高考物理一轮复习13.4热学-热力学定律与能量守恒定律(原卷版+解析)

这是一份高考物理一轮复习13.4热学-热力学定律与能量守恒定律(原卷版+解析)，共76页。试卷主要包含了热力学第一定律的理解及应用，热力学第一定律与图像的综合应用，热力学第二定律的理解及应用等内容，欢迎下载使用。

考向一 热力学第一定律的理解及应用
考向二 热力学第一定律与图像的综合应用
考向三 热力学第一定律与气体实验定律的综合应用
考向四 热力学第二定律的理解及应用
考向一 热力学第一定律的理解及应用
1．改变物体内能的两种方式
(1)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)表达式中的正、负号法则：
3．能量守恒定律
(1)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．
(3)第一类永动机是不可能制成的，它违背了能量守恒定律．
4．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，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．
5．三种特殊情况
(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．
【典例1】（2022年山东省普通高中学业水平等级性考试5）如图所示，内壁光滑的绝热气缸内用绝热活塞封闭一定质量的理想气体，初始时气缸开口向上放置，活塞处于静止状态，将气缸缓慢转动过程中，缸内气体（ ）
A. 内能增加，外界对气体做正功
B. 内能减小，所有分子热运动速率都减小
C. 温度降低，速率大的分子数占总分子数比例减少
D. 温度升高，速率大的分子数占总分子数比例增加
【答案】C
【解析】初始时气缸开口向上，活塞处于平衡状态，气缸内外气体对活塞的压力差与活塞的重力平衡，则有
气缸在缓慢转动的过程中，气缸内外气体对活塞的压力差大于重力沿气缸壁的分力，故气缸内气体缓慢的将活塞往外推，最后气缸水平，缸内气压等于大气压。
AB．气缸、活塞都是绝热的，故缸内气体与外界没有发生热传递，气缸内气体压强作用将活塞往外推，气体对外做功，根据热力学第一定律得：气体内能减小，故缸内理想气体的温度降低，分子热运动的平均速率减小，并不是所有分子热运动的速率都减小，AB错误；
CD．气体内能减小，缸内理想气体的温度降低，分子热运动的平均速率减小，故速率大的分子数占总分子数的比例减小，C正确，D错误。
故选C。
【典例2】（2022年河北省普通高中学业水平选择性考试）15. 如图，绝热密闭容器中装有一定质量的某种理想气体和一个充有同种气体的气球。容器内温度处处相同。气球内部压强大于外部压强。气球慢慢漏气后，容器中气球外部气体的压强将______（填“增大”“减小”或“不变”）；温度将______（填“升高”“降低”或“不变”）。
【答案】 ①. 增大 ②. 升高
【解析】[1]气体温度升高，根据理想气体实验定律可知气体压强增大。
[2]假设气球内部气体和气球外部气体的温度不变，当气球内部的气体缓慢释放到气球外部，气球内部气体压强大于外部气体压强，根据玻意尔定律可知气球内的气体释放到外部时体积增大，相当于容器的体积增大；而容器的体积无法改变，所以将假设扩大体积的容器绝热压缩到原来容器的体积即可，气体绝热压缩，与外界无热交换，即，外界对气体做功，即，根据绝热情况下的热力学第一定律可知气体内能增加，温度升高；
练习1、（多选）（2021年湖南省普通高中学业水平选择性考试）如图，两端开口、下端连通的导热汽缸，用两个轻质绝热活塞（截面积分别为和）封闭一定质量的理想气体，活塞与汽缸壁间无摩擦。在左端活塞上缓慢加细沙，活塞从下降高度到位置时，活塞上细沙的总质量为。在此过程中，用外力作用在右端活塞上，使活塞位置始终不变。整个过程环境温度和大气压强保持不变，系统始终处于平衡状态，重力加速度为。下列说法正确的是__________。（填正确答案标号。选对1个得2分，选对2个得4分，选对3个得5分。每选错1个扣3分，最低得分为0分）
A. 整个过程，外力做功大于0，小于
B. 整个过程，理想气体的分子平均动能保持不变
C. 整个过程，理想气体的内能增大
D. 整个过程，理想气体向外界释放的热量小于
E. 左端活塞到达位置时，外力等于
【答案】BCE
【解析】本题考查理想气体、热力学第一定律及其相关知识点，主要考查综合分析能力.由于是在左侧活塞上缓慢加细沙，右侧活塞位置不变，所以整个过程中，外力对气体做功等于0，选项A错误；由于气缸导热，气体温度不变，所以整个过程中理想气体的分子平均动能保持不变，选项B正确；由于理想气体的内能只与温度有关，所以理想气体内能增大，选项C正确；根据热力学第一定律，整个过程中。理想气体向外界释放的热量等于外力做功，选项D错误；对左侧活塞，由平衡条件，pS1=mg，对右侧活塞，由平衡条件，pS2=F，联立解得：F=mgS2/S1，选项E正确。
练习2、（多选）（2021年天津市普通高中学业水平选择性考试6．）列车运行的平稳性与车厢的振动密切相关，车厢底部安装的空气弹簧可以有效减振，空气弹簧主要由活塞、气缸及内封的一定质量的气体构成．上下乘客及剧烈颠簸均能引起车厢振动，上下乘客时气缸内气体的体积变化缓慢，气体与外界有充分的热交换；剧烈颠簸时气缸内气体的体积变化较快，气体与外界来不及热交换．若气缸内气体视为理想气体，在气体压缩的过程中（ ）
A．上下乘客时，气体的内能不变 B．上下乘客时，气体从外界吸热
C．剧烈颠簸时，外界对气体做功 D．剧烈颠簸时，气体的温度不变
【答案】AC
【解析】上下乘客时，气缸内气体的体积变化缓慢，气体与外界有充分的热交换，在气体压缩的过程中，外界对气体做功，气体的内能不变，向外界散热，选项A正确B错误；剧烈颠簸时，在气体压缩的过程中，外界对气体做功，气体的温度升高，选项C正确D错误。
【巧学妙记】
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。
考向二 热力学第一定律与图像的综合应用
二、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→W0；
温度T降低→内能减少→ΔUTc，故气体在状态a时的内能大于在状态c时的内能，选项B正确；由热力学第一定律ΔU＝Q＋W知，cd过程温度不变，内能不变，则Q＝－W，选项C错误；da过程温度升高，即内能增大，则吸收的热量大于对外界做的功，选项D错误；由理想气体状态方程知：eq \f(paVa,Ta)＝eq \f(pbVb,Tb)＝eq \f(pcVc,Tc)＝eq \f(pdVd,Td)＝C，即paVa＝CTa，pbVb＝CTb，pcVc＝CTc，pdVd＝CTd.设过程bc中压强为p1＝pb＝pc，过程da中压强为p2＝pd＝pa.由外界对气体做功W＝p·ΔV知，过程bc中外界对气体做的功Wbc＝p1(Vb－Vc)＝C(Tb－Tc)，过程da中气体对外界做的功Wda＝p2(Va－Vd)＝C(Ta－Td)，Ta＝Tb，Tc＝Td，故Wbc＝Wda，选项E正确．
【典例4】（湖北省2022年普通高中学业水平等级考试）3. 一定质量的理想气体由状态a变为状态c，其过程如p—V图中a→c直线段所示，状态b对应该线段的中点。下列说法正确的是（ ）
A. a→b是等温过程
B. a→b过程中气体吸热
C. a→c过程中状态b的温度最低
D. a→c过程中外界对气体做正功
【答案】B
【解析】AB．根据理想气体的状态方程
可知a→b气体温度升高，内能增加，且体积增大气体对外界做功，则W < 0，由热力学第一定律U = W + Q
可知a→b过程中气体吸热，A错误、B正确；
C．根据理想气体的状态方程
可知，p—V图像的坐标值的乘积反映温度，a状态和c状态的坐标值的乘积相等，而中间状态的坐标值乘积更大，a→c过程的温度先升高后降低，且状态b的温度最高，C错误；
D．a→c过程气体体积增大，外界对气体做负功，D错误。
故选B。
练习3、（多选）（2022年全国高考乙卷物理试题13）. 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。
练习4、（2021年江苏省普通高等学校招生适应性考试）9. 某汽车的四冲程内燃机利用奥托循环进行工作该循环由两个绝热过程和两个等容过程组成。如图所示为一定质量的理想气体所经历的奥托循环，则该气体（ ）
A. 在状态a和c时的内能可能相等
B. 在a→b过程中，外界对其做的功全部用于增加内能
C. b→c过程中增加的内能小于d→a过程中减少的内能
D. 在一次循环过程中吸收的热量小于放出的热量
【答案】B
【解析】A．从c到d为绝热膨胀，则Q=0，WVb，Ta>Tb B．Va>Vb，TaVb，Ta0；温度不变，内能不变，即∆U=0，根据∆U=W+Q，可知Q0，可知Q>0，即气体吸热，选项B正确；从P到Q气体体积变大，则气体对外界做功，选项C正确；从Q到M气体体积不变，则气体既不对外界做功，外界也不对气体做功，选项D错误；从Q到M气体的温度降低，则气体的内能减少，选项E正确。
15、（多选）（2018年全国高考卷Ⅰ试题）13. 如图，一定质量的理想气体从状态a开始，经历过程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中气体的压强逐渐减小 B．过程②中气体对外界做正功
C．过程④中气体从外界吸收了热量 D．状态c、d的内能相等
E．状态d的压强比状态b的压强小
【答案】BDE
【解析】由理想气体状态方程paVa/Ta=pbVb/Tb可知，pb>pa，即过程中气体的压强逐渐增大，选项A错误；由于过程中气体体积增大，所以过程中气体对外做功，选项B正确；过程中气体体积不变，对外做功为零，温度降低，内能减小，根据热力学第一定律，过程中气体放出热量，选项C错误；由于状态c、d的温度相等，根据理想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；由理想气体状态方程pdVd/Td=pbVb/Tb可知，状态d的压强比状态b的压强小，选项E正确。
16、（多选）（2018年海南省高考卷试题）(1) (4分)如图，一定量的理想气体，由状态a等压变化到状态b，再从b等容变化到状态c。a、 c两状态温度相等。下列说法正确的是 。 (填入正确答案标号。 选对1个得2分，选对2个得4分；有选错的得0分)

A．从状态b到状态c的过程中气体吸热
B．气体在状态a的内能等于在状态c的内能
C．气体在状态b的温度小于在状态a的温度
D．从状态a到状态b的过程中气体对外做正功
【答案】BD
【解析】内能（internal energy）是组成物体分子的无规则热运动动能和分子间相互作用势能的总和，由于理想气体的不考虑分子势能内能，故理想气体的内能等于分子平均动能的总和，而温度是分子平均动能的宏观表现，由理想气体状态方程pbVb/Tb=pcVc/Tc可知，当Vb=Vc，pb>pc时，Tb>TC，故?Ucb