江蘇專用2022版高考物理一輪復習第12章熱學第3節熱力學定律與能量守恒定律學案江蘇專用2022版高考物理一輪復習第12章熱學第3節熱力學定律與能量守恒定律學案PAGE22-江蘇專用2022版高考物理一輪復習第12章熱學第3節熱力學定律與能量守恒定律學案第3節熱力學定律與能量守恒定律一、熱力學第一定律1．改變物體內能的兩種方式(1)做功；(2)熱傳遞。2．熱力學第一定律(1)內容：一個熱力學系統的內能增量等于外界向它傳遞的熱量與外界對它所做的功的和。（2）表達式：ΔU＝Q＋W.(3)正、負號法則：物理量WQΔU＋外界對物體做功物體吸收熱量內能增加－物體對外界做功物體放出熱量內能減少二、能量守恒定律1．內容能量既不會憑空產生,也不會憑空消失，它只能從一種形式轉化為另一種形式，或者是從一個物體轉移到別的物體,在轉化或轉移的過程中，能量的總量保持不變。2．條件性能量守恒定律是自然界的普遍規律,某一種形式的能是否守恒是有條件的.3．第一類永動機是不可能制成的，它違背了能量守恒定律.三、熱力學第二定律1．熱力學第二定律的兩種表述(1)克勞修斯表述：熱量不能自發地從低溫物體傳到高溫物體。（2)開爾文表述：不可能從單一熱庫吸收熱量，使之完全變成功,而不產生其他影響。或表述為“第二類永動機是不可能制成的”。2．熱力學第二定律的微觀意義一切自發過程總是沿著分子熱運動的無序性增大的方向進行。3．第二類永動機不可能制成的原因是違背了熱力學第二定律。1．思考辨析（正確的畫“√",錯誤的畫“×”)(1）外界壓縮氣體做功20J,氣體的內能可能不變。 （√）(2）給自行車打氣時，發現打氣筒的溫度升高，這是因為打氣筒從外界吸熱。 （×）(3）可以從單一熱源吸收熱量，使之完全變成功。 （√）(4）熱機中，燃氣的內能可以全部變為機械能而不引起其他變化. （×）(5）自由擺動的秋千擺動幅度越來越小，能量正在消失。 (×)(6）利用河水的能量使船逆水航行的設想，符合能量守恒定律. (√）2．(人教版選修3－3P61T2)下列現象中不能夠發生的是（)A．一杯熱茶在打開杯蓋后,茶會自動變得更熱B．蒸汽機把蒸汽的內能部分轉化成機械能C．桶中混濁的泥水在靜置一段時間后，泥沙下沉，上面的水變清，泥、水自動分離D．電冰箱通電后把箱內低溫物體的熱量傳到箱外高溫物體A[由熱力學第二定律可知，一切自發進行與熱現象有關的宏觀過程,都具有方向性，A錯誤；熱機的工作效率不可能達到100％，B正確;泥沙下沉，系統的重力勢能減少,沒有違背熱力學第二定律，C正確；冰箱通過壓縮機的工作，把熱量從低溫物體傳到高溫物體,該過程消耗了電能，沒有違背熱力學第二定律,D正確。]3．下列敘述和熱力學定律相關,其中正確的是（）A．第一類永動機不可能制成，是因為違背了熱力學第二定律B．能量耗散過程中能量不守恒C．電冰箱的制冷系統能夠不斷地把冰箱內的熱量傳到外界，違背了熱力學第二定律D．能量耗散是從能量轉化的角度反映出自然界中的宏觀過程具有方向性D［第一類永動機不可能制成，是因為違背了能量守恒定律，選項A錯誤;能量耗散過程中能量仍然守恒，只是將能量從高度有用的形式降級為不大可用的形式，選項B錯誤；電冰箱的制冷系統能夠不斷地把冰箱內的熱量傳到外界，是利用壓縮機做功，引起了其他變化，不違背熱力學第二定律，選項C錯誤；能量耗散是從能量轉化的角度反映出自然界中的宏觀過程具有方向性，選項D正確。］4．對于熱力學第一定律和熱力學第二定律的理解，下列說法正確的是（)A．一定質量的氣體膨脹對外做功100J，同時從外界吸收120J的熱量，則它的內能減少20JB．物體從外界吸收熱量，其內能一定增加;物體對外界做功，其內能一定減少C．凡與熱現象有關的宏觀過程都具有方向性，在熱傳遞中，熱量只能從高溫物體傳遞給低溫物體，而不能從低溫物體傳遞給高溫物體D．第二類永動機違反了熱力學第二定律,沒有違反熱力學第一定律D[根據熱力學第一定律知ΔU＝W＋Q＝－100J＋120J＝20J，內能增加20J,故選項A錯誤；根據熱力學第一定律ΔU＝W＋Q，可知物體從外界吸收熱量，其內能不一定增加，物體對外界做功,其內能不一定減少，選項B錯誤；通過做功的方式可以讓熱量從低溫物體傳遞給高溫物體,如電冰箱，選項C錯誤；第二類永動機沒有違反能量守恒定律，熱力學第一定律是能量轉化和守恒定律在熱學中的反映,因此第二類永動機沒有違反熱力學第一定律，不能制成是因為它違反了熱力學第二定律，故選項D正確.］熱力學第一定律與能量守恒定律eq\o（［依題組訓練])1．下列說法正確的是(）A．物體放出熱量，其內能一定減小B．物體對外做功,其內能一定減小C．物體吸收熱量,同時對外做功，其內能可能增加D．物體放出熱量，同時對外做功，其內能可能不變C[由熱力學第一定律ΔU＝W＋Q可知，若物體放出熱量,但外界對物體做正功,則ΔU不一定為負值，即內能不一定減小,故A項錯誤；同理可分析出，B項和D項錯誤，C項正確。]2．關于熱力學定律,下列說法正確的是（）A．氣體吸熱后溫度一定升高B．對氣體做功可以改變其內能C．理想氣體等壓膨脹過程一定放熱D．熱量可能自發地從低溫物體傳到高溫物體B[根據熱力學定律，氣體吸熱后如果對外做功，則溫度不一定升高,說法A錯誤；改變物體內能的方式有做功和傳熱,對氣體做功可以改變其內能，說法B正確；理想氣體等壓膨脹對外做功，根據eq\f（pV,T）＝恒量知，膨脹過程一定吸熱，說法C錯誤;根據熱力學第二定律，熱量不可能自發地從低溫物體傳到高溫物體,說法D錯誤.]3．如圖所示，用隔板將一絕熱汽缸分成兩部分，隔板左側充有理想氣體，隔板右側與絕熱活塞之間是真空。現將隔板抽開,氣體會自發擴散至整個汽缸。待氣體達到穩定后，緩慢推壓活塞，將氣體壓回到原來的體積。假設整個系統不漏氣。下列說法不正確的是(）A．氣體自發擴散前后內能相同B．氣體在被壓縮的過程中內能增大C．在自發擴散過程中，氣體對外界做功D．氣體在被壓縮的過程中，外界對氣體做功C[氣體向真空膨脹時不受阻礙，氣體不對外做功，由于汽缸是絕熱的，沒有熱交換，所以氣體擴散后內能不變，選項A正確；氣體被壓縮的過程中，外界對氣體做功，且沒有熱交換，根據熱力學第一定律，氣體的內能增大，選項B、D正確；氣體在真空中自發擴散的過程中不對外做功，選項C錯誤。］4．（2019·全國卷Ⅰ)某容器中的空氣被光滑活塞封住，容器和活塞絕熱性能良好，空氣可視為理想氣體。初始時容器中空氣的溫度與外界相同，壓強大于外界。現使活塞緩慢移動，直至容器中的空氣壓強與外界相同。此時,容器中空氣的溫度________（選填“高于"“低于”或“等于”)外界溫度，容器中空氣的密度________(選填“大于”“小于”或“等于")外界空氣的密度。［解析］由于初始時封閉在容器中的空氣的壓強大于外界壓強，容器和活塞絕熱性能良好,容器中空氣與外界沒有熱量交換,容器中的空氣推動活塞對外做功,由熱力學第一定律可知,空氣內能減小。根據理想氣體內能只與溫度有關可知,活塞緩慢移動后容器中空氣的溫度降低，即容器中的空氣溫度低于外界溫度。因壓強與氣體溫度和分子的密集程度有關，當容器中的空氣壓強與外界壓強相同時，容器中空氣溫度小于外界空氣溫度，故容器中空氣的密度大于外界空氣密度。［答案]低于大于1．對熱力學第一定律的理解(1)做功和熱傳遞在改變系統內能上是等效的。(2）外界對系統做功是其他形式能量與內能的轉化。(3）熱傳遞是外界與系統之間內能的轉移。2．熱力學第一定律的三種特殊情況（1）若過程是絕熱的，則Q＝0，W＝ΔU，外界對物體做的功等于物體內能的增加。(2）若過程中不做功，則W＝0，Q＝ΔU，物體吸收的熱量等于物體內能的增加。（3）若過程的始、末狀態物體的內能不變，則W＋Q＝0，即物體吸收的熱量全部用來對外做功，或外界對物體做的功等于物體放出的熱量.3．應用熱力學第一定律的三點注意（1)做功看體積:體積增大,氣體對外做功，W為負;體積縮小，外界對氣體做功，W為正。氣體向真空中自由膨脹，對外界不做功，W＝0.(2）與外界絕熱,則不發生熱傳遞，此時Q＝0.(3）由于理想氣體沒有分子勢能，所以當它的內能變化時，體現在分子動能的變化上，從宏觀上看就是溫度發生的變化。熱力學第二定律的理解及應用eq\o（［依題組訓練]）1．關于熱力學定律，下列說法正確的是（)A．為了增加物體的內能，必須對物體做功或向它傳遞熱量B．對某物體做功,必定會使該物體的內能增加C．不可以從單一熱源吸收熱量，使之完全變為功D．不可能使熱量從低溫物體傳向高溫物體A[內能的改變可以通過做功或熱傳遞進行，故A對；對某物體做功，若物體向外放熱，則物體的內能不一定增加，B錯；在引起其他變化的情況下，從單一熱源吸收熱量可以將其全部變為功，C錯；在引起其他變化的情況下，可以將熱量從低溫物體傳向高溫物體，D錯。］2．下列說法正確的是()A．壓縮氣體總能使氣體的溫度升高B．能量耗散過程中能量是不守恒的C．第一類永動機不可能制成，是因為違背了能量守恒定律D．第二類永動機不違背能量守恒定律，但違背了熱力學第一定律C[內能的變化取決于做功和熱傳遞兩個方面,壓縮氣體并不一定能使氣體溫度升高，選項A錯誤；由能量守恒定律可知，選項B錯誤；第一類永動機是指不消耗能量卻可以不斷向外做功的機器，違背了能量守恒定律，選項C正確；第二類永動機不違背能量守恒定律,但違背了熱力學第二定律，選項D錯誤。]3．下列關于熱力學第二定律的說法中正確的是（)A．所有符合能量守恒定律的宏觀過程都能真的發生B．部分與熱現象有關的宏觀自然過程是不可逆的C．機械能可以全部轉化為內能,但內能無法全部用來做功而轉化成機械能D．氣體向真空的自由膨脹是可逆的C［符合能量守恒定律，但違背熱力學第二定律的宏觀過程不能發生，選項A錯誤；一切與熱現象有關的宏觀自然過程都是不可逆的，選項B錯誤；機械能可以全部轉化為內能，但內能無法全部用來做功而轉化成機械能,選項C正確;氣體向真空的自由膨脹是不可逆的，選項D錯誤。］4．如圖所示為電冰箱的工作原理示意圖。壓縮機工作時,強迫制冷劑在冰箱內外的管道中不斷循環。在蒸發器中制冷劑汽化吸收箱體內的熱量,經過冷凝器時制冷劑液化，放出熱量到箱體外。（1)下列說法正確的是()A．熱量可以自發地從冰箱內傳到冰箱外B．電冰箱的制冷系統能夠不斷地把冰箱內的熱量傳到外界，是因為其消耗了電能C．電冰箱的工作原理違反熱力學第二定律D．電冰箱的工作原理違反熱力學第一定律(2）電冰箱的制冷系統從冰箱內吸收的熱量與釋放到外界的熱量相比，有怎樣的關系?［解析](1）熱力學第一定律是熱現象中內能與其他形式能的轉化規律，是能量守恒定律的具體表現，適用于所有的熱學過程，故D項錯誤；由熱力學第二定律可知，熱量不能自發地從低溫物體傳到高溫物體，除非有外界的影響或幫助,電冰箱把熱量從低溫的內部傳到高溫的外部,需要壓縮機的幫助并消耗電能，故B項正確，A、C項錯誤。（2)由熱力學第一定律可知，電冰箱制冷系統從冰箱內吸收了熱量,同時消耗了電能,釋放到外界的熱量比從冰箱內吸收的熱量多.[答案］（1）B（2）見解析1．對熱力學第二定律關鍵詞的理解在熱力學第二定律的表述中,“自發地"“不產生其他影響”的含義。(1）“自發地”指明了熱傳遞等熱力學宏觀現象的方向性，不需要借助外界提供能量的幫助。（2)“不產生其他影響”的含義是發生的熱力學宏觀過程只在本系統內完成，對周圍環境不產生熱力學方面的影響.如吸熱、放熱、做功等.2．熱力學第二定律的實質自然界中進行的涉及熱現象的宏觀過程都具有方向性。如3．兩類永動機的比較分類第一類永動機第二類永動機設計要求不需要任何動力或燃料,卻能不斷地對外做功的機器從單一熱源吸收熱量，使之完全變成功，而不產生其他影響的機器不可能制成的原因違背能量守恒定律不違背能量守恒定律，違背熱力學第二定律熱力學第一定律與圖象的綜合應用eq\o(［依題組訓練]）1．如圖所示，一定量的理想氣體從狀態a變化到狀態b，其過程如p-V圖中從a到b的直線所示.在此過程中不正確的是（）A．氣體溫度一直降低B．氣體內能一直增加C．氣體一直對外做功D．氣體一直從外界吸熱A［一定量的理想氣體從a到b的過程，由理想氣體狀態方程eq\f（paVa,Ta）＝eq\f（pbVb，Tb)可知，Tb>Ta,即氣體的溫度一直升高,選項A錯誤；根據理想氣體的內能只與溫度有關,可知氣體的內能一直增加，選項B正確；由于從a到b的過程中氣體的體積增大，所以氣體一直對外做功，選項C正確；根據熱力學第一定律,從a到b的過程中,氣體一直從外界吸熱,選項D正確。]2．如圖所示，一定質量的理想氣體從狀態a開始，經歷過程①、②、③、④到達狀態e。對此氣體，下列說法正確的是（)A．過程①中氣體的壓強逐漸減小B．過程②中外界對氣體做功C．過程④中氣體從外界吸收了熱量D．狀態c、d的內能相等D[由理想氣體狀態方程eq\f（paVa，Ta)＝eq\f（pbVb，Tb)可知，pb〉pa，即過程①中氣體的壓強逐漸增大，選項A錯誤；由于過程②中氣體體積增大，所以過程②中氣體對外做功,選項B錯誤；過程④中氣體體積不變，氣體對外做功為零，溫度降低,內能減小,根據熱力學第一定律,過程④中氣體放出熱量，選項C錯誤；由于狀態c、d的溫度相等，理想氣體的內能只與溫度有關，可知狀態c、d的內能相等，選項D正確。］3．一定量的理想氣體從狀態a開始,經歷等溫或等壓過程ab、bc、cd、da回到原狀態，其p。T圖象如圖所示，其中對角線ac的延長線過原點O。下列判斷正確的是(）A．氣體在a、c兩狀態時的體積Va>VcB．氣體在狀態a時的內能大于它在狀態c時的內能C．在過程cd中氣體向外界放出的熱量大于外界對氣體做的功D．在過程da中氣體從外界吸收的熱量小于氣體對外界做的功B［由ac的延長線過原點O知，直線Oca為一條等容線，氣體在a、c兩狀態的體積相等，選項A錯誤;理想氣體的內能由其溫度決定，故在狀態a時的內能大于在狀態c時的內能，選項B正確;過程cd是等溫變化，氣體內能不變，由熱力學第一定律知,氣體對外放出的熱量等于外界對氣體做的功，選項C錯誤；過程da氣體內能增大,從外界吸收的熱量大于氣體對外界做的功，選項D錯誤。]4．（2019·江蘇高考）如圖所示,一定質量理想氣體經歷A→B的等壓過程，B→C的絕熱過程(氣體與外界無熱量交換），其中B→C過程中內能減少900J.求A→B→C過程中氣體對外界做的總功。[解析］由題意可知，A→B過程為等壓膨脹，所以氣體對外做功為：W1＝－p（VB－VA)B→C過程：由熱力學第一定律得：W2＝ΔU則氣體對外界做的總功為：W＝－(W1＋W2)代入數據解得:W＝1500J.[答案]W＝1500J判斷理想氣體內能變化的兩種方法（1）一定質量的理想氣體,內能的變化完全由溫度變化決定,溫度升高,內能增大。（2)若吸、放熱和做功情況已知，可由熱力學第一定律ΔU＝W＋Q來確定.熱力學第一定律與氣體實驗定律的綜合應用eq\o（[講典例示法])［典例示法]如圖所示，一根兩端開口、橫截面積為S＝2cm2足夠長的玻璃管豎直插入水銀槽中并固定（插入水銀槽中的部分足夠深).管中有一個質量不計的光滑活塞，活塞下封閉著長L＝21cm的氣柱，氣體的溫度為t1＝7℃，外界大氣壓取p0＝1.0×105Pa（相當于75cm高汞柱壓強）.（1)若在活塞上放一個質量為m＝0.1kg的砝碼,保持氣體的溫度t1不變，則平衡后氣柱為多長;（g＝10m/s2）（2)若保持砝碼的質量不變,對氣體加熱，使其溫度升高到t2＝77℃，此時氣柱為多長；（3）若在(2）過程中，氣體吸收的熱量為10J，則氣體的內能增加多少？［解析］（1)被封閉氣體的初狀態為p1＝p0＝1。0×105Pa，V1＝LS＝42cm3,T1＝280K末狀態壓強p2＝p0＋eq\f(mg,S)＝1。05×105Pa，V2＝L2S,T2＝T1＝280K根據玻意耳定律，有p1V1＝p2V2，即p1LS＝p2L2S，得L2＝20cm。(2)對氣體加熱后，氣體的壓強不變,p3＝p2，V3＝L3S，T3＝350K根據蓋—呂薩克定律，有eq\f（V2，T2）＝eq\f(V3,T3)，即eq\f（L2S,T2)＝eq\f(L3S,T3），得L3＝25cm.（3）氣體對外做的功W＝p2Sh＝p2S（L3－L2）＝1.05J根據熱力學第一定律ΔU＝Q＋W得ΔU＝10J＋（－1.05J)＝8.95J，即氣體的內能增加了8。95J。［答案](1)20cm(2)25cm（3)8。95J求解氣體實驗定律與熱力學定律的綜合問題的通用思路［跟進訓練]1．(2020·衡水中學模擬）如圖所示,內壁光滑、足夠高的圓柱形汽缸豎直放置，內有一質量為m的活塞封閉一定質量的理想氣體.已知活塞橫截面積為S，外界大氣壓強為p0,缸內氣體溫度為T1。現對汽缸內氣體緩慢加熱，使氣體體積由V1增大到V2，該過程中氣體吸收的熱量為Q1，停止加熱并保持體積V2不變，使其降溫到T1，已知重力加速度為g，求：（1）停止加熱時缸內氣體的溫