2020版高考物理粤教版大一轮复习讲义:第十三章 第3讲 热力学定律与能量守恒定律 Word版含解析.pdf
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1、第第 3 讲 热力学定律与能量守恒定律讲 热力学定律与能量守恒定律 一、热力学第一定律 1.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功的和. (2)表达式:UQW. (3)UQW 中正、负号法则: 物理量 意义 符号 WQU 外界对物体做功物体吸收热量内能增加 物体对外界做功物体放出热量内能减少 自测 1 一定质量的理想气体在某一过程中,外界对气体做功 7.0104 J,气体内能减少 1.3105 J,则此过程( ) A.气体从外界吸收热量 2.0105 J B.气体向外界放出热量 2.01
2、05 J C.气体从外界吸收热量 6.0104 J D.气体向外界放出热量 6.0104 J 答案 B 二、热力学第二定律 1.热力学第二定律的两种表述 (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. 2.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. 3.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. 4.第二类永动机不可能制成的原因是违背了热力学第二定律. 自测 2 (多选)下列现象中能够发生的是( )教材P61第2题改编 A.一杯热茶
3、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 三、能量守恒定律 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,或者是从一 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. 3.第一类永动机是不可能制成的,它违背了能量守恒定律. 自测 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
4、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.U200 J,Ek600 J B.U600 J,Ek200 J C.U600 J,Ek800 J D.U800 J,Ek200 J 答案 B 解析 Ufs6010 J600 J EkFsU8010 J600 J200 J 命题点一 热力学第一定律的理解和应用命题点一 热力学第一定律的理解和应用 1.热力学第一定律的理解 (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
5、, 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 Q0. (4)如果研究对象是理想气体,因理想气体忽略分子势能,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. 2.三种特殊情况 (1)若过程是绝热的,则 Q0,WU,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 W0,则 QU,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 U0,则 WQ0 或 WQ,外界对物体 做的功等于物体放出的热量. 例 1 (多选)(2017全国卷33(1)如图 1,用隔板将一绝热汽缸分成两部分,隔板左侧充有
6、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( ) 图 1 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 答案 ABD 解析 因为汽缸、活塞都是绝热的,隔板右侧是真空,所以理想气体在自发扩散的过程中, 既不吸热也不放热,也不对外界做功.根据热力学第一定律可知,气体自发扩散前后,内能不 变,选项 A 正确,选项
7、C 错误;气体在被压缩的过程中,外界对气体做功,气体内能增大, 又因为一定质量的理想气体的内能只与温度有关,所以气体温度升高,分子平均动能增大, 选项 B、D 正确,选项 E 错误. 变式 1 (多选)(2016全国卷33(1)关于气体的内能,下列说法正确的是( ) A.质量和温度都相同的气体,内能一定相同 B.气体温度不变,整体运动速度越大,其内能越大 C.气体被压缩时,内能可能不变 D.一定量的某种理想气体的内能只与温度有关 E.一定量的某种理想气体在等压膨胀过程中,内能一定增加 答案 CDE 解析 质量和温度都相同的气体, 虽然分子平均动能相同, 但是不同的气体, 其摩尔质量不同, 即分
8、子个数不同,所以分子总动能不一定相同,A 错误;宏观运动和微观运动没有关系,所 以宏观运动速度大,内能不一定大,B 错误;根据C 可知,如果等温压缩,则内能不变; pV T 等压膨胀,温度增大,内能一定增大,C、E 正确;理想气体的分子势能为零,所以一定量 的某种理想气体的内能只与分子平均动能有关,而分子平均动能和温度有关,D 正确. 命题点二 热力学第一定律与图象的综合应用命题点二 热力学第一定律与图象的综合应用 例 2 (多选)(2018全国卷33(1)如图 2, 一定质量的理想气体从状态 a 开始, 经历过程、 、到达状态 e.对此气体,下列说法正确的是( ) 图 2 A.过程中气体的压
9、强逐渐减小 B.过程中气体对外界做正功 C.过程中气体从外界吸收了热量 D.状态 c、d 的内能相等 E.状态 d 的压强比状态 b 的压强小 答案 BDE 解析 过程中,气体由 a 到 b,体积 V 不变、T 升高,则压强增大,A 项错误;过程中, 气体由 b 到 c,体积 V 变大,对外界做正功,B 项正确 ; 过程中,气体由 d 到 e,温度 T 降 低,内能 U 减小,体积 V 不变,气体不做功,根据热力学第一定律 UQW 得 Qpd,E 项正确. 变式 2 (多选)(2017全国卷33(1)如图 3,一定质量的理想气体从状态 a 出发,经过等容 过程 ab 到达状态 b,再经过等温过
10、程 bc 到达状态 c,最后经等压过程 ca 回到状态 a.下列说 法正确的是( ) 图 3 A.在过程 ab 中气体的内能增加 B.在过程 ca 中外界对气体做功 C.在过程 ab 中气体对外界做功 D.在过程 bc 中气体从外界吸收热量 E.在过程 ca 中气体从外界吸收热量 答案 ABD 解析 在过程 ab 中,体积不变,气体对外界不做功,压强增大,温度升高,内能增加,故选 项 A 正确,C 错误 ; 在过程 ca 中,气体的体积缩小,外界对气体做功,压强不变,温度降低, 内能变小,气体向外界放出热量,故选项 B 正确,E 错误 ; 在过程 bc 中,温度不变,内能不 变,体积增大,气体
11、对外界做功,由热力学第一定律可知,气体要从外界吸收热量,故选项 D 正确. 变式 3 (多选)(2016全国卷33(1)一定量的理想气体从状态 a 开始, 经历等温或等压过程 ab、bc、cd、da 回到原状态,其 pT 图象如图 4 所示,其中对角线 ac 的延长线过原点 O.下 列判断正确的是( ) 图 4 A.气体在 a、c 两状态的体积相等 B.气体在状态 a 时的内能大于它在状态 c 时的内能 C.在过程 cd 中气体向外界放出的热量大于外界对气体做的功 D.在过程 da 中气体从外界吸收的热量小于气体对外界做的功 E.在过程 bc 中外界对气体做的功等于在过程 da 中气体对外界做
12、的功 答案 ABE 解析 由理想气体状态方程C 得,p T,由题图可知,VaVc,选项 A 正确;理想气 pV T C V 体的内能只由温度决定, 而 TaTc, 故气体在状态 a 时的内能大于在状态 c 时的内能, 选项 B 正确 ; 由热力学第一定律 UQW 知,cd 过程温度不变,内能不变,则 QW,选项 C 错误;da 过程温度升高,即内能增大,则吸收的热量大于对外界做的功,选项 D 错误;由理 想气体状态方程知 :C, 即 paVaCTa, pbVbCTb, pcVcCTc, pdVd paVa Ta pbVb Tb pcVc Tc pdVd Td CTd.设过程bc中压强为p1pb
13、pc, 过程da中压强为p2pdpa.由外界对气体做功WpV 知, 过程bc中外界对气体做的功Wbcp1(VbVc)C(TbTc), 过程da中气体对外界做的功Wda p2(VaVd)C(TaTd),TaTb,TcTd,故 WbcWda,选项 E 正确. 命题点三 热力学第一定律与气体实验定律的综合应用命题点三 热力学第一定律与气体实验定律的综合应用 基本思路 例 3 (2018河北省衡水中学模拟)如图 5 所示,内壁光滑、足够高的圆柱形汽缸竖直放置, 内有一质量为m的活塞封闭一定质量的理想气体.已知活塞横截面积为S, 外界大气压强为p0, 缸内气体温度为 T1.现对汽缸内气体缓慢加热,使气体
14、体积由 V1增大到 V2,该过程中气体吸 收的热量为 Q1,停止加热并保持体积 V2不变,使其降温到 T1,已知重力加速度为 g,求: 图 5 (1)停止加热时缸内气体的温度; (2)降温过程中气体放出的热量. 答案 (1)T1 (2)Q1(p0)(V2V1) V2 V1 mg S 解析 (1)加热过程中气体等压膨胀,由, V1 T1 V2 T2 得:T2T1. V2 V1 (2)设加热过程中,封闭气体内能增加 U,因气体体积增大,故此过程中气体对外做功,W0, 气体等温变化,U0,由热力学第一定律 UWQ,知 Q0, pV T 由 UQW,知 Q0,气体一定吸热,C 选项错误;由热力学第二定
15、律知,D 选项正确; 根据热平衡定律知,E 选项正确. 1.(多选)关于热力学定律,下列说法正确的是( ) A.热量能够自发地从高温物体传到低温物体 B.不可能使热量从低温物体传向高温物体 C.第二类永动机违反了热力学第二定律 D.气体向真空自由膨胀的过程是不可逆过程 E.功转变为热的实际宏观过程是可逆过程 答案 ACD 2.(2019青海省格尔木市调研)根据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
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