人教版 (2019)选择性必修 第三册第三章 热力学定律综合与测试学案及答案

章末总结

体系构建

见学用160页

①   ②   ③   ④ 自发地  ⑤ 完全  ⑥ 品质

综合提升

见学用160页

提升一热力学第一定律及其应用

例1 在如图所示的坐标系中，一定质量的某种理想气体先后发生以下两种状态变化过程：第一种变化是从状态到状态，外界对该气体做功为；第二种变化是从状态到状态，该气体从外界吸收的热量为。图线的反向延长线过坐标原点，、两状态的温度相同，理想气体的分子势能为零。求：

（1）从状态到状态的过程，该气体对外界做的功和其内能的增量；

（2）从状态到状态的过程，该气体内能的增量及其从外界吸收的热量。

答案：（1）0  （2）

解析：（1）由题意知从状态到状态的过程，气体发生等容变化

该气体对外界做的功

根据热力学第一定律有

内能的增量

（2）状态到状态与状态到状态升高相同的温度，故内能增量相同。到的过程，体积减小，温度升高

该气体内能的增量

根据热力学第一定律有

从外界吸收的热量

综合提升

1.公式：

其揭示了内能的增量、外界对物体做功与物体从外界吸热之间的关系。

2.各物理量符号的意义

3.应用热力学第一定律应注意的问题

（1）只有绝热过程，，用做功可判断内能的变化。

（2）只有在气体体积不变时，，，用吸热、放热情况可判断内能的变化。

（3）若物体内能不变，即，和不一定等于零，而是，功和热量符号相反、大小相等，因此判断内能变化问题一定要全面考虑。

（4）对于气体，做功的正负一般要看气体体积变化，气体体积缩小，；气体体积增大，。

迁移应用

1.（多选）（2021河北任丘第一中学高三月考）如图所示，一定质量的理想气体从状态依次经过状态、后又回到状态其中为等温过程。下列说法正确的是(      )

A. 过程中，单位时间内、单位面积上与器壁碰撞的分子数增加

B. 过程中，气体放出热量

C. 过程中，气体分子的平均动能保持不变

D. 过程中，气体吸收热量

答案： ;

解析：过程中，压强不变，体积变大，分子数密度减小，温度升高，分子平均速率变大，则单位时间内、单位面积上与器壁碰撞的分子数减小，项错误；过程中，气体体积不变，温度降低内能减小，根据可知，气体放出热量，项正确；过程中，气体温度不变，则分子的平均动能保持不变，项正确；过程中，气体温度不变，内能不变，即；气体体积减小，外界对气体做功，即，则根据可知，气体放出热量，项错误。

2.对于一定质量的理想气体，下列说法错误的是(      )

A. 若气体的压强和体积都不变，其内能也一定不变

B. 若气体的温度不断升高，其压强也一定不断增大

C. 若气体温度升高，其等容过程所吸收的热量一定小于等压过程所吸收的热量

D. 当气体温度升高时，气体的内能一定增大

答案：

解析：一定质量的理想气体的内能与温度有关，若气体的压强和体积都不变，则温度不变，其内能也一定不变，项正确；由知，气体的温度不断升高，压强不一定增大，项错误；根据热力学第一定律有，气体温度升高，相同，等容过程，等压过程，体积增大，则，故等容过程所吸收的热量一定小于等压过程所吸收的热量，项正确；温度升高，理想气体的内能一定增大，项正确。

提升二热力学第二定律及其应用

例2  (多选)地球上有很多的海水，它的总质量约为，如果这些海水的温度降低，将要放出的热量，有人曾设想利用海水放出的热量使它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，关于其原因下列说法中不正确的是(      )

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.只从单一热源吸收热量并完全转化成机械能的机械不满足热力学第二定律

D.机械能可全部转化为内能，内能不可能全部转化为机械能，同时不引起其他变化

答案： ;

解析：内能可以转化成机械能，如热机，项错误；内能转化成机械能的过程满足热力学第一定律，项错误；热力学第二定律告诉我们：不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化，、项正确。

综合提升

1.热力学第二定律的几种表现形式

（1）热传递具有方向性

两个温度不同的物体进行接触时，热量会自发地从高温物体传给低温物体，而低温物体不可能自发地将热量传给高温物体。要实现低温物体向高温物体传递热量，必须借助外界的帮助，来产生其他影响或引起其他变化。

（2）气体的扩散现象具有方向性

两种不同的气体可以自发地进入对方，最后成为均匀的混合气体，但这种均匀的混合气体，绝不会自发地分开，成为两种不同的气体。

（3）机械能和内能的转化过程具有方向性

物体在水平面上运动，因摩擦而逐渐停下来，但绝不可能出现物体吸收原来传递出去的热量后，在地面上重新运动起来。

（4）气体向真空膨胀具有方向性

气体可自发地向真空容器膨胀，但绝不可能出现气体自发地再从容器中流回，使容器变为真空。

2.热力学第一定律与热力学第二定律的比较

（1）关于摩擦生热：热力学第一定律中，滑动摩擦力做功可以全部转化为热。热力学第二定律却说明这一热量不可能在不引起其他变化的情况下完全变成功。

（2）关于热量的传递：热力学第一定律说明，热量可以从高温物体自动传向低温物体，而热力学第二定律却说明热量不能自发地从低温物体传向高温物体。

（3）关于能量：热力学第一定律说明在任何过程中能量必定守恒，热力学第二定律却说明并非所有能量守恒过程均能实现，能量转化具有方向性。

（4）两定律的关系：热力学第一定律是和热现象有关的物理过程中能量守恒的特殊表达形式，说明功及热量与内能改变的定量关系，而热力学第二定律指出了能量转化与守恒能否实现的条件和过程进行的方向，指出了一切变化过程的自然发展方向不可逆。所以二者相互独立，又相互补充。

迁移应用

1.(多选)下列说法正确的是(      )

A. 冰箱能使热量从低温物体传递到高温物体，因此不遵循热力学第二定律

B. 空调工作时消耗的电能比室内温度降低所放出的热量要多

C. 自发的热传导是不可逆的

D. 可以通过给物体加热而使它运动起来，但不产生其他影响

答案：  ;

解析：有外界的帮助和影响，热量可以从低温物体传递到高温物体，空调消耗的电能必大于室内温度降低所放出的热量，项错误，项正确；不可能通过给物体加热而使它运动起来但不产生其他影响，这违背了热力学第二定律，项错误，项正确。

提升三能量守恒定律的应用

例3  如图所示，绝热的容器内密闭一定质量的气体(不考虑分子间的作用力)，用电阻丝缓慢对其加热时，绝热活塞无摩擦地上升，下列说法错误的是(      )

A.单位时间内气体分子对活塞碰撞的次数减少

B.气体吸热，气体对外做功，气体内能可能减少

C.气体吸热，气体对外做功，气体内能一定增加

D.气体吸热一定大于气体对外做功

答案：

解析：由题意知，气体压强不变，活塞上升，体积增大，由为恒量知，气体温度升高，内能一定增加，由热力学第一定律知，气体吸热一定大于气体对外做功，项错误，项正确；由气体压强的微观解释知温度升高，气体分子与活塞碰撞一次对活塞的冲击力增大，而压强不变，单位时间内对活塞的冲击力不变。因此单位时间内对活塞的碰撞次数减少，项正确。

综合提升

应用能量守恒定律解题的方法步骤

（1）认清有多少种形式的能(例如动能、势能、内能、电能、化学能、光能等)在相互转化。

（2）分别写出减少的能量和增加的能量的表达式。

（3）根据下列两种思路列出能量守恒方程：

①某种形式的能减少，一定存在其他形式的能增加，且减少量与增加量一定相等。

②某个物体的能量减少，一定存在其他物体的能量增加，且减少量与增加量一定相等。

（4）解方程，代入数据，计算结果。

迁移应用

1.水能不产生污染物，是一种清洁能源。位于美国和加拿大交界处的尼亚加拉瀑布流量可达每秒，而且一年四季流量稳定，瀑布落差。若利用这一资源发电，设其效率为50%，估算发电机的输出功率。（取，水的密度）

答案：

解析：水力发电的基本原理是水的机械能转化为电能

每秒钟流下的水的质量为

每秒钟水减少的机械能为

设发电机的输出功率为，则由能量守恒定律可得

解得

高考体验

见学用160页

1.（2021河北，15，12分）（1）两个内壁光滑、完全相同的绝热汽缸、，汽缸内用轻质绝热活塞封闭完全相同的理想气体，如图1所示。现向活塞上表面缓慢倒入细沙，若中细沙的质量大于中细沙的质量，重新平衡后，汽缸内气体的内能（填“大于”“小于”或“等于”）汽缸内气体的内能。图2为重新平衡后、汽缸中气体分子速率分布图像，其中曲线（填图像中曲线标号）表示汽缸中气体分子的速率分布规律。

（2）某双层玻璃保温杯夹层中有少量空气，温度为时，压强为。

（ⅰ）当夹层中空气的温度升至，求此时夹层中空气的压强；

（ⅱ）当保温杯外层出现裂隙，静置足够长时间，求夹层中增加的空气质量与原有空气质量的比值。设环境温度为，大气压强为。

答案：（1）大于;   ①  （2）（ⅰ）（ⅱ）

解析：（1）对活塞有 ,中细沙多，中活塞下降多，外界对中气体做功多，中气体内能大于中气体内能，中气体温度高，根据分子速率分布规律可知温度升高时分子速率分布峰值向右移，故曲线①表示汽缸中气体分子的速率分布规律。

（2）（ⅰ）夹层内气体原状态：、

温度升高后：、求

等容变化：

解得:

（ⅱ）设夹层容积为，夹层中增加的气体在压强为状态下的体积为 ,大气压强为

等温变化：

解得

2.（2020课标Ⅱ，33，5分）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

答案：   ;

解析：燃烧汽油产生的内能一方面向机械能转化，同时向空气中散热，符合热力学第一定律和热力学第二定律；冷水倒入保温杯后，没有对外做功，同时也没有热传递，内能不可能减少，故违背热力学第一定律；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，必然产生其他影响，故违背热力学第二定律；制冷机消耗电能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，发生了内能的转移，同时对外界产生了影响，既不违背热力学第一定律，也不违背热力学第二定律。

3.（多选）（2020课标Ⅲ，33，5分）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

答案：  ; ;

解析：理想气体的内能只与温度有关，温度保持不变，所以内能不变，项错误；由理想气体状态方程，可知体积减小，温度不变，所以压强增大，因为温度不变，内能不变，项正确；体积减少，外界对做功，但内能不变，由热力学第一定律可知，气体放热，、两项正确，项错误。

4.（2020山东，6，3分）一定质量的理想气体从状态开始，经、、三个过程后回到初始状态，其图像如图所示。已知三个状态的坐标分别为、、。以下判断正确的是(      )

A.气体在过程中对外界做的功小于在过程中对外界做的功

B.气体在过程中从外界吸收的热量大于在过程中从外界吸收的热量

C.在过程中，外界对气体做的功小于气体向外界放出的热量

D.气体在过程中内能的减少量大于过程中内能的增加量

答案：

解析：根据气体做功的表达式可知图线和体积横轴围成的面积表示做功大小，所以在过程中气体对外界做的功等于过程中气体对外界做的功，项错误；气体从，满足玻意耳定律

，所以，所以，根据热力学第一定律可知，气体从，温度升高，所以，根据热力学第一定律可知，结合项可知，所以，过程气体吸收的热量大于过程气体吸收的热量，项错误；气体从，温度降低，所以，气体体积减小，外界对气体做功，所以，根据热力学第一定律可知，放出热量，项正确；理想气体的内能只与温度有关，根据可知，所以气体在过程中内能的减少量等于过程中内能的增加量，项错误。

5.（2020天津，5，5分）水枪是孩子们喜爱的玩具，常见的气压式水枪储水罐示意如图。从储水罐充气口充入气体，达到一定压强后，关闭充气口。扣动扳机将阀门打开，水即从枪口喷出。若在水不断喷出的过程中，罐内气体温度始终保持不变，则气体(      )

A.压强变大

B.对外界做功

C.对外界放热

D.分子平均动能变大

答案：

解析：随着水向外喷出，气体的体积增大，由于温度不变，根据可知罐内气体压强减小，项错误；由于气体体积增大，对外界做功，气体温度不变，内能不变，根据热力学第一定律可知气体一定从外界吸收热量，项正确，项错误；温度是分子平均动能的标志，温度不变，分子平均动能不变，项错误。