新課改瘦專(zhuān)用2025版高考物理一輪復(fù)習(xí)第十二章第3節(jié)熱力學(xué)定律與能量守恒定律學(xué)案含解析

PAGEPAGE9第3節(jié)熱力學(xué)定律與能量守恒定律一、熱力學(xué)第肯定律1．變更物體內(nèi)能的兩種方式(1)做功；(2)熱傳遞。2．熱力學(xué)第肯定律(2)表達(dá)式：ΔU＝Q＋W。3．ΔU＝W＋Q中正、負(fù)號(hào)法則物理量WQΔU＋外界對(duì)物體做功物體汲取熱量?jī)?nèi)能增加－物體對(duì)外界做功物體放出熱量?jī)?nèi)能削減二、熱力學(xué)其次定律及微觀意義1．熱力學(xué)其次定律的兩種表述(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(kāi)爾文表述：不行能從單一熱庫(kù)汲取熱量，使之完全變勝利，而不產(chǎn)生其他影響?；虮硎鰹椤捌浯晤?lèi)永動(dòng)機(jī)是不行能制成的。”2．用熵的概念表示熱力學(xué)其次定律在任何自然過(guò)程中，一個(gè)孤立系統(tǒng)的總熵不會(huì)減小(選填“增大”或“減小”)。3．熱力學(xué)其次定律的微觀意義一切自發(fā)過(guò)程總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)的無(wú)序性增大的方向進(jìn)行。三、能量守恒定律和兩類(lèi)永動(dòng)機(jī)1．能量守恒定律能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)憑空消逝，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到別的物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過(guò)程中，能量的總量保持不變。2．兩類(lèi)永動(dòng)機(jī)(1)第一類(lèi)永動(dòng)機(jī)：不消耗任何能量，卻源源不斷地對(duì)外做功的機(jī)器。違反能量守恒定律，因此不行能實(shí)現(xiàn)。(2)其次類(lèi)永動(dòng)機(jī)：從單一熱源汲取熱量并把它全部用來(lái)對(duì)外做功，而不引起其他變更的機(jī)器。違反熱力學(xué)其次定律，不行能實(shí)現(xiàn)。[基礎(chǔ)自測(cè)]一、推斷題(1)外界壓縮氣體做功20J，氣體的內(nèi)能可能不變。(√)(2)給自行車(chē)打氣時(shí)，發(fā)覺(jué)打氣筒的溫度上升，這是因?yàn)榇驓馔矎耐饨缥鼰帷?×)(3)可以從單一熱源汲取熱量，使之完全變勝利。(√)(4)熱機(jī)中，燃?xì)獾膬?nèi)能可以全部變?yōu)闄C(jī)械能而不引起其他變更。(×)(5)自由搖擺的秋千搖擺幅度越來(lái)越小，能量正在消逝。(×)(6)利用河水的能量使船逆水航行的設(shè)想，符合能量守恒定律。(√)二、選擇題1．肯定質(zhì)量的志向氣體在某一過(guò)程中，外界對(duì)氣體做功7.0×104J，氣體內(nèi)能削減1.3×105J，則此過(guò)程()A．氣體從外界汲取熱量2.0×105JB．氣體向外界放出熱量2.0×105JC．氣體從外界汲取熱量6.0×104JD．氣體向外界放出熱量6.0×104J解析：選B由熱力學(xué)第肯定律ΔU＝W＋Q得Q＝ΔU－W＝－1.3×105J－7.0×104J＝－2.0×105J，即氣體向外界放出熱量2.0×105J，B正確。2．[人教版選修3－3P61T2](多選)下列現(xiàn)象中能夠發(fā)生的是()A．一杯熱茶在打開(kāi)杯蓋后，茶會(huì)自動(dòng)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(shí)間后，泥沙下沉，上面的水變清，泥、水自動(dòng)分別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解析：選CD由熱力學(xué)其次定律可知，一切自發(fā)進(jìn)行與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過(guò)程，都具有方向性，A錯(cuò)誤；熱機(jī)的工作效率不行能達(dá)到100%，B錯(cuò)誤；泥沙下沉，系統(tǒng)的重力勢(shì)能削減，沒(méi)有違反熱力學(xué)其次定律，C正確；冰箱通過(guò)壓縮機(jī)的工作，把熱量從低溫物體傳到高溫物體，該過(guò)程消耗了電能，沒(méi)有違反熱力學(xué)其次定律，D正確。3．(多選)對(duì)于熱力學(xué)第肯定律和熱力學(xué)其次定律的理解，下列說(shuō)法正確的是()A．肯定質(zhì)量的氣體膨脹對(duì)外做功100J，同時(shí)從外界汲取120J的熱量，則它的內(nèi)能增大20JB．物體從外界汲取熱量，其內(nèi)能肯定增加；物體對(duì)外界做功，其內(nèi)能肯定削減C．凡與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過(guò)程都具有方向性，在熱傳遞中，熱量只能從高溫物體傳遞給低溫物體，而不能從低溫物體傳遞給高溫物體D．其次類(lèi)永動(dòng)機(jī)違反了熱力學(xué)其次定律，沒(méi)有違反熱力學(xué)第肯定律解析：選AD依據(jù)熱力學(xué)第肯定律知ΔU＝W＋Q＝－100J＋120J＝20J，故選項(xiàng)A正確；依據(jù)熱力學(xué)第肯定律ΔU＝W＋Q，可知物體從外界汲取熱量，其內(nèi)能不肯定增加，物體對(duì)外界做功，其內(nèi)能不肯定削減，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；通過(guò)做功的方式可以讓熱量從低溫物體傳遞給高溫物體，如電冰箱，選項(xiàng)C錯(cuò)誤；其次類(lèi)永動(dòng)機(jī)沒(méi)有違反能量守恒定律，熱力學(xué)第肯定律是能量轉(zhuǎn)化和守恒定律在熱學(xué)中的反映，因此其次類(lèi)永動(dòng)機(jī)沒(méi)有違反熱力學(xué)第肯定律，不能制成是因?yàn)樗`反了熱力學(xué)其次定律，故選項(xiàng)D正確。高考對(duì)本節(jié)內(nèi)容的考查，主要集中在熱力學(xué)第肯定律與能量守恒定律、熱力學(xué)其次定律的理解及應(yīng)用，通常以選擇題的形式呈現(xiàn)，難度一般，另外對(duì)熱力學(xué)第肯定律與氣體試驗(yàn)定律還經(jīng)常在計(jì)算題中進(jìn)行綜合考查，難度中等?？键c(diǎn)一熱力學(xué)第肯定律與能量守恒定律[基礎(chǔ)自修類(lèi)][題點(diǎn)全練]1．[熱力學(xué)第肯定律的理解](多選)下列說(shuō)法正確的是()A．氣體擴(kuò)散現(xiàn)象表明氣體分子間存在斥力B．對(duì)于同一志向氣體，溫度越高，分子平均動(dòng)能越大C．熱量總是自發(fā)地從分子平均動(dòng)能大的物體傳遞到分子平均動(dòng)能小的物體D．用活塞壓縮汽缸內(nèi)的志向氣體，對(duì)氣體做了3.0×105J的功，同時(shí)氣體向外界放出1.5×105J的熱量，則氣體內(nèi)能增加了1.5×105J解析：選BCD氣體擴(kuò)散現(xiàn)象表明氣體分子在做無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；由于溫度是分子平均動(dòng)能的標(biāo)記，故對(duì)于同一志向氣體，溫度越高，分子平均動(dòng)能越大，選項(xiàng)B正確；分子的平均動(dòng)能大，則說(shuō)明物體的溫度高，熱量總是自發(fā)地從高溫物體傳遞到低溫物體，選項(xiàng)C正確；用活塞壓縮汽缸內(nèi)的志向氣體，依據(jù)熱力學(xué)第肯定律，對(duì)氣體做了3.0×105J的功，同時(shí)氣體向外界放出1.5×105J的熱量，則氣體內(nèi)能增加了1.5×105J，選項(xiàng)D正確。2．[熱力學(xué)第肯定律的應(yīng)用](多選)(2024·全國(guó)卷Ⅱ改編)如圖，用隔板將一絕熱汽缸分成兩部分，隔板左側(cè)充有志向氣體，隔板右側(cè)與絕熱活塞之間是真空?，F(xiàn)將隔板抽開(kāi)，氣體會(huì)自發(fā)擴(kuò)散至整個(gè)汽缸。待氣體達(dá)到穩(wěn)定后，緩慢推壓活塞，將氣體壓回到原來(lái)的體積。假設(shè)整個(gè)系統(tǒng)不漏氣。下列說(shuō)法正確的是()A．氣體自發(fā)擴(kuò)散前后內(nèi)能相同B．氣體在被壓縮的過(guò)程中內(nèi)能增大C．在自發(fā)擴(kuò)散過(guò)程中，氣體對(duì)外界做功D．氣體在被壓縮的過(guò)程中，外界對(duì)氣體做功解析：選ABD抽開(kāi)隔板，氣體自發(fā)擴(kuò)散過(guò)程中，氣體對(duì)外界不做功，與外界沒(méi)有熱交換，因此氣體的內(nèi)能不變，A項(xiàng)正確，C項(xiàng)錯(cuò)誤；氣體在被壓縮的過(guò)程中，外界對(duì)氣體做功，D項(xiàng)正確；由于氣體與外界沒(méi)有熱交換，依據(jù)熱力學(xué)第肯定律可知，氣體在被壓縮的過(guò)程中內(nèi)能增大，B項(xiàng)正確。[名師微點(diǎn)]1．對(duì)熱力學(xué)第肯定律的理解(1)做功和熱傳遞在變更系統(tǒng)內(nèi)能上是等效的。(2)外界對(duì)系統(tǒng)做功是其他形式能量與內(nèi)能的轉(zhuǎn)化。(3)熱傳遞是外界與系統(tǒng)之間內(nèi)能的轉(zhuǎn)移。2．熱力學(xué)第肯定律的三種特別狀況(1)若過(guò)程是絕熱的，則Q＝0，W＝ΔU，外界對(duì)物體做的功等于物體內(nèi)能的增加。(2)若過(guò)程中不做功，則W＝0，Q＝ΔU，物體汲取的熱量等于物體內(nèi)能的增加。(3)若過(guò)程的始、末狀態(tài)物體的內(nèi)能不變，則W＋Q＝0，即物體汲取的熱量全部用來(lái)對(duì)外做功，或外界對(duì)物體做的功等于物體放出的熱量?？键c(diǎn)二熱力學(xué)其次定律的理解及應(yīng)用[基礎(chǔ)自修類(lèi)][題點(diǎn)全練]1．[對(duì)熱力學(xué)其次定律的理解](多選)下列說(shuō)法中正確的是()A．熱量可以從低溫物體傳遞到高溫物體B．科技的進(jìn)步可以使內(nèi)燃機(jī)成為單一熱源的熱機(jī)C．能源危機(jī)指能量的過(guò)度消耗導(dǎo)致自然界的能量不斷削減D．功可以全部轉(zhuǎn)化為熱量，熱量也可以全部轉(zhuǎn)化為功解析：選AD電冰箱可以使熱量從低溫物體向高溫物體傳遞，A正確；由熱力學(xué)其次定律知不行能有單一熱源的熱機(jī)，B錯(cuò)誤；能量是守恒的，C錯(cuò)誤；功可以全部轉(zhuǎn)化為熱量，依據(jù)熱力學(xué)其次定律可知，在外界的影響下，熱量也可以全部轉(zhuǎn)化為功，D正確。2．[熱力學(xué)第一、二定律的綜合考查](多選)關(guān)于熱力學(xué)定律，下列說(shuō)法正確的是()A．氣體吸熱后溫度肯定上升B．對(duì)氣體做功可以變更其內(nèi)能C．志向氣體等壓膨脹過(guò)程肯定放熱D．熱量不行能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體解析：選BD依據(jù)熱力學(xué)第肯定律，氣體吸熱后假如對(duì)外做功，則溫度不肯定上升，說(shuō)法A錯(cuò)誤。變更物體內(nèi)能的方式有做功和傳熱，對(duì)氣體做功可以變更其內(nèi)能，說(shuō)法B正確。志向氣體等壓膨脹對(duì)外做功，依據(jù)eq\f(pV,T)＝恒量知，膨脹過(guò)程肯定吸熱，說(shuō)法C錯(cuò)誤。依據(jù)熱力學(xué)其次定律，熱量不行能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體，說(shuō)法D正確。3．[其次類(lèi)永動(dòng)機(jī)的理解](多選)關(guān)于其次類(lèi)永動(dòng)機(jī)，下列說(shuō)法中正確的是()A．其次類(lèi)永動(dòng)機(jī)是指沒(méi)有冷凝器，只有單一的熱源，能將從單一熱源汲取的熱量全部用來(lái)做功，而不引起其他變更的熱機(jī)B．其次類(lèi)永動(dòng)機(jī)違反了能量守恒定律，所以不行能制成C．其次類(lèi)永動(dòng)機(jī)違反了熱力學(xué)其次定律，所以不行能制成D．其次類(lèi)永動(dòng)機(jī)不行能制成，說(shuō)明機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，內(nèi)能卻不能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能解析：選AC由其次類(lèi)永動(dòng)機(jī)的定義知，A正確；其次類(lèi)永動(dòng)機(jī)沒(méi)有違反能量守恒定律，而是違反了熱力學(xué)其次定律，故B錯(cuò)誤，C正確；機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，但內(nèi)能卻不能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，而不引起其他變更，故D錯(cuò)誤。[名師微點(diǎn)]1．對(duì)熱力學(xué)其次定律關(guān)鍵詞的理解在熱力學(xué)其次定律的表述中，“自發(fā)地”“不產(chǎn)生其他影響”的含義。(1)“自發(fā)地”指明白熱傳遞等熱力學(xué)宏觀現(xiàn)象的方向性，不須要借助外界供應(yīng)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(xué)宏觀過(guò)程只在本系統(tǒng)內(nèi)完成，對(duì)四周環(huán)境不產(chǎn)生熱力學(xué)方面的影響。如吸熱、放熱、做功等。2．熱力學(xué)其次定律的實(shí)質(zhì)自然界中進(jìn)行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過(guò)程都具有方向性。如(1)高溫物體eq\o(,\s\up7(熱量Q能自發(fā)地傳給),\s\do5(熱量Q不能自發(fā)地傳給))低溫物體(2)功eq\o(,\s\up7(能自發(fā)地完全轉(zhuǎn)化為),\s\do5(不能自發(fā)地且不能完全轉(zhuǎn)化為))熱(3)氣體體積V1eq\o(,\s\up7(能自發(fā)地膨脹到),\s\do5(不能自發(fā)地收縮到))氣體體積V2(較大)(4)不同氣體A和Beq\o(,\s\up7(能自發(fā)地混合成),\s\do5(不能自發(fā)地分別成))混合氣體AB3．兩類(lèi)永動(dòng)機(jī)的比較分類(lèi)第一類(lèi)永動(dòng)機(jī)其次類(lèi)永動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)要求不須要任何動(dòng)力或燃料，卻能不斷地對(duì)外做功的機(jī)器從單一熱源汲取熱量，使之完全變勝利，而不產(chǎn)生其他影響的機(jī)器不行能制成的緣由違反能量守恒定律不違反能量守恒定律，違反熱力學(xué)其次定律考點(diǎn)三氣體試驗(yàn)定律與熱力學(xué)定律的綜合[師生共研類(lèi)]求解氣體試驗(yàn)定律與熱力學(xué)定律的綜合問(wèn)題的通用思路[典例]如圖所示，一根兩端開(kāi)口、橫截面積為S＝2cm2足夠長(zhǎng)的玻璃管豎直插入水銀槽中并固定(插入水銀槽中的部分足夠深)。管中有一個(gè)質(zhì)量不計(jì)的光滑活塞，活塞下封閉著長(zhǎng)L＝21cm的氣柱，氣體的溫度為t1＝7℃，外界大氣壓取p0＝1.0×105Pa(相當(dāng)于75cm高汞柱壓強(qiáng))。(1)若在活塞上放一個(gè)質(zhì)量為m＝0.1kg的砝碼，保持氣體的溫度t1不變，則平衡后氣柱為多長(zhǎng)？(g＝10m/s2)(2)若保持砝碼的質(zhì)量不變，對(duì)氣體加熱，使其溫度上升到t2＝77℃，此時(shí)氣柱為多長(zhǎng)？(3)若在(2)過(guò)程中，氣體汲取的熱量為10J，則氣體的內(nèi)能增加多少？[解析](1)被封閉氣體的初狀態(tài)為p1＝p0＝1.0×105Pa，V1＝LS＝42cm3，T1＝280K末狀態(tài)壓強(qiáng)p2＝p0＋eq\f(mg,S)＝1.05×105Pa，V2＝L2S，T2＝T1＝280K依據(jù)玻意耳定律，有p1V1＝p2V2，即p1LS＝p2L2S，得L2＝20cm。(2)對(duì)氣體加熱后，氣體的壓強(qiáng)不變，p3＝p2，V3＝L3S，T3＝350K依據(jù)蓋—呂薩克定律，有eq\f(V2,T2)＝eq\f(V3,T3)，即eq\f(L2S,T2)＝eq\f(L3S,T3)，得L3＝25cm。(3)氣體對(duì)外做的功W＝p2Sh＝p2S(L3－L2)＝1.05J依據(jù)熱力學(xué)第肯定律ΔU＝Q＋W得ΔU＝10J＋(－1.05J)＝8.95J，即氣體的內(nèi)能增加了8.95J。[答案](1)20cm(2)25cm(3)8.95J[題點(diǎn)全練]1．[熱力學(xué)定律與T-V圖像的綜合](多選)(2024·全國(guó)卷Ⅰ改編)如圖，肯定質(zhì)量的志向氣體從狀態(tài)a起先，經(jīng)驗(yàn)過(guò)程①、②、③、④到達(dá)狀態(tài)e。對(duì)此氣體，下列說(shuō)法正確的是()A．過(guò)程①中氣體的壓強(qiáng)漸漸減小B．過(guò)程②中氣體對(duì)外界做正功C．過(guò)程④中氣體從外界汲取了熱量D．狀態(tài)c、d的內(nèi)能相等解析：選BD過(guò)程①中，氣體體積V不變、溫度T上升，則壓強(qiáng)增大，故A錯(cuò)誤。過(guò)程②中，氣體體積V變大，對(duì)外界做功，故B正確。過(guò)程④中，氣體溫度T降低，內(nèi)能減小，體積V不變，氣體不做功，依據(jù)熱力學(xué)第肯定律ΔU＝Q＋W得Q＜0，即氣體放出熱量，故C錯(cuò)誤。狀態(tài)c、d溫度相同，所以內(nèi)能相等，故D正確。2．[熱力學(xué)定律與p-V圖像的綜合](多選)(2024·全國(guó)卷Ⅲ改編)如圖，肯定量的志向氣體從狀態(tài)a變更到狀態(tài)b，其過(guò)程如p-V圖中從a到b的直線所示。在此過(guò)程中()A．氣體溫度始終降低B．氣體內(nèi)能始終增加C．氣體始終對(duì)外做功D．氣體始終從外界吸熱解析：選BCD由志向氣體的狀態(tài)方程eq\f(pV,T)＝C知，從a到b氣體溫度始終上升，故A錯(cuò)誤?？隙ㄙ|(zhì)量的志向氣體的內(nèi)能由溫度確定，可知?dú)怏w內(nèi)能始終增加，故B正確。氣體體積漸漸膨脹，始終對(duì)外做功，故C正確。依據(jù)熱力學(xué)第肯定律可知，氣體始終從外界吸熱，故D正確。3．[熱力學(xué)定律與p-T圖像的綜合](多選)肯定量的志向氣體從狀態(tài)a起先，經(jīng)驗(yàn)三個(gè)過(guò)程ab、bc、ca回到原狀態(tài)，其p-T圖像如圖所示。下列推斷正確的是()