2025版高考物理一輪復習第十二章熱學第3講熱力學定律與能量守恒定律學案新人教版

PAGE9-第3講熱力學定律與能量守恒定律學問點1熱力學第肯定律1．內(nèi)容一個熱力學系統(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．表達式ΔU＝Q＋W。3．ΔU＝Q＋W的三種特殊狀況(1)絕熱過程：Q＝0，則W＝ΔU，外界對物體做的功等于物體內(nèi)能的增加。(2)等容過程：W＝0，則Q＝ΔU，物體汲取的熱量等于物體內(nèi)能的增加。(3)等溫過程：ΔU＝0，則W＋Q＝0或W＝－Q，外界對物體做的功等于物體放出的熱量。學問點2熱力學其次定律1．兩種表述(1)克勞修斯表述(按熱傳導的方向性表述)：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(按機械能和內(nèi)能轉(zhuǎn)化過程的方向性表述)：不行能從單一熱庫汲取熱量，使之完全變勝利，而不引起其他影響。2．熱力學過程方向性實例(1)高溫物體eq\o(,\s\up7(熱量Q能自發(fā)傳給),\s\do5(熱量Q不能自發(fā)傳給))低溫物體。(2)功eq\o(,\s\up7(能自發(fā)地完全轉(zhuǎn)化為),\s\do5(不能自發(fā)地且不能完全轉(zhuǎn)化為))熱。(3)氣體體積V1eq\o(,\s\up7(能自發(fā)膨脹到),\s\do5(不能自發(fā)收縮到))氣體體積V2(較大)。(4)不同氣體A和Beq\o(,\s\up7(能自發(fā)混合成),\s\do5(不能自發(fā)分別成))混合氣體AB。3．熵增加原理在任何自然過程中，一個孤立系統(tǒng)的總熵不會削減。學問點3能量守恒守恒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，或者從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中能量的總量保持不變。2．能源的利用(1)存在能量耗散和品質(zhì)下降。(2)重視利用能源時對環(huán)境的影響。(3)要開發(fā)新能源(如太陽能、生物質(zhì)能、風能等)。雙基自測一、堵點疏通1．為了增加物體的內(nèi)能，必需對物體做功或向它傳遞熱量，做功和熱傳遞的實質(zhì)是相同的。(×)2．絕熱過程中，外界壓縮氣體做功20J，氣體的內(nèi)能可能不變。(×)3．在給自行車打氣時，會發(fā)覺打氣筒的溫度上升，這是因為打氣筒從外界吸熱。(×)4．可以從單一熱源汲取熱量，使之完全變勝利。(√)二、對點激活1．用活塞壓縮汽缸里的空氣，對空氣做了900J的功，同時汽缸向外散熱210J，汽缸里空氣的內(nèi)能(C)A．增加了1100J B．削減了1100JC．增加了690J D．削減了690J[解析]由熱力學第肯定律ΔU＝W＋Q，得ΔU＝900J－210J＝690J，內(nèi)能增加690J，C正確。2．(多選)下列現(xiàn)象中能夠發(fā)生的是(CD)A．一杯熱茶在打開杯蓋后，茶會自動變得更熱B．蒸汽機把蒸汽的內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化成機械能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、水自動分別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[解析]熱量只會自發(fā)地從高溫物體傳到低溫物體，而不會自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體，故A錯誤；機械能可以完全轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，而內(nèi)能卻不能完全轉(zhuǎn)化為機械能，故B錯誤；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、水自動分別是因為泥沙的密度大于水，故可以分別，C正確；電冰箱通電后由于壓縮機做功從而將低溫物體的熱量傳到箱外的高溫物體，故D正確。核心考點·重點突破HEXINKAODIANZHONGDIANTUPO考點一對熱力學第肯定律的理解1．熱力學第肯定律的理解不僅反映了做功和熱傳遞這兩種方式變更內(nèi)能的過程是等效的，而且給出了內(nèi)能的變更量和做功與熱傳遞之間的定量關(guān)系。2．對公式ΔU＝Q＋W的符號的規(guī)定符號WQΔU＋外界對物體做功物體汲取熱量內(nèi)能增加－物體對外界做功物體放出熱量內(nèi)能削減例1(1)若一氣泡從湖底上升到湖面的過程中溫度保持不變，則在此過程中關(guān)于氣泡中的氣體，下列說法正確的是(D)A．氣體分子間的作用力增大B．氣體分子的平均速率增大C．氣體分子的平均動能減小D．氣體組成的系統(tǒng)肯定吸熱(2)若將氣泡內(nèi)的氣體視為志向氣體，氣泡從湖底上升到湖面的過程中，對外界做了0.6J的功，則此過程中的氣泡汲取(選填“汲取”或“放出”)的熱量是0.6J。氣泡到達湖面后，溫度上升的過程中，又對外界做了0.1J的功，同時汲取了0.3J的熱量，則此過程中，氣泡內(nèi)氣體內(nèi)能增加了0.2J。[解析](1)考慮氣體分子間作用力時，分子力表現(xiàn)為引力，氣泡膨脹，分子間距增大，分子力減小，A錯誤；氣泡上升過程中溫度不變，分子的平均動能不變，分子的平均速率也不變，B，C錯誤；氣泡上升過程中體積膨脹，溫度不變，而氣體對外做功，故氣體肯定汲取熱量，D正確。(2)將氣體視為志向氣體時，其內(nèi)能只與溫度有關(guān)。氣泡上升過程中溫度不變，ΔU＝0，對外做功，W＝－0.6J，由ΔU＝Q＋W有Q＝ΔU－W＝0.6J>0，即需從外界汲取0.6J的熱量。氣泡到達湖面后，由ΔU＝Q＋W得ΔU′＝(0.3－0.1)J＝0.2J。名師點撥1．氣體做功狀況的判定方法(1)若氣體體積增大，則氣體對外做功，W<0，氣體向真空膨脹除外。(2)若氣體體積減小，則外界對氣體做功，W>0。(3)若氣體體積不變，即等容過程，則W＝0。2．志向氣體內(nèi)能變更狀況的判定方法對肯定質(zhì)量的志向氣體，由于無分子勢能，其內(nèi)能只包含分子無規(guī)則熱運動的動能，其內(nèi)能只與溫度有關(guān)。3．應(yīng)用熱力學第肯定律時，首先要明確探討對象是哪個物體或哪幾個物體組成的系統(tǒng)；其次要正確駕馭公式的符號法則，對已知量，必需按符號法則確定它們的正負號后，再代入公式計算；對未知量，可先按正號代入公式，依據(jù)計算結(jié)果的正負，確定問題的答案。〔變式訓練1〕(2024·襄陽模擬)(多選)如圖用隔板將一絕熱汽缸分成兩部分，隔板左側(cè)充有志向氣體，隔板右側(cè)與絕熱活塞之間是真空。現(xiàn)將隔板抽開，氣體會自發(fā)擴散至整個汽缸。待氣體達到穩(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。下列說法正確的是(ABD)A．氣體自發(fā)擴散前后內(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)擴散過程中，氣體對外界做功D．氣體正在被壓縮的過程中，外界對氣體做功E．氣體在被壓縮的過程中，氣體分子的平均動能不變[解析]因為汽缸、活塞都是絕熱的，隔板右側(cè)是真空，所以志向氣體在自發(fā)擴散的過程中，既不吸熱也不放熱，也不對外界做功。依據(jù)熱力學第肯定律可知，氣體自發(fā)擴散前后，內(nèi)能不變，選項A正確，選項C錯誤；氣體被壓縮的過程中，外界對氣體做功，氣體內(nèi)能增大，又因為肯定質(zhì)量的志向氣體的內(nèi)能只與溫度有關(guān)，所以氣體溫度上升，分子平均動能增大，選項B、D正確；志向氣體分子勢能為零，內(nèi)能表現(xiàn)為分子動能，內(nèi)能增大，則分子動能增大，分子平均動能也增大，選項E錯誤?？键c二對熱力學其次定律的理解1．熱力學其次定律的理解(1)“自發(fā)地”指明白熱傳遞等熱力學宏觀現(xiàn)象的方向性，不須要借助外界供應(yīng)能量的幫助。(2)“不產(chǎn)生其他影響”的含義是發(fā)生的熱力學宏觀過程只在本系統(tǒng)內(nèi)完成，對四周環(huán)境不產(chǎn)生熱力學方面的影響。如吸熱、放熱、做功等。2．熱力學其次定律的實質(zhì)熱力學其次定律的每一種表述，都揭示了大量分子參加宏觀過程的方向性，進而使人們相識到自然界中進行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性。特殊提示：熱量不行能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體，但在有外界影響的條件下，熱量可以從低溫物體傳到高溫物體，如電冰箱；在引起其他變更的條件下內(nèi)能可以全部轉(zhuǎn)化為機械能，如氣體的絕熱膨脹過程。3．兩類永動機的比較第一類永動機其次類永動機不須要任何動力或燃料，卻能不斷地對外做功的機器從單一熱源汲取熱量，使之完全變勝利，而不產(chǎn)生其他影響的機器違反能量守恒定律，不行能制成不違反能量守恒定律，但違反熱力學其次定律，不行能制成例2如圖所示為電冰箱的工作原理示意圖。壓縮機工作時，強迫制冷劑在冰箱內(nèi)外的管道中不斷循環(huán)。在蒸發(fā)器中制冷劑汽化汲取箱體內(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BC。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．電冰箱的工作原理不違反熱力學第肯定律D．電冰箱的工作原理違反熱力學第肯定律(2)電冰箱的制冷系統(tǒng)從冰箱內(nèi)汲取的熱量與釋放到外界的熱量相比，有怎樣的關(guān)系？[解析](1)熱力學第肯定律是熱現(xiàn)象中內(nèi)能與其他形式能的轉(zhuǎn)化規(guī)律，是能量守恒定律的詳細表現(xiàn)。適用于全部的熱學過程，故C項正確，D項錯誤；由熱力學其次定律可知，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，須要壓縮機的幫助并消耗電能，故B項正確，A項錯誤。(2)由熱力學第肯定律可知，電冰箱制冷系統(tǒng)從冰箱內(nèi)汲取了熱量，同時消耗了電能，釋放到外界的熱量比從冰箱內(nèi)汲取的熱量多?！沧兪接柧?〕(多選)下列說法正確的是(ADE)A．肯定質(zhì)量的志向氣體等溫膨脹時，該志向氣體汲取的熱量全部用于對外做功B．利用新科技手段對內(nèi)燃機進行不斷的改進，可以使內(nèi)燃機獲得的內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機械能而不引起其他變更C．夏天開空調(diào)可以使房間的溫度比室外低，說明熱量可以自發(fā)地從低溫物體傳向高溫物體D．其次類永動機不行能制成是因為違反了熱力學其次定律E．隨著節(jié)能減排措施的不斷完善，最終也不會使熱機的效率達到100%[解析]肯定質(zhì)量的志向氣體等溫膨脹時，依據(jù)熱力學第肯定律，溫度不變(ΔU＝0)，體積增大(W<0)，氣體汲取熱量(Q>O)，該志向氣體汲取的熱量全部用于對外做功，故A正確；依據(jù)熱力學其次定律，隨著科技的進步，熱機的效率也不能達到100%，不能使內(nèi)燃機獲得的內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機械能而不引起其他變更，故B錯誤；夏天開空調(diào)可以使房間的溫度比室外低，說明熱量可以從低溫物體傳向高溫物體，但必需有電對其做功，而不是自發(fā)的過程，故C錯誤；其次類永動機不行能制成是因為違反了熱力學其次定律，故D正確；由η＝eq\f(Q1－Q2,Q1)可知，只要Q2≠0，η≠1，假如Q2＝0，則低溫熱庫不存在，違反了開爾文表述，故E正確。考點三熱力學定律與氣體試驗定律的綜合解答該類問題的流程：例3(2024·四川棠湖中學期末)如圖所示，一排球內(nèi)氣體的壓強為p0、體積為V0、溫度為T0，用打氣筒對排球充入壓強為p0、溫度為T0的氣體，使球內(nèi)氣體壓強變?yōu)?p0同時溫度升至2T0，充氣過程中氣體向外放出Q的熱量，假設(shè)排球體積不變，氣體內(nèi)能U與溫度的關(guān)系為U＝kT(k為正常數(shù))，打氣筒與球中氣體均可視為志向氣體，求：(1)打氣筒對排球充入壓強為p0、溫度為T0的氣體的體積；(2)打氣筒對排球充氣過程中打氣筒對氣體做的功。[解析]本題考查熱力學第肯定律與志向氣體狀態(tài)方程在解決實際問題中的應(yīng)用。(1)設(shè)打氣筒對排球充入壓強為p0、溫度為T0的氣體的體積為V，以排球內(nèi)氣體與充入的氣體整體為探討對象，氣體的初狀態(tài)參量p1＝p0，V1＝V0＋V，T1＝T0，氣體的末狀態(tài)參量p2＝3p0，V2＝V0，T2＝2T0，依據(jù)志向氣體狀態(tài)方程得eq\f(p1V1,T1)＝eq\f(p2V2,T2)，解得V＝0.5V0。(2)因為氣體內(nèi)能U與溫度的關(guān)系為U＝kT，所以打氣過程中排球內(nèi)氣體內(nèi)能變更ΔU＝k(2T0－T0)＝kT0，由熱力學第肯定律得ΔU＝W＋(－Q)，解得打氣筒對氣體做的功W＝Q＋kT0。[答案](1)0.5V0(2)Q＋kT0〔變式訓練3〕(2024·全國卷Ⅲ，33(1))(多選)如圖，肯定量的志向氣體從狀態(tài)a變更到狀態(tài)b，其過程如p－V圖中從a到b的直線所示。在此過程中(BCD)A．氣體溫度始終降低B．氣體內(nèi)能始終增加C．氣體始終對外做功D．氣體始終從外界吸熱E．氣體汲取的熱量始終全部用于對外做功[解析]A錯：在p－V圖中志向氣體的等溫線是雙曲線的一支，而且離坐標軸越遠溫度越高，故從a到b溫度上升。B對：肯定質(zhì)量的志向氣體的內(nèi)能由溫度確定，溫度越高，內(nèi)能越大。C對：氣體體積膨脹，對外做功。D對：依據(jù)熱力學第肯定律ΔU＝Q＋W，得Q＝ΔU－W，由于ΔU＞0、W＜0，故Q＞0，氣體吸熱。E錯：由Q＝ΔU－W可知，氣體汲取的熱量一部分用來對外做功，一部分用來增加氣體的內(nèi)能。2年高考·1年模擬2NIANGAOKAO1NIANMONI1．(2024·全國Ⅲ理綜·33)如圖，一開口向上的導熱汽缸內(nèi)，用活塞封閉了肯定質(zhì)量的志向氣體，活塞與汽缸壁間無摩擦?，F(xiàn)用外力作用在活塞上，使其緩慢下降。環(huán)境溫度保持不變，系統(tǒng)始終處于平衡狀態(tài)。在活塞下降過程中BCD。A．氣體體積漸漸減小，內(nèi)能增加B．氣體壓強漸漸增大，內(nèi)能不變C．氣體壓強漸漸增大，放出熱量D．外界對氣體做功，氣體內(nèi)能不變E．外界對氣體做功，氣體汲取熱量[解析]本題通過汽缸模型考查氣體試驗定律和熱力學第肯定律。由于汽缸是導熱的，所以志向氣體做等溫變更，無論志向氣體的體積、壓強如何變更，氣體是否對外界做功或外界是否對氣體做功，其內(nèi)能均保持不變，故A錯誤；依據(jù)玻意耳定律可知，活塞下降過程中氣體的體積減小，氣體的壓強增大，外界對氣體做功，即W>0，又ΔU＝0，依據(jù)熱力學第肯定律ΔU＝Q＋W，可知氣體放出熱量，故B、C、D正確，E錯誤。2．(2024·山東卷)肯定質(zhì)量的志向氣體從狀態(tài)a起先，經(jīng)a→b、b→c、c→a三個過程后回到初始狀態(tài)a，其p－V圖像如圖所示。已知三個狀態(tài)的坐標分別為a(V0,2p0)、b(2V0，p0)、c(3V0，2p0)。以下推斷正確的是(C)A．氣體在a→b過程中對外界做的功小于在b→c過程中對外界做的功B．氣體在a→b過程中從外界汲取的熱量大于在b→c過程中從外界汲取的熱量C．在c→a過程中，外界對氣體做的功小于氣體向外界放出的熱量D．氣體在c→a過程中內(nèi)能的削減量大于b→c過程中內(nèi)能的增加量[解析]A項：依據(jù)氣體做功的表達式W＝Fx＝pSx＝p·ΔV可知p－V圖線和體積橫軸圍成的面積即為做功大小，所以氣體在a→b過程中對外界做的功等于b→c過程中對外界做的功，A錯誤；B項：氣體從a→b，滿意玻意耳定律pV＝C，所以Ta＝Tb所以ΔUab＝0，依據(jù)熱力學第肯定律ΔU＝Q＋W可知0＝Qab＋Wab氣體從b→c，溫度上升，所以ΔUbc>0，依據(jù)熱力學第肯定律可知ΔUbc＝Qbc＋Wbc結(jié)合A選項可知Wab＝Wbc<0所以Qbc>Qabb→c過程氣體汲取的熱量大于a→b過程汲取的熱量，B錯誤；C項：氣體從c→a，溫度降低，所以ΔUca<0，氣體體積減小，外界對氣體做功，所以Wca>0，依據(jù)熱力學第肯定律可知Qca<0，放出熱量，C正確；D項：志向氣體的內(nèi)能只與溫度有關(guān)，依據(jù)Ta＝Tb可知eq\b\lc\|\rc\|(\a\vs4\al\co1(ΔTca))＝eq\b\lc\|\rc\|(\a\vs4\al\co1(ΔTbc))所以氣體從c→a過程中內(nèi)能的削減量等于b→c過程中內(nèi)能的增加量，D錯誤。故