【物理】2019届二轮复习热力学定律能量守恒定律学案（全国通用）

【物理】2019届二轮复习热力学定律能量守恒定律学案（全国通用）

考点精讲 一、热力学第一定律 ‎1. 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)ΔU＝Q＋W中正、负号法则：‎ 物理量 意义 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 ‎2．对热力学第一定律的理解 ‎(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，即ΔU＝Q＋W.‎ ‎(2)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．‎ 二、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，它只能从一种形式转化为另一种形式，或者是从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中其总量保持不变 ‎2．条件性 能量守恒定律是自然界的普遍规律，某一种形式的能是否守恒是有条件的．‎ ‎3．第一类永动机是不可能制成的，它违背了能量守恒定律.‎ 三、热力学第二定律 ‎1.热力学第二定律的两种表述 ‎(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．或表述为“第二类永动机是不可能制成的”．‎ ‎2．用熵的概念表示热力学第二定律：在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小．‎ ‎3．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增大的方向进行．‎ ‎4．第二类永动机不可能制成的原因是违背了热力学第二定律．‎ ‎5．对热力学第二定律的理解 ‎(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．‎ ‎(3)热力学过程的方向性实例 ‎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 ‎(4)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 不违背能量守恒，违背热力学第二定律 ‎ ‎ 考点精练 题组1热力学第一定律 ‎1．“温泉水滑洗凝脂，冬浴温泉正当时”，在寒冷的冬天里泡一泡温泉，不仅可以消除疲劳，还可扩张血管，促进血液循环，加速人体新陈代谢．设水温恒定，则温泉中正在缓慢上升的气泡．(　　)‎ A．压强增大，体积减小，吸收热量 B．压强增大，体积减小，放出热量 C．压强减小，体积增大，吸收热量 D．压强减小，体积增大，放出热量 ‎【答案】C ‎ ‎【解析】由ΔU＝W＋Q知，温度不变，ΔU 不变，气泡对外做功必吸收热量，且高度减小压强减小，故选C。学 ‎ ‎2．如图所示是密闭的汽缸，外力推动活塞P压缩气体，对缸内气体做功800 J，同时气体向外界放热200 J，缸内气体的(　　)‎ A．温度升高，内能增加600 J B．温度升高，内能减少200 J C．温度降低，内能增加600 J D．温度降低，内能减少200 J ‎【答案】A ‎ ‎3．如图所示，厚壁容器的一端通过胶塞插进一支灵敏温度计和一根气针，另一端有个用卡子卡住的可移动活塞．用打气筒慢慢向容器内打气，使容器内的压强增大到一定程度，这时读出温度计示数．打开卡子，活塞冲出容器口后(　　)‎ A．温度计示数变大，实验表明气体对外界做功，内能减少 B．温度计示数变大，实验表明外界对气体做功，内能增加 C．温度计示数变小，实验表明气体对外界做功，内能减少 D．温度计示数变小，实验表明外界对气体做功，内能增加 ‎【答案】C ‎ ‎【解析】打开卡子后活塞冲出，瞬间没有热交换，而气体体积变大，内部气体对外做功，内能减少，温度降低，温度计示数变小，故C选项正确。‎ ‎4．如图是某研究小组为了探究“鱼鳔的作用”所制作的装置。具体制作方法如下：在大号“可乐瓶”中注入半瓶水，在一个小气球中放入几枚硬币并充入少量空气(忽略气体的分子势能)，将其装入“可乐瓶”中。通过在水中放盐改变水的密度后，使气球恰好悬浮于水中，并拧紧瓶盖。设初始时瓶中气体、水及外界大气的温度相同。当用手挤压“可乐瓶”的上半部分时，下列说法正确的是(　　)‎ A．快速挤压时，瓶内气体压强变大 B．快速挤压时，瓶内气体温度不变 C．快速挤压时，瓶内气体体积不变 D．缓慢挤压时，气球下降 ‎【答案】AD ‎ ‎【解析】快速挤压气体时，外界对它做功，来不及热传递，由W＋Q＝ΔU，内能增大，温度上升，体积变小，瓶内压强变大，则A项对，B、C两项错；缓慢挤压时，温度不变，体积变小，瓶内压强变大，对气球来说，压强也增大，温度不变，体积必然减小，则重力mg大于浮力ρgV气球，气球下降，则D项正确。‎ 题组2热力学第二定律 ‎ ‎1．关于永动机和热力学定律的讨论，下列叙述正确的是(　　)‎ A．第二类永动机违反能量守恒定律 B．如果物体从外界吸收了热量，则物体的内能一定增加 C．外界对物体做功，则物体的内能一定增加 D．做功和热传递都可以改变物体的内能，但从能量转化或转移的观点来看这两种改变方式是有区别的 ‎【答案】D ‎ ‎2．下列说法正确的是(　　)‎ A．机械能和内能的转化具有方向性 B．气体的温度升高，每个气体分子运动的速率都增加 C．第二类永动机虽然不违反能量守恒定律，但它是制造不出来的 D．当温度由20℃变为40℃，物体分子的平均动能应变为原来的2倍 ‎【答案】AC ‎ ‎【解析】根据热力学第二定律判断A、C项正确；气体的温度升高，气体分子的平均运动速率增加，B项错误；当温度由20℃变为40℃，物体分子的平均动能增大，但是平均动能与热力学温度成正比，而不是与摄氏温度成正比，D项错误。‎ ‎3．根据你学的热学中的有关知识，判断下列说法中正确的是(　　)‎ A．机械能可能全部转化为内能，内能也可以全部用来做功以转化成机械能 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 ，制冷机却可以使温度降到－‎‎273℃‎ D．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 技的进步和发展，第二类永动机可以制造出来 ‎【答案】A ‎ ‎4．地球上有很多的海水，它的总质量约为1.4×1018吨，如果这些海水的温度降低0.1℃，将要放出5.8×1023焦耳的热量，有人曾设想利用海水放出的热量使它完全变成机械能来解决能源危机，但这种机器是不能制成的，其原因是(　　)‎ A．内能不能转化成机械能 B．内能转化成机械能不满足热力学第一定律 C．只从单一热源吸收热量并完全转化成机械能的机器不满足热力学第二定律 D．上述三种原因都不正确 ‎【答案】C ‎ ‎【解析】内能可以转化成机械能，如热机，A错误；内能转化成机械能的过程满足热力学第一定律，即能量守恒定律，B错误；热力学第二定律告诉我们：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，C正确。‎ ‎5．地球上有很多的海水，它的总质量约为1.4×1018吨，如果这些海水的温度降低‎0.1℃‎，将要放出5.8×1023焦耳的热量，有人曾设想利用海水放出的热量使它完全变成机械能来解决能源危机，但这种机器是不能制成的，其原因是(　　)‎ A．内能不能转化成机械能 B．内能转化成机械能不满足热力学第一定律 C．只从单一热源吸收热量并完全转化成机械能的机器不满足热力学第二定律 D．上述三种原因都不正确 ‎【答案】C ‎ ‎【解析】内能可以转化成机械能，如热机，A错误；内能转化成机械能的过程满足热力学第一定律，即能量守恒定律，B错误；热力学第二定律告诉我们：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，C正确。‎ ‎6．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们传递热量 B．对某物体的做功，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 ‎【答案】ACE ‎ ‎7．如图所示，导热的汽缸固定在水平地面上，用活塞把一定质量的理想气体封闭在汽缸中，汽缸的内壁光滑。现用水平外力F作用于活塞杆，使活塞缓慢地向右移动，由状态①变化到状态②，在此过程中，如果环境温度保持不变，下列说法正确的是(　　)‎ A．气体分子平均能动不变 B．气体内能减少 C．水平外力F逐渐变大 D．气体从单一热源吸热，全部用来对外做功，但此过程不违反热力学第二定律 ‎【答案】ACD ‎【解析】活塞缓慢移动，气体温度与环境温度保持一致，气体分子平均动能不变，A项正确；理想气体内能只与温度有关，故内能不变，B项错；气体等温膨胀，压强减小，水平外力F逐渐变大，C项正确；气体从单一热源吸热，全部用来对外做功，由于此过程需要借助外界的影响才能实现，故不违反热力学第二定律，D项正确。‎ ‎8．如图所示为电冰箱的工作原理示意图。压缩机工作时，强迫制冷剂在冰箱内外的管道中不断循环．在蒸发器中制冷剂汽化吸收箱体内的热量，经过冷凝器时制冷剂液化，放出热量到箱体外，下列说法正确的是(　　)‎ A．热量可以自发地从冰箱内传到冰箱外 B．电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界，是因为其消耗了电能 C．电冰箱的工作原理不违反热力学第二定律 D．电冰箱的工作原理违反热力学第一定律 ‎【答案】BC ‎ 题组3能量守恒定律 ‎1．如图所示，一演示用的“永动机”转轮由 5 根轻杆和转轴构成，轻杆的末端装有用形状记忆合金制成的叶片。轻推转轮后，进入热水的叶片因伸展而“划水”，推动转轮转动。离开热水后，叶片形状迅速恢复，转轮因此能较长时间转动。下列说法正确的是(　　)‎ A．转轮依靠自身惯性转动，不需要消耗外界能量 B．转轮转动所需能量来自形状记忆合金自身 C．转动的叶片不断搅动热水，水温升高 D．叶片在热水中吸收的热量一定大于在空气中释放的热量 ‎【答案】D ‎ ‎【解析】转轮之所以能够发生转动，是因为叶片能吸收热量，其内能转化为机械能，不是依靠惯性运动的，其转动的能量来自于热水中的内能，A错误，B错误；转动的叶片不断搅动热水，需要消耗能量，水温应不断降低，C错误；根据能量守恒，叶片在热水中吸收的能量应等于叶片的机械能与叶片向空气中释放的能量之和，故D正确。‎ ‎2．如图所示，密闭绝热容器内有一绝热的具有一定质量的活塞，活塞的上部封闭着气体，下部为真空，活塞与器壁的摩擦忽略不计。置于真空中的轻弹簧的一端固定于容器的底部，另一端固定在活塞上．弹簧被压缩后用绳扎紧，此时弹簧的弹性势能为Ep(弹簧处在自然长度时的弹性势能为零)。现绳突然断开，弹簧推动活塞向上运动，经过多次往复运动后活塞静止，气体达到平衡态。经过此过程(　　)‎ A．Ep全部转换为气体的内能 B．Ep一部分转换成活塞的重力势能，其余部分仍为弹簧的弹性势能 C．Ep全部转换成活塞的重力势能和气体的内能 D．Ep一部分转换成活塞的重力势能，一部分转换为气体的内能，其余部分仍为弹簧的弹性势能 ‎【答案】D ‎ 方法突破 方法1 两种分析物体内能及其变化的方法 ‎（1）根据物体内能的组成及其影响因素来确定物体内能的变化（2）利用能量守恒定律、热力学第一定律来确定物体内能的变化。‎ 题组4 两种分析物体内能及其变化的方法 ‎1．如图所示,在大口厚玻璃瓶内装入少量的水,并滴入几滴酒精。塞进塞子后,用气筒往瓶内打气,当塞子跳出时,看到瓶口有白雾出现,下列关于该实验的分析错误的是　(　　)‎ A．往瓶内打气时,外界对瓶内气体做功 B．往瓶内打气时,瓶内气体内能变小 C．瓶塞跳出时,瓶内气体温度降低 D．瓶塞跳出时,瓶内气体对外做功 ‎【答案】B ‎【解析】用气筒向密闭的玻璃瓶内打气,活塞压缩气体做功,机械能转化为内能,瓶内气体压强增大,内能增加,温度升高,A说法正确,B说法错误;当瓶内气体压强增大到一定程度的时候,对瓶塞做功,瓶塞被推开,内能转化为机械能,瓶内温度降低,C、D说法正确。学 ‎ ‎2．爆米花是将玉米粒放入铁锅内,边加热边翻动,一段时间后,“砰”的一声玉米粒变成了玉米花。下列说法正确的是　(　　)‎ A．主要通过翻动铁锅对玉米粒做功,使其内能增加 B．主要通过与铁锅间的热传递,使玉米粒内能增加 C．玉米粒内水分受热膨胀对粒壳做功爆开,内能不变. ]‎ D．玉米粒内水分受热膨胀对粒壳做功爆开,内能增加 ‎【答案】B ‎3．如图为某同学设计的喷水装置．内部装有2 L水，上部密封1 atm的空气0.5L。保持阀门关闭，再充入1 atm的空气0.1 L。设在所有过程中空气可看作理想气体，且温度不变。下列说法正确的有(　　)‎ A．充气后，密封气体压强增加 B．充气后，密封气体的分子平均动能增加 C．打开阀门后，密封气体对外界做正功 D．打开阀门后，不再充气也能把水喷光 ‎【答案】AC ‎ ‎【解析】充气后，一定量气体的体积减小，气体的温度不变，根据玻意耳定律可知，气体的压强增大，A项正确；由于气体分子的平均动能是由温度决定的，温度不变，气体分子的平均动能不变，B项错误；打开阀门后，气体推动液体，气体的体积增大，对外做功，C项正确；当气体的压强减小到外部与内部压强差等于水柱产生的压强时，液体不再喷出，D项错误。‎ 方法2在理想气体中应用热力学第一定律的方法 气体实验定律与热力学第一定律的结合量是气体的体积和温度，当温度变化时，气体的内能变化，当体积变化时，气体将伴随着做功，解题时要掌握气体变化过程的特点：‎ (（1）等温过程：内能不变ΔU＝0。‎ (（2）等容过程：W＝0。‎ (（3）绝热过程：Q＝0。‎ 题组5在理想气体中应用热力学第一定律的方法 ‎1．一定质量的理想气体，经等温压缩，气体的压强增大，用分子动理论的观点分析，这是因为(　　)‎ A．气体分子每次碰撞器壁的平均冲力增大 B．单位时间内单位面积器壁上受到气体分子碰撞的次数增多 C．气体分子的总数增加 D．气体分子的密度增大 ‎【答案】BD ‎ ‎【解析】理想气体经等温压缩，压强增大，体积减小，分子密度增大，则单位时间内单位面积器壁上受到气体分子的碰撞次数增多，但气体分子每次碰撞器壁的冲力不变，故B、D正确，A、C错误。‎ ‎2．对于一定质量的气体，当它们的压强和体积发生变化时，以下说法正确的是(　　)‎ A．压强和体积都增大时，其分子平均动能不可能不变 B．压强和体积都增大时，其分子平均动能有可能减小 C．压强增大，体积减小时，其分子平均动能一定不变 D．压强减小，体积增大时，其分子平均动能可能增大 ‎【答案】AD ‎ ‎3．如图所示气缸内密封的气体(可视为理想气体)，在等压膨胀过程中，下列关于气体说法正确的是(　　)‎ A．气体内能可能减少 B．气体会向外界放热 C．气体吸收热量大于对外界所做的功 D．气体平均动能将减小 ‎【答案】C ‎ ‎【解析】气体等压膨胀，气体对外做功，W<0，因压强不变，故气体温度升高，内能增大，分子的平均动能增大，由W＋Q＝ΔU，故Q>0，且Q>W，选项C正确，选项A、B、D错误。‎ ‎4．景颇族的祖先发明的点火器如图所示，用牛角做套筒，木制推杆前端粘着艾绒，猛推推杆，艾绒即可点燃。对筒内封闭的气体，在此压缩过程中(　　)‎ A．气体温度升高，压强不变 B．气体温度升高，压强变大 C．气体对外界做正功，气体内能增加 D．外界对气体做正功，气体内能减少 ‎【答案】B ‎5．已知理想气体的内能与温度成正比，如右图所示的实线为汽缸内一定质量的理想气体由状态1到状态2的变化曲线，则在整个过程中汽缸内气体的内能(　　)‎ A．先增大后减小 B．先减小后增大 C．单调变化 D．保持不变 ‎【答案】B ‎ ‎【解析】题图中虚线是等温线，由理想气体状态方程＝C知，在V一定时p∝T，所以气体由状态1到状态2时温度先减小后增大，即理想气体的内能先减小后增大，B正确。‎ ‎6．一定质量的理想气体状态变化过程如图所示，第1种变化是从A到B，第2种变化是从A到C，比较两种变化过程，则(　　)‎ A．A到C过程气体吸收热量较多 B．A到B过程气体吸收热量较多 C．两个过程气体吸收热量一样 D．两个过程气体内能增加相同 ‎6．【答案】AD 【解析】在p—T图中，等容线是过原点的倾斜直线，如右图所示，‎ 可知VC>VA>VB，故从A→C，气体对外做功多，由TB＝TC可知两过程内能增量相同，根据ΔU＝W＋Q可知，从A→C，气体吸收热量多，选项A、D正确，而B、C错误。‎