2020-2021学年 高二物理 热力学定律与能量守恒 期末复习强化学案Word版含答案

热力学定律与能量守恒
知识点一　热力学第一定律
1．改变物体内能的两种方式
(1)________．
(2)________．
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＝________.
知识点二　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________为另一种形式，或者是从一个物体________到别的物体，在________或________的过程中，能量的总量保持不变．
2．第一类永动机是不可能制成的，它违背了________．
知识点三　热力学第二定律
1．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__________物体传到__________物体．
(2)开尔文表述：如图甲所示，不可能从单一热源________热量，使之完全变成功，而不产生________．或表述为“第二类永动机不可能制成”．
(3)用熵的概念表示热力学第二定律
如图乙所示，用熵的概念表述：在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会________(热力学第二定律又叫做熵增加原理)．
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________的方向进行．
3．第二类永动机不可能制成的原因是违背了热力学________．
思考辨析
(1)做功和热传递的实质是相同的．(　　)
(2)绝热过程中，外界压缩气体做功20 J，气体的内能一定减少．(　　)
(3)物体吸收热量，同时对外做功，内能可能不变．(　　)
(4)自由摆动的秋千摆动幅度越来越小，能量正在消失．(　　)
(5)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－283 ℃.(　　)
(6)对能源的过度消耗将使自然界的能量不断减少，形成能源危机．(　　)
(7)在给自行车打气时，会发现打气筒的温度升高，这是因为外界对气体做功．(　　)
(8)热机中，燃气的内能可以全部变为机械能而不引起其他变化．(　　)
考点一　热力学第一定律的理解和应用
自主演练
1．对公式ΔU＝Q＋W符号的规定
符号
W
Q
ΔU
＋
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
2.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量．
(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量．
(3)若过程的始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．
[多维练透]
1．[2020·银川市一模] (多选)夏天，从湖底形成的一个气泡，在缓慢上升到湖面的过程中没有破裂．若接近水面，湖内水的温度越高，大气压强没有变化，将气泡内气体看做理想气体．则上升过程中，以下说法正确的是(　　)
A．气泡内气体对外界做功
B．气泡内每个气体分子的动能都变大
C．气泡内气体从外界吸收热量
D．气泡内气体的压强可能不变
E．气泡内分子单位时间内对气泡壁单位面积的撞击力减小
2.(多选)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
3．[2020·全国卷Ⅲ，33(1)](多选)如图，一开口向上的导热汽缸内，用活塞封闭了一定质量的理想气体，活塞与汽缸壁间无摩擦．现用外力作用在活塞上，使其缓慢下降．环境温度保持不变，系统始终处于平衡状态．在活塞下降过程中(　　)
A．气体体积逐渐减小，内能增加
B．气体压强逐渐增大，内能不变
C．气体压强逐渐增大，放出热量
D．外界对气体做功，气体内能不变
E．外界对气体做功，气体吸收热量
4．[2019·全国卷Ⅰ，33]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．
考点二　热力学定律与气体实验定律的综合应用
师生共研
气态变化中的做功、内能、热量的判断方法
(1)做功情况看体积
体积V减小→外界对气体做功→W>0；
体积V增大→气体对外界做功→W<0；
自由膨胀→W＝0；
(2)内能变化看温度
温度T升高→内能增加→ΔU>0；
温度T降低→内能减少→ΔU <0；
(3)吸(放)热看定律
先判断做功和内能变化，再根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W，确定吸(放)热．
特别注意：吸(放)热不能直接根据温度变化判断．
题型1|热力学第一定律与图象的综合应用
例1 (多选)如图，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，再经过等温过程bc到达状态c，最后经等压过程ca回到初态a.下列说法正确的是________．
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
[教你解决问题]
p?V图象问题的审题思路
题型|热力学第一定律与实验定律的综合应用
例2 [2020·潍坊模拟]如图所示在绝热汽缸内，有一绝热轻活塞封闭一定质量的气体，开始时缸内气体温度为27 ℃，封闭气柱长9 cm，活塞横截面积S＝50 cm2.现通过汽缸底部电阻丝给气体加热一段时间．此过程中气体吸热22 J，稳定后气体温度变为127 ℃.已知大气压强等于105 Pa，求：
(1)加热后活塞到汽缸底端的距离；
(2)此过程中气体内能改变了多少．
练1　[2018·全国卷Ⅲ，33] (多选)如图，一定量的理想气体从状态a变化到状态b，其过程如p ? V图中从a到b的直线所示．在此过程中(　　)
A．气体温度一直降低
B．气体内能一直增加
C．气体一直对外做功
D．气体一直从外界吸热
E．气体吸收的热量一直全部用于对外做功
练2　[2019·海南](多选)一定量的理想气体从状态M出发，经状态N、P、Q回到状态M，完成一个循环，从M到N、从P到Q是等温过程；从N到P、从Q到M是等容过程；其体积－温度图象(V ?T图象)如图所示，下列说法正确的是(　　)
A．从M到N是吸热过程
B．从N到P是吸热过程
C．从P到Q气体对外界做功
D．从Q到M是气体对外界做功
E．从Q到M气体的内能减少
练3　一定质量的理想气体被活塞封闭在汽缸内，如图所示水平放置．活塞的质量m＝20 kg，横截面积S＝100 cm2，活塞可沿汽缸壁无摩擦滑动但不漏气，开始使汽缸水平放置，活塞与汽缸底的距离L1＝12 cm，离汽缸口的距离L2＝3 cm.外界气温为27 ℃，大气压强为1.0×105 Pa，将汽缸缓慢地转到开口向上的竖直位置，待稳定后对缸内气体逐渐加热，使活塞上表面刚好与汽缸口相平，已知g＝10 m/s2，求
(1)此时气体的温度为多少？
(2)在对缸内气体加热的过程中，气体膨胀对外做功，同时吸收Q＝370 J的热量，则气体增加的内能ΔU多大？
题后反思
气体实验定律与热力学第一定律的综合解题技巧
考点三　热力学第二定律的理解应用
自主演练
1．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”的含义：
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；
②“不产生其他影响”的含义是指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，都揭示了一切与热现象有关的宏观过程都具有方向性，即一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的．
2．热力学过程方向性实例
(1)高温物体低温物体．
(2)功热．
(3)气体体积V1气体体积V2(V1(4)不同气体A和B混合气体AB.
3．两类永动机的比较
分类
第一类永动机
第二类永动机
设计初衷
不需要任何动力或燃料，却能不断地对外做功的机器
从单一热源吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响的机器
不可能制成的原因
违背能量守恒
不违背能量守恒，但违背热力学第二定律
[多维练透]
5．[2020·全国卷Ⅱ，33(1) ]下列关于能量转换过程的叙述，违背热力学第一定律的有__________，不违背热力学第一定律、但违背热力学第二定律的有__________．(填正确答案标号)
A．汽车通过燃烧汽油获得动力并向空气中散热
B．冷水倒入保温杯后，冷水和杯子的温度都变得更低
C．某新型热机工作时将从高温热源吸收的热量全部转化为功，而不产生其他影响
D．冰箱的制冷机工作时从箱内低温环境中提取热量散发到温度较高的室内
6．[2020·广东深圳调研](多选)下列说法正确的是(　　)
A．液晶具有流动性，其光学性质表现为各向异性
B．太空舱中的液滴呈球状是由于完全失重情况下液体表面张力的作用
C．用打气筒的活塞压缩气体很费劲，说明分子间有斥力
D．第二类永动机是不可能制造出来的，因为它违反了能量守恒定律
E．在合适的条件下，某些晶体可以转变为非晶体，某些非晶体也可以转变为晶体
7．下列关于热力学定律的理解正确的是(　　)
A．热量不可能从低温物体传到高温物体
B．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处于热平衡
C．物体的摄氏温度变化了1 ℃，其热力学温度变化了1 K
D．空调机作为制冷机使用时，将热量从温度较低的室内送到温度较高的室外，所以制冷机的工作不遵守热力学第二定律
E．一辆空载的卡车停于水平地面，在缓慢装沙的过程中，若车胎不漏气，胎内气体温度不变，不计分子间势能，则胎内气体向外界放热
第3讲　热力学定律与能量守恒
基础落实
知识点一
1．(1)做功　(2)热传递
2．(2)Q＋W
知识点二
1．转化　转移　转化　转移
2．能量守恒定律
知识点三
1．(1)低温　高温　(2)吸收　其他影响 (3)减小
2．增大
3．第二定律
思考辨析
(1)×　(2)×　(3)√　(4)×　(5)×　(6)×　(7)√　(8)×
考点突破
1．解析：气泡上升过程中，温度升高，压强减小，则根据pVT＝C可知，体积变大，气体对外做功，选项A正确；气泡的温度升高，则气体分子的平均动能变大，并非气泡内每个气体分子的动能都变大，选项B错误；气体温度升高，内能变大，气体对外做功，根据ΔU＝W＋Q可知，气泡内气体从外界吸收热量，选项C正确；因大气压强不变，则随水深度的减小，气泡的压强减小，根据气体压强的微观意义可知，气泡内分子单位时间内对气泡壁单位面积的撞击力减小，选项D错误，E正确；故选A、C、E.
答案：ACE
2．解析：气体向真空膨胀时不受阻碍，气体不对外做功，由于汽缸是绝热的，没有热交换，所以气体扩散后内能不变，选项A正确；
气体被压缩的过程中，外界对气体做功，且没有热交换，根据热力学第一定律，气体的内能增大， 选项B、D正确；
气体在真空中自发扩散的过程中气体不对外做功，选项C错误；
气体在压缩过程中，内能增大，由于一定质量的理想气体的内能完全由温度决定，温度越高，内能越大，气体分子的平均动能越大，选项E错误．
答案：ABD
3．解析：外力使活塞缓慢下降的过程中，由于温度保持不变，则气体的内能保持不变，气体的体积逐渐减小，外界对气体做功，由热力学第一定律可知，气体向外界放出热量，又由玻意耳定律可知，气体体积减小，气体的压强增大，由以上分析可知B、C、D正确，A、E错误．
答案：BCD
4．解析：本题通过理想气体状态变化过程考查了热力学定律与能量守恒定律，以及学生的综合分析与计算能力，体现了科学推理的核心素养要素．
由题意可知，封闭气体经历了绝热膨胀的过程，此过程中气体对外界做功，W<0，与外界的热交换为零，即Q＝0，则由热力学第一定律可知气体内能降低，而一定质量理想气体的内能只与温度有关，故其温度降低，即容器中空气的温度低于外界温度．由于此时容器中空气压强与外界相同．而温度低于外界温度，若假设容器中空气经历等压升温过程而达到与外界相同状态，由pVT＝C可知其体积必然膨胀，则升温后的容器中空气密度必然比假设的等压升温过程前密度小，而假设的等压升温过程后容器中空气的密度等于外界空气密度．故此时容器中空气的密度大于外界空气的密度．
答案：低于　大于
例1　解析：ab过程是等容变化，ab过程压强增大，温度升高，气体内能增大，选项A正确；而由于体积不变，气体对外界不做功，选项C错误；
ca过程是等压变化，体积减小，外界对气体做功，选项B正确；体积减小过程中，温度降低，内能减小，气体要放出热量，选项E错误；
bc过程是等温变化，内能不变，体积增大，气体对外界做功，则需要吸收热量，选项D正确．
答案：ABD
例2　解析：
(1)取被封闭的气体为研究的对象．开始时气体的体积为L1S，温度为：T1＝(273＋27)K＝300 K，
末状态的体积为：L2S，温度为：T2＝(273＋127)K＝400 K
气体做等压变化，则L1ST1＝L2ST2
代入数据得：L2＝12 cm.
(2)在该过程中，气体对外做功：W＝F·ΔL＝p0S(L2－L1)
＝105×50×10－4×(12－9)×10－2 J＝15 J，
由热力学第一定律：ΔU＝Q－W＝22 J－15 J＝7 J.
答案：(1)12 cm　(2)7 J
练1　解析：对于一定量的理想气体有pVT＝恒量．从a到b，p逐渐增大，V逐渐增大，所以p与V的乘积pV增大，可知T增大，则气体的内能一直增加，故A错误、B正确；由于V逐渐增大，可知气体一直对外做功，故C正确；由热力学第一定律ΔU＝Q＋W，因ΔU>0，W<0，可知Q>0，即气体一直从外界吸热，且吸收的热量大于对外做的功，故D正确、E错误．
答案：BCD
练2　解析：从M到N理想气体的温度不变，则内能不变，即ΔU＝0，但体积减小，说明外界对气体做功，即W>0，由热力学第一定律：W＋Q＝ΔU，可知Q<0，所以是一个放热过程，故A项错误；从N到P理想气体温度升高，则内能增大，即ΔU>0，但体积不变，说明外界没有对气体做功，气体也没有对外界做功，即W＝0，由热力学第一定律：W＋Q＝ΔU，可知Q>0，所以是一个吸热过程，故B项正确；从P到Q理想气体温度不变，则内能不变，即ΔU＝0，但体积增大，说明气体对外界做功，故C项正确；从Q到M理想气体体积不变，说明外界没有对气体做功，气体也没有对外界做功，即W＝0，故D项错误；从Q到M理想气体温度降低，内能减小，故E项正确．
答案：BCE
练3　解析：
(1)当汽缸水平放置时，
p0＝1.0×105 Pa，
V0＝L1S，T0＝(273＋27) K＝300 K
当汽缸口朝上，活塞到达汽缸口时，活塞的受力分析如图所示，有
p1S＝p0S＋mg
则p1＝p0＋mgS＝1.0×105 Pa＋20010-2 Pa＝1.2×105 Pa
V1＝(L1＋L2)S
由理想气体状态方程得p0L1ST0＝p1L1+L2ST1
则T1＝p1L1+L2p0L1T0＝1.2×105×151.0×105×12×300 K＝450 K.
(2)当汽缸口向上，未加热稳定时：由玻意耳定律得p0L1S＝p1LS
则L＝p0L1p1＝1.0×105×121.2×105 cm＝10 cm
加热后，气体做等压变化，外界对气体做功为
W＝－p0(L1＋L2－L)S－mg(L1＋L2－L)＝－60 J
根据热力学第一定律
ΔU＝W＋Q得ΔU＝310 J.
答案：(1)450 K　(2)310 J
5．解析：汽车通过燃烧汽油获得动力并向空气中散热既不违背热力学第一定律也不违背热力学第二定律；冷水倒入保温杯后，冷水和杯子的温度都变得更低，违背了热力学第一定律；热机工作时吸收的热量不可能全部用来对外做功，而不产生其他影响，显然C选项遵循热力学第一定律，但违背了热力学第二定律；冰箱的制冷机工作时，从箱内低温环境中提取热量散发到温度较高的室内，既不违背热力学第一定律也不违背热力学第二定律，综上所述，第一个空选B，第二个空选C.
答案：B　C
6．解析：液晶具有流动性，其光学性质表现为各向异性，选项A正确；太空舱中的液滴呈球状是由于完全失重情况下液体表面张力的作用，选项B正确；用打气筒的活塞压缩气体很费劲，这是气体压强作用的结果，不能说明分子间有斥力，选项C错误；第二类永动机是不可能制造出来的，因为它违反了热力学第二定律，不违反能量守恒定律，选项D错误；在合适的条件下，某些晶体可以转变为非晶体，某些非晶体也可以转变为晶体，例如天然石英是晶体，加工后做成玻璃就是非晶体，选项E正确．
答案：ABE
7．解析：热量能够自发地从高温物体传到低温物体，也能从低温物体传到高温物体，但要引起其他变化，如电冰箱，A错误；达到热平衡的条件是温度相等，则可知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，故B正确；由T＝t＋273.15 K得知，ΔT＝Δt，即热力学温度的变化总等于摄氏温度的变化，故C正确；空调机作为制冷机使用时，空气压缩机做功，要消耗电能，制冷过程不是自发进行的，制冷时将热量从温度较低的室内送到温度较高的室外，所以制冷机的工作遵守热力学第二定律，故D错误；在卡车装沙的过程中胎内气体经历了一个温度不变，压强增大的变化，由理想气体状态方程可知，气体体积变小，故外界对气体做正功；胎内气体内能不变，外界又对气体做正功，根据能量守恒定律 ，胎内气体向外界放热，故E正确．
答案：BCE