2020版新一线高考物理（人教版）一轮复习教学案：第13章第3节　热力学定律与能量守恒定律

第3节　热力学定律与能量守恒定律

知识点一| 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

(1)做功和热传递的实质是相同的。 (×)

(2)外界压缩气体做功20 J，气体的内能可能不变。 (√)

(3)给自行车打气时，发现打气筒的温度升高，这是因为打气筒从外界吸热。 (×)

考法1　对热力学第一定律的理解

1.(多选)(2017·全国卷Ⅱ)如图所示，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

ABD　[气体向真空膨胀时不受阻碍，气体不对外做功，由于汽缸是绝热的，没有热交换，所以气体扩散后内能不变，选项A正确。气体被压缩的过程中，外界对气体做功，且没有热交换，根据热力学第一定律，气体的内能增大，选项B、D正确。气体在真空中自发扩散的过程中气体不对外做功，选项C错误。气体在压缩过程中，内能增大，由于一定质量的理想气体的内能完全由温度决定，温度越高，内能越大，气体分子的平均动能越大，选项E错误。]

2.(多选)(2016·全国卷Ⅲ)关于气体的内能，下列说法正确的是(　　)

A．质量和温度都相同的气体，内能一定相同

B．气体温度不变，整体运动速度越大，其内能越大

C．气体被压缩时，内能可能不变

D．一定量的某种理想气体的内能只与温度有关

E．一定量的某种理想气体在等压膨胀过程中，内能一定增加

CDE　[气体的内能由物质的量、温度和体积决定，质量和温度都相同的气体，内能可能不同，说法A错误。内能与物体的运动速度无关，说法B错误。气体被压缩时，同时对外传热，根据热力学第一定律知内能可能不变，说法C正确。一定量的某种理想气体的内能只与温度有关，说法D正确。根据理想气体状态方程，一定量的某种理想气体在压强不变的情况下，体积变大，则温度一定升高，内能一定增加，说法E正确。]

考法2　热力学第一定律与气体实验定律的综合

3.(多选)(2018·全国卷Ⅰ)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

BDE　[由理想气体状态方程＝可知，pb>pa，即过程①中气体的压强逐渐增大，选项A错误；由于过程②中气体体积增大，所以过程②中气体对外做功，选项B正确；过程④中气体体积不变，气体对外做功为零，温度降低，内能减小，根据热力学第一定律，过程④中气体放出热量，选项C错误；由于状态c、d的温度相等，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＝并结合题图可知，状态d的压强比状态b的压强小，选项E正确。]

4.(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p­V图中从a到b的直线所示。在此过程中(　　)

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

BCD　[对于一定量的理想气体有＝恒量。从a到b，p逐渐增大，V逐渐增大，所以p与V的乘积pV增大，可知T增大，则气体的内能一直增加，故A错误，B正确。由于V逐渐增大，可知气体一直对外做功，故C正确。由热力学第一定律ΔU＝Q＋W，因ΔU>0，W<0，可知Q>0，即气体一直从外界吸热，且吸收的热量大于对外做的功，故D正确，E错误。]

5.(2019·长沙模拟)如图所示，一个内壁光滑的圆柱形汽缸，高度为L、底面积为S，缸内有一个质量为m的活塞，封闭了一定质量的理想气体。温度为热力学温标T0时，用绳子系住汽缸底，将汽缸倒过来悬挂起来，汽缸处于竖直状态，缸内气体高为L0。已知重力加速度为g，大气压强为p0，不计活塞厚度及活塞与缸体的摩擦，求：

(1)采用缓慢升温的方法使活塞与汽缸脱离，缸内气体的温度至少要升高到多少？

(2)从开始升温到活塞刚要脱离汽缸，缸内气体压力对活塞做功多少？

(3)当活塞刚要脱离汽缸时，缸内气体的内能增加量为ΔU，则气体在活塞下移的过程中吸收的热量为多少？

解析：(1)气体等压变化，由盖—吕萨克定律得：＝，

解得：T＝。

(2)对活塞，由平衡条件得：mg＋pS＝p0S，

气体做功：W＝Fl＝pSl＝pS(L－L0)，

解得：W＝(p0S－mg)(L－L0)。

(3)由热力学第一定律得：ΔU＝－W＋Q，

气体吸收的热量：Q＝ΔU＋(p0S－mg)(L－L0)。

答案：(1)T0　(2)(p0S－mg)(L－L0)

(3)ΔU＋(p0S－mg)(L－L0)

知识点二| 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．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。

(1)可以从单一热源吸收热量，使之完全变成功。 (√)

(2)热量不能从低温物体传给高温物体。 (×)

(3)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。 (×)

1．(多选)关于热力学定律，下列说法正确的是(　　)

A．为了增加物体的内能，必须对物体做功或向它传递热量

B．可以从单一热源吸收热量，使之完全变为功

C．不可能使热量从低温物体传向高温物体

D．功转变为热的实际宏观过程是不可逆过程

ABD　[内能的改变可以通过做功或热传递进行，故A正确；在引起其他变化的情况下，可以从单一热源吸收热量，将其全部变为功，B正确；在有外界影响的情况下，可以使热量从低温物体传向高温物体，C错误；涉及热现象的宏观过程都具有方向性，故D正确。]

2．(多选)以下哪个现象不违背热力学第二定律(　　)

A．一杯热茶在打开盖后，茶会自动变凉

B．没有漏气、没有摩擦的理想热机，其效率可能是100%

C．桶中浑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．热量自发地从低温物体传到高温物体

E．在地面上运动的物体逐渐停下来，机械能全部变为内能

ACE　[热茶自动变凉是热从高温物体传递到低温物体，A正确；任何热机效率都不可能达到100%，B错误；泥水分离是机械能(重力势能)向内能的转化，C正确；热量不能自发地从低温物体传到高温物体，D错误；物体因摩擦力而停下来，是机械能(动能)向内能的转化，是自发过程，E正确。]

知识点三| 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)自由摆动的秋千摆动幅度越来越小，能量正在消失。 (×)

(2)利用河水的能量使船逆水航行的设想，符合能量守恒定律。 (√)

1．(多选)下列说法正确的是(　　)

A．压缩气体总能使气体的温度升高

B．能量耗散过程中能量是守恒的

C．第一类永动机不可能制成，是因为违背了能量守恒定律

D．第二类永动机不违背能量守恒定律，但违背了热力学第一定律

E．能量耗散过程从能量转化的角度反映了自然界中的宏观过程具有方向性

BCE　[内能的变化取决于做功和热传递两个方面，只压缩气体并不一定能使气体温度升高，选项A错误；由能量守恒定律可知，选项B正确；第一类永动机是指不消耗能量却可以不断向外做功的机器，违背了能量守恒定律，选项C正确；第二类永动机不违背能量守恒定律，但违背了热力学第二定律，选项D错误；由热力学第二定律可知，选项E正确。]

2．(多选)(2019·南昌模拟)下列叙述和热力学定律相关，其中正确的是(　　)

A．第一类永动机不可能制成，是因为违背了能量守恒定律

B．能量耗散过程中能量不守恒

C．电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界，违背了热力学第二定律

D．能量耗散是从能量转化的角度反映出自然界中的宏观过程具有方向性

E．物体从单一热源吸收的热量可全部用于做功

ADE　[第一类永动机不消耗能量却源源不断对外做功，违背了能量守恒定律，所以不可能制成，A正确；能量耗散过程中能量仍守恒，B错误；电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界，是压缩机做功的结果，不违背热力学第二定律，C错误；能量耗散说明宏观热现象的发生具有方向性，D正确；物体从单一热源吸收热量可以全部用于做功，但一定引起其他影响，E正确。]