届高考物理总复习热力学定律.docx
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届高考物理总复习热力学定律
第3讲 热力学定律
1
热力学第一定律
（1）热力学第一定律:
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。
表达式:
ΔU=Q+W。
（2）应用热力学第一定律解题的关键就是要熟记、记准符号法则。
对理想气体而言,温度只与内能有关,温度升高,内能增加,ΔU>0;温度降低,内能减少,ΔU<0。
从外界吸收热量Q>0,有促使内能增加的可能;向外界放出热量Q<0,有促使内能减少的可能;若系统与外界绝热,则Q=0,既不吸热,也不放热。
外界对气体做功,W>0,有促使内能增大的可能;气体对外界做功,W<0,有促使内能减少的可能。
【温馨提示】 理想气体内能变化的分析思路
①由体积变化分析气体做功情况:
体积膨胀,气体对外做功;气体被压缩,外界对气体做功。
②由温度变化判断气体内能变化:
温度升高,气体内能增大;温度降低,气体内能减小。
③由热力学第一定律ΔU=W+Q判断气体是吸热还是放热。
1.1（2019福建福州1月考试）一定质量的理想气体在某一过程中,外界对气体做功7.0×104J,气体内能减少1.3×105J,则此过程（ ）。
A.气体从外界吸收热量2.0×105J
B.气体向外界放出热量2.0×105J
C.气体从外界吸收热量6.0×104J
D.气体向外界放出热量6.0×104J
【答案】B
1.2（2018浙江绍兴第一中学模拟）一定量的理想气体在某一过程中,从外界吸收热量2.5×104J,气体对外界做功1.0×104J,则该理想气体的（ ）。
A.温度降低,密度增大B.温度降低,密度减小
C.温度升高,密度增大D.温度升高,密度减小
【答案】D
2
能量守恒定律
（1）自然界中不同的能量形式与不同的运动形式相对应:
物体运动具有机械能,分子运动具有内能,电荷的运动具有电能,原子核内部的运动具有原子能,等等。
（2）不同形式的能量之间可以相互转化:
摩擦生热是通过克服摩擦力做功将机械能转化为内能;水壶中的水沸腾时水蒸气对壶盖做功将壶盖顶起,表明内能转化为机械能;电流通过电热丝做功可将电能转化为内能,等等。
这些实例说明了不同形式的能量之间可以相互转化,且是通过做功来完成的这一转化过程。
（3）能量守恒定律:
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。
条件性:
能量守恒定律是自然界的普遍规律,但某一系统或某一种形式的能是否守恒则是有条件的。
2.1（2019河南郑州开学自测）（多选）如图所示,电路与一绝热密闭汽缸相连,R为电阻丝,汽缸内有一定质量的理想气体,外界大气压恒定。
闭合开关后,绝热活塞K缓慢且无摩擦地向右移动,则下列说法正确的是（ ）。
A.气体分子平均动能变大
B.电热丝放出的热量等于气体对外所做的功
C.气体的压强不变
D.气体分子单位时间内对器壁单位面积的撞击次数减少
E.气体分子势能增加
【答案】ACD
2.2（2019南京第一中学开学考试）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（ ）。
A.U=200J,Ek=600JB.U=600J,Ek=200J
C.U=600J,Ek=800JD.U=800J,Ek=200J
【答案】B
3
热力学第二定律
（1）热力学第二定律的两种表述
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”。
（2）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。
（3）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。
（4）只从单一热库吸收热量,全部用来做功而不引起其他变化的热机叫作第二类永动机,由于违背了热力学第二定律,第二类永动机不可能制成。
【温馨提示】 热力学第一定律指出任何热力学过程中能量守恒,而对过程没有其他限制。
热力学第二定律指明哪些过程可以发生,哪些不可能发生,例如,第二类永动机不可能实现,热机效率不可能是100%,热现象过程中能量耗散是不可避免的,实际的宏观的热现象过程是不可逆的。
3.1（2018天津十校联考）关于两类永动机和热力学的两个定律,下列说法正确的是（ ）。
A.第二类永动机不可能制成是因为违反了热力学第一定律
B.第一类永动机不可能制成是因为违反了热力学第二定律
C.由热力学第一定律可知,做功不一定改变内能,热传递也不一定改变内能,但同时做功和热传递一定会改变内能
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】D
3.2（2019安徽合肥第一中学测试）（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
E.功转变为热的宏观自然过程是不可逆过程
【答案】ACE
题型一
热力学第一定律与能量守恒定律
1.内能与热量、内能的改变的区别:
内能是物体的状态量,它是物体在某一状态某一时刻所具有的一种能量。
热量是过程量,它是在某一段过程中物体之间发生热交换的那一部分能量。
热量是物体在热传递的过程中其内能（热能）改变量的量度。
在只发生热传递的过程中,物体吸收（放出）多少热量,其内能就增加（减少）多少。
热量不属于哪一个物体,它量度的是流通量、交换量。
说某一物体具有多少热量,就如同说某一物体具有多少功一样不正确。
热传递时,热量一定是由温度高的物体传给温度低的物体,而与其他任何因素无关。
内能的改变是过程量,它可以由做功和热传递来量度。
2.热力学第一定律不仅反映了做功和热传递这两种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。
此定律是标量式,应用时功、内能、热量的单位应统一为国际单位（焦耳）。
3.三种特殊情况:
（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）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。
（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。
【温馨提示】 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
【例1】（多选）关于热力学定律,下列说法正确的是（ ）。
A.气体吸热后温度可能降低
B.对气体做功一定改变其内能
C.理想气体等压膨胀过程内能一定增加
D.不可能从单一热库吸收热量,使之完全变成功
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分子平均动能相同
【解析】物体吸收热量,同时对外做功,如对外做的功大于吸收的热量,则内能减小,所以气体吸热后温度可能降低,故A项正确;做功和热传递都能改变物体的内能,若对物体做的功等于物体向外传递的热量,则物体的内能不变,故B项错误;根据理想气体的状态方程可知,理想气体等压膨胀过程中压强不变,体积增大则气体的温度一定升高,所以气体的内能增大,故C项正确;根据热力学第二定律知,从单一热库吸收热量可以完全变成功,但要引起其他的变化,D项错误;根据热平衡定律可知,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,即温度相同,分子平均动能相同,故E项正确。
【答案】ACE
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。
【变式训练1】（2018海南华侨中学一模）如图所示为导热汽缸,其内封有一定质量理想气体,活塞与汽缸壁的接触面光滑,活塞上用弹簧悬挂。
当周围环境温度不变,大气压缓慢变大之后,下列说法中正确的是（ ）。
A.弹簧长度将改变
B.气体内能将增加
C.气体向外放出热量
D.单位时间内碰撞汽缸单位面积的分子数不变
【解析】以活塞和汽缸整体为研究对象,根据平衡条件可知,两者的重力大小等于弹簧弹力大小,与大气压无关,所以A项错误;周围环境的温度不变,汽缸是导热的,气体的温度不变,所以气体的内能不变,B项错误;由于大气压强增大,封闭气体的压强增大,根据理想气体状态方程可知,温度不变,压强增大,体积减小,外界对气体做功,根据热力学第一定律可知封闭气体一定放出热量,所以C项正确;温度不变,压强增大,体积减小,相等时间内碰撞汽缸单位面积的分子数一定增多,所以D项错误。
【答案】C
题型二
热力学定律与气体实验定律的综合
1.绝热过程和自由膨胀过程的判定方法:
首先要清楚理想气体的本质特征,其次要能根据题意准确判断研究对象所经历的热学过程,尤其是做好绝热过程和自由膨胀过程的判定。
判定方法如下。
（1）绝热特征:
其一,题目中明确说明是绝热容器（包括活塞）或直接说明没有热交换;其二,题目中对气体变化过程在时间上的描述凡出现“迅速”“快速”等字眼时,可以理解为被研究气体没有来得及进行热交换,即视为绝热过程。
（2）自由膨胀特征:
一定量气体所在的空间突然和一定体积的真空相连通,气体充满整个连通空间的瞬时过程。
“自由膨胀”的气体不对外做功。
2.解题的基本思路
【温馨提示】 气体状态变化的过程遵循理想气体状态方程,状态变化的同时必伴随着内能的改变、做功、吸放热等现象的发生。
因此气体的状态变化问题与热力学第一定律联系密切,分析这类综合问题时应注意:
（1）气体的状态变化可由理想气体状态方程
=C（C是与P、V、T无关的常量）分析。
（2）气体的做功情况、内能变化及吸放热关系可由热力学第一定律分析。
【例2】（多选）如图甲所示,一定质量的氢气（可看作理想气体）由状态A经状态B变化到状态C。
设由A到B、由B到C的过程外界对气体做的功分别为W1、W2,气体从外界吸收的热量分别为Q1、Q2,则（ ）。
A.W1>0,W2>0
B.Q1>0,Q2>0
C.|W1|+|W2|<|Q1|+|Q2|
D.|W1|+|W2|>|Q1|+|Q2|
【解析】如图乙所示,气体由A经状态B变化到状态C的过程中,图象上的点与原点连线的斜率减小,由气态方程
=C知,气体的体积不断增大,气体对外界做功,所以W1<0,W2<0,A项错误。
在A→B过程中,气体的温度不断升高,同时对外做功,根据热力学第一定律ΔU1=Q1+W1知需要吸热,所以Q1>0;在B→C过程中,气体的温度不变,内能不变,但同时对外做功,根据热力学第一定律ΔU2=Q2+W2可知要吸热,所以Q2>0,B项正确;在全过程中,温度升高,内能增大,根据热力学第一定律ΔU=Q+W得知,气体吸收的热量大于气体对外做的功,即|W1|+|W2|<|Q1|+|Q2|,C项正确,D项错误。
【答案】BC
本题要知道AO、BO、CO连线可表示等容变化,根据斜率分析对应的体积大小,并掌握热力学第一定律,能用来分析能量的变化。
较好地考查了热力学第一定律中应用图象解决物理问题的能力。
【变式训练2】（2019辽宁本溪高级中学考试）如图所示,一定质量的理想气体,由状态a经过ab过程到达状态b或者经过ac过程到达状态c。
设气体在状态b和状态c的温度分别为Tb和Tc,在过程ab和ac中吸收的热量分别为Qab和Qac。
则（ ）。
A.Tb>Tc,Qab>QacB.Tb>Tc,QabC.Tb=Tc,Qab>QacD.Tb=Tc,Qab【解析】ab过程为等压变化,由盖—吕萨克定律得
=
得Tb=2Ta;ac过程为等容变化,由查理定律得
=
得Tc=2Ta,所以Tb=Tc。
由热力学第一定律可知,ab过程有Wab+Qab=ΔUab,ac过程有Wac+Qac=ΔUac,又Wab<0,Wac=0,ΔUab=ΔUac,则有Qab>Qac,故C项正确。
【答案】C
【变式训练3】（2018江苏七校联考）（多选）对于一定量的理想气体,下列说法正确的是（ ）。
A.气体的压强和体积都不变,其内能也一定不变
B.气体的内能不变,其状态也一定不变
C.气体的温度随时间不断升高,其压强也一定不断增大
D.气体温度每升高1K所吸收的热量与气体经历的过程有关
E.当气体温度升高时,气体的内能一定增大
【解析】理想气体的内能只由温度决定,由理想气体状态方程
=C可知,气体的压强和体积都不变,温度T也不变,则内能也一定不变,A、E两项正确。
气体的内能不变,则温度T不变,但气体的压强和体积可以改变,B项错误。
气体的温度升高,体积增大,其压强可以不变,C项错误。
由热力学第一定律ΔU=Q+W知,D项正确。
【答案】ADE
1.（2019广东佛山1月模拟）（多选）如图所示,导热性能良好的汽缸内用活塞封闭着一定质量的理想气体,汽缸固定不动。
一条细线一端连接在活塞上,另一端跨过两个光滑的定滑轮后连接在一个小桶上,开始时活塞静止,现不断向小桶中添加细砂,使活塞缓慢向上移动,活塞始终未被拉出,汽缸和周围环境温度不变。
则在活塞移动的过程中,下列说法正确的是（ ）。
A.汽缸内气体分子平均动能不变
B.汽缸内气体的内能变小
C.汽缸内气体的压强变小
D.汽缸内气体向外界放热
E.汽缸内气体从外界吸热
【解析】由于是导热性能良好的汽缸,而且使活塞缓慢向上移动,则此过程中气体的温度不变,因此气体分子的平均动能不变,A项正确;理想气体的内能仅与分子的平均动能有关,气体分子的平均动能不变,则气体的内能不变,B项错误;气体的体积增大,根据理想气体的状态方程
=C,可知汽缸内气体的压强变小,C项正确;气体对外界做功,而气体的内能不变,所以气体吸收热量,D项错误,E项正确。
【答案】ACE
2.（2018河北邯郸一中模拟）（多选）关于热力学定律,下列说法正确的是（ ）。
A.自然发生的热传递过程是向着分子热运动无序性增大的方向进行的
B.机械能可以全部转化为内能,内能也可以全部用来做功以转化成机械能
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
E.一定质量的理想气体经过等容过程,吸收热量,其内能一定增加
【解析】根据热力学第二定律可知,自然发生的热传递过程是向着分子热运动无序性增大的方向进行的,A项正确;机械能可以全部转化为内能,而内能在引起其他变化时也可以全部转化为机械能,B项正确;尽管技术不断进步,热机的效率仍不能达到100%,制冷机也不能使温度降到-293℃,只能无限接近-273℃,却永远不能达到,C项错误;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,但违背了热力学第二定律,第二类永动机不可能制造出来,D项错误;一定质量的理想气体经过等容过程,吸收热量,没有对外做功,根据热力学第一定律可知,其内能一定增加,E项正确。
【答案】ABE
3.（2018河北保定六校联考）（多选）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】因为
=C,从图中可以看出,ab过程为等容变化,故体积V不变,因此ab过程外力做功W=0,气体温度升高,则ΔU>0,根据热力学第一定律ΔU=Q+W可知Q>0,即气体吸收热量,A项正确。
bc过程气体温度不变,ΔU=0,但气体压强减小,由
=C可知V增大,气体对外做功,W<0,由ΔU=Q+W可知Q>0,即气体吸收热量,B项错误。
ca过程气体压强不变,温度降低,则ΔU<0,由
=C可知V减小,外界对气体做功,W>0,由ΔU=W+Q可知W<|Q|,C项错误。
状态a温度最低,而温度是分子平均动能的标志,D项正确。
bc过程体积增大了,容器内分子数密度减小,温度不变,分子平均速率不变,因此容器壁单位面积单位时间受到分子撞击的次数减少了,E项正确。
【答案】ADE
4.（2018山东东营水平检测）（多选）如图所示,密闭绝热容器内有一绝热的具有一定质量的活塞,活塞的上部封闭着气体,下部为真空,活塞与器壁的摩擦忽略不计。
置于真空中的轻弹簧的一端固定于容器的底部,另一端固定在活塞上,弹簧被压缩后用绳扎紧,此时弹簧的弹性势能为Ep（弹簧处在自然长度时的弹性势能为零）。
现绳突然断开,弹簧推动活塞向上运动,经过多次往复运动后活塞静止,气体达到平衡状态,经过此过程（ ）。
A.绝热容器内气体的内能增加
B.活塞的重力势能增加
C.绝热容器内气体压强增加
D.弹簧的弹性势能为零
E.绝热容器内气体的体积增加
【解析】以活塞为研究对象,设开始时气体压强为p1,活塞质量为m,横截面积为S,在末状态时压强为p2,开始有细线向下拉着活塞,则F弹>mg+p1S,由题意可知活塞末位置必须高于初位置,否则不能平衡,活塞的重力势能增加,B项正确;由ΔU=W+Q（由于容器绝热则Q=0）可知,W为正,ΔU必为正,温度升高,内能增加,A项正确;气体体积减小,温度升高,根据
=C可知气体压强增加,C项正确,E项错误;在末状态时,由力的平衡条件知F弹'=mg+p2S,弹簧仍然具有一部分弹性势能,D项错误。
【答案】ABC
5.（2018四川成都开学月考）（多选）如图甲所示,一定质量的理想气体,从状态A经绝热过程A→B、等容过程B→C、等温过程C→A又回到了状态A,则（ ）。
A.A→B过程气体温度降低
B.B→C过程气体内能减少
C.C→A过程气体放热
D.全部过程气体对外界所做的功大于外界对气体所做的功
E.全部过程气体向外界放出的热量大于从外界吸收的热量
【解析】A→B过程是绝热过程,Q1=0,体积变大,气体对外做功,W1<0,根据热力学第一定律ΔU1=Q1+W1,得ΔU1<0,内能减小,温度降低,A项正确。
B→C过程中,气体体积不变,根据查理定律可知,压强增加,温度升高,内能增加,ΔU2>0,根据热力学第一定律ΔU2=Q2+W2,体积不变气体对外不做功,W2=0,则Q2>0,气体吸热,B项错误。
C→A过程是等温变化,气体内能不变,ΔU3=0气体,气体体积减小,外界对气体做功,W3>0,根据热力学第一定律得Q3<0,气体放热,C项正确。
全部过程分三个过程,A到B过程气体对外做功,W1<0;B到C过程不做功;C到A过程外界对气体做功,W3>0,在p-V图象中,图线与坐标轴围成的图形的面积等于所做的功,则A到B过程气体对外界做的功小于C到A过程外界对气体做的功,如图乙阴影面积所示,故W1+W3>0,D项错误;全过程结束,气体回到状态A,内能不变,所以Q2+Q3<0,即全部过程气体向外界放出的热量大于从外界吸收的热量,E项正确。
【答案】ACE
6.（2016东北三省10月模拟）（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
【解析】根据能量守恒定律可知,第一类永动机是不可能制成的,故A项正确;能量耗散过程中能量也是守恒的,故B项错误;电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界,没有违背热力学第二定律,因为消耗了电能,故C项错误;能量耗散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,故D项正确;根据热力学第二定律可知,物体从单一热源吸收的热量可全部用于做功而引起其他变化是可能的,故E项正确。
【答案】ADE
7.（2019福州一中开学测试）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,活塞因重力而产生的压强为0.2p0,活塞的横截面积为S,与容器底部相距h,此时活塞处于平衡状态,气体的温度为T0。
现在活塞上放置一个质量与活塞质量相等的物块,活塞下降了
后达到稳定,气体的温度为T1,再通过电热丝缓慢加热气体,当气体吸收热量Q时活塞缓慢向上移动,恰好回到原来的位置并静止,此时气体的温度为T2。
已知大气压强为p0,重力加速度为g,不计活塞与汽缸间的摩擦,不计理想气体的重力势能,求:
（1）T1与T0的比值和T2与T0的比值。
（2）加热过程中气体的内能增加量。
【解析】
（1）放上物块后,由理想气体状态方程可知
=
解得
=
当加热后活塞回到原位置时,由查理定律可知
=
解得
=
。
（2）在加热过程中,气体做等压变化,上升过程中对外做功
W=-1.4p0S×
h=-
p0Sh
故内能增加量ΔU=Q+W=Q-
p0Sh。
【答案】
（1）
（2）Q-
p0Sh
8.（2018甘肃天水12月月考）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p-V图象如图所示。
已知该气体在状态A时的温度为27℃。
则:
（1）该气体在状态B、C时的温度分别为多少摄氏度?
（2）该气体从状态A到状态C的过程中内能的变化量是多少?
（3）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?
【解析】
（1）状态A:
TA=300K,pA=3×105Pa,VA=1×10-3m3
状态B:
pB=1×105Pa,VB=1×10-3m3
状态C:
pC=1×105Pa,VC=3×10-3m3
A到B过程为等容变化过程,由等容变化规律得
=
代入数据得TB=100K,故tB=-173℃
B到C过程为等压变化过程,由等压变化规律得
=
代入数据得TC=300K,故tC=27℃。
（2）因为状态A和状态C温度相等,且气体的内能是所有分子的动能之和,温度是分子平均动能的标志,所以在这个过程中ΔU=0。
（3）由热力学第一定律得ΔU=Q+W
因为ΔU=0
故Q=-W
在整个过程中,气体在B到C过程对外做功,所以
W=-pBΔV=-200J
即Q=200J,是正值,故在这个过程中吸热。
【答案】
（1）-173℃ 27℃
（2）0 （3）吸热 200J
1.[2018全国卷Ⅰ,33
（1）]（多选）如图甲,一定质量的理想气体从状态a开始,经历过程①、②、③、④到达状态e。
对此气体,下列说法正确的是（ ）。
甲
A.过程①中气体的压强逐渐减小
B.过程②中气体对外界做正功
C.过程④中气体从外界吸收了热量
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
【解析】过程①中,气体由a到b,体积V不变、T升高,则压强增大,A项错误。
过程②中,气体由b到c,体积V变大,
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