（全國版）2019版高考物理一輪復(fù)習(xí) 第14章 選考部分 第52課時(shí) 熱力學(xué)定律能量守恒定律學(xué)案

第52課時(shí)熱力學(xué)定律能量守恒定律考點(diǎn)1熱力學(xué)第一定律1熱力學(xué)第一定律(1)內(nèi)容：一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)能增量等于外界向它傳遞的熱量與外界對它所做的功的和。(2)表達(dá)式：UQW。2熱力學(xué)第一定律符號意義3能的轉(zhuǎn)化和守恒定律(1)內(nèi)容：能量既不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到別的物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中，能量的總量保持不變。(2)第一類永動(dòng)機(jī)：違背能量守恒定律的機(jī)器被稱為第一類永動(dòng)機(jī)。它是不可能制成的。例1一定質(zhì)量的氣體，在從狀態(tài)1變化到狀態(tài)2的過程中，吸收熱量280 J，并對外做功120 J，試問：(1)氣體的內(nèi)能怎樣發(fā)生變化？變化了多少？(2)如果氣體又返回原來的狀態(tài)，并放出了240 J熱量，那么在返回的過程中是氣體對外界做功，還是外界對氣體做功？做功多少？解析(1)由熱力學(xué)第一定律可得UWQ120 J280 J160 J，氣體的內(nèi)能增加了160 J。(2)由于氣體的內(nèi)能僅與狀態(tài)有關(guān)，所以氣體從狀態(tài)2回到狀態(tài)1的過程中內(nèi)能應(yīng)減少，其減少量應(yīng)等于從狀態(tài)1到狀態(tài)2的過程中內(nèi)能的增加量，則從狀態(tài)2到狀態(tài)1的內(nèi)能應(yīng)減少160 J，即U160 J，又Q240 J，根據(jù)熱力學(xué)第一定律得：UWQ，所以WUQ160 J(240 J)80 J，即外界對氣體做功80 J。答案(1)增加' 160 J'(2)外界對氣體做功'80 J(1)要弄清各量的正負(fù)號含義，一定要準(zhǔn)確掌握熱力學(xué)第一定律的符號法則。(2)考慮問題要全面，做功和熱傳遞都能改變物體的內(nèi)能，忽視任一方式都會造成錯(cuò)解。1(多選)一定質(zhì)量的理想氣體，當(dāng)發(fā)生如下哪些狀態(tài)變化時(shí)，能放出熱量()A體積不變，壓強(qiáng)減小 B壓強(qiáng)不變，體積減小C溫度不變，體積減小 D溫度不變，壓強(qiáng)減小答案ABC解析根據(jù)C可知，體積不變，壓強(qiáng)減小，則溫度降低，內(nèi)能減小，即W0、U<0，根據(jù)UWQ可知Q<0，則氣體放熱，A正確；同理壓強(qiáng)不變，體積減小，則溫度降低，內(nèi)能減小，即W>0、U0，根據(jù)UWQ可知Q<0，氣體放熱，B正確；溫度不變，體積減小，即U0、W>0，則Q<0，氣體放熱，C正確；溫度不變，壓強(qiáng)減小，則體積變大，即U0，W<0，則Q>0，氣體吸熱，D錯(cuò)誤。2(粵教版選修33 P73·T3)在一個(gè)密閉隔熱的房間里，有一電冰箱正在工作，如果打開電冰箱的門，過一段時(shí)間后房間的溫度會()A降低 B不變C升高 D無法判斷答案C解析電冰箱工作時(shí)，將部分電能轉(zhuǎn)化為熱能散發(fā)到房間內(nèi)，所以房間內(nèi)溫度升高，C正確。3(多選)夏天，小明同學(xué)把自行車輪胎上的氣門芯拔出的時(shí)候，會覺得從輪胎里噴出的氣體涼，如果把輪胎里的氣體視為理想氣體，則關(guān)于氣體噴出的過程，下列說法正確的是()A氣體的內(nèi)能減少 B氣體的內(nèi)能不變 C氣體來不及與外界發(fā)生熱交換，對外做功，溫度降低 D氣體膨脹時(shí)，熱量散得太快，使氣體溫度降低了 E氣體分子的平均動(dòng)能減小答案ACE解析氣體噴出時(shí)，來不及與外界交換熱量，發(fā)生絕熱膨脹，即Q0、W<0，根據(jù)UWQ可知U<0，即內(nèi)能減少，溫度降低，氣體分子的平均動(dòng)能減小，A、C、E正確?？键c(diǎn)2熱力學(xué)第二定律的理解與應(yīng)用1熱力學(xué)第二定律的三種表述(1)克勞修斯表述：熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體。(2)開爾文表述：不可能從單一熱源吸收熱量，使之完全變成功，而不產(chǎn)生其他影響?；虮硎鰹椤暗诙愑绖?dòng)機(jī)不可能制成”。(3)用熵的概念表述：在任何自然過程中，一個(gè)孤立系統(tǒng)的總熵不會減小(熱力學(xué)第二定律又叫做熵增加原理)。2熱力學(xué)第二定律的微觀意義：一切自發(fā)過程總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)的無序性增大的方向進(jìn)行。1(2017·南昌模擬)(多選)下列敘述和熱力學(xué)定律相關(guān)，其中正確的是()A第一類永動(dòng)機(jī)不可能制成，是因?yàn)檫`背了能量守恒定律B能量耗散過程中能量不守恒C電冰箱的制冷系統(tǒng)能夠不斷地把冰箱內(nèi)的熱量傳到外界，違背了熱力學(xué)第二定律D能量耗散是從能量轉(zhuǎn)化的角度反映出自然界中的宏觀過程具有方向性E物體從單一熱源吸收的熱量可全部用于做功答案ADE解析第一類永動(dòng)機(jī)違背能量守恒定律，A正確；能量耗散過程中能量也是守恒的，B錯(cuò)誤；電冰箱的制冷系統(tǒng)能夠不斷地把冰箱內(nèi)的熱量傳到外界，因?yàn)樗牧穗娔?，所以不違背熱力學(xué)第二定律，C錯(cuò)誤；能量耗散反映了能量轉(zhuǎn)化的方向性，D正確；在產(chǎn)生了其他影響的情況下，物體從單一熱源吸收的熱量可以全部用于做功，E正確。2(人教版選修33 P61·T2改編)(多選)下列現(xiàn)象中能夠發(fā)生的是()A一杯熱茶在打開杯蓋后，茶會自動(dòng)變得更熱B蒸汽機(jī)把蒸汽的內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化成機(jī)械能C桶中混濁的泥水在靜置一段時(shí)間后，泥沙下沉，上面的水變清，泥、水自動(dòng)分離D電冰箱通電后把箱內(nèi)低溫物體的熱量傳到箱外高溫物體答案CD解析A、B違背熱力學(xué)第二定律，故不能發(fā)生，A、B錯(cuò)誤；泥水分離是由于重力作用，能夠發(fā)生，C正確；選項(xiàng)D可以通過消耗電能的方式實(shí)現(xiàn)，故能發(fā)生，D正確?？键c(diǎn)3熱力學(xué)定律與氣體實(shí)驗(yàn)定律的綜合解答此類問題基本流程例2如圖所示，一圓柱形絕熱汽缸豎直放置，通過絕熱活塞封閉著一定質(zhì)量的理想氣體。已知外界大氣壓強(qiáng)為p0，活塞的橫截面積為S、質(zhì)量為m，活塞與容器底部相距h，此時(shí)封閉氣體的溫度為T0?，F(xiàn)在活塞上放置一質(zhì)量與活塞質(zhì)量相等的物塊，再次平衡后活塞與容器底部相距h，接下來通過電熱絲緩慢加熱氣體，氣體吸收熱量Q時(shí)，活塞再次回到原初始位置。重力加速度為g，不計(jì)活塞與汽缸的摩擦。求：(1)活塞上放置物塊再次平衡后，氣體的溫度；(2)加熱過程中氣體的內(nèi)能增加量。解析(1)由平衡條件可知初狀態(tài)：p1p0p0，T1T0，V1Sh，末狀態(tài)：p2p0p0，V2Sh，由理想氣體狀態(tài)方程得：，解得TT0。(2)由熱力學(xué)第一定律UWQ，式中W(2mgp0S)，解得UQWQ。答案(1)T0(2)Q一定量的理想氣體發(fā)生變化，一般有絕熱過程(Q0)、無功過程(W0)、一般過程(Q、W均不為零)。(1)做功情況看體積體積V減小外界對氣體做功WpV>0；體積V增大氣體對外界做功WpV<0；自由膨脹W0體積不變WpV0(2)內(nèi)能變化看溫度(理想氣體)溫度T升高內(nèi)能增加U>0；溫度T降低內(nèi)能減少U<0；溫度T不變內(nèi)能不變U0。(3)吸熱還是放熱，一般題目中會說明，或由熱力學(xué)第一定律UQW，知道W和U后確定Q的正負(fù)。(2017·湖南師大附中檢測)如圖所示，體積為V、內(nèi)壁光滑的圓柱形導(dǎo)熱汽缸頂部有一質(zhì)量和厚度均可忽略的活塞；汽缸內(nèi)密封有溫度為2.4T0、壓強(qiáng)為1.2p0的理想氣體。p0和T0分別為大氣的壓強(qiáng)和溫度。已知：氣體內(nèi)能U與溫度T的關(guān)系為UaT，a為正的常量；容器內(nèi)氣體的所有變化過程都是緩慢的，求：(1)汽缸內(nèi)氣體與大氣達(dá)到平衡時(shí)的體積V1；(2)在活塞下降過程中，汽缸內(nèi)氣體放出的熱量Q。答案(1)0.5V(2)p0VaT0解析(1)在氣體由壓強(qiáng)p1.2p0下降到p0的過程中，V不變，溫度由T2.4T0變?yōu)門1，由查理定律得，得：T12T0在氣體溫度由T1變?yōu)門0的過程中，體積由V減小到V1，氣體壓強(qiáng)不變，由蓋呂薩克定律得，解得：V10.5V。(2)活塞下降過程中，活塞對氣體做功Wp0(VV1)在這一過程中，氣體內(nèi)能的變化量Ua(T0T1)由熱力學(xué)第一定律得QUWaT0p0V，所以汽缸內(nèi)氣體放出的熱量p0VaT0。1一定質(zhì)量的氣體在某一過程中，外界對氣體做了8×104 J的功，氣體的內(nèi)能減少了1.2×105 J，則下列各式中正確的是()AW8×104 J，U1.2×105 J，Q4×104 JBW8×104 J，U1.2×105 J，Q2×105 JCW8×104 J，U1.2×105 J，Q2×104 JDW8×104 J，U1.2×105 J，Q4×104 J答案B解析因?yàn)橥饨鐚怏w做功，W取正值，即W8×104 J；內(nèi)能減少，U取負(fù)值，即U1.2×105 J；根據(jù)熱力學(xué)第一定律UWQ，可知QUW1.2×105 J8×104 J2×105 J，B正確。2某駕駛員發(fā)現(xiàn)中午時(shí)車胎內(nèi)的氣壓高于清晨時(shí)的，且車胎體積增大。若這段時(shí)間胎內(nèi)氣體質(zhì)量不變且可視為理想氣體，那么()A外界對胎內(nèi)氣體做功，氣體內(nèi)能減小B外界對胎內(nèi)氣體做功，氣體內(nèi)能增大C胎內(nèi)氣體對外界做功，內(nèi)能減小D胎內(nèi)氣體對外界做功，內(nèi)能增大答案D解析由C可知車胎內(nèi)氣體p、V增大時(shí)，車胎內(nèi)氣體溫度升高，內(nèi)能增大；車胎體積增大，氣體對外做功，D正確。3下列說法正確的是()A科技的進(jìn)步可以使內(nèi)燃機(jī)成為單一熱源的熱機(jī)B分子間作用力的合力表現(xiàn)為引力時(shí)，若分子間的距離增大，則分子間的合力一定減小，分子勢能一定增大C顯微鏡下觀察到的布朗運(yùn)動(dòng)就是液體分子的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)D氣體從外界吸收熱量，其內(nèi)能不一定增加答案D解析根據(jù)熱力學(xué)第二定律，從單一熱源吸收熱量，全部用來對外做功而不引起其他變化是不可能的，故A錯(cuò)誤；分子間作用力的合力表現(xiàn)為引力時(shí)，若分子間的距離增大，則分子間的合力不一定減小，分子勢能一定增大，故B錯(cuò)誤；布朗運(yùn)動(dòng)是懸浮在液體中的固體小顆粒的運(yùn)動(dòng)，不是液體分子的運(yùn)動(dòng)，故C錯(cuò)誤；根據(jù)熱力學(xué)第一定律，做功和熱傳遞都可以改變物體的內(nèi)能，氣體從外界吸收熱量，其內(nèi)能不一定增加，故D正確。4在一鍋正在沸騰的水中，一個(gè)小氣泡由底層緩慢地升到液面，上升過程中氣泡的壓強(qiáng)不斷減小，則氣泡在上浮過程中()A內(nèi)能增大 B內(nèi)能減小C外界對氣泡做功 D吸收熱量答案D解析在沸騰的水中，此環(huán)境下，氣泡的溫度恒定，則氣泡的內(nèi)能不變，故A、B錯(cuò)誤；根據(jù)玻意耳定律，pVC，氣泡在上升過程中，壓強(qiáng)減小，則體積增大，即氣泡對外做功，故C錯(cuò)誤；通過上述分析，得知?dú)馀輧?nèi)能不變，且對外做功，根據(jù)UWQ，則氣泡吸收了熱量，故D正確。5(多選)關(guān)于熱力學(xué)定律，下列說法正確的是()A為了增加物體的內(nèi)能，必須對物體做功或向它傳遞熱量B對某物體做功，必定會使該物體的內(nèi)能增加C可以從單一熱源吸收熱量，使之完全變?yōu)楣不可能使熱量從低溫物體傳向高溫物體答案AC解析由UWQ可知做功和熱傳遞是改變內(nèi)能的兩種途徑，它們是等效的，A正確，B錯(cuò)誤；由熱力學(xué)第二定律可知，可以從單一熱源吸收熱量，使之全部變?yōu)楣Γ珪a(chǎn)生其他影響，C正確；由熱力學(xué)第二定律知，熱量只是不能自發(fā)地從低溫物體傳向高溫物體，D錯(cuò)誤。6(多選)以下哪個(gè)現(xiàn)象不違背熱力學(xué)第二定律()A一杯熱茶在打開蓋后，茶會自動(dòng)變涼B沒有漏氣、沒有摩擦的理想熱機(jī)，其效率可能是100%C熱量自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體D在地面上運(yùn)動(dòng)的物體逐漸停下來，機(jī)械能全部變?yōu)閮?nèi)能答案AD解析熱茶自動(dòng)變涼是熱從高溫物體傳遞到低溫物體，A正確；任何熱機(jī)效率都不可能達(dá)到100%，B錯(cuò)誤；熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體，C錯(cuò)誤；物體因摩擦力而停下來，是機(jī)械能(動(dòng)能)向內(nèi)能的轉(zhuǎn)化，是自發(fā)過程，D正確。7(2017·東北三省四市聯(lián)考)(多選)如圖所示，一絕熱容器被隔板K隔開成a、b兩部分。已知a內(nèi)有一定量的稀薄氣體，b內(nèi)為真空。抽開隔板K后，a內(nèi)氣體進(jìn)入b，最終達(dá)到平衡狀態(tài)。在此過程中()A氣體對外界做功，內(nèi)能減少B氣體不做功，內(nèi)能不變C氣體壓強(qiáng)變小，溫度降低D氣體壓強(qiáng)變小，溫度不變答案BD解析a內(nèi)氣體向真空膨脹，不對外界做功，故A錯(cuò)誤；又因容器絕熱，Q0，由熱力學(xué)第一定律知，U0，故B正確；由玻意耳定律知壓強(qiáng)減小，稀薄氣體可看做理想氣體，內(nèi)能不變，則溫度不變，C錯(cuò)誤，D正確。8一定質(zhì)量的理想氣體從狀態(tài)A變化到狀態(tài)B再變化到狀態(tài)C，其狀態(tài)變化過程的p­V圖象如圖所示。已知該氣體在狀態(tài)A時(shí)的溫度為27 。(1)求該氣體在狀態(tài)B、C時(shí)的溫度；(2)該氣體從狀態(tài)A到狀態(tài)C的過程中是吸熱還是放熱？傳遞的熱量是多少？答案(1)73 27 (2)吸收熱量200 J解析(1)氣體從狀態(tài)A到狀態(tài)B做等容變化，由查理定律有，解得TB200 K，即tB73 ；氣體從狀態(tài)B到狀態(tài)C做等壓變化，由蓋呂薩克定律有，解得TC300 K，即tC27 。(2)因?yàn)闋顟B(tài)A和狀態(tài)C溫度相等，內(nèi)能不變，所以在這個(gè)過程中U0由熱力學(xué)第一定律UQW得QW在整個(gè)過程中，氣體在B到C過程對外做功，故WpBV200 J即QW200 J，是正值，所以氣體從狀態(tài)A到狀態(tài)C過程中是吸熱，吸收的熱量Q200 J。9(2016·全國卷)(多選)關(guān)于熱力學(xué)定律，下列說法正確的是()A氣體吸熱后溫度一定升高B對氣體做功可以改變其內(nèi)能C理想氣體等壓膨脹過程一定放熱D熱量不可能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體E如果兩個(gè)系統(tǒng)分別與狀態(tài)確定的第三個(gè)系統(tǒng)達(dá)到熱平衡，那么這兩個(gè)系統(tǒng)彼此之間也必定達(dá)到熱平衡答案BDE解析根據(jù)熱力學(xué)第一定律，氣體吸熱的同時(shí)若對外做功，則內(nèi)能不一定增大，溫度不一定升高，A錯(cuò)誤；對氣體做功可以改變其內(nèi)能，B正確；理想氣體等壓膨脹過程，對外做功，由理想氣體狀態(tài)方程C可知，氣體溫度升高，內(nèi)能增大，故氣體一定吸熱，C錯(cuò)誤；根據(jù)熱力學(xué)第二定律知，熱量不可能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體，D正確；根據(jù)熱平衡定律，如果兩個(gè)系統(tǒng)分別與狀態(tài)確定的第三個(gè)系統(tǒng)達(dá)到熱平衡，那么這兩個(gè)系統(tǒng)彼此之間也必定達(dá)到熱平衡，E正確。10(2017·江蘇南通四校聯(lián)考)(多選)一定質(zhì)量的理想氣體，沿箭頭方向由狀態(tài)1變化到狀態(tài)2，其中氣體放出熱量的變化過程是()答案BD解析A項(xiàng)，由圖象是雙曲線知，狀態(tài)1到狀態(tài)2是等溫變化過程，故狀態(tài)1與狀態(tài)2溫度相同內(nèi)能相同，又從狀態(tài)1至狀態(tài)2氣體的體積增加，故氣體對外做功，根據(jù)熱力學(xué)第一定律知，氣體從外界吸熱，故A錯(cuò)誤；B項(xiàng)，由圖象有p1>p2，V1>V2，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程知T1>T2，所以從狀態(tài)1至狀態(tài)2，氣體體積減小所以外界對氣體做功，又T1>T2說明氣體的內(nèi)能減小，根據(jù)熱力學(xué)第一定律知?dú)怏w對外放熱，故B正確；C項(xiàng)，由圖象知，狀態(tài)1至狀態(tài)2，氣體溫度升高內(nèi)能增加，氣體體積增大氣體對外做功，根據(jù)熱力學(xué)第一定律知，氣體從外界吸收熱量，故C錯(cuò)誤；D項(xiàng)，由圖象知?dú)怏w的體積保持不變，氣體對外界不做功，從狀態(tài)2至狀態(tài)1氣體的溫度降低內(nèi)能減小，根據(jù)熱力學(xué)第一定律，氣體對外放熱，故D正確。11(2016·全國卷)(多選)一定量的理想氣體從狀態(tài)a開始，經(jīng)歷等溫或等壓過程ab、bc、cd、da回到原狀態(tài)，其p­T圖象如圖所示，其中對角線ac的延長線經(jīng)過原點(diǎn)O。下列判斷正確的是()A氣體在a、c兩狀態(tài)的體積相等B氣體在狀態(tài)a時(shí)的內(nèi)能大于它在狀態(tài)c時(shí)的內(nèi)能C在過程cd中氣體向外界放出的熱量大于外界對氣體做的功D在過程da中氣體從外界吸收的熱量小于氣體對外界做的功E在過程bc中外界對氣體做的功等于在過程da中氣體對外界做的功答案ABE解析在p­T圖象中過原點(diǎn)的傾斜直線都是等容線，a、c在同一等容線上，體積相等，A正確；一定質(zhì)量的理想氣體，分子數(shù)確定，不計(jì)分子勢能，因此內(nèi)能只與溫度有關(guān)，由圖象知Ta>Tc，即氣體在狀態(tài)a時(shí)的內(nèi)能大于狀態(tài)c時(shí)的內(nèi)能，B正確；根據(jù)熱力學(xué)第一定律UWQ可知，在cd中T不變，即U0，那么WQ，即向外界放出的熱量等于外界對氣體做的功，C錯(cuò)誤；da中，溫度升高，U>0，由p不變、T升高可知V增大，W<0，QU|W|，可見氣體從外界吸收的熱量大于氣體對外界做的功，D錯(cuò)誤；bc為等壓變化，有，外界對氣體做功Wbcpc(VbVc)(TbTc)。da為等壓變化，有，氣體對外界做功Wdapa(VaVd)(TaTd)，由及TbTcTaTd可知，WbcWda，E正確。12.(2017·河北張家口聯(lián)考)如圖所示，一直柱形導(dǎo)熱汽缸豎直放置，通過絕熱活塞封閉著一定質(zhì)量的理想氣體。已知大氣壓強(qiáng)為p0，重力加速度為g，不計(jì)活塞與汽缸的摩擦，活塞的質(zhì)量為m、橫截面積為S。因?yàn)殡姛峤z的加熱，某時(shí)刻氣體溫度為T1，活塞與容器底部相距h?，F(xiàn)停止加熱，氣體通過汽缸緩慢放熱，當(dāng)氣體放出熱量Q時(shí)，氣體溫度下降到T2，求該過程中：(1)活塞下降的距離；(2)氣體內(nèi)能的改變量。答案(1)h(2)(p0Smg)hQ解析(1)氣體發(fā)生等壓變化，有，解得hh。(2)放熱過程中，外界對氣體做的功WpS·h(p0Smg)h，由熱力學(xué)第一定律知內(nèi)能改變量UWQ(p0Smg)hQ。12