2021高考物理（选择性考试）人教版一轮学案：12.3热力学定律与能量守恒定律

第三节　热力学定律与能量守恒定律

1．改变物体内能的两种方式

做功和热传递．

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功的和．

(2)表达式．

ΔU＝Q＋W．

(3)ΔU＝Q＋W的几种特殊情况．

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．

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．

③若过程的初、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．

1．一定质量的理想气体在某一过程中，外界对气体做功7.0×104 J，气体内能减少1.3×105 J，则此过程(　　)

A．气体从外界吸收热量2.0×105 J

B．气体向外界放出热量2.0×105 J

C．气体从外界吸收热量6.0×104 J

D．气体向外界放出热量6.0×104 J

答案：B

1．两种表述

(1)克劳修斯表述(按热传导的方向性表述)：热量不能自发地从低温物体传到高温物体 .

(2)开尔文表述(按机械能和内能转化过程的方向性表述)：不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功，而不引起其他影响．

2．热力学过程实例

(1)高温物体低温物体．

(2)功热．

(3)气体体积V1气体体积V2(较大)．

(4)不同气体A和B混合气体AB.

3．熵增加原理

在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减少．

4．热力学第二定律的微观意义

一切自发的过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行．

5．第二类永动机不可能制成的原因违背了热力学第二定律．

2．(多选)下列现象中能够发生的是(　　)

A．一杯热茶在打开杯盖后，茶会自动变得更热

B．蒸汽机把蒸汽的内能全部转化成机械能

C．桶中混浊的泥水在静置一段时间后，泥沙下沉，上面的水变清，泥、水自动分离

D．电冰箱通电后把箱内低温物体的热量传到箱外高温物体

答案：CD

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，或者从一个物体转移到另一个物体，在转化或转移的过程中其总量保持不变．

2．条件性

能量守恒定律是自然界的普遍规律，某一种形式的能是否守恒是有条件的．

3．第一类永动机是不可能制成的，它违背了能量守恒定律．

4．能源的利用

(1)存在能量耗散和品质下降．

(2)重视利用能源时对环境的影响．

(3)要开发新能源(如太阳能、生物质能、风能、水能)

3．木箱静止于水平地面上，现在用一个80 N的水平推力推动木箱前进10 m，木箱受到地面的摩擦力为60 N，则转化为木箱与地面系统的内能U和转化为木箱的动能Ek分别是(空气阻力不计)(　　)

A．U＝200 J，Ek＝600 J　B．U＝600 J，Ek＝200 J

C．U＝600 J，Ek＝800 J  D．U＝800 J，Ek＝200 J

解析：U＝Ffx＝60×10 J＝600 J，

Ek＝F·x—U＝80×10 J－600 J＝200 J.

答案：B

考点一  热力学第一定律的理解和应用

1.改变内能的两种方式的比较

2.温度、内能、热量、功的比较

　(多选)(2017·全国卷Ⅱ)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

[思维点拨]　要知道气体在向真空膨胀时不对外做功；绝热状态时Q＝0；理想气体的内能只与温度有关．

解析：由于隔板右侧是真空，隔板抽开后，气体自发扩散至整个汽缸，并不做功也没有热量交换，所以自发扩散前后内能相同，故选项A正确，选项C错误；气体被压缩过程中，外界对气体做功，没有热量交换，根据ΔU＝W＋Q，气体的内能增大，故选项B、D正确；气体被压缩过程中，温度升高，分子平均动能增大，故选项E错误．

答案：ABD

应用热力学第一定律的三点注意

1．做功看体积：体积增大，气体对外做功，W为负；体积缩小，外界对气体做功，W为正．气体向真空中自由膨胀，对外界不做功，W＝0.

2．与外界绝热，则不发生热传递，此时Q＝0.

3．由于理想气体没有分子势能，所以当它的内能变化时，主要体现在分子动能的变化上，从宏观上看就是温度发生了变化．

考点二  热力学第二定律

1.热力学第二定律的涵义

(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的帮助．

(2)“不产生其他影响”的涵义是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．在产生其他影响的条件下内能可以全部转化为机械能，如气体的等温膨胀过程．

2．热力学第二定律的实质

热力学第二定律的每一种表述，都揭示了大量分子参与的宏观过程的方向性，进而使人们认识到自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性．

3．热力学第一、第二定律的比较

4.两类永动机的比较

　(多选)(2019·青海西宁一模)关于热力学定律，下列说法正确的是(　　)

A．量子技术可以使物体的最低温度达到绝对零度

B．系统的内能增量可能小于系统从外界吸收的热量

C．热量不可能自发地从低温物体传到高温物体

D．可以从单一热库吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响

E．一切自发过程总是沿着分子热运动的无序性增大方向进行

[思维点拨]　根据热力学零定律可知：绝对零度无法达到，做功和热传递都能改变内能；物体内能的增量等于外界对物体做的功和物体吸收热量的和，即ΔU＝Q＋W.

解析：绝对零度无法达到，故A错误；做功和热传递都能改变内能；物体内能的增量等于外界对物体做的功和物体吸收热量的和，故B正确；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，故C正确；热力学第二定律可表述为不可能从单一热源吸取热量，使之完全变为有用功而不产生其他影响，故D错误；热力学第二定律可表述为一切自发过程总是沿着分子热运动的无序性增大方向进行，故E正确．

答案：BCE

考点三  气体实验定律与热力学定律的综合应

气体实验定律与热力学定律综合应用的分析思路

　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，使气体摄氏温度上升到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.

(1)求气体的压强；

(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？

[思维点拨]　(1)封闭气体发生什么变化？可利用什么定律求解？

(2)利用公式W＝F·l求功，对F要求是什么？

解析：(1)分析活塞的受力情况如图所示，根据平衡条件有mg＋p0S＝pS，

解得p＝p0＋.

(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

＝，

解得h2＝，

故活塞上升了Δh＝h2－h1＝.

(3)气体对外做功为

W＝pS·Δh＝·S·

＝(p0S＋mg)，

由热力学第一定律可知减少的内能为

ΔE内＝Q－W＝Q－(p0S＋mg).

答案：(1)p0＋　(2)

(3)内能减少，减少了Q－(p0S＋mg)

气体实验定律与热力学定律的综合问题的处理方法

1．气体实验定律研究对象是一定质量的理想气体．

＝⇒

(1)粗细均匀的U形管一侧的液面下降h，两侧液面的高度差为2h.

(2)注意挖掘题目的隐含条件，如“缓慢移(转)动”，隐含着该过程是等温变化．

2．对理想气体，只要体积变化，外界对气体(或气体对外界)要做功W＝pΔV；只要温度发生变化，其内能要发生变化．

3．结合热力学第一定律ΔU＝W＋Q求解问题．

1.(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

解析：气体内能的改变ΔU＝Q＋W，故对气体做功可改变气体的内能，选项B正确；气体吸热为Q，但不确定外界做功W的情况，故不能确定气体温度的变化，选项A错误；理想气体等压膨胀，W<0，由理想气体状态方程＝C，p不变，V增大，气体温度升高，内能增大，ΔU>0，由ΔU＝Q＋W，知Q>0，气体一定吸热，选项C错误；由热力学第二定律，选项D正确；根据热平衡性质，选项E正确．

答案：BDE

2.如图所示，在A→B和D→A的过程中，气体放出的热量分别为4 J和20 J．在B→C和C→D的过程中，气体吸收的热量分别为20 J和12 J．求气体完成一次循环对外界所做的功．

解析：完成一次循环气体内能不变，ΔU＝0，吸收的热量Q＝(20＋12－4－20)J＝8 J，由热力学第一定律ΔU＝Q＋W，得W＝－8 J，气体对外做功为8 J.

答案：8 J

3．(2019·江苏崇川区期中)如图所示，一定质量的理想气体从状态A经等温过程到状态B.此过程中，气体温度t＝20 ℃，吸收的热量Q＝3.6×102 J，已知A状态的体积是1升．

(1)求此过程中气体内能的增量；

(2)此过程中气体是对外做功还是外界对气体做功，做的功是多少？

(3)若气体先从状态A经等压变化到状态C，再经等容变化到状态B，则这个过程气体吸收的热量是多少？

解析：(1)由题，A、B两个状态温度相等，理想气体的内能相同．所以此过程中气体内能的增量为0.

(2)根据热力学第一定律：ΔU＝W＋Q，所以W＝ΔU－Q＝0－3.6×102 J＝－3.6×102 J，负号表示气体对外界做功．

(3)由题图可知，A到C过程是等压变化，体积增大，气体对外界做功；C→B气体发生等容变化，气体不做功．由题图可知：pA＝3×105 Pa，VA＝1 L；pB＝1×105 Pa，根据玻意耳定律pAVA＝pBVB，代入数据可得：VB＝3 L.

C状态的体积与B状态的体积是相等的，所以C状态的体积也等于3升；从A到C气体体积增大：ΔV＝3 L－1 L＝2 L＝2×10－3 m3.

从A到C的过程中，气体对外做功：WAC＝pA·ΔV＝3×105×2×10－3＝600 J，

所以从A经过C到B的过程中气体对外做的功WAB也等于600 J，

根据热力学第一定律：ΔU＝W＋Q，所以Q′＝WAB＝600 J.

答案：(1)0　(2)360 J　(3)600 J

4.如图所示为电冰箱的工作原理示意图．压缩机工作时，强迫制冷剂在冰箱内外的管道中不断循环．在蒸发器中制冷剂汽化吸收箱体内的热量，经过冷凝器时制冷剂液化，放出热量到箱体外．

(1)(多选)下列说法正确的是  (　　)

A．热量可以自发地从冰箱内传到冰箱外

B．电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界，是因为其消耗了电能

C．电冰箱的工作原理不违反热力学第一定律

D．电冰箱的工作原理违反热力学第一定律

(2)电冰箱的制冷系统从冰箱内吸收的热量与释放到外界的热量相比，有怎样的关系？

解析：(1)热力学第一定律是热现象中内能与其他形式能的转化规律，是能量守恒定律的具体表现，适用于所有的热学过程，故C项正确，D项错误；由热力学第二定律可知，热量不能自发地从低温物体传到高温物体，除非有外界的影响或帮助，电冰箱把热量从低温的内部传到高温的外部，需要压缩机的帮助并消耗电能，故A项错误，B项正确．(2)由热力学第一定律可知，电冰箱制冷系统从冰箱内吸收了热量，同时消耗了电能，释放到外界的热量比从冰箱内吸收的热量多．

答案：(1)BC　(2)见解析

5.如图甲所示，横截面积为S，质量为M的活塞在汽缸内封闭着一定质量的理想气体，现对缸内气体缓慢加热，使其温度从T1升高了ΔT，气柱的高度增加了ΔL，吸收的热量为Q.不计汽缸与活塞的摩擦，外界大气压强为p0，重力加速度为g.

(1)此加热过程中气体内能增加了多少？

(2)若保持缸内气体温度不变，再在活塞上放一砝码，如图乙所示，使缸内气体的体积又恢复到初始状态，则所放砝码的质量为多少？

解析：(1)设缸内气体的温度为T1时压强为p1，活塞受重力、大气压力和缸内气体的压力作用而平衡，则有

Mg＋p0S＝p1S，

气体膨胀对外界做功为W＝p1SΔL，

根据热力学第一定律有Q－W＝ΔU，

联立可得ΔU＝Q－(p0S＋Mg)ΔL.

(2)设所放砝码的质量为m，缸内气体的温度为T2时压强为p2，活塞和砝码整体受重力、大气压力和缸内气体的压力作用而平衡，则有

(M＋m)g＋p0S＝p2S，

根据查理定律有＝，又T2＝T1＋ΔT，

联立可得：m＝.

答案：(1)Q－(p0S＋Mg)ΔL　(2)

6.如图所示，汽缸内封闭一定质量的某种理想气体，活塞通过滑轮和一重物连接并保持平衡，已知活塞距缸口h＝50 cm，活塞面积S＝10 cm2，封闭气体的体积为V1＝1 500 cm3，温度为0 ℃，大气压强p0＝1.0×105 Pa，重物重力G＝50 N，活塞重力及一切摩擦不计．缓慢升高环境温度，封闭气体吸收了Q＝60 J的热量，使活塞刚好升到缸口．整个过程重物未触地．

(1)活塞刚好升到缸口时，气体的温度是多少？

(2)汽缸内气体对外界做多少功？

(3)气体内能的变化量为多少？

解析：(1)封闭气体的初态：V1＝1 500 cm3，T1＝273 K，

末态：V2＝1 500 cm3＋50×10 cm3＝2 000 cm3.

缓慢升高环境温度，封闭气体做等压变化，有

＝，

解得T2＝364 K.

(2)设封闭气体做等压变化时的压强为p.

对活塞：p0S＝pS＋G，

汽缸内气体对外界做功W＝pSh，

解得W＝25 J.

(3)由热力学第一定律，汽缸内气体内能的变化量

ΔU＝Q－W，

代入数据，得ΔU＝35 J，

故汽缸内的气体内能增加了35 J.

答案：(1)364 K　(2)25 J　(3)35 J