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高考物理一轮复习 第13章 第3节 热力学定律与能量守恒定律
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这是一份高考物理一轮复习 第13章 第3节 热力学定律与能量守恒定律，共7页。试卷主要包含了改变物体内能的两种方式，热力学第一定律，ΔU＝W＋Q中正、负号法则，两类永动机的比较等内容，欢迎下载使用。
知识点1 热力学第一定律
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增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＝W＋Q中正、负号法则
知识点2 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．用熵的概念表示热力学第二定律
在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小(选填“增大”或“减小”)．
3．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性增大的方向进行．
知识点3 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．
2．两类永动机
(1)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．
1.ΔU＝Q＋W的三种特殊情况
2.改变内能的两种方式的比较
[题组通关]
1．(2017·桂林模拟)一定质量的理想气体从状态a开始，经历三个过程ab、bc、ca回到原状态，其VT图象如图1331所示，pa、pb、pc分别表示状态a、b、c的压强，下列判断正确的是( )
图1331
A．过程ab中气体一定吸热
B．pc＝pb>pa
C．过程bc中分子势能不断增大
D．过程bc中每一个分子的速率都减小
E．过程ca中气体吸收的热量等于对外界做的功
ABE [由题图知，该理想气体从a到b为等容变化，外界对气体做功为零，温度升高，内能增大，根据ΔU＝Q＋W，可知气体一定吸热，选项A正确；从b到c为等压变化，故pc＝pb，而从a到b为等容变化，根据查理定律p＝CT，可知温度升高，压强变大，故pb>pa，选项B正确；理想气体没有分子势能，选项C错误；从b到c，温度降低，分子的平均动能降低，平均速率减小，但不是每一个分子的速率都减小，选项D错误；从c到a，气体发生等温变化，内能不变，气体对外界做功，吸收热量，根据ΔU＝Q＋W，气体吸收的热量等于对外界做的功，选项E正确．]
2．一定质量的气体，在从状态1变化到状态2的过程中，吸收热量280 J，并对外做功120 J，试问：
(1)这些气体的内能发生了怎样的变化？
(2)如果这些气体又返回原来的状态，并放出了240 J热量，那么在返回的过程中是气体对外界做功，还是外界对气体做功？做功多少？
【解析】 (1)由热力学第一定律可得ΔU＝W＋Q＝－120 J＋280 J＝160 J，气体的内能增加了160 J.
(2)由于气体的内能仅与状态有关，所以气体从状态2回到状态1的过程中内能的变化应等于从状态1到状态2的过程中内能的变化，则从状态2到状态1的内能应减少160 J，即ΔU′＝－160 J，又Q′＝－240 J，根据热力学第一定律得：ΔU′＝W′＋Q′，所以W′＝ΔU′－Q′＝－160 J－(－240 J)＝80 J，即外界对气体做功80 J.
【答案】 (1)增加了160 J (2)外界对气体做功 80 J
如果研究对象是理想气体，则由于理想气体没有分子势能，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．
1.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
热力学第二定律的每一种表述，都揭示了大量分子参与宏观过程的方向性，进而使人们认识到自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性．
3．热力学过程方向性实例
(1)高温物体eq \(,\s\up14(热量Q能自发传给),\s\d15(热量Q不能自发传给))低温物体．
(2)功eq \(,\s\up14(能自发地完全转化为),\s\d15(不能自发地且不能完全转化为))热．
(3)气体体积V1eq \(,\s\up14(能自发膨胀到),\s\d15(不能自发收缩到))气体体积V2(V1(4)不同气体A和Beq \(,\s\up14(能自发混合成),\s\d15(不能自发分离成))混合气体AB.
4．两类永动机的比较
[题组通关]
1．下列关于热力学第二定律的说法正确的是( )
A．所有符合能量守恒定律的宏观过程都能真实发生
B．一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的
C．机械能可以全部转化为内能，而内能无法全部用来做功以转化成机械能而不引起其他变化
D．气体向真空的自由膨胀是可逆的
E．热运动的宏观过程会有一定的方向性
BCE [符合能量守恒定律但不符合热力学第二定律的宏观过程不能发生，选项A错；气体向真空的自由膨胀是不可逆的，选项D错．]
2．(2017·唐山二模)根据热力学定律，下列说法正确的是( )
A．第二类永动机违反能量守恒定律，因此不可能制成
B．效率为100%的热机是不可能制成的
C．电冰箱的工作过程表明，热量可以从低温物体向高温物体传递
D．从单一热源吸收热量，使之完全变为功是提高机械效率的常用手段
E．吸收了热量的物体，其内能也不一定增加
BCE [第二类永动机不可能制成，是因它违反了热力学第二定律，故A错误；效率为100%的热机是不可能制成的，故B正确；电冰箱的工作过程表明，热量可以从低温物体向高温物体传递，故C正确；从单一热源吸收热量，使之完全变为功是不可能实现的，故D错误；改变内能的方式有做功和热传递，吸收了热量的物体，其内能也不一定增加，E正确．]
[母题] (2017·潍坊模拟)如图1332所示在绝热气缸内，有一绝热轻活塞封闭一定质量的气体，开始时缸内气体温度为27 ℃，封闭气柱长9 cm，活塞横截面积S＝50 cm2.现通过气缸底部电阻丝给气体加热一段时间，此过程中气体吸热22 J，稳定后气体温度变为127 ℃。已知大气压强等于105 Pa，求：
(1)加热后活塞到气缸底端的距离；
(2)此过程中气体内能改变了多少．
图1332
【解析】 (1)取被封闭的气体为研究的对象，开始时气体的体积为L1S，温度为：T1＝(273＋27)K＝300 K，
末状态的体积为：L2S，
温度为：T2＝(273＋127)K＝400 K
气体做等压变化，则：eq \f(L1S,T1)＝eq \f(L2S,T2)
代入数据得：L2＝12 cm.
(2)在该过程中，气体对外做功：
W＝F·ΔL＝p0S(L2－L1)＝105×50×10－4×(12－9)×10－2 J＝15 J，
由热力学第一定律：
ΔU ＝Q－W＝22 J－15 J＝7 J.
【答案】 (1)12 cm (2)7 J
[母题迁移]
如图1333所示，汽缸A、B的长度均为60 cm，截面积均为40 cm2，C是可在气缸内无摩擦滑动的、体积不计的活塞，D为阀门．整个装置均由导热材料制成．原来阀门关闭，A内有压强pA＝2.4×105 Pa的氧气．B内有压强pB＝1.2×105 Pa的氢气．阀门打开后，活塞C向右移动，最后达到平衡．求：
【导学号：92492418】
图1333
(1)活塞C移动的距离及平衡后B中气体的压强；
(2)活塞C移动过程中B中气体是吸热还是放热(简要说明理由)．(假定氧气和氢气均视为理想气体，连接气缸的管道体积可忽略)
【解析】 (1)根据玻意耳定律，对A部分气体有
pALS＝p(L＋x)S
对B部分气体有pBLS＝p(L－x)S
代入相关数据解得x＝20 cm，p＝1.8×105 Pa.
(2)活塞C向右移动的过程中活塞对B中气体做功，而气体发生等温变化，内能不变，故B中气体向外界放热．
【答案】 (1)20 cm 1.8×105 Pa (2)活塞C移动过程中B中气体放热，理由见解析
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)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．
物理量
W
Q
ΔU
＋
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
热力学第一定律的理解和应用
过程名称
公式
内能变化
物理意义
绝热
Q＝0
ΔU＝W
外界对物体做的功等于物体内能的增加
等容
W＝0
Q＝ΔU
物体吸收的热量等于物体内能的增加
等温
ΔU＝0
W＝－Q
外界对物体做的功，等于物体放出的热量
两种方式
做 功
热传递
内能变
化情况
外界对物体做功，物体的内能增加；物体对外界做功，物体的内能减少
物体吸收热量，内能增加；物体放出热量，内能减少
从运动形式上看
做功是宏观的机械运动向物体的微观分子热运动的转化
热传递则是通过分子之间的相互作用，使同一物体的不同部分或不同物体间的分子热运动发生变化，是内能的转移
区
别
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
不同物体间或同一物体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
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
热力学第二定律的理解及应用
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
气体实验定律与热力学定律的综合
知识点1 热力学第一定律
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增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＝W＋Q中正、负号法则
知识点2 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．用熵的概念表示热力学第二定律
在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小(选填“增大”或“减小”)．
3．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性增大的方向进行．
知识点3 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．
2．两类永动机
(1)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．
1.ΔU＝Q＋W的三种特殊情况
2.改变内能的两种方式的比较
[题组通关]
1．(2017·桂林模拟)一定质量的理想气体从状态a开始，经历三个过程ab、bc、ca回到原状态，其VT图象如图1331所示，pa、pb、pc分别表示状态a、b、c的压强，下列判断正确的是( )
图1331
A．过程ab中气体一定吸热
B．pc＝pb>pa
C．过程bc中分子势能不断增大
D．过程bc中每一个分子的速率都减小
E．过程ca中气体吸收的热量等于对外界做的功
ABE [由题图知，该理想气体从a到b为等容变化，外界对气体做功为零，温度升高，内能增大，根据ΔU＝Q＋W，可知气体一定吸热，选项A正确；从b到c为等压变化，故pc＝pb，而从a到b为等容变化，根据查理定律p＝CT，可知温度升高，压强变大，故pb>pa，选项B正确；理想气体没有分子势能，选项C错误；从b到c，温度降低，分子的平均动能降低，平均速率减小，但不是每一个分子的速率都减小，选项D错误；从c到a，气体发生等温变化，内能不变，气体对外界做功，吸收热量，根据ΔU＝Q＋W，气体吸收的热量等于对外界做的功，选项E正确．]
2．一定质量的气体，在从状态1变化到状态2的过程中，吸收热量280 J，并对外做功120 J，试问：
(1)这些气体的内能发生了怎样的变化？
(2)如果这些气体又返回原来的状态，并放出了240 J热量，那么在返回的过程中是气体对外界做功，还是外界对气体做功？做功多少？
【解析】 (1)由热力学第一定律可得ΔU＝W＋Q＝－120 J＋280 J＝160 J，气体的内能增加了160 J.
(2)由于气体的内能仅与状态有关，所以气体从状态2回到状态1的过程中内能的变化应等于从状态1到状态2的过程中内能的变化，则从状态2到状态1的内能应减少160 J，即ΔU′＝－160 J，又Q′＝－240 J，根据热力学第一定律得：ΔU′＝W′＋Q′，所以W′＝ΔU′－Q′＝－160 J－(－240 J)＝80 J，即外界对气体做功80 J.
【答案】 (1)增加了160 J (2)外界对气体做功 80 J
如果研究对象是理想气体，则由于理想气体没有分子势能，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．
1.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
热力学第二定律的每一种表述，都揭示了大量分子参与宏观过程的方向性，进而使人们认识到自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性．
3．热力学过程方向性实例
(1)高温物体eq \(,\s\up14(热量Q能自发传给),\s\d15(热量Q不能自发传给))低温物体．
(2)功eq \(,\s\up14(能自发地完全转化为),\s\d15(不能自发地且不能完全转化为))热．
(3)气体体积V1eq \(,\s\up14(能自发膨胀到),\s\d15(不能自发收缩到))气体体积V2(V1
4．两类永动机的比较
[题组通关]
1．下列关于热力学第二定律的说法正确的是( )
A．所有符合能量守恒定律的宏观过程都能真实发生
B．一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的
C．机械能可以全部转化为内能，而内能无法全部用来做功以转化成机械能而不引起其他变化
D．气体向真空的自由膨胀是可逆的
E．热运动的宏观过程会有一定的方向性
BCE [符合能量守恒定律但不符合热力学第二定律的宏观过程不能发生，选项A错；气体向真空的自由膨胀是不可逆的，选项D错．]
2．(2017·唐山二模)根据热力学定律，下列说法正确的是( )
A．第二类永动机违反能量守恒定律，因此不可能制成
B．效率为100%的热机是不可能制成的
C．电冰箱的工作过程表明，热量可以从低温物体向高温物体传递
D．从单一热源吸收热量，使之完全变为功是提高机械效率的常用手段
E．吸收了热量的物体，其内能也不一定增加
BCE [第二类永动机不可能制成，是因它违反了热力学第二定律，故A错误；效率为100%的热机是不可能制成的，故B正确；电冰箱的工作过程表明，热量可以从低温物体向高温物体传递，故C正确；从单一热源吸收热量，使之完全变为功是不可能实现的，故D错误；改变内能的方式有做功和热传递，吸收了热量的物体，其内能也不一定增加，E正确．]
[母题] (2017·潍坊模拟)如图1332所示在绝热气缸内，有一绝热轻活塞封闭一定质量的气体，开始时缸内气体温度为27 ℃，封闭气柱长9 cm，活塞横截面积S＝50 cm2.现通过气缸底部电阻丝给气体加热一段时间，此过程中气体吸热22 J，稳定后气体温度变为127 ℃。已知大气压强等于105 Pa，求：
(1)加热后活塞到气缸底端的距离；
(2)此过程中气体内能改变了多少．
图1332
【解析】 (1)取被封闭的气体为研究的对象，开始时气体的体积为L1S，温度为：T1＝(273＋27)K＝300 K，
末状态的体积为：L2S，
温度为：T2＝(273＋127)K＝400 K
气体做等压变化，则：eq \f(L1S,T1)＝eq \f(L2S,T2)
代入数据得：L2＝12 cm.
(2)在该过程中，气体对外做功：
W＝F·ΔL＝p0S(L2－L1)＝105×50×10－4×(12－9)×10－2 J＝15 J，
由热力学第一定律：
ΔU ＝Q－W＝22 J－15 J＝7 J.
【答案】 (1)12 cm (2)7 J
[母题迁移]
如图1333所示，汽缸A、B的长度均为60 cm，截面积均为40 cm2，C是可在气缸内无摩擦滑动的、体积不计的活塞，D为阀门．整个装置均由导热材料制成．原来阀门关闭，A内有压强pA＝2.4×105 Pa的氧气．B内有压强pB＝1.2×105 Pa的氢气．阀门打开后，活塞C向右移动，最后达到平衡．求：
【导学号：92492418】
图1333
(1)活塞C移动的距离及平衡后B中气体的压强；
(2)活塞C移动过程中B中气体是吸热还是放热(简要说明理由)．(假定氧气和氢气均视为理想气体，连接气缸的管道体积可忽略)
【解析】 (1)根据玻意耳定律，对A部分气体有
pALS＝p(L＋x)S
对B部分气体有pBLS＝p(L－x)S
代入相关数据解得x＝20 cm，p＝1.8×105 Pa.
(2)活塞C向右移动的过程中活塞对B中气体做功，而气体发生等温变化，内能不变，故B中气体向外界放热．
【答案】 (1)20 cm 1.8×105 Pa (2)活塞C移动过程中B中气体放热，理由见解析
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)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．
物理量
W
Q
ΔU
＋
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
热力学第一定律的理解和应用
过程名称
公式
内能变化
物理意义
绝热
Q＝0
ΔU＝W
外界对物体做的功等于物体内能的增加
等容
W＝0
Q＝ΔU
物体吸收的热量等于物体内能的增加
等温
ΔU＝0
W＝－Q
外界对物体做的功，等于物体放出的热量
两种方式
做 功
热传递
内能变
化情况
外界对物体做功，物体的内能增加；物体对外界做功，物体的内能减少
物体吸收热量，内能增加；物体放出热量，内能减少
从运动形式上看
做功是宏观的机械运动向物体的微观分子热运动的转化
热传递则是通过分子之间的相互作用，使同一物体的不同部分或不同物体间的分子热运动发生变化，是内能的转移
区
别
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
不同物体间或同一物体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
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
热力学第二定律的理解及应用
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
气体实验定律与热力学定律的综合
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