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2022届高考物理一轮复习 第十三章 热学 第3节 热力学定律与能量守恒定律学案 新人教版

2022届高考物理一轮复习 第十三章 热学 第3节 热力学定律与能量守恒定律学案 新人教版

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第3节　热力学定律与能量守恒定律
必备知识预案自诊　
知识梳理
一、热力学第一定律
1.改变物体内能的两种方式①
(1)　　　　; 
(2)　　　　　　。 
2.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=　　　。 
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　　　　为另一种形式,或者是从一个物体　　　　到别的物体,在　　　　或　　　　的过程中,能量的总量保持不变。 
2.条件性
能量守恒定律是自然界的　　　　　　　　,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　　　　　　　　　　　。 
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　　　　　　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　　　　　　　　　。或表述为“　　　　　　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　　　　。 
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　　　　　　增大的方向进行②。 
②注:热力学第二定律的每一种表述,都揭示了自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性。
4.第二类永动机不可能制成的原因是违背了　　　　　　　　　　　③。 
③注: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但违背热力学第二定律。

考点自诊
1.判断下列说法的正误。
(1)做功和热传递的实质是相同的。(　　)
(2)绝热过程中,外界压缩气体做功,气体的内能一定减少。(　　)
(3)物体吸收热量,同时对外做功,内能可能不变。(　　)
(4)热机中,燃气的内能可以全部变为机械能而不引起其他变化。(　　)
2.关于系统的内能及其变化,下列说法正确的是(　　)
A.系统的温度改变时,其内能必定改变
B.系统对外做功,其内能不一定改变;向系统传递热量,其内能不一定改变
C.对系统做功,系统内能必定改变;系统向外传出一定热量,其内能必定改变
D.若系统与外界不发生热交换,则系统的内能必定不改变
3.(多选)下列现象中能够发生的是(　　)
A.一杯热茶在打开杯盖后,茶会自动变得更热
B.蒸汽机把蒸汽的内能全部转化成机械能
C.桶中浑浊的泥水在静置一段时间后,泥沙下沉,上面的水变清,泥、水自动分离
D.电冰箱通电后把箱内低温物体的热量传到箱外高温物体
4.

(新教材人教版必修第三册P64A组T5改编)如图所示,固定汽缸内由活塞封闭一定质量的气体,开始时活塞处于静止状态,用电热丝对气体加热后活塞缓慢向左移动x,移动过程中活塞与汽缸的摩擦忽略不计,汽缸导热性能良好,环境温度保持不变。大气压强为p0,活塞面积为S,试分析气体是吸热还是放热,热量为多少?

关键能力学案突破　
考点一　热力学第一定律(自主探究)
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。
2.对公式ΔU=Q+W符号的规定

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

3.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。
4.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。
5.两类永动机的比较

分　类
第一类永动机
第二类永动机
设计初衷
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,但违背热力学第二定律

对点演练
1.(多选)关于物体的内能,以下说法中正确的是(　　)
A.物体吸收热量,内能一定增大
B.物体放出热量,同时对外做功,内能一定减少
C.物体体积改变,内能可能不变
D.不可能从单一热源吸收热量,使之完全变为功
2.

(2020山东泰安模拟)如图所示,在竖直放置的导热性能良好的圆柱形容器内用质量为m的活塞密封一部分理想气体,活塞能无摩擦地滑动,容器的横截面积为S。整个装置放在大气压为p0的室内,稳定时活塞与容器底的距离为h0。现把容器移至大气压仍为p0的室外,活塞缓慢上升d后再次平衡,重力加速度大小为g。若此过程中气体吸收的热量为Q,则密闭气体的内能(　　)
A.减少了Q-(mg+p0S)d
B.减少了Q+(mg+p0S)d
C.增加了Q-(mg+p0S)d
D.增加了Q+(mg+p0S)d
考点二　热力学第二定律(自主探究)
1.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”的含义。
①“自发地”指明了热传递现象的方向性,不需要借助外界提供能量的帮助。
②“不产生其他影响”是说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)热力学过程方向性实例
①高温物体低温物体
②功内能
③气体体积V1(较小)气体体积V2(较大)
④不同气体A和B混合气体AB
(4)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。
2.热力学第一、第二定律的比较

热力学第一定律
热力学第二定律
定律揭示
的问题
从能量守恒的角度揭示了功、热量和内能改变量三者的定量关系
指出自然界中出现的宏观过程是有方向性的
机械能和
内能的转化
当摩擦力做功时,机械能可以全部转化为内能
内能不可能在不引起其他变化的情况下完全变成机械能
表述形式
只有一种表述形式
有多种表述形式
两定律
的关系
在热力学中,两者既相互独立,又互为补充,共同构成了热力学知识的理论基础

对点演练
3.(2020全国卷Ⅱ)下列关于能量转换过程的叙述,违背热力学第一定律的有　　　　,不违背热力学第一定律,但违背热力学第二定律的有　　　　。(填正确答案标号) 
A.汽车通过燃烧汽油获得动力并向空气中散热
B.冷水倒入保温杯后,冷水和杯子的温度都变得更低
C.某新型热机工作时将从高温热源吸收的热量全部转化为功,而不产生其他影响
D.冰箱的制冷机工作时从箱内低温环境中提取热量散发到温度较高的室内
4.(多选)(2020广东顺德模拟)下列关于热力学定律的说法正确的是(　　)
A.如果两个系统均与第三个系统处于热平衡状态,这两个系统的温度一定相等
B.可以找到一种材料做成墙壁,冬天供暖时吸收热量温度升高,然后向房间自动释放热量供暖,然后再把热量吸收回去,形成循环供暖,只需要短时间供热后即可停止外界供热
C.低温系统可以向高温系统传递热量
D.无论科技如何进步与发展,绝对零度都不可以达到
考点三　热力学定律与气体实验定律的综合应用(师生共研)
1.热力学定律与气体实验定律问题的处理方法
(1)气体实验定律研究对象是一定质量的理想气体。
(2)解决具体问题时,分清气体的变化过程是求解问题的关键,根据不同的变化,找出与之相关的气体状态参量,利用相关规律解决。
(3)对理想气体,只要体积变化,外界对气体(或气体对外界)就要做功,如果是等压变化,W=pΔV;只要温度发生变化,其内能就发生变化。
(4)结合热力学第一定律ΔU=W+Q求解问题。
2.与理想气体相关的热力学问题的分析方法
对一定量理想气体的内能变化,吸热还是放热及外界对气体如何做功等问题,可按下面方法判定:
(1)做功情况看体积
体积V减小→外界对气体做功→W>0;
体积V增大→气体对外界做功→W<0;
无阻碍地自由膨胀→W=0。
(2)内能变化看温度
温度T升高→内能增加→ΔU>0;
温度T降低→内能减少→ΔU<0。
(3)吸热还是放热,一般题目中会告知,或由热力学第一定律ΔU=Q+W,知道W和ΔU后确定Q。
【典例1】(2020四川成都二诊)

如图所示,封有一定质量理想气体的圆柱形汽缸竖直放置,汽缸的高度H=30 cm,缸体内底面积S=200 cm2,缸体质量M=10 kg。弹簧下端固定在水平桌面上,上端连接活塞,当缸内气体温度T0=280 K时,缸内气体高h=20 cm。现缓慢加热气体,使活塞最终恰好静止在缸口(未漏气),此过程中缸内气体吸收热量为Q=450 J。已知大气压恒为p0=1×105 Pa,重力加速度g取10 m/s2,不计活塞质量、厚度及活塞与缸壁的摩擦,且汽缸底部及活塞表面始终保持水平。求:
(1)活塞最终静止在缸口时,缸内气体的温度;
(2)加热过程中,缸内气体内能的增加量。
解题指导
审题

关键词句
分析解读
活塞最终静止在缸口
末态时气体的体积
缸体面积,缸体质量,大气压
缸内气体的压强

续　表

关键词句
分析解读
缓慢加热气体
等压变化过程

破题1.对汽缸受力分析,汽缸受重力、外边大气向下的压力、封闭气体向上的压力,加热过程中,汽缸受力不变,因此加热气体过程中封闭气体的压强不变,气体发生等压变化,由等压变化规律计算。
2.对活塞受力分析,受重力、封闭气体向下的压力、外边气体向上的压力,加热过程中,活塞受力不变,因此活塞不动。汽缸向上移动的高度为H-h,气体对外做功W=pS(H-h),由热力学第一定律计算内能的增加量。

对点演练
5.(多选)(2020全国卷Ⅲ)如图所示,一开口向上的导热汽缸内,用活塞封闭了一定质量的理想气体,活塞与汽缸壁间无摩擦。现用外力作用在活塞上,使其缓慢下降。环境温度保持不变,系统始终处于平衡状态。在活塞下降过程中　　　　。 

A.气体体积逐渐减小,内能增加
B.气体压强逐渐增大,内能不变
C.气体压强逐渐增大,放出热量
D.外界对气体做功,气体内能不变
E.外界对气体做功,气体吸收热量
6.(2020天津卷)水枪是孩子们喜爱的玩具,常见的气压式水枪储水罐示意如图。从储水罐充气口充入气体,达到一定压强后,关闭充气口。扣动扳机将阀门M打开,水即从枪口喷出。若在水不断喷出的过程中,罐内气体温度始终保持不变,则气体(　　)

A.压强变大 B.对外界做功
C.对外界放热 D.分子平均动能变大
考点四　热力学第一定律与气体图像的综合(师生共研)
处理热力学第一定律与气体图像的综合问题的思路
1.根据气体图像的特点判断气体的温度、体积的变化情况,从而判断气体与外界的吸、放热关系及做功关系。
2.在p-V图像中,图线与V轴围成的面积表示气体对外界或外界对气体做的功。
3.结合热力学第一定律判断有关问题。
【典例2】(2020山东卷)一定质量的理想气体从状态a开始,经a→b、b→c、c→a三个过程后回到初始状态a,其p-V图像如图所示。已知三个状态的坐标分别为a(V0,2p0)、b(2V0,p0)、c(3V0,2p0)。以下判断正确的是(　　)

A.气体在a→b过程中对外界做的功小于在b→c过程中对外界做的功
B.气体在a→b过程中从外界吸收的热量大于在b→c过程中从外界吸收的热量
C.在c→a过程中,外界对气体做的功小于气体向外界放出的热量
D.气体在c→a过程中内能的减少量大于b→c过程中内能的增加量

　　(1)理想气体的内能变化看温度;(2)p-V图像所围的面积表示气体做的功。

对点演练
7.(2020山东德州二模)如图所示,a、b、c为一定质量的理想气体变化过程中的三个不同状态,下列说法正确的是(　　)

A.a、b、c三个状态的压强相等
B.从a到c气体的内能减小
C.从a到b气体吸收热量
D.从a到b与从b到c气体对外界做功的数值相等
8.(2020山东聊城二模)如图所示,一定质量的理想气体从状态A依次经过状态B、C和D后再回到状态A,其中,A→B和C→D为等温过程,B→C和D→A为绝热过程,这就是著名的“卡诺循环”。下列说法正确的是(　　)

A.A→B过程中,气体和外界无热交换
B.B→C过程中,气体分子的平均动能增大
C.C→D过程中,单位时间内碰撞单位面积器壁的分子数增多
D.D→A过程中,气体分子的速率分布曲线不发生变化

第3节　热力学定律与能量守恒定律
必备知识·预案自诊
知识梳理
一、热力学第一定律
1.(1)做功　(2)热传递　2.(2)Q+W
二、能量守恒定律
1.转化　转移　转化　转移　2.普遍规律　3.能量守恒定律
三、热力学第二定律
1.(1)自发地　(2)不产生其他影响　第二类
2.减小　3.无序性
4.热力学第二定律
考点自诊
1.(1)×　(2)×　(3)√　(4)×
2.B　系统的温度只能决定分子平均动能,而内能由分子动能和分子势能共同决定,A错误;做功和热传递都可以改变系统的内能,B正确,C、D错误。
3.CD　根据热力学第二定律知,A、B错误,D正确;泥、水分离是因为泥沙所受重力大于水的浮力,C正确。
4.答案吸热,热量为p0Sx
解析汽缸导热性能良好,环境温度保持不变,故气体的内能不变,气体对外做的功为p0Sx,根据热力学第一定律ΔU=W+Q,解得Q=p0Sx,故气体吸收热量。
关键能力·学案突破
对点演练
1.BC　物体吸收热量,若同时对外做功,其内能可能减少,选项A错误;根据热力学第一定律,物体放出热量,同时对外做功,内能一定减少,选项B正确;物体体积改变,例如理想气体体积改变,只要温度不变,其内能不变,选项C正确;可以从单一热源吸收热量,使之完全变为功,但是会引起其他变化,选项D错误。
2.C　活塞上升的过程,密闭气体克服大气压力和活塞的重力做功,所以外界对系统做的功W=-(mg+p0S)d,根据热力学第一定律得密闭气体增加的内能ΔU=Q+W=Q-(mg+p0S)d,即在此过程中的密闭气体的内能增加了Q-(mg+p0S)d,故C正确,A、B、D错误。
3.B　C　B项中,冷水倒入保温杯后,在热传递过程中,保温杯降温,冷水必升温,若都降温,就违背了热力学第一定律;C项中,新型热机的效率也达不到100%,热量不可能全部转化为功,违背了热力学第二定律。
4.ACD　如果两个系统均与第三个系统处于热平衡状态,这两个系统的温度一定相等,A正确;根据热力学第二定律,题中所述的问题不可能实现,B错误;低温系统向高温系统传递热量是可以实现的,前提是要引起其他变化,C正确;绝对零度不可以达到,D正确。
典例1答案(1)420 K　(2)240 J
解析(1)加热过程为等压变化,设缸内气体的末态温度为T,初态温度为T0=280K
由盖-吕萨克定律有hST0=HST
代入数据解得T=420K
(2)设缸内气体的压强为p;
对汽缸由平衡条件有Mg+p0S=pS
该过程气体对外做功W=pS(H-h)
则外界对气体做功为W'=-W
由热力学第一定律有ΔU=W'+Q
代入数据解得ΔU=240J
对点演练
5.BCD　本题以汽缸为背景,意在考查气体实验定律和热力学定律。
一定质量理想气体的内能仅与温度有关,温度不变,气体内能不变,选项A错误;根据p1V1=p2V2,气体体积变小,压强增大,选项B正确;外界对气体做功W>0,内能不变ΔU=0,由ΔU=W+Q,可得Q<0,放出热量,选项C、D正确,选项E错误。
6.B　研究储水罐内封闭的气体,在温度不变时,pV=C,C为常数,气体体积变大,压强变小,A错误;气体体积变大,对外做功,B正确;温度不变,内能不变,ΔU=0,根据热力学第一定律,ΔU=W+Q,气体体积变大,W为负值,则Q为正值,气体吸热,C错误;温度是分子平均动能的标志,温度不变,平均动能不变,D错误。
典例2C　在p-V图像中,图像与坐标横轴所围的面积表示外界对气体做的功,体积增加时做负功,体积减少时做正功,a→b过程的面积与b→c过程的面积相等,表明两个过程做功大小相等,W1=W2,选项A错误;根据理想气体状态方程,pVT=C,pV值越大,温度越高,状态a、b、c三者温度对比Ta=Tb<Tc;一定质量理想气体的内能只与温度有关,a→b过程的内能变化ΔU1=0,b→c过程的内能变化ΔU2>0,根据热力学第一定律,a→b过程,ΔU1=W1+Q1,得出Q1=-W1,b→c过程,ΔU2=W2+Q2,得出Q2=ΔU2-W2,故Q2>Q1,选项B错误;c→a过程的内能变化ΔU3<0,体积减小,W3>0,根据热力学第一定律,c→a过程,ΔU3=W3+Q3,得出W3<|Q3|,选项C正确;Ta=Tb<Tc,c→a过程内能的减少量等于b→c过程内能的增加量,选项D错误。
对点演练
7.C　根据理想气体状态方程pVT=C得V=CpT,若压强不变,则V-T图像应为过原点的倾斜直线,选项A错误;从a到c气体温度升高说明内能增加,选项B错误;从a到b气体体积增加说明对外做功,温度升高说明内能增加,根据热力学第一定律公式ΔU=W+Q知气体吸收热量,选项C正确;从a到b与从b到c气体体积变化相同,但压强不同,因而对外界做功的数值不相等,选项D错误。
8.C　A→B过程中,等温膨胀,体积增大,气体对外界做功,温度不变,内能不变,气体吸热,故A错误;B→C过程中,绝热膨胀,气体对外做功,内能减小,温度降低,气体分子的平均动能减小,故B错误;C→D过程中,等温压缩,体积变小,分子数密度变大,单位时间内碰撞单位面积器壁的分子数增多,故C正确;D→A过程,绝热压缩,外界对气体做功,内能增加,温度升高,分子平均动能增大,气体分子的速率分布曲线发生变化,故D错误。