2019年高考物理一轮复习讲义：第14章 第3讲《热力学定律与能量守恒》(含解析)

第3讲　热力学定律与能量守恒板块一　主干梳理·夯实基础【知识点1】　热力学第一定律　Ⅰ1．改变物体内能的两种方式(1)做功；(2)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的功的和。(2)表达式：ΔU＝Q＋W。(3)ΔU＝Q＋W中正、负号法则(4)ΔU＝Q＋W的三种特殊情况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若过程是等容的，即W＝0，Q＝ΔU，物体吸收的热量等于物体内能的增加。③对于理想气体，若过程是等温的，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。【知识点2】　热力学第二定律　Ⅰ1．热力学第二定律的三种表述(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。或表述为“第二类永动机是不可能制成的。”(3)用熵的概念表示热力学第二定律。在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小。2．热力学第二定律的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。【知识点3】　能量守恒定律　Ⅰ1.能量守恒定律的内容：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别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变。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。例如，机械能守恒定律具有适用条件，而能量守恒定律是无条件的，是一切自然现象都遵守的基本规律。3.两类永动机(1)第一类永动机：不需要任何动力或燃料，却能不断地对外做功的机器。违背能量守恒定律，因此不可能实现。(2)第二类永动机：从单一热库吸收热量并把它全部用来对外做功，而不产生其他影响的机器。违背热力学第二定律，不可能实现。4．能源的利用(1)存在能量耗散和品质降低。(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、水能等)。板块二　考点细研·悟法培优考点1热力学第一定律[对比分析]1．改变内能的两种方式的比较2．温度、内能、热量、功的比较例1　在如下图所示的坐标系中，一定质量的某种理想气体先后发生以下两种状态变化过程：第一种变化是从状态A到状态B，外界对该气体做功为6 J；第二种变化是从状态A到状态C，该气体从外界吸收的热量为9 J。图线AC的反向延长线过坐标原点O，B、C两状态的温度相同，理想气体的分子势能为零。求：(1)从状态A到状态C的过程，该气体对外界做的功W1和其内能的增量ΔU1；(2)从状态A到状态B的过程，该气体内能的增量ΔU2及其从外界吸收的热量Q2。(1)从A到C状态发生了什么变化？提示：等容变化。(2)如何判断气体状态变化过程是吸热还是放热？提示：根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W，确定热量Q的正负，再判断是吸热还是放热。尝试解答　(1)0__9_J__(2)9_J__3_J。(1)由题意知从状态A到状态C的过程，气体发生等容变化，外界对该气体做的功W1＝0根据热力学第一定律有ΔU1＝W1＋Q1内能的增量ΔU1＝Q1＝9 J。(2)从状态A到状态B的过程，体积减小，温度升高该气体内能的增量ΔU2＝ΔU1＝9 J根据热力学第一定律有ΔU2＝W2＋Q2从外界吸收的热量Q2＝ΔU2－W2＝3 J。总结升华判断物体内能变化的方法(1)内能的变化都要用热力学第一定律进行综合分析。(2)做功情况看气体的体积：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。(3)与外界绝热，则不发生热传递，此时Q＝0。(4)如果研究对象是理想气体，则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。　[2017·安徽合肥联考](多选)对于一定质量的理想气体，下列说法正确的是(　　)A．体积不变，压强减小的过程，气体一定放出热量，内能减小B．若气体内能增加，则外界一定对气体做功C．若气体的温度升高，则每个气体分子的速度一定增大D．若气体压强不变，气体分子平均距离增大时，则气体分子的平均动能一定增大E．气体对器壁的压强是由大量气体分子对器壁不断碰撞而产生的答案　ADE解析　由理想气体状态方程＝C，可知在体积不变、压强减小时，温度降低；体积不变，则W＝0，温度降低，内能减少，根据热力学第一定律有ΔU＝Q<0，可知一定放出热量，故A正确；若气体内能增加，根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W，可能从外界吸收热量，不一定是外界对气体做功，故B错误；气体的温度升高，分子的平均动能增大，但不一定每个气体分子的速度都增大，故C错误；气体压强不变，气体分子平均距离增大时，体积增大，由理想气体状态方程＝C，可知温度一定升高，则气体分子的平均动能一定增大，故D正确；从微观角度看，气体对器壁的压强是由大量气体分子对器壁的不断碰撞而产生的，故E正确。考点2热力学第二定律[对比分析]1．热力学第一、第二定律的比较2．两类永动机的比较例2　(多选)下列说法中正确的是(　　)A．第一类永动机违反能量守恒定律，是不可能制成的B．第二类永动机违反能量守恒定律，是不可能制成的C．能量耗散的说法与能量守恒定律是互相矛盾的D．热量不可能从低温物体传到高温物体而不引起其他变化E．热量可能自发地从低温物体传到高温物体而不引起其他变化(1)热力学第二定律揭示了自然界中的什么规律？提示：一切涉及热现象的自然过程都具有方向性。(2)第二类永动机违反能量守恒定律吗？第一类永动机呢？提示：第二类永动机违反了热力学第二定律，但不违反能量守恒定律，第一类永动机违反了能量守恒定律。尝试解答　选AD。第一类永动机是不可能制成的，因为它违反了能量守恒定律，A正确；第二类永动机不违反能量守恒定律，但违反了热力学第二定律，B错误；能量耗散指的是机械能、电能、化学能等高度可用的高品质形式的能量转化为不大可用的低品质形式的内能，但是总的能量是守恒的，能量耗散与能量守恒不矛盾，C错误；根据热力学第二定律，热量不可能从低温物体传到高温物体而不引起其他变化，D正确，E错误。总结升华对热力学第二定律的理解(1)在热力学第二定律的表述中，“自发地”“不产生其他影响”的涵义：①“自发地”指不需要借助外界提供能量的帮助，指明了热传递等热力学宏观现象的方向性；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。(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。　根据你学过的热学中的有关知识，判断下列说法中正确的是(　　)A．机械能可以全部转化为内能，内能也可以全部用来做功转化成机械能B．凡与热现象有关的宏观过程都具有方向性，在热传递中，热量只能从高温物体传递给低温物体，而不能从低温物体传递给高温物体C．尽管技术不断进步，热机的效率仍不能达到100%，制冷机却可以使温度降到－293 ℃D．第一类永动机违背能量守恒定律，第二类永动机不违背能量守恒定律，随着科技的进步和发展，第二类永动机可以制造出来答案　A解析　机械能可以全部转化为内能，而内能在引起其他变化时也可以全部用来做功转化为机械能，A正确；凡与热现象有关的宏观过程都具有方向性，在热传递中，热量可以自发地从高温物体传递给低温物体，也能从低温物体传递给高温物体，但必须借助外界的帮助，即须产生其他影响，B错误；尽管科技不断进步，热机的效率仍不能达到100%，制冷机也不能使温度降到－293 ℃，只能无限接近－273.15 ℃，却永远不能达到，C错误；第一类永动机违背能量守恒定律，第二类永动机不违背能量守恒定律，但违背了热力学第二定律，第二类永动机不可能制造出来，D错误。考点3气体实验定律与热力学第一定律的综合[解题技巧]例3　一定质量理想气体的p­V图象如图所示，其中a→b为等容过程，b→c为等压过程，c→a为等温过程，已知气体在状态a时的温度Ta＝300 K，在状态b时的体积Vb＝22.4 L。求：(1)气体在状态c时的体积Vc；(2)试比较气体由状态b到状态c过程从外界吸收的热量Q与对外做功W的大小关系，并简要说明理由。(1)在p­V图象中，如何判断理想气体状态变化过程中温度升高还是降低？提示：根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，如果ΔU>0，则温度升高，ΔU<0，则温度降低。(2)整个循环过程，气体内能变化吗？提示：整个循环过程中，气体又回到了原来的状态，故气体内能不变。尝试解答　(1)67.2_L__(2)气体吸收的热量Q大于气体对外做的功W__理由见解析。(1)气体c→a等温变化，根据玻意耳定律得paVa＝pcVc又a→b为等容过程，所以Va＝Vb＝22.4 L解得Vc＝＝＝67.2 L。(2)气体由状态b到状态c为等压过程，由盖—吕萨克定律可知体积增大时温度升高，所以气体内能增加，ΔU>0，气体对外做功，W<0，由热力学第一定律ΔU＝Q＋W可知，气体吸收热量Q大于气体对外做的功W。总结升华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。(2)解决具体问题时，分清气体的变化过程是求解问题的关键，根据不同的变化，找出相关的气体状态参量，利用相关规律解决。(3)对理想气体，只要体积变化，外界对气体(或气体对外界)做功W＝pΔV；只要温度发生变化，其内能就发生变化。(4)结合热力学第一定律ΔU＝W＋Q求解问题。　[2017·甘肃兰州一模]一定质量的理想气体经历了如图所示的状态变化。问：
 (1)已知从A到B的过程中，气体的内能减少了300 J，则从A到B气体吸收或放出的热量是多少；(2)试判断气体在状态B、C的温度是否相同。如果知道气体在状态C时的温度TC＝300 K，则气体在状态A时的温度为多少。答案　(1)放热1200 J　(2)温度相同　1200 K解析　(1)从A到B，外界对气体做功，有W＝pΔV＝900 J，根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，得Q＝ΔU－W＝－1200 J，气体放热1200 J。(2)由题图可知pBVB＝pCVC，故TB＝TC，根据理想气体状态方程有＝，代入数据可得TA＝1200 K。