看气体的体积：

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。

（2）与外界绝热，则不发生热传递，此时Q＝0。

（3）如果研究对象是理想气体，由于理想气体没有分子势能，所以当它的内能变化时，体现为分子动能的变化，从宏观上看就是温度发生了变化。

[变式1－1]　（2018·东北三省三校模拟）（多选）对一定质量的理想气体，下列说法正确的是（　　）

A．该气体在体积缓慢增大的过程中，温度可能不变

B．该气体在压强增大的过程中，一定吸热

C．该气体被压缩的过程中，内能可能减少

D．该气体经等温压缩后，其压强一定增大，且此过程一定放出热量

E．如果该气体与外界没有发生热量交换，则其分子的平均动能一定不变

答案　ACD

解析　由理想气体状态方程＝C可知V缓慢增大时，当pV不变时则温度不变，A正确。

同理p增大时如果V减小且pV不变，则T不变，内能U不变，外界对系统做正功W，由热力学第一定律ΔU＝W＋Q＝0，知Q为负，放出热量，B错误。

由＝C，分析知V减小时T可能减小，即内能可能减小，C正确。

由＝C知气体经等温压缩后，T不变，V减小，则p增大，外界对系统做正功，由ΔU＝0＝W＋Q知Q为负，一定放出热量，D正确。

由ΔU＝W＋Q知，当Q＝0时，如果W≠0，则ΔU≠0，即温度变化，分子平均动能变化，E错误。

[变式1－2]　（2018·武汉五月训练）（多选）气闸舱是载人航天器中供航天员进入太空或由太空返回用的气密性装置，其原理图如图所示。

座舱A与气闸舱B之间装有阀门K，座舱A中充满空气，气闸舱B内为真空。

航天员从太空返回气闸舱时，打开阀门K，A中的气体进入B中，最终达到平衡。

假设此过程中系统与外界没有热交换，舱内气体可视为理想气体，下列说法正确的是（　　）

A．气体并没有对外做功，气体内能不变

B．B中气体可自发地全部退回到A中

C．气体温度不变，体积增大，压强减小

D．气体体积膨胀，对外做功，内能减小

E．气体体积变大，气体分子单位时间对座舱壁单位面积碰撞的次数将变少

答案　ACE

解析　由于气闸舱B内为真空，所以气体在扩张过程中不会对外做功，系统与外界没有热交换，所以气体内能不变，故A正确，D错误；根据热力学第二定律可知，一切与热现象有关的宏观变化都是不可逆的，故B错误；理想气体内能不变，温度不变，由pV＝C可知，体积增大，压强减小，故C正确；气体体积变大，分子数密度n减小，温度不变，分子平均动能不变，平均速率不变，所以气体分子单位时间对座舱壁单位面积碰撞的次数将变少，故E正确。

考点2　热力学第二定律

1．热力学第一、第二定律的比较

2．两类永动机的比较

例2　根据你学过的热学中的有关知识，判断下列说法中正确的是（　　）

A．机械能可以全部转化为内能，内能也可以全部用来做功转化成机械能

B．凡与热现象有关的宏观过程都具有方向性，在热传递中，热量只能从高温物体传递给低温物体，而不能从低温物体传递给高温物体

C．尽管技术不断进步，热机的效率仍不能达到100%，制冷机却可以使温度降到－293℃

D．第一类永动机违背能量守恒定律，第二类永动机不违背能量守恒定律，随着科技的进步和发展，第二类永动机可以制造出来

解题探究