2024高考物理一輪復(fù)習(xí)第十二章熱學(xué)第3講熱力學(xué)定律與能量守恒練習(xí)含解析魯科版

PAGE10-第3講熱力學(xué)定律與能量守恒考點(diǎn)一熱力學(xué)第肯定律的理解和應(yīng)用【典例1】肯定質(zhì)量的氣體，在從狀態(tài)1變更到狀態(tài)2的過程中，汲取熱量280J，并對外做功120J，試問：(1)這些氣體的內(nèi)能發(fā)生了怎樣的變更？(2)假如這些氣體又返回原來的狀態(tài)，并放出了240J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？ 【通型通法】1.題型特征：熱力學(xué)第肯定律的應(yīng)用。2.思維導(dǎo)引：氣體的內(nèi)能僅與狀態(tài)有關(guān)，氣體返回到原狀態(tài)，整個(gè)過程中氣體內(nèi)能變更為零?！窘馕觥?1)由熱力學(xué)第肯定律可得ΔU=W+Q=-120J+280J=160J，氣體的內(nèi)能增加了160J。(2)氣體從狀態(tài)2回到狀態(tài)1的過程中內(nèi)能的削減量應(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)削減160J，即ΔU′=-160J，又Q′=-240J，依據(jù)熱力學(xué)第肯定律得：ΔU′=W′+Q′，所以W′=ΔU′-Q′=-160J-(-240J)=80J，即外界對氣體做功80J。答案：(1)增加了160J(2)外界對氣體做功80J1.熱力學(xué)第肯定律ΔU=Q+W：(1)符號(hào)法則。符號(hào)WQΔU+外界對物體做功物體汲取熱量內(nèi)能增加-物體對外界做功物體放出熱量內(nèi)能減小(2)三種特別狀況。過程含義內(nèi)能變更物理意義絕熱Q=0ΔU=W外界對物體做的功等于物體內(nèi)能的增加等容W=0Q=ΔU物體汲取的熱量等于物體內(nèi)能的增加等溫ΔU=0W=-Q外界對物體做的功，等于物體放出的熱量2.做功和熱傳遞的區(qū)分與聯(lián)系：兩種方式做功熱傳遞區(qū)別內(nèi)能變更狀況外界對物體做功，物體的內(nèi)能增加；物體對外界做功，物體的內(nèi)能削減物體汲取熱量，內(nèi)能增加；物體放出熱量，內(nèi)能削減從運(yùn)動(dòng)形式上看做功是宏觀的機(jī)械運(yùn)動(dòng)向物體的微觀分子熱運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)化熱傳遞是通過分子之間的相互作用，使同一物體的不同部分或不同物體間的分子熱運(yùn)動(dòng)發(fā)生變更從能量的角度看做功是其他形式的能與內(nèi)能相互轉(zhuǎn)化的過程不同物體間或同一物體不同部分之間內(nèi)能的轉(zhuǎn)移能的性質(zhì)變更狀況能的性質(zhì)發(fā)生了變更能的性質(zhì)不變聯(lián)系做肯定量的功或傳遞肯定量的熱量在變更內(nèi)能的效果上是相同的【加固訓(xùn)練】(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)有肯定量的淡薄氣體，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)能削減B.氣體不對外界做功，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【解析】選B、D。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，Q=0，由熱力學(xué)第肯定律知，ΔU=0，故B正確；淡薄氣體可看作志向氣體，內(nèi)能不變，則溫度不變，由玻意耳定律知壓強(qiáng)減小，故C錯(cuò)誤，D正確?？键c(diǎn)二熱力學(xué)其次定律的理解和應(yīng)用【典例2】(多選)(2024·青島模擬)依據(jù)熱力學(xué)定律，下列說法正確的是 ()A.其次類永動(dòng)機(jī)違反能量守恒定律，因此不行能制成B.效率為100%的熱機(jī)是不行能制成的C.電冰箱的工作過程表明，熱量可以從低溫物體向高溫物體傳遞D.從單一熱源汲取熱量，使之完全變?yōu)楣κ翘岣邫C(jī)械效率的常用手段【通型通法】1.題型特征：熱力學(xué)其次定律的理解。2.思維導(dǎo)引：熱力學(xué)其次定律揭示了熱現(xiàn)象的宏觀過程具有方向性。(1)高溫物體低溫物體(2)功熱【解析】選B、C。其次類永動(dòng)機(jī)不行能制成，是因它違反了熱力學(xué)其次定律，故A錯(cuò)誤；效率為100%的熱機(jī)是不行能制成的，故B正確；電冰箱的工作過程表明，熱量可以從低溫物體向高溫物體傳遞，故C正確；從單一熱源汲取熱量，使之完全變?yōu)楣κ遣恍心軐?shí)現(xiàn)的，故D錯(cuò)誤?！径嗑S訓(xùn)練】(多選)下列說法中正確的是 ()A.熱量可以從低溫物體傳遞到高溫物體B.科技的進(jìn)步可以使內(nèi)燃機(jī)成為單一熱源的熱機(jī)C.能源危機(jī)指能量的過度消耗導(dǎo)致自然界的能量不斷削減D.功可以全部轉(zhuǎn)化為熱量，熱量也可以全部轉(zhuǎn)化為功【解析】選A、D。空調(diào)可以使熱量從低溫物體向高溫物體傳遞，A對；由熱力學(xué)其次定律知不行能有單一熱源的熱機(jī)，B錯(cuò)；能量是守恒的，C錯(cuò)；功可以全部轉(zhuǎn)化為熱量，依據(jù)熱力學(xué)其次定律可知，在外界的影響下，熱量也可以全部轉(zhuǎn)化為功，D對。1.在熱力學(xué)其次定律的表述中，“自發(fā)地”“不產(chǎn)生其他影響”的含義：(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。(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。2.兩類永動(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3.熱力學(xué)第一、其次定律的比較：比較項(xiàng)目熱力學(xué)第肯定律熱力學(xué)其次定律定律揭示的問題它從能量守恒的角度揭示了功、熱量和內(nèi)能變更量三者的定量關(guān)系它指出自然界中出現(xiàn)的宏觀過程是有方向性的機(jī)械能和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化當(dāng)摩擦力做功時(shí)，機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能內(nèi)能不行能在不引起其他變更的狀況下完全變成機(jī)械能熱量的傳遞熱量可以從高溫物體自發(fā)地傳向低溫物體說明熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳向高溫物體表述形式只有一種表述形式有多種表述形式兩定律的關(guān)系在熱力學(xué)中，兩者既相互獨(dú)立，又互為補(bǔ)充，共同構(gòu)成了熱力學(xué)學(xué)問的理論基礎(chǔ)【加固訓(xùn)練】(多選)以下現(xiàn)象不違反熱力學(xué)其次定律的有 ()A.一杯熱茶在打開蓋后，茶會(huì)自動(dòng)變涼B.沒有漏氣、沒有摩擦的志向熱機(jī)，其效率可能是100%C.桶中渾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.熱量自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體【解析】選A、C。熱茶自動(dòng)變涼是熱量從高溫物體傳遞到低溫物體，A正確；任何熱機(jī)效率都不行能達(dá)到100%，B錯(cuò)誤；泥水分別是機(jī)械能(重力勢能)向內(nèi)能的轉(zhuǎn)化，C正確；熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體，D錯(cuò)誤?？键c(diǎn)三氣體試驗(yàn)定律和熱力學(xué)定律的綜合應(yīng)用圖象類【典例3】(多選)(2024·全國卷Ⅰ改編)如圖，肯定質(zhì)量的志向氣體從狀態(tài)a起先，經(jīng)驗(yàn)過程①、②、③、④到達(dá)狀態(tài)e。對此氣體，下列說法正確的是()A.過程①中氣體的壓強(qiáng)漸漸減小B.過程②中氣體對外界做正功C.過程④中氣體從外界汲取了熱量D.狀態(tài)c、d的內(nèi)能相等【通型通法】1.題型特征：氣體狀態(tài)變更圖象與熱力學(xué)第肯定律結(jié)合。2.思維導(dǎo)引：對肯定質(zhì)量的志向氣體，溫度T的變更→內(nèi)能變更ΔU的狀況；體積V的變更→功W的狀況；由熱力學(xué)第肯定律ΔU=Q+W推斷熱量Q的狀況?！窘馕觥窟xB、D。對肯定質(zhì)量的志向氣體有pVT=C，過程①是等容升溫，則壓強(qiáng)變大，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；過程②中氣體膨脹，對外界做功，選項(xiàng)B正確；過程④等容降溫，氣體向外界放熱，選項(xiàng)C錯(cuò)誤；肯定質(zhì)量的志向氣體的內(nèi)能只與溫度有關(guān)，故狀態(tài)c、d的內(nèi)能相等，選項(xiàng)D【多維訓(xùn)練】(多選)肯定質(zhì)量的志向氣體從狀態(tài)a起先,經(jīng)驗(yàn)三個(gè)過程ab、bc、ca回到原狀態(tài),其V-T圖象如圖所示,pa、pb、pc分別表示狀態(tài)a、b、c的壓強(qiáng),下列推斷正確的是 ()A.過程ab中氣體肯定吸熱B.pc=pb>paC.過程bc中分子勢能不斷增大D.過程bc中每一個(gè)分子的速率都減小【解析】選A、B。由題圖知,該志向氣體從a到b為等容變更,外界對氣體做功為零,溫度上升,內(nèi)能增大,依據(jù)ΔU=Q+W,可知?dú)怏w肯定吸熱,選項(xiàng)A正確;從b到c為等壓變更,故pc=pb,而從a到b為等容變更,依據(jù)查理定律p=CT,可知溫度上升,壓強(qiáng)變大,故pb>pa,選項(xiàng)B正確;志向氣體沒有分子勢能,選項(xiàng)C錯(cuò)誤;從b到c,溫度降低,分子的平均動(dòng)能降低,平均速率減小,但不是每一個(gè)分子的速率都減小,選項(xiàng)D錯(cuò)誤。非圖象類【典例4】(2024·全國卷Ⅰ)某容器中的空氣被光滑活塞封住，容器和活塞絕熱性能良好，空氣可視為志向氣體。初始時(shí)容器中空氣的溫度與外界相同，壓強(qiáng)大于外界?，F(xiàn)使活塞緩慢移動(dòng)，直至容器中的空氣壓強(qiáng)與外界相同。此時(shí)，容器中空氣的溫度___________(選填“高于”“低于”或“等于”)外界溫度，容器中空氣的密度___________(選填“大于”“小于”或“等于”)外界空氣的密度。

【通型通法】1.題型特征：氣體狀態(tài)變更與熱力學(xué)定律相結(jié)合。2.思維導(dǎo)引：由熱力學(xué)第肯定律ΔU=Q+W推斷容器內(nèi)氣體內(nèi)能ΔU變更狀況→容器內(nèi)氣體溫度T變更狀況；由志向氣體狀態(tài)方程與密度的定義式導(dǎo)出表達(dá)式ρ=pmCT→【解析】容器與活塞絕熱性能良好，容器內(nèi)空氣與外界不發(fā)生熱交換，即Q=0；但在活塞移動(dòng)的過程中，容器內(nèi)空氣壓強(qiáng)減小，體積增大，容器內(nèi)空氣膨脹過程中對外界做功，W<0，由熱力學(xué)第肯定律ΔU=Q+W可知：ΔU<0，即容器內(nèi)空氣內(nèi)能減小，溫度降低，此時(shí)容器中空氣的溫度低于外界溫度；由于最終容器內(nèi)空氣壓強(qiáng)和外界空氣壓強(qiáng)相同，由志向氣體狀態(tài)方程：pV=CT，容器內(nèi)空氣密度ρ=mV(m為容器內(nèi)空氣質(zhì)量)；可得：ρ=pmCT。與容器外界質(zhì)量也為m的一部分空氣相比，由于容器內(nèi)空氣溫度T低于外界空氣的溫度答案：低于大于【多維訓(xùn)練】(多選)(2024·廣州模擬)某汽車后備箱內(nèi)安裝有撐起箱蓋的裝置，它主要由汽缸和活塞組成。開箱時(shí)，密閉于汽缸內(nèi)的壓縮氣體膨脹，將箱蓋頂起，如圖所示。在此過程中，若缸內(nèi)氣體與外界無熱交換，忽視氣體分子間相互作用，則缸內(nèi)氣體 ()A.對外做正功，分子的平均動(dòng)能減小B.對外做正功，內(nèi)能增大C.對外做負(fù)功，分子的平均動(dòng)能增大D.對外做正功，內(nèi)能減小【解析】選A、D。若缸內(nèi)氣體與外界無熱交換，由于氣體膨脹將箱蓋頂起過程中氣體對活塞的作用力方向與活塞的運(yùn)動(dòng)方向一樣，氣體對外做正功，故缸內(nèi)氣體的內(nèi)能肯定減小；由于忽視氣體分子間的相互作用，故氣體分子的平均動(dòng)能肯定減小。綜上可知，選項(xiàng)A、D正確，選項(xiàng)B、C錯(cuò)誤。氣體試驗(yàn)定律與熱力學(xué)定律的綜合問題求解思路【加固訓(xùn)練】1.(2024·深圳模擬)如圖甲所示，一圓柱形絕熱汽缸開口向上豎直放置，通過絕熱活塞將肯定質(zhì)量的志向氣體密封在汽缸內(nèi)，活塞質(zhì)量m=1kg、橫截面積S=5×10-4m2，原來活塞處于A位置。現(xiàn)通過電熱絲緩慢加熱氣體，直到活塞緩慢到達(dá)新的位置B，在此過程中，缸內(nèi)氣體的V-T圖象如圖乙所示，已知大氣壓強(qiáng)p0=1.0×105Pa，忽視活塞與汽缸壁之間的摩擦，重力加速度g(1)求缸內(nèi)氣體的壓強(qiáng)和活塞到達(dá)位置B時(shí)缸內(nèi)氣體的體積；(2)若缸內(nèi)氣體原來的內(nèi)能U0=72J，且氣體內(nèi)能與熱力學(xué)溫度成正比。求缸內(nèi)氣體變更過程中從電熱絲汲取的總熱量?！窘馕觥?1)活塞從A位置緩慢運(yùn)動(dòng)到B位置，活塞受力平衡，氣體為等壓變更，以活塞為探討對象：pS=p0S+mg，解得：p=p0+mgS=1.2×105由蓋—呂薩克定律有：VAT解得：VB=VAT(2)由氣體的內(nèi)能與熱力學(xué)溫度成正比，即UBU0=TBTA，外界對氣體做功：W=-p(VB-VA)=-24J由熱力學(xué)第肯定律：ΔU=UB-U0=Q+W得氣體變更過程中從電熱絲汲取的總熱量為Q=60J答案：(1)1.2×105Pa6×10-4m32.如圖所示，一根兩端開口、橫截面積為S=2cm2、足夠長的玻璃管豎直插入水銀槽中并固定(插入水銀槽中的部分足夠深)。管中有一個(gè)質(zhì)量不計(jì)的光滑活塞，活塞下封閉著長L=21cm的氣柱，氣體的溫度為t1=7℃，外界大氣壓強(qiáng)取p(1)若在活塞上放一個(gè)質(zhì)量為m=0.1kg的砝碼，保持氣體的溫度t1不變，則平衡后氣柱為多長？(g取10(2)若保持砝碼的質(zhì)量不變，對氣體加熱，使其溫度上升到t2=77℃，(3)若在(2)過程中，氣體汲取的熱量為10J，則氣體的內(nèi)能增加多少？【解析】(1)被封閉氣體的初狀態(tài)為：p1=p0=1.0×105Pa，V1=LS=42cmT1=280