第69講熱力學定律與能量守恒定律（講義）

第69講熱力學定律與能量守恒定律目錄復習目標網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建考點一熱力學第一定律【夯基·必備基礎(chǔ)知識梳理】知識點熱力學第一定律【提升·必考題型歸納】考向熱力學第一定律的應(yīng)用考點二熱力學第二定律【夯基·必備基礎(chǔ)知識梳理】知識點1熱力學第二定律知識點2熱力學第一、第二定律的比較【提升·必考題型歸納】考向熱力學第二定律的應(yīng)用考點三與氣體圖像的綜合應(yīng)用【夯基·必備基礎(chǔ)知識梳理】知識點處理與氣體圖像的綜合問題的思路【提升·必考題型歸納】考向與氣體圖像的綜合問題考點四與氣體實驗定律的綜合應(yīng)用【夯基·必備基礎(chǔ)知識梳理】知識點與氣體實驗定律的綜合問題的思路【提升·必考題型歸納】考向與氣體實驗定律的綜合問題真題感悟理解和掌握熱力學第一定律和第二定律。能夠熟練處理熱力學第一定律與氣體實驗定律相結(jié)合的問題?？键c要求考題統(tǒng)計考情分析（1）熱力學第一定律（2）熱力學第二定律2023年廣東卷第13題2023年天津卷第2題2023年山東卷第9題高考對熱力學定律的考查較為頻繁，題目以選擇題和計算題出現(xiàn)較多，選擇題的難度較為簡單，計算題難度相對較高?？键c一熱力學第一定律知識點熱力學第一定律1．對熱力學第一定律的理解(1)做功和熱傳遞在改變系統(tǒng)內(nèi)能上是等效的。(2)做功過程是系統(tǒng)與外界之間的其他形式能量與內(nèi)能的相互轉(zhuǎn)化。(3)熱傳遞過程是系統(tǒng)與外界之間內(nèi)能的轉(zhuǎn)移。2．熱力學第一定律的三種特殊情況(1)若過程是絕熱的，則Q＝0，W＝ΔU，外界對物體做的功等于物體內(nèi)能的增加。(2)若過程中不做功，則W＝0，Q＝ΔU，物體吸收的熱量等于物體內(nèi)能的增加。(3)若過程的始、末狀態(tài)物體的內(nèi)能不變，則W＋Q＝0，即物體吸收的熱量全部用來對外做功，或外界對物體做的功等于物體放出的熱量。3．公式ΔU＝W＋Q中符號法則的理解物理量WQΔU＋外界對物體做功物體吸收熱量內(nèi)能增加－物體對外界做功物體放出熱量內(nèi)能減少考向熱力學第一定律的應(yīng)用1．一定量的氣體在某一過程中，外界對氣體做了8×104J的功，氣體的內(nèi)能減少了1.2×105J，則下列各式中正確的是（）A．W8×104J，J，B．W＝8×104J，J，C．W－8×104J，J，D．W－8×104J，，【答案】B【詳解】外界對氣體做了8×104J的功，則氣體內(nèi)能減少了1.2×105J，則由熱力學第一定律可得故B正確，ACD錯誤。故選B。2．如圖，一開口向上的導熱汽缸內(nèi)。用活塞封閉了一定質(zhì)量的理想氣體，活塞與汽缸壁間無摩擦。現(xiàn)用外力作用在活塞上。使其緩慢下降。環(huán)境溫度保持不變，系統(tǒng)始終處于平衡狀態(tài)。在活塞下降過程中（）A．氣體體積逐漸減小，內(nèi)能增加 B．氣體壓強逐漸增大，內(nèi)能變大C．氣體壓強逐漸增大，吸收熱量 D．外界對氣體做功，氣體內(nèi)能不變【答案】D【詳解】外力使活塞緩慢下降的過程中，由于溫度保持不變，則氣體的內(nèi)能保持不變，氣體的體積逐漸減小，外界對氣體做功，由熱力學第一定律可知，氣體向外界放出熱量，又由玻意耳定律可知，氣體體積減小，氣體的壓強增大，由以上分析可知D正確ABC錯誤。故選D?？键c二熱力學第二定律知識點1熱力學第二定律1.熱力學第二定律的含義(1)“自發(fā)地”指明了熱傳遞等熱力學宏觀現(xiàn)象的方向性，不需要借助外界提供能量的幫助。(2)“不產(chǎn)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(nèi)完成，對周圍環(huán)境不產(chǎn)生熱力學方面的影響，如吸熱、放熱、做功等。在產(chǎn)生其他影響的條件下內(nèi)能可以全部轉(zhuǎn)化為機械能，如氣體的等溫膨脹過程。2．熱力學第二定律的實質(zhì)熱力學第二定律的每一種表述，都揭示了大量分子參與的宏觀過程的方向性，進而使人們認識到自然界中進行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性。知識點2熱力學第一、第二定律的比較1.熱力學第一、第二定律的比較熱力學第一定律熱力學第二定律定律揭示的問題從能量守恒的角度揭示了功、熱量和內(nèi)能改變量三者的定量關(guān)系自然界中出現(xiàn)的宏觀過程是有方向性的機械能和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化當摩擦力做功時，機械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能內(nèi)能不可能在不引起其他變化的情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)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兩定律的關(guān)系在熱力學中，兩者既相互獨立，又互為補充，共同構(gòu)成了熱力學知識的理論基礎(chǔ)2.兩類永動機的比較第一類永動機第二類永動機設(shè)計要求不需要任何動力或燃料，卻能不斷地對外做功的機器從單一熱源吸收熱量，使之完全變成功，而不產(chǎn)生其他影響的機器不可能制成的原因違背能量守恒定律不違背能量守恒定律，違背熱力學第二定律考向熱力學第二定律的應(yīng)用1．下列關(guān)于熱力學第二定律的說法正確的是（）A．所有符合能量守恒定律的宏觀過程都能發(fā)生B．一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀自然過程都是不可逆的C．機械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，在不產(chǎn)生其他影響的情況下，內(nèi)能無法全部用來做功而轉(zhuǎn)化成機械能D．氣體向真空的自由膨脹是可逆的E．熱運動的宏觀過程有一定的方向性【答案】BCE【詳解】A．符合能量守恒定律，但違背熱力學第二定律的宏觀過程不能發(fā)生，故A錯誤；B．一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀自然過程都是不可逆的，故B正確；C．機械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，在不產(chǎn)生其他影響的情況下，但內(nèi)能無法全部用來做功而轉(zhuǎn)化成機械能，故C正確；D．氣體向真空的自由膨脹是不可逆的，故D錯誤；E．熱運動的宏觀過程有一定的方向性，故E正確。故選BCE。2．如圖所示，為電冰箱的工作原理示意圖；壓縮機工作時，強迫制冷劑在冰箱內(nèi)外的管道中不斷循環(huán)，在蒸發(fā)器中制冷劑汽化吸收箱體內(nèi)的熱量，經(jīng)過冷凝器時制冷劑液化，放出熱量到箱體外。下列說法正確的是（）A．熱量可以自發(fā)地從冰箱內(nèi)傳到冰箱外B．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，是因為其消耗了電能C．電冰箱的工作原理違背熱力學第一定律D．電冰箱除了將熱量從低溫熱庫傳到高溫熱庫外，工作過程中所產(chǎn)生的其他一切影響，無論用任何辦法都不可能加以消除【答案】BD【詳解】C．熱力學第一定律是熱現(xiàn)象中內(nèi)能與其他形式能的轉(zhuǎn)化規(guī)律，是能量守恒定律的具體表現(xiàn)，適用于所有的熱學過程，故C錯誤；AB．根據(jù)熱力學第二定律，熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體，必須借助于其他系統(tǒng)做功，故A錯誤，B正確；D．壓縮機工作時會發(fā)熱，將一部分電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能消耗掉，這種影響沒法消除，故D正確。故選BD?？键c三與氣體圖像的綜合應(yīng)用知識點處理與氣體圖像的綜合問題的思路處理熱力學第一定律與氣體圖像的綜合問題的思路：(1)根據(jù)氣體圖像的特點判斷氣體的溫度、體積的變化情況，從而判斷氣體與外界的吸、放熱關(guān)系及做功關(guān)系。(2)在p-V圖像中，圖線與V軸圍成的面積表示氣體對外界或外界對氣體做的功。(3)結(jié)合熱力學第一定律判斷有關(guān)問題?？枷蚺c氣體圖像的綜合問題1．如圖所示p—V圖中，一定質(zhì)量的理想氣體在a→b→c的過程中吸收熱量500J，已知a狀態(tài)氣體溫度為27℃。則下列說法不正確的是（）

A．氣體在a→b→c過程中內(nèi)能增加了100JB．氣體在c→a過程中放出熱量600JC．氣體在c狀態(tài)時的溫度為400KD．氣體在c→a過程中單位時間內(nèi)撞擊單位面積器壁上的氣體分子個數(shù)變少【答案】D【詳解】A．理想氣體在a→b→c過程中，氣體體積增大，則氣體對外界做功，外界對氣體做的功根據(jù)熱力學第一定律有即氣體的內(nèi)能增加了100J，故A正確；B．氣體在c→a過程中，氣體體積減小，則外界對氣體做的功從狀態(tài)a至狀態(tài)c過程中氣體的內(nèi)能增加了100J，狀態(tài)c至狀態(tài)a過程中氣體的內(nèi)能減少了100J，即根據(jù)熱力學第一定律有則，，表示系統(tǒng)放熱，這一過程中氣體放出的熱量為600J，故B正確；C．根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程對a、c兩狀態(tài)結(jié)合圖像，可求得氣體在c狀態(tài)時的溫度故C正確；D．氣體在c→a過程中，氣體壓強增大、溫度降低，體積變小，則單位時間內(nèi)撞擊單位面積器壁上的氣體分子個數(shù)變多，故D錯誤。本題選錯誤項，故選D。2．一定質(zhì)量的理想氣體從狀態(tài)a開始，經(jīng)歷如圖所示的狀態(tài)變化過程回到原狀態(tài)，已知氣體在b、d狀態(tài)時的溫度相等。則該氣體（）

A．在a狀態(tài)時的內(nèi)能大于在c狀態(tài)時的內(nèi)能B．在b狀態(tài)時單位時間內(nèi)碰撞器壁單位面積的分子數(shù)多于d狀態(tài)時C．在bc過程中外界對氣體做的功大于在da過程中氣體對外界做的功D．一次循環(huán)過程中吸收的熱量大于放出的熱量【答案】AD【詳解】A．在a狀態(tài)時的pV乘積大于c狀態(tài)的pV乘積，則a態(tài)溫度高于c態(tài)，則a狀態(tài)的內(nèi)能大于在c狀態(tài)時的內(nèi)能，故A正確；B．在b狀態(tài)時與d狀態(tài)比較，b狀態(tài)時氣體的體積大，壓強小，氣體數(shù)密度較小，而兩態(tài)溫度相同，氣體分子平均速率相同，則單位時間內(nèi)碰撞器壁單位面積的分子數(shù)少于d狀態(tài)，故B錯誤；C．因bc過程的壓強小于da過程的壓強，兩過程中氣體體積變化量相同，根據(jù)W=p?V可知在bc過程中外界對氣體做的功小于在da過程中氣體對外界做的功，故C錯誤；D．整個過程只有bc過程和da過程氣體體積有變化，根據(jù)C選項分析可知，一次循環(huán)過程氣體對外做功大于外界對氣體做功，則整個過程中氣體對外做功，而氣體內(nèi)能不變，故氣體吸熱，即氣體吸收的熱量大于放出的熱量，故D正確。故選AD?？键c四與氣體實驗定律的綜合應(yīng)用知識點與氣體實驗定律的綜合問題的思路求解熱力學定律與氣體實驗定律的綜合問題的思路：考向與氣體實驗定律的綜合問題1．如圖1所示，上端開口的導熱汽缸放置在水平面上，質(zhì)量為m、橫截面積為s的活塞密封了一定質(zhì)量的理想氣體。當環(huán)境溫度為時，活塞靜止的位置與汽缸底部距離為h，離缸口的距離為0.5h。已知重力加速度為g，活塞厚度及活塞與汽缸壁之間的摩擦不計，大氣壓強為。（1）若緩慢升高環(huán)境溫度，使活塞剛好上移到氣缸口，求此時的環(huán)境溫度；（2）若先在缸內(nèi)壁緊貼活塞上表面固定一小卡環(huán)（與活塞接觸但沒有作用力），如圖2所示，再緩慢升高環(huán)境溫度到，求升溫后卡環(huán)對活塞的壓力大??；（3）上問中的升溫過程相對于（1）問中的升溫過程，氣體少吸收的熱量為多少？

【答案】（1）1.5T1；（2）4mg；（3）【詳解】（1）氣體發(fā)生等壓變化，升高后的溫度為，做等壓變化解得（2）開始時，缸內(nèi)氣體壓強做等容變化解得設(shè)卡環(huán)對活塞的壓力大小為F，則解得F＝4mg（3）兩個過程中氣體內(nèi)能增量相同，據(jù)熱力學第一定律在（1）問中有在（2）問中有則（1）問中比（2）問中多吸收熱量2．在小球時代，可以用熱水浸泡將踩癟后的乒乓球恢復。如圖，已知乒乓球?qū)嵝阅芰己?，完好時內(nèi)部氣壓為大氣壓強，踩癟后體積變?yōu)樵w積的80％，外界溫度恒為，把乒乓球全部浸入熱水里，當球內(nèi)氣壓大于等于時，乒乓球就剛好開始恢復，已知球內(nèi)氣體內(nèi)能始終只與溫度成正比，踩癟后球內(nèi)氣體內(nèi)能為E；（1）求乒乓球被踩癟但沒有破裂時的內(nèi)部壓強；（2）求要使乒乓球剛好開始恢復，熱水溫度至少要多少K；（3）若熱水為即為（2）問最小值，乒乓球從放入熱水直到恢復形變時總共吸熱為Q，則恢復形變過程中球內(nèi)氣體做功多少。

【答案】（1）；（2）；（2）【詳解】（1）設(shè)乒乓球原體積為V，踩癟后壓強為，有可得（2）踩癟后到開始準備恢復為等容過程，設(shè)開始溫度，開始準備恢復時溫度為，有可得（3）由于氣體內(nèi)能只與內(nèi)能有關(guān)，乒乓球最終內(nèi)能為可知內(nèi)能增加了，根據(jù)熱力學第一定律可得恢復形變過程中球內(nèi)氣體做功為（2023年廣東卷高考真題）在駐波聲場作用下，水中小氣泡周圍液體的壓強會發(fā)生周期性