人教版高考物理一轮复习第12章热学第3讲热力学定律与能量守恒定律学案

这是一份人教版高考物理一轮复习第12章热学第3讲热力学定律与能量守恒定律学案，共11页。学案主要包含了堵点疏通，对点激活等内容，欢迎下载使用。

知识点1 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功的和。
2．表达式
ΔU＝Q＋W。
3．ΔU＝Q＋W的三种特殊情况
(1)绝热过程：Q＝0，则W＝ΔU，外界对物体做的功等于物体内能的增加。
(2)等容过程：W＝0，则Q＝ΔU，物体吸收的热量等于物体内能的增加。
(3)等温过程：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。
知识点2 热力学第二定律
1．两种表述
(1)克劳修斯表述(按热传导的方向性表述)：热量不能自发地从低温物体传到高温物体。
(2)开尔文表述(按机械能和内能转化过程的方向性表述)：不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功，而不引起其他影响。
2．热力学过程方向性实例
(1)高温物体eq \(,\s\up7(热量Q能自发传给),\s\d5(热量Q不能自发传给))低温物体。
(2)功eq \(,\s\up7(能自发地完全转化为),\s\d5(不能自发地且不能完全转化为))热。
(3)气体体积V1eq \(,\s\up7(能自发膨胀到),\s\d5(不能自发收缩到))气体体积V2(较大)。
(4)不同气体A和Beq \(,\s\up7(能自发混合成),\s\d5(不能自发分离成))混合气体AB。
3．熵增加原理
在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减少。
知识点3 能量守恒守恒
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另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体，在转化或转移的过程中能量的总量保持不变。
2．能源的利用
(1)存在能量耗散和品质下降。
(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、风能等)。
双基自测
一、堵点疏通
1．为了增加物体的内能，必须对物体做功或向它传递热量，做功和热传递的实质是相同的。( × )
2．绝热过程中，外界压缩气体做功20 J，气体的内能可能不变。( × )
3．在给自行车打气时，会发现打气筒的温度升高，这是因为打气筒从外界吸热。( × )
4．可以从单一热源吸收热量，使之完全变成功。( √ )
二、对点激活
1．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( C )
A．增加了1 100 J B．减少了1 100 J
C．增加了690 J D．减少了690 J
[解析] 由热力学第一定律ΔU＝W＋Q，得ΔU＝900 J－210 J＝690 J，内能增加690 J，C正确。
2．(多选)下列现象中能够发生的是( CD )
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
[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低温物体的热量传到箱外的高温物体，故D正确。
核心考点·重点突破
HE XIN KAO DIAN ZHONG DIAN TU PO
考点一 对热力学第一定律的理解
1．热力学第一定律的理解
不仅反映了做功和热传递这两种方式改变内能的过程是等效的，而且给出了内能的变化量和做功与热传递之间的定量关系。
2．对公式ΔU＝Q＋W的符号的规定
例1 (1)若一气泡从湖底上升到湖面的过程中温度保持不变，则在此过程中关于气泡中的气体，下列说法正确的是( D )
A．气体分子间的作用力增大
B．气体分子的平均速率增大
C．气体分子的平均动能减小
D．气体组成的系统一定吸热
(2)若将气泡内的气体视为理想气体，气泡从湖底上升到湖面的过程中，对外界做了0.6 J的功，则此过程中的气泡吸收(选填“吸收”或“放出”)的热量是0.6 J。气泡到达湖面后，温度上升的过程中，又对外界做了0.1 J的功，同时吸收了0.3 J的热量，则此过程中，气泡内气体内能增加了0.2 J。
[解析] (1)考虑气体分子间作用力时，分子力表现为引力，气泡膨胀，分子间距增大，分子力减小，A错误；气泡上升过程中温度不变，分子的平均动能不变，分子的平均速率也不变，B，C错误；气泡上升过程中体积膨胀，温度不变，而气体对外做功，故气体一定吸收热量，D正确。
(2)将气体视为理想气体时，其内能只与温度有关。气泡上升过程中温度不变，ΔU＝0，对外做功，W＝－0.6 J，由ΔU＝Q＋W有Q＝ΔU－W＝0.6 J>0，即需从外界吸收0.6 J的热量。气泡到达湖面后，由ΔU＝Q＋W得ΔU′＝(0.3－0.1)J＝0.2 J。
名师点拨
1．气体做功情况的判定方法
(1)若气体体积增大，则气体对外做功，W<0，气体向真空膨胀除外。
(2)若气体体积减小，则外界对气体做功，W>0。
(3)若气体体积不变，即等容过程，则W＝0。
2．理想气体内能变化情况的判定方法
对一定质量的理想气体，由于无分子势能，其内能只包含分子无规则热运动的动能，其内能只与温度有关。
3．应用热力学第一定律时，首先要明确研究对象是哪个物体或哪几个物体组成的系统；其次要正确掌握公式的符号法则，对已知量，必须按符号法则确定它们的正负号后，再代入公式计算；对未知量，可先按正号代入公式，根据计算结果的正负，确定问题的答案。
〔变式训练1〕(2020·襄阳模拟)(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( ABD )
A．气体自发扩散前后内能相同
B．气体在被压缩的过程中内能增大
C．在自发扩散过程中，气体对外界做功
D．气体正在被压缩的过程中，外界对气体做功
E．气体在被压缩的过程中，气体分子的平均动能不变
[解析] 因为汽缸、活塞都是绝热的，隔板右侧是真空，所以理想气体在自发扩散的过程中，既不吸热也不放热，也不对外界做功。根据热力学第一定律可知，气体自发扩散前后，内能不变，选项A正确，选项C错误；气体被压缩的过程中，外界对气体做功，气体内能增大，又因为一定质量的理想气体的内能只与温度有关，所以气体温度升高，分子平均动能增大，选项B、D正确；理想气体分子势能为零，内能表现为分子动能，内能增大，则分子动能增大，分子平均动能也增大，选项E错误。
考点二 对热力学第二定律的理解
1．热力学第二定律的理解
(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。
特别提醒：热量不可能自发地从低温物体传到高温物体，但在有外界影响的条件下，热量可以从低温物体传到高温物体，如电冰箱；在引起其他变化的条件下内能可以全部转化为机械能，如气体的绝热膨胀过程。
3．两类永动机的比较
例2 如图所示为电冰箱的工作原理示意图。压缩机工作时，强迫制冷剂在冰箱内外的管道中不断循环。在蒸发器中制冷剂汽化吸收箱体内的热量，经过冷凝器时制冷剂液化，放出热量到箱体外。
(1)下列说法正确的是BC。
A．热量可以自发地从冰箱内传到冰箱外
B．电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界，是因为其消耗了电能
C．电冰箱的工作原理不违反热力学第一定律
D．电冰箱的工作原理违反热力学第一定律
(2)电冰箱的制冷系统从冰箱内吸收的热量与释放到外界的热量相比，有怎样的关系？
[解析] (1)热力学第一定律是热现象中内能与其他形式能的转化规律，是能量守恒定律的具体表现。适用于所有的热学过程，故C项正确，D项错误；由热力学第二定律可知，热量不能自发地从低温物体传到高温物体，除非有外界的影响或帮助，电冰箱把热量从低温的内部传到高温的外部，需要压缩机的帮助并消耗电能，故B项正确，A项错误。
(2)由热力学第一定律可知，电冰箱制冷系统从冰箱内吸收了热量，同时消耗了电能，释放到外界的热量比从冰箱内吸收的热量多。
〔变式训练2〕(多选)下列说法正确的是( ADE )
A．一定质量的理想气体等温膨胀时，该理想气体吸收的热量全部用于对外做功
B．利用新科技手段对内燃机进行不断的改进，可以使内燃机获得的内能全部转化为机械能而不引起其他变化
C．夏天开空调可以使房间的温度比室外低，说明热量可以自发地从低温物体传向高温物体
D．第二类永动机不可能制成是因为违背了热力学第二定律
E．随着节能减排措施的不断完善，最终也不会使热机的效率达到100%
[解析] 一定质量的理想气体等温膨胀时，根据热力学第一定律，温度不变(ΔU＝0)，体积增大(W<0)，气体吸收热量(Q>O)，该理想气体吸收的热量全部用于对外做功，故A正确；根据热力学第二定律，随着科技的进步，热机的效率也不能达到100%，不能使内燃机获得的内能全部转化为机械能而不引起其他变化，故B错误；夏天开空调可以使房间的温度比室外低，说明热量可以从低温物体传向高温物体，但必须有电对其做功，而不是自发的过程，故C错误；第二类永动机不可能制成是因为违背了热力学第二定律，故D正确；由η＝eq \f(Q1－Q2,Q1)可知，只要Q2≠0，η≠1，如果Q2＝0，则低温热库不存在，违背了开尔文表述，故E正确。
考点三 热力学定律与气体实验定律的综合
解答该类问题的流程：
例3 (2020·四川棠湖中学期末)如图所示，一排球内气体的压强为p0、体积为V0、温度为T0，用打气筒对排球充入压强为p0、温度为T0的气体，使球内气体压强变为3p0同时温度
升至2T0，充气过程中气体向外放出Q的热量，假设排球体积不变，气体内能U与温度的关系为U＝kT(k为正常数)，打气筒与球中气体均可视为理想气体，求：
(1)打气筒对排球充入压强为p0、温度为T0的气体的体积；
(2)打气筒对排球充气过程中打气筒对气体做的功。
[解析] 本题考查热力学第一定律与理想气体状态方程在解决实际问题中的应用。
(1)设打气筒对排球充入压强为p0、温度为T0的气体的体积为V，以排球内气体与充入的气体整体为研究对象，气体的初状态参量p1＝p0，V1＝V0＋V，T1＝T0，
气体的末状态参量p2＝3p0，V2＝V0，T2＝2T0，
根据理想气体状态方程得eq \f(p1V1,T1)＝eq \f(p2V2,T2)，
解得V＝0.5 V0。
(2)因为气体内能U与温度的关系为U＝kT，
所以打气过程中排球内气体内能变化
ΔU＝k(2T0－T0)＝kT0，
由热力学第一定律得ΔU＝W＋(－Q)，
解得打气筒对气体做的功W＝Q＋kT0。
[答案] (1)0.5 V0 (2)Q＋kT0
〔变式训练3〕(2018·全国卷Ⅲ，33(1))(多选)如图，一定量的理想气体从状态a变化到状态b，其过程如p－V图中从a到b的直线所示。在此过程中( BCD )
A．气体温度一直降低
B．气体内能一直增加
C．气体一直对外做功
D．气体一直从外界吸热
E．气体吸收的热量一直全部用于对外做功
[解析] A错：在p－V图中理想气体的等温线是双曲线的一支，而且离坐标轴越远温度越高，故从a到b温度升高。B对：一定质量的理想气体的内能由温度决定，温度越高，内能越大。C对：气体体积膨胀，对外做功。D对：根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W，得Q＝ΔU－W，由于ΔU＞0、W＜0，故Q＞0，气体吸热。E错：由Q＝ΔU－W可知，气体吸收的热量一部分用来对外做功，一部分用来增加气体的内能。
2年高考·1年模拟
2 NIAN GAO KAO 1 NIAN MO NI
1．(2020·全国Ⅲ理综·33)如图，一开口向上的导热汽缸内，用活塞封闭了一定质量的理想气体，活塞与汽缸壁间无摩擦。现用外力作用在活塞上，使其缓慢下降。环境温度保持不变，系统始终处于平衡状态。在活塞下降过程中BCD。
A．气体体积逐渐减小，内能增加
B．气体压强逐渐增大，内能不变
C．气体压强逐渐增大，放出热量
D．外界对气体做功，气体内能不变
E．外界对气体做功，气体吸收热量
[解析] 本题通过汽缸模型考查气体实验定律和热力学第一定律。由于汽缸是导热的，所以理想气体做等温变化，无论理想气体的体积、压强如何变化，气体是否对外界做功或外界是否对气体做功，其内能均保持不变，故A错误；根据玻意耳定律可知，活塞下降过程中气体的体积减小，气体的压强增大，外界对气体做功，即W>0，又ΔU＝0，根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W，可知气体放出热量，故B、C、D正确，E错误。
2．(2020·山东卷)一定质量的理想气体从状态a开始，经a→b、b→c、c→a三个过程后回到初始状态a，其p－V图像如图所示。已知三个状态的坐标分别为a(V0,2p0)、b(2V0，p0)、c(3V0，2p0)。以下判断正确的是( C )
A．气体在a→b过程中对外界做的功小于在b→c过程中对外界做的功
B．气体在a→b过程中从外界吸收的热量大于在b→c过程中从外界吸收的热量
C．在c→a过程中，外界对气体做的功小于气体向外界放出的热量
D．气体在c→a过程中内能的减少量大于b→c过程中内能的增加量
[解析] A项：根据气体做功的表达式W＝Fx＝pSx＝p·ΔV可知p－V图线和体积横轴围成的面积即为做功大小，所以气体在a→b过程中对外界做的功等于b→c过程中对外界做的功，A错误；
B项：气体从a→b，满足玻意耳定律pV＝C，所以
Ta＝Tb
所以ΔUab＝0，根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W可知
0＝Qab＋Wab
气体从b→c，温度升高，所以ΔUbc>0，根据热力学第一定律可知
ΔUbc＝Qbc＋Wbc
结合A选项可知
Wab＝Wbc<0
所以
Qbc>Qab
b→c过程气体吸收的热量大于a→b过程吸收的热量，B错误；
C项：气体从c→a，温度降低，所以ΔUca<0，气体体积减小，外界对气体做功，所以Wca>0，根据热力学第一定律可知Qca<0，放出热量，C正确；
D项：理想气体的内能只与温度有关，根据Ta＝Tb可知eq \b\lc\|\rc\|(\a\vs4\al\c1(ΔTca))＝eq \b\lc\|\rc\|(\a\vs4\al\c1(ΔTbc))
所以气体从c→a过程中内能的减少量等于b→c过程中内能的增加量，D错误。
故选C。
3．(2020·天津卷)水枪是孩子们喜爱的玩具，常见的气压式水枪储水罐示意如图所示。从储水罐充气口充入气体，达到一定压强后，关闭充气口。扣动扳机将阀门M打开，水即从枪口喷出。若在水不断喷出的过程中，罐内气体温度始终保持不变，则气体( B )
A．压强变大 B．对外界做功
C．对外界放热 D．分子平均动能变大
[解析] 由题意知，水不断喷出，气体体积增大，温度不变，由玻意耳定律得，罐内气体压强减小，A错误；气体体积增大，对外做功，B正确；温度是分子平均动能的标志，故温度不变，分子平均动能不变，D错误；温度不变，气体对外做功，由热力学第一定律得气体需要从外界吸收热量，C错误。
4．(2020·全国Ⅱ理综33(1))下列关于能量转换过程的叙述，违背热力学第一定律的有B，不违背热力学第一定律，但违背热力学第二定律的有C。(填正确答案标号)
A．汽车通过燃烧汽油获得动力并向空气中散热
B．冷水倒入保温杯后，冷水和杯子的温度都变得更低
C．某新型热机工作时将从高温热源吸收的热量全部转化为功，而不产生其他影响
D．冰箱的制冷机工作时从箱内低温环境中提取热量散发到温度较高的室内
[解析] 本题考查对热力学定律的理解。汽车通过燃烧汽油获得动力并向空气中散热，不违背热力学第一定律和第二定律；冷水倒入保温杯后，冷水和杯子的温度都变得更低，这违背了热力学第一定律；某新型热机工作时将从高温热源吸收的热量全部转化为功，而不产生其他影响，不违背热力学第一定律，但违背热力学第二定律。冰箱的制冷机工作时从箱内低温环境中提取热量散发到温度较高的室内，同时消耗电能，不违背热力学第一定律和第二定律。
符号
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
第一类永动机
第二类永动机
不需要任何动力或燃料，却能不断地对外做功的机器
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
违背能量守恒定律，不可能制成
不违背能量守恒定律，但违背热力学第二定律，不可能制成