易错点32 热力学定律和能量守恒-备战2022年高考物理典型易错题辨析与精练学案

易错点32 热力学定律和能量守恒

易错总结

一、热力学第一定律

1．改变内能的两种方式：做功与传热．两者对改变系统的内能是等价的．

2．热力学第一定律：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．

3．热力学第一定律的表达式：ΔU＝Q＋W.

4．热力学第一定律的应用：

(1)W的正负：外界对系统做功时，W取正值；系统对外界做功时，W取负值．(均选填“正”或“负”)

(2)Q的正负：外界对系统传递的热量Q取正值；系统向外界传递的热量Q取负值．(均选填“正”或“负”)

二、能量守恒定律

1．探索能量守恒的足迹

2．能量守恒定律

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．

3．永动机不可能制成

(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．

(2)第一类永动机由于违背了能量守恒定律，所以不可能制成．

一、热力学第二定律

1．定义：在物理学中，反映宏观自然过程的方向性的定律．

2．热力学第二定律的克劳修斯表述：

热量不能自发地从低温物体传到高温物体．阐述的是传热的方向性．

3．热力学第二定律的开尔文表述：

(1)热机

①热机工作的两个阶段：第一个阶段是燃烧燃料，把燃料中的化学能变成工作物质的内能；第二个阶段是工作物质对外做功，把自己的内能变成机械能．

②热机用于做功的热量一定小于它从高温热库吸收的热量，即W<Q.

(2)热力学第二定律的开尔文表述：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．(该表述阐述了机械能与内能转化的方向性)．

4．热力学第二定律的克劳修斯表述和开尔文表述是等价的．(选填“等价”或“不等价”)

三、热力学第一定律和热力学第二定律的比较

1．两定律的比较

2.两类永动机的比较

【易错跟踪训练】

  易错类型：对物理概念理解不透彻

1．（2021·重庆高三月考）关于内能，下列说法中正确的是（　　）

A．两物体质量和温度都相同，则内能也相同

B．物体吸收热量，内能一定增加

C．功可以全部转化为热，热不可以全部转化为功

D．热量从高温物体传递到低温物体的过程是不可逆的

【答案】D

【详解】

A．两物体的质量、温度均相等，它们的内能却不一定相同，还与分子总数有关。故A错误。
B．物体吸收热量后，可能对外做功，内能不一定增加，故B错误；
C．功可以全部转化为热，热在引起外界变化的情况下也可以全部转化为功，故C错误；
D．根据热力学第二定律热量能够自发地从高温物体传递到低温物体，不能自发地从低温物体传递到高温物体。故D正确。
故选D。

2．（2021·全国高三专题练习）一定质量的理想气体，从某一状态开始经过一系列改变后又回到开始状态，用W1表示外界对气体做功，W2表示气体对外界做功，Q1表示气体吸收的热量，Q2表示气体放出的热量，则整个过程一定有（　　）

A．Q1-Q2=W2-W1 B．Q1=Q2 C．W2=W1 D．Q1>Q2

【答案】A

【详解】

由于从某一状态开始经过一系列变化后又回到开始状态，根据热力学第一定律，可知

整理可得

Q1-Q2=W2-W1

故选A。

3．（2021·全国高三专题练习）下列关于热现象的描述正确的是（　　）

A．根据热力学定律，热机的效率可能达到100%

B．做功和传热都是通过能量转化的方式改变系统内能的

C．温度是描述热运动的物理量，一个系统与另一个系统达到热平衡时两系统温度相同

D．根据热力学第二定律可知，热量能够从高温物体传到低温物体，但不可能从低温物体传到高温物体

【答案】C

【详解】

A．根据热力学定律，热机的效率不可能达到100%，A错误；

B．做功是通过能量转化的方式改变系统内能，传热是通过能量转移的方式改变系统内能，B错误；

C．达到热平衡的两系统温度相同，C正确；

D．由热力学第二定律可知，热量能够自发地从高温物体传到低温物体，热量不可以自发地从低温物体传到高温物体，但在外界的影响下热量能从低温物体传到高温物体，D错误。

故选C。

4．（2021·江苏省如皋中学高三开学考试）热现象过程中不可避免地出现能量耗散的现象。所谓能量耗散是指在能量转化的过程中无法把流散的能量重新收集、重新加以利用。下列关于能量耗散的说法中正确的是（　　）

A．能量耗散现象是指能量在周围环境中消失了

B．能量耗散不符合热力学第二定律

C．能量耗散过程中能量仍守恒

D．使用清洁的能源可以减少能量耗散

【答案】C

【详解】

AC．能量守恒定律是自然界无条件成立的普适定律，能量耗散并不是指能量消失了，而是转化为难以回收利用的能量，A错误，C正确；

B．热力学第二定律说明了能量在转化过程中不可逆，因此能量无法重新收集加以利用，B错误；

D．清洁能源的使用过程中，同样发生能量耗散，不可避免，D错误。

故选C。

5．（2021·全国）如图所示为冲击摆实验装置，一飞行子弹射入沙箱后与沙箱合为一体，共同摆起一定高度，则下面有关能的转化的说法中正确的是（　　）

A．子弹的动能转变成沙箱和子弹的内能

B．子弹的动能转变成了沙箱和子弹的势能

C．子弹的动能转变成了沙箱和子弹的动能

D．子弹的动能一部分转变成沙箱和子弹的内能，另一部分转变成沙箱和子弹的机械能

【答案】D

【详解】

子弹在射入沙箱瞬间，要克服摩擦阻力做功，有一部分动能转变成沙箱和子弹的内能，然后共同摆起一定高度的过程中机械能守恒，不再有机械能转化为内能。
故选D。

6．（2021·全国高三课时练习）如图所示，气缸和活塞与外界均无热交换，中间有一个固定的导热性良好的隔板（固定），封闭着两部分气体和，活塞处于静止平衡状态。现通过电热丝对气体加热一段时间，后来活塞达到新的平衡，不计气体分子势能，不计活塞与气缸壁间的摩擦，大气压强保持不变，则下列判断正确的是（　　）

A．气体吸热，但对外做功，内能不变

B．气体吸热，对外做功，内能不变

C．气体和气体内每个分子的动能都增大

D．气体分子单位时间内对器壁单位面积碰撞次数减少

【答案】D

【详解】

A．对A气体加热时，A气体的温度升高，体积不变，不对外做功，由于理想气体的内能由温度决定，则气体A吸热，内能增加，所以A错误；

B．气体B做等压变化，体积增大，温度升高，则气体B吸热，对外做功，内能增大，所以B错误；

C．气体A和气体B内分子的平均动能增大，但每个分子的动能不一定增大，所以C错误；

D．由于气体B的体积增大，压强不变，温度升高，则气体B分子单位时间内对器壁单位面积碰撞总次数减少，所以D正确；

故选D。

7．（2021·古浪县第五中学高三）关于热力学第二定律，下列表述正确的是（　　）

A．不可能使热量从低温物体传递到高温物体

B．不可能从单一热库吸收热量并把它全部用来做功

C．一切自然过程总是沿着分子热运动无序性增大的方向进行

D．在任何的自然过程中，一个孤立系统的总熵一定增加

【答案】C

【详解】

A．热力学第二定律可描述为不可能使热量由低温物体传递到高温物体而不产生其它影响，A错误；

B．根据热力学第二定律知，不可能从单一热库源吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化，B错误；

C．根据热力学第二定律可知，一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行，C正确；

D．由热力学第二定律可知，任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减少可能保持不变，D错误。

故选C。

8．（2021·陕西西北大学附中高三开学考试）一定质量的理想气体，状态从A→B→C→D→A的p-T变化过程如图所示，下列说法正确的是（　　）

A．从A到B气体体积变大，气体放出热量

B．从B到C气体体积变小，气体放出热量

C．从C到D气体分子密集程度变小，气体放出热量

D．从D到A气体分子密集程度变大，气体放出热量

【答案】D

【详解】

A．从A到B气体温度升高而压强不变，由可知则体积增大，故，，由可知，则气体吸收热量，故A错误；

B．从B到C气体温度不变，压强变小，由可知则体积增大，故，，由可知，则气体吸收热量，故B错误；

C．从C到D气体的温度减小而压强不变，由可知则体积减小，则分子密集程度变大，故，，由可知，则气体放出热量，故C错误；

D．从D到A气体的温度减小而压强增大，由可知则体积减小，则分子密集程度变大，而，，由可知，则气体放出热量，故D正确；

故选D。

9．（2021·全国高三专题练习）地球上有很多的海水，它的总质量约为1.4×1018吨，如果这些海水的温度降低0.1 ℃，将要放出5.8×1023焦耳的热量，有人曾设想将海水放出的热量完全变成机械能来解决能源危机，但这种机器是不能制成的，其原因是（　　）

A．内能不能转化成机械能

B．内能转化成机械能不满足热力学第一定律

C．只从单一热库吸收热量并完全转化成机械能而不产生其他影响的机器不满足热力学第二定律

D．上述三种原因都不正确

【答案】C

【详解】

A．内能可以转化成机械能，如热机，A错误；

B．内能转化成机械能的过程满足热力学第一定律，B错误；

CD．热力学第二定律告诉我们：不可能从单一热库吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化，C正确，D错误。

故选C。

10．（2021·河西·天津实验中学高三）一定质量的理想气体经历状态变化，其图线如图所示，变化顺序为，图中段延长线过坐标原点，线段与p轴垂直，线段与轴垂直，则（　　）

A．，压强不变、外界对气体做功、气体放出热量

B．，压强减小、外界对气体做功、气体吸收热暈

C．，压强减小、外界对气体做功、气体吸收热量

D．，压强增大、气体对外界做功、同时放出热量

【答案】A

【详解】

由理想气体状态方程可知

由题图可知，连接的直线的斜率小,所以b对应的温度低，c对应的温度高。

A.过程，气体压强p不变而体积V变小，由理想气体状态方程可知气体温度降低，理想气体内能只与温度有关，故内能减少，做功与否只与体积变化有关，体积减小外界对气体做功，由热力学第一定律，气体放热，故A正确；

B．过程，气体体积V不变，压强p变小，不做功，由理想气体状态方程可知，气体温度降低，气体放热，故B错误；

C．过程，气体压强减小而体积增大，对外做功，气体的压强与体积倒数成正比，则压强与体积成反比，气体发生的是等温变化，气体吸热，故C错误；

D．过程温度升高，由图像可知，同时压强增大，且体积也增大，对外做功，吸热，故D错误。

故选A。

11．（2021·江苏淮安·高三）如图所示，一定质量的某种理想气体从状态A变化到状态（   ）

A．可通过等容变化实现

B．不可能经过体积减小的过程

C．气体一定从外界吸热

D．外界一定对气体做正功

【答案】C

【详解】

A．根据

= C（常数）

可得

p = T

由此可知A、B与O点的连线表示等容变化，直线AO斜率大，则A状态下气体体积小，即A状态体积小于B状态的体积，所以气体自状态A到状态B的过程中，体积必然变大，A错误；

B．由于具体气体变化的过程未知，故可能经过体积减小的过程，B错误；

CD．整个过程，气体体积增大，气体对外做负功，W为负值，从图中看出气体温度升高，所以Q必须为正数，即气体必须从外界吸热，因为体积变大，所以气体对外做功，C正确、D错误。

故选C。

12．（2021·首都师范大学附属中学高三月考）对于一定质量的某种理想气体，N表示单位时间内与单位面积器壁碰撞的分子次数，则（　　）

A．当体积减小时，温度一定升高

B．当温度降低时，一定向外界放热

C．气体压强是由气体分子之间的斥力引起的

D．当压强不变而体积和温度变化时，N必定变化

【答案】D

【详解】

A．根据理想气体状态方程，当体积减小时，温度不一定升高，A错误；

B．当温度降低时，气体的内能减小，因为做功情况不确定，所以不一定向外界放热，B错误；

C．气体压强是由气体分子对器壁的持续频繁碰撞产生的，C错误；

D．若气体的温度变化，分子的平均动能变化，分子对器壁的撞击力发生变化，必须改变气体的体积，改变分子的密度，才能保持气体的压强不变，所以当压强不变而体积和温度变化时，N必定变化，D正确。

故选D。

13．（2021·江苏泰州中学高三）如图所示，一定质量的理想气体先由状态a变化到状态b，再由状态b变化到状态a，这样经过一系列中间过程又回到原来状态的过程称为循环过程，在整个循环过程中，下列关于一定质量理想气体的说法中正确的是（　　）

A．内能变化为零

B．整个循环过程中，外界对理想气体做的功等于理想气体对外做的功

C．整个循环过程中，理想气体吸收的热量等于放出的热量

D．在一次循环过程中吸收的热量小于放出的热量

【答案】A

【详解】

A．经过一个循环过程，温度回到原来的状态，∆T=0，内能变化为零，A正确；

BCD．根据

W=p∆V

可知，图像与坐标轴围成的面积等于气体做功，由图可知从b到a外界对理想气体做的功小于从a到b理想气体对外做的功；整个循环过程W<0，△U=0，所以

Q>0

Q吸-Q放>0

即整个循环过程，理想气体吸收的热量大于放出的热量；选项BCD错误。

故选A。

14．（2021·天津耀华中学高三）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，已知气体处于状态A时的温度为300 K，则下列判断正确的是（　　）

A．气体处于状态B时的温度为600K

B．状态A与状态C温度相同

C．从状态A变化到状态B再到状态C的过程中气体内能一直增大

D．从状态A变化到状态B过程气体放热

【答案】B

【详解】

A．由题知，A到B过程为等圧変化，根据

带入数据解得

故A错误；

B．B到C过程属于等容变化，则有

带入数据解得

故B正确；

C．从状态A到状态C的过程中，气体的温度先升高后降低，则气体的内能先增大后减小，故C错误；

D．由A到B气体的温度升高，内能增大，体积增大，气体对外做功，由热力学第一定律

可知气体吸热，故D错误。

故选B。

15．（2021·山东济南·）泉城济南，以泉闻名。小张同学在济南七十二名泉之一的珍珠泉游览时，发现清澈幽深的泉池底部，不断有气泡生成，上升至水面破裂。气泡在泉水中上升过程中，以下判断正确的是（　　）

A．气泡对泉水做正功，气泡吸收热量

B．气泡对泉水做正功，气泡放出热量

C．泉水对气泡做正功，气泡吸收热量

D．泉水对气泡做正功，气泡放出热量

【答案】A

【详解】

气泡上升的过程中，外部的压强逐渐减小，气泡膨胀对外做功，由于外部恒温，在上升过程中气泡内空气的温度始终等于外界温度，则内能不变，根据热力学第一定律可得，△U=W+Q知，气泡内能不变，同时对外做功，所以必须从外界吸收热量，且吸收的热量等于对外界所做的功。

故选A。

16．（2021·山东潍坊·高三）如图，是某同学利用气缸设计的汽车加速度传感器示意图，将气缸水平固定在汽车上且开口向后，内壁光滑，用活塞封闭一定质量气体，通过活塞的移动判断汽车加速和减速的情况。若气缸和活塞均绝热，汽车由匀速变为加速前进，气缸内气体（　　）

A．单位体积内的分子数变多

B．分子的平均动能变大

C．单位时间分子撞击活塞的次数减小

D．内能变大

【答案】C

【详解】

AC．对活塞进行受力分析，如图所示
 

当汽车匀速时，由平衡关系可知

当汽车加速时，由平衡关系变为加速运动，且加速度a方向向左，由牛顿第二定律可得

故可知

压强变小，即体积变大。故单位体积内的分子数变少；单位时间内分子撞击活塞的次数减少，故A错误，C正确；

BD．由热学第一定律可知

题中绝热，故可知Q等于0，体积变大，W为负值，故内能减小，分子平均动能也减小，故BD错误；

故选C。