2020版新一線高考物理（人教版）一輪復(fù)習(xí)教學(xué)案：第13章第3節(jié)　熱力學(xué)定律與能量守恒定律

第3節(jié)　熱力學(xué)定律與能量守恒定律知識(shí)點(diǎn)一| 熱力學(xué)第一定律1．改變物體內(nèi)能的兩種方式(1)做功；(2)熱傳遞。2．熱力學(xué)第一定律(1)內(nèi)容：一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)能增量等于外界向它傳遞的熱量與外界對(duì)它所做的功的和。(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)物體做功物體吸收熱量內(nèi)能增加－物體對(duì)外界做功物體放出熱量內(nèi)能減少(1)做功和熱傳遞的實(shí)質(zhì)是相同的。 (×)(2)外界壓縮氣體做功20 J，氣體的內(nèi)能可能不變。 (√)(3)給自行車(chē)打氣時(shí)，發(fā)現(xiàn)打氣筒的溫度升高，這是因?yàn)榇驓馔矎耐饨缥鼰帷?/span> (×)考法1　對(duì)熱力學(xué)第一定律的理解1.(多選)(2017·全國(guó)卷Ⅱ)如圖所示，用隔板將一絕熱汽缸分成兩部分，隔板左側(cè)充有理想氣體，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E．氣體在被壓縮的過(guò)程中，氣體分子的平均動(dòng)能不變ABD　[氣體向真空膨脹時(shí)不受阻礙，氣體不對(duì)外做功，由于汽缸是絕熱的，沒(méi)有熱交換，所以氣體擴(kuò)散后內(nèi)能不變，選項(xiàng)A正確。氣體被壓縮的過(guò)程中，外界對(duì)氣體做功，且沒(méi)有熱交換，根據(jù)熱力學(xué)第一定律，氣體的內(nèi)能增大，選項(xiàng)B、D正確。氣體在真空中自發(fā)擴(kuò)散的過(guò)程中氣體不對(duì)外做功，選項(xiàng)C錯(cuò)誤。氣體在壓縮過(guò)程中，內(nèi)能增大，由于一定質(zhì)量的理想氣體的內(nèi)能完全由溫度決定，溫度越高，內(nèi)能越大，氣體分子的平均動(dòng)能越大，選項(xiàng)E錯(cuò)誤。]2.(多選)(2016·全國(guó)卷Ⅲ)關(guān)于氣體的內(nèi)能，下列說(shuō)法正確的是(　　)A．質(zhì)量和溫度都相同的氣體，內(nèi)能一定相同B．氣體溫度不變，整體運(yùn)動(dòng)速度越大，其內(nèi)能越大C．氣體被壓縮時(shí)，內(nèi)能可能不變D．一定量的某種理想氣體的內(nèi)能只與溫度有關(guān)E．一定量的某種理想氣體在等壓膨脹過(guò)程中，內(nèi)能一定增加CDE　[氣體的內(nèi)能由物質(zhì)的量、溫度和體積決定，質(zhì)量和溫度都相同的氣體，內(nèi)能可能不同，說(shuō)法A錯(cuò)誤。內(nèi)能與物體的運(yùn)動(dòng)速度無(wú)關(guān)，說(shuō)法B錯(cuò)誤。氣體被壓縮時(shí)，同時(shí)對(duì)外傳熱，根據(jù)熱力學(xué)第一定律知內(nèi)能可能不變，說(shuō)法C正確。一定量的某種理想氣體的內(nèi)能只與溫度有關(guān)，說(shuō)法D正確。根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，一定量的某種理想氣體在壓強(qiáng)不變的情況下，體積變大，則溫度一定升高，內(nèi)能一定增加，說(shuō)法E正確。][考法指導(dǎo)]　1．熱力學(xué)第一定律的理解不僅反映了做功和熱傳遞這兩種方式改變內(nèi)能的過(guò)程是等效的，而且給出了內(nèi)能的變化量和做功與熱傳遞之間的定量關(guān)系。2．幾種特殊情況(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)能的增加量。(2)若過(guò)程中不做功，即W＝0，則Q＝ΔU，物體吸收的熱量等于物體內(nèi)能的增加量。(3)若過(guò)程的初、末狀態(tài)物體的內(nèi)能不變，即ΔU＝0，則W＋Q＝0或W＝－Q。外界對(duì)物體做的功等于物體放出的熱量。(4)氣體向真空中自由膨脹時(shí)不做功。考法2　熱力學(xué)第一定律與氣體實(shí)驗(yàn)定律的綜合3.(多選)(2018·全國(guó)卷Ⅰ)如圖，一定質(zhì)量的理想氣體從狀態(tài)a開(kāi)始，經(jīng)歷過(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)逐漸減小B．過(guò)程②中氣體對(duì)外界做正功C．過(guò)程④中氣體從外界吸收了熱量D．狀態(tài)c、d的內(nèi)能相等E．狀態(tài)d的壓強(qiáng)比狀態(tài)b的壓強(qiáng)小BDE　[由理想氣體狀態(tài)方程＝可知，pb>pa，即過(guò)程①中氣體的壓強(qiáng)逐漸增大，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；由于過(guò)程②中氣體體積增大，所以過(guò)程②中氣體對(duì)外做功，選項(xiàng)B正確；過(guò)程④中氣體體積不變，氣體對(duì)外做功為零，溫度降低，內(nèi)能減小，根據(jù)熱力學(xué)第一定律，過(guò)程④中氣體放出熱量，選項(xiàng)C錯(cuò)誤；由于狀態(tài)c、d的溫度相等，理想氣體的內(nèi)能只與溫度有關(guān)，可知狀態(tài)c、d的內(nèi)能相等，選項(xiàng)D正確；由理想氣體狀態(tài)方程＝并結(jié)合題圖可知，狀態(tài)d的壓強(qiáng)比狀態(tài)b的壓強(qiáng)小，選項(xiàng)E正確。]4.(多選)如圖，一定量的理想氣體從狀態(tài)a變化到狀態(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．氣體溫度一直降低B．氣體內(nèi)能一直增加C．氣體一直對(duì)外做功D．氣體一直從外界吸熱E．氣體吸收的熱量一直全部用于對(duì)外做功BCD　[對(duì)于一定量的理想氣體有＝恒量。從a到b，p逐漸增大，V逐漸增大，所以p與V的乘積pV增大，可知T增大，則氣體的內(nèi)能一直增加，故A錯(cuò)誤，B正確。由于V逐漸增大，可知?dú)怏w一直對(duì)外做功，故C正確。由熱力學(xué)第一定律ΔU＝Q＋W，因ΔU>0，W<0，可知Q>0，即氣體一直從外界吸熱，且吸收的熱量大于對(duì)外做的功，故D正確，E錯(cuò)誤。]5.(2019·長(zhǎng)沙模擬)如圖所示，一個(gè)內(nèi)壁光滑的圓柱形汽缸，高度為L、底面積為S，缸內(nèi)有一個(gè)質(zhì)量為m的活塞，封閉了一定質(zhì)量的理想氣體。溫度為熱力學(xué)溫標(biāo)T0時(shí)，用繩子系住汽缸底，將汽缸倒過(guò)來(lái)懸掛起來(lái)，汽缸處于豎直狀態(tài)，缸內(nèi)氣體高為L0。已知重力加速度為g，大氣壓強(qiáng)為p0，不計(jì)活塞厚度及活塞與缸體的摩擦，求：(1)采用緩慢升溫的方法使活塞與汽缸脫離，缸內(nèi)氣體的溫度至少要升高到多少？(2)從開(kāi)始升溫到活塞剛要脫離汽缸，缸內(nèi)氣體壓力對(duì)活塞做功多少？(3)當(dāng)活塞剛要脫離汽缸時(shí)，缸內(nèi)氣體的內(nèi)能增加量為ΔU，則氣體在活塞下移的過(guò)程中吸收的熱量為多少？解析：(1)氣體等壓變化，由蓋—呂薩克定律得：＝，解得：T＝。(2)對(duì)活塞，由平衡條件得：mg＋pS＝p0S，氣體做功：W＝Fl＝pSl＝pS(L－L0)，解得：W＝(p0S－mg)(L－L0)。(3)由熱力學(xué)第一定律得：ΔU＝－W＋Q，氣體吸收的熱量：Q＝ΔU＋(p0S－mg)(L－L0)。答案：(1)T0　(2)(p0S－mg)(L－L0)(3)ΔU＋(p0S－mg)(L－L0)[考法指導(dǎo)]　求解此類(lèi)綜合問(wèn)題的通用思路 知識(shí)點(diǎn)二| 熱力學(xué)第二定律的理解1．熱力學(xué)第二定律的兩種表述(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：不可能從單一熱庫(kù)吸收熱量，使之完全變成功，而不產(chǎn)生其他影響?；虮硎鰹?/span>“第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)是不可能制成的”。2．用熵的概念表示熱力學(xué)第二定律在任何自然過(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)第二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。(1)可以從單一熱源吸收熱量，使之完全變成功。 (√)(2)熱量不能從低溫物體傳給高溫物體。 (×)(3)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化。 (×)1．(多選)關(guān)于熱力學(xué)定律，下列說(shuō)法正確的是(　　)A．為了增加物體的內(nèi)能，必須對(duì)物體做功或向它傳遞熱量B．可以從單一熱源吸收熱量，使之完全變?yōu)楣?/span>C．不可能使熱量從低溫物體傳向高溫物體D．功轉(zhuǎn)變?yōu)闊岬膶?shí)際宏觀過(guò)程是不可逆過(guò)程ABD　[內(nèi)能的改變可以通過(guò)做功或熱傳遞進(jìn)行，故A正確；在引起其他變化的情況下，可以從單一熱源吸收熱量，將其全部變?yōu)楣Γ?/span>B正確；在有外界影響的情況下，可以使熱量從低溫物體傳向高溫物體，C錯(cuò)誤；涉及熱現(xiàn)象的宏觀過(guò)程都具有方向性，故D正確。]2．(多選)以下哪個(gè)現(xiàn)象不違背熱力學(xué)第二定律(　　)A．一杯熱茶在打開(kāi)蓋后，茶會(huì)自動(dòng)變涼B．沒(méi)有漏氣、沒(méi)有摩擦的理想熱機(jī)，其效率可能是100%C．桶中渾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)分離D．熱量自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體E．在地面上運(yùn)動(dòng)的物體逐漸停下來(lái)，機(jī)械能全部變?yōu)閮?nèi)能ACE　[熱茶自動(dòng)變涼是熱從高溫物體傳遞到低溫物體，A正確；任何熱機(jī)效率都不可能達(dá)到100%，B錯(cuò)誤；泥水分離是機(jī)械能(重力勢(shì)能)向內(nèi)能的轉(zhuǎn)化，C正確；熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體，D錯(cuò)誤；物體因摩擦力而停下來(lái)，是機(jī)械能(動(dòng)能)向內(nèi)能的轉(zhuǎn)化，是自發(fā)過(guò)程，E正確。]知識(shí)點(diǎn)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)憑空消失，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。違背能量守恒定律，因此不可能實(shí)現(xiàn)。(2)第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)：從單一熱源吸收熱量并把它全部用來(lái)對(duì)外做功，而不引起其他變化的機(jī)器。違背熱力學(xué)第二定律，不可能實(shí)現(xiàn)。(1)自由擺動(dòng)的秋千擺動(dòng)幅度越來(lái)越小，能量正在消失。 (×)(2)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。 (√)1．(多選)下列說(shuō)法正確的是(　　)A．壓縮氣體總能使氣體的溫度升高B．能量耗散過(guò)程中能量是守恒的C．第一類(lèi)永動(dòng)機(jī)不可能制成，是因?yàn)檫`背了能量守恒定律D．第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)不違背能量守恒定律，但違背了熱力學(xué)第一定律E．能量耗散過(guò)程從能量轉(zhuǎn)化的角度反映了自然界中的宏觀過(guò)程具有方向性BCE　[內(nèi)能的變化取決于做功和熱傳遞兩個(gè)方面，只壓縮氣體并不一定能使氣體溫度升高，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；由能量守恒定律可知，選項(xiàng)B正確；第一類(lèi)永動(dòng)機(jī)是指不消耗能量卻可以不斷向外做功的機(jī)器，違背了能量守恒定律，選項(xiàng)C正確；第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)不違背能量守恒定律，但違背了熱力學(xué)第二定律，選項(xiàng)D錯(cuò)誤；由熱力學(xué)第二定律可知，選項(xiàng)E正確。]2．(多選)(2019·南昌模擬)下列敘述和熱力學(xué)定律相關(guān)，其中正確的是(　　)A．第一類(lèi)永動(dòng)機(jī)不可能制成，是因?yàn)檫`背了能量守恒定律B．能量耗散過(guò)程中能量不守恒C．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，違背了熱力學(xué)第二定律D．能量耗散是從能量轉(zhuǎn)化的角度反映出自然界中的宏觀過(guò)程具有方向性E．物體從單一熱源吸收的熱量可全部用于做功ADE　[第一類(lèi)永動(dòng)機(jī)不消耗能量卻源源不斷對(duì)外做功，違背了能量守恒定律，所以不可能制成，A正確；能量耗散過(guò)程中能量仍守恒，B錯(cuò)誤；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，是壓縮機(jī)做功的結(jié)果，不違背熱力學(xué)第二定律，C錯(cuò)誤；能量耗散說(shuō)明宏觀熱現(xiàn)象的發(fā)生具有方向性，D正確；物體從單一熱源吸收熱量可以全部用于做功，但一定引起其他影響，E正確。]