2025屆高考物理一輪復(fù)習(xí)第十六章熱學(xué)第三節(jié)熱力學(xué)定律與能量守恒定律學(xué)案新人教版

PAGE10-第三節(jié)熱力學(xué)定律與能量守恒定律學(xué)問點(diǎn)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(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功的和。(2)表達(dá)式：ΔU＝Q＋W。(3)ΔU＝Q＋W中正、負(fù)號法則：學(xué)問點(diǎn)二能量守恒定律1．內(nèi)容能量既不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消逝，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)是不行能制成的，它違反了能量守恒定律。學(xué)問點(diǎn)三熱力學(xué)其次定律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(jī)是不行能制成的?！?．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。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(yùn)動的無序性增大的方向進(jìn)行。4．其次類永動機(jī)不行能制成的緣由是違反了熱力學(xué)其次定律。例1(多選)關(guān)于氣體的內(nèi)能，下列說法正確的是()A．質(zhì)量和溫度都相同的氣體，內(nèi)能肯定相同B．氣體溫度不變，整體運(yùn)動速度越大，其內(nèi)能越大C．氣體被壓縮時，內(nèi)能可能不變D．肯定量的某種志向氣體的內(nèi)能只與溫度有關(guān)E．肯定量的某種志向氣體在等壓膨脹過程中，內(nèi)能肯定增加【解析】質(zhì)量和溫度都相同的氣體，雖然分子平均動能相同，但是不同的氣體，其摩爾質(zhì)量不同，即分子個數(shù)不同，所以分子總動能不肯定相同，A錯誤；宏觀運(yùn)動和微觀運(yùn)動沒有關(guān)系，所以宏觀運(yùn)動速度大，內(nèi)能不肯定大，B錯誤；依據(jù)eq\f(pV,T)＝C可知，假如等溫壓縮，則內(nèi)能不變；等壓膨脹，溫度增大，內(nèi)能肯定增大，C、E正確；志向氣體的分子勢能為零，所以肯定量的某種志向氣體的內(nèi)能只與分子平均動能有關(guān)，而分子平均動能和溫度有關(guān)，D正確?！敬鸢浮緾DE例2(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E．假如兩個系統(tǒng)分別與狀態(tài)確定的第三個系統(tǒng)達(dá)到熱平衡，那么這兩個系統(tǒng)彼此之間也必定達(dá)到熱平衡【解析】氣體內(nèi)能的變更ΔU＝Q＋W，故對氣體做功可變更氣體內(nèi)能，B選項(xiàng)正確；氣體吸熱為Q，但不確定外界做功W的狀況，故不能確定氣體溫度變更，A選項(xiàng)錯誤；志向氣體等壓膨脹，W<0，由志向氣體狀態(tài)方程eq\f(pV,T)＝C，p不變，V增大，氣體溫度上升，內(nèi)能增大，ΔU>0，由ΔU＝Q＋W，知Q>0，氣體肯定吸熱，C選項(xiàng)錯誤；由熱力學(xué)其次定律，D選項(xiàng)正確；依據(jù)熱平衡性質(zhì)，E選項(xiàng)正確?！敬鸢浮緽DE例3(多選)肯定量的志向氣體從狀態(tài)a起先，經(jīng)驗(yàn)等溫或等壓過程ab、bc、cd、da回到原狀態(tài)，其pT圖象如圖所示，其中對角線ac的延長線過原點(diǎn)O。下列推斷正確的是()A．氣體在a、c兩狀態(tài)的體積相等B．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中氣體從外界汲取的熱量小于氣體對外界做的功E．在過程bc中外界對氣體做的功等于在過程da中氣體對外界做的功【解析】由志向氣體狀態(tài)方程eq\f(pV,T)＝C得，p＝eq\f(C,V)T，由圖象可知，Va＝Vc，選項(xiàng)A正確；志向氣體的內(nèi)能只由溫度確定，而Ta>Tc，故氣體在狀態(tài)a時的內(nèi)能大于在狀態(tài)c時的內(nèi)能，選項(xiàng)B正確；由熱力學(xué)第肯定律ΔU＝Q＋W知，cd過程溫度不變，內(nèi)能不變，則Q＝－W，選項(xiàng)C錯誤；da過程溫度上升，即內(nèi)能增大，則汲取的熱量大于對外界做的功，選項(xiàng)D錯誤；由志向氣體狀態(tài)方程知：eq\f(Va,Ta)＝eq\f(pbVb,Tb)＝eq\f(pcVc,Tc)＝eq\f(pdVd,Td)＝C，即paVa＝CTa，pbVb＝CTb，pcVc＝CTc，pdVd＝CTd.設(shè)過程bc中壓強(qiáng)為p0＝pb＝pc，過程da中壓強(qiáng)為p0′＝pd＝pa.由外界對氣體做功W＝p·ΔV知，過程bc中外界對氣體做的功Wbc＝p0(Vb－Vc)＝C(Tb－Tc)，過程da中氣體對外界做的功Wda＝p0′(Va－Vd)＝C(Ta－Td)，Ta＝Tb，Tc＝Td，故Wbc＝Wda，選項(xiàng)E正確。【答案】ABE例4肯定質(zhì)量的志向氣體被活塞封閉在汽缸內(nèi)，如圖所示水平放置?；钊馁|(zhì)量m＝20kg，橫截面積S＝100cm2，活塞可沿汽缸壁無摩擦滑動但不漏氣，起先使汽缸水平放置，活塞與汽缸底的距離L1＝12cm，離汽缸口的距離L2＝3cm。外界氣溫為27℃，大氣壓強(qiáng)為1.0×105Pa，將汽缸緩慢地轉(zhuǎn)到開口向上的豎直位置，待穩(wěn)定后對缸內(nèi)氣體漸漸加熱，使活塞上表面剛好與汽缸口相平，已知g＝10m/s2，求：(1)此時氣體的溫度為多少？(2)在對缸內(nèi)氣體加熱的過程中，氣體膨脹對外做功，同時汲取Q＝370J的熱量，則氣體增加的內(nèi)能ΔU多大？【解析】(1)當(dāng)汽缸水平放置時，p0＝1.0×105Pa，V0＝L1S，T0＝(273＋27)K＝300K當(dāng)汽缸口朝上，活塞到達(dá)汽缸口時，活塞的受力分析如圖所示，有p1S＝p0S＋mg則p1＝p0＋eq\f(mg,S)＝1.0×105Pa＋eq\f(200,10－2)Pa＝1.2×105PaV1＝(L1＋L2)S由志向氣體狀態(tài)方程得eq\f(p0L1S,T0)＝eq\f(p1L1＋L2S,T1)則T1＝eq\f(p1L1＋L2,p0L1)T0＝eq\f(1.2×105×15,1.0×105×12)×300K＝450K。(2)當(dāng)汽缸口向上，未加熱穩(wěn)定時：由玻意耳定律得p0L1S＝p1LS則L＝eq\f(p0L1,p1)＝eq\f(1.0×105×12,1.2×105)cm＝10cm加熱后，氣體做等壓變更，外界對氣體做功為W＝－p0(L1＋L2－L)S－mg(L1＋L2－L)＝－60J依據(jù)熱力學(xué)第肯定律ΔU＝W＋Q得ΔU＝310J?！敬鸢浮?1)450K(2)310J1．(多選)對于肯定質(zhì)量的志向氣體，下列說法正確的是()A．保持氣體的壓強(qiáng)不變，變更其體積，可以實(shí)現(xiàn)其內(nèi)能不變B．保持氣體的壓強(qiáng)不變，變更其溫度，可以實(shí)現(xiàn)其內(nèi)能不變C．若氣體的溫度漸漸上升，則其壓強(qiáng)可以保持不變D．氣體溫度每上升1K所汲取的熱量與氣體經(jīng)驗(yàn)的過程有關(guān)E．當(dāng)氣體體積漸漸增大時，氣體的內(nèi)能肯定減小2．下列說法正確的是()A．物體放出熱量，其內(nèi)能肯定減小B．物體對外做功，其內(nèi)能肯定減小C．物體汲取熱量，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3．(多選)依據(jù)熱力學(xué)定律，下列說法正確的是()A．電冰箱的工作表明，熱量可以從低溫物體向高溫物體傳遞B．空調(diào)機(jī)在制冷過程中，從室內(nèi)汲取的熱量少于向室外放出的熱量C．科技的不斷進(jìn)步使得人類有可能生產(chǎn)出從單一熱源吸熱全部用來對外做功而不引起其他變更的熱機(jī)D．即使沒有漏氣、摩擦、不必要的散熱等損失，熱機(jī)也不行以把燃料產(chǎn)生的內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能E．對能源的過度消耗使自然界的能量不斷削減，形成“能源危機(jī)”4．肯定質(zhì)量的志向氣體經(jīng)驗(yàn)了如圖所示的A→B→C→D→A循環(huán)，該過程每個狀態(tài)視為平衡態(tài)，各狀態(tài)參數(shù)如圖所示。A狀態(tài)的壓強(qiáng)為1×105Pa，求：(1)B狀態(tài)的溫度；(2)完成一次循環(huán)，氣體與外界熱交換的熱量。1．(多選)下列說法中正確的是()A．物體速度增大，則分子動能增大，內(nèi)能也增大B．肯定質(zhì)量氣體的體積增大，但既不吸熱也不放熱，內(nèi)能減小C．相同質(zhì)量的兩種物體，提高相同的溫度，內(nèi)能的增量肯定相同D．物體的內(nèi)能與物體的溫度和體積都有關(guān)系E．凡是與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過程都具有方向性2．依據(jù)你學(xué)過的熱學(xué)中的有關(guān)學(xué)問，推斷下列說法中正確的是()A．機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，內(nèi)能也可以全部用來做功轉(zhuǎn)化成機(jī)械能B．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C．盡管科技不斷進(jìn)步，熱機(jī)的效率仍不能達(dá)到100%，制冷機(jī)卻可以使溫度降到－293℃D．第一類永動機(jī)違反能量守恒定律，其次類永動機(jī)不違反能量守恒定律，隨著科技的進(jìn)步和發(fā)展，其次類永動機(jī)可以制造出來3．關(guān)于兩類永動機(jī)和熱力學(xué)的兩個定律，下列說法正確的是()A．其次類永動機(jī)不行能制成是因?yàn)檫`反了熱力學(xué)第肯定律B．第一類永動機(jī)不行能制成是因?yàn)檫`反了熱力學(xué)其次定律C．由熱力學(xué)第肯定律可知做功不肯定變更內(nèi)能，熱傳遞也不肯定變更內(nèi)能，但同時做功和熱傳遞肯定會變更內(nèi)能D．由熱力學(xué)其次定律可知熱量從低溫物體傳向高溫物體是可能的，從單一熱源汲取熱量，完全變勝利也是可能的4．如圖，肯定質(zhì)量的志向氣體，由狀態(tài)a經(jīng)過ab過程到達(dá)狀態(tài)b或者經(jīng)過ac過程到達(dá)狀態(tài)c。設(shè)氣體在狀態(tài)b和狀態(tài)c的溫度分別為Tb和Tc，在過程ab和ac中汲取的熱量分別為Qab和Qac，則()A．Tb＞Tc，Qab＞Qac B．Tb＞Tc，Qab＜QacC．Tb＝Tc，Qab＞Qac D．Tb＝Tc，Qab＜Qac5．如圖所示，肯定質(zhì)量的志向氣體從狀態(tài)A變更到狀態(tài)B，再由狀態(tài)B變更到狀態(tài)C。已知狀態(tài)A的溫度為300K。(1)求氣體在狀態(tài)B的溫度；(2)由狀態(tài)B變更到狀態(tài)C的過程中，氣體是吸熱還是放熱？簡要說明理由。6．如圖所示，體積為V、內(nèi)壁光滑的圓柱形導(dǎo)熱汽缸頂部有一質(zhì)量和厚度均可忽視的活塞；汽缸內(nèi)密封有溫度為2.4T0、壓強(qiáng)為1.2p0的志向氣體，p0與T0分別為大氣的壓強(qiáng)和溫度。已知：氣體內(nèi)能U與溫度T的關(guān)系為U＝αT，α為正的常量；容器內(nèi)氣體的全部變更過程都是緩慢的。求：(1)汽缸內(nèi)氣體與大氣達(dá)到平衡時的體積V1；(2)在活塞下降過程中，汽缸內(nèi)氣體放出的熱量Q。7．如圖所示，一個絕熱的汽缸豎直放置，內(nèi)有一個絕熱且光滑的活塞，中間有一個固定的導(dǎo)熱性能良好的隔板，隔板將汽缸分成兩部分，分別密封著兩部分志向氣體A和B?；钊馁|(zhì)量為m，橫截面積為S，與隔板相距h?，F(xiàn)通過電熱絲緩慢加熱氣體，當(dāng)A氣體汲取熱量Q時，活塞上升了h，此時氣體的溫度為T1。已知大氣壓強(qiáng)為p0，重力加速度為g。(1)加熱過程中，若A氣體內(nèi)能增加了ΔU1，求B氣體內(nèi)能增加量ΔU2。(2)現(xiàn)停止對氣體加熱，同時在活塞上緩慢添加砂粒，當(dāng)活塞恰好回到原來的位置時A氣體的溫度為T2。求此時添加砂粒的總質(zhì)量Δm。第三節(jié)熱力學(xué)定律與能量守恒定律課堂練習(xí)1．CD2.C3.ABD4.【答案】(1)600K(2)放熱150J【解析】(1)志向氣體從A狀態(tài)到B狀態(tài)的過程中，壓強(qiáng)保持不變，依據(jù)蓋—呂薩克定律有eq\f(VA,TA)＝eq\f(VB,TB)代入數(shù)據(jù)解得TB＝eq\f(VB,VA)TA＝600K(2)志向氣體從A狀態(tài)到B狀態(tài)的過程中，外界對氣體做功W1＝－pA(VB－VA)解得W1＝－100J氣體從B狀態(tài)到C狀態(tài)的過程中，體積保持不變，依據(jù)查理定律有eq\f(pB,TB)＝eq\f(pC,TC)解得pC＝2.5×105Pa從C狀態(tài)到D狀態(tài)的過程中，外界對氣體做功W2＝pC(VB－VA)解得W2＝250J一次循環(huán)過程中外界對氣體所做的總功W＝W1＋W2＝150J志向氣體從A狀態(tài)完成一次循環(huán)，回到A狀態(tài)，始末溫度不變，所以內(nèi)能不變．依據(jù)熱力學(xué)第肯定律有ΔU＝W＋Q解得Q＝－150J故完成一次循環(huán)，氣體向外界放熱150J。課后練習(xí)1．BDE2.A3.D4.C5．【答案】(1)1200K(2)放熱，理由見解析【解析】(1)由志向氣體的狀態(tài)方程eq\f(pAVA,TA)＝eq\f(pBVB,TB)解得氣體在狀態(tài)B的溫度TB＝1200K(2)由B→C，氣體做等容變更，由查理定律得：eq\f(pB,TB)＝eq\f(pC,TC)，TC＝600K氣體由B到C為等容變更，不做功，但溫度降低，內(nèi)能減小，依據(jù)熱力學(xué)第肯定律，ΔU＝W＋Q，可知?dú)怏w要放熱。6．【解析】(1)在氣體由壓強(qiáng)p＝1.2p0下降到p0的過程中，氣體體積不變，溫度由T＝2.4T0變?yōu)門1，由查理定律得：eq\f(p,T)＝eq\f(p0,T1)，解得T1＝2T0在氣體溫度由T1變?yōu)門0過程中，體積由V減小到V1，氣體壓強(qiáng)不變，由蓋—呂薩克定律得eq\f(V,T1)＝eq\f(V1,T0)得V1＝eq\f(1,2)V(2)在活塞下降過程中，活塞對氣體做的功為W＝p0(V－V1)在這一過程中，氣體內(nèi)能的削減為ΔU＝α(T1－T0)由熱力學(xué)第肯定律得，汽缸內(nèi)氣體放出的熱量為Q＝W＋ΔU解得Q＝eq\f(1,2)p0V＋αT0。7.【答