江蘇專用2022版高考物理一輪復(fù)習(xí)第12章熱學(xué)第3節(jié)熱力學(xué)定律與能量守恒定律學(xué)案

江蘇專用2022版高考物理一輪復(fù)習(xí)第12章熱學(xué)第3節(jié)熱力學(xué)定律與能量守恒定律學(xué)案江蘇專用2022版高考物理一輪復(fù)習(xí)第12章熱學(xué)第3節(jié)熱力學(xué)定律與能量守恒定律學(xué)案PAGE22-江蘇專用2022版高考物理一輪復(fù)習(xí)第12章熱學(xué)第3節(jié)熱力學(xué)定律與能量守恒定律學(xué)案第3節(jié)熱力學(xué)定律與能量守恒定律一、熱力學(xué)第一定律1．改變物體內(nèi)能的兩種方式(1)做功；(2)熱傳遞。2．熱力學(xué)第一定律(1)內(nèi)容：一個熱力學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)能增量等于外界向它傳遞的熱量與外界對它所做的功的和。（2）表達(dá)式：ΔU＝Q＋W.(3)正、負(fù)號法則：物理量WQΔU＋外界對物體做功物體吸收熱量內(nèi)能增加－物體對外界做功物體放出熱量內(nèi)能減少二、能量守恒定律1．內(nèi)容能量既不會憑空產(chǎn)生,也不會憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或者是從一個物體轉(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．條件性能量守恒定律是自然界的普遍規(guī)律,某一種形式的能是否守恒是有條件的.3．第一類永動機(jī)是不可能制成的，它違背了能量守恒定律.三、熱力學(xué)第二定律1．熱力學(xué)第二定律的兩種表述(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：不可能從單一熱庫吸收熱量，使之完全變成功,而不產(chǎn)生其他影響。或表述為“第二類永動機(jī)是不可能制成的”。2．熱力學(xué)第二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(jìn)行。3．第二類永動機(jī)不可能制成的原因是違背了熱力學(xué)第二定律。1．思考辨析（正確的畫“√",錯誤的畫“×”)(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)現(xiàn)打氣筒的溫度升高，這是因為打氣筒從外界吸熱。 （×）(3）可以從單一熱源吸收熱量，使之完全變成功。 （√）(4）熱機(jī)中，燃?xì)獾膬?nèi)能可以全部變?yōu)闄C(jī)械能而不引起其他變化. （×）(5）自由擺動的秋千擺動幅度越來越小，能量正在消失。 (×)(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. (√）2．(人教版選修3－3P61T2)下列現(xiàn)象中不能夠發(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(jī)把蒸汽的內(nèi)能部分轉(zhuǎn)化成機(jī)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、水自動分離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A[由熱力學(xué)第二定律可知，一切自發(fā)進(jìn)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(jī)的工作效率不可能達(dá)到100％，B正確;泥沙下沉，系統(tǒng)的重力勢能減少,沒有違背熱力學(xué)第二定律，C正確；冰箱通過壓縮機(jī)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，沒有違背熱力學(xué)第二定律,D正確。]3．下列敘述和熱力學(xué)定律相關(guān),其中正確的是（）A．第一類永動機(jī)不可能制成，是因為違背了熱力學(xué)第二定律B．能量耗散過程中能量不守恒C．電冰箱的制冷系統(tǒng)能夠不斷地把冰箱內(nèi)的熱量傳到外界，違背了熱力學(xué)第二定律D．能量耗散是從能量轉(zhuǎn)化的角度反映出自然界中的宏觀過程具有方向性D［第一類永動機(jī)不可能制成，是因為違背了能量守恒定律，選項A錯誤;能量耗散過程中能量仍然守恒，只是將能量從高度有用的形式降級為不大可用的形式，選項B錯誤；電冰箱的制冷系統(tǒng)能夠不斷地把冰箱內(nèi)的熱量傳到外界，是利用壓縮機(jī)做功，引起了其他變化，不違背熱力學(xué)第二定律，選項C錯誤；能量耗散是從能量轉(zhuǎn)化的角度反映出自然界中的宏觀過程具有方向性，選項D正確。］4．對于熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律的理解，下列說法正確的是（)A．一定質(zhì)量的氣體膨脹對外做功100J，同時從外界吸收120J的熱量，則它的內(nèi)能減少20JB．物體從外界吸收熱量，其內(nèi)能一定增加;物體對外界做功，其內(nèi)能一定減少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．第二類永動機(jī)違反了熱力學(xué)第二定律,沒有違反熱力學(xué)第一定律D[根據(jù)熱力學(xué)第一定律知ΔU＝W＋Q＝－100J＋120J＝20J，內(nèi)能增加20J,故選項A錯誤；根據(jù)熱力學(xué)第一定律ΔU＝W＋Q，可知物體從外界吸收熱量，其內(nèi)能不一定增加，物體對外界做功,其內(nèi)能不一定減少，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；第二類永動機(jī)沒有違反能量守恒定律，熱力學(xué)第一定律是能量轉(zhuǎn)化和守恒定律在熱學(xué)中的反映,因此第二類永動機(jī)沒有違反熱力學(xué)第一定律，不能制成是因為它違反了熱力學(xué)第二定律，故選項D正確.］熱力學(xué)第一定律與能量守恒定律eq\o（［依題組訓(xùn)練])1．下列說法正確的是(）A．物體放出熱量，其內(nèi)能一定減小B．物體對外做功,其內(nèi)能一定減小C．物體吸收熱量,同時對外做功，其內(nèi)能可能增加D．物體放出熱量，同時對外做功，其內(nèi)能可能不變C[由熱力學(xué)第一定律ΔU＝W＋Q可知，若物體放出熱量,但外界對物體做正功,則ΔU不一定為負(fù)值，即內(nèi)能不一定減小,故A項錯誤；同理可分析出，B項和D項錯誤，C項正確。]2．關(guān)于熱力學(xué)定律,下列說法正確的是（）A．氣體吸熱后溫度一定升高B．對氣體做功可以改變其內(nèi)能C．理想氣體等壓膨脹過程一定放熱D．熱量可能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體B[根據(jù)熱力學(xué)定律，氣體吸熱后如果對外做功，則溫度不一定升高,說法A錯誤；改變物體內(nèi)能的方式有做功和傳熱,對氣體做功可以改變其內(nèi)能，說法B正確；理想氣體等壓膨脹對外做功，根據(jù)eq\f（pV,T）＝恒量知，膨脹過程一定吸熱，說法C錯誤;根據(jù)熱力學(xué)第二定律，熱量不可能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體,說法D錯誤.]3．如圖所示，用隔板將一絕熱汽缸分成兩部分，隔板左側(cè)充有理想氣體，隔板右側(cè)與絕熱活塞之間是真空?，F(xiàn)將隔板抽開,氣體會自發(fā)擴(kuò)散至整個汽缸。待氣體達(dá)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。下列說法不正確的是(）A．氣體自發(fā)擴(kuò)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(kuò)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C[氣體向真空膨脹時不受阻礙，氣體不對外做功，由于汽缸是絕熱的，沒有熱交換，所以氣體擴(kuò)散后內(nèi)能不變，選項A正確；氣體被壓縮的過程中，外界對氣體做功，且沒有熱交換，根據(jù)熱力學(xué)第一定律，氣體的內(nèi)能增大，選項B、D正確；氣體在真空中自發(fā)擴(kuò)散的過程中不對外做功，選項C錯誤。］4．（2019·全國卷Ⅰ)某容器中的空氣被光滑活塞封住，容器和活塞絕熱性能良好，空氣可視為理想氣體。初始時容器中空氣的溫度與外界相同，壓強(qiáng)大于外界?，F(xiàn)使活塞緩慢移動，直至容器中的空氣壓強(qiáng)與外界相同。此時,容器中空氣的溫度________（選填“高于"“低于”或“等于”)外界溫度，容器中空氣的密度________(選填“大于”“小于”或“等于")外界空氣的密度。［解析］由于初始時封閉在容器中的空氣的壓強(qiáng)大于外界壓強(qiáng)，容器和活塞絕熱性能良好,容器中空氣與外界沒有熱量交換,容器中的空氣推動活塞對外做功,由熱力學(xué)第一定律可知,空氣內(nèi)能減小。根據(jù)理想氣體內(nèi)能只與溫度有關(guān)可知,活塞緩慢移動后容器中空氣的溫度降低，即容器中的空氣溫度低于外界溫度。因壓強(qiáng)與氣體溫度和分子的密集程度有關(guān)，當(dāng)容器中的空氣壓強(qiáng)與外界壓強(qiáng)相同時，容器中空氣溫度小于外界空氣溫度，故容器中空氣的密度大于外界空氣密度。［答案]低于大于1．對熱力學(xué)第一定律的理解(1)做功和熱傳遞在改變系統(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)第一定律的三種特殊情況（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，物體吸收的熱量等于物體內(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，即物體吸收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.3．應(yīng)用熱力學(xué)第一定律的三點注意（1)做功看體積:體積增大,氣體對外做功，W為負(fù);體積縮小，外界對氣體做功，W為正。氣體向真空中自由膨脹，對外界不做功，W＝0.(2）與外界絕熱,則不發(fā)生熱傳遞，此時Q＝0.(3）由于理想氣體沒有分子勢能，所以當(dāng)它的內(nèi)能變化時，體現(xiàn)在分子動能的變化上，從宏觀上看就是溫度發(fā)生的變化。熱力學(xué)第二定律的理解及應(yīng)用eq\o（［依題組訓(xùn)練]）1．關(guān)于熱力學(xué)定律，下列說法正確的是（)A．為了增加物體的內(nèi)能，必須對物體做功或向它傳遞熱量B．對某物體做功,必定會使該物體的內(nèi)能增加C．不可以從單一熱源吸收熱量，使之完全變?yōu)楣．不可能使熱量從低溫物體傳向高溫物體A[內(nèi)能的改變可以通過做功或熱傳遞進(jìn)行，故A對；對某物體做功，若物體向外放熱，則物體的內(nèi)能不一定增加，B錯；在引起其他變化的情況下，從單一熱源吸收熱量可以將其全部變?yōu)楣?，C錯；在引起其他變化的情況下，可以將熱量從低溫物體傳向高溫物體，D錯。］2．下列說法正確的是()A．壓縮氣體總能使氣體的溫度升高B．能量耗散過程中能量是不守恒的C．第一類永動機(jī)不可能制成，是因為違背了能量守恒定律D．第二類永動機(jī)不違背能量守恒定律，但違背了熱力學(xué)第一定律C[內(nèi)能的變化取決于做功和熱傳遞兩個方面,壓縮氣體并不一定能使氣體溫度升高，選項A錯誤；由能量守恒定律可知，選項B錯誤；第一類永動機(jī)是指不消耗能量卻可以不斷向外做功的機(jī)器，違背了能量守恒定律，選項C正確；第二類永動機(jī)不違背能量守恒定律,但違背了熱力學(xué)第二定律，選項D錯誤。]3．下列關(guān)于熱力學(xué)第二定律的說法中正確的是（)A．所有符合能量守恒定律的宏觀過程都能真的發(fā)生B．部分與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀自然過程是不可逆的C．機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,但內(nèi)能無法全部用來做功而轉(zhuǎn)化成機(jī)械能D．氣體向真空的自由膨脹是可逆的C［符合能量守恒定律，但違背熱力學(xué)第二定律的宏觀過程不能發(fā)生，選項A錯誤；一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀自然過程都是不可逆的，選項B錯誤；機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，但內(nèi)能無法全部用來做功而轉(zhuǎn)化成機(jī)械能,選項C正確;氣體向真空的自由膨脹是不可逆的，選項D錯誤。］4．如圖所示為電冰箱的工作原理示意圖。壓縮機(jī)工作時,強(qiáng)迫制冷劑在冰箱內(nèi)外的管道中不斷循環(huán)。在蒸發(fā)器中制冷劑汽化吸收箱體內(nèi)的熱量,經(jīng)過冷凝器時制冷劑液化，放出熱量到箱體外。（1)下列說法正確的是()A．熱量可以自發(fā)地從冰箱內(nèi)傳到冰箱外B．電冰箱的制冷系統(tǒng)能夠不斷地把冰箱內(nèi)的熱量傳到外界，是因為其消耗了電能C．電冰箱的工作原理違反熱力學(xué)第二定律D．電冰箱的工作原理違反熱力學(xué)第一定律(2）電冰箱的制冷系統(tǒng)從冰箱內(nèi)吸收的熱量與釋放到外界的熱量相比，有怎樣的關(guān)系?［解析](1）熱力學(xué)第一定律是熱現(xiàn)象中內(nèi)能與其他形式能的轉(zhuǎn)化規(guī)律，是能量守恒定律的具體表現(xiàn)，適用于所有的熱學(xué)過程，故D項錯誤；由熱力學(xué)第二定律可知，熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體，除非有外界的影響或幫助,電冰箱把熱量從低溫的內(nèi)部傳到高溫的外部,需要壓縮機(jī)的幫助并消耗電能，故B項正確，A、C項錯誤。（2)由熱力學(xué)第一定律可知，電冰箱制冷系統(tǒng)從冰箱內(nèi)吸收了熱量,同時消耗了電能,釋放到外界的熱量比從冰箱內(nèi)吸收的熱量多.[答案］（1）B（2）見解析1．對熱力學(xué)第二定律關(guān)鍵詞的理解在熱力學(xué)第二定律的表述中,“自發(fā)地"“不產(chǎn)生其他影響”的含義。(1）“自發(fā)地”指明了熱傳遞等熱力學(xué)宏觀現(xiàn)象的方向性，不需要借助外界提供能量的幫助。（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，對周圍環(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)第二定律的實質(zhì)自然界中進(jìn)行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性。如3．兩類永動機(jī)的比較分類第一類永動機(jī)第二類永動機(jī)設(shè)計要求不需要任何動力或燃料,卻能不斷地對外做功的機(jī)器從單一熱源吸收熱量，使之完全變成功，而不產(chǎn)生其他影響的機(jī)器不可能制成的原因違背能量守恒定律不違背能量守恒定律，違背熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第一定律與圖象的綜合應(yīng)用eq\o(［依題組訓(xùn)練]）1．如圖所示，一定量的理想氣體從狀態(tài)a變化到狀態(tài)b，其過程如p-V圖中從a到b的直線所示.在此過程中不正確的是（）A．氣體溫度一直降低B．氣體內(nèi)能一直增加C．氣體一直對外做功D．氣體一直從外界吸熱A［一定量的理想氣體從a到b的過程，由理想氣體狀態(tài)方程eq\f（paVa,Ta）＝eq\f（pbVb，Tb)可知，Tb>Ta,即氣體的溫度一直升高,選項A錯誤；根據(jù)理想氣體的內(nèi)能只與溫度有關(guān),可知氣體的內(nèi)能一直增加，選項B正確；由于從a到b的過程中氣體的體積增大，所以氣體一直對外做功，選項C正確；根據(jù)熱力學(xué)第一定律,從a到b的過程中,氣體一直從外界吸熱,選項D正確。]2．如圖所示，一定質(zhì)量的理想氣體從狀態(tài)a開始，經(jīng)歷過程①、②、③、④到達(dá)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(qiáng)逐漸減小B．過程②中外界對氣體做功C．過程④中氣體從外界吸收了熱量D．狀態(tài)c、d的內(nèi)能相等D[由理想氣體狀態(tài)方程eq\f（paVa，Ta)＝eq\f（pbVb，Tb)可知，pb〉pa，即過程①中氣體的壓強(qiáng)逐漸增大，選項A錯誤；由于過程②中氣體體積增大，所以過程②中氣體對外做功,選項B錯誤；過程④中氣體體積不變，氣體對外做功為零，溫度降低,內(nèi)能減小,根據(jù)熱力學(xué)第一定律,過程④中氣體放出熱量，選項C錯誤；由于狀態(tài)c、d的溫度相等，理想氣體的內(nèi)能只與溫度有關(guān)，可知狀態(tài)c、d的內(nèi)能相等，選項D正確。］3．一定量的理想氣體從狀態(tài)a開始,經(jīng)歷等溫或等壓過程ab、bc、cd、da回到原狀態(tài)，其p。T圖象如圖所示，其中對角線ac的延長線過原點O。下列判斷正確的是(）A．氣體在a、c兩狀態(tài)時的體積Va>VcB．氣體在狀態(tài)a時的內(nèi)能大于它在狀態(tài)c時的內(nèi)能C．在過程cd中氣體向外界放出的熱量大于外界對氣體做的功D．在過程da中氣體從外界吸收的熱量小于氣體對外界做的功B［由ac的延長線過原點O知，直線Oca為一條等容線，氣體在a、c兩狀態(tài)的體積相等，選項A錯誤;理想氣體的內(nèi)能由其溫度決定，故在狀態(tài)a時的內(nèi)能大于在狀態(tài)c時的內(nèi)能，選項B正確;過程cd是等溫變化，氣體內(nèi)能不變，由熱力學(xué)第一定律知,氣體對外放出的熱量等于外界對氣體做的功，選項C錯誤；過程da氣體內(nèi)能增大,從外界吸收的熱量大于氣體對外界做的功，選項D錯誤。]4．（2019·江蘇高考）如圖所示,一定質(zhì)量理想氣體經(jīng)歷A→B的等壓過程，B→C的絕熱過程(氣體與外界無熱量交換），其中B→C過程中內(nèi)能減少900J.求A→B→C過程中氣體對外界做的總功。[解析］由題意可知，A→B過程為等壓膨脹，所以氣體對外做功為：W1＝－p（VB－VA)B→C過程：由熱力學(xué)第一定律得：W2＝ΔU則氣體對外界做的總功為：W＝－(W1＋W2)代入數(shù)據(jù)解得:W＝1500J.[答案]W＝1500J判斷理想氣體內(nèi)能變化的兩種方法（1）一定質(zhì)量的理想氣體,內(nèi)能的變化完全由溫度變化決定,溫度升高,內(nèi)能增大。（2)若吸、放熱和做功情況已知，可由熱力學(xué)第一定律ΔU＝W＋Q來確定.熱力學(xué)第一定律與氣體實驗定律的綜合應(yīng)用eq\o（[講典例示法])［典例示法]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(qiáng)）.（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，使其溫度升高到t2＝77℃，此時氣柱為多長；（3）若在(2）過程中，氣體吸收的熱量為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(qiáng)p2＝p0＋eq\f(mg,S)＝1。05×105Pa，V2＝L2S,T2＝T1＝280K根據(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(qiáng)不變,p3＝p2，V3＝L3S，T3＝350K根據(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根據(jù)熱力學(xué)第一定律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求解氣體實驗定律與熱力學(xué)定律的綜合問題的通用思路［跟進(jìn)訓(xùn)練]1．(2020·衡水中學(xué)模擬）如圖所示,內(nèi)壁光滑、足夠高的圓柱形汽缸豎直放置，內(nèi)有一質(zhì)量為m的活塞封閉一定質(zhì)量的理想氣體.已知活塞橫截面積為S，外界大氣壓強(qiáng)為p0,缸內(nèi)氣體溫度為T1?，F(xiàn)對汽缸內(nèi)氣體緩慢加熱，使氣體體積由V1增大到V2，該過程中氣體吸收的熱量為Q1，停止加熱并保持體積V2不變，使其降溫到T1，已知重力加速度為g，求：（1）停止加熱時缸內(nèi)氣體的溫