【物理】2018届一轮复习人教版 热力学定律与能量守恒 学案

【物理】2018届一轮复习人教版 热力学定律与能量守恒 学案

第三节　热力学定律与能量守恒 一、热力学第一定律和能量守恒定律 ‎1．改变物体内能的两种方式 ‎(1)做功；‎ ‎(2)热传递．‎ ‎2．热力学第一定律 ‎(1)内容：一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和．‎ ‎(2)表达式：ΔU＝Q＋W ‎3．能的转化和守恒定律 ‎(1)内容：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变．‎ ‎(2)第一类永动机：违背能量守恒定律的机器被称为第一类永动机．它是不可能制成的．‎ ‎　1.判断正误 ‎(1)物体吸收热量，同时对外做功，内能可能不变．(　　)‎ ‎(2)做功改变物体内能的过程是内能与其他形式的能相互转化的过程．(　　)‎ ‎(3)自由摆动的秋千摆动幅度越来越小，说明能量正在消失．(　　)‎ ‎(4)一定质量的理想气体向真空中自由膨胀，体积增大，对外做功，熵增加．(　　)‎ 提示：(1)√　(2)√　(3)×　(4)×‎ 二、热力学第二定律 ‎1．常见的两种表述 ‎(1)克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传到高温物体．‎ ‎(2)开尔文表述：不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响．‎ ‎2．第二类永动机：违背宏观热现象方向性的机器被称为第二类永动机．这类永动机不违背能量守恒定律，但它违背了热力学第二定律，也是不可能制成的．‎ ‎　2.关于热力学定律，下列说法正确的是(　　)‎ A．为了增加物体的内能，必须对物体做功或向它传递热量 B．对某物体做功，必定会使该物体的内能增加 C．可以从单一热源吸收热量，使之完全变为功 D．不可能使热量从低温物体传向高温物体 E．功转变为热的实际宏观过程是不可逆过程 提示：选ACE.内能的改变可以通过做功或热传递进行，故A正确；对某物体做功，‎ 物体的内能不一定增加，B错误；在引起其他变化的情 况下，可以从单一热源吸收热量，将其全部变为功，C正确；在有外界影响的情况下，可以使热量从低温物体传向高温物体，D错误；涉及热现象的宏观过程都具有方向性，故E正确．‎ ‎　热力学第一定律 ‎【知识提炼】‎ ‎1．热力学第一定律不仅反映了做功和热传递这两种方式改变内能的过程是等效的，而且给出了内能的变化量和做功与热传递之间的定量关系．‎ ‎2．对公式ΔU＝Q＋W符号的规定 符号 W Q ΔU ‎＋‎ 外界对物体做功 物体吸收热量 内能增加 ‎－‎ 物体对外界做功 物体放出热量 内能减少 ‎3.几种特殊情况 ‎(1)若过程是绝热的，则Q＝0，W＝ΔU，外界对物体做的功等于物体内能的增加量．‎ ‎(2)若过程中不做功，即W＝0，则Q＝ΔU，物体吸收的热量等于物体内能的增加量．‎ ‎(3)若过程的始末状态物体的内能不变，即ΔU＝0，则W＋Q＝0或W＝－Q.外界对物体做的功等于物体放出的热量．‎ ‎　做功与热传递在改变内能的效果上是相同的，但是从运动形式、能量转化的角度上看是不同的：做功是其他形式的运动和热运动的转化，是其他形式的能与内能之间的转化；而热传递则是热运动的转移，是内能的转移．‎ ‎【典题例析】‎ ‎ 在如图所示的坐标系中，一定质量的某种理想气体先后发生以下两种状态变化过程：第一种变化是从状态A到状态B，外界对该气体做功为6 J；第二种变化是从状态A到状态C，该气体从外界吸收的热量为9 J．图线AC的反向延长线过坐标原点O，B、C两状态的温度相同，理想气体的分子势能为零．求：‎ ‎(1)从状态A到状态C的过程，该气体对外界做的功W1和其内能的增量ΔU1；‎ ‎(2)从状态A到状态B的过程，该气体内能的增量ΔU2及其从外界吸收的热量Q2.‎ ‎[解析]　(1)由题意知从状态A到状态C的过程，气体发生等容变化 该气体对外界做的功W1＝0‎ 根据热力学第一定律ΔU1＝W1＋Q1‎ 内能的增量ΔU1＝Q1＝9 J.‎ ‎(2)从状态A到状态B的过程，体积减小，温度升高 该气体内能的增量ΔU2＝ΔU1＝9 J 根据热力学第一定律有ΔU2＝W2＋Q2‎ 从外界吸收的热量Q2＝ΔU2－W2＝3 J.‎ ‎[答案]　(1)0　9 J　(2)9 J　3 J ‎【跟进题组】‎ ‎ 考向1　改变内能的两种方式 ‎1．(2016·高考全国卷乙)关于热力学定律，下列说法正确的是(　　)‎ A．气体吸热后温度一定升高 B．对气体做功可以改变其内能 C．理想气体等压膨胀过程一定放热 D．热量不可能自发地从低温物体传到高温物体 E．如果两个系统分别与状态确定的第三个系统达到热平衡，那么这两个系统彼此之间也必定达到热平衡 解析：选BDE.根据热力学第一定律，气体吸热的同时若对外做功，则内能不一定增大，温度不一定升高，选项A错误．对气体做功可以改变其内能，选项B正确．理想气体等压膨胀过程，对外做功，由理想气体状态方程可知，气体温度升高，内能增大，故气体一定吸热，选项C错误．根据热力学第二定律，热量不可能自发地从低温物体传到高温物体，选项D正确．根据热平衡定律，如果两个系统分别与状态确定的第三个系统达到热平衡，那么这两个系统彼此之间也必定达到热平衡，选项E正确．‎ ‎ 考向2　气体内能的变化判断 ‎2．(2015·高考重庆卷)某驾驶员发现中午时车胎内的气压高于清晨时的，且车胎体积增大．若这段时间胎内气体质量不变且可视为理想气体，那么(　　)‎ A．外界对胎内气体做功，气体内能减小 B．外界对胎内气体做功，气体内能增大 C．胎内气体对外界做功，内能减小 D．胎内气体对外界做功，内能增大 解析：选D.中午，车胎内气体温度升高，内能增大，车胎体积增大，气体对外做功．选项D正确．‎ ‎ 考向3　气态方程与热力学第一定律的综合应用 ‎3.(高考全国卷Ⅰ)一定量的理想气体从状态a开始，经历三个过程ab、bc、ca回到原状态，其p－T图象如图所示．下列判断正确的是(　　)‎ A．过程ab中气体一定吸热 B．过程bc中气体既不吸热也不放热 C．过程ca中外界对气体所做的功等于气体所放的热 D．a、b和c三个状态中，状态a分子的平均动能最小 E．b和c两个状态中，容器壁单位面积单位时间内受到气体分子撞击的次数不同 解析：选ADE.由p－T图象可知过程ab是等容变化，温度升高，内能增加，体积不变，由热力学第一定律可知过程ab中气体一定吸热，选项A正确；过程bc中温度不变，即内能不变，由于过程bc体积增大，所以气体对外做功，由热力学第一定律可知，气体一定吸收热量，选项B错误；过程ca中压强不变，温度降低，内能减少，体积减小，外界对气体做功，由热力学第一定律可知，放出的热量一定大于外界对气体做的功，选项C错误；温度是分子平均动能的标志，由p－T图象可知，a状态气体温度最低，则分子平均动能最小，选项D正确；b、c两状态温度相等，分子平均动能相等，由于压强不相等，所以单位面积单位时间内受到气体分子撞击的次数不同，选项E正确．‎ ‎　热力学第二定律 ‎【知识提炼】‎ ‎1．在热力学第二定律的表述中，“自发地”“不产生其他影响”的涵义 ‎(1)“自发地”指明了热传递等热力学宏观现象的方向性，不需要借助外界提供能量的帮助．‎ ‎(2)“不产生其他影响”的涵义是发生的热力学宏观过程只在本系统内完成，对周围环境不产生热力学方面的影响．如吸热、放热、做功等．‎ ‎2．热力学第二定律的实质：热力学第二定律的每一种表述，都揭示了大量分子参与宏观过程的方向性，进而使人们认识到自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性．‎ ‎　热量不可能自发地从低温物体传到高温物体，但在有外界影响的条件下，热量可以从低温物体传到高温物体，如电冰箱；在引起其他变化的条件下内能也可以全部转化为机械能，如气体的等温膨胀过程．‎ ‎3．两类永动机的比较 第一类永动机 第二类永动机 不需要任何动力或燃料，却能不断地对外做功的机器 从单一热源吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响的机器 违背能量守恒定律，不可能制成 不违背能量守恒定律，但违背热力学第二定律，不可能制成 ‎【典题例析】‎ ‎　下列关于热现象的描述不正确的是(　　)‎ A．根据热力学定律，热机的效率不可能达到100%‎ B．做功和热传递都是通过能量转化的方式改变系统内能的 C．温度是描述热运动的物理量，一个系统与另一个系统达到热平衡时两系统温度相同 D．物体由大量分子组成，其单个分子的运动是无规则的，大量分子的运动也是无规则的 E．空调机作为制冷机使用时，将热量从温度较低的室内送到温度较高的室外，所以制冷机的工作不遵守热力学第二定律 ‎[审题指导]　解答本题时应注意以下两点：‎ ‎(1)热力学定律的内容及意义．‎ ‎(2)对温度、分子运动论等规律的理解．‎ ‎[解析]　根据热力学第二定律可知，热机不可能从单一热源吸收热量全部用来做功而不引起其他变化，因此，热机的效率不可能达到100%，选项A正确；做功是通过能量转化改变系统的内能，热传递是通过能量的转移改变系统的内能，选项B错误；温度是表示热运动的物理量，热传递过程中达到热平衡时，温度相同，选项C正确；单个分子的运动是无规则的，大量分子的运动表现出统计规律，选项D错误；由热力学第二定律知，热量不可能从低温物体传到高温物体而不产生其他影响，空调机作为制冷机使用时，消耗电能，将热量从温度较低的室内送到温度较高的室外，选项E错误．‎ ‎[答案]　BDE ‎　以下哪个现象不违背热力学第二定律(　　)‎ A．一杯热茶在打开盖后，茶会自动变凉 B．没有漏气、没有摩擦的理想热机，其效率可能是100%‎ C．桶中浑浊的泥水在静置一段时间后，泥沙下沉，上面的水变清，泥、水自动分离 D．热量自发地从低温物体传到高温物体 E．在地面上运动的物体逐渐停下来，机械能全部变为内能 解析：选ACE.热茶自动变凉是热从高温物体传递到低温物体，A正确；任何热机效率都不可能达到100%，B错误；泥水分离是机械能(重力势能)向内能的转化，C正确；热量不能自发地从低温物体传到高温物体，D错误；物体因摩擦力而停下来，是机械能(动能)向内能的转化，是自发过程，E正确．‎ 热力学过程方向性实例 ‎(1)高温物体低温物体．‎ ‎(2)功热．‎ ‎(3)气体体积V1气体体积V2(较大)．‎ ‎(4)不同气体A和B混合气体AB.　 ‎ ‎1．下列说法中正确的是(　　)‎ A．悬浮在液体中的固体颗粒越小，布朗运动就越明显 B．用气筒给自行车打气，越打越费劲，说明气体分子之间的分子力表现为斥力 C．当分子力表现为引力时，分子力和分子势能总是随分子间距离的增大而减小 D．一定质量的理想气体，温度升高，体积减小，则单位时间内撞击到器壁单位面积上的气体分子数增加 E．内能全部转化为机械能的热机是不可能制成的 解析：选ADE.悬浮在液体中的固体小颗粒越小，在某一瞬间跟它相撞的液体分子数就越少，撞击作用的不平衡性就表现得越明显，因而布朗运动就越明显，选项A正确；用气筒给自行车打气，越打越费劲，不能说明气体分子之间的分子力表现为斥力，选项B错误；当分子之间表现为引力时，分子势能随着分子之间距离的增大而增大，选项C错误；一定质量的理想气体，温度升高，体积减小时，单位时间内撞击到器壁单位面积上的气体分子数增加，所以其压强增大，选项D正确；热力学第二定律指出，任何热机的效率都不可能达到100%，选项E正确．‎ ‎2．(2015·高考北京卷)下列说法正确的是(　　)‎ A．物体放出热量，其内能一定减小 B．物体对外做功，其内能一定减小 C．物体吸收热量，同时对外做功，其内能可能增加 D．物体放出热量，同时对外做功，其内能可能不变 解析：选C.根据热力学第一定律(公式ΔU＝Q＋W)可知，做功和热传递都可以改变物体的内能，当外界对物体做的功大于物体放出的热量或物体吸收的热量大于物体对外做的功时，物体的内能增加，选项A、B错误，选项C正确；物体放出热量同时对外做功，则Q＋W<0，内能减小，选项D错误．‎ ‎3.一定质量的理想气体由状态A变化到状态B，气体的压强随热力学温度的变化如图所示，则此过程(　　)‎ A．气体的密度增大 B．外界对气体做功 C．气体从外界吸收了热量 D．气体的内能不变 E．气体的内能增加 解析：选ABD.由题图可得：从状态A到状态B，该理想气体做等温变化，而压强变大，由理想气体状态方程＝C，知气体的体积V减小，由密度公式ρ＝，故气体的密度增大，选项A正确；由体积减小知，外界对气体做功，故B正确；由温度不变知，气体内能不变，由热力学第一定律知，气体向外放热，故C、E错误，D正确．‎ ‎4.(2017·东北三省四市协作体联考)如图所示，一绝热容器被隔板K隔开成a、b两部分．已知a内有一定量的稀薄气体，b内为真空．抽开隔板K后，a内气体进入b，最终达到平衡状态．在此过程中(　　)‎ A．气体对外界做功，内能减少 B．气体不做功，内能不变 C．气体压强变小，温度降低 D．气体压强变小，温度不变 E．单位时间内和容器壁碰撞的分子数目减少 解析：选BDE.a内气体向真空膨胀，不对外界做功，故A错；又因容器绝热，Q＝0，由热力学第一定律知，ΔU＝0，故B对；由玻意耳定律知压强减小；稀薄气体可看做理想气体，内能不变，则温度不变，C错，D、E对．‎ ‎5.(2015·高考福建卷)如图，一定质量的理想气体，由状态a经过ab过程到达状态b或者经过ac过程到达状态c.设气体在状态b和状态c的温度分别为Tb和Tc，在过程ab和ac中吸收的热量分别为Qab和Qac，则(　　)‎ A．Tb>Tc，Qab>Qac　　　　 B．Tb>Tc，QabQac D．Tb＝Tc，Qab0，由热力学第一定律可知，气体的内能一定增加，选项D错误；热量可以由低温物体传给高温物体，但不会自发地由低温物体传给高温物体，选项E正确．‎ ‎7.(2015·高考广东卷)如图为某实验器材的结构示意图，金属内筒和隔热外筒间封闭了一定体积的空气，内筒中有水，在水加热升温的过程中，被封闭的空气(　　)‎ A．内能增大 B．压强增大 C．分子间引力和斥力都减小 D．所有分子运动速率都增大 解析：选AB.在水加热升温的过程中，封闭气体的温度升高，内能增大，选项A正确；根据＝C知，气体的压强增大，选项B正确；气体的体积不变，气体分子间的距离不变，分子间的引力和斥力不变，选项C错误；温度升高，分子热运动的平均速率增大，但并不是所有分子运动的速率都增大，选项D错误．‎ ‎8．(2017·杭州二中高三月考)一定质量的理想气体在下列哪些过程中，一定从外界吸收了热量(　　)‎ A．温度保持不变，体积逐渐膨胀 B．体积保持不变，温度逐渐升高 C．压强保持不变，体积逐渐收缩 D．温度逐渐升高，压强逐渐减小 E．温度逐渐升高，体积逐渐收缩 解析：选ABD.体积增大，气体向外界做功，温度不变，内能不变，故一定吸收了热量，A正确．体积不变，气体对外界不做功，温度升高，内能增大，则只能气体吸收热量，B正确．体积减小，外界对气体做功，压强不变，体积减小，则温度减小，内能减小，故一定向外放出热量，C错误．温度升高，压强减小，则内能变大，体积增大，气体对外界做功，故一定吸收热量，D正确．温度升高，内能增大，体积减小，外界对气体做功，气体不一定从外界吸收热量，E错误．‎ 二、非选择题 ‎9.我国“蛟龙”号深海探测船载人下潜超过七千米，再创载人深潜新纪录．在某次深潜实验中，“蛟龙”号探测到990 m深处的海水温度为280 K．某同学利用该数据来研究气体状态随海水深度的变化．如图所示，导热良好的汽缸内封闭一定质量的气体，不计活塞的质量和摩擦，汽缸所处海平面的温度T0＝300 K，压强p0＝1 atm，封闭气体的体积V0＝3 m3，如果将该汽缸下潜至990 m深处，此过程中封闭气体可视为理想气体．‎ ‎(1)求990 m深处封闭气体的体积(1 atm相当于10 m深的海水产生的压强)．‎ ‎(2)下潜过程中封闭气体________(选填“吸热”或“放热”)，传递的热量________(选填“大于”或“小于”)外界对气体所做的功．‎ 解析：(1)当汽缸下潜至990 m时，设封闭气体的压强为p，温度为T，体积为V，由题意可知p＝100 atm 根据理想气体状态方程得＝ 代入数据得V＝2.8×10－2 m3.‎ ‎(2)下潜过程中温度降低，则ΔU<0，气体体积减小，‎ 则W>0，由ΔU＝Q＋W知，Q<0，放热，且|Q|>W.‎ 答案：(1)2.8×10－2 m3　(2)放热　大于 ‎10.(2017·河北保定模拟)一定质量的理想气体，其内能跟温度成正比．在初始状态A时，体积为V0，压强为p0，温度为T0，已知此时其内能为U0.该理想气体从状态A经由一系列变化，最终还回到原来状态A，其变化过程的p－T 图线如图所示，其中CA延长线过坐标原点，BA在同一竖直直线上．求：‎ ‎(1)状态B的体积；‎ ‎(2)状态C的体积；‎ ‎(3)从状态B经由状态C，最终回到状态A的过程中，气体与外界交换的热量是多少？‎ 解析：(1)由题图可知，从状态A到状态B为等温变化过程，状态B时气体压强为p1＝3p0，设体积为V1，由玻意耳定律得p0V0＝p1V1，解得V1＝.‎ ‎(2)由题图可知，从状态B到状态C为等压变化过程，状态C时气体温度为T2＝3T0，设体积为V2，由盖－吕萨克定律得＝，解得V2＝V0.‎ ‎(3)由状态B经状态C回到状态A，外界对气体做的总功为ΔW；从状态B到状态C，设外界对气体做功为ΔWBC，ΔWBC＝p2(V1－V2)，联立解得ΔWBC＝－2p0V0；‎ 从状态C回到状态A，由图线知为等容过程，外界对气体不做功，所以ΔW＝ΔWBC＝－2p0V0，‎ 从状态B经状态C回到状态A，内能增加量为ΔU＝0，气体从外界吸收的热量为ΔQ，内能增加量为ΔU，由热力学第一定律得ΔU＝ΔQ＋ΔW，解得ΔQ＝2p0V0，即气体从外界吸收热量2p0V0.‎ 答案：见解析 ‎11.(2017·东北三校联考)如图所示，一个绝热的汽缸竖直放置，上方有一个绝热且光滑的活塞，中间有一个固定的导热性良好的隔板，隔板将汽缸分成两部分，分别密封着两部分理想气体A和B.活塞的质量为m，横截面积为S，与隔板相距h.现通过电热丝缓慢加热气体A，当气体吸收热量Q时，活塞上升了h，此时气体的温度为T1.已知大气压强为p0，重力加速度为g.‎ ‎(1)加热过程中，若A气体内能增加了ΔE1，求B气体内能增加量ΔE2；‎ ‎(2)现停止对气体加热，同时在活塞上缓慢添加砂粒，当活塞恰好回到原来的位置时A气体的温度为T2.求此时添加砂粒的总质量Δm.‎ 解析：(1)B气体对外做功W＝p1Sh＝(p0S＋mg)h 由热力学第一定律得ΔE1＋ΔE2＝Q－W 解得ΔE2＝Q－(mg＋p0S)h－ΔE1.‎ ‎(2)B气体的初状态 p1＝p0＋，V1＝2hS，T1‎ B气体末状态 p2＝p0＋，V2＝hS，T2‎ 由理想气体状态方程＝ 解得Δm＝.‎ 答案：见解析