高考物理一轮复习第十三章热学第3课时热力学定律学案新人教版

第3课时热力学定律

N0.1课前回扣基础牢根基

一、热力学第一定律

1.改变物体内能的两种方式

⑴做功:(2)热传递。

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i!遢与外界对它所做的功的

和。

(2)表达式：△〃=什优

3.中正、负号法则

物理量Q

+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

二、热力学第二定律及微观意义

1.热力学第二定律的两种表述

(1)克劳修斯表述：热量不能宜发地从低温物体传到高温物沐。

(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，而不产生其他影响。或

表述为“第二类永动机是不可能制成的。”

2.用燧的概念表示热力学第二定律

在任何自然过程中，一个孤立系统的总嫌不会皿(选填“漕大”或“减小”)。

三、能量守恒定律和两类永动机

1.能量守恒定律

能量既不会凭空产生.，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为另一种形式,或者从

一个物体技搂到别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变。

2.两类永动机

(D第一类永动机：不消耗任何能量，却源源不断地对外做功的机器。

违背能量守恒定律,因此不可能实现。

(2)第二类永动机：从单一热源吸收热量并把它全部用来对外做功，而不引起其他变化的

机器。

违背热力学第二定律,不可能实现。

［基础自查］

1.判断止误

（1）外界压缩气体做功20J,气体的内能可能不变。（J）

（2）给自行车打气时，发现打气筒的温度升高，这是因为打气筒从外界吸热。（X）

（3）可以从单•热源吸收热量，使之完全变成功。（J）

（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。（X）

（5）自由摆动的秋千摆动幅度越来越小，能量正在消失。（X）

（6）利用河水的能量使船逆水航行的设想，符合能量守恒定津。（J）

2.一定量的气体在某一过程中,外界对气体做了8X10'J的功，气体的内能减少了

1.2X10'J,则下列各式中正确的是（）

A.^=8X10*J,A^I^XIO5J,<2=4X10JJ

B.5-8X10'J,A^-1.2X105J,^=-2X105J

C."三一8X10'J,A6^=1.2X105J,匕2X10,J

D.»=-8X104J,A^-1.2X105J,4?=-4X10,J

解析：选B由题意知#'=3X10'J,AO.=-1.2X10'J,根据△仁什0,得g-2Xl（）5

J,故B正确。

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

解析：选CI）由热力学第二定律可知，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：热机的工作效率不可能达到100%,B错误：泥沙下沉，系统的重力势能减少，

没有违背热力学第二定律，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，没有违背热力学第二定律，D正确。

4.（多选）对于热力学第一定律和热力学第二定律的理解，下列说法正确的是（）

A.一定质量的气体膨胀对外做功100J,同时从外界吸收120J的热量，则它的内能增

大20J

B.物体从外界吸收热量，其内能一定增加；物体对外界做功，其内能一定减少

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.第二类永动机违反了热力学第二定律，没有违反热力学第一定律

解析：选AD根据热力学第一定律知人—份'+后一100J+120J=20J,故选项A正

确：根据热力学第一定律AU=W+Q,可知物体从外界吸收热量，其内能不一定增加，物体对

外界做功，其内能不一定减少，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；第二类永动机没有违反能量守怛定律，热力学第一定律

是能量转化和守恒定律在热学中的反映，因此第二类永动机没有违反热力学第一定律，不能

制成是因为它违反r热力学第二定律，故选项D正确。

NO.2课堂精析考点一提知能

考点一热力学第一定律

［典例］(2017•全国卷H)(多选)

如图，用隔板将一绝热汽缸分成两部分，隔板左侧充有理想气体，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

E.气体在被压缩的过程中，气体分子的平均动能不变

［解析］抽开隔板，气体自发扩散过程中，气体对外界不做功，与外界没有热交换，因

此气体的内能不变，A项正确，C项错误：气体在被压缩的过程中，外界对气体做功，D项正

确：由于气体与外界没有热交瑛，根据热力学第一定律可知，气体在被压缩的过程中内能增

大，因此气体的温度升高，气体分子的平均动能增大，B项正确，E项错误。

［答案］ABD

［规律方法］

1.对热力学第一定律的理解

(1)做功和热传递在改变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.热力学第一定律的三种特殊情况

(1)若过程是绝热的，则-0,#'=八〃，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=A6；物体吸收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/+<2=0,即物体吸收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。

［集训冲关］

1.汽缸中一定质量的理想气体内能增加了180J,下列说法中正确的是()

A.一定是外界对气体做了180J的功

B.一定是气体吸收了180J的热量

C.一定是气体分子总动能增加了180J

D.气体分子热运动的平均动能可能不变

解析：选C做功和热传递都可以改变物体的内能，气体的内能改变180J,其方式是不

确定的，因此A、B两项错误。理想气体的内能是所有分子动能的总和，总动能增加了，分子

数没变，平均动能一定增加，故D项错误，C项正确。

2.如图所示，容器46各有一个可以自由移动的轻活塞，活塞下面是水，上面是大气，

大气压恒定。力、4的底部由带阀门/的管道相连，整个装置与外界绝热。原先月中水面比〃

中的高.打开阀门•便/中的水逐渐向8中流动,最后达到平衡°在坟个过程中（）

A.大气压对水做正功，水的内能减少

B.水克服大气压做功，水的内能减少

C.大气压对水不做功，水的内能不变

【）.大气压对水不做功，水的内能增加

解析：选D打开阀门肌使4中的水逐渐流向“中，最后水面持平，力中水面下降九，R

中水面上升加，相当于4端S仇体积的水移到6端，且S血=2/加这部分水的重心降低，重

力对水做正功，重力势能减小了，大气压力做功情况是大气压对A容器中的水做正功，对B

容积中的水做负功。所以，大气压力对水做的总功为向一RSSQ,由于Sh=S曲”所以大

气压对水做的总功为零，乂由于系统绝热，与外界没有热交换，只有重力做功，重力势能转

化为内能，水的内能增加，故选项D正确。

3.（多选）下列说法正确的是（）

A.气体扩散现象表明气体分子间存在斥力

B.对于同一理想气体，温度越高，分子平均动能越大

C.热量总是自发地从分子平均动能大的物体传递到分子平均动能小的物体

D.用活塞压缩汽缸内的理想气体，对气体做了3.0X10'1的功，同时气体向外界放出

1.5X10sJ的热量,则气体内能增加了1.5X105J

解析：选BCD气体扩散现象表明气体分子在做无规则运动，选项A错误：由于温度是分

子平均动能的标志，故对于同一理想气体，温度越高，分子平均动能越大，选项B正确：分

子的平均动能大，则说明物体的温度高，热量总是自发地从高温物体传递到低温物体，选项C

正确；用活塞压缩汽缸内的理想气体，根据热力学第一定律，对气体做了3.0X10,J的功，

同时气体向外界放出1.5X1（/J的热量，则气体内能增加了1.5X105j,选项D正确。

考点二热力学第二定律

热力学第二定律的实质

自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性。如

⑴即如物体热量0不能自发地传给低温物体

（2）功不能自发地且不腐完全转化为热

能自发地膨胀到

气体体积“（较大）

（3）气体体积匕不能自发地收缩到

（4）不同气体力和4强且暨簪

混合气体AB

［典例］（202。•全国卷H）下列关于能量转换过程的叙述，违背热力学第一定律的由

，不违背热力学第一定律、但违背热力学第二定律的有o（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

［解析］汽车通过燃烧汽油获得动力并向空气中散热，既不违背热力学第一定律，也不

违背热力学第二定律：冷水倒入保温杯后，冷水和杯子的温度都变得更低，B诜项违背了热力

学第一定律；热机工作时吸收的热量不可能全部用来对外做功，而不产生其他影响，C选项不

违背热力学第一定律，但违背了热力学第二定律：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，既不违背热力学第一定律，也不违背热力学第二定律，综

上所述，第一个空选B,第二个空选C。

［答案］BC

［易错提醒］

热力学第二定律说明即使是符合能量守恒定律的过程，也未必都能发生，如扩散、热传

递、摩擦生热等过程均有不可逆性。

［集训冲关］

1.（多选）下列说法中正确的是（）

A.热量可以从低温物体传递到高温物体

B.科技的进步可以使内燃机成为单一热源的热机

C.能源危机指能量的过度消耗导致自然界的能量不断减少

D.功可以全部转化为热量，热量也可以全部转化为功

解析：选AD电冰箱可以使热星.从低温物体向高温物体传道，A正确；由热力学第二定

律知不可能有单一热源的热机，B错误：能量是守恒的，C错误：功可以全部转化为热量，根

据热力学第二定律可知，在外界的影响下，热量也可以全部转化为功，D正确。

2.（2021•郑州联考）（多选）下列说法正确的是（）

A.一定质量的理想气体放出热量，则分子平均动能一定减少

B.热力学第二定律是反映宏观自然过程的方向性的定律

C.根据热力学第二定律可知，热机的效率不可能达到100，

D.一定质量的理想气体膨胀时对外界做了功，它的内能可能减少

解析：选BCD根据热力学第•定律可知，一定质量的理想气体放出热量，Q

为负值，但若外界同时对气体做功，I为正，则其内能不一定减少，分子平均动能不一定减少，

选项A错误：一定质量的理想气体膨胀时对外界做功，/为负值，当什I—『时内能减小，

当。＞1一用时内能增大，当一用时内能不变，故它的内能可能减少，选项D正确；热力

学第二定律就是反映宏观自然过程的方向性的定律,选项B正涌：由热力学第二定律的开尔

文表述可知不可能从单一热库吸收热量，使之全部变为功，而不产生其他影响，所以热机的

效率不可能达到100乐选项C正确。

3.（2021•通化模拟）（多选）根据热学中的有关知识，判断下列说法中正确的是（）

A.机械能可以全部转化为内能，内能也可以全部用来做功转化成机械能

B.自发的热传递过程是向着分子热运动无序性增大的方向进行的

C.尽管技术不断进步，热机的效率仍不能达到100%,制冷机却可以使温度降到一293℃

D.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，随着科技的进

步和发展，第二类永动机可以被制造出来

解析：选AB机械能可以全部转化为内能，而内能也可以全部转化为机械能，只是在这

个过程中会引起其他变化，A正确：根据热力学第二定律可知，刍发的热传递过程是向着分子

热运动无序性增大的方向进行的，B正确；尽管科技不断进步，热机的效率仍不能达到100%,

制冷机也不能使温度降到一292C（低于绝对零度），C错误：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，但违背了热力学第二定律，第二类永动机不可能被制造

出来，D错误。

考点三气体实验定律与热力学定律的综合

求解气体实验定律与热力学定律的综合问题的通用思路

/一定成代的气体

确定研究

对象

汽缸、活塞、液柱等初庭ip1,匕,丁1

状态参收H末态:pzMZ

气体实险定律

初、末态之间发生的变化

两类分析

r|做功情况

热力学定律吸、放热情况

U内能变化情况］

选用规律气体的三个实验定律、理想气体伏态方程、

列方程求解热力学第一定秣

［典例］（2021年1月新高考8省联考・辽宁卷）某民航客现在一万米左右高空飞行时,

需利用空气压缩机来保持机舱内外气体压强之比为4：1。机舱内有一导热气缸，活塞质量加

=2kg、横截而枳S=10cm2,活塞与气缸壁之间密封良好且无摩擦。客机在地而静止时，气

缸如图(a)所示竖直放置，平衡时活塞与缸底相距人=8cm；客机在高度力处匀速飞行时，气

缸如图(b)所示水平放置，平衡时活塞与缸底相距；2=10emo气缸内气体可视为理想气体,

机舱内温度可认为不变。已知大气压强随高度的变化规律如图(c)所示，地面大气压强外=

1.0X105Pa,地面重力加速度g=10m/s2.

(1)判断气缸内气体由图(。状态到图(b)状态的过程是吸热本是放热，并说明原因；

(2)求高度上处的大气压弹.并根据图(c)估测出此时客机的飞行高度.

图(a)图(b)

［解析］(1)根据热力学第一定律有kU=W+Q,由于气体沐积膨胀，对外做功，而温度

不变，则内能保持不变，因此山图(。)状态到图(b)状态吸热。

(2)初态封闭气体的压强〃=0+£=1.2X105Pa

根据玻意耳定律有"MAQAS,解得.=0.96X105Pa

机舱内外气体压强之比为1：1，因此舱外气体压强=1A=0.24X105Pa

对应表可知飞行高度约为104mo

［答案］⑴吸热理由见解析(2)0.24X10$Pa10'm

［集训冲关］

1.(2021•山东新高考模拟)如图所示，水平放置的封闭绝热汽缸，被一锁定的绝热活塞

分为体积相等的外。两部分。已知a部分气体为1mol氧气，方部分气体为2mol氧气，两

部分气体温度相等，均可视为理想气体。解除锁定，活塞滑动一段距离后，两部分气体各自

再次达到平衡态时，它们的体积分别为匕、V,„温度分别为71、九下列说法正确的是()

A.匕＞%,T»TbB.K＞K,T＜Tb

C.匕〈九7X0D.匕＜匕，T)Tb

解析：选D解除锁定前，两部分气体温度相同，体积相同，由夕仁或T可知6部分压强

大，故活塞左移，平衡时匕＜匕，外=仍。活塞左移过程中，a气体被压缩内能增大，温度升高,

〃气体向外做功，内能减小，温度降低，平衡时。》九

2.(2020•全国卷川)(多选)如图，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，活塞与汽缸壁向无摩擦。现用外力作用在活塞上，使其缓慢卜降。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

解析：选BCD外力使活塞缓慢下降的过程中，由于温度保持不变，则气体的内能保持不

变，气体的体积逐渐减小，外界对气体做功，由热力学第一定律可知，气体向外界放出热量,