(新高考)高考物理一轮复习教案第14章第3讲《热力学定律与能量守恒定律》(含详解)

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第3讲　热力学定律与能量守恒定律



知识点　　热力学第一定律　Ⅰ
1．改变物体内能的两种方式
(1)做功；
(2)传热。
2．热力学第一定律
(1)内容
一个热力学系统的内能变化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)ΔU＝Q＋W中物理量正、负号的意义

物理量
意义
符号
W
Q
ΔU
＋
外界对系统做功
系统吸收热量
内能增加
－
系统对外界做功
系统放出热量
内能减少
(4)ΔU＝Q＋W的三种特殊情况
①若过程是绝热的，则Q＝0，W＝ΔU，外界对系统做的功等于系统内能的增加。
②若外界对系统做功为0，即W＝0，则Q＝ΔU，系统吸收的热量等于系统内能的增加。此处的W包含机械功、电流功等一切功。对于不涉及其他力做功的气体的等容过程，W＝0，Q＝ΔU。
③对于理想气体，若过程是等温的，即ΔU＝0，则W＋Q＝0或W＝－Q，外界对气体做的功等于气体放出的热量。
知识点　　能量守恒定律　Ⅰ
1．能量守恒定律的内容：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中，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，例如，机械能守恒定律具有适用条件，而能量守恒定律是无条件的，是一切自然现象都遵守的基本规律。
3．第一类永动机
不需要任何动力或燃料，却能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。
知识点　　热力学第二定律　Ⅰ
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。”
3．用熵的概念表示热力学第二定律
在自发过程中，系统总是自发地向无序方向发展，即一个孤立系统的熵值总是不减少的。(熵增加原理)
4．第二类永动机
从单一热库吸收热量并把它全部用来对外做功，而不产生其他影响的机器。
违背热力学第二定律，不可能实现。
5．能源的利用
(1)存在能量耗散和品质降低。
(2)重视利用能源时对环境的影响。
(3)要开发新能源(如太阳能、生物质能、风能、水能等)。

一 堵点疏通
1．做功和传热的实质是相同的。(　　)
2．绝热过程中，外界压缩气体做功20 J，气体的内能一定减少20 J。(　　)
3．根据热力学第二定律可知，凡与热现象有关的宏观过程都具有方向性，在热传导中热量只能自发地从高温物体传递给低温物体，而不能自发地从低温物体传递给高温物体。(　　)
4．熵增加原理说明一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行。(　　)
5．随着技术不断进步，热机的效率可能达到100%。(　　)
6．对能源的过度消耗将使自然界的能量不断减少，形成能源危机。(　　)
7．在给自行车打气时，会发现打气筒的温度升高，这是因为外界对气体做功。(　　)
8．自由摆动的秋千摆动幅度越来越小，能量正在消失。(　　)
9．利用河水的能量使船逆水航行的设想，符合能量守恒定律。(　　)
10．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。(　　)
答案　1.×　2.×　3.√　4.√　5.×　6.×　7.√
8．×　9.√　10.×
二 对点激活
1．(人教版选择性必修第三册·P53·T1改编)用活塞压缩汽缸里的空气，对空气做了900 J的功，同时汽缸向外散热210 J，汽缸里空气的内能(　　)
A．增加了1100 J B.减少了1100 J
C．增加了690 J D.减少了690 J
答案　C
解析　由热力学第一定律ΔU＝W＋Q，得ΔU＝900 J－210 J＝690 J，即内能增加690 J，C正确。
2．(人教版选择性必修第三册·P63·T2改编)(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
答案　CD
解析　热量只会自发地从高温物体传到低温物体，而不会自发地从低温物体传到高温物体，故A错误；机械能可以完全转化为内能，而内能却不能完全转化为机械能，故B错误；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、水自动分离是因为泥沙的密度大于水，故可以分离，C正确；电冰箱通电后由于压缩机做功从而将箱内低温物体的热量传到箱外的高温物体，故D正确。
3. (多选)如图，一定质量的理想气体从状态a出发，经过等容变化过程ab到达状态b，再经过等温变化过程bc到达状态c，最后经等压变化过程ca回到状态a。下列说法正确的是(　　)

A．在过程ab中气体的内能增加
B．在过程ca中外界对气体做功
C．在过程bc中气体从外界吸收热量
D．在过程ca中气体从外界吸收热量
答案　ABC
解析　从a到b等容升压，根据＝C可知温度升高，一定质量的理想气体内能决定于气体的温度，温度升高，则内能增加，A正确；在过程ca中压强不变，体积减小，所以外界对气体做功，B正确；在等温变化过程bc中，气体膨胀对外做功，而气体的温度不变，则内能不变，根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q可知，气体从外界吸收热量，C正确；在过程ca中压强不变，体积减小，所以外界对气体做功，根据＝C可知温度降低，则内能减小，根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，可知气体一定向外界放出热量，D错误。
4．地球上有很多的海水，它的总质量约为1.4×1018吨，如果这些海水的温度降低0.1 ℃，将要放出5.8×1023焦耳的热量，有人曾设想将海水放出的热量完全变成机械能来解决能源危机，但这种机器是不能制成的，其原因是(　　)
A．内能不能转化成机械能
B．内能转化成机械能不满足热力学第一定律
C．只从单一热库吸收热量并完全转化成机械能而不产生其他影响的机器不满足热力学第二定律
D．上述三种原因都不正确
答案　C
解析　内能可以转化成机械能，如热机，A错误；内能转化成机械能的过程满足热力学第一定律，B错误；热力学第二定律告诉我们：不可能从单一热库吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化，C正确，D错误。



考点 1　　热力学第一定律
改变内能的两种方式的比较
方式名称比较项目
做功
传热
区别
内能变化情况
外界对系统做功，系统的内能增加；系统对外界做功，系统的内能减少
系统吸收热量，内能增加；系统放出热量，内能减少
从能量的角度看
做功是其他形式的能与内能相互转化的过程
不同系统间或同一系统不同部分之间内能的转移
能的性质变化情况
能的性质发生了变化
能的性质不变
相互联系
做一定量的功或传递一定量的热量在改变内能的效果上是相同的
例1　(2020·山西省长治市3月线上测试改编)(多选)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(气体与外界无热量交换)。这就是著名的“卡诺循环”。该循环过程中，下列说法正确的是(　　)

A．A→B过程中，气体对外界做功
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．C→D过程中，气体放热
(1)B→C为绝热过程，体积变大，对外做功，则温度如何变化？
提示：内能减少温度降低。
(2)C→D为等温过程，体积减小，压强如何变化？
提示：增大。
尝试解答　选ACD。
A→B过程中，温度不变，体积增大，气体对外界做功，故A正确；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，压强增大，分子平均速率不变，则单位时间内碰撞单位面积器壁的分子数增多，故C正确；C→D过程中，气体内能不变，体积减小，外界对气体做功，则气体放热，故D正确。

应用热力学第一定律的三点注意
(1)做功情况看气体的体积：体积增大，气体对外做功，W为负；体积减小，外界对气体做功，W为正。
(2)与外界绝热，则不与外界发生热传递，此时Q＝0。
(3)如果研究对象是理想气体，由于理想气体没有分子势能，所以当它的内能变化时，体现为分子平均动能的变化，从宏观上看就是温度发生了变化。
[变式1－1]　 (2020·山东省泰安三模)如图所示，开口竖直向上的薄壁绝热汽缸内壁光滑，缸内下部装有电热丝，一定质量的理想气体被一绝热活塞封闭在汽缸内，活塞与汽缸壁紧密接触。现通过电热丝对缸内气体缓慢加热，则该过程中(　　)

A．气体的压强增大
B．气体的内能增大
C．气体分子热运动的平均动能可能减小
D．气体对外界做的功等于气体吸收的热量
答案　B
解析　电热丝对缸内气体缓慢加热过程中，因外界的大气压没变，汽缸内气体压强不变，气体的温度升高，内能增大，A错误，B正确；汽缸内气体温度升高，分子热运动的平均动能增大，C错误；在缸内封闭的是一定质量的理想气体，温度升高，内能增加，即ΔU>0，体积增大，对外做功，即W0，根据ΔU＝W＋Q，可知气体对外界做的功小于气体吸收的热量，D错误。
[变式1－2]　(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减少
B．气体在被压缩的过程中内能增大
C．在自发扩散过程中，气体对外界没做功
D．气体在被压缩过程中，气体分子的平均动能变大
答案　BCD
解析　气体向真空自发扩散过程，对外界不做功，且没有传热，气体的内能不变，则C正确，A错误；气体在被压缩的过程中，外界对气体做正功，因汽缸绝热，故气体内能增大，故B正确；气体在被压缩的过程中内能增加，而理想气体无分子势能，故气体分子的平均动能增大，D正确。
考点 2　　热力学第二定律
1.热力学第一、第二定律的比较
　 　定律名称
比较项目
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
指出一切与热现象有关的宏观自然过程都有特定的方向性
机械能和内能的转化
通过做功机械能与内能互相转化
内能不可能在不引起其他变化的情况下完全转化为机械能
热量的传递
内能的变化量等于外界做的功与吸收的热量之和
说明热量不能自发地从低温物体传向高温物体
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
2．两类永动机的比较
分类
第一类永动机
第二类永动机
设计要求
不需要任何动力或燃料，却能不断地对外做功的机器
从单一热库吸收热量，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
违背能量守恒定律
不违背能量守恒定律，违背热力学第二定律
例2　(2020·天津部分区高三第一学期期中)下列说法正确的是(　　)
A．热量不可能从低温物体传到高温物体
B．热量不可能自发地从低温物体传到高温物体
C．自然界中的一切宏观过程都是具有可逆性的
D．第二类永动机不违背能量守恒定律，可以制成
(1)热量可以自发地从低温物体传向高温物体吗？
提示：不可以。
(2)第二类永动机不可能制成是违背了能量守恒定律还是热力学第二定律？
提示：热力学第二定律。
尝试解答　选B。
根据热力学第二定律可知，不可能把热量从低温物体传到高温物体而不产生其他影响，即热量不可能自发地从低温物体传到高温物体，故A错误，B正确；根据热力学第二定律，一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的，故C错误；第二类永动机没有违背能量守恒定律，但违背了热力学第二定律，不可能制成，故D错误。

对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”的涵义：
①“自发地”指不需要借助外界提供能量的帮助，指明了传热等热力学宏观现象的方向性；
②“不产生其他影响”的涵义是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：
自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性。如：
①高温物体低温物体。
②功热。
③气体体积V1气体体积V2(较大)。
④不同气体A和B混合气体AB。
[变式2－1]　(2020·辽宁省锦州市一模改编)(多选)对于热力学定律，下列说法正确的是(　　)
A．第一类永动机不可能实现，因为违背了能量守恒定律
B．热力学第一定律指出，不可能达到绝对零度
C．热力学第一定律指出，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功的和
D．热力学第二定律指出，不能从单一热源吸热全部用来对外做功而不产生其他影响
答案　ACD
解析　第一类永动机既不消耗能量又能源源不断对外做功，违背了能量守恒定律，所以不可能制成，故A正确；热力学第一定律没有指出是否能达到绝对零度，故B错误；据热力学第一定律ΔU＝Q＋W可知，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，故C正确；热力学第二定律指出，不能从单一热源吸热全部用来对外做功而不产生其他影响，故D正确。
[变式2－2]　(多选)关于热力学定律，下列说法正确的是(　　)
A．科技的进步使得人类有可能生产出从单一热源吸热全部用来对外做功而不引起其他变化的热机
B．物体对外做功，其内能一定减少
C．气体向真空膨胀时虽然不对外做功，但系统的熵是增加的
D．制冷设备实现从低温热源处吸热，并在高温热源处放热，没有违反热力学第二定律
答案　CD
解析　根据热力学第二定律，不可能从单一热源吸热全部用来对外做功而不引起其他变化，故A错误；根据热力学第一定律，物体对外做功，若同时物体吸热，则其内能不一定减少，故B错误；熵是物体内分子运动无序程度的量度，气体向真空膨胀时虽然不对外做功，但系统的熵是增加的，故C正确；制冷设备实现从低温热源处吸热，并在高温热源处放热，同时引起其他变化，例如消耗一定的电能，因此没有违反热力学第二定律，故D正确。
考点 3　　气体实验定律与热力学第一定律的综合应用
解答此类问题的基本流程

　例3　(2020·江西省上饶市三模)一定质量的理想气体，由状态a经状态b、状态c又回到状态a，其体积V随温度T的变化图像如图所示。已知该气体在状态a时温度为T0、压强为p0、体积为V0，在状态b时温度为T0、体积为2V0，在状态c时体积为2V0，(其中T0＝300 K、压强p0＝1.0×105 Pa、体积V0＝1.0 L)求：

(1)状态c的温度Tc为多少？
(2)若由状态b到状态c气体吸收的热量为Q＝100 J，则由状态c到状态a气体放出的热量Q′为多少？
(1)状态c的压强能确定吗？
提示：能，pc＝pa＝p0。
(2)气体由状态a经状态b、状态c又回到状态a，整个过程内能不变，由a到b内能也不变，那么由b到c和由c到a的内能改变有什么关系？
提示：ΔUbc＝－ΔUca。
尝试解答　(1)600_K__(2)200_J
(1)因气体由状态c到a对应的V­T图像为过原点的直线，故发生的是等压变化，即pa＝pc＝p0
由c到a，根据盖—吕萨克定律有＝，代入数据得Tc＝600 K。
(2)气体由状态b到状态c为等容变化，吸收的热量等于增加的内能，即ΔUbc＝Q
气体由状态c到a，温度降低，内能减小，体积减小，外界对气体做功，则气体对外放出热量Q′，根据热力学第一定律有ΔUca＝p0(Vc－V0)－Q′
气体在状态b与状态a的温度相等，内能相同，有ΔUbc＝－ΔUca，即Q′＝Q＋p0V0
代入数据解得Q′＝200 J。

气体实验定律与热力学定律的综合问题的处理方法
(1)气体实验定律的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)做功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。
[变式3－1]　一定质量的理想气体从状态A变化到状态B再变化到状态C，其状态变化过程的p－V图像如图所示。已知该气体在状态C时的温度为300 K。则：

(1)该气体在状态A、B时的温度分别为多少？
(2)该气体从状态A到状态B是吸热还是放热？请说明理由。
答案　(1)TA＝450 K(或tA＝177 ℃)　TB＝300 K(或tB＝27 ℃)　(2)放热，理由见解析
解析　(1)B到C过程，由理想气体状态方程知＝
解得TB＝TC＝300 K(或tB＝27 ℃)。
又A到B为等容过程，有＝
解得TA＝450 K(或tA＝177 ℃)。
(2)根据题图可知，从A到B气体体积不变，
故外界对气体做功W＝0
由TA>TB可知，内能变化ΔU