（全國版）2019版高考物理一輪復(fù)習(xí) 第14章 選考部分 第52課時 熱力學(xué)定律能量守恒定律學(xué)案

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1、 第52課時　熱力學(xué)定律　能量守恒定律 考點1　熱力學(xué)第一定律 1．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。 2．熱力學(xué)第一定律符號意義 3．能的轉(zhuǎn)化和守恒定律 (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)第一類永動機(jī)：違背能量守恒定律的機(jī)器被稱為第一類永動機(jī)。它是不可能制成的。 [例1]　一定質(zhì)量的氣體，在從狀態(tài)1變化到狀態(tài)2的過程中，吸收熱量28

2、0 J，并對外做功120 J，試問： (1)氣體的內(nèi)能怎樣發(fā)生變化？變化了多少？ (2)如果氣體又返回原來的狀態(tài)，并放出了240 J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？ 解析　(1)由熱力學(xué)第一定律可得ΔU＝W＋Q＝－120 J＋280 J＝160 J，氣體的內(nèi)能增加了160 J。 (2)由于氣體的內(nèi)能僅與狀態(tài)有關(guān)，所以氣體從狀態(tài)2回到狀態(tài)1的過程中內(nèi)能應(yīng)減少，其減少量應(yīng)等于從狀態(tài)1到狀態(tài)2的過程中內(nèi)能的增加量，則從狀態(tài)2到狀態(tài)1的內(nèi)能應(yīng)減少160 J，即ΔU′＝－160 J，又Q′＝－240 J，根據(jù)熱力學(xué)第一定律得：ΔU′＝W′＋Q′，所以W′＝

3、ΔU′－Q′＝－160 J－(－240 J)＝80 J，即外界對氣體做功80 J。 答案　(1)增加' 160 J'(2)外界對氣體做功'80 J (1)要弄清各量的正負(fù)號含義，一定要準(zhǔn)確掌握熱力學(xué)第一定律的符號法則。 (2)考慮問題要全面，做功和熱傳遞都能改變物體的內(nèi)能，忽視任一方式都會造成錯解。 1．(多選)一定質(zhì)量的理想氣體，當(dāng)發(fā)生如下哪些狀態(tài)變化時，能放出熱量(　　) A．體積不變，壓強減小 B．壓強不變，體積減小 C．溫度不變，體積減小 D．溫度不變，壓強減小 答案　ABC 解析　根據(jù)＝C可知，體積不變，壓強減小，則溫度降低，內(nèi)能減小，即W＝0、Δ

4、U<0，根據(jù)ΔU＝W＋Q可知Q<0，則氣體放熱，A正確；同理壓強不變，體積減小，則溫度降低，內(nèi)能減小，即W>0、ΔU＝0，根據(jù)ΔU＝W＋Q可知Q<0，氣體放熱，B正確；溫度不變，體積減小，即ΔU＝0、W>0，則Q<0，氣體放熱，C正確；溫度不變，壓強減小，則體積變大，即ΔU＝0，W<0，則Q>0，氣體吸熱，D錯誤。 2．(粵教版選修3－3 P73·T3)在一個密閉隔熱的房間里，有一電冰箱正在工作，如果打開電冰箱的門，過一段時間后房間的溫度會(　　) A．降低 B．不變 C．升高 D．無法判斷 答案　C 解析　電冰箱工作時，將部分電能轉(zhuǎn)化為熱能散發(fā)到房間內(nèi)，所以房間內(nèi)溫度升

5、高，C正確。 3．(多選)夏天，小明同學(xué)把自行車輪胎上的氣門芯拔出的時候，會覺得從輪胎里噴出的氣體涼，如果把輪胎里的氣體視為理想氣體，則關(guān)于氣體噴出的過程，下列說法正確的是(　　) A．氣體的內(nèi)能減少 B．氣體的內(nèi)能不變 C．氣體來不及與外界發(fā)生熱交換，對外做功，溫度降低 D．氣體膨脹時，熱量散得太快，使氣體溫度降低了 E．氣體分子的平均動能減小 答案　ACE 解析　氣體噴出時，來不及與外界交換熱量，發(fā)生絕熱膨脹，即Q＝0、W<0，根據(jù)ΔU＝W＋Q可知ΔU<0，即內(nèi)能減少，溫度降低，氣體分子的平均動能減小，A、C、E正確。 考點2　熱力學(xué)第二定律的理解與應(yīng)用

6、 1．熱力學(xué)第二定律的三種表述 (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：不可能從單一熱源吸收熱量，使之完全變成功，而不產(chǎn)生其他影響?；虮硎鰹椤暗诙愑绖訖C(jī)不可能制成”。 (3)用熵的概念表述：在任何自然過程中，一個孤立系統(tǒng)的總熵不會減小(熱力學(xué)第二定律又叫做熵增加原理)。 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。 1．(2017·南昌模擬)(多選)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，是因為違背了能量守恒定律 B．能量耗散過程中能量不守恒 C

7、．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 E．物體從單一熱源吸收的熱量可全部用于做功 答案　ADE 解析　第一類永動機(jī)違背能量守恒定律，A正確；能量耗散過程中能量也是守恒的，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，因為它消耗了電能，所以不違背熱力學(xué)第二定律，C錯誤；能量耗散反映了能量轉(zhuǎn)化的方向性，D正確；在產(chǎn)生了其他影響的情況下，物體從單一熱源吸收的熱量可以全部用于做功，E正確。 2．(人教版選修3－3 P61·T2改編)(多選)下列現(xiàn)象中能夠發(fā)生的是(　　) A．一

8、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)能全部轉(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 答案　CD 解析　A、B違背熱力學(xué)第二定律，故不能發(fā)生，A、B錯誤；泥水分離是由于重力作用，能夠發(fā)生，C正確；選項D可以通過消耗電能的方式實現(xiàn)，故能發(fā)生，D正確。 考點3　熱力學(xué)定律與氣體實驗定律的綜合 　解答此類問題基本流程 [例2]　 如圖所示，一圓柱形絕熱汽缸豎直放置，通過絕熱活塞封閉著一定質(zhì)量的理想氣體。已知外界大氣壓強為p0，活塞的橫截面積為S、質(zhì)量

9、為m＝，活塞與容器底部相距h，此時封閉氣體的溫度為T0?，F(xiàn)在活塞上放置一質(zhì)量與活塞質(zhì)量相等的物塊，再次平衡后活塞與容器底部相距h，接下來通過電熱絲緩慢加熱氣體，氣體吸收熱量Q時，活塞再次回到原初始位置。重力加速度為g，不計活塞與汽缸的摩擦。求： (1)活塞上放置物塊再次平衡后，氣體的溫度； (2)加熱過程中氣體的內(nèi)能增加量。 解析　(1)由平衡條件可知 初狀態(tài)：p1＝p0＋＝p0，T1＝T0，V1＝Sh， 末狀態(tài)：p2＝p0＋＝p0，V2＝Sh， 由理想氣體狀態(tài)方程得：＝，解得T＝T0。 (2)由熱力學(xué)第一定律ΔU＝W＋Q，式中 W＝－(2mg＋p0S)＝－， 解得ΔU＝Q＋

10、W＝Q－。 答案　(1)T0　(2)Q－ 一定量的理想氣體發(fā)生變化，一般有絕熱過程(Q＝0)、無功過程(W＝0)、一般過程(Q、W均不為零)。 (1)做功情況看體積 體積V減小→外界對氣體做功→W＝pΔV>0； 體積V增大→氣體對外界做功→W＝pΔV<0； 自由膨脹→W＝0 體積不變→W＝pΔV＝0 (2)內(nèi)能變化看溫度(理想氣體) 溫度T升高→內(nèi)能增加→ΔU>0； 溫度T降低→內(nèi)能減少→ΔU<0； 溫度T不變→內(nèi)能不變→ΔU＝0。 (3)吸熱還是放熱，一般題目中會說明，或由熱力學(xué)第一定律ΔU＝Q＋W，知道W和ΔU后確定Q的正負(fù)。 (2017·湖南師大附中

11、檢測)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)量和厚度均可忽略的活塞；汽缸內(nèi)密封有溫度為2.4T0、壓強為1.2p0的理想氣體。p0和T0分別為大氣的壓強和溫度。已知：氣體內(nèi)能U與 溫度T的關(guān)系為U＝aT，a為正的常量；容器內(nèi)氣體的所有變化過程都是緩慢的，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。 答案　(1)0.5V　(2)p0V＋aT0 解析　(1)在氣體由壓強p＝1.2p0下降到p0的過程中，V不變，溫度由T＝2.4T0變?yōu)門1， 由查理定律得＝，得：T1＝2T0 在氣體溫度由T1變?yōu)門0的過程中，體積

12、由V減小到V1，氣體壓強不變， 由蓋—呂薩克定律得＝，解得：V1＝0.5V。 (2)活塞下降過程中，活塞對氣體做功W＝p0(V－V1) 在這一過程中，氣體內(nèi)能的變化量ΔU＝a(T0－T1) 由熱力學(xué)第一定律得Q＝ΔU－W＝－aT0－p0V，所以汽缸內(nèi)氣體放出的熱量p0V＋aT0。 1．一定質(zhì)量的氣體在某一過程中，外界對氣體做了8×104 J的功，氣體的內(nèi)能減少了1.2×105 J，則下列各式中正確的是(　　) A．W＝8×104 J，ΔU＝1.2×105 J，Q＝4×104 J B．W＝8×104 J，ΔU＝－1.2×105 J，Q＝－2×105 J C．W＝－8×10

13、4 J，ΔU＝1.2×105 J，Q＝2×104 J D．W＝－8×104 J，ΔU＝－1.2×105 J，Q＝－4×104 J 答案　B 解析　因為外界對氣體做功，W取正值，即W＝8×104 J；內(nèi)能減少，ΔU取負(fù)值，即ΔU＝－1.2×105 J；根據(jù)熱力學(xué)第一定律ΔU＝W＋Q，可知Q＝ΔU－W＝－1.2×105 J－8×104 J＝－2×105 J，B正確。 2．某駕駛員發(fā)現(xiàn)中午時車胎內(nèi)的氣壓高于清晨時的，且車胎體積增大。若這段時間胎內(nèi)氣體質(zhì)量不變且可視為理想氣體，那么(　　) A．外界對胎內(nèi)氣體做功，氣體內(nèi)能減小 B．外界對胎內(nèi)氣體做功，氣體內(nèi)能增大 C．胎內(nèi)氣體對外界做功

14、，內(nèi)能減小 D．胎內(nèi)氣體對外界做功，內(nèi)能增大 答案　D 解析　由＝C可知車胎內(nèi)氣體p、V增大時，車胎內(nèi)氣體溫度升高，內(nèi)能增大；車胎體積增大，氣體對外做功，D正確。 3．下列說法正確的是(　　) A．科技的進(jìn)步可以使內(nèi)燃機(jī)成為單一熱源的熱機(jī) B．分子間作用力的合力表現(xiàn)為引力時，若分子間的距離增大，則分子間的合力一定減小，分子勢能一定增大 C．顯微鏡下觀察到的布朗運動就是液體分子的無規(guī)則運動 D．氣體從外界吸收熱量，其內(nèi)能不一定增加 答案　D 解析　根據(jù)熱力學(xué)第二定律，從單一熱源吸收熱量，全部用來對外做功而不引起其他變化是不可能的，故A錯誤；分子間作用力的合力表現(xiàn)為引力時，若分

15、子間的距離增大，則分子間的合力不一定減小，分子勢能一定增大，故B錯誤；布朗運動是懸浮在液體中的固體小顆粒的運動，不是液體分子的運動，故C錯誤；根據(jù)熱力學(xué)第一定律，做功和熱傳遞都可以改變物體的內(nèi)能，氣體從外界吸收熱量，其內(nèi)能不一定增加，故D正確。 4．在一鍋正在沸騰的水中，一個小氣泡由底層緩慢地升到液面，上升過程中氣泡的壓強不斷減小，則氣泡在上浮過程中(　　) A．內(nèi)能增大 B．內(nèi)能減小 C．外界對氣泡做功 D．吸收熱量 答案　D 解析　在沸騰的水中，此環(huán)境下，氣泡的溫度恒定，則氣泡的內(nèi)能不變，故A、B錯誤；根據(jù)玻意耳定律，pV＝C，氣泡在上升過程中，壓強減小，則體積增大，即氣

16、泡對外做功，故C錯誤；通過上述分析，得知氣泡內(nèi)能不變，且對外做功，根據(jù)ΔU＝W＋Q，則氣泡吸收了熱量，故D正確。 5．(多選)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．可以從單一熱源吸收熱量，使之完全變?yōu)楣? D．不可能使熱量從低溫物體傳向高溫物體 答案　AC 解析　由ΔU＝W＋Q可知做功和熱傳遞是改變內(nèi)能的兩種途徑，它們是等效的，A正確，B錯誤；由熱力學(xué)第二定律可知，可以從單一熱源吸收熱量，使之全部變?yōu)楣?，但會產(chǎn)生其他影響，C正確；由熱力學(xué)第二定律知，熱量只是不能自發(fā)地從低溫物體

17、傳向高溫物體，D錯誤。 6．(多選)以下哪個現(xiàn)象不違背熱力學(xué)第二定律(　　) A．一杯熱茶在打開蓋后，茶會自動變涼 B．沒有漏氣、沒有摩擦的理想熱機(jī)，其效率可能是100% C．熱量自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體 D．在地面上運動的物體逐漸停下來，機(jī)械能全部變?yōu)閮?nèi)能 答案　AD 解析　熱茶自動變涼是熱從高溫物體傳遞到低溫物體，A正確；任何熱機(jī)效率都不可能達(dá)到100%，B錯誤；熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體，C錯誤；物體因摩擦力而停下來，是機(jī)械能(動能)向內(nèi)能的轉(zhuǎn)化，是自發(fā)過程，D正確。 7．(2017·東北三省四市聯(lián)考)(多選)如圖所示，一絕熱容器被隔板K隔開成a、b兩部

18、分。已知a內(nèi)有一定量的稀薄氣體，b內(nèi)為真空。抽開隔板K后，a內(nèi)氣體進(jìn)入b，最終達(dá)到平衡狀態(tài)。在此過程中(　　) A．氣體對外界做功，內(nèi)能減少 B．氣體不做功，內(nèi)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 答案　BD 解析　a內(nèi)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(xué)第一定律知，ΔU＝0，故B正確；由玻意耳定律知壓強減小，稀薄氣體可看做理想氣體，內(nèi)能不變，則溫度不變，C錯誤，D正確。 8．一定質(zhì)量的理想氣體從狀態(tài)A變化到狀態(tài)B再變化到狀態(tài)C，其狀態(tài)變化過程的p-V圖象如圖所示。已知該氣體在狀態(tài)A時的溫度為27 ℃。 (1)求該

19、氣體在狀態(tài)B、C時的溫度； (2)該氣體從狀態(tài)A到狀態(tài)C的過程中是吸熱還是放熱？傳遞的熱量是多少？ 答案　(1)－73 ℃　27 ℃　(2)吸收熱量　200 J 解析　(1)氣體從狀態(tài)A到狀態(tài)B做等容變化，由查理定律有＝，解得TB＝200 K，即tB＝－73 ℃； 氣體從狀態(tài)B到狀態(tài)C做等壓變化，由蓋—呂薩克定律有＝，解得TC＝300 K，即tC＝27 ℃。 (2)因為狀態(tài)A和狀態(tài)C溫度相等，內(nèi)能不變，所以在這個過程中ΔU＝0 由熱力學(xué)第一定律ΔU＝Q＋W得Q＝－W 在整個過程中，氣體在B到C過程對外做功，故 W＝－pBΔV＝－200 J 即Q＝－W＝200 J，是正值，所以

20、氣體從狀態(tài)A到狀態(tài)C過程中是吸熱，吸收的熱量Q＝200 J。 9．(2016·全國卷Ⅰ)(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．熱量不可能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體 E．如果兩個系統(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 答案　BDE 解析　根據(jù)熱力學(xué)第一定律，氣體吸熱的同時若對外做功，則內(nèi)能不一定增大，溫度不一定升高，A錯誤；對氣體做功可以改變其內(nèi)能，B正確；理想氣體等壓膨脹過程，對外做功，由理想氣體狀態(tài)方程＝C可知，氣體溫度升

21、高，內(nèi)能增大，故氣體一定吸熱，C錯誤；根據(jù)熱力學(xué)第二定律知，熱量不可能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體，D正確；根據(jù)熱平衡定律，如果兩個系統(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，E正確。 10．(2017·江蘇南通四校聯(lián)考)(多選)一定質(zhì)量的理想氣體，沿箭頭方向由狀態(tài)1變化到狀態(tài)2，其中氣體放出熱量的變化過程是(　　) 答案　BD 解析　A項，由圖象是雙曲線知，狀態(tài)1到狀態(tài)2是等溫變化過程，故狀態(tài)1與狀態(tài)2溫度相同內(nèi)能相同，又從狀態(tài)1至狀態(tài)2氣體的體積增加，故氣體對外做功，根據(jù)熱力學(xué)第一定律知，氣體從外界吸熱，故A錯誤；B項，由圖象有p1>p2，V

22、1>V2，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程＝知T1>T2，所以從狀態(tài)1至狀態(tài)2，氣體體積減小所以外界對氣體做功，又T1>T2說明氣體的內(nèi)能減小，根據(jù)熱力學(xué)第一定律知氣體對外放熱，故B正確；C項，由圖象知，狀態(tài)1至狀態(tài)2，氣體溫度升高內(nèi)能增加，氣體體積增大氣體對外做功，根據(jù)熱力學(xué)第一定律知，氣體從外界吸收熱量，故C錯誤；D項，由圖象知氣體的體積保持不變，氣體對外界不做功，從狀態(tài)2至狀態(tài)1氣體的溫度降低內(nèi)能減小，根據(jù)熱力學(xué)第一定律，氣體對外放熱，故D正確。 11．(2016·全國卷Ⅱ) (多選)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

23、線ac的延長線經(jīng)過原點O。下列判斷正確的是(　　) 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中氣體從外界吸收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 答案　ABE 解析　在p-T圖象中過原點的傾斜直線都是等容線，a、c在同一等容線上，體積相等，A正確；一定質(zhì)量的理想氣體，分子數(shù)確定，不計分子勢能，因此內(nèi)能只與溫度有關(guān)，由圖象知Ta>Tc，即氣體在狀態(tài)a時的內(nèi)能大于狀態(tài)c時的內(nèi)能，B正確；根據(jù)熱力學(xué)第一定律ΔU＝W＋Q

24、可知，在c→d中T不變，即ΔU＝0，那么W＝－Q， 即向外界放出的熱量等于外界對氣體做的功，C錯誤；d→a中，溫度升高，ΔU>0，由p不變、T升高可知V增大，W<0，Q＝ΔU＋|W|，可見氣體從外界吸收的熱量大于氣體對外界做的功，D錯誤；b→c為等壓變化，有＝，外界對氣體做功Wbc＝pc(Vb－Vc)＝(Tb－Tc)。d→a為等壓變化，有＝，氣體對外界做功Wda＝pa(Va－Vd)＝(Ta－Td)，由＝及Tb－Tc＝Ta－Td可知，Wbc＝Wda，E正確。 12. (2017·河北張家口聯(lián)考)如圖所示，一直柱形導(dǎo)熱汽缸豎直放置，通過絕熱活塞封閉著一定質(zhì)量的理想氣體。已知大氣壓強為p0，重力加速度為g，不計活塞與汽缸的摩擦，活塞的質(zhì)量為m、橫截面積為S。因為電熱絲的加熱，某時刻氣體溫度為T1，活塞與容器底部相距h?，F(xiàn)停止加熱，氣體通過汽缸緩慢放熱，當(dāng)氣體放出熱量Q時，氣體溫度下降到T2，求該過程中： (1)活塞下降的距離； (2)氣體內(nèi)能的改變量。 答案　(1)h　(2)(p0S＋mg)h－Q 解析　(1)氣體發(fā)生等壓變化，有＝， 解得Δh＝h。 (2)放熱過程中，外界對氣體做的功 W＝pS·Δh＝(p0S＋mg)h， 由熱力學(xué)第一定律知內(nèi)能改變量 ΔU＝W－Q＝(p0S＋mg)h－Q。 12