高中物理高考 考点62 热力学定律和能量守恒定律-备战2022年高考物理考点一遍过

这是一份高中物理高考 考点62 热力学定律和能量守恒定律-备战2022年高考物理考点一遍过，共16页。试卷主要包含了热力学第零定律，热力学第一定律，热力学第二定律，热力学第三定律等内容，欢迎下载使用。
一、热力学第零定律1．热平衡定律：如果两个系统分别与第三个系统达到热平衡，则这两个系统也一定处于热平衡。2．意义：两个系统热平衡由温度表示，故热力学第零定律给出了温度的定义和测量方法。二、热力学第一定律1．定义：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．公式：ΔU=Q+W内能变化量/ΔU热量/Q做功/W符号内能增加吸收热量外界对系统做正功+内能减少放出热量系统对外界做正功–3．热力学第一定律实际上是涉及热现象的能量守恒定律。4．能量守恒定律：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，只能从一种形式转化为另一种形式，或者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。5．其他表述：第一类永动机不可能制成。三、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：不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响。3．其他表述：（1）气体向真空的自由膨胀是不可逆的。（2）第二类永动机不可能制成。4．宏观意义：阐述了传热的方向性；阐述了机械能与内能转化的方向性：机械能可以全部转化为内能，而内能无法全部用来做功以转换成机械能；热机的效率总是小于100%。5．微观意义：一切自发过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行。6．熵增加原理（热力学第二定律）：在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小。四、热力学第三定律1．定义：不可能通过有限的过程把一个物体冷却到绝对零度。2．意义：绝对零度不可能达到。（2019·广东高考模拟）下列说法正确的是A．一定质量的理想气体等温膨胀时，该理想气体吸收的热量全部用于对外做了功B．利用新科技手段对内燃机进行不断的改进，可以使内燃机获得的内能全部转化为机械能C．封闭容器中的气体对外做功时，气体的内能不一定减少D．夏天开空调可以使房间的温度比室外低，说明热量可以自发地从低温物体传向高温物体E．第二类永动机不可能制成是因为违背了热力学第二定律【参考答案】ACE【详细解析】A、一定质量的理想气体等温膨胀时，根据热力学第一定律，温度不变（△U＝0），体积膨胀（W＜0），气体吸收热量（Q＞0），该理想气体吸收的热量全部用于对外做了功。故A正确；B、根据热力学第二定律，不能使内燃机获得的内能全部转化为机械能，而不引起其他变化。故B错误；C、根据热力学第一定律W+Q＝△U，封闭容器中的气体对外做功（W＜0）时，由于和外界热交换不明确，所以气体的内能不一定减少。故C正确；D、夏天开空调可以使房间的温度比室外低，说明热量可以从低温物体传向高温物体，但必须电对其做功。故D错误；E、第二类永动机不可能制成是因为违背了热力学第二定律。故E正确。1．（2019·山东高考模拟）下列说法正确的是A．不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功B．一定量的某种理想气体在等压膨胀过程中，内能一定增加C．尖锐的玻璃断口，加热熔化后变钝了，是由于表面张力的作用D．气体的摩尔体积与阿伏伽德罗常数的比值表示一个气体分子的体积E．一定质量的理想气体，在等压压缩过程中气体分子每次撞击器壁的平均冲力减小【答案】BCE【解析】A、可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功，但必然会引起其它的变化，故A错误。B、根据理想气体状态方程，一定量的某种理想气体在等压膨胀过程中，温度一定升高，分子的平均动能增大，内能一定增加，故B正确。C、尖锐的玻璃断口，加热熔化后变钝了，是由于表面张力的作用，故C正确。D、气体的摩尔体积与阿伏伽德罗常数的比值表示一个气体分子所占空间的体积，并非是气体分子的体积，故D错误。E、根据理想气体状态方程，一定质量的理想气体，在等压压缩过程中，气体的温度一定下降，分子的平均动能减小，气体分子每次撞击器壁的平均冲力减小，故E正确。2．（2019·江苏金陵中学高考模拟）如图所示，透明瓶内有一些水，水的上方有水蒸汽，用橡皮塞把瓶口封住，用气筒向瓶内打气，然后瓶塞会突然跳出，此时观察到瓶内有白雾产生。关于上述过程下列说法正确的有A．快速向瓶内打入气体的过程，气体状态变化是等容变化B．快速向瓶内打入气体时，瓶内水蒸汽分子密度保持不变C．瓶塞突然跳出瞬间气体对外做功，瓶内气体温度降低D．瓶内瞬间形成的白雾是悬浮在气体中的小水滴【答案】CD【解析】快速向瓶内打入气体的过程，在瓶塞未跳起前，压缩瓶内的气体做功，瓶内气体的内能增加，瓶内水蒸汽分子密度增大，继续打气，当瓶塞跳起时，瓶内气体对瓶塞做功，瓶内气体的内能减少，温度降低，使瓶内的水蒸气液化成小水珠，出现白气，故选项C、D正确，A、B错误。（2019·河南高考模拟）封闭在气缸内一定质量的理想气体由状态A变到状态D，其体积V与热力学温度T关系如图所示，O、A、D三点在同一直线上。则A．由状态A变到状态B过程中，气体吸收热量B．由状态B变到状态C过程中，气体从外界吸收热量，内能增加C．C状态气体的压强小于D状态气体的压强D．D状态时单位时间内与器壁单位面积碰撞的分子数比A状态少E．D状态与A状态，相等时间内气体分子对器壁单位面积的冲量相等【参考答案】ADE【详细解析】气体从状态A到状态B体积不变，发生的是等容变化，气体不做功W＝0，温度升高，内能增加△U＞0，根据热力学第一定律△U＝W+Q，知Q＞0，气体吸收热量，故A正确；由状态B变到状态C的过程中，温度不变，内能不变△U＝0，体积变大，气体对外界做功W＜0，根据热力学第一定律知Q＞0，气体从外界吸收热量，故B错误；气体从C到D发生等容变化，根据查理定律知p∝T，TC>TD，所以pC>pD ，即C状态气体的压强大于D状态气体的压强，故C错误；A点和D点在过原点的连线上，说明气体由A到D压强不变，体积增大，分子的密集程度减小，状态D温度高，分子的平均动能大，状态A和状态D压强相等，所以D状态时单位时间内与器壁单位面积碰撞的分子数比A状态少，故D正确；根据动量定理知，，压强，所以，因为状态D和状态A压强相等，所以相等时间内气体分子对器壁单位面积的冲量相等，故E正确。1．如图所示，一定质量的氢气(可看作理想气体)由状态A经状态B变化到状态C，设由A到B、由B到C的过程外界对气体做的功分别为W1、W2，气体从外界吸收的热量分别为Q1、Q2，则A．，B．，C．D．【答案】B【解析】气体由A经状态B变化到状态C过程中，图象上的点与原点连线的斜率p/T减小，由气态方程pV/T=c知，气体的体积不断增大，气体对外界做功，所以W1<0，W2<0，所以A错误；在AB过程中，气体的温度不断升高，同时对外做功，要吸热，所以Q1>0，在BC过程中，气体的温度不变，内能不变，但同时对外做功，要吸热，所以Q2>0，所以B正确；在全程中，温度升高，内能增大，根据热力学第一定律△U=Q+W得知，气体吸收的热量大于气体对外做功，即有|W1|+|W2|<|Q1|+|Q2|，所以CD错误。故选B。2．（2019·江苏高考模拟）一定量的理想气体从状态M可以经历过程1或者过程2到达状态N，其p–V图象如图所示。在过程1中，气体始终与外界无热量交换；在过程2中，气体先经历等容变化再经历等压变化。则在1过程中气体分子的平均速率_____（填“不断增大”、“不断减小”或“先增大后减小”）；气体经历过程2_____（填“吸收”、放出”或“既不吸收也不放出”）热量。【答案】不断减小  放出【解析】根据热力学第一定律△U＝W+Q，气体始终与外界无热量交换（Q＝0），在过程1中，体积增大（W＜0），气体内能减小（△U＜0），理想气体不计分子势能，所以分子平均动能减小，分子的平均速率不断减小；根据P–V图象的物理意义，图象和坐标轴围成的面积表示气体对外做功，过程1和过程2都是气体对外做功，且|W1|＞|W2|，W1–W2＜0；无论是经过1过程还是2过程，初、末状态相同，故内能改变量相同，即△U1＝△U2，根据热力学第一定律△U＝W+Q，在过程1中，有△U1＝W1+Q1，其中Q1＝0，在过程2中，有△U2＝W2+Q2，所以W1＝W2+Q2，Q2＝W1–W2＜0，故气体经历过程2放出热量。  （2019·安徽高考模拟）如图所示，两端开口的汽缸竖直固定放置两厚度不计的轻质活塞A、B间有轻杆相连在活塞A上放一重物C，C的质量m=3kg，两活塞的横截面积分别为SA=25cm2，SB=15cm2。活塞间封闭有一定质量的理想气体（不漏气）。开始时，整个装置保持静止，此时两活塞离D处距离相等，P0=1.0×105Pa，重力加速度g取10m/s2，不计一切摩擦。（i）求开始时，轻杆对活塞A的作用力大小；（ⅱ）若缓慢降低汽缸内温度至t=87℃时，A活塞恰好靠近D处，求开始时汽缸内气体的温度。【参考答案】（i）45N  （ⅱ）480K【详细解析】（i）活塞处于平衡状态，则有：pSA+p0SB=p0SA+pSB+mg解得：p=1.3×105Pa对活塞B根据平衡条件可得：pSB=p0SB+FN，解得：FN=45N根据牛顿第三定律可得轻杆对A的作用力大小为45N，方向向下；（ii）当活塞靠近D处时，活塞整体受力平衡没有变，气体压强不变，根据气体的等圧変化有：又T=t+273=360K解得：T0=480K。1．（2019·江苏高考模拟）如图，一根竖直的弹簧吊着一气缸的活塞，使气缸悬空而静止。设活塞和缸壁间无摩擦且可以在缸内自由移动，缸壁导热性能良好，使缸内气体温度总能与外界大气温度相同，已知气缸重为G（不包括活塞），气缸底面积为S，不计气缸壁厚，开始时大气压强为p0，大气温度为T0，缸内气体体积为V0。求：①开始时缸内气体的压强p。②若外界大气压强不变，气体温度升高到T1，缸内气体对外做功W。【答案】（1）  （2）【解析】①对气缸受力分析根据平衡得：G+PS＝p0S，得：②被封闭气体为等压变化，设温度升高后体积为V，由盖吕萨克定律得：，得：，积增大，气体对外做功，缸内气体对外做的功为：2．（2019·全国长郡中学高考模拟）如图所示，竖直放置的光滑圆柱形绝热气缸，上端开口，有一质量m=10kg、横截面积S=10cm2的绝热活塞将一定质量的理想气体封闭在气缸内，在气缸内距缸底h=0.2m处有体积可忽略的卡环a、b，使活塞只能向上滑动。开始时活塞搁在a、b上，缸内气体的压强等于大气压强，温度为T0=200K。现通过内部电热丝缓慢加热气缸内气体，直至活塞恰好离开a、b。已知大气压强p0=1.0×105Pa。（g取10m/s2）求：（1）活塞恰要离开a、b时，缸内气体的压强p1；（2）当活塞缓慢上升△h=0.1m时（活塞未滑出气缸）缸内气体的温度出T为多少？（3）若从开始加热到活塞缓慢上升△h=0.1m的全过程中电阳丝放热52J，求气体内能的变化量△U。【答案】（1）2.0×105Pa  （2）600K  （3）32J【解析】（1）活塞恰要离开ab时，由活塞平衡有：p0S+mg=p1S可得缸内气体的压强为：（2）当活塞缓慢上升△h=0.1m时，缸内气体的压强为p1，理想气体状态方程有：代入数据可得：T=600K（3）从开始加热到活塞缓慢上升△h=0.1m的全过程中，气体对外界做功为：W=–p1•S△h=–20J全过程中电阳丝放热52J，即气体吸收热量为：Q=52J根据热力学第一定律：△U=W+Q可得：△U=32J即气体内能增加了32J。1．下列说法中正确的是___________。A．布朗运动间接反映了分子运动的无规则性B．两个相邻的分子间的距离增大时，分子间的引力增大，斥力减小C．温度相同的氢气和氧气中，氢气分子和氧气分子的平均速率不同D．热量不能自发地从低温物体传到高温物体E．不违背能量守恒定律的第二类永动机是有可能制成的2．关于热力学第一定律和热力学第二定律，下列说法中正确的是A．一定质量的理想气体经历一缓慢的绝热膨胀过程，气体的内能减少B．气体向真空的自由膨胀是不可逆的C．热力学第一定律也可表述为第一类永动机不可能制成D．热力学第二定律可描述为“不可能使热量由低温物体传递到高温物体”E．0℃的水和0℃的冰的内能是相等的3．如图所示，为一定质量的理想气体发生状态变化的p–V图象，图线1、2是两条等温线，A、B是等温线1上的两点，C、D是等温线2上的两点，图线AD、BC均与V轴平行，则下列说法正确的是A．等温线2对应的气体温度比等温线1对应的气体温度高B．气体从状态A变化到状态B，气体吸收的热量比气体对外界做功多C．气体从状态B变化到状态C，气体吸收的热量比气体对外界做功多D．气体从状态C变化到状态D，单位体积的气体分子数增大，但气体分子的平均动能不变E．气体从状态D变化到状态A，气体放出的热量比外界对气体做功少，气体内能增加4．如图所示，活塞和固定隔板把汽缸内的气体分成甲、乙两部分。已知活塞和汽缸壁均绝热，隔板由导热材料制成，气体的温度随其内能的增加而升高，现用力使活塞缓慢向左移动，下列说法正确的是A．外力通过活塞对气体乙做正功B．气体乙对甲做功导致甲内能增加C．气体甲、乙的内能均增加D．气体乙将温度传递给气体甲E．最终甲、乙两种气体温度相等5．（2019·云南省河口县高级中学高三期中）如图所示，一圆柱形绝热容器竖直放置，通过绝热活塞封闭着摄氏温度为t1的理想气体，活塞的质量为m，横截面积为S，与容器底部相距h1。现通过电热丝给气体加热一段时间，使其温度上升到（摄氏）t2，若这段时间内气体吸收的热量为Q，已知大气压强为p0，重力加速度为g，求：①气体的压强。②这段时间内活塞上升的距离是多少？③这段时间内气体的内能如何变化，变化了多少？6．一定质量的理想气体从状态A变化到状态B，再变化到状态C，其状态变化过程的p–V图象如图所示。已知该气体在状态B时的温度为27°C．则：①该气体在状态A、C时的温度分别为多少；②从状态A到状态C气体对外做的功。7．（2018·江苏卷）如图所示，一支温度计的玻璃泡外包着纱布，纱布的下端浸在水中。纱布中的水在蒸发时带走热量，使温度计示数低于周围空气温度。当空气温度不变，若一段时间后发现该温度计示数减小，则A．空气的相对湿度减小B．空气中水蒸汽的压强增大C．空气中水的饱和气压减小D．空气中水的饱和气压增大8．（2018·新课标全国II卷）对于实际的气体，下列说法正确的是A．气体的内能包括气体分子的重力势能B．气体的内能包括分子之间相互作用的势能C．气体的内能包括气体整体运动的动能D．气体体积变化时，其内能可能不变E．气体的内能包括气体分子热运动的动能9．（2019·新课标全国Ⅰ卷）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。10．（2019·江苏卷）如图所示，一定质量理想气体经历A→B的等压过程，B→C的绝热过程（气体与外界无热量交换），其中B→C过程中内能减少900 J．求A→B→C过程中气体对外界做的总功。11．（2019·新课标全国Ⅱ卷）如图，一容器由横截面积分别为2S和S的两个汽缸连通而成，容器平放在地面上，汽缸内壁光滑。整个容器被通过刚性杆连接的两活塞分隔成三部分，分别充有氢气、空气和氮气。平衡时，氮气的压强和体积分别为p0和V0，氢气的体积为2V0，空气的压强为p。现缓慢地将中部的空气全部抽出，抽气过程中氢气和氮气的温度保持不变，活塞没有到达两汽缸的连接处，求：（1）抽气前氢气的压强；（2）抽气后氢气的压强和体积。12．（2018·江苏卷）如图所示，一定质量的理想气体在状态A时压强为2.0×105 Pa，经历ABCA的过程，整个过程中对外界放出61.4 J热量。求该气体在AB过程中对外界所做的功。1．ACD【解析】布朗运动是悬浮在液体表面的固体颗粒的无规则运动，间接反映了分子运动的无规则性，选项A正确；两个相邻的分子间的距离增大时，分子间的引力和斥力均减小，选项B错误；温度相同的氢气和氧气中，氢气分子和氧气分子的平均动能相同，但是由于分子质量不同，故速率不同，选项C正确；根据热力学第二定律，热量不能自发地从低温物体传到高温物体，选项D正确；不违背能量守恒定律的第二类永动机，因为它违背热力学第二定律，故是不可能制成的，选项E错误；故选ACD。2．ABC【解析】A．一定质量的理想气体经历一缓慢的绝热膨胀过程，则Q＝0，W＜0，根据△U＝W+Q可知，气体的内能减小，故A正确。B．热力学第二定律表明：自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性，是不可逆的，故气体向真空的自由膨胀是不可逆的，故B正确。C．热力学第一定律也可表述为第一类永动机不可能制或，故C正确。D．热力学第二定律可描述为“不可能使热量由低温物体传递到高温物体，而不引起其他变化”，故D错误。E．内能取决于物质的量、温度和体积，只有温度无法确定内能的大小，故E错误。3．ACD【解析】A．从C→B为等压变化，由公式可知，等温线2对应的气体温度比等温线1对应的气体温度高，故A正确；B．气体从状态A变化到状态B，温度不变，则内能不变，体积增大，气体对外做功，根据热力学第一定律△U=Q+W可知，气体吸收的热量等于气体对外界做的功，故B错误；C．气体从状态B变化到状态C，压强不变，体积增大，气体对外界做功，温度升高，内能增加，气体从状态D变化到状态A，气体吸收的热量比气体对外界做功多，故C正确；D．气体从状态C变化到状态D，温度不变，则气体的分子平均动能不变，体积减小，则单位体积的气体分子数增大，故D正确；E．气体从状态D变化到状态A，压强不变，温度降低，则内能减小，体积减小，则外界对气体做功，气体从状态D变化到状态A，气体放出的热量比外界对气体做功多，故E错误。4．ACE【解析】A．现用力使活塞缓慢向左移动，压缩气体，外力对气体乙做正功，气体乙温度升高，气体乙的内能增加。故A符合题意；B．隔板是固定的，甲的体积不变，气体乙不对甲做功。故B不符合题意；C．气体乙温度升高，通过导热隔板把热量传递给甲，使甲气体温度也升高，所以气体甲、乙的内能均增加。故C符合题意；D．气体乙将热量传递给气体甲，不能够说成是气体乙将温度传递给气体甲。故D不符合题意；E、最终甲乙气体达到热平衡状态，甲、乙两种气体温度相等。故E符合题意。5．①  ②  ③Q−【解析】①活塞受力分析如图，由平衡条件：，得：；②设温度为t2时活塞与容器底部相距h2，因为气体做等压变化，由盖—吕萨克定律得：由此得：活塞上升了Δh＝h2－h1＝；③气体对外做功为：得：由热力学第一定律可知：△U=Q−W=Q−。6．①TA=600 K  Tc=900K  ②W=200 J【解析】①对于理想气体：，等容过程，由查理定律解得：TA=600 K，等压过程，由盖–吕萨克定律，解得Tc=900K②从状态A到状态C气体对外做的功 解得W=200 J7．A【解析】温度计示数减小说明蒸发加快，空气中水蒸汽的压强减小，选项B错误；因空气的饱和气压只与温度有关，空气温度不变，所以饱和气压不变，选项C、D错误；根据相对湿度的定义，空气的相对湿度减小，选项A正确。8．BDE【解析】气体的内能等于所有分子热运动动能和分子之间势能的总和，故AC错，BE对；根据热力学第一定律知道 ，改变内能的方式有做功和热传递，所以体积发生变化时，内能可能不变，故D正确。9．低于  大于【解析】由题意可知，容器与活塞绝热性能良好，容器内气体与外界不发生热交换，故，但活塞移动的过程中，容器内气体压强减小，则容器内气体正在膨胀，体积增大，气体对外界做功，即，根据热力学第一定律可知：，故容器内气体内能减小，温度降低，低于外界温度。最终容器内气体压强和外界气体压强相同，根据理想气体状态方程：，又，m为容器内气体质量。联立得：，取容器外界质量也为m的一部分气体，由于容器内温度T低于外界温度，故容器内气体密度大于外界。10．W=1 500 J【解析】由题意可知，过程为等压膨胀，所以气体对外做功为：，过程：由热力学第一定律得：，则气体对外界做的总功为：，代入数据解得：。11．（1）p10=（p0+p）  （2）【解析】（1）设抽气前氢气的压强为p10，根据力的平衡条件得（p10–p）·2S=（p0–p）·S①得p10=（p0+p）②（2）设抽气后氢气的压强和体积分别为p1和V1，氢气的压强和体积分别为p2和V2，根据力的平衡条件有p2·S=p1·2S③由玻意耳定律得p1V1=p10·2V0④p2V2=p0·V0⑤由于两活塞用刚性杆连接，故V1–2V0=2（V0–V2）⑥联立②③④⑤⑥式解得⑦⑧12．气体对外界做的功为138.6 J【解析】整个过程中，外界对气体做功W=WAB+WCA，且WCA=pA（VC–VA）由热力学第一定律ΔU=Q+W，得WAB=–（Q+WCA）代入数据得WAB=–138.6 J，即气体对外界做的功为138.6 J