2022年高考物理總復習講義 第11章 第3講 熱力學定律與能量守恒

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1、2022年高考物理總復習講義 第11章 第3講 熱力學定律與能量守恒 1．改變物體內(nèi)能的兩種方式 (1)做功；(2)熱傳遞． 2．熱力學第一定律 (1)內(nèi)容：一個熱力學系統(tǒng)的內(nèi)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＝W＋Q中正、負號法則 物理量 意義 符號 W Q ΔU ＋ 外界對物體做功 物體吸收熱量 內(nèi)能增加 － 物體對外界做功 物體放出熱量 內(nèi)能減少 　(1)內(nèi)能的變化與做功和熱傳遞有關，只確定一個因素不能判斷內(nèi)能增加或減少． (2)應用熱力學第一定律，一定要弄清各物理量的符

2、號． 知識二　熱力學第二定律及微觀意義 1．熱力學第二定律的兩種表述 (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(chǎn)生其他影響．或表述為“第二類永動機是不可能制成的．” 2．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(填“增大”或“減小”)． 3．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． 知識三　能量守恒定律和兩類永動機 1．能量守恒定律 能量既不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或者從一個物體

3、轉(zhuǎn)移到別的物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中，能量的總量保持不變． 2．能源的利用 (1)存在能量耗散和品質(zhì)下降． (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(zhì)能、風能、水流能等)． 3．兩類永動機 (1)第一類永動機：不消耗任何能量，卻源源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：從單一熱源吸收熱量并把它全部用來對外做功，而不引起其他變化的機器． 違背熱力學第二定律，不可能實現(xiàn). 考點一　熱力學第一定律的理解和應用 一、在ΔU＝Q＋W中，W表示做功情況，說明內(nèi)能和其他形式的能可以相互轉(zhuǎn)化；Q表示吸熱或放熱的情

4、況，說明內(nèi)能可以從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體，而ΔU＝Q＋W是能量守恒定律的具體體現(xiàn)． 二、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(nèi)能的增加． 2．若過程中不做功，即W＝0，Q＝ΔU，物體吸收的熱量等于物體內(nèi)能的增加． 3．若過程的始、末狀態(tài)物體的內(nèi)能不變，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． ——————[1個示范例]—————— 　(xx·北京高考)下列說法正確的是(　　) A．液體中懸浮微粒的無規(guī)則運動稱為布朗運動 B．液體分子的無規(guī)則運動稱為布朗運動 C．物體從外界吸收熱量，其內(nèi)能一定增加

5、 D．物體對外界做功，其內(nèi)能一定減少 【解析】　布朗運動是顆粒的無規(guī)則運動，反映了液體分子的無規(guī)則運動，故A正確，B錯誤；根據(jù)熱力學第一定律ΔU＝W＋Q，物體從外界吸收熱量，其內(nèi)能不一定增加，物體對外界做功，其內(nèi)能也不一定減少，故C、D錯誤． 【答案】　A [備課記錄]　 ——————[1個預測例]—————— 　一定質(zhì)量的氣體，在從狀態(tài)1變化到狀態(tài)2的過程中，吸收熱量280 J，并對外做功120 J，試問： (1)這些氣體的內(nèi)能發(fā)生了怎樣的變化？ (2)如果這些氣體又返回原來的狀態(tài)，并放出了240 J熱量，那么在返回的過程中是氣體對外界做功，還是外界對氣體做功？做功多少？ 【

6、解析】　(1)由熱力學第一定律可得ΔU＝W＋Q＝－120 J＋280 J＝160 J，氣體的內(nèi)能增加了160 J. (2)由于氣體的內(nèi)能僅與狀態(tài)有關，所以氣體從狀態(tài)2回到狀態(tài)1的過程中內(nèi)能的變化應等于從狀態(tài)1到狀態(tài)2的過程中內(nèi)能的變化，則從狀態(tài)2到狀態(tài)1的內(nèi)能應減少160 J，即ΔU′＝－160 J，又Q′＝－240 J，根據(jù)熱力學第一定律得： ΔU′＝W′＋Q′，所以W′＝ΔU′－Q′＝－160 J－(－240 J)＝80 J，即外界對氣體做功80 J. 【答案】　(1)增加了160 J　(2)外界對氣體做功　80 J 考點二　熱力學第二定律的理解和應用 一、在熱力學第二定律的表述

7、中，“自發(fā)地”、“不產(chǎn)生其他影響”的含義 1．“自發(fā)地”指明了熱傳遞等熱力學宏觀現(xiàn)象的方向性，不需要借助外界提供能量的幫助． 2．“不產(chǎn)生其他影響”的含義是發(fā)生的熱力學宏觀過程只在本系統(tǒng)內(nèi)完成，對周圍環(huán)境不產(chǎn)生熱力學方面的影響．如吸熱、放熱、做功等． 二、熱力學第二定律的實質(zhì) 　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． 三、熱力學過程方向性實例 1．高溫物體低溫物體． 2．功熱． 3．氣體體積V1氣體體積V2(較大)． 4．不同氣體A和B混合氣體AB. ——————[1個示范例]———

8、——— 　如圖11－3－1所示中汽缸內(nèi)盛有定量的理想氣體，汽缸壁是導熱的，缸外環(huán)境保持恒溫，活塞與汽缸壁的接觸是光滑的，但不漏氣．現(xiàn)將活塞桿與外界連接，使其緩慢地向右移動，這樣氣體將等溫膨脹并通過桿對外做功．若已知理想氣體的內(nèi)能只與溫度有關，則下列說法正確的是(　　) 圖11－3－1 A．氣體是從單一熱源吸熱，全用來對外做功，因此此過程違反熱力學第二定律 B．氣體從單一熱源吸熱，但并未全用來對外做功，所以此過程不違反熱力學第二定律 C．氣體是從單一熱源吸熱，全用來對外做功，但此過程不違反熱力學第二定律 D．A、B、C三種說法都不對 【解析】　熱力學第二定律從機械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化過

9、程的方向性來描述是：不可能從單一熱源吸收熱量并把它全部用來做功，而不引起其他變化．本題中如果沒有外界的幫助，比如外力拉動活塞桿使活塞向右移動，使氣體膨脹對外做功，導致氣體溫度略微降低，是不可能從外界吸收熱量的，即這一過程雖然是氣體從單一熱源吸熱，全用來對外做功，但引起了其他變化，所以此過程不違反熱力學第二定律． 【答案】　C ——————[1個預測例]—————— 　(多選)(xx·新課標全國高考)關于熱力學定律，下列說法正確的是(　　) A．為了增加物體的內(nèi)能，必須對物體做功或向它傳遞熱量 B．對某物體做功，必定會使該物體的內(nèi)能增加 C．可以從單一熱源吸收熱量，使之完全變?yōu)楣?

10、D．不可能使熱量從低溫物體傳向高溫物體 E．功轉(zhuǎn)變?yōu)闊岬膶嶋H宏觀過程是不可逆過程 【解析】　根據(jù)熱力學第一定律ΔU＝Q＋W，A正確，B錯誤．根據(jù)熱力學第二定律，C、E正確，D錯誤． 【答案】　ACE 　考點三　熱力學定律與氣體實驗定律的綜合應用 ——————[1個示范例]—————— 　 圖11－3－2 (xx·山東高考)如圖11－3－2所示，粗細均勻、導熱良好、裝有適量水銀的U型管豎直放置，右端與大氣相通，左端封閉氣柱長l1＝20 cm(可視為理想氣體)，兩管中水銀面等高．現(xiàn)將右端與一低壓艙(未畫出)接通，穩(wěn)定后右管水銀面高出左管水銀面h＝10 cm.(環(huán)境溫度不變，大氣

11、壓強p0＝75 cmHg) (1)求穩(wěn)定后低壓艙內(nèi)的壓強(用“cmHg”作單位)． (2)此過程中左管內(nèi)的氣體對外界________(填“做正功”、“做負功”或“不做功”)，氣體將________(填“吸熱”或“放熱”)． 【解析】　(1)設U型管橫截面積為S，右端與大氣相通時左管中封閉氣體壓強為p1，右端與一低壓艙接通后，左管中封閉氣體的壓強為p2，氣柱長度為l2，穩(wěn)定后低壓艙內(nèi)的壓強為p.左管中封閉氣體發(fā)生等溫變化，根據(jù)玻意耳定律得 p1V1＝p2V2① p1＝p0② p2＝p＋ph③ V1＝l1S④ V2＝l2S⑤ 由幾何關系得h＝2(l2－l1)⑥ 聯(lián)立①②③④⑤⑥

12、式，代入數(shù)據(jù)得p＝50 cmHg.⑦ (2)左管內(nèi)氣體膨脹，氣體對外界做正功，溫度不變，ΔU＝0，根據(jù)熱力學第一定律，ΔU＝Q＋W且W＜0，所以Q＝－W＞0，氣體將吸熱． 【答案】　(1)50 cmHg　(2)做正功　吸熱 ——————[1個預測例]—————— 　如圖11－3－3，體積為V、內(nèi)壁光滑的圓柱形導熱汽缸頂部有一質(zhì)量和厚度均可忽略的活塞；汽缸內(nèi)密封有溫度為2.4T0、壓強為1.2p0的理想氣體，p0和T0 圖11－3－3 分別為大氣的壓強和溫度．已知：氣體內(nèi)能U與溫度T的關系為U＝αT，α為正的常量；容器內(nèi)氣體的所有變化過程都是緩慢的．求： (1)汽缸內(nèi)氣體與大氣

13、達到平衡時的體積V1； (2)在活塞下降過程中，汽缸內(nèi)氣體放出的熱量Q. 【解析】　(1)在氣體由p＝1.2p0下降到p0的過程中，氣體體積不變，溫度由T＝2.4T0變?yōu)門1， 由查理定律得＝ 在氣體溫度由T1變?yōu)門0的過程中，體積由V減小到V1，氣體壓強不變， 由蓋—呂薩克定律得＝，解得 (2)在活塞下降過程中，活塞對氣體做的功為 W＝p0(V－V1) 在這一過程中，氣體內(nèi)能的減少量為 ΔU＝α(T1－T0) 由熱力學第一定律得，汽缸內(nèi)氣體放出的熱量為 Q＝W＋ΔU， 解得Q＝p0V＋αT0 【答案】　(1)V　(2)p0V＋αT0 　(1)理想氣體無

14、分子勢能，只有分子動能，一定質(zhì)量的氣體，其內(nèi)能只取決于溫度，而與體積無關． (2)在氣體狀態(tài)變化過程中，三個狀態(tài)參量(p、V、T)遵循理想氣體狀態(tài)方程＝(或＝C常數(shù))，判斷氣體的內(nèi)能的變化只需分析氣體的溫度，溫度升高(或降低)，內(nèi)能增大(或減小)． (3)由氣體體積變化情況分析做功情況，氣體體積增大，氣體對外做功，氣體體積減小，外界對氣體做功．然后由熱力學第一定律ΔU＝Q＋W確定熱量Q的正、負，判斷出吸熱、放熱. 1．物體的內(nèi)能增加了20 J，下列說法中正確的是(　　) A．一定是外界對物體做了20 J的功 B．一定是物體吸收了20 J的熱量 C．一定是物體分子動能增加了20

15、J D．物體的分子平均動能可能不變 【解析】　做功和熱傳遞都可以改變物體內(nèi)能，物體內(nèi)能改變20 J，其方式是不確定的，因此A、B錯誤．而物體內(nèi)能包括所有分子的平均動能和勢能，內(nèi)能由分子數(shù)、分子平均動能、勢能三者決定，因此答案C錯誤．物體內(nèi)能增加20 J溫度可能不變，故平均動能可能不變，D正確． 【答案】　D 2．(多選)關于第二類永動機，下列說法正確的是(　　) A．沒有冷凝器，只有單一的熱源，能將從單一熱源吸收的熱量全部用來做功，而不引起其他變化的熱機叫做第二類永動機 B．第二類永動機違反了能量守恒定律，所以不可能制成 C．第二類永動機不可能制成，說明機械能可以全

16、部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，內(nèi)能卻不可能全部轉(zhuǎn)化為機械能 D．第二類永動機不可能制成，說明機械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，內(nèi)能卻不可能全部轉(zhuǎn)化為機械能，同時不引起其他變化 【解析】　根據(jù)第二類永動機的定義可知A選項正確，第二類永動機不違反能量守恒定律，而是違反熱力學第二定律，所以B選項錯誤．機械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，內(nèi)能在引起其他變化時可能全部轉(zhuǎn)化為機械能，C選項錯誤，D選項正確． 【答案】　AD 3．若一氣泡從湖底上升到湖面的過程中溫度保持不變，則在此過程中關于氣泡中的氣體，下列說法中正確的是(　　) A．氣體分子間的作用力增大 B．氣體分子的平均速率增大 C．氣體分子的平均動能減小 D．氣體

17、組成的系統(tǒng)的熵增加 【解析】　考慮氣體分子間作用力時，若分子力是引力，分子間距從r0增大，則分子力先增大后減小，A錯誤．氣泡上升過程中溫度不變，分子平均動能不變，分子平均速率也不變，B、C錯誤．氣泡上升過程中體積膨脹，分子勢能增加，內(nèi)能增大，而對外做功，故氣體一定吸收熱量，又因為溫度不變，故其熵必增加，D正確． 【答案】　D 4．(xx·福建高考)一定量的理想氣體在某一過程中，從外界吸收熱量2.5×104 J，氣體對外界做功1.0×104 J，則該理想氣體的(　　) A．溫度降低，密度增大　　　B．溫度降低，密度減小 C．溫度升高，密度增大 D．溫度升高，密度減小 【解析】　由Δ

18、U＝W＋Q可得理想氣體內(nèi)能變化ΔU＝－1.0×104 J＋2.5×104 J＝1.5×104 J>0，故溫度升高，A、B兩項均錯．因為氣體對外做功，所以氣體一定膨脹，體積變大，由ρ＝可知密度變小，故C項錯誤，D項正確． 【答案】　D 5．如圖11－3－4是密閉的汽缸，外力推動活塞P壓縮氣體，對缸內(nèi)氣體做功800 J，若同時氣體向外界放熱200 J，缸內(nèi)氣體的(　　) 圖11－3－4 A．溫度升高，內(nèi)能增加600 J B．溫度升高，內(nèi)能減少200 J C．溫度降低，內(nèi)能增加600 J D．溫度降低，內(nèi)能減少200 J 【解析】　對一定質(zhì)量的氣體，由熱力學第一定律ΔU＝W＋Q可

19、知，ΔU＝800 J＋(－200 J)＝600 J，ΔU為正表示內(nèi)能增加了600 J，對氣體來說，分子間距較大，分子勢能為零，內(nèi)能等于所有分子動能的和，內(nèi)能增加，氣體分子的平均動能增加，溫度升高，選項A正確． 【答案】　A 6．(多選)(xx·大綱全國高考)關于一定量的氣體，下列敘述正確的是(　　) A．氣體吸收的熱量可以完全轉(zhuǎn)化為功 B．氣體體積增大時，其內(nèi)能一定減少 C．氣體從外界吸收熱量，其內(nèi)能一定增加 D．外界對氣體做功，氣體內(nèi)能可能減少 【解析】　由熱力學第二定律知吸收的熱不能自發(fā)地全部轉(zhuǎn)化為功，但通過其他方法可以全部轉(zhuǎn)化為功，故A正確；氣體體積增大，對外做功，若同時伴

20、隨有吸熱，其內(nèi)能不一定減少，B錯誤；氣體從外界吸熱，若同時伴隨有做功，其內(nèi)能不一定增加，C錯誤；外界對氣體做功，同時氣體放熱，其內(nèi)能可能減少，D正確． 【答案】　AD 7．(xx·山東高考)下列關于熱現(xiàn)象的描述正確的一項是(　　) A．根據(jù)熱力學定律，熱機的效率可以達到100% B．做功和熱傳遞都是通過能量轉(zhuǎn)化的方式改變系統(tǒng)內(nèi)能的 C．溫度是描述熱運動的物理量，一個系統(tǒng)與另一個系統(tǒng)達到熱平衡時兩系統(tǒng)溫度相同 D．物體由大量分子組成，其單個分子的運動是無規(guī)則的，大量分子的運動也是無規(guī)律的 【解析】　根據(jù)熱力學第二定律可知，熱機不可能從單一熱源吸收熱量全部用來做功而不引起其他變化，因

21、此，熱機的效率不可能達到100%，選項A錯誤；做功是通過能量的轉(zhuǎn)化改變系統(tǒng)的內(nèi)能，熱傳遞是通過能量轉(zhuǎn)移改變系統(tǒng)的內(nèi)能，選項B錯誤；溫度是表示熱運動的物理量，熱傳遞過程中達到熱平衡時，溫度相同，選項C正確；單個分子的運動是無規(guī)則的，大量分子的運動表現(xiàn)出統(tǒng)計規(guī)律，選項D錯誤． 【答案】　C 8．(xx·廣東高考)景頗族的祖先發(fā)明的點火器如圖11－3－5所示，用牛角做套筒，木制推桿前端粘著艾絨，猛推推桿，艾絨即可點燃．對筒內(nèi)封閉的氣體，在此壓縮過程中(　　) 圖11－3－5 A．氣體溫度升高，壓強不變 B．氣體溫度升高，壓強變大 C．氣體對外界做正功，氣體內(nèi)能增加 D．外界對氣體做

22、正功，氣體內(nèi)能減少 【解析】　筒內(nèi)封閉氣體被壓縮過程中，外界對氣體做正功．由熱力學第一定律ΔU＝W＋Q知，氣體內(nèi)能增加，溫度升高．由理想氣體狀態(tài)方程＝C知，氣體壓強增大．選項A、C、D錯誤，選項B正確． 【答案】　B 9．(多選)(xx·新課標全國卷Ⅱ)關于一定量的氣體，下列說法正確的是(　　) A．氣體的體積指的是該氣體的分子所能到達的空間的體積，而不是該氣體所有分子體積之和 B．只要能減弱氣體分子熱運動的劇烈程度，氣體的溫度就可以降低 C．在完全失重的情況下，氣體對容器壁的壓強為零 D．氣體從外界吸收熱量，其內(nèi)能一定增加 E．氣體在等壓膨脹過程中溫度一定升高 【解析】　氣

23、體的體積指的是該氣體的分子所能到達的空間的體積，因為氣體分子之間有很大的空隙，不是所有分子體積之和，選項A正確；溫度是大量氣體分子平均動能的標志，反映了物體內(nèi)分子熱運動的劇烈程度，選項B正確；氣體壓強是大量分子無規(guī)則熱運動對器壁的碰撞產(chǎn)生的，與失重無關，選項C錯誤；氣體從外界吸收熱量，如果氣體對外做功，其內(nèi)能可能減小，選項D錯誤；根據(jù)pV/T＝常量可知，在等壓膨脹過程中，溫度一定升高，選項E正確． 【答案】　ABE 10．如圖11－3－6所示，A、B兩個汽缸中裝有體積均為10 L、壓強均為1 atm(標準大氣壓)、溫度均為27 ℃的空氣，中間用細管連接，細管容積不計．細管中有一絕熱活

24、塞，現(xiàn)將B汽缸中的氣體升溫到127 ℃，若要使細管中的活塞仍停在原位置．(不計摩擦，A汽缸中的氣體溫度保持不變，A汽缸截面積為500 cm2) 圖11－3－6 (1)求A中活塞應向右移動的距離； (2)A中氣體是吸熱還是放熱，為什么？ 【解析】　(1)對B：由＝得 p′B＝pB＝pB＝pB 對A：由pAVA＝p′AV′A　得V′A＝ 且：pA＝PB，p′A＝p′B　解得：V′A＝VA 所以Δl＝＝5 cm. (2)放熱，在向右推活塞過程中，A中氣體溫度不變，氣體內(nèi)能不變；體積減小，外界對氣體做功，由熱力學第一定律ΔU＝W＋Q可知氣體應放熱． 【答案】　(1)5 cm　(2)見解析