新高考物理一轮复习专题15.3　热力学定律与能量守恒定律 精品讲义（含解析）

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专题15.3　热力学定律与能量守恒定律【讲】【讲核心素养】物理观念：理想气体。知道理想气体的概念并且知道一定质量的理想气体的内能只与温度有关.科学思维：理想气体状态方程、热力学定律1.理解热力学第一定律，知道改变内能的两种方式，并能用热力学第一定律解决相关问题.2.理解热力学第二定律，知道热现象的方向性.3.知道第一类永动机和第二类永动机不可能实现.科学态度：热机在生产、生活中的应用。【讲考点题型】【知识点一】热力学第一定律与能量守恒定律1.热力学第一定律的理解(1)内能的变化都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，外界对气体做功，W为正。(3)与外界绝热，则不发生热传递，此时Q＝0。(4)如果研究对象是理想气体，因理想气体忽略分子势能，所以当它的内能变化时，主要体现在分子动能的变化上，从宏观上看就是温度发生了变化。2.三种特殊情况(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，即W＝0，则Q＝ΔU，物体吸收的热量等于物体内能的增加。(3)若过程的初、末状态物体的内能不变，即ΔU＝0，则W＋Q＝0或W＝－Q，外界对物体做的功等于物体放出的热量。【例1】（2022·天津·三模）如图所示，一定质量的理想气体，由状态a经过ab过程到达状态b，再经过bc过程到达状态c，然后经过ca过程回到状态a．设气体在状态a、状态b和状态c的温度分别为、和，下列说法正确的是（　　）A．Tb>Tc，整个过程吸收热量 B．Tb>Tc，整个过程放出热量C．Ta=Tc，整个过程吸收热量 D．Ta=Tc，整个过程放出热量【答案】  D【解析】从a到b是等容变化，由查理定律得解得从b到c是等压变化，由盖吕萨克定律得解得由此可知由状态a到b经过c再回到a，可知内能不变，根据p-V图线与坐标轴所围的面积表示功，可知由b到c气体对外做功W1=-pV0由c到a外界对气体做功由此可知外界对气体为根据热力学第一定律ΔU=Q+W可知整个过程放出热量，故D正确，ABC错误。【素养升华】本题考察的学科素养主要是物理观念。【变式训练1】（2022·山东·沂水县第一中学高三开学考试）一定质量的理想气体状态变化如图所示，其中p1=3p2，V2=4V1，状态1、2对应的温度分别为T1、T2，由状态1变化到状态2（气体外界非真空）的过程中，下列说法正确的是（　　）A．气体对外做功，温度降低B．气体分子热运动的平均动能不变C．气体内能增加，一定从外界吸收热量D．在单位时间内，器壁单位面积上受分子撞击的次数增多【答案】  C【解析】ABC．根据理想气体状态方程，可得可得说明从状态1变化到状态2，气体温度升高，分子平均动能增加，气体内能增加（），气体体积变大说明气体对外做功（），根据热力学第一定律可知，由于内能增加，说明气体从外界吸收热量（），故AB错误，C正确；D．分子平均动能增加，分子撞击器壁的力增大，由于气体压强减小，故可得器壁上单位面积上在单位时间内受分子撞击的次数减少，故D错误。故选C。【技巧总结】应用热力学第一定律的三点注意(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)由于理想气体没有分子势能，所以当它的内能变化时，体现在分子动能的变化上，从宏观上看就是温度发生的变化。【知识点二】热力学第一定律与图像的综合应用1.气体的状态变化可由图象直接判断或结合理想气体状态方程＝C分析.2.气体的做功情况、内能变化及吸放热关系可由热力学第一定律分析.(1)由体积变化分析气体做功的情况：体积膨胀，气体对外做功；气体被压缩，外界对气体做功.(2)由温度变化判断气体内能变化：温度升高，气体内能增大；温度降低，气体内能减小.(3)由热力学第一定律ΔU＝W＋Q判断气体是吸热还是放热.【例2】（多选）（2022·安徽·滁州市第四中学三模）一定量的理想气体从状态a经状态b变化到状态c，其过程如图上的两条线段所示，则气体在（　　）A．状态a处的压强大于状态c处的压强B．由a变化到b的过程中，气体对外做功C．由b变化到c的过程中，气体的压强不变D．由a变化到b的过程中，气体从外界吸热E．由a变化到b的过程中，从外界吸收的热量等于其增加的内能【答案】  ABD【解析】AC．根据理想气体状态方程可知即图像的斜率为，故有故A正确，C错误；B．理想气体由a变化到b的过程中，因体积增大，则气体对外做功，故B正确；DE．理想气体由a变化到b的过程中，温度升高，则内能增大，由热力学第一定律有而，，则有可得，即气体从外界吸热，且从外界吸收的热量大于其增加的内能，故D正确，E错误；故选ABD。【素养升华】本题考察的学科素养主要是物理观念与科学思维。【变式训练2】（多选）（2022·全国·模拟预测）一定质量的理想气体经历的状态变化过程，变化过程中气体的图像如图所示，气体在状态A时的温度为。若该部分理想气体所具有的内能与气体温度的关系为，则下列说法正确的是（　　）A．在状态C时该部分理想气体的内能为B．气体在状态B、C时的温度之比为C．过程气体对外界做的功为90JD．过程中气体从外界吸收的热量为E．过程中气体发生等温变化【答案】  ADE【解析】A．对该部分气体，由理想气体状态方程有可得在状态C时，气体的温度为则在状态C时该部分理想气体的内能为故A项正确；B．对状态B、C有解得故B项错误；C．结合题图分析可知过程气体对外界做的功故C项错误；D．同理可得过程气体对外界做的功气体在状态B时的内能为气体在状态A时的内能为由热力学第一定律可得，过程气体从外界吸收的热量为故D项正确；E．结合理想气体状态方程可知过程中气体温度不变，故E项正确。故选ADE。【方法技巧】判断理想气体内能变化的两种方法(1)一定质量的理想气体，内能的变化完全由温度变化决定，温度升高，内能增大。(2)若吸、放热和做功情况已知，可由热力学第一定律ΔU＝W＋Q来确定。【知识点三】热力学第二定律的理解1.热力学第二定律的两种表述(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.热力学第二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度增大的方向进行.3.第二类永动机不可能制成的原因是违背了热力学第二定律.【例3】（多选）（2022·四川成都·三模）下列说法正确的是（　　）A．温度升高，分子热运动的平均动能增大，但并非所有分子的速率都增大B．100℃的水变成100℃的水蒸气的过程中，分子势能将增大C．气体很容易充满整个容器，这是分子间存在斥力的宏观表现D．有规则外形的物体是晶体，没有确定几何外形的物体是非晶体E．热量不可能自发地从低温物体传到高温物体【答案】  ABE【解析】A．温度升高，分子热运动的平均动能增大，但并非所有分子的速率都增大，故A正确；B．100℃的水变成100℃的水蒸气的过程中，吸收热量，内能增大，分子平均动能不变，分子势能将增大，故B正确；C．气体很容易充满整个容器，这是分子不停做无规则运动的结果，故C错误；D．晶体和非晶体的区别是否具有熔点．单晶体具有规则的几何外形，而多晶体和非晶体没有规则的天然外形，注意“天然”二字，没有确定几何外形的物体不一定是非晶体，故D错误；E．由热力学第二定律可知：热量不可能自发地从低温物体传到高温物体，故E正确。故选ABE。【素养升华】本题考察的学科素养主要是科学思维与物理观念。【变式训练3】（2022·山东日照·三模）下列说法正确的是（　　）A．物体放出热量，其内能一定减小B．物体吸收热量，分子的平均动能一定增大C．第二类永动机没有违反能量守恒定律D．空调既能制热又能制冷，说明自发条件下热传递可以逆向【答案】  C【解析】A．由热力学第一定律知，物体放出热量的同时如果外界对物体做功，物体内能可能增大或不变，A错误；B．由热力学第一定律知，物体吸热的同时如果在对外做功，内能可能减小，则分子平均动能减小，B错误；C．第二类永动机没有违反能量守恒定律，C正确；D．根据热力学第二定律可知，热量能够自发地从高温物体传递到低温物体，但不能自发地从低温物体传递到高温物体，在有外界做功的条件热传递可以逆向，D错误。故选C。【知识总结】1．对热力学第二定律关键词的理解在热力学第二定律的表述中，“自发地”“不产生其他影响”的含义。(1)“自发地”指明了热传递等热力学宏观现象的方向性，不需要借助外界提供能量的帮助。(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3．两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源吸收热量，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 【知识点四】热力学定律与气体实验定律的综合问题1.热力学定律与气体实验定律问题的处理方法(1)气体实验定律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,找出与之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)就要做功,如果是等压变化,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。2.与理想气体相关的热力学问题的分析方法对一定量理想气体的内能变化,吸热还是放热及外界对气体如何做功等问题,可按下面方法判定:(1)做功情况看体积体积V减小→外界对气体做功→W>0;体积V增大→气体对外界做功→W<0;无阻碍地自由膨胀→W=0。(2)内能变化看温度温度T升高→内能增加→ΔU>0;温度T降低→内能减少→ΔU<0。(3)吸热还是放热,一般题目中会告知,或由热力学第一定律ΔU=Q+W,知道W和ΔU后确定Q。【例4】（2022·江西宜春·模拟预测）如图所示，长方形容器体积为V0＝3L，右上方有一开口与外界相连，活塞将导热容器分成左、右两部分，外界温度为27℃时，左、右体积比为1：2。当外界温度缓慢上升，活塞就会缓慢移动。设大气压强为p0＝1.0×105Pa，且保持不变，不计活塞与容器间的摩擦，求：（1）活塞刚好移动到容器的正中央时，外界的温度；（2）活塞移动到容器正中央的过程中，若左侧容器中气体的内能增加，左边容器内气体吸收的热量。【答案】  （1）450K；（2）60J【解析】（1）活塞缓慢移动过程中，两侧气体压强相等，因为右侧气体压强始终等于大气压强，故左侧气体经历等压变化，初始状态末状态由盖—吕萨克定律可得解得外界的温度为（2）活塞移动到容器正中央的过程中，左边容器中气体对外做功，故右侧气体对活塞做功为由热力学第一定律可得【素养升华】本题考察的学科素养主要是科学思维与物理观念。【变式训练4】（2022·辽宁·高三开学考试）如图所示，一定质量的理想气体从状态A变化到状态B，AB的反向延长线过原点。已知气体在状态A时的压强。气体从状态A变化到状态B的过程中吸收的热量，求：（1）气体在状态B时的体积VB；（2）在气体从状态A变化到状态B的过程中，气体内能的增量ΔU。【答案】  （1）；（2）【解析】（1）气体从A状态变化到B状态的过程中做等压变化，有根据图像解得（2）气体对外界做的功为根据热力学第一定律，在气体从状态A变化到状态B的过程中，气体内能的增量ΔU为【知识总结】热力学定律与气体实验定律综合问题的解题步骤