2024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練習含解析魯科版

PAGE10-第3講熱力學定律與能量守恒考點一熱力學第肯定律的理解和應用【典例1】肯定質量的氣體，在從狀態(tài)1變更到狀態(tài)2的過程中，汲取熱量280J，并對外做功120J，試問：(1)這些氣體的內能發(fā)生了怎樣的變更？(2)假如這些氣體又返回原來的狀態(tài)，并放出了240J熱量，那么在返回的過程中是氣體對外界做功，還是外界對氣體做功？做功多少？ 【通型通法】1.題型特征：熱力學第肯定律的應用。2.思維導引：氣體的內能僅與狀態(tài)有關，氣體返回到原狀態(tài)，整個過程中氣體內能變更為零。【解析】(1)由熱力學第肯定律可得ΔU=W+Q=-120J+280J=160J，氣體的內能增加了160J。(2)氣體從狀態(tài)2回到狀態(tài)1的過程中內能的削減量應等于從狀態(tài)1到狀態(tài)2的過程中內能的增加量，則從狀態(tài)2到狀態(tài)1的內能應削減160J，即ΔU′=-160J，又Q′=-240J，依據(jù)熱力學第肯定律得：ΔU′=W′+Q′，所以W′=ΔU′-Q′=-160J-(-240J)=80J，即外界對氣體做功80J。答案：(1)增加了160J(2)外界對氣體做功80J1.熱力學第肯定律ΔU=Q+W：(1)符號法則。符號WQΔU+外界對物體做功物體汲取熱量內能增加-物體對外界做功物體放出熱量內能減小(2)三種特別狀況。過程含義內能變更物理意義絕熱Q=0ΔU=W外界對物體做的功等于物體內能的增加等容W=0Q=ΔU物體汲取的熱量等于物體內能的增加等溫ΔU=0W=-Q外界對物體做的功，等于物體放出的熱量2.做功和熱傳遞的區(qū)分與聯(lián)系：兩種方式做功熱傳遞區(qū)別內能變更狀況外界對物體做功，物體的內能增加；物體對外界做功，物體的內能削減物體汲取熱量，內能增加；物體放出熱量，內能削減從運動形式上看做功是宏觀的機械運動向物體的微觀分子熱運動的轉化熱傳遞是通過分子之間的相互作用，使同一物體的不同部分或不同物體間的分子熱運動發(fā)生變更從能量的角度看做功是其他形式的能與內能相互轉化的過程不同物體間或同一物體不同部分之間內能的轉移能的性質變更狀況能的性質發(fā)生了變更能的性質不變聯(lián)系做肯定量的功或傳遞肯定量的熱量在變更內能的效果上是相同的【加固訓練】(多選)如圖所示，一絕熱容器被隔板K隔開成a、b兩部分。已知a內有肯定量的淡薄氣體，b內為真空。抽開隔板K后，a內氣體進入b，最終達到平衡狀態(tài)。在此過程中 ()A.氣體對外界做功，內能削減B.氣體不對外界做功，內能不變C.氣體壓強變小，溫度降低D.氣體壓強變小，溫度不變【解析】選B、D。a內氣體向真空膨脹，不對外界做功，故A錯誤；又因容器絕熱，Q=0，由熱力學第肯定律知，ΔU=0，故B正確；淡薄氣體可看作志向氣體，內能不變，則溫度不變，由玻意耳定律知壓強減小，故C錯誤，D正確?？键c二熱力學其次定律的理解和應用【典例2】(多選)(2024·青島模擬)依據(jù)熱力學定律，下列說法正確的是 ()A.其次類永動機違反能量守恒定律，因此不行能制成B.效率為100%的熱機是不行能制成的C.電冰箱的工作過程表明，熱量可以從低溫物體向高溫物體傳遞D.從單一熱源汲取熱量，使之完全變?yōu)楣κ翘岣邫C械效率的常用手段【通型通法】1.題型特征：熱力學其次定律的理解。2.思維導引：熱力學其次定律揭示了熱現(xiàn)象的宏觀過程具有方向性。(1)高溫物體低溫物體(2)功熱【解析】選B、C。其次類永動機不行能制成，是因它違反了熱力學其次定律，故A錯誤；效率為100%的熱機是不行能制成的，故B正確；電冰箱的工作過程表明，熱量可以從低溫物體向高溫物體傳遞，故C正確；從單一熱源汲取熱量，使之完全變?yōu)楣κ遣恍心軐崿F(xiàn)的，故D錯誤?！径嗑S訓練】(多選)下列說法中正確的是 ()A.熱量可以從低溫物體傳遞到高溫物體B.科技的進步可以使內燃機成為單一熱源的熱機C.能源危機指能量的過度消耗導致自然界的能量不斷削減D.功可以全部轉化為熱量，熱量也可以全部轉化為功【解析】選A、D?？照{可以使熱量從低溫物體向高溫物體傳遞，A對；由熱力學其次定律知不行能有單一熱源的熱機，B錯；能量是守恒的，C錯；功可以全部轉化為熱量，依據(jù)熱力學其次定律可知，在外界的影響下，熱量也可以全部轉化為功，D對。1.在熱力學其次定律的表述中，“自發(fā)地”“不產生其他影響”的含義：(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能量。(2)“不產生其他影響”的含義是發(fā)生的熱力學宏觀過程只在本系統(tǒng)內完成，對四周環(huán)境不產生熱力學方面的影響。如吸熱、放熱、做功等。2.兩類永動機的比較：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3.熱力學第一、其次定律的比較：比較項目熱力學第肯定律熱力學其次定律定律揭示的問題它從能量守恒的角度揭示了功、熱量和內能變更量三者的定量關系它指出自然界中出現(xiàn)的宏觀過程是有方向性的機械能和內能的轉化當摩擦力做功時，機械能可以全部轉化為內能內能不行能在不引起其他變更的狀況下完全變成機械能熱量的傳遞熱量可以從高溫物體自發(fā)地傳向低溫物體說明熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳向高溫物體表述形式只有一種表述形式有多種表述形式兩定律的關系在熱力學中，兩者既相互獨立，又互為補充，共同構成了熱力學學問的理論基礎【加固訓練】(多選)以下現(xiàn)象不違反熱力學其次定律的有 ()A.一杯熱茶在打開蓋后，茶會自動變涼B.沒有漏氣、沒有摩擦的志向熱機，其效率可能是100%C.桶中渾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.熱量自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體【解析】選A、C。熱茶自動變涼是熱量從高溫物體傳遞到低溫物體，A正確；任何熱機效率都不行能達到100%，B錯誤；泥水分別是機械能(重力勢能)向內能的轉化，C正確；熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體，D錯誤?？键c三氣體試驗定律和熱力學定律的綜合應用圖象類【典例3】(多選)(2024·全國卷Ⅰ改編)如圖，肯定質量的志向氣體從狀態(tài)a起先，經驗過程①、②、③、④到達狀態(tài)e。對此氣體，下列說法正確的是()A.過程①中氣體的壓強漸漸減小B.過程②中氣體對外界做正功C.過程④中氣體從外界汲取了熱量D.狀態(tài)c、d的內能相等【通型通法】1.題型特征：氣體狀態(tài)變更圖象與熱力學第肯定律結合。2.思維導引：對肯定質量的志向氣體，溫度T的變更→內能變更ΔU的狀況；體積V的變更→功W的狀況；由熱力學第肯定律ΔU=Q+W推斷熱量Q的狀況?！窘馕觥窟xB、D。對肯定質量的志向氣體有pVT=C，過程①是等容升溫，則壓強變大，選項A錯誤；過程②中氣體膨脹，對外界做功，選項B正確；過程④等容降溫，氣體向外界放熱，選項C錯誤；肯定質量的志向氣體的內能只與溫度有關，故狀態(tài)c、d的內能相等，選項D【多維訓練】(多選)肯定質量的志向氣體從狀態(tài)a起先,經驗三個過程ab、bc、ca回到原狀態(tài),其V-T圖象如圖所示,pa、pb、pc分別表示狀態(tài)a、b、c的壓強,下列推斷正確的是 ()A.過程ab中氣體肯定吸熱B.pc=pb>paC.過程bc中分子勢能不斷增大D.過程bc中每一個分子的速率都減小【解析】選A、B。由題圖知,該志向氣體從a到b為等容變更,外界對氣體做功為零,溫度上升,內能增大,依據(jù)ΔU=Q+W,可知氣體肯定吸熱,選項A正確;從b到c為等壓變更,故pc=pb,而從a到b為等容變更,依據(jù)查理定律p=CT,可知溫度上升,壓強變大,故pb>pa,選項B正確;志向氣體沒有分子勢能,選項C錯誤;從b到c,溫度降低,分子的平均動能降低,平均速率減小,但不是每一個分子的速率都減小,選項D錯誤。非圖象類【典例4】(2024·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，空氣可視為志向氣體。初始時容器中空氣的溫度與外界相同，壓強大于外界?，F(xiàn)使活塞緩慢移動，直至容器中的空氣壓強與外界相同。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。

【通型通法】1.題型特征：氣體狀態(tài)變更與熱力學定律相結合。2.思維導引：由熱力學第肯定律ΔU=Q+W推斷容器內氣體內能ΔU變更狀況→容器內氣體溫度T變更狀況；由志向氣體狀態(tài)方程與密度的定義式導出表達式ρ=pmCT→【解析】容器與活塞絕熱性能良好，容器內空氣與外界不發(fā)生熱交換，即Q=0；但在活塞移動的過程中，容器內空氣壓強減小，體積增大，容器內空氣膨脹過程中對外界做功，W<0，由熱力學第肯定律ΔU=Q+W可知：ΔU<0，即容器內空氣內能減小，溫度降低，此時容器中空氣的溫度低于外界溫度；由于最終容器內空氣壓強和外界空氣壓強相同，由志向氣體狀態(tài)方程：pV=CT，容器內空氣密度ρ=mV(m為容器內空氣質量)；可得：ρ=pmCT。與容器外界質量也為m的一部分空氣相比，由于容器內空氣溫度T低于外界空氣的溫度答案：低于大于【多維訓練】(多選)(2024·廣州模擬)某汽車后備箱內安裝有撐起箱蓋的裝置，它主要由汽缸和活塞組成。開箱時，密閉于汽缸內的壓縮氣體膨脹，將箱蓋頂起，如圖所示。在此過程中，若缸內氣體與外界無熱交換，忽視氣體分子間相互作用，則缸內氣體 ()A.對外做正功，分子的平均動能減小B.對外做正功，內能增大C.對外做負功，分子的平均動能增大D.對外做正功，內能減小【解析】選A、D。若缸內氣體與外界無熱交換，由于氣體膨脹將箱蓋頂起過程中氣體對活塞的作用力方向與活塞的運動方向一樣，氣體對外做正功，故缸內氣體的內能肯定減?。挥捎诤鲆暁怏w分子間的相互作用，故氣體分子的平均動能肯定減小。綜上可知，選項A、D正確，選項B、C錯誤。氣體試驗定律與熱力學定律的綜合問題求解思路【加固訓練】1.(2024·深圳模擬)如圖甲所示，一圓柱形絕熱汽缸開口向上豎直放置，通過絕熱活塞將肯定質量的志向氣體密封在汽缸內，活塞質量m=1kg、橫截面積S=5×10-4m2，原來活塞處于A位置?，F(xiàn)通過電熱絲緩慢加熱氣體，直到活塞緩慢到達新的位置B，在此過程中，缸內氣體的V-T圖象如圖乙所示，已知大氣壓強p0=1.0×105Pa，忽視活塞與汽缸壁之間的摩擦，重力加速度g(1)求缸內氣體的壓強和活塞到達位置B時缸內氣體的體積；(2)若缸內氣體原來的內能U0=72J，且氣體內能與熱力學溫度成正比。求缸內氣體變更過程中從電熱絲汲取的總熱量?！窘馕觥?1)活塞從A位置緩慢運動到B位置，活塞受力平衡，氣體為等壓變更，以活塞為探討對象：pS=p0S+mg，解得：p=p0+mgS=1.2×105由蓋—呂薩克定律有：VAT解得：VB=VAT(2)由氣體的內能與熱力學溫度成正比，即UBU0=TBTA，外界對氣體做功：W=-p(VB-VA)=-24J由熱力學第肯定律：ΔU=UB-U0=Q+W得氣體變更過程中從電熱絲汲取的總熱量為Q=60J答案：(1)1.2×105Pa6×10-4m32.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℃，外界大氣壓強取p(1)若在活塞上放一個質量為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取10(2)若保持砝碼的質量不變，對氣體加熱，使其溫度上升到t2=77℃，(3)若在(2)過程中，氣體汲取的熱量為10J，則氣體的內能增加多少？【解析】(1)被封閉氣體的初狀態(tài)為：p1=p0=1.0×105Pa，V1=LS=42cmT1=280