高考總復習優(yōu)化設計GAOKAOZONGFUXIYOUHUASHEJI第3節(jié)熱力學定律與能量守恒定律第十三章2022內(nèi)容索引0102必備知識預案自診關鍵能力學案突破必備知識預案自診【知識梳理】

一、熱力學第一定律1.改變物體內(nèi)能的兩種方式①(1)

;

(2)

。

2.熱力學第一定律(1)內(nèi)容:一個熱力學系統(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)表達式:ΔU=

。

做功

熱傳遞

Q+W二、能量守恒定律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

為另一種形式,或者是從一個物體

到別的物體,在

或

的過程中,能量的總量保持不變。

2.條件性能量守恒定律是自然界的

,某一種形式的能是否守恒是有條件的。

3.第一類永動機是不可能制成的,它違背了

。

轉化轉移轉化轉移普遍規(guī)律能量守恒定律三、熱力學第二定律1.熱力學第二定律的兩種表述(1)克勞修斯表述:熱量不能

從低溫物體傳到高溫物體。

(2)開爾文表述:不可能從單一熱庫吸收熱量,使之完全變成功,而

?；虮硎鰹椤?/p>

永動機是不可能制成的”。

2.用熵的概念表示熱力學第二定律在任何自然過程中,一個孤立系統(tǒng)的總熵不會

。

自發(fā)地不產(chǎn)生其他影響第二類減小3.熱力學第二定律的微觀意義一切自發(fā)過程總是沿著分子熱運動的

增大的方向進行②。

②注:熱力學第二定律的每一種表述,都揭示了自然界中進行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性。4.第二類永動機不可能制成的原因是違背了

③。

③注:第一類永動機違背能量守恒定律,第二類永動機不違背能量守恒定律但違背熱力學第二定律。

無序性熱力學第二定律【考點自診】

1.判斷下列說法的正誤。(1)做功和熱傳遞的實質是相同的。(

)(2)絕熱過程中,外界壓縮氣體做功,氣體的內(nèi)能一定減少。(

)(3)物體吸收熱量,同時對外做功,內(nèi)能可能不變。(

)(4)熱機中,燃氣的內(nèi)能可以全部變?yōu)闄C械能而不引起其他變化。(

)××√×2.關于系統(tǒng)的內(nèi)能及其變化,下列說法正確的是(

)A.系統(tǒng)的溫度改變時,其內(nèi)能必定改變B.系統(tǒng)對外做功,其內(nèi)能不一定改變;向系統(tǒng)傳遞熱量,其內(nèi)能不一定改變C.對系統(tǒng)做功,系統(tǒng)內(nèi)能必定改變;系統(tǒng)向外傳出一定熱量,其內(nèi)能必定改變D.若系統(tǒng)與外界不發(fā)生熱交換,則系統(tǒng)的內(nèi)能必定不改變答案

B解析

系統(tǒng)的溫度只能決定分子平均動能,而內(nèi)能由分子動能和分子勢能共同決定,A錯誤;做功和熱傳遞都可以改變系統(tǒng)的內(nèi)能,B正確,C、D錯誤。3.(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,茶會自動變得更熱B.蒸汽機把蒸汽的內(nèi)能全部轉化成機械能C.桶中渾濁的泥水在靜置一段時間后,泥沙下沉,上面的水變清,泥、水自動分離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

解析根據(jù)熱力學第二定律知,A、B錯誤,D正確;泥、水分離是因為泥沙所受重力大于水的浮力,C正確。4.(新教材人教版必修第三冊P64A組T5改編)如圖所示,固定汽缸內(nèi)由活塞封閉一定質量的氣體,開始時活塞處于靜止狀態(tài),用電熱絲對氣體加熱后活塞緩慢向左移動x,移動過程中活塞與汽缸的摩擦忽略不計,汽缸導熱性能良好,環(huán)境溫度保持不變。大氣壓強為p0,活塞面積為S,試分析氣體是吸熱還是放熱,熱量為多少?答案吸熱,熱量為p0Sx解析汽缸導熱性能良好,環(huán)境溫度保持不變,故氣體的內(nèi)能不變,氣體對外做的功為p0Sx,根據(jù)熱力學第一定律ΔU=W+Q,解得Q=p0Sx,故氣體吸收熱量。關鍵能力學案突破考點一熱力學第一定律(自主探究)1.熱力學第一定律不僅反映了做功和熱傳遞這兩種方式改變內(nèi)能的過程是等效的,而且給出了內(nèi)能的變化量和做功與熱傳遞之間的定量關系。2.對公式ΔU=Q+W符號的規(guī)定符號WQΔU+外界對物體做功物體吸收熱量內(nèi)能增加-物體對外界做功物體放出熱量內(nèi)能減少3.幾種特殊情況(1)若過程是絕熱的,則Q=0,W=ΔU,外界對物體做的功等于物體內(nèi)能的增加量。(2)若過程中不做功,即W=0,則Q=ΔU,物體吸收的熱量等于物體內(nèi)能的增加量。(3)若過程的始末狀態(tài)物體的內(nèi)能不變,即ΔU=0,則W+Q=0或W=-Q,外界對物體做的功等于物體放出的熱量。4.熱力學第二定律的實質熱力學第二定律的每一種表述,都揭示了大量分子參與宏觀過程的方向性,進而使人們認識到自然界中進行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性。5.兩類永動機的比較

分

類第一類永動機第二類永動機設計初衷不需要任何動力或燃料,卻能不斷地對外做功的機器從單一熱源吸收熱量,使之完全變成功,而不產(chǎn)生其他影響的機器不可能制成的原因違背能量守恒不違背能量守恒,但違背熱力學第二定律【對點演練】

1.(多選)關于物體的內(nèi)能,以下說法中正確的是(

)A.物體吸收熱量,內(nèi)能一定增大B.物體放出熱量,同時對外做功,內(nèi)能一定減少C.物體體積改變,內(nèi)能可能不變D.不可能從單一熱源吸收熱量,使之完全變?yōu)楣Υ鸢?/p>

BC

解析

物體吸收熱量,若同時對外做功,其內(nèi)能可能減少,選項A錯誤;根據(jù)熱力學第一定律,物體放出熱量,同時對外做功,內(nèi)能一定減少,選項B正確;物體體積改變,例如理想氣體體積改變,只要溫度不變,其內(nèi)能不變,選項C正確;可以從單一熱源吸收熱量,使之完全變?yōu)楣?但是會引起其他變化,選項D錯誤。2.(2020山東泰安模擬)如圖所示,在豎直放置的導熱性能良好的圓柱形容器內(nèi)用質量為m的活塞密封一部分理想氣體,活塞能無摩擦地滑動,容器的橫截面積為S。整個裝置放在大氣壓為p0的室內(nèi),穩(wěn)定時活塞與容器底的距離為h0?，F(xiàn)把容器移至大氣壓仍為p0的室外,活塞緩慢上升d后再次平衡,重力加速度大小為g。若此過程中氣體吸收的熱量為Q,則密閉氣體的內(nèi)能(

)A.減少了Q-(mg+p0S)dB.減少了Q+(mg+p0S)dC.增加了Q-(mg+p0S)dD.增加了Q+(mg+p0S)d答案

C解析

活塞上升的過程,密閉氣體克服大氣壓力和活塞的重力做功,所以外界對系統(tǒng)做的功W=-(mg+p0S)d,根據(jù)熱力學第一定律得密閉氣體增加的內(nèi)能ΔU=Q+W=Q-(mg+p0S)d,即在此過程中的密閉氣體的內(nèi)能增加了

Q-(mg+p0S)d,故C正確,A、B、D錯誤?？键c二熱力學第二定律(自主探究)1.熱力學第二定律的理解(1)在熱力學第二定律的表述中“自發(fā)地”“不產(chǎn)生其他影響”的含義。①“自發(fā)地”指明了熱傳遞現(xiàn)象的方向性,不需要借助外界提供能量的幫助。②“不產(chǎn)生其他影響”是說發(fā)生的熱力學宏觀過程只在本系統(tǒng)內(nèi)完成,對周圍環(huán)境不產(chǎn)生熱力學方面的影響。如吸熱、放熱、做功等。(2)熱力學第二定律的實質熱力學第二定律的每一種表述,都揭示了大量分子參與宏觀過程的方向性,進而使人們認識到自然界中進行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性。(3)熱力學過程方向性實例

(4)熱力學第二定律的微觀意義:一切自發(fā)過程總是沿著分子熱運動的無序性增大的方向進行。2.熱力學第一、第二定律的比較

熱力學第一定律熱力學第二定律定律揭示的問題從能量守恒的角度揭示了功、熱量和內(nèi)能改變量三者的定量關系指出自然界中出現(xiàn)的宏觀過程是有方向性的機械能和內(nèi)能的轉化當摩擦力做功時,機械能可以全部轉化為內(nèi)能內(nèi)能不可能在不引起其他變化的情況下完全變成機械能表述形式只有一種表述形式有多種表述形式兩定律的關系在熱力學中,兩者既相互獨立,又互為補充,共同構成了熱力學知識的理論基礎【對點演練】

3.(2020全國卷Ⅱ)下列關于能量轉換過程的敘述,違背熱力學第一定律的有

,不違背熱力學第一定律,但違背熱力學第二定律的有

。(填正確答案標號)

A.汽車通過燃燒汽油獲得動力并向空氣中散熱B.冷水倒入保溫杯后,冷水和杯子的溫度都變得更低C.某新型熱機工作時將從高溫熱源吸收的熱量全部轉化為功,而不產(chǎn)生其他影響D.冰箱的制冷機工作時從箱內(nèi)低溫環(huán)境中提取熱量散發(fā)到溫度較高的室內(nèi)答案

B

C

解析

B項中,冷水倒入保溫杯后,在熱傳遞過程中,保溫杯降溫,冷水必升溫,若都降溫,就違背了熱力學第一定律;C項中,新型熱機的效率也達不到100%,熱量不可能全部轉化為功,違背了熱力學第二定律。4.(多選)(2020廣東順德模擬)下列關于熱力學定律的說法正確的是(

)A.如果兩個系統(tǒng)均與第三個系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài),這兩個系統(tǒng)的溫度一定相等B.可以找到一種材料做成墻壁,冬天供暖時吸收熱量溫度升高,然后向房間自動釋放熱量供暖,然后再把熱量吸收回去,形成循環(huán)供暖,只需要短時間供熱后即可停止外界供熱C.低溫系統(tǒng)可以向高溫系統(tǒng)傳遞熱量D.無論科技如何進步與發(fā)展,絕對零度都不可以達到答案

ACD

解析

如果兩個系統(tǒng)均與第三個系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài),這兩個系統(tǒng)的溫度一定相等,A正確;根據(jù)熱力學第二定律,題中所述的問題不可能實現(xiàn),B錯誤;低溫系統(tǒng)向高溫系統(tǒng)傳遞熱量是可以實現(xiàn)的,前提是要引起其他變化,C正確;絕對零度不可以達到,D正確?？键c三熱力學定律與氣體實驗定律的綜合應用(師生共研)1.熱力學定律與氣體實驗定律問題的處理方法(1)氣體實驗定律研究對象是一定質量的理想氣體。(2)解決具體問題時,分清氣體的變化過程是求解問題的關鍵,根據(jù)不同的變化,找出與之相關的氣體狀態(tài)參量,利用相關規(guī)律解決。(3)對理想氣體,只要體積變化,外界對氣體(或氣體對外界)就要做功,如果是等壓變化,W=pΔV;只要溫度發(fā)生變化,其內(nèi)能就發(fā)生變化。(4)結合熱力學第一定律ΔU=W+Q求解問題。2.與理想氣體相關的熱力學問題的分析方法對一定量理想氣體的內(nèi)能變化,吸熱還是放熱及外界對氣體如何做功等問題,可按下面方法判定:(1)做功情況看體積體積V減小→外界對氣體做功→W>0;體積V增大→氣體對外界做功→W<0;無阻礙地自由膨脹→W=0。(2)內(nèi)能變化看溫度溫度T升高→內(nèi)能增加→ΔU>0;溫度T降低→內(nèi)能減少→ΔU<0。(3)吸熱還是放熱,一般題目中會告知,或由熱力學第一定律ΔU=Q+W,知道W和ΔU后確定Q?！镜淅?】

(2020四川成都二診)如圖所示,封有一定質量理想氣體的圓柱形汽缸豎直放置,汽缸的高度H=30cm,缸體內(nèi)底面積S=200cm2,缸體質量M=10kg。彈簧下端固定在水平桌面上,上端連接活塞,當缸內(nèi)氣體溫度T0=280K時,缸內(nèi)氣體高h=20cm?，F(xiàn)緩慢加熱氣體,使活塞最終恰好靜止在缸口(未漏氣),此過程中缸內(nèi)氣體吸收熱量為Q=450J。已知大氣壓恒為p0=1×105Pa,重力加速度g取10m/s2,不計活塞質量、厚度及活塞與缸壁的摩擦,且汽缸底部及活塞表面始終保持水平。求:(1)活塞最終靜止在缸口時,缸內(nèi)氣體的溫度;(2)加熱過程中,缸內(nèi)氣體內(nèi)能的增加量。答案(1)420K

(2)240J解析(1)加熱過程為等壓變化,設缸內(nèi)氣體的末態(tài)溫度為T,初態(tài)溫度為T0=280

K代入數(shù)據(jù)解得T=420

K(2)設缸內(nèi)氣體的壓強為p;對汽缸由平衡條件有Mg+p0S=pS該過程氣體對外做功W=pS(H-h)則外界對氣體做功為W'=-W由熱力學第一定律有ΔU=W'+Q代入數(shù)據(jù)解得ΔU=240

J解題指導審題關鍵詞句分析解讀活塞最終靜止在缸口末態(tài)時氣體的體積缸體面積,缸體質量,大氣壓缸內(nèi)氣體的壓強緩慢加熱氣體等壓變化過程破題

1.對汽缸受力分析,汽缸受重力、外邊大氣向下的壓力、封閉氣體向上的壓力,加熱過程中,汽缸受力不變,因此加熱氣體過程中封閉氣體的壓強不變,氣體發(fā)生等壓變化,由等壓變化規(guī)律計算。2.對活塞受力分析,受重力、封閉氣體向下的壓力、外邊氣體向上的壓力,加熱過程中,活塞受力不變,因此活塞不動。汽缸向上移動的高度為H-h,氣體對外做功W=pS(H-h),由熱力學第一定律計算內(nèi)能的增加量。素養(yǎng)微點【對點演練】

5.(多選)(2020全國卷Ⅲ)如圖所示,一開口向上的導熱汽缸內(nèi),用活塞封閉了一定質量的理想氣體,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

。

A.氣體體積逐漸減小,內(nèi)能增加B.氣體壓強逐漸增大,內(nèi)能不變C.氣體壓強逐漸增大,放出熱量D.外界對氣體做功,氣體內(nèi)能不變E.外界對氣體做功,氣體吸收熱量答案

BCD

解析

本題以汽缸為背景,意在考查氣體實驗定律和熱力學定律。一定質量理想氣體的內(nèi)能僅與溫度有關,溫度不變,氣體內(nèi)能不變,選項A錯誤;根據(jù)p1V1=p2V2,氣體體積變小,壓強增大,選項B正確;外界對氣體做功W>0,內(nèi)能不變ΔU=0,由ΔU=W+Q,可得Q<0,放出熱量,選項C、D正確,選項E錯誤。6.(2020天津卷)水槍是孩子們喜愛的玩具,常見的氣壓式水槍儲水罐示意如圖。從儲水罐充氣口充入氣體,達到一定壓強后,關閉充氣口?？蹌影鈾C將閥門M打開,水即從槍口噴出。若在水不斷噴出的過程中,罐內(nèi)氣體溫度始終保持不變,則氣體(

)A.壓強變大

B.對外界做功C.對外界放熱

D.分子平均動能變大答案

B解析

研究儲水罐內(nèi)封閉的氣體,在溫度不變時,pV=C,C為常數(shù),氣體體積變大,壓強變小,A錯誤;氣體體積變大,對外做功,B正確;溫度不變,內(nèi)能不變,ΔU=0,根據(jù)熱力學第一定律,ΔU=W+Q,氣體體積變大,W為負值,則Q為正值,氣體吸熱,C錯誤;溫度是分子平均動能的標志,溫度不變,平均動能不變,D錯誤?？键c四熱力學第一定律與氣體圖像的綜合(師生共研)處理熱力學第一定律與氣體圖像的綜合問題的思路1.根據(jù)氣體圖像的特點判斷氣體的溫度、體積的變化情況,從而判斷氣體與外界的吸、放熱關系及做功關系。2.在p-V圖像中,圖線與V軸圍成的面積表示氣體對外界或外界對氣體做的功。3.結合熱力學第一定律判斷有關問題?！镜淅?】

(2020山東卷)一定質量的理想氣體從狀態(tài)a開始,經(jīng)a→b、b→c、c→a三個過程后回到初始狀態(tài)a,其p-V圖像如圖所示。已知三個狀態(tài)的坐標分別為a(V0,2p0)、b(2V0,p0)、c(3V0,2p0)。以下判斷正確的是(

)A.氣體在a→b過程中對外界做的功小于在b→c過程中對外界做的功B.氣體在a→b過程中從外界吸收的熱量大于在b→c過程中從外界吸收的熱量C.在c→a過程中,外界對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)能的減少量大于b→c過程中內(nèi)能的增加量答案

C

解析

在p-V圖像中,圖像與坐標橫軸所圍的面積表示外界對氣體做的功,體積增加時做負功,體積減少時做正功,a→b過程的面積與b→c過程的面積相等,表明兩個過程做功大小相等,W1=W2,選項A錯誤;根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程,=C,pV值越大,溫度越高,狀態(tài)a、b、c三者溫度對比Ta=Tb<Tc;一定質量理想氣體的內(nèi)能只與溫度有關,a→b過程的內(nèi)能變化ΔU1=0,b→c過程的內(nèi)能變化ΔU2>0,根據(jù)熱力學第一定律,a→b過程,ΔU1=W1+Q1,得出Q1=-W1,b→c過程,ΔU2=W2+Q2,得出Q2=ΔU2-W2,故Q2>Q1,選項B錯誤;c→a過程的內(nèi)能變化ΔU3<0,體積減小,W3>0,根據(jù)熱力學第一定律,c→a過程,ΔU3=W3+Q3,得出W3<|Q3|,選項C正確;Ta=Tb<Tc,c→a過程內(nèi)能的減少量等于b→c過程內(nèi)能的增加量,選項D錯誤。素養(yǎng)微點(1)理想氣體的內(nèi)能變化看溫度;(2)p-V圖像所圍的面積表示氣體做的功?！緦c演練】

7.(2020山東德州二模)如圖所示,a、b、c為一定質量的理想氣體變化過程中的三個不同狀態(tài),下列說法正確的是(

)A.a、b、c三