版总复习高中物理讲义选修33 热学选修33 基础.docx

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版总复习高中物理讲义选修33热学选修33基础

基础课3　热力学定律与能量守恒定律

知识排查

热力学第一定律

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）ΔU＝Q＋W中正、负号法则：

能量守恒定律

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，或者是从一个物体转移到另一个物体，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。

3.第一类永动机是不可能制成的，它违背了能量守恒定律。

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.第二类永动机不可能制成的原因是违背了热力学第二定律。

小题速练

1.思考判断

（1）外界压缩气体做功20J，气体的内能可能不变。

（　　）

（2）电冰箱的工作过程表明，热量可以从低温物体向高温物体传递。

（　　）

（3）科技的进步可以使内燃机成为单一热源的热机。

（　　）

（4）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。

（　　）

（5）一定量100℃的水变成100℃的水蒸气，其分子之间的势能增加。

（　　）

答案　

（1）√　

（2）√　（3）×　（4）×（5）√

2.（多选）对于热力学第一定律和热力学第二定律的理解，下列说法正确的是（　　）

A.一定质量的气体膨胀对外做功100J，同时从外界吸收120J的热量，则它的内能增大20J

B.物体从外界吸收热量，其内能一定增加；物体对外界做功，其内能一定减少

C.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

D.第二类永动机违反了热力学第二定律，没有违反热力学第一定律

E.热现象过程中不可避免地出现能量耗散现象，能量耗散符合热力学第二定律

解析　根据热力学第一定律知ΔU＝W＋Q＝－100J＋120J＝20J，故选项A正确；根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，可知物体从外界吸收热量，其内能不一定增加，物体对外界做功，其内能不一定减少，选项B错误；通过做功的方式可以让热量从低温物体传递给高温物体，如电冰箱，选项C错误；第二类永动机没有违反能量守恒定律，热力学第一定律是能量转化和守恒定律在热学中的反映，因此第二类永动机没有违反热力学第一定律，不能制成是因为它违反了热力学第二定律，故选项D正确；能量耗散过程体现了宏观自然过程的方向性，符合热力学第二定律，选项E正确。

答案　ADE

　热力学第一定律与能量守恒定律

1.做功和热传递的区别

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。

2.三种特殊情况

（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量。

（2）若过程中不做功，则W＝0，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。

1.（2018·襄阳模拟）（多选）下列对热力学定律的理解正确的是（　　）

A.可以从单一热源吸收热量，使之完全变为功

B.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

C.空调机在制冷过程中，从室内吸收的热量少于向室外放出的热量

D.热量不可能由低温物体传给高温物体

E.如果物体从外界吸收了热量，物体的内能也可能减少

解析　在引起其他变化的情况下，从单一热源吸收热量可以将其全部变为功，选项A正确；由热力学第一定律可知，当W≠0，Q≠0时，ΔU＝W＋Q可以等于0，选项B错误；空调机在制冷过程中消耗了电能，总体上是放出热量，选项C正确；热量可以由低温物体传给高温物体，选项D错误；物体从外界吸收热量，可能同时对外做功，如果对外做的功大于从外界吸收的热量，则物体的内能减少，选项E正确。

答案　ACE

2.（2018·吉林长春质检）（多选）下列各说法正确的是（　　）

A.气体扩散现象表明气体分子间存在斥力

B.对于同一理想气体，温度越高，分子平均动能越大

C.热量总是自发地从分子平均动能大的物体传递到分子平均动能小的物体

D.用活塞压缩汽缸内的理想气体，对气体做了3.0×105J的功，同时气体向外界放出1.5×105J的热量，则气体内能增加了1.5×105J

E.饱和汽压与分子密度有关，与温度无关

解析　气体扩散现象表明气体分子在做无规则运动，选项A错误；由于温度是分子平均动能的标志，故对于同一理想气体，温度越高，分子平均动能越大，选项B正确；分子的平均动能大，则说明物体的温度高，热量总是自发地从高温物体传递到低温物体，选项C正确；用活塞压缩汽缸内的理想气体，根据热力学第一定律，对气体做了3.0×105J的功，同时气体向外界放出1.5×105J的热量，则气体内能增加了1.5×105J，选项D正确；饱和汽压与温度有关，且随着温度的升高而增大，选项E错误。

答案　BCD

3.[2017·全国卷Ⅲ，33

（1）]（多选）如图1，一定质量的理想气体从状态a出发，经过等容过程ab到达状态b，再经过等温过程bc到达状态c，最后经等压过程ca回到初态a。

下列说法正确的是（　　）

图1

A.在过程ab中气体的内能增加

B.在过程ca中外界对气体做功

C.在过程ab中气体对外界做功

D.在过程bc中气体从外界吸收热量

E.在过程ca中气体从外界吸收热量

解析　在过程ab中，体积不变，气体对外界不做功，压强增大，温度升高，内能增加，故选项A正确，C错误；在过程ca中，气体的体积缩小，外界对气体做功，压强不变，温度降低，内能变小，气体向外界放出热量，故选项B正确，E错误；在过程bc中，温度不变，内能不变，体积增大，气体对外界做功，由热力学第一定律可知，气体要从外界吸收热量，故选项D正确。

答案　ABD

4.[2017·全国卷Ⅱ，33

（1）]（多选）如图2，用隔板将一绝热汽缸分成两部分，隔板左侧充有理想气体，隔板右侧与绝热活塞之间是真空。

现将隔板抽开，气体会自发扩散至整个汽缸。

待气体达到稳定后，缓慢推压活塞，将气体压回到原来的体积。

假设整个系统不漏气。

下列说法正确的是（　　）

图2

A.气体自发扩散前后内能相同

B.气体在被压缩的过程中内能增大

C.在自发扩散过程中，气体对外界做功

D.气体在被压缩的过程中，外界对气体做功

E.气体在被压缩的过程中，气体分子的平均动能不变

解析　因为汽缸、活塞都是绝热的，隔板右侧是真空，所以理想气体在自发扩散的过程中，既不吸热也不放热，也不对外界做功。

根据热力学第一定律可知，气体自发扩散前后，内能不变，选项A正确，选项C错误；气体被压缩的过程中，外界对气体做功，气体内能增大，又因为一定质量的理想气体的内能只与温度有关，所以气体温度升高，分子平均动能增大，选项B、D正确，选项E错误。

答案　ABD

应用热力学第一定律的三点注意

（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。

气体向真空中自由膨胀，对外界不做功，W＝0。

（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。

　对热力学第二定律的理解

1.对热力学第二定律关键词的理解

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

自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性。

如

3.两类永动机的比较

分类

第一类永动机

第二类永动机

设计要求

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

不可能制成的原因

违背能量守恒

不违背能量守恒，违背热力学第二定律

1.（多选）下列关于热力学第二定律的说法正确的是（　　）

A.所有符合能量守恒定律的宏观过程都能发生

B.一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的

C.机械能可以全部转化为内能，但内能无法全部用来做功而转化成机械能

D.气体向真空的自由膨胀是可逆的

E.热运动的宏观过程有一定的方向性

解析　符合能量守恒定律，但违背热力学第二定律的宏观过程不能发生，选项A错误；一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的，选项B正确；机械能可以全部转化为内能，但内能无法全部用来做功而转化成机械能，选项C正确；气体向真空的自由膨胀是不可逆的，选项D错误；热运动的宏观过程有一定的方向性，选项E正确。

答案　BCE

2.[2016·全国卷Ⅰ，33

（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

解析　气体内能的改变ΔU＝Q＋W，故对气体做功可改变气体内能，选项B正确；气体吸热为Q，但不确定外界做功W的情况，故不能确定气体温度的变化，选项A错误；理想气体等压膨胀，W<0，由理想气体状态方程

＝C，p不变，V增大，气体温度升高，内能增大，ΔU>0，由ΔU＝Q＋W，知Q>0，气体一定吸热，选项C错误；由热力学第二定律，选项D正确；根据热平衡原理，选项E正确。

答案　BDE

3.（多选）根据热力学定律，下列说法正确的是（　　）

A.电冰箱的工作表明，热量可以从低温物体向高温物体传递

B.空调机在制冷过程中，从室内吸收的热量少于向室外放出的热量

C.科技的不断进步使得人类有可能生产出从单一热源吸热全部用来对外做功而不引起其他变化的热机

D.即使没有漏气、摩擦、不必要的散热等损失，热机也不可以把燃料产生的内能全部转化为机械能

E.对能源的过度消耗使自然界的能量不断减少，形成“能源危机”

解析　热量可以在外界做功的情况下从低温物体向高温物体传递，但不能自发进行，选项A正确；空调机在制冷过程中，从室内吸收的热量少于向室外放出的热量，选项B正确；不可能从单一热源吸热全部用来对外做功而不引起其他变化，故选项C错误；根据热力学第二定律，即使没有漏气、摩擦、不必要的散热等损失，热机也不可以把燃料产生的内能全部转化为机械能，故选项D正确；对能源的过度消耗将形成“能源危机”，但自然界的总能量守恒，故选项E错误。

答案　ABD

　热力学定律与气体实验定律的综合应用

解决热力学定律与气体实验定律的综合问题的思路

1.（多选）如图3所示，一定质量的理想气体从状态A依次经过状态B、C和D后再回到状态A。

其中，A→B和C→D为等温过程，B→C和D→A为绝热过程（气体与外界无热量交换）。

该循环过程中，下列说法正确的是（　　）

图3

A.A→B过程中，气体的内能不变

B.B→C过程中，气体分子的平均动能增大

C.C→D过程中，气体分子数密度增大，单位时间内碰撞单位面积器壁的分子数增多

D.D→A过程中，外界对气体做的功小于气体内能的增加量

E.若气体在A→B过程中吸收63kJ的热量，在C→D过程中放出38kJ的热量，则气体完成一次循环对外做的功为25kJ

解析　A→B为等温过程，气体的内能不变，选项A正确；B→C为绝热过程，气体没有与外界热交换，体积增大，气体对外界做功，内能减小，所以B→C过程中，气体分子的平均动能减小，选项B错误；C→D为等温过程，C→D过程中，气体体积减小，单位时间内碰撞单位面积器壁的分子数增多，选项C正确；D→A过程中，气体与外界无热量交换，体积减小，外界对气体做功，外界对气体做的功等于气体内能的增加量，选项D错误；气体完成一次循环，气体的内能不变，由热力学第一定律可如，气体对外做的功为63kJ－38kJ＝25kJ，选项E正确。

答案　ACE

2.（2018·河南郑州质检）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4所示。

已知该气体在状态A时的温度为27℃。

求：

图4

（1）该气体在状态B时的温度；

（2）该气体从状态A到状态C的过程中与外界交换的热量。

解析　

（1）对于理想气体：

A→B过程，

由查理定律得

＝

，

得TB＝100K，

所以tB＝TB－273℃＝－173℃。

（2）B→C过程，由盖—吕萨克定律得

＝

，

得TC＝300K，所以tC＝TC－273℃＝27℃。

由于状态A与状态C温度相同，气体内能相等，而A→B过程是等容变化气体对外不做功，B→C过程中气体体积膨胀对外做功，即从状态A到状态C气体对外做功，故气体应从外界吸收热量，即Q＝pΔV＝1×105×（3×10－3－1×10－3）J＝200J。

答案　

（1）－173℃　

（2）200J

3.如图5所示，竖直放置的汽缸，活塞横截面积为S＝0.10m2，活塞的质量忽略不计，气缸侧壁有一个小孔与装有水银的U形玻璃管相通。

开始活塞被锁定，汽缸内封闭了一段高为80cm的气柱（U形管内的气体体积不计），此时缸内气体温度为27℃，U形管内水银面高度差h1＝15cm。

已知大气压强p0＝1.0×105Pa，水银的密度ρ＝13.6×103kg/m3，重力加速度g取10m/s2。

图5

（1）让汽缸缓慢降温，直至U形管内两边水银面相平，求这时封闭气体的温度；

（2）接着解除对活塞的锁定，活塞可在汽缸内无摩擦滑动，同时对汽缸缓慢加热，直至汽缸内封闭的气柱高度达到96cm，求整个过程中气体与外界交换的热量。

解析　

（1）由题意知，活塞位置不变，汽缸内气体做等容变化

由查理定理可知，

＝

p1＝p0＋ρgh1＝1.2×105Pa，p2＝p0＝1.0×105Pa，T1＝300K

解得T2＝250K

（2）接着解除对活塞的锁定，活塞可在汽缸内无摩擦滑动，即整个过程中气体压强p0＝1.0×105Pa

由盖—吕萨克定律知

＝

解得T3＝300K

因为T3＝T1＝300K，所以初状态与末状态气体内能相等，而第一个变化过程是等容变化，气体不对外做功，第二个变化过程中气体膨胀对外做功，故气体应从外界吸收热量，吸收的热量等于第二个变化过程中气体膨胀对外做的功，即Q＝p0ΔV＝1600J。

答案　

（1）250K　

（2）1600J

审题时容易漏掉“开始活塞被锁定”、“活塞的质量忽略不计”这些重要条件，从而无法判断气体状态参量的变化情况。

活页作业

（时间：

30分钟）

A级：

保分练

1.（多选）关于热力学定律，以下说法正确的是（　　）

A.热力学第一定律是能量守恒定律在热力学中的体现，否定了创造和消灭能量的可能性，告诉我们第一类永动机不可能制成

B.热力学第二定律反映了一切与热现象有关的宏观自然过程都具有方向性，告诉我们第二类永动机不可能制成

C.做功和热传递都能改变物体的内能，根据最后的结果可以区分是做功还是热传递使物体温度升高的

D.热力学第一定律指出内能可以与其他形式的能相互转化，热力学第二定律指出内能不可能完全转化为机械能，故二者是相互矛盾的

E.热力学第一定律和热力学第二定律分别从不同的角度揭示了与热现象有关的物理过程所遵循的规律，二者相互独立，又相互补充，都是热力学的理论基础

解析　做功和热传递都能改变物体的内能，根据最后的结果无法判断是做功还是热传递使物体温度升高的，选项C错误；热力学第二定律是能量守恒定律在热现象中的体现，热力学第二定律则指出了能量转化的方向性，二者并不矛盾，选项D错误。

答案　ABE

2.（多选）关于能量和能源，下列说法正确的是（　　）

A.在能源的利用过程中，能量在数量上并未减少

B.能量耗散说明能量在转化的过程中，其总量会不断减少

C.能量耗散现象说明，在能量转化的过程中，可利用的品质降低了

D.人类在不断地开发和利用新能源，所以能量可以被创造

E.在能源的利用过程中，可利用率越来越小，故仍需节约能源

解析　由能量守恒定律知，在能源的利用过程中，能量在数量上并未减少，故选项A正确；能量耗散说明在转化的过程中能量的可利用率越来越小，可利用的品质降低了，但总量不会减少，故选项B错误，C正确；能量既不会被创造也不会消失，只能从一种形式转化为另一种形式，或从一个物体转移到另一个物体，故选项D错误；在能源的利用过程中，可利用率越来越小，故仍需节约能源，选项E正确。

答案　ACE

3.（多选）关于物体的内能，以下说法中正确的是（　　）

A.物体吸收热量，内能一定增大

B.物体放出热量，同时对外做功，内能一定减少

C.物体体积改变，内能可能不变

D.不可能从单一热源吸收热量，使之完全变为功

E.质量相同的0℃的水的内能比0℃的冰的内能大

解析　物体吸收热量，若同时对外做功，其内能可能减少，选项A错误；根据热力学第一定律，物体放出热量，同时对外做功，内能一定减少，选项B正确；物体体积改变，例如理想气体体积改变，只要温度不变，其内能不变，选项C正确；可以从单一热源吸收热量，使之完全变为功，但是会引起其他变化，选项D错误；0℃的水变成0℃的冰需要放出热量，故质量相同的0℃的水的内能比0℃的冰的内能大，选项E正确。

答案　BCE

4.（多选）下列对热学相关知识的判断中正确的是（　　）

A.对一定质量的气体加热，其内能一定增大

B.物体温度升高时，物体内的每个分子的速率都将增大

C.对一定质量的理想气体，当它的压强、体积都增大时，其内能一定增大

D.功转化为热的实际宏观过程是不可逆过程

E.自然界中的能量虽然是守恒的，但有的能量便于利用，有的不便于利用，故要节约能源

解析　气体内能变化由做功和热传递共同决定，A错误；温度升高，分子的平均动能增大，部分分子速率也会减小，B错误；理想气体压强和体积增大，温度一定增大，内能一定增大，C正确；一切涉及热现象的宏观过程都是不可逆的，D正确；自然界中的能量在数量上是守恒的，但能量在转化过程中，品质逐渐降低，可利用的能量在逐渐减少，故要节约能源，E正确。

答案　CDE

5.（多选）一定量的理想气体从状态M可以经历过程1或者过程2到状态N，其

p－V图象如图1所示。

在过程1中，气体始终与外界无热量交换；在过程2中，气体先经历等容变化再经历等压变化。

对于这两个过程，下列说法正确的是（　　）

图1

A.气体经历过程1，其温度降低

B.气体经历过程1，其内能减小

C.气体在过程2中一直对外放热

D.气体在过程2中一直对外做功

E.气体经历过程1的内能改变量与经历过程2的相同

解析　气体经历过程1，压强减小，体积变大，膨胀对外做功，内能减小，故温度降低，故选项A、B正确；气体在过程2中，根据理想气体状态方程

＝C，刚开始时，体积不变，压强减小，则温度降低，对外放热，然后压强不变，体积变大，膨胀对外做功，则温度升高，吸热，故选项C、D错误；无论是经过1过程还是2过程，初、末状态相同，故内能改变量相同，故选项E正确。

答案　ABE

6.如图2所示，用带孔橡皮塞把塑料瓶口塞住，向瓶内迅速打气，在瓶塞弹出前，外界对气体做功15J，橡皮塞的质量为20g，橡皮塞被弹出的速度为10m/s，若橡皮塞增加的动能占气体对外做功的10%，瓶内的气体可视为理想气体。

则瓶内气体的内能变化量为________J，瓶内气体的温度________（选填“升高”“不变”或“降低”）。

图2

解析　由题意可知，气体对外做的功W对外＝

＝

J＝10J，由题意可知，向瓶内迅速打气，在整个过程中，可认为气体与外界没有热交换，即Q＝0，则气体内能的变化量ΔU＝W＋Q＝15J－10J＋0＝5J，气体内能增加，温度升高。

答案　5　升高

B级：

拔高练

7.一定质量的理想气体经历了如图3所示的A→B→C→D→A循环，该过程每个状态视为平衡态，各状态参数如图所示。

A状态的压强为1×105Pa，求：

图3

（1）B状态的温度；

（2）完成一个循环，气体与外界交换的热量。

解析　

（1）理想气体从A状态到B状态的过程中，压强保持不变，根据盖—吕萨克定律有

＝

代入数据解得TB＝600K

（2）理想气体从A状态到B状态的过程中，外界对气体做的功W1＝－pA（VB－VA）＝－100J

气体从B状态到C状态的过程中，体积保持不变，

根据查理定律有

＝

解得pC＝2.5×105Pa，从C状态到D状态的过程中，外界对气体做功W2＝pC（VB－VA）＝250J

一次循环过程中外界对气体所做的总功W＝W1＋W2＝150J

理想气体从A状态完成一次循环，回到A状态，始末温度不变，所以内能不变。

根据热力学第一定律有ΔU＝W＋Q

解得Q＝－150J，故完成一个循环，气体放出的热量为150J。

答案　

（1）600K　

（2）150J

8.（2018·江西省赣州市摸底考试）一定质量的理想气体被一厚度可忽略的活塞封闭在导热性能良好的汽缸内，如图4所示水平放置。

活塞的质量m＝20kg，横截面积S＝100cm2，活塞可沿汽缸壁无摩擦滑动但不漏气，开始使汽缸水平放置（如图甲），活塞与汽缸底的距离L1＝12cm，离汽缸口的距离L0＝4cm。

外界气温为27℃，大气压强为1.0×105Pa，将汽缸缓慢地转到开口向上的竖直位置（如图乙），待稳定后对缸内气体逐渐加热，使活塞上表面刚好与汽缸口相平（如图丙）。

g取10m/s2，求：

图4

（1）此时（如图丙）气体的温度为多少？

（2）在对缸内气体加热的过程中，气体膨胀对外做功，若气体增加的内能ΔU＝

318J，则气体吸收的热量Q多大。

解析　

（1）当汽缸水平放置时（如题图甲）

p1＝p0＝1.0×105Pa，V1＝L1S

T1＝273＋27＝300K

当汽缸口向上，活塞到达汽缸口时（如题图丙）

p3＝p0＋

＝1.2×105Pa，V3＝（L1＋L0）S

由理想气体状态方程得

＝

则T3＝480K

（2）当汽缸口向上，未加热时（如题图乙）

p2＝p0＋

＝1.2×105Pa，V2＝L2S

T2＝（273＋27）K＝300K

由玻意耳定律有p1V1＝p2V2得L2＝10cm

加热后，气体做等压变化，外界对气体做功为

W＝－p2S（L1＋L0－L2）＝－72J

根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q得，Q＝390J

答案　

（1）480K　

（2）390J