【物理】2018届一轮复习人教版第12章第3讲热力学定律与能量守恒学案

【物理】2018届一轮复习人教版第12章第3讲热力学定律与能量守恒学案

第3讲　热力学定律与能量守恒 知识点一　热力学第一定律 ‎1.改变内能的两种方式 ‎(1)　　　　.‎ ‎(2)　　　　.‎ ‎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　　　　与外界对它所做的功的和.‎ ‎(2)表达式：ΔU＝　　　　.‎ ‎(3)ΔU＝Q＋W中正、负号法则 答案：1.(1)做功　(2)热传递　2.(1)热量　(2)Q＋W　(3)吸收　增加　放出　减少 知识点二　热力学第二定律 ‎1.热力学第二定律的三种表述 ‎(1)克劳修斯表述：热量不能自发地　　　　　　　　　.‎ ‎(2)开尔文表述：不可能从单一热源　　　　，使之完全变成功，而不产生　　　　.或表述为“第二类永动机不可能制成”.‎ ‎(3)用熵的概念表述：在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵　　　　(热力学第二定律又叫做熵增加原理).‎ ‎2.热力学第二定律的微观意义：一切自发过程总是沿着分子热运动的无序性　　　　的方向进行.‎ 答案：1.(1)从低温物体传到高温物体　(2)吸收热量　其他影响　(3)不会减小　2.增大 知识点三　能量守恒定律 ‎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　　　　‎ 为另一种形式，或者从一个物体　　　　到别的物体，在转化或转移的过程中，能量的　　　　保持不变.‎ ‎2.能源的利用 ‎(1)存在能量耗散和　　　　.‎ ‎(2)重视利用能源时对　　　　的影响.‎ ‎(3)要开发新能源(如　　　　、生物质能、风能、水流能等).‎ 答案：1.转化　转移　总量　2.品质降低　环境　(3)太阳能 ‎(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)自由摆动的秋千摆幅度越来越小，说明能量正在消失.(　　)‎ ‎(4)热量不可能从低温物体传到高温物体.(　　)‎ ‎(5)热机中，燃气的内能可以全部变为机械能而不引其他变化.(　　)‎ ‎(6)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.(　　)‎ 答案：(1)√　(2)√　(3) 　(4) 　(5) 　(6)  考点　对热力学第一定律的理解 ‎1.内能和改变内能的两种方式 ‎(1)内能是物体内所有分子动能和势能的总和，它是由大量分子的热运动和分子的相对位置所决定的能.‎ ‎(2)做功和热传递能够改变物体的内能，二者在改变内能上是等效的，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.‎ ‎2.对公式ΔU＝Q＋W符号的确定 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 ‎3.三种特殊情况 ‎(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.‎ ‎(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.‎ ‎(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.‎ 考向1　对内能的理解 ‎[典例1]　(2016·新课标全国卷Ⅲ)(多选)关于气体的内能，下列说法正确的是(　　)‎ A.质量和温度都相同的气体，内能一定相同 B.气体温度不变，整体运动速度越大，其内能越大 C.气体被压缩时，内能可能不变 D.一定量的某种理想气体的内能只与温度有关 E.一定量的某种理想气体在等压膨胀过程中，内能一定增加 ‎[解题指导]　(1)物体的内能与物体的机械运动无关.‎ ‎(2)一定量的实际气体的内能与气体体积、温度都有关，而一定量的理想气体的内能只与温度有关.‎ ‎[解析]　温度相同的气体分子平均动能相同，仅质量相同，分子质量不同的气体，所含分子数不同，气体的动能也不同，所以内能不一定相同，A项错误；气体的内能与整体运动的机械能无关，B项错误；理想气体等温压缩过程中，其内能不变，C项正确；理想气体不考虑分子间相互作用力，分子势能为零，一定量的气体，分子数量一定，温度相同时分子平均动能相同，由于内能是所有分子热运动的动能与分子势能的总和，所以D项正确；由盖—吕萨克定律可知，一定量的理想气体，等压膨胀过程中，温度一定升高，则其内能一定增加，E项正确.‎ ‎[答案]　CDE 考向2　对热力学第一定律的理解 ‎[典例2]　(多选)关于一定质量的理想气体，下列叙述正确的是(　　)‎ A.气体体积增大时，其内能一定减少 B.外界对气体做功，气体内能可能减少 C.气体从外界吸收热量，其内能一定增加 D.气体温度升高，其分子平均动能一定增加 E.气体温度升高，气体可能向外界放热 ‎[解析]　做功和热传递是改变物体内能的两种方式，气体体积增大时，可能同时从外界吸收热量，其内能不一定减少；气体从外界吸收热量，可能同时对外做功，其内能不一定增加，同理，外界对气体做功，气体内能不一定增加，选项A、C错误，B正确.温度是分子平均动能的标志，气体温度升高，其分子平均动能一定增加，内能增加，若外界对气体做的功大于内能的增加量，则气体向外放热，故D、E正确.‎ ‎[答案]　BDE 考向3　热力学第一定律的计算 ‎[典例3]　如图所示pV图象中，一定质量的理想气体由状态A经过ACB过程至状态B，气体对外做功280 J，放出热量410 J；气体又从状态B经BDA过程回到状态A ‎，这一过程中外界对气体做功200 J.‎ ‎(1)ACB过程中气体的内能如何变化？变化了多少？‎ ‎(2)BDA过程中气体吸收还是放出多少热量？‎ ‎[解析]　(1)ACB过程中W1＝－280 J，Q1＝－410 J 由热力学第一定律UB－UA＝W1＋Q1＝－690 J 气体内能的减少量为690 J.‎ ‎(2)因为一定质量理想气体的内能只是温度的函数，BDA过程中气体内能变化量UA－UB＝690 J 由题知W2＝200 J 由热力学第一定律UA－UB＝W2＋Q2‎ 解得Q2＝490 J，即气体吸收热量490 J.‎ ‎[答案]　(1)减少了690 J　(2)吸收490 J 对于ΔU＝W＋Q中正、负号的把握，有如下规律：能使系统内能增加的过程取正，如吸热或外界对系统做功；会使系统内能减少的过程则取负，如放热或系统对外做功；内能增加时ΔU为正，反之则为负.‎ 考点　对热力学第二定律的理解 ‎1.对热力学第二定律关键词的理解 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”的含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 自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性.如：‎ ‎(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 ‎3.两类永动机的比较 分类 第一类永动机 第二类永动机 设计要求 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 不可能制 成的原因 违背能量守恒定律 不违背能量守恒定律，违背热力学第二定律 考向1　对热力学第二定律的理解 ‎[典例4]　(多选)根据你学过的热学中的有关知识，判断下列说法中正确的是(　　)‎ A.机械能可以全部转化为内能，内能也可以全部用来做功转化成机械能 B.凡与热现象有关的宏观过程都具有方向性.在热传递中，热量只能从高温物体传递给低温物体，而不能从低温物体传递给高温物体 C.尽管技术不断进步，热机的效率仍不能达到100%‎ D.制冷机在制冷过程中，从室内吸收的热量少于向室外放出的热量 E.第一类永动机违背能量守恒定律，第二类永动机不违背能量守恒定律，随着科技的进步和发展，第二类永动机可以制造出来 ‎[解析]　机械能可以全部转化为内能，而内能在引起其他变化时也可以全部转化为机械能，A正确；凡与热现象有关的宏观过程都具有方向性，在热传递中，热量可以自发地从高温物体传递给低温物体，也能从低温物体传递给高温物体，但必须借助外界的帮助，B错误；尽管科技不断进步，热机的效率仍不能达到100%，C正确；由能量守恒知，制冷过程中，从室内吸收的热量与压缩机做的功之和等于向室外放出的热量，故D正确；第一类永动机违背能量守恒定律，第二类永动机不违背能量守恒定律，而是违背了热力学第二定律，第二类永动机不可能制造出来，E错误.‎ ‎[答案]　ACD 考向2　热力学定律的综合应用 ‎[典例5]　(多选)下列叙述和热力学定律相关，其中正确的是(　　)‎ A.第一类永动机不可能制成，是因为违背了能量守恒定律 B.能量耗散过程中能量不守恒 C.电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界，违背了热力学第二定律 D.能量耗散是从能量转化的角度反映出自然界中的宏观过程具有方向性 E.物体从单一热源吸收的热量可全部用于做功 ‎[解析]　第一类永动机既不消耗能量又能源源不断对外做功，违背了能量守恒定律，所以不可能制成，故A正确；能量耗散过程中能量也守恒，故B错误；电冰箱的致冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界，是由于压缩机做功，并不违背热力学第二定律，故C错误；能量耗散是从能量转化的角度反映出自然界中的宏观过程具有方向性，故D正确；根据热力学第二定律可知：气体不可能从单一热源吸热，并全部用来对外做功，而不引起其他变化，若引起外界变化则可以，故E正确.‎ ‎[答案]　ADE 热力学第二定律的进一步理解 对于热力学第二定律，重点应抓住两种表述的等效性，抓住定律的实质，即自然界中进行的涉及热现象的宏观过程均具有方向性，同时要明确，根据热力学第二定律，即使符合能量守恒定律的过程，也未必都能发生，如扩散、热传递、摩擦生热等过程均有不可逆性，这里的不可逆性是指要返回到初始状态，必须借助外界的帮助.‎ 考点　热力学定律与气体图象的综合应用 ‎1.判断理想气体内能变化的方法 ‎(1)若做功和热传递两种过程同时发生时，内能的变化要用热力学第一定律进行分析.‎ ‎(2)若过程是绝热的，则Q＝0，W＝ΔU，即外界对物体(物体对外界)做的功等于物体内能的增加量(减少量).‎ ‎(3)等容变化，W＝0，Q＝ΔU，即物体吸收(放出)的热量等于物体内能的增加量(减少量).‎ ‎(4)等温变化，ΔU＝0，则W＋Q＝0或W＝－Q，即外界对物体做的功等于物体放出的热量(物体对外界做的功等于物体吸收的热量).‎ ‎2.理想气体与热力学第一定律相结合的解题步骤 ‎(1)以一定质量的理想气体作为研究对象.‎ ‎(2)应用气体实验定律或理想气体状态方程分析气体的状态变化规律.‎ ‎(3)结合理想气体状态方程与热力学第一定律，抓住不变量，共同确定内能与其他物理量的变化情况.‎ ‎[典例6]　(2016·新课标全国卷Ⅱ)(多选)一定量的理想气体从状态a开始，经历等温或等压过程ab、bc、cd、da回到原状态，其p T图象如图所示，其中对角线ac的延长线过原点O.下列判断正确的是(　　)‎ A.气体在a、c两状态的体积相等 B.气体在状态a时的内能大于它在状态c时的内能 C.在过程cd中气体向外界放出的热量大于外界对气体做的功 D.在过程da中气体从外界吸收的热量小于气体对外界做的功 E.在过程bc中外界对气体做的功等于在过程da中气体对外界做的功 ‎[解析]　由＝C可知，pT图象中过原点的一条倾斜的直线是等容线，A项正确；气体从状态c到状态d的过程温度不变，内能不变，从状态d到状态a的过程温度升高，内能增加，B项正确；由于过程cd中气体的内能不变，根据热力学第一定律可知，气体向外放出的热量等于外界对气体做的功，C项错误；在过程da中气体内能增加，气体从外界吸收的热量大于气体对外界做的功，D项错误；过程bc中，外界对气体做的功Wbc＝pb(Vb－Vc)＝pbVb－pcVc，过程da中气体对外界做的功Wda＝pd(Va－Vd)＝paVa－pdVd，由于pbVb＝paVa，pcVc＝pdVd，因此过程bc中外界对气体做的功与过程da中气体对外界做的功相等，E项正确.‎ ‎[答案]　ABE ‎[变式]　如图所示，一定质量的理想气体经历A→B、B→C、C→A三个变化过程，则：‎ ‎(1)符合查理定律的变化过程是　　　　；C→A过程中气体　　　　(填“吸收”或“放出”)热量，　　　　(填“外界对气体”或“气体对外界”)做功，气体的内能　　　　(填“增加”“减少”或“不变”).‎ ‎(2)已知理想气体在状态A时的温度是‎27 ℃‎，求气体在状态C时的温度.‎ 答案：(1)B→C　吸收　气体对外界　增加　(2)150 K 解析：(1)B→C过程中，体积不变，为等容变化过程，符合查理定律；C→A过程为等压变化，随着温度升高，气体内能增加，气体膨胀对外界做功，根据热力学第一定律可知：气体吸收热量.‎ ‎(2)C→A过程中气体压强不变，由盖—吕萨克定律可知：＝，可得TC＝150 K.‎ ‎1.气体做功情况的判定方法 ‎(1)若气体体积增大，则气体对外做功，W＜0，气体向真空膨胀除外.‎ ‎(2)若气体体积缩小，则外界对气体做功，W＞0.‎ ‎(3)若气体体积不变，即等容过程，则W＝0.‎ ‎2.理想气体内能变化情况的判定方法 对一定质量的理想气体，由于无分子势能，其内能只包含分子无规则热运动的动能，其内能只与温度有关.‎ ‎1.[对热力学第一定律的理解]在一锅正在沸腾的水中，一个小气泡由底层缓慢地升到液面，上升过程中气泡的压强不断减小，则气泡在上浮过程中(　　)‎ A.内能增大 B.内能减小 C.外界对气泡做功 D.吸收热量 答案：D　解析：在沸腾的水中，此环境下，气泡的温度恒定，则气泡的内能不变，故选项A、B错误；根据玻意耳定律，pV＝C，气泡在上升过程中，压强减小，则体积增大，即气泡对外做功，故选项C错误；通过上述分析，得知气泡内能不变，且对外做功，根据ΔU＝W＋Q，则气泡吸收了热量，故选项D正确.‎ ‎2.[对热力学第二定律的理解](多选)根据热力学定律，下列说法中正确的是(　　)‎ A.电冰箱的工作过程表明，热量可以从低温物体向高温物体传递 B.空调机在制冷过程中，从室内吸收的热量少于向室外放出的热量 C.科技的进步可以使内燃机成为单一热源的热机 D.压缩气体总能使气体的温度升高 答案：AB　解析：热力学第二定律的表述之一是热量不能自发地从低温物体传到高温物体，即自发的热传递具有方向性，选项A中热量并非自发地从低温物体传到高温物体，选项A正确；空调机制冷过程中一方面从室内吸收热量，另一方面所消耗电能中的一部分又变为热量散失在室外，使排放到室外的热量多于从室内吸收的热量，选项B正确；由热力学第二定律的表述“不可能从单一热源吸收热量，并把它全部用来做功，而不引起其他变化”可知选项C错误；内能的变化决定于做功和热传递两个方面，压缩气体的同时向外界放热，气体的温度可能不变，也可能降低，选项D错误.‎ ‎3.[热力学第一、第二定律综合]关于两类永动机和热力学的两个定律，下列说法正确的是(　　)‎ A.第二类永动机不可能制成是因为违反了热力学第一定律 B.第一类永动机不可能制成是因为违反了热力学第二定律 C.由热力学第一定律可知做功不一定改变内能，热传递也不一定改变内能，但同时做功和热传递一定会改变内能 D.由热力学第二定律可知热量从低温物体传向高温物体是可能的，从单一热源吸收热量，完全变成功也是可能的 答案：D　解析：第一类永动机违反能量守恒定律，第二类永动机违反热力学第二定律，A、B错误；由热力学第一定律可知W≠0，Q≠0，但ΔU＝W＋Q可以等于零，C错误；由热力学第二定律可知D中现象是可能的，但会引起其他变化，D正确.‎ ‎4.[气体图象](多选)如图所示是一定质量的理想气体的体积V和摄氏温度t变化关系的Vt图象，气体由状态A变化到状态B的过程中，下列说法正确的是(　　)‎ A.气体的内能增大 B.气体的内能不变 C.气体的压强减小 D.气体的压强不变 E.气体对外做功，同时从外界吸收热量 答案：ACE　解析：由状态A到状态B，温度升高，内能增大，A正确，B错误；由理想气体状态方程可知，由状态A到状态B，压强减小，C正确，D错误；气体内能增加，从外界吸收热量，压强减小，对外做功，E正确.‎ ‎5.[气体图象](多选)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pT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 答案：ADE　解析：因为＝常数，从题图中可看出，ab过程不变，则体积V不变，因此ab过程是温度升高、压强增大、体积不变，根据热力学第一定律可知，过程ab一定是吸热过程，A正确；bc过程温度不变，但是压强减小，体积膨胀对外做功，应该是吸收热量，B错误；ca过程压强不变、温度降低、体积减小，外界对气体做功，但由于温度降低，说明对外放热大于外界对其做的功，故C错误；状态a温度最低，而温度是分子平均动能的标志，所以状态a分子的平均动能最小，D正确；bc过程体积增大了，容器内分子数密度减小，温度不变，分子平均速率不变，因此c状态单位面积容器壁在单位时间内受到分子碰撞的次数减少了，E正确.‎