2019年高考物理一輪復習講義：第14章 第3講《熱力學定律與能量守恒》(含解析)

第3講　熱力學定律與能量守恒板塊一　主干梳理·夯實基礎【知識點1】　熱力學第一定律　Ⅰ1．改變物體內能的兩種方式(1)做功；(2)熱傳遞。2．熱力學第一定律(1)內容一個熱力學系統(tǒng)的內能增量等于外界向它傳遞的熱量與外界對它所做的功的和。(2)表達式：ΔU＝Q＋W。(3)ΔU＝Q＋W中正、負號法則(4)ΔU＝Q＋W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能的增加。②若過程是等容的，即W＝0，Q＝ΔU，物體吸收的熱量等于物體內能的增加。③對于理想氣體，若過程是等溫的，即ΔU＝0，則W＋Q＝0或W＝－Q，外界對物體做的功等于物體放出的熱量。【知識點2】　熱力學第二定律　Ⅰ1．熱力學第二定律的三種表述(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)開爾文表述不可能從單一熱庫吸收熱量，使之完全變成功，而不產生其他影響。或表述為“第二類永動機是不可能制成的。”(3)用熵的概念表示熱力學第二定律。在任何自然過程中，一個孤立系統(tǒng)的總熵不會減小。2．熱力學第二定律的微觀意義一切自發(fā)過程總是沿著分子熱運動的無序性增大的方向進行。【知識點3】　能量守恒定律　Ⅰ1.能量守恒定律的內容：能量既不會憑空產生，也不會憑空消失，它只能從一種形式轉化為另一種形式，或者從一個物體轉移到別的物體，在轉化或轉移的過程中，能量的總量保持不變。2．條件性：能量守恒定律是自然界的普遍規(guī)律，某一種形式的能是否守恒是有條件的。例如，機械能守恒定律具有適用條件，而能量守恒定律是無條件的，是一切自然現(xiàn)象都遵守的基本規(guī)律。3.兩類永動機(1)第一類永動機：不需要任何動力或燃料，卻能不斷地對外做功的機器。違背能量守恒定律，因此不可能實現(xiàn)。(2)第二類永動機：從單一熱庫吸收熱量并把它全部用來對外做功，而不產生其他影響的機器。違背熱力學第二定律，不可能實現(xiàn)。4．能源的利用(1)存在能量耗散和品質降低。(2)重視利用能源時對環(huán)境的影響。(3)要開發(fā)新能源(如太陽能、生物質能、風能、水能等)。板塊二　考點細研·悟法培優(yōu)考點1熱力學第一定律[對比分析]1．改變內能的兩種方式的比較2．溫度、內能、熱量、功的比較例1　在如下圖所示的坐標系中，一定質量的某種理想氣體先后發(fā)生以下兩種狀態(tài)變化過程：第一種變化是從狀態(tài)A到狀態(tài)B，外界對該氣體做功為6 J；第二種變化是從狀態(tài)A到狀態(tài)C，該氣體從外界吸收的熱量為9 J。圖線AC的反向延長線過坐標原點O，B、C兩狀態(tài)的溫度相同，理想氣體的分子勢能為零。求：(1)從狀態(tài)A到狀態(tài)C的過程，該氣體對外界做的功W1和其內能的增量ΔU1；(2)從狀態(tài)A到狀態(tài)B的過程，該氣體內能的增量ΔU2及其從外界吸收的熱量Q2。(1)從A到C狀態(tài)發(fā)生了什么變化？提示：等容變化。(2)如何判斷氣體狀態(tài)變化過程是吸熱還是放熱？提示：根據(jù)熱力學第一定律ΔU＝Q＋W，確定熱量Q的正負，再判斷是吸熱還是放熱。嘗試解答　(1)0__9_J__(2)9_J__3_J。(1)由題意知從狀態(tài)A到狀態(tài)C的過程，氣體發(fā)生等容變化，外界對該氣體做的功W1＝0根據(jù)熱力學第一定律有ΔU1＝W1＋Q1內能的增量ΔU1＝Q1＝9 J。(2)從狀態(tài)A到狀態(tài)B的過程，體積減小，溫度升高該氣體內能的增量ΔU2＝ΔU1＝9 J根據(jù)熱力學第一定律有ΔU2＝W2＋Q2從外界吸收的熱量Q2＝ΔU2－W2＝3 J。總結升華判斷物體內能變化的方法(1)內能的變化都要用熱力學第一定律進行綜合分析。(2)做功情況看氣體的體積：體積增大，氣體對外做功，W為負；體積縮小，外界對氣體做功，W為正。(3)與外界絕熱，則不發(fā)生熱傳遞，此時Q＝0。(4)如果研究對象是理想氣體，則由于理想氣體沒有分子勢能，所以當它的內能變化時，主要體現(xiàn)在分子動能的變化上，從宏觀上看就是溫度發(fā)生了變化。　[2017·安徽合肥聯(lián)考](多選)對于一定質量的理想氣體，下列說法正確的是(　　)A．體積不變，壓強減小的過程，氣體一定放出熱量，內能減小B．若氣體內能增加，則外界一定對氣體做功C．若氣體的溫度升高，則每個氣體分子的速度一定增大D．若氣體壓強不變，氣體分子平均距離增大時，則氣體分子的平均動能一定增大E．氣體對器壁的壓強是由大量氣體分子對器壁不斷碰撞而產生的答案　ADE解析　由理想氣體狀態(tài)方程＝C，可知在體積不變、壓強減小時，溫度降低；體積不變，則W＝0，溫度降低，內能減少，根據(jù)熱力學第一定律有ΔU＝Q<0，可知一定放出熱量，故A正確；若氣體內能增加，根據(jù)熱力學第一定律ΔU＝Q＋W，可能從外界吸收熱量，不一定是外界對氣體做功，故B錯誤；氣體的溫度升高，分子的平均動能增大，但不一定每個氣體分子的速度都增大，故C錯誤；氣體壓強不變，氣體分子平均距離增大時，體積增大，由理想氣體狀態(tài)方程＝C，可知溫度一定升高，則氣體分子的平均動能一定增大，故D正確；從微觀角度看，氣體對器壁的壓強是由大量氣體分子對器壁的不斷碰撞而產生的，故E正確。考點2熱力學第二定律[對比分析]1．熱力學第一、第二定律的比較2．兩類永動機的比較例2　(多選)下列說法中正確的是(　　)A．第一類永動機違反能量守恒定律，是不可能制成的B．第二類永動機違反能量守恒定律，是不可能制成的C．能量耗散的說法與能量守恒定律是互相矛盾的D．熱量不可能從低溫物體傳到高溫物體而不引起其他變化E．熱量可能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體而不引起其他變化(1)熱力學第二定律揭示了自然界中的什么規(guī)律？提示：一切涉及熱現(xiàn)象的自然過程都具有方向性。(2)第二類永動機違反能量守恒定律嗎？第一類永動機呢？提示：第二類永動機違反了熱力學第二定律，但不違反能量守恒定律，第一類永動機違反了能量守恒定律。嘗試解答　選AD。第一類永動機是不可能制成的，因為它違反了能量守恒定律，A正確；第二類永動機不違反能量守恒定律，但違反了熱力學第二定律，B錯誤；能量耗散指的是機械能、電能、化學能等高度可用的高品質形式的能量轉化為不大可用的低品質形式的內能，但是總的能量是守恒的，能量耗散與能量守恒不矛盾，C錯誤；根據(jù)熱力學第二定律，熱量不可能從低溫物體傳到高溫物體而不引起其他變化，D正確，E錯誤。總結升華對熱力學第二定律的理解(1)在熱力學第二定律的表述中，“自發(fā)地”“不產生其他影響”的涵義：①“自發(fā)地”指不需要借助外界提供能量的幫助，指明了熱傳遞等熱力學宏觀現(xiàn)象的方向性；②“不產生其他影響”的涵義是發(fā)生的熱力學宏觀過程只在本系統(tǒng)內完成，對周圍環(huán)境不產生熱力學方面的影響，如吸熱、放熱、做功等。(2)熱力學第二定律的實質：熱力學第二定律的每一種表述，都揭示了大量分子參與宏觀過程的方向性，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。　根據(jù)你學過的熱學中的有關知識，判斷下列說法中正確的是(　　)A．機械能可以全部轉化為內能，內能也可以全部用來做功轉化成機械能B．凡與熱現(xiàn)象有關的宏觀過程都具有方向性，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C．盡管技術不斷進步，熱機的效率仍不能達到100%，制冷機卻可以使溫度降到－293 ℃D．第一類永動機違背能量守恒定律，第二類永動機不違背能量守恒定律，隨著科技的進步和發(fā)展，第二類永動機可以制造出來答案　A解析　機械能可以全部轉化為內能，而內能在引起其他變化時也可以全部用來做功轉化為機械能，A正確；凡與熱現(xiàn)象有關的宏觀過程都具有方向性，在熱傳遞中，熱量可以自發(fā)地從高溫物體傳遞給低溫物體，也能從低溫物體傳遞給高溫物體，但必須借助外界的幫助，即須產生其他影響，B錯誤；盡管科技不斷進步，熱機的效率仍不能達到100%，制冷機也不能使溫度降到－293 ℃，只能無限接近－273.15 ℃，卻永遠不能達到，C錯誤；第一類永動機違背能量守恒定律，第二類永動機不違背能量守恒定律，但違背了熱力學第二定律，第二類永動機不可能制造出來，D錯誤。考點3氣體實驗定律與熱力學第一定律的綜合[解題技巧]例3　一定質量理想氣體的p-V圖象如圖所示，其中a→b為等容過程，b→c為等壓過程，c→a為等溫過程，已知氣體在狀態(tài)a時的溫度Ta＝300 K，在狀態(tài)b時的體積Vb＝22.4 L。求：(1)氣體在狀態(tài)c時的體積Vc；(2)試比較氣體由狀態(tài)b到狀態(tài)c過程從外界吸收的熱量Q與對外做功W的大小關系，并簡要說明理由。(1)在p-V圖象中，如何判斷理想氣體狀態(tài)變化過程中溫度升高還是降低？提示：根據(jù)熱力學第一定律ΔU＝W＋Q，如果ΔU>0，則溫度升高，ΔU<0，則溫度降低。(2)整個循環(huán)過程，氣體內能變化嗎？提示：整個循環(huán)過程中，氣體又回到了原來的狀態(tài)，故氣體內能不變。嘗試解答　(1)67.2_L__(2)氣體吸收的熱量Q大于氣體對外做的功W__理由見解析。(1)氣體c→a等溫變化，根據(jù)玻意耳定律得paVa＝pcVc又a→b為等容過程，所以Va＝Vb＝22.4 L解得Vc＝＝＝67.2 L。(2)氣體由狀態(tài)b到狀態(tài)c為等壓過程，由蓋—呂薩克定律可知體積增大時溫度升高，所以氣體內能增加，ΔU>0，氣體對外做功，W<0，由熱力學第一定律ΔU＝Q＋W可知，氣體吸收熱量Q大于氣體對外做的功W。總結升華氣體實驗定律與熱力學定律的綜合問題的處理方法(1)氣體實驗定律研究對象是一定質量的理想氣體。(2)解決具體問題時，分清氣體的變化過程是求解問題的關鍵，根據(jù)不同的變化，找出相關的氣體狀態(tài)參量，利用相關規(guī)律解決。(3)對理想氣體，只要體積變化，外界對氣體(或氣體對外界)做功W＝pΔV；只要溫度發(fā)生變化，其內能就發(fā)生變化。(4)結合熱力學第一定律ΔU＝W＋Q求解問題。　[2017·甘肅蘭州一模]一定質量的理想氣體經歷了如圖所示的狀態(tài)變化。問：
 (1)已知從A到B的過程中，氣體的內能減少了300 J，則從A到B氣體吸收或放出的熱量是多少；(2)試判斷氣體在狀態(tài)B、C的溫度是否相同。如果知道氣體在狀態(tài)C時的溫度TC＝300 K，則氣體在狀態(tài)A時的溫度為多少。答案　(1)放熱1200 J　(2)溫度相同　1200 K解析　(1)從A到B，外界對氣體做功，有W＝pΔV＝900 J，根據(jù)熱力學第一定律ΔU＝W＋Q，得Q＝ΔU－W＝－1200 J，氣體放熱1200 J。(2)由題圖可知pBVB＝pCVC，故TB＝TC，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程有＝，代入數(shù)據(jù)可得TA＝1200 K。