第三章　热力学定律　章末素养提升 学案（学生版+教师版）—2024年春高中物理人教版选择性必修三

第三章　热力学定律 章末素养提升
物理观念 描述热力 学的物理量 (1)热量(Q)：是传热过程中______的改变量，用来度量单纯传热过程中______转移的多少 (2)功(W): 做功过程是机械能或其他形式的能与内能之间的转化过程。功是该过程能量转化的量度
热力学 第一定律 内容：一个热力学系统的内能变化量等于外界向它传递的______与外界对它所做的______的和 表达式：ΔU＝______
热力学 第二定律 克劳修斯表述：热量不能______地从低温物体传到高温物体 开尔文表述：不可能从______吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响 第二类永动机不可能制成的原因：违背了____________
能量守 恒定律 内容：能量既不会凭空______，也不会凭空______，它只能从一种形式______为其他形式，或者从一个物体______到别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量______ 第一类永动机不能制成的原因：违背了____________
科学思维 1.经历绝热过程模型的构建过程，会推导热力学第一定律 2．能运用热力学第一定律解释和计算能量的转化和转移问题 3．能用热力学第二定律解释自然界中的能量转化、转移及方向性问题
科学态度与责任 1.通过对能量守恒的探索过程，领会人类对自然的认识要有实践的过程 2．了解永动机的探索过程，领会科学探索的艰辛与曲折性
例1　对于热力学第一定律和热力学第二定律的理解，下列说法正确的是(　　)
A．一定质量的气体膨胀对外做功100 J，同时从外界吸收80 J的热量，则它的内能增大20 J
B．物体从外界吸收热量，其内能一定增加；物体对外界做功，其内能一定减少
C．凡与热现象有关的宏观过程都具有方向性，在传热中，热量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
D．热现象过程中不可避免地出现能量耗散现象，能量耗散符合热力学第二定律
例2　我国建成后的“天宫”空间站，是“天和核心舱”、“问天实验舱”和“梦天实验舱”的三舱组合体，三舱皆有“气闸舱”；航天员出站时，要途经“气闸舱”“减压”后才能出站；从太空返回空间站时要途经“气闸舱”“升压”后才能进站。“气闸舱”的原理如图所示，相通的两容器A、B之间装有阀门K，A内充满气体，B内为真空；打开阀门K后，A内的气体进入B中，达到平衡后，再关闭阀门K；B即为“气闸舱”。若整个系统跟外界没有热交换，气体为理想气体，则(　　)
A．容器A内的气体进入容器B的过程中，气体膨胀，对外做了功
B．容器A内的气体进入容器B的过程中，气体膨胀，温度降低
C．容器A内的气体进入容器B的过程中，气体分子势能减少
D．即使阀门K一直处于打开状态，容器B中气体也不可能自发地全部退回到容器A中
例3　(2022·徐州市高二月考)一定质量的理想气体从状态a开始，经历a→b→c→d→a一次循环回到原状态，其体积随热力学温度变化的图像如图所示，其中ab、dc均垂直于横轴，ad、bc的延长线均过原点O。下列表述不正确的是(　　)
A．在过程d→a中气体从外界吸收热量
B．在过程d→a中在单位时间单位面积上碰撞容器壁的气体分子数减少
C．在过程b→c中外界对气体做的功等于在过程d→a中气体对外界做的功
D．经历a→b→c→d→a一次循环，气体从外界吸收热量
例4　(2021·江苏卷)如图所示，一定质量理想气体被活塞封闭在汽缸中，活塞的面积为S，与汽缸底部相距L，汽缸和活塞绝热性能良好，气体的压强、温度与外界大气相同，分别为p0和T0。现接通电热丝加热气体，一段时间后断开，活塞缓慢向右移动距离L后停止，活塞与汽缸间的滑动摩擦力大小为Ff，最大静摩擦力等于滑动摩擦力，整个过程中气体吸收的热量为Q，求该过程中：
(1)内能的增加量ΔU；
(2)最终温度T。
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例5　(2022·南通市高二期中)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图像如图所示。已知该气体在状态A时的温度为27 ℃。
(1)求该气体在状态B、C时的温度(用摄氏温度表示)；
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(2)该气体从状态A到状态C的过程中是吸热还是放热？热量值为多少？
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章末素养提升
物理观念 描述热力 学的物理量 (1)热量(Q)：是传热过程中内能的改变量，用来度量单纯传热过程中内能转移的多少 (2)功(W): 做功过程是机械能或其他形式的能与内能之间的转化过程。功是该过程能量转化的量度
热力学 第一定律 内容：一个热力学系统的内能变化量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和 表达式：ΔU＝ Q＋W
热力学 第二定律 克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传到高温物体 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 第二类永动机不可能制成的原因：违背了热力学第二定律
能量守 恒定律 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其他形式，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 第一类永动机不能制成的原因：违背了能量守恒定律
科学思维 1.经历绝热过程模型的构建过程，会推导热力学第一定律 2．能运用热力学第一定律解释和计算能量的转化和转移问题 3．能用热力学第二定律解释自然界中的能量转化、转移及方向性问题
科学态度与责任 1.通过对能量守恒的探索过程，领会人类对自然的认识要有实践的过程 2．了解永动机的探索过程，领会科学探索的艰辛与曲折性
例1　对于热力学第一定律和热力学第二定律的理解，下列说法正确的是(　　)
A．一定质量的气体膨胀对外做功100 J，同时从外界吸收80 J的热量，则它的内能增大20 J
B．物体从外界吸收热量，其内能一定增加；物体对外界做功，其内能一定减少
C．凡与热现象有关的宏观过程都具有方向性，在传热中，热量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
D．热现象过程中不可避免地出现能量耗散现象，能量耗散符合热力学第二定律
答案　D
解析　根据热力学第一定律知ΔU＝W＋Q＝－100 J＋80 J＝－20 J，它的内能减小20 J，故A错误；根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，可知物体从外界吸收热量，其内能不一定增加，物体对外界做功，其内能不一定减少，故B错误；通过做功的方式可以让热量从低温物体传递给高温物体，如电冰箱，故C错误；能量耗散过程体现了宏观自然过程的方向性，符合热力学第二定律，故D正确。
例2　我国建成后的“天宫”空间站，是“天和核心舱”、“问天实验舱”和“梦天实验舱”的三舱组合体，三舱皆有“气闸舱”；航天员出站时，要途经“气闸舱”“减压”后才能出站；从太空返回空间站时要途经“气闸舱”“升压”后才能进站。“气闸舱”的原理如图所示，相通的两容器A、B之间装有阀门K，A内充满气体，B内为真空；打开阀门K后，A内的气体进入B中，达到平衡后，再关闭阀门K；B即为“气闸舱”。若整个系统跟外界没有热交换，气体为理想气体，则(　　)
A．容器A内的气体进入容器B的过程中，气体膨胀，对外做了功
B．容器A内的气体进入容器B的过程中，气体膨胀，温度降低
C．容器A内的气体进入容器B的过程中，气体分子势能减少
D．即使阀门K一直处于打开状态，容器B中气体也不可能自发地全部退回到容器A中
答案　D
解析　当阀门K被打开时，容器A中的气体进入容器B中，由于容器B中为真空，所以气体体积膨胀，对外不做功，又因为系统与外界无热交换，所以气体内能不变，气体为理想气体，分子势能不变，则气体的温度也不变，故A、B、C错误；由热力学第二定律知，真空中气体膨胀具有方向性，在无外界作用时，容器B中气体不能自发地全部退回到容器A中，故D正确。
例3　(2022·徐州市高二月考)一定质量的理想气体从状态a开始，经历a→b→c→d→a一次循环回到原状态，其体积随热力学温度变化的图像如图所示，其中ab、dc均垂直于横轴，ad、bc的延长线均过原点O。下列表述不正确的是(　　)
A．在过程d→a中气体从外界吸收热量
B．在过程d→a中在单位时间单位面积上碰撞容器壁的气体分子数减少
C．在过程b→c中外界对气体做的功等于在过程d→a中气体对外界做的功
D．经历a→b→c→d→a一次循环，气体从外界吸收热量
答案　D
解析　d→a体积增大，气体对外做功，又因为温度升高，内能变大，所以气体从外界吸收热量，故A正确，不符合题意；由于压强不变，体积变大，故相同时间内碰撞容器壁的气体分子数变少，故B正确，不符合题意；从图像上可以看出从b→c和从d→a过程中温度变化是相等的，结合公式＝C可知这两个过程中pV＝CT也是相等的，即在过程b→c中外界对气体做的功等于在过程d→a中气体对外界做的功，故C正确，不符合题意；由题图可知一个循环内外界对气体做功，而内能不变，所以气体要放热，故D错误，符合题意。
例4　(2021·江苏卷)如图所示，一定质量理想气体被活塞封闭在汽缸中，活塞的面积为S，与汽缸底部相距L，汽缸和活塞绝热性能良好，气体的压强、温度与外界大气相同，分别为p0和T0。现接通电热丝加热气体，一段时间后断开，活塞缓慢向右移动距离L后停止，活塞与汽缸间的滑动摩擦力大小为Ff，最大静摩擦力等于滑动摩擦力，整个过程中气体吸收的热量为Q，求该过程中：
(1)内能的增加量ΔU；
(2)最终温度T。
答案　(1)Q－(p0S＋Ff)L　(2)t0
解析　(1)活塞移动时受力平衡p1S＝p0S＋Ff，
气体对外界做功W＝－p1SL，
根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W
解得ΔU＝Q－(p0S＋Ff)L
(2)活塞发生移动前，等容过程：＝
活塞向右移动了L，等压过程：＝，
且V2＝2V1，
解得T＝T0。
例5　(2022·南通市高二期中)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图像如图所示。已知该气体在状态A时的温度为27 ℃。
(1)求该气体在状态B、C时的温度(用摄氏温度表示)；
(2)该气体从状态A到状态C的过程中是吸热还是放热？热量值为多少？
答案　(1)－73 ℃　27 ℃　(2)放热　200 J
解析　(1)气体在状态A时的热力学温度为TA＝(27＋273) K＝300 K，对A→B过程根据盖－吕萨克定律有＝，解得TB＝200 K，由题图易知pCVC＝pAVA，根据理想气体状态方程＝，可知TC＝TA＝300 K，所以tB＝(200－273) ℃＝－73 ℃，tC＝tA＝(300－273) ℃＝27 ℃
(2)该气体从状态A到状态C的过程中体积减小，外界对气体做功，而气体温度不变，则内能不变，根据热力学第一定律可知气体放热。由ΔU＝Q＋W，结合p－V图像与横轴围成的面积表示外界对气体做的功，可得W＝pΔV＝2×105×(3－2)×10－3 J＝200 J，所以Q＝－200 J，即气体放出的热量值为200 J。