江苏专用2025版高考物理一轮复习第12章热学第3节热力学定律与能量守恒定律学案

PAGE11-第3节热力学定律与能量守恒定律一、热力学第肯定律1．变更物体内能的两种方式(1)做功；(2)热传递。2．热力学第肯定律(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＝Q＋W。(3)正、负号法则：物理量WQΔU＋外界对物体做功物体汲取热量内能增加－物体对外界做功物体放出热量内能削减二、能量守恒定律1．内容能量既不会凭空产生，也不会凭空消逝，它只能从一种形式转化为另一种形式，或者是从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变。2．条件性能量守恒定律是自然界的普遍规律，某一种形式的能是否守恒是有条件的。3．第一类永动机是不行能制成的，它违反了能量守恒定律。三、热力学其次定律1．热力学其次定律的两种表述(1)克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传到高温物体。(2)开尔文表述：不行能从单一热库汲取热量，使之完全变胜利，而不产生其他影响。或表述为“其次类永动机是不行能制成的”。2．热力学其次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。3．其次类永动机不行能制成的缘由是违反了热力学其次定律。1．思索辨析(正确的画“√”，错误的画“×”)(1)外界压缩气体做功20J，气体的内能可能不变。 (√)(2)给自行车打气时，发觉打气筒的温度上升，这是因为打气筒从外界吸热。 (×)(3)可以从单一热源汲取热量，使之完全变胜利。 (√)(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更。 (×)(5)自由摇摆的秋千摇摆幅度越来越小，能量正在消逝。 (×)(6)利用河水的能量使船逆水航行的设想，符合能量守恒定律。 (√)2．(人教版选修3－3P61T2)下列现象中不能够发生的是()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部分转化成机械能C．桶中混浊的泥水在静置一段时间后，泥沙下沉，上面的水变清，泥、水自动分别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A[由热力学其次定律可知，一切自发进行与热现象有关的宏观过程，都具有方向性，A错误；热机的工作效率不行能达到100%，B正确；泥沙下沉，系统的重力势能削减，没有违反热力学其次定律，C正确；冰箱通过压缩机的工作，把热量从低温物体传到高温物体，该过程消耗了电能，没有违反热力学其次定律，D正确。]3．下列叙述和热力学定律相关，其中正确的是()A．第一类永动机不行能制成，是因为违反了热力学其次定律B．能量耗散过程中能量不守恒C．电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界，违反了热力学其次定律D．能量耗散是从能量转化的角度反映出自然界中的宏观过程具有方向性D[第一类永动机不行能制成，是因为违反了能量守恒定律，选项A错误；能量耗散过程中能量仍旧守恒，只是将能量从高度有用的形式降级为不大可用的形式，选项B错误；电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界，是利用压缩机做功，引起了其他变更，不违反热力学其次定律，选项C错误；能量耗散是从能量转化的角度反映出自然界中的宏观过程具有方向性，选项D正确。]4．对于热力学第肯定律和热力学其次定律的理解，下列说法正确的是()A．肯定质量的气体膨胀对外做功100J，同时从外界汲取120J的热量，则它的内能削减20JB．物体从外界汲取热量，其内能肯定增加；物体对外界做功，其内能肯定削减C．凡与热现象有关的宏观过程都具有方向性，在热传递中，热量只能从高温物体传递给低温物体，而不能从低温物体传递给高温物体D．其次类永动机违反了热力学其次定律，没有违反热力学第肯定律D[依据热力学第肯定律知ΔU＝W＋Q＝－100J＋120J＝20J，内能增加20J，故选项A错误；依据热力学第肯定律ΔU＝W＋Q，可知物体从外界汲取热量，其内能不肯定增加，物体对外界做功，其内能不肯定削减，选项B错误；通过做功的方式可以让热量从低温物体传递给高温物体，如电冰箱，选项C错误；其次类永动机没有违反能量守恒定律，热力学第肯定律是能量转化和守恒定律在热学中的反映，因此其次类永动机没有违反热力学第肯定律，不能制成是因为它违反了热力学其次定律，故选项D正确。]热力学第肯定律与能量守恒定律eq\o([依题组训练])1．下列说法正确的是()A．物体放出热量，其内能肯定减小B．物体对外做功，其内能肯定减小C．物体汲取热量，同时对外做功，其内能可能增加D．物体放出热量，同时对外做功，其内能可能不变C[由热力学第肯定律ΔU＝W＋Q可知，若物体放出热量，但外界对物体做正功，则ΔU不肯定为负值，即内能不肯定减小，故A项错误；同理可分析出，B项和D项错误，C项正确。]2．关于热力学定律，下列说法正确的是()A．气体吸热后温度肯定上升B．对气体做功可以变更其内能C．志向气体等压膨胀过程肯定放热D．热量可能自发地从低温物体传到高温物体B[依据热力学定律，气体吸热后假如对外做功，则温度不肯定上升，说法A错误；变更物体内能的方式有做功和传热，对气体做功可以变更其内能，说法B正确；志向气体等压膨胀对外做功，依据eq\f(pV,T)＝恒量知，膨胀过程肯定吸热，说法C错误；依据热力学其次定律，热量不行能自发地从低温物体传到高温物体，说法D错误。]3．如图所示，用隔板将一绝热汽缸分成两部分，隔板左侧充有志向气体，隔板右侧与绝热活塞之间是真空。现将隔板抽开，气体会自发扩散至整个汽缸。待气体达到稳定后，缓慢推压活塞，将气体压回到原来的体积。假设整个系统不漏气。下列说法不正确的是()A．气体自发扩散前后内能相同B．气体在被压缩的过程中内能增大C．在自发扩散过程中，气体对外界做功D．气体在被压缩的过程中，外界对气体做功C[气体向真空膨胀时不受阻碍，气体不对外做功，由于汽缸是绝热的，没有热交换，所以气体扩散后内能不变，选项A正确；气体被压缩的过程中，外界对气体做功，且没有热交换，依据热力学第肯定律，气体的内能增大，选项B、D正确；气体在真空中自发扩散的过程中不对外做功，选项C错误。]4．(2024·全国卷Ⅰ)某容器中的空气被光滑活塞封住，容器和活塞绝热性能良好，空气可视为志向气体。初始时容器中空气的温度与外界相同，压强大于外界。现使活塞缓慢移动，直至容器中的空气压强与外界相同。此时，容器中空气的温度________(选填“高于”“低于”或“等于”)外界温度，容器中空气的密度________(选填“大于”“小于”或“等于”)外界空气的密度。[解析]由于初始时封闭在容器中的空气的压强大于外界压强，容器和活塞绝热性能良好，容器中空气与外界没有热量交换，容器中的空气推动活塞对外做功，由热力学第肯定律可知，空气内能减小。依据志向气体内能只与温度有关可知，活塞缓慢移动后容器中空气的温度降低，即容器中的空气温度低于外界温度。因压强与气体温度和分子的密集程度有关，当容器中的空气压强与外界压强相同时，容器中空气温度小于外界空气温度，故容器中空气的密度大于外界空气密度。[答案]低于大于1．对热力学第肯定律的理解(1)做功和热传递在变更系统内能上是等效的。(2)外界对系统做功是其他形式能量与内能的转化。(3)热传递是外界与系统之间内能的转移。2．热力学第肯定律的三种特别状况(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。(2)若过程中不做功，则W＝0，Q＝ΔU，物体汲取的热量等于物体内能的增加。(3)若过程的始、末状态物体的内能不变，则W＋Q＝0，即物体汲取的热量全部用来对外做功，或外界对物体做的功等于物体放出的热量。3．应用热力学第肯定律的三点留意(1)做功看体积：体积增大，气体对外做功，W为负；体积缩小，外界对气体做功，W为正。气体向真空中自由膨胀，对外界不做功，W＝0。(2)与外界绝热，则不发生热传递，此时Q＝0。(3)由于志向气体没有分子势能，所以当它的内能变更时，体现在分子动能的变更上，从宏观上看就是温度发生的变更。热力学其次定律的理解及应用eq\o([依题组训练])1．关于热力学定律，下列说法正确的是()A．为了增加物体的内能，必需对物体做功或向它传递热量B．对某物体做功，必定会使该物体的内能增加C．不行以从单一热源汲取热量，使之完全变为功D．不行能使热量从低温物体传向高温物体A[内能的变更可以通过做功或热传递进行，故A对；对某物体做功，若物体向外放热，则物体的内能不肯定增加，B错；在引起其他变更的状况下，从单一热源汲取热量可以将其全部变为功，C错；在引起其他变更的状况下，可以将热量从低温物体传向高温物体，D错。]2．下列说法正确的是()A．压缩气体总能使气体的温度上升B．能量耗散过程中能量是不守恒的C．第一类永动机不行能制成，是因为违反了能量守恒定律D．其次类永动机不违反能量守恒定律，但违反了热力学第肯定律C[内能的变更取决于做功和热传递两个方面，压缩气体并不肯定能使气体温度上升，选项A错误；由能量守恒定律可知，选项B错误；第一类永动机是指不消耗能量却可以不断向外做功的机器，违反了能量守恒定律，选项C正确；其次类永动机不违反能量守恒定律，但违反了热力学其次定律，选项D错误。]3．下列关于热力学其次定律的说法中正确的是()A．全部符合能量守恒定律的宏观过程都能真的发生B．部分与热现象有关的宏观自然过程是不行逆的C．机械能可以全部转化为内能，但内能无法全部用来做功而转化成机械能D．气体向真空的自由膨胀是可逆的C[符合能量守恒定律，但违反热力学其次定律的宏观过程不能发生，选项A错误；一切与热现象有关的宏观自然过程都是不行逆的，选项B错误；机械能可以全部转化为内能，但内能无法全部用来做功而转化成机械能，选项C正确；气体向真空的自由膨胀是不行逆的，选项D错误。]4．如图所示为电冰箱的工作原理示意图。压缩机工作时，强迫制冷剂在冰箱内外的管道中不断循环。在蒸发器中制冷剂汽化汲取箱体内的热量，经过冷凝器时制冷剂液化，放出热量到箱体外。(1)下列说法正确的是()A．热量可以自发地从冰箱内传到冰箱外B．电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界，是因为其消耗了电能C．电冰箱的工作原理违反热力学其次定律D．电冰箱的工作原理违反热力学第肯定律(2)电冰箱的制冷系统从冰箱内汲取的热量与释放到外界的热量相比，有怎样的关系？[解析](1)热力学第肯定律是热现象中内能与其他形式能的转化规律，是能量守恒定律的详细表现，适用于全部的热学过程，故D项错误；由热力学其次定律可知，热量不能自发地从低温物体传到高温物体，除非有外界的影响或帮助，电冰箱把热量从低温的内部传到高温的外部，须要压缩机的帮助并消耗电能，故B项正确，A、C项错误。(2)由热力学第肯定律可知，电冰箱制冷系统从冰箱内汲取了热量，同时消耗了电能，释放到外界的热量比从冰箱内汲取的热量多。[答案](1)B(2)见解析1．对热力学其次定律关键词的理解在热力学其次定律的表述中，“自发地”“不产生其他影响”的含义。(1)“自发地”指明白热传递等热力学宏观现象的方向性，不须要借助外界供应能量的帮助。(2)“不产生其他影响”的含义是发生的热力学宏观过程只在本系统内完成，对四周环境不产生热力学方面的影响。如吸热、放热、做功等。2．热力学其次定律的实质自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性。如3．两类永动机的比较分类第一类永动机其次类永动机设计要求不须要任何动力或燃料，却能不断地对外做功的机器从单一热源汲取热量，使之完全变胜利，而不产生其他影响的机器不行能制成的缘由违反能量守恒定律不违反能量守恒定律，违反热力学其次定律热力学第肯定律与图象的综合应用eq\o([依题组训练])1．如图所示，肯定量的志向气体从状态a变更到状态b，其过程如p­V图中从a到b的直线所示。在此过程中不正确的是()A．气体温度始终降低B．气体内能始终增加C．气体始终对外做功D．气体始终从外界吸热A[肯定量的志向气体从a到b的过程，由志向气体状态方程eq\f(paVa,Ta)＝eq\f(pbVb,Tb)可知，Tb>Ta，即气体的温度始终上升，选项A错误；依据志向气体的内能只与温度有关，可知气体的内能始终增加，选项B正确；由于从a到b的过程中气体的体积增大，所以气体始终对外做功，选项C正确；依据热力学第肯定律，从a到b的过程中，气体始终从外界吸热，选项D正确。]2．如图所示，肯定质量的志向气体从状态a起先，经验过程①、②、③、④到达状态e。对此气体，下列说法正确的是()A．过程①中气体的压强渐渐减小B．过程②中外界对气体做功C．过程④中气体从外界汲取了热量D．状态c、d的内能相等D[由志向气体状态方程eq\f(paVa,Ta)＝eq\f(pbVb,Tb)可知，pb>pa，即过程①中气体的压强渐渐增大，选项A错误；由于过程②中气体体积增大，所以过程②中气体对外做功，选项B错误；过程④中气体体积不变，气体对外做功为零，温度降低，内能减小，依据热力学第肯定律，过程④中气体放出热量，选项C错误；由于状态c、d的温度相等，志向气体的内能只与温度有关，可知状态c、d的内能相等，选项D正确。]3．肯定量的志向气体从状态a起先，经验等温或等压过程ab、bc、cd、da回到原状态，其p­T图象如图所示，其中对角线ac的延长线过原点O。下列推断正确的是()A．气体在a、c两状态时的体积Va>VcB．气体在状态a时的内能大于它在状态c时的内能C．在过程cd中气体向外界放出的热量大于外界对气体做的功D．在过程da中气体从外界汲取的热量小于气体对外界做的功B[由ac的延长线过原点O知，直线Oca为一条等容线，气体在a、c两状态的体积相等，选项A错误；志向气体的内能由其温度确定，故在状态a时的内能大于在状态c时的内能，选项B正确；过程cd是等温变更，气体内能不变，由热力学第肯定律知，气体对外放出的热量等于外界对气体做的功，选项C错误；过程da气体内能增大，从外界汲取的热量大于气体对外界做的功，选项D错误。]4．(2024·江苏高考)如图所示，肯定质量志向气体经验A→B的等压过程，B→C的绝热过程(气体与外界无热量交换)，其中B→C过程中内能削减900J。求A→B→C过程中气体对外界做的总功。[解析]由题意可知，A→B过程为等压膨胀，所以气体对外做功为：W1＝－p(VB－VA)B→C过程：由热力学第肯定律得：W2＝ΔU则气体对外界做的总功为：W＝－(W1＋W2)代入数据解得：W＝1500J。[答案]W＝1500J推断志向气体内能变更的两种方法(1)肯定质量的志向气体，内能的变更完全由温度变更确定，温度上升，内能增大。(2)若吸、放热和做功状况已知，可由热力学第肯定律ΔU＝W＋Q来确定。热力学第肯定律与气体试验定律的综合应用eq\o([讲典例示法])[典例示法]如图所示，一根两端开口、横截面积为S＝2cm2足够长的玻璃管竖直插入水银槽中并固定(插入水银槽中的部分足够深)。管中有一个质量不计的光滑活塞，活塞下封闭着长L＝21cm的气柱，气体的温度为t1＝7℃，外界大气压取p0＝1.0×105Pa(相当于75cm高汞柱压强)。(1)若在活塞上放一个质量为m＝0.1kg的砝码，保持气体的温度t1不变，则平衡后气柱为多长；(g＝10m/s2)(2)若保持砝码的质量不变，对气体加热，使其温度上升到t2＝77℃，此时气柱为多长；(3)若在(2)过程中，气体汲取的热量为10J，则气体的内能增加多少？[解析](1)被封闭气体的初状态为p1＝p0＝1.0×105Pa，V1＝LS＝42cm3，T1＝280K末状态压强p2＝p0＋eq\f(mg,S)＝1.05×105Pa，V2＝L2S，T2＝T1＝280K依据玻意耳定律，有p1V1＝p2V2，即p1LS＝p2L2S，得L2＝20cm。(2)对气体加热后，气体的压强不变，p3＝p2，V3＝L3S，T3＝350K依据盖—吕萨克定律，有eq\f(V2,T2)＝eq\f(V3,T3)，即eq\f(L2S,T2)＝eq\f(L3S,T3)，得L3＝25cm。(3)气体对外做的功W＝p2Sh＝p2S(L3－L2)＝1.05J依据热力学第肯定律ΔU＝Q＋W得ΔU＝10J＋(－1.05J)＝8.95J，即气体的内能增加了8.95J。[答案](1)20cm(2)25cm(3)8.95J求解气体试验定律与热力学定律的综合问题的通用思路[跟进训练]1．(2024·衡水中学模拟)如图所示，内壁光滑、足够高的圆柱形汽缸竖直放置，内有一质量为m的活塞封闭肯定质量的志向气体。已知活塞横截面积为S，外界大气压强为p0，缸内气体温度为T1。现对汽缸内气体缓慢加热，使气体体积由V1增大到V2，该过程中气体汲取的热量为Q1，停止加热并保持体积V2不变，使其降温到T1，已知重力加速度为g，求：(1)停止加热时缸内气体的温度；(2)降温过程中气体