xx届高考物理能源与可持续发展6

1 / 21 XX 届高考物理能源与可持续发展 6 本资料为 WoRD 文档，请点击下载地址下载全文下载地址 第二节热力学定律能源与可持续发展 一、考情分析 考试大纲 考纲解读 1.热力学第一定律 I 2.能量守恒定律 I 3.热力学第二定律 I 1.理解热传递和做功是改变内能的两种不同方式，理解二者的差异。 2.理解热力学第一定律，会进行简单计算，注意理论与实际相联系，理解第一类永 动不可制成的原理。 3.理解热力学第二定律的不同表述的等价性，理解第二类永动机不可制成的原理。 4.要重视热力学第二定律和能量守恒的综合运算题。 二、考点知识梳理 2 / 21 （一）、物体的内能： 1.做热运动的分子具有的动能叫 _。 _是物体分子热运动的平均动能的标志。温度越高，分子做热运动的平均动能 _。 理解要点： 温度是大量分子的 _的标志，对个别分子来讲是_的； 温度相同的不同种类的物质，它们分子的平均动能相同，但由于不同种类物质的分子质量不等，所以，它们分子的_不同； 分子的平均动能与物体运动的速度 _。 r E r0o 2.分子势能 分子间由于存在相互作用而具有的，大小由分子间相对位置决定的能叫做 _ 分子势能改变与分子力做功的关系：分子力做功，分子势能 _；克服分子力做功，分子势能 _；且分子力做多少 功，分子势能就改变多少。分子势能与分子间距的关系（如右图示）： 3 / 21 当 r时，分子力表现为引力，随着 r 的增大，分子引力做_，分子势能 _； 当 r时，分子力表现为斥力，随着 r 的减小，分子斥力做_，分子势能 _； r=时，分子势能最小，但不为零，为负值，因为选两分子相距无穷远时的分子势能为零。 对实际气体来说，体积增大，分子势能 _;体积缩小，分子势能 _。 3.物体中所有分子做热运动的动能和分子势能的总 和叫做物体的 _。 物体的内能跟物体的 _和 _都有关系：温度升高时物体内能 _；体积变化时，物体内能变化。 4.分子势能与体积的关系 分子热能与分子力相关：分子力做正功，分子势能 _；分子力做负功，分子势能 _。而分子力与分子间距有关，分子间距的变化则又影响着大量分子所组成的宏观物体的体积。这就在分子热能与物体体积间建立起某中联系。考虑到分子力在 rr0 时表现为斥力，此时体积膨胀时，表现为斥力 的分子力做正功。因此分子势能随物体体积呈非单调变化的特征。 5.改变内能的两种方式 改变物体的内能通常有两种方式： _和 _。做功4 / 21 涉及到的是内能与其它能间的 _；而热传递则只涉及到内能在不同物体间的 _。 6.物体的内能和机械能之间主要区别有如下几点： 对应着不同的研究对象和物理运动形式。 机械能对应于宏观物体的机械运动，而物体的内能对应于大量分子的热运动，是大量分子的集体表现，是统计平均的结果。 对应着不 同的相互作用力。 机械能对应于万有引力和弹簧弹力；而物体的内能对应于静电力。 数值的确定依据和方法不同。 （二）、热力学第一定律： 做功和热传递都能改变物体的内能。也就是说，做功和热传递对改变物体的内能是等效的。但从能量转化和守恒的观点看又是有区别的：做功是其他能和内能之间的转化，功是内能转化的量度；而热传递是内能间的转移，热量是内能转移的量度。 内容：_。 表达式： _ 符号法则：外界对物体做功， W 取 _，物体对外界5 / 21 做功， W 取 _；物体吸收热量 Q 取 _，物体放出热量 Q 取 _；物体内能增加 E 取 _，物体内能减少 E 取 _。 三、热力学第二定律： 1.热传导的方向性。热传导的过程是有 _的，这个过程可以向一个方向自发地进行（热量会自发地从高温物体传给低温物体），但是向相反的方向却不能 _进行。 2.第二类永动机不可能制成。我们把没有冷凝器，只有单一热源，从单一热源吸收热量全部用来做功，而不引起其它变化的热机称为第二类永动机。这表明机械能和内能的转化过程具有 _：机械能可以全部转化成内能，内能却不能全部转化成机械能。 3.热力学第二定律。表述： _（按热传导的方向性表述）。 _ _（按机械能和内能转化过程的方向性表述）。 _ 。 热力学第二定律使人们认识到：自然界种进行的涉及热现象的宏观过程都具有 _。它揭示了有大量分子参与的宏观过程的方向性，使得它成为独立于热力学第一定律的一个重6 / 21 要的自然规律。 4.能量耗散。自然界的能量是守恒的，但是有的能量便于利用，有些能量不便于利用。很多事例证明，我们无法把流散的内能重新收集起来加以利用。这 种现象叫做 _。它从能量转化的角度反映出自然界中的宏观现象具有_。 （四）、能量守恒定律： 能量守恒定律指出：能量即不会 _，也不会_，它只能从一种形式转化为别的形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中其总量_。 能量守恒定律是自然界普遍适用的规律之一，是研究自然科学的强有力的武器之一。 三、考点知识解读 考点 1.热力学第一定律的应用 剖析： （ 1）当做功和热传递两种过程同时发生时，内能的变化就要用热力学第一定律进行综合分析。 （ 2）做功情况看气体的体积：体积增大，气体对外做功。 W为负；体积缩小，外界做功， W 为正。若与外界绝热，则不7 / 21 发生热传递。此进 Q=0. 例题 1一定质量的气体从外界吸收了 105j 的热量，同时气体对外做了 6105j 的功，问： （ 1）物体的内能增加还是减少？变化量是多少？ （ 2）分子势能是增加还是减少？ （ 3）分子动能是增加 还是减少？ 解析：（ 1）气体从外界吸热： Q=105j ，气体对外做功： W= 6105j ，由热力学第一定律： U=W+Q= 105j ， U 为负，说明气体的内能减少了105j 。 （ 2）因为气体对外做功，所以气体的体积膨胀，分子间的距离增大了，分子力做负功，气体分子势能增加。 （ 3）因为气体的内能减少，同时气体分子势能增加，说明气体分子的动能一定减少，且分子动能的减少量一定大于气体内能的减少量。 【变式训练 1】固定的气缸内由活塞 B 封闭着一定量的 气体，在通常的情况下，这些气体分子之间的相互作用力可以忽略。在外力 F 作用下，将活塞 B 缓慢地向右拉动，如图 12-2-1所示。在拉动活塞的过程中，假设气缸壁的导热性能很好，环境的温度保持不变，关于气缸内的气体的下列论述，其中正确的是（） 8 / 21 F B A.气体对外做功，气体内能减小 B.气体对外做功，气体内能不变 12-2-1 c.外界对气体做功，气体内能不变 D.气体从外界吸热，气体内能不变 解析：由于活塞导热性能良好，且缓慢被拉动，则 气体的温度始终与环境温度相同，即气体的温度不变，所以气体的内能不变。由于气体的体积碰撞，故气体对外做功，据热力第一定律可知气体从外界吸收热量。故选项 B、 D 正确。 易错点悟：本题由于不计分子间的作用力，即不考虑分子势能，气体的内能即为气体分子的总动能。 答案： BD 考点 2.热力学第二定律的应用 剖析： 热力学第二定律有多种表述，但无论用什么方式表述，都是揭示了自然界的基本规律：一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的。 例题 2电冰箱是一种类 型的制冷机，是用机械的方式制造人工低温的装置图 12-2-2 为电冰箱的原理图，一般电冰箱使用氟里昂 12，即二氯二氟甲烷（ ccl2F2）作为制冷剂试9 / 21 回答下列问题： 压缩机 蒸发 器 毛细管 冷凝器 图 12-2-2 叙述电冰箱的工作原理 一小孩看到电冰箱能制冷，便打开电冰箱使室内凉快些，试问此方法是否可行？ 压缩机工作时，强迫制冷剂在冰箱内外的管道中不断循环，那么下列说法中正确的是（） A在电冰箱的内管道中，制冷 剂迅速膨胀并吸收热量 B在电冰箱的外管道中，制冷剂迅速膨胀并放出热量 c在电冰箱的内管道中，制冷剂剧烈压缩吸收热量 D在电冰箱的外管道中，制冷剂被剧烈压缩放出热量 解析： 热量不会自发地从低温热源移向高温热源，要实现这种逆向传热，需要外界做功气态的制冷剂二氯二氟因压缩机中经压缩成高温气体，送入冷凝器，将热量传给空气或水，同时制冷剂液化成液态氟里昂，再通过膨胀阀或毛细管进行节流减压膨胀后，进入箱内蒸发器，液态氟里昂在低压下可以在较低的温度下蒸发为气体，在蒸发过程 中制冷剂吸热，使周围温度降低，产生低温环境，蒸发后气态的制冷剂10 / 21 再送入压缩机，这样周而复始，由外界（压缩机）做功，系统（制冷剂）从低温热源（蒸发器）吸热，把热量传到高温热源（冷凝器），从而在冰箱内产生低于室温的温度 因为电冰箱的吸热装置（蒸发器）和散热器（冷凝器）同处室内，因此无法使室内温度降低，由于压缩机不断消耗电能做功转化为内能，室内温度还会升高 根据前面的分析可知，本题正确答案为： A、 D 【变式训练 2】热力学第二定律常见的表述有两种。 第一种表述：不可能使 热量由低温物体传递到高温物体，而不引起其他变化； 12-2-3 第二种表述：不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化。 图 12-2-3（ a）是根据热力学第二定律的第一种表述画出的示意图：外界对致冷机做功，使热量从低温物体传递到高温物体。请你根据第二种表述完成示意图 12-2-3（ b），根据你的理解，热力学第二定律的实质是。 答案： （ 2）热力学第二定律的实质是一切与热现象有关的宏观 过程都有方向性。如图 12-2-4： 11 / 21 12-2-4 考点 3.能量守恒定律的应用 剖析：通过做功把其它形式的能量（特别是机械能）转化为内能的问题是一类重要的综合题。解决这类综合题的关键在于弄清内能的来源。如：在机械能与内能相互转化的过程中，转化为内能的往往不是研究对象的全部机械能，而是系统损失的机械能。 例题 3如图 12-2-5 所示容器中， A、 B 各有一个可自由移动的轻活塞，活塞下方是水，上方为空气，大气压恒定 A、B 底部由带有阀门 k 的管道相连，整 个装置与外界绝热。原先 A 中水面比 B 中高，打开阀门，使 A 中的水逐渐向 B 中流，最后达到平衡。在这个过程中，下面哪个说法正确？ A大气压力对水做功，水的内能增加 B水克服大气压力做功，水的内能减少 12-2-5 c大气压力对水不做功，水的内能不变 D大气压力对水不做功，水的内能增加 解析：确定连通器中的水（系统）为研究对象。 12 / 21 由于涉及系统内能是否变化，所以应从热传递和做功两个方面进行。 12-2-6 由题中给出的条件 可知：整个装置与外界绝热，所以不发生热传递。 同时，连通器中的水应受到连通器壁和器底的弹力，大气通过活塞施加 的大气压力，以及由于整个系统在地面而受到的重力。逐一判断各力的做功情况可知： 连通器对水的作用力，因无宏观位移或位移与力的方向垂直而对水不做功。 再看大气压力的功打开阀门 k 后，根据连通器原理，最后A、 B 两管中的水面相平。设 A 管的横截面积为 S1，水面下降的高度为 h1， B 管的横截面积为 S2，水面上升的高度为h2。如图 12-2-6 所示。由于水的总体积保持不变，故有S1h1=S2h2。 A 管中的水受向下的大气压力下降，大气压力做正功为W1=P0S1h1。 B 管中的水受到向下的压力，但水面上升，大气压力做负功为 W2=-P0S2h2。则大气压力对水所做的总功W=W1+W2=0。即大气压力对水不做功。 至于重力对水所做的功，如图可以看到：水从 A 管流到 B 管，最后水面相平，最终的效果是 A 管中高度为 h1的水柱移到 B13 / 21 管中成为高度为 h2 的水柱，其重心的高度下降，因此，在这个过程中水所受重力对水做正功。 据热力学第一定律： E=W+Q 可知：水所受各力的合功为 正功，传递的热量为零，所以，水的内能应增加。故应选 D。 【变式训练 3】根据热力学第二定律，可知下列说法中正确的有： A热量能够从高温物体传到低温物体，但不能从低温物体传到高温物体； B热量能够从高温物体传到低温物体，也可能从低温物体传到高温物体； c机械能可以全部转化为热量，但热量不可能全部转化为机械能； D机械能可以全部转化为热量，热量也可能全部转化为机械能。 解析：根据热传递的规律可知热量能够从高温物体传到低温物体；当外界对系统做功时， 可以使系统从低温物体吸取热量传到高温物体上去，致冷机（如冰箱和空调）就是这样的装置。但是热量不能自发地从低温物体传到高温物体。选项A 错误， B 正确。 一个运动的物体，克服摩擦阻力做功，最终停止；在这个过程中机械能全部转化为热量。外界条件发生变化时，热量也可以全部转化为机械能；如在等温膨胀过程中，系统吸收的14 / 21 热量全部转化为对外界做的功，选项 c 错误， D 正确。综上所述，该题的正确答案是 B、 D。 四、考能训练 A 基础达标 1.（ 08四川卷）下列说法正确的是 () A物体吸收热量，其温度一定升高 B热量只能从高温物体向低温物体传递 c遵守热力学第一定律的过程一定能实现 D做功和热传递是改变物体内能的两种方式 2.下列说法中正确的是 A.物体吸热后温度一定升高 B.物体温度升高一定是因为吸收了热量 c.0 的冰化为 0 的水的过程中内能不变 D.100 的水变为 100 的水汽的过程中内能增大 3.关于物体内能及其变化，下列说法正确的是 () A.物体的内能改变时，其温度必定改变 B.物体对外做功，其内能不一定改变；向物体传递热量，其内能不一定改变 c.对物体做功，其内能必定改变；物体对外传出一定热量，15 / 21 其内能必定改变 D.若物体与外界不发生热交换，其内能必定不改变。 4（ XX 年高考海南卷物理 17 ）下列关于分子运动和热现象的说法正确的是 _（填入正确选项前的字母，每选错一个扣 1 分，最低得分为 0 分） A气体如果失去了容器的约束就会散开，这是因为气体分子之间存在势能的 缘故 B一定量 100 的水变成 100 的水蒸汽，其分子之间的势能增加 c对于一定量的气体，如果压强不变，体积增大，那么它一定从外界吸热 D如果气体分子总数不变，而气体温度升高，气体分子的平均动能增大，因此压强必然增大 E一定量气体的内能等于其所有分子热运动动能和分子之间势能的总和 F如果气体温度升高，那么所有分子的速率都增加 5.下列关于热现象的说法，正确的是（） A外界对物体做功，物体的内能一定增加 B气体的温度升高，气体的压强一定增大 c任何条件下，热量都不会由低温物体传递到高温物体 16 / 21 D任何热机都不可能使燃料释放的热量完全转化为机械能 6.关于热力学第一、第二定律，下列论述正确的是（） A这两条定律都是有关能量的转化和守恒定律，它们不但不矛盾，而且没有本质区别 B其实，能量守恒定律已经包含了热力学第一、第二定律 c内能可以全部转化为其他形式的能，同时会产生其他影响 D热力学第一定律指出内能可以和其他形式的能量 相互转化，而热力学第二定律则指出内能不可能完全转化为其他形式的能 甲乙 BP7.如图 12-2-7 所示，固定容器及可动活塞 P 都是绝热的，中间有一导热的固定隔板 B， B 的两边分别盛有气体甲和乙。现将活塞 P 缓慢地向 B 移动一段距离，已知气体的温度随其内能的增加而升高。则在移动 P 的过程中 A外力对乙做功；甲的内能不变； B外力对乙做功；乙的内能不变； 12-2-7 c乙传递热量给甲；乙的内能增加； D乙的内能增加；甲的内能不变。 17 / 21 8.金属筒内装有与外界温度相同的压缩空气，打开筒的开关，筒内高压空气迅速向外溢出，待筒内、外压强相等时，立即关闭开关。在外界保持恒温的条件下，经过一段较长的时间后，再次打开开关，这时出现的现象是（） A筒外空气流向筒内 B筒内空气流向筒外 c筒内外有空气交换，处于动平衡态，筒内空气质量不变D筒内外无空气交换 B 能力提升 气体 9.如图 12-2-8所示 ,密闭绝热的具有一定质量的活塞 ,活塞的上部封闭着气体（不计气体分子间的作用力） ,下部为 真空 ,活塞与器壁的摩擦忽略不计 ,置于真空中的轻弹簧的一端固定于容器的底部，另一端固定在活塞上 ,弹簧被压缩后用绳扎紧 , 此时弹簧的弹性势能为 (弹簧处于自然长度时的弹性势能为零 ),现绳突然断开 ,弹簧推动活塞向上运动 ,经过多次往复运动后活塞静止 ,气体达到平衡态 ,经过此过程（） A全部转换为气体的内能 12-2-8 B一部分转换成活塞的重力势能 ,其余部分仍为弹簧的弹性势能 c全部转换成活塞的重力势能和气体的内能 18 / 21 D一部分转换成活塞的重力势能 ,一部分 转换为气体的内能 ,其余部分仍为弹簧的弹性势能 10.关于热现象和热学规律，下列说法中哪些符合事实（） A.布朗运动不是液体分子的热运动，是布朗小颗粒内部分子运动所引起的悬浮小颗粒的运动 B.用活塞压缩气缸里的空气，对空气做功 105j ，若空气向外界放出热量 105j ，则空气内能增加 5104j c.第二类永动机不能制成是因为它违反了能量守恒定律 D.一定质量的气体，如果保持温度不变，体积越小压强越大 11.（ XX 年重庆理综卷第 21 题）氧 气钢瓶充气后压强高于外界大气压，假设缓慢漏气时瓶内外温度始终相等且保持不变，忽略氧气分子之间的相互作用。在该漏气过程中瓶内氧气（） A分子总数减少，分子总动能不变 B密度降低，分子平均动能不变 c吸收热量，膨胀做功 D压强降低，不对外做功 12-2-9 12.（ XX 年天津理综卷第 20 题） A、 B 两装置，均由一支一端封闭、一端开口且带有玻璃泡的管状容器和水银槽组成，19 / 21 除玻璃泡在管上的位置不同外，其他条件都相同。将两管抽成真空后，开口向 下竖直插人水银槽中（插入过程没有空气进入管内），水银柱上升至图示位置停止。假设