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2021高考物理一轮复习 热学 第3讲 热力学定律与能量守恒教案

2021高考物理一轮复习 热学 第3讲 热力学定律与能量守恒教案

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13

第3讲　热力学定律与能量守恒

　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。
　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另一种形式，或者是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．第一类永动机是不可能制成的，它违背了能量守恒定律。
　热力学第二定律
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：如图甲所示，不可能从单一热源吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响。或表述为“第二类永动机不可能制成”。

3．用熵的概念表示热力学第二定律
如图乙所示，用熵的概念表述：在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小(热力学第二定律又叫做熵增加原理)。

1．(2020·贵州安顺模拟)下列说法正确的是(　　)
A．第一类永动机不可能制成是因为违反了能量守恒定律
B．第二类永动机不违背能量守恒定律，随着科技的进步，第二类永动机可以被制造出来
C．由热力学第一定律可知做功不一定改变内能，热传递也不一定改变内能，但同时做功和热传递一定会改变内能
D．分子间引力和斥力同时存在，都随分子间距离增大而减小，但斥力变化更快
E．液体表面层分子比内部分子稀疏，因此液体表面有收缩的趋势
ADE　[第一类永动机不可能制成是因为违反了能量守恒定律，选项A正确；第二类永动机不违背能量守恒定律，但是违背了热力学第二定律，所以即使随着科技的进步，第二类永动机也不可以被制造出来，选项B错误；由热力学第一定律可知做功和热传递都能改变内能，但同时做功和热传递不一定会改变内能，选项C错误；分子间引力和斥力同时存在，都随分子间距离增大而减小，但斥力变化更快，选项D正确；液体表面层分子比内部分子稀疏，因此液体表面有收缩的趋势，从而形成表面张力，选项E正确。]
2．(2020·福建龙岩质检)(多选)关于气体的内能和热力学定律，下列说法正确的是(　　)
A．对气体做功可以改变其内能
B．质量和温度都相同的气体，内能一定相同
C．热量不可能从低温物体传到高温物体
D．一定量的理想气体在等压膨胀过程中，内能一定增加
E．一定量的理想气体温度越高，气体分子运动越剧列，气体内能越大
ADE　[做功和热传递都能改变内能，所以对气体做功可以改变其内能，故A正确；质量和温度都相同的气体，内能不一定相同，还和气体的种类有关，故B错误；根据热力学第二定律可知，热量不可能从低温物体传到高温物体而不引起其他的变化，故C错误；由盖­吕萨克定律可知，理想气体在等压膨胀过程中气体温度升高，气体内能增加，故D正确；一定量的理想气体温度越高，气体分子运动越剧烈，而气体内能只与温度有关，故温度越高，其内能越大，故E正确。]

考点一　热力学第一定律的理解和应用
1．对公式ΔU＝Q＋W符号的规定
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
2.几种特殊情况
(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量。
(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量。
(3)若过程的始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。
3．判定物体内能变化的方法
(1)内能的变化用热力学第一定律进行综合分析。
(2)做功情况要看气体体积的变化情况：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。
(3)与外界绝热，则不发生热传递，此时Q＝0。
(4)如果研究对象是一定质量的理想气体，由于理想气体没有分子势能，所以气体内能的变化体现在分子平均动能的变化上，从宏观上看气体内能的变化体现在温度的变化上。
(2019·全国卷Ⅰ·33)某容器中的空气被光滑活塞封住，容器和活塞绝热性能良好，空气可视为理想气体。初始时容器中空气的温度与外界相同，压强大于外界。现使活塞缓慢移动，直至容器中的空气压强与外界相同。此时，容器中空气的温度________(填“高于”“低于”或“等于”)外界温度，容器中空气的密度________(填“大于”“小于”或“等于”)外界空气的密度。
解析：　由于初始时封闭在容器中的空气的压强大于外界压强，容器和活塞绝热性能良好，容器中空气与外界没有热量交换，容器中的空气推动活塞对外做功，由热力学第一定律可知，空气内能减小。根据理想气体内能只与温度有关可知，活塞缓慢移动后容器中空气的温度降低，即容器中的空气温度低于外界温度。因压强与气体温度和分子的密集程度有关，当容器中的空气压强与外界压强相同时，容器中空气温度小于外界空气温度，故容器中空气的密度大于外界空气密度。
答案：　低于　大于

1．(2020·郑州模拟)(多选)夏天，小明同学把自行车轮胎上的气门芯拔出的时候，会觉得从轮胎里喷出的气体凉，如果把轮胎里的气体视为理想气体，则关于气体喷出的过程，下列说法正确的是(　　)
A．气体的内能减少
B．气体的内能不变
C．气体来不及与外界发生热交换，对外做功，温度降低
D．气体膨胀时，热量散得太快，使气体温度降低了
E．气体分子热运动的平均动能减小
ACE　[气体喷出时，来不及与外界交换热量，发生绝热膨胀，Q＝0，对外做功，热力学第一定律的表达式为W＝ΔU，内能减少，温度降低，温度是分子平均动能的标志，则A、C、E正确。]
2．(2020·银川市一模)(多选)夏天，从湖底形成的一个气泡，在缓慢上升到湖面的过程中没有破裂。若接近水面，湖内水的温度越高，大气压强没有变化，将气泡内气体看做理想气体。则上升过程中，以下说法正确的是(　　)

A．气泡内气体对外界做功
B．气泡内每个气体分子的动能都变大
C．气泡内气体从外界吸收热量
D．气泡内气体的压强可能不变
E．气泡内分子单位时间内对气泡壁单位面积的撞击力减小
ACE　[气泡上升过程中，温度升高，压强减小，则根据＝C可知，体积变大，气体对外做功，选项A正确；气泡的温度升高，则气体分子的平均动能变大，并非气泡内每个气体分子的动能都变大，选项B错误；气体温度升高，内能变大，气体对外做功，根据ΔU＝W＋Q可知，气泡内气体从外界吸收热量，选项C正确；因大气压强不变，则随水深度的减小，气泡的压强减小，根据气体压强的微观意义可知，气泡内分子单位时间内对气泡壁单位面积的撞击力减小，选项D错误，E正确；故选A、C、E。]
3．[2017·全国卷Ⅱ·33(1)]

(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(　　)
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。]
考点二　热力学第二定律的理解应用
1．对热力学第二定律的理解
(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；
②“不产生其他影响”的含义是指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，都揭示了一切与热现象有关的宏观过程都具有方向性，即一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的。
2．热力学过程方向性实例

3．两类永动机的比较
分类
第一类永动机
第二类永动机
设计初衷
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
不违背能量守恒，但违背热力学第二定律
(2020·河南安阳一模)下列关于热力学定律的理解正确的是(　　)
A．热量不可能从低温物体传到高温物体
B．如果两个系统分别与状态确定的第三个系统达到热平衡，那么这两个系统彼此之间也必定处于热平衡
C．物体的摄氏温度变化了1 ℃，其热力学温度变化了1 K
D．空调机作为制冷机使用时，将热量从温度较低的室内送到温度较高的室外，所以制冷机的工作不遵守热力学第二定律
E．一辆空载的卡车停于水平地面，在缓慢装沙的过程中，若车胎不漏气，胎内气体温度不变，不计分子间势能，则胎内气体向外界放热
BCE　[热量能够自发地从高温物体传到低温物体，也能从低温物体传到高温物体，但要引起其他变化，如电冰箱，A错误；达到热平衡的条件是温度相等，则可知如果两个系统分别与状态确定的第三个系统达到热平衡，那么这两个系统彼此之间也必定达到热平衡，故B正确；由T＝t＋273.15 K得知，ΔT＝Δt，即热力学温度的变化总等于摄氏温度的变化，故C正确；空调机作为制冷机使用时，空气压缩机做功，要消耗电能，制冷过程不是自发进行的，制冷时将热量从温度较低的室内送到温度较高的室外，所以制冷机的工作遵守热力学第二定律，故D错误；在卡车装沙的过程中胎内气体经历了一个温度不变，压强增大的变化，由理想气体状态方程可知，气体体积变小，故外界对气体做正功；胎内气体内能不变，外界又对气体做正功，根据能量守恒定律，胎内气体向外界放热，故E正确。]

4．(多选)下列关于热力学第二定律的说法中正确的是(　　)
A．所有符合能量守恒定律的宏观过程都能真的发生
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，但内能无法全部用来做功而转化成机械能
D．气体向真空的自由膨胀是可逆的
E．热运动的宏观过程有一定的方向性
BCE　[符合能量守恒定律，但违背热力学第二定律的宏观过程不能发生，选项A错误；一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的，选项B正确；机械能可以全部转化为内能，但内能无法全部用来做功而转化成机械能，选项C正确；气体向真空的自由膨胀是不可逆的，选项D错误；热运动的宏观过程有一定的方向性，选项E正确。]
5．(2016·全国乙卷·33)(多选)关于热力学定律，下列说法正确的是(　　)
A．气体吸热后温度一定升高
B．对气体做功可以改变其内能
C．理想气体等压膨胀过程一定放热
D．热量不可能自发地从低温物体传到高温物体
E．如果两个系统分别与状态确定的第三个系统达到热平衡，那么这两个系统彼此之间也必定达到热平衡
BDE　[根据热力学定律，气体吸热后如果对外做功，则温度不一定升高，说法A错误。改变物体内能的方式有做功和传热，对气体做功可以改变其内能，说法B正确。理想气体等压膨胀对外做功，根据＝恒量知，膨胀过程一定吸热，说法C错误。根据热力学第二定律，热量不可能自发地从低温物体传到高温物体，说法D正确。两个系统达到热平衡时，温度相等，如果这两个系统分别与状态确定的第三个系统达到热平衡，那么这两个系统彼此之间也必定达到热平衡，说法E正确。故选B、D、E。]
考点三　热力学定律与气体实验定律的综合
1．一定质量的理想气体发生状态变化时
(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→W<0；
自由膨胀→W＝0；
体积不变→W＝0。
(2)内能变化看温度
温度T升高→内能增加→ΔU>0；
温度T降低→内能减少→ΔU<0；
2．气体实验定律与热力学第一定律的综合解题技巧

[2018·课标卷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(　　)
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　[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。]

(2020·潍坊模拟)如图所示在绝热汽缸内，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。现通过汽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)加热后活塞到汽缸底端的距离；
(2)此过程中气体内能改变了多少。
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＝
代入数据得：L2＝12 cm。
(2)在该过程中，气体对外做功：W＝F·ΔL＝ρ0S(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

6．[2017·全国卷Ⅲ·33(1)](多选)

如图所示，一定质量的理想气体从状态a出发，经过等容过程ab到达状态b，再经过等温过程bc到达状态c，最后经等压过程ca回到状态a。下列说法正确的是(　　)
A．在过程ab中气体的内能增加
B．在过程ca中外界对气体做功
C．在过程ab中气体对外界做功
D．在过程bc中气体从外界吸收热量
E．在过程ca中气体从外界吸收热量
ABD　[ab过程是等容变化，ab过程压强增大，温度升高，气体内能增大，选项A正确；而由于体积不变，气体对外界不做功，选项C错误。
ca过程是等压变化，体积减小，外界对气体做功，选项B正确：体积减小过程中，温度降低，内能减小，气体要放出热量，选项E错误。
bc过程是等温变化，内能不变，体积增大，气体对外界做功，则需要吸收热量，选项D正确。]
7.

(2020·长沙长郡中学考试)(5选3)如图所示为某喷水壶的结构示意图。未喷水时阀门K闭合，压下压杆A可向瓶内储气室充气，多次充气后按下按柄B便可打开阀门K，水会自动从喷嘴处喷出。储气室内气体可视为理想气体，充气和喷水过程中温度保持不变。下列说法正确的是(　　)
A．充气过程中，储气室内气体内能增大
B．充气过程中，储气室内气体分子平均动能增大
C．喷水过程中，储气室内气体吸热
D．喷水过程中，储气室内气体内能减小
E．喷水过程中，储气室内气体压强减小
ACE　[充气过程中，储气室内气体质量增大，温度不变，平均动能不变，但内能增大，故A正确，B错误；喷水过程中，液体液面下降，气体体积增大，储气室内气体压强减小，而温度不变，则内能不变，由热力学第一定律知储气室内气体吸热，CE正确，D错误。]
8．一定质量的理想气体被活塞封闭在汽缸内，如图所示水平放置。活塞的质量m＝20 kg，横截面积S＝100 cm2，活塞可沿汽缸壁无摩擦滑动但不漏气，开始使汽缸水平放置，活塞与
汽缸底的距离L1＝12 cm，离汽缸口的距离L2＝3 cm。外界气温为27 ℃，大气压强为1.0×105 Pa，将汽缸缓慢地转到开口向上的竖直位置，待稳定后对缸内气体逐渐加热，使活塞上表面刚好与汽缸口相平，已知g＝10 m/s2，求：

(1)此时气体的温度为多少？
(2)在对缸内气体加热的过程中，气体膨胀对外做功，同时吸收Q＝370 J的热量，则气体增加的内能ΔU多大？
解析：　

(1)当汽缸水平放置时，p0＝1.0×105 Pa，
V0＝L1S，T0＝(273＋27) K＝300 K
当汽缸口朝上，活塞到达汽缸口时，活塞的受力分析如图所示，有
p1S＝p0S＋mg
则p1＝p0＋＝1.0×105 Pa＋ Pa＝1.2×105 Pa
V1＝(L1＋L2)S
由理想气体状态方程得＝
则T1＝T0＝×300 K＝450 K。
(2)当汽缸口向上，未加热稳定时：由玻意耳定律得
p0L1S＝p1LS
则L＝＝ cm＝10 cm
加热后，气体做等压变化，外界对气体做功为
W＝－p0(L1＋L2－L)S－mg(L1＋L2－L)＝－60 J
根据热力学第一定律
ΔU＝W＋Q得ΔU＝310 J。
答案：　(1)450 K　(2)310 J