2025版高考物理一輪復(fù)習(xí)第十二章熱學(xué)第3講熱力學(xué)定律與能量守恒定律學(xué)案新人教版

PAGE9-第3講熱力學(xué)定律與能量守恒定律學(xué)問點(diǎn)1熱力學(xué)第肯定律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(duì)它所做功的和。2．表達(dá)式ΔU＝Q＋W。3．ΔU＝Q＋W的三種特殊狀況(1)絕熱過程：Q＝0，則W＝ΔU，外界對(duì)物體做的功等于物體內(nèi)能的增加。(2)等容過程：W＝0，則Q＝ΔU，物體汲取的熱量等于物體內(nèi)能的增加。(3)等溫過程：ΔU＝0，則W＋Q＝0或W＝－Q，外界對(duì)物體做的功等于物體放出的熱量。學(xué)問點(diǎn)2熱力學(xué)其次定律1．兩種表述(1)克勞修斯表述(按熱傳導(dǎo)的方向性表述)：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(按機(jī)械能和內(nèi)能轉(zhuǎn)化過程的方向性表述)：不行能從單一熱庫汲取熱量，使之完全變勝利，而不引起其他影響。2．熱力學(xué)過程方向性實(shí)例(1)高溫物體eq\o(,\s\up7(熱量Q能自發(fā)傳給),\s\do5(熱量Q不能自發(fā)傳給))低溫物體。(2)功eq\o(,\s\up7(能自發(fā)地完全轉(zhuǎn)化為),\s\do5(不能自發(fā)地且不能完全轉(zhuǎn)化為))熱。(3)氣體體積V1eq\o(,\s\up7(能自發(fā)膨脹到),\s\do5(不能自發(fā)收縮到))氣體體積V2(較大)。(4)不同氣體A和Beq\o(,\s\up7(能自發(fā)混合成),\s\do5(不能自發(fā)分別成))混合氣體AB。3．熵增加原理在任何自然過程中，一個(gè)孤立系統(tǒng)的總熵不會(huì)削減。學(xué)問點(diǎn)3能量守恒守恒1．內(nèi)容能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)憑空消逝，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)移到另一個(gè)物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中能量的總量保持不變。2．能源的利用(1)存在能量耗散和品質(zhì)下降。(2)重視利用能源時(shí)對(duì)環(huán)境的影響。(3)要開發(fā)新能源(如太陽能、生物質(zhì)能、風(fēng)能等)。雙基自測(cè)一、堵點(diǎn)疏通1．為了增加物體的內(nèi)能，必需對(duì)物體做功或向它傳遞熱量，做功和熱傳遞的實(shí)質(zhì)是相同的。(×)2．絕熱過程中，外界壓縮氣體做功20J，氣體的內(nèi)能可能不變。(×)3．在給自行車打氣時(shí)，會(huì)發(fā)覺打氣筒的溫度上升，這是因?yàn)榇驓馔矎耐饨缥鼰帷?×)4．可以從單一熱源汲取熱量，使之完全變勝利。(√)二、對(duì)點(diǎn)激活1．用活塞壓縮汽缸里的空氣，對(duì)空氣做了900J的功，同時(shí)汽缸向外散熱210J，汽缸里空氣的內(nèi)能(C)A．增加了1100J B．削減了1100JC．增加了690J D．削減了690J[解析]由熱力學(xué)第肯定律ΔU＝W＋Q，得ΔU＝900J－210J＝690J，內(nèi)能增加690J，C正確。2．(多選)下列現(xiàn)象中能夠發(fā)生的是(CD)A．一杯熱茶在打開杯蓋后，茶會(huì)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)分別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[解析]熱量只會(huì)自發(fā)地從高溫物體傳到低溫物體，而不會(huì)自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體，故A錯(cuò)誤；機(jī)械能可以完全轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，而內(nèi)能卻不能完全轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，故B錯(cuò)誤；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)分別是因?yàn)槟嗌车拿芏却笥谒?，故可以分別，C正確；電冰箱通電后由于壓縮機(jī)做功從而將低溫物體的熱量傳到箱外的高溫物體，故D正確。核心考點(diǎn)·重點(diǎn)突破HEXINKAODIANZHONGDIANTUPO考點(diǎn)一對(duì)熱力學(xué)第肯定律的理解1．熱力學(xué)第肯定律的理解不僅反映了做功和熱傳遞這兩種方式變更內(nèi)能的過程是等效的，而且給出了內(nèi)能的變更量和做功與熱傳遞之間的定量關(guān)系。2．對(duì)公式ΔU＝Q＋W的符號(hào)的規(guī)定符號(hào)WQΔU＋外界對(duì)物體做功物體汲取熱量內(nèi)能增加－物體對(duì)外界做功物體放出熱量內(nèi)能削減例1(1)若一氣泡從湖底上升到湖面的過程中溫度保持不變，則在此過程中關(guān)于氣泡中的氣體，下列說法正確的是(D)A．氣體分子間的作用力增大B．氣體分子的平均速率增大C．氣體分子的平均動(dòng)能減小D．氣體組成的系統(tǒng)肯定吸熱(2)若將氣泡內(nèi)的氣體視為志向氣體，氣泡從湖底上升到湖面的過程中，對(duì)外界做了0.6J的功，則此過程中的氣泡汲取(選填“汲取”或“放出”)的熱量是0.6J。氣泡到達(dá)湖面后，溫度上升的過程中，又對(duì)外界做了0.1J的功，同時(shí)汲取了0.3J的熱量，則此過程中，氣泡內(nèi)氣體內(nèi)能增加了0.2J。[解析](1)考慮氣體分子間作用力時(shí)，分子力表現(xiàn)為引力，氣泡膨脹，分子間距增大，分子力減小，A錯(cuò)誤；氣泡上升過程中溫度不變，分子的平均動(dòng)能不變，分子的平均速率也不變，B，C錯(cuò)誤；氣泡上升過程中體積膨脹，溫度不變，而氣體對(duì)外做功，故氣體肯定汲取熱量，D正確。(2)將氣體視為志向氣體時(shí)，其內(nèi)能只與溫度有關(guān)。氣泡上升過程中溫度不變，ΔU＝0，對(duì)外做功，W＝－0.6J，由ΔU＝Q＋W有Q＝ΔU－W＝0.6J>0，即需從外界汲取0.6J的熱量。氣泡到達(dá)湖面后，由ΔU＝Q＋W得ΔU′＝(0.3－0.1)J＝0.2J。名師點(diǎn)撥1．氣體做功狀況的判定方法(1)若氣體體積增大，則氣體對(duì)外做功，W<0，氣體向真空膨脹除外。(2)若氣體體積減小，則外界對(duì)氣體做功，W>0。(3)若氣體體積不變，即等容過程，則W＝0。2．志向氣體內(nèi)能變更狀況的判定方法對(duì)肯定質(zhì)量的志向氣體，由于無分子勢(shì)能，其內(nèi)能只包含分子無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能，其內(nèi)能只與溫度有關(guān)。3．應(yīng)用熱力學(xué)第肯定律時(shí)，首先要明確探討對(duì)象是哪個(gè)物體或哪幾個(gè)物體組成的系統(tǒng)；其次要正確駕馭公式的符號(hào)法則，對(duì)已知量，必需按符號(hào)法則確定它們的正負(fù)號(hào)后，再代入公式計(jì)算；對(duì)未知量，可先按正號(hào)代入公式，依據(jù)計(jì)算結(jié)果的正負(fù)，確定問題的答案?！沧兪接?xùn)練1〕(2024·襄陽模擬)(多選)如圖用隔板將一絕熱汽缸分成兩部分，隔板左側(cè)充有志向氣體，隔板右側(cè)與絕熱活塞之間是真空?，F(xiàn)將隔板抽開，氣體會(huì)自發(fā)擴(kuò)散至整個(gè)汽缸。待氣體達(dá)到穩(wěn)定后，緩慢推壓活塞，將氣體壓回到原來的體積。假設(shè)整個(gè)系統(tǒng)不漏氣。下列說法正確的是(ABD)A．氣體自發(fā)擴(kuò)散前后內(nèi)能相同B．氣體在被壓縮的過程中內(nèi)能增大C．在自發(fā)擴(kuò)散過程中，氣體對(duì)外界做功D．氣體正在被壓縮的過程中，外界對(duì)氣體做功E．氣體在被壓縮的過程中，氣體分子的平均動(dòng)能不變[解析]因?yàn)槠住⒒钊际墙^熱的，隔板右側(cè)是真空，所以志向氣體在自發(fā)擴(kuò)散的過程中，既不吸熱也不放熱，也不對(duì)外界做功。依據(jù)熱力學(xué)第肯定律可知，氣體自發(fā)擴(kuò)散前后，內(nèi)能不變，選項(xiàng)A正確，選項(xiàng)C錯(cuò)誤；氣體被壓縮的過程中，外界對(duì)氣體做功，氣體內(nèi)能增大，又因?yàn)榭隙ㄙ|(zhì)量的志向氣體的內(nèi)能只與溫度有關(guān)，所以氣體溫度上升，分子平均動(dòng)能增大，選項(xiàng)B、D正確；志向氣體分子勢(shì)能為零，內(nèi)能表現(xiàn)為分子動(dòng)能，內(nèi)能增大，則分子動(dòng)能增大，分子平均動(dòng)能也增大，選項(xiàng)E錯(cuò)誤。考點(diǎn)二對(duì)熱力學(xué)其次定律的理解1．熱力學(xué)其次定律的理解(1)“自發(fā)地”指明白熱傳遞等熱力學(xué)宏觀現(xiàn)象的方向性，不須要借助外界供應(yīng)能量的幫助。(2)“不產(chǎn)生其他影響”的含義是發(fā)生的熱力學(xué)宏觀過程只在本系統(tǒng)內(nèi)完成，對(duì)四周環(huán)境不產(chǎn)生熱力學(xué)方面的影響。如吸熱、放熱、做功等。2．熱力學(xué)其次定律的實(shí)質(zhì)熱力學(xué)其次定律的每一種表述，都揭示了大量分子參加宏觀過程的方向性，進(jìn)而使人們相識(shí)到自然界中進(jìn)行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性。特殊提示：熱量不行能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體，但在有外界影響的條件下，熱量可以從低溫物體傳到高溫物體，如電冰箱；在引起其他變更的條件下內(nèi)能可以全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，如氣體的絕熱膨脹過程。3．兩類永動(dòng)機(jī)的比較第一類永動(dòng)機(jī)其次類永動(dòng)機(jī)不須要任何動(dòng)力或燃料，卻能不斷地對(duì)外做功的機(jī)器從單一熱源汲取熱量，使之完全變勝利，而不產(chǎn)生其他影響的機(jī)器違反能量守恒定律，不行能制成不違反能量守恒定律，但違反熱力學(xué)其次定律，不行能制成例2如圖所示為電冰箱的工作原理示意圖。壓縮機(jī)工作時(shí)，強(qiáng)迫制冷劑在冰箱內(nèi)外的管道中不斷循環(huán)。在蒸發(fā)器中制冷劑汽化汲取箱體內(nèi)的熱量，經(jīng)過冷凝器時(shí)制冷劑液化，放出熱量到箱體外。(1)下列說法正確的是BC。A．熱量可以自發(fā)地從冰箱內(nèi)傳到冰箱外B．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，是因?yàn)槠湎牧穗娔蹸．電冰箱的工作原理不違反熱力學(xué)第肯定律D．電冰箱的工作原理違反熱力學(xué)第肯定律(2)電冰箱的制冷系統(tǒng)從冰箱內(nèi)汲取的熱量與釋放到外界的熱量相比，有怎樣的關(guān)系？[解析](1)熱力學(xué)第肯定律是熱現(xiàn)象中內(nèi)能與其他形式能的轉(zhuǎn)化規(guī)律，是能量守恒定律的詳細(xì)表現(xiàn)。適用于全部的熱學(xué)過程，故C項(xiàng)正確，D項(xiàng)錯(cuò)誤；由熱力學(xué)其次定律可知，熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體，除非有外界的影響或幫助，電冰箱把熱量從低溫的內(nèi)部傳到高溫的外部，須要壓縮機(jī)的幫助并消耗電能，故B項(xiàng)正確，A項(xiàng)錯(cuò)誤。(2)由熱力學(xué)第肯定律可知，電冰箱制冷系統(tǒng)從冰箱內(nèi)汲取了熱量，同時(shí)消耗了電能，釋放到外界的熱量比從冰箱內(nèi)汲取的熱量多?！沧兪接?xùn)練2〕(多選)下列說法正確的是(ADE)A．肯定質(zhì)量的志向氣體等溫膨脹時(shí)，該志向氣體汲取的熱量全部用于對(duì)外做功B．利用新科技手段對(duì)內(nèi)燃機(jī)進(jìn)行不斷的改進(jìn)，可以使內(nèi)燃機(jī)獲得的內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能而不引起其他變更C．夏天開空調(diào)可以使房間的溫度比室外低，說明熱量可以自發(fā)地從低溫物體傳向高溫物體D．其次類永動(dòng)機(jī)不行能制成是因?yàn)檫`反了熱力學(xué)其次定律E．隨著節(jié)能減排措施的不斷完善，最終也不會(huì)使熱機(jī)的效率達(dá)到100%[解析]肯定質(zhì)量的志向氣體等溫膨脹時(shí)，依據(jù)熱力學(xué)第肯定律，溫度不變(ΔU＝0)，體積增大(W<0)，氣體汲取熱量(Q>O)，該志向氣體汲取的熱量全部用于對(duì)外做功，故A正確；依據(jù)熱力學(xué)其次定律，隨著科技的進(jìn)步，熱機(jī)的效率也不能達(dá)到100%，不能使內(nèi)燃機(jī)獲得的內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能而不引起其他變更，故B錯(cuò)誤；夏天開空調(diào)可以使房間的溫度比室外低，說明熱量可以從低溫物體傳向高溫物體，但必需有電對(duì)其做功，而不是自發(fā)的過程，故C錯(cuò)誤；其次類永動(dòng)機(jī)不行能制成是因?yàn)檫`反了熱力學(xué)其次定律，故D正確；由η＝eq\f(Q1－Q2,Q1)可知，只要Q2≠0，η≠1，假如Q2＝0，則低溫?zé)釒觳淮嬖?，違反了開爾文表述，故E正確?？键c(diǎn)三熱力學(xué)定律與氣體試驗(yàn)定律的綜合解答該類問題的流程：例3(2024·四川棠湖中學(xué)期末)如圖所示，一排球內(nèi)氣體的壓強(qiáng)為p0、體積為V0、溫度為T0，用打氣筒對(duì)排球充入壓強(qiáng)為p0、溫度為T0的氣體，使球內(nèi)氣體壓強(qiáng)變?yōu)?p0同時(shí)溫度升至2T0，充氣過程中氣體向外放出Q的熱量，假設(shè)排球體積不變，氣體內(nèi)能U與溫度的關(guān)系為U＝kT(k為正常數(shù))，打氣筒與球中氣體均可視為志向氣體，求：(1)打氣筒對(duì)排球充入壓強(qiáng)為p0、溫度為T0的氣體的體積；(2)打氣筒對(duì)排球充氣過程中打氣筒對(duì)氣體做的功。[解析]本題考查熱力學(xué)第肯定律與志向氣體狀態(tài)方程在解決實(shí)際問題中的應(yīng)用。(1)設(shè)打氣筒對(duì)排球充入壓強(qiáng)為p0、溫度為T0的氣體的體積為V，以排球內(nèi)氣體與充入的氣體整體為探討對(duì)象，氣體的初狀態(tài)參量p1＝p0，V1＝V0＋V，T1＝T0，氣體的末狀態(tài)參量p2＝3p0，V2＝V0，T2＝2T0，依據(jù)志向氣體狀態(tài)方程得eq\f(p1V1,T1)＝eq\f(p2V2,T2)，解得V＝0.5V0。(2)因?yàn)闅怏w內(nèi)能U與溫度的關(guān)系為U＝kT，所以打氣過程中排球內(nèi)氣體內(nèi)能變更ΔU＝k(2T0－T0)＝kT0，由熱力學(xué)第肯定律得ΔU＝W＋(－Q)，解得打氣筒對(duì)氣體做的功W＝Q＋kT0。[答案](1)0.5V0(2)Q＋kT0〔變式訓(xùn)練3〕(2024·全國卷Ⅲ，33(1))(多選)如圖，肯定量的志向氣體從狀態(tài)a變更到狀態(tài)b，其過程如p－V圖中從a到b的直線所示。在此過程中(BCD)A．氣體溫度始終降低B．氣體內(nèi)能始終增加C．氣體始終對(duì)外做功D．氣體始終從外界吸熱E．氣體汲取的熱量始終全部用于對(duì)外做功[解析]A錯(cuò)：在p－V圖中志向氣體的等溫線是雙曲線的一支，而且離坐標(biāo)軸越遠(yuǎn)溫度越高，故從a到b溫度上升。B對(duì)：肯定質(zhì)量的志向氣體的內(nèi)能由溫度確定，溫度越高，內(nèi)能越大。C對(duì)：氣體體積膨脹，對(duì)外做功。D對(duì)：依據(jù)熱力學(xué)第肯定律ΔU＝Q＋W，得Q＝ΔU－W，由于ΔU＞0、W＜0，故Q＞0，氣體吸熱。E錯(cuò)：由Q＝ΔU－W可知，氣體汲取的熱量一部分用來對(duì)外做功，一部分用來增加氣體的內(nèi)能。2年高考·1年模擬2NIANGAOKAO1NIANMONI1．(2024·全國Ⅲ理綜·33)如圖，一開口向上的導(dǎo)熱汽缸內(nèi)，用活塞封閉了肯定質(zhì)量的志向氣體，活塞與汽缸壁間無摩擦?，F(xiàn)用外力作用在活塞上，使其緩慢下降。環(huán)境溫度保持不變，系統(tǒng)始終處于平衡狀態(tài)。在活塞下降過程中BCD。A．氣體體積漸漸減小，內(nèi)能增加B．氣體壓強(qiáng)漸漸增大，內(nèi)能不變C．氣體壓強(qiáng)漸漸增大，放出熱量D．外界對(duì)氣體做功，氣體內(nèi)能不變E．外界對(duì)氣體做功，氣體汲取熱量[解析]本題通過汽缸模型考查氣體試驗(yàn)定律和熱力學(xué)第肯定律。由于汽缸是導(dǎo)熱的，所以志向氣體做等溫變更，無論志向氣體的體積、壓強(qiáng)如何變更，氣體是否對(duì)外界做功或外界是否對(duì)氣體做功，其內(nèi)能均保持不變，故A錯(cuò)誤；依據(jù)玻意耳定律可知，活塞下降過程中氣體的體積減小，氣體的壓強(qiáng)增大，外界對(duì)氣體做功，即W>0，又ΔU＝0，依據(jù)熱力學(xué)第肯定律ΔU＝Q＋W，可知?dú)怏w放出熱量，故B、C、D正確，E錯(cuò)誤。2．(2024·山東卷)肯定質(zhì)量的志向氣體從狀態(tài)a起先，經(jīng)a→b、b→c、c→a三個(gè)過程后回到初始狀態(tài)a，其p－V圖像如圖所示。已知三個(gè)狀態(tài)的坐標(biāo)分別為a(V0,2p0)、b(2V0，p0)、c(3V0，2p0)。以下推斷正確的是(C)A．氣體在a→b過程中對(duì)外界做的功小于在b→c過程中對(duì)外界做的功B．氣體在a→b過程中從外界汲取的熱量大于在b→c過程中從外界汲取的熱量C．在c→a過程中，外界對(duì)氣體做的功小于氣體向外界放出的熱量D．氣體在c→a過程中內(nèi)能的削減量大于b→c過程中內(nèi)能的增加量[解析]A項(xiàng)：依據(jù)氣體做功的表達(dá)式W＝Fx＝pSx＝p·ΔV可知p－V圖線和體積橫軸圍成的面積即為做功大小，所以氣體在a→b過程中對(duì)外界做的功等于b→c過程中對(duì)外界做的功，A錯(cuò)誤；B項(xiàng)：氣體從a→b，滿意玻意耳定律pV＝C，所以Ta＝Tb所以ΔUab＝0，依據(jù)熱力學(xué)第肯定律ΔU＝Q＋W可知0＝Qab＋Wab氣體從b→c，溫度上升，所以ΔUbc>0，依據(jù)熱力學(xué)第肯定律可知ΔUbc＝Qbc＋Wbc結(jié)合A選項(xiàng)可知Wab＝Wbc<0所以Qbc>Qabb→c過程氣體汲取的熱量大于a→b過程汲取的熱量，B錯(cuò)誤；C項(xiàng)：氣體從c→a，溫度降低，所以ΔUca<0，氣體體積減小，外界對(duì)氣體做功，所以Wca>0，依據(jù)熱力學(xué)第肯定律可知Qca<0，放出熱量，C正確；D項(xiàng)：志向氣體的內(nèi)能只與溫度有關(guān)，依據(jù)Ta＝Tb可知eq\b\lc\|\rc\|(\a\vs4\al\co1(ΔTca))＝eq\b\lc\|\rc\|(\a\vs4\al\co1(ΔTbc))所以氣體從c→a過程中內(nèi)能的削減量等于b→c過程中內(nèi)能的增加量，D錯(cuò)誤。故