2021高考物理鲁科版一轮复习教师用书：第十三章第3节　热力学定律与能量守恒

第3节　热力学定律与能量守恒

一、热力学第一定律

1.改变物体内能的两种方式

(1)做功:将其他形式的能转化为内能.

(2)热传递:物体间内能的转移.

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=Q+W.

二、热力学第二定律及微观意义

1.热力学第二定律的两种表述

(1)克劳修斯表述:不可能使热量从低温物体传向高温物体而不引起其他变化.

(2)开尔文表述:不可能从单一热源吸取热量,使之完全变为有用功而不引起其他变化.或表述为“第二类永动机不可能制成.”

三、能量守恒定律和两类永动机

1.能量守恒定律

能量既不会消失,也不会创生,它只能从一种形式转化为另一种形式,或者从一个物体转移到另一个物体,而能量的总值保持不变.

2.两类永动机

(1)第一类永动机:不消耗任何能量,却源源不断地对外做功的机器.违背能量守恒定律,因此不可能实现.

(2)第二类永动机:从单一热源吸收热量并把它全部用来对外做功,而不引起其他变化的机器.违背热力学第二定律,不可能实现.

1.思考判断

(1)做功和热传递的实质是相同的.(　×　)

(2)外界压缩气体做功20 J,气体的内能可能减少.(　√　)

(3)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.(　√　)

(4)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.(　×　)

(5)电冰箱将热量从低温物体向高温物体传递过程违背了热力学第二定律.(　×　)

(6)自由摆动的秋千摆动幅度越来越小,能量正在消失.(　×　)

2.一定质量的理想气体在某一过程中,外界对气体做功 7.0×104 J,气体内能减少1.3×105 J,则此过程(　B　)

A.气体从外界吸收热量2.0×105 J

B.气体向外界放出热量2.0×105 J

C.气体从外界吸收热量6.0×104 J

D.气体向外界放出热量6.0×104 J

解析:由热力学第一定律ΔU=Q+W得Q=ΔU-W=-1.3×105 J-7.0×104 J=-2.0×105 J,负号表示放出热量,故选B.

3.(多选)关于气体的内能和热力学定律,下列说法正确的是(　ACD　)

A.对气体做功可以改变其内能

B.质量和温度都相同的气体,内能一定相同

C.一定量的理想气体在等压膨胀过程中,内能一定增加

D.一定量的理想气体,温度越高,气体分子运动越剧烈,气体内能越大

解析:做功和热传递都能改变内能,所以对气体做功可以改变其内能,故A正确;质量和温度都相同的气体,内能不一定相同,还和气体的种类有关,故B错误;由盖·吕萨克定律可知,一定量的理想气体在等压膨胀过程中气体温度升高,内能增加,故C正确;一定量的理想气体温度越高,气体分子运动越剧烈,而理想气体内能只与温度有关,故温度越高,其内能越大,故D正确.

4.

(2019·安徽宿州质检改编)(多选)一定量的理想气体的压强p与热力学温度T的变化图象如图所示.下列说法正确的是(　CD　)

A.A→B的过程中,气体对外界做功,气体内能增加

B.B→C的过程中,气体体积增大,对外做功

C.B→C的过程中,气体对外界放热,内能不变

D.B→C的过程中,气体分子与容器壁每秒碰撞的次数增加

解析:从A到B的过程,是等容升温过程,气体不对外做功,气体从外界吸收热量,使得气体内能增加,故A错误;从B到C的过程是等温压缩过程,压强增大,体积减小,外界对气体做功,气体放出热量,内能不变,因体积减小,分子数密度增大,故气体分子与容器壁每秒碰撞的次数增加,故B错误,C,D正确.

考点一　热力学第一定律

1.对公式ΔU=Q+W符号的规定

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)若过程的初、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.

[例1]

一定质量的理想气体,状态从A→B→C→D→A的变化过程可用如图所示的pV图线描述,其中D→A为等温线,气体在状态A时温度为TA=300 K,求:

(1)气体在状态C时温度TC;

(2)若气体在A→B过程中吸热1 000 J,则在A→B过程中气体内能如何变化?变化了多少?

解析:(1)D→A为等温线,则TD=TA=300 K,C到D过程由盖·吕萨克定律得=,

所以TC=375 K.

(2)A到B过程压强不变,

W=-pΔV=-2×105×3×10-3 J=-600 J

由热力学第一定律,得

ΔU=Q+W=1 000 J-600 J=400 J

则气体内能增加,增加了400 J.

答案:(1)375 K　(2)气体内能增加　增加了400 J

(4)做功和热传递都可以改变物体的内能,因此用热力学第一定律分析问题时要考虑全面.热力学第一定律是能量守恒定律在热学过程中的具体体现,将热力学第一定律和气体状态变化的过程相结合的问题是难点.

1.

(2017·全国Ⅱ卷,33改编)(多选)如图,用隔板将一绝热气缸分成两部分,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气缸.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(　ABD　)

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

解析:气体向真空自由扩散的过程中,对外不做功;又气缸和活塞都绝热,不吸热也不放热,由热力学第一定律ΔU=Q+W,Q=0,W=0,所以ΔU=0,内能不变,选项A正确,C错误;气体被压缩时,外界对气体做功,又绝热,所以内能增大,选项B,D正确.

2.

(2019·福建龙岩质检改编)如图所示为一定质量的理想气体发生状态变化的pV图象,图线1,2是两条等温线,A,B是等温线1上的两点,C,D是等温线2上的两点,图线AD,BC均与V轴平行,则下列说法正确的是(　D　)

A.等温线1对应的气体温度比等温线2对应的气体温度高

B.气体从状态A变化到状态B,气体一定放出热量

C.气体从状态B变化到状态C,气体吸收的热量比气体对外界做功少

D.气体从状态C变化到状态D,单位体积的气体分子数增大,但气体分子的平均动能不变

解析:根据一定质量的理想气体发生状态变化的pV图象,图线1,2是两条等温线,A,B是等温线1上的两点,C,D是等温线2上的两点可知,从C→B为等压变化,由公式=C可知,等温线1对应的气体温度比等温线2对应的气体温度低,故A错误;气体从状态A变化到状态B,等温变化,内能不变,体积增大,气体对外做功,由热力学第一定律得ΔU=Q+W,所以气体一定吸收热量,故B错误;气体从状态B变化到状态C,由A的分析可知,气体的温度升高,内能增大,体积增大,气体对外做功,由热力学第一定律得ΔU=Q+W,所以气体吸收的热量比气体对外界做功多,故C错误;气体从状态C变化到状态D,发生等温变化,所以分子平均动能不变,体积减小,单位体积的气体分子数增大,故D正确.

考点二　热力学第二定律

1.热力学第二定律的涵义

(1)自然界中诸如热传递等热力学宏观现象具有方向性,不需要借助外界提供能量的帮助.

(2)“不引起其他变化”的含义是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.在产生其他影响的条件下内能可以全部转化为机械能,如气体的等温膨胀过程.

2.热力学第二定律的实质

自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性.如

(1)高温物体低温物体

(2)功热

(3)气体体积V1气体体积V2(较大)

(4)不同气体A和B混合气体AB

3.两类永动机的比较

[例2] 以下现象违背热力学第二定律的是(　B　)

A.一杯热茶在打开盖后,茶会自动变凉

B.没有漏气、没有摩擦的理想热机,其效率可能是100%

C.桶中浑浊的泥水在静置一段时间后,泥沙下沉,上面的水变清,泥、水自动分离

D.在地面上运动的物体逐渐停下来,机械能全部变为内能

解析:热茶自动变凉是热量从高温物体传递到低温物体,可以自发进行;任何热机效率都不可能达到100%,B违背热力学第二定律;泥水分离是机械能(重力势能)向内能的转化,可以自发进行;物体因摩擦力而停下来,是机械能(动能)向内能的转化,是自发的过程.

[针对训练] (2019·湖南长沙模拟)(多选)下列关于第二类永动机说法正确的是(　ACD　)

A.第二类永动机是指没有冷凝器,只有单一的热源,能将从单一热源吸收的热量全部用来做功,而不引起其他变化的热机

B.第二类永动机违背了能量守恒定律,所以不可能制成

C.第二类永动机违背了热力学第二定律,所以不可能制成

D.第二类永动机不可能制成,说明机械能可以全部转化为内能,但内能却不能全部转化为机械能,而不引起其他变化

解析:由第二类永动机的定义知,A正确;第二类永动机违背了热力学第二定律,B错误,C正确;由热力学第二定律知,机械能可以全部转化为内能,但内能却不能全部转化为机械能,而不引起其他变化,D正确.

考点三　热力学定律与气体实验定律的综合应用

　气体实验定律与热力学定律综合应用的分析思路

[例3] (2019·湖北四地七校联盟期末)如图所示,导热性能良好的柱形金属容器竖直放置,容器上端的轻质塞子将容器密闭,内有质量为m的活塞将容器分为A,B两个气室,A,B两个气室的体积均为V.活塞与容器内壁间气密性好,且没有摩擦,活塞的截面积为S.已知重力加速度大小为g,大气压强大小为,A气室内气体的压强大小为.

 (1)拔去容器上端的塞子,求活塞稳定后B气室的体积VB;

(2)拔去塞子待活塞稳定后,室温开始缓慢升高,从活塞稳定到其恰好上升到容器顶端的过程中B室气体从外界吸热为Q,求这个过程中B气室气体内能增量ΔU.

解析:(1)拔去塞子待活塞稳定后,B室中的气体初末状态温度不变

根据玻意耳定律,( +)·V=(+)·VB

解得VB=V.

(2)B气室气体吸收的热量,一部分用来对外做功,一部分为其内能增量,室温缓慢升高的过程中,外界对气体做功为

W=-(+)·S·=-

根据热力学第一定律,

ΔU=Q+W=Q-.

答案:(1)V　(2)Q-

题组训练

1.

(2019·山东泰安一模)(多选)封闭在气缸内一定质量的理想气体由状态A变到状态D,其体积V与热力学温度T关系如图所示,O,A,D三点在同一直线上.则(　AD　)

A.由状态A变到状态B过程中,气体吸收热量

B.由状态B变到状态C过程中,气体从外界吸收热量,内能增加

C.C状态气体的压强小于D状态气体的压强

D.D状态时单位时间内与器壁单位面积碰撞的分子数比A状态少

解析:由状态A变到状态B为等容变化,W=0,温度升高,ΔU>0,根据热力学第一定律ΔU=W+Q,气体吸收热量Q>0,气体吸热,A正确;由状态B变到状态C过程中,内能不变,B错误;C状态气体的压强大于D状态气体的压强,C错误;D状态与A状态压强相等,D状态体积大,单位时间内与器壁单位面积碰撞的分子数比A状态少,D正确.

2.(多选)一定量的理想气体从状态a开始,经历三个过程ab,bc,ca回到原状态,其pT图象如图所示.下列判断正确的是(　AD　)

A.过程ab中气体一定吸热

B.过程bc中气体既不吸热也不放热

C.过程ca中外界对气体所做的功等于气体所放的热

D.a,b和c三个状态中,状态a分子的平均动能最小

解析:过程ab,理想气体等容变化,温度升高,理想气体的内能增大,气体一定吸热,A正确;过程bc,理想气体等温变化,压强减小,而体积变大,气体对外做功,气体一定吸热,B错误;过程ca,理想气体的压强不变,温度降低,内能减小,体积减小,外界对气体做功,气体对外放出的热量大于外界对气体做的功,C错误;根据上述三过程可知:在a,b,c三个状态中,状态a的温度最低,根据温度是分子平均动能的标志,其分子的平均动能最小,D正确.

3.一定质量的理想气体,状态从A→B→C→A的变化过程可用如图所示的pV图线描述,气体在状态C时的温度为TC=300 K.

(1)求气体在状态A时的温度TA,并判断A,B状态温度的高低;

(2)若气体在A→B过程中吸热500 J,则在A→B过程中气体内能如何变化?变化了多少?

解析:(1)从A状态到C状态,根据理想气体状态方程可得

=,

解得TA=300 K.

从B状态到C状态,根据理想气体状态方程可得

=

解得TB=600 K,TB>TA.

(2)气体在A状态到B状态过程中,压强不变,

W=-pΔV

由热力学第一定律得ΔU=W+Q

解得ΔU=200 J.

答案:(1)300 K　TB>TA

(2)气体的内能增加　200 J

1.(2010·福建卷,28)

如图所示,一定质量的理想气体密封在绝热(即与外界不发生热交换)容器中,容器内装有一可以活动的绝热活塞,现对活塞施以一竖直向下的压力F,使活塞缓慢向下移动一段距离后,气体的体积减小.若忽略活塞与容器壁间的摩擦力,则被密封的气体(　C　)

A.温度升高,压强增大,内能减少

B.温度降低,压强增大,内能减少

C.温度升高,压强增大,内能增加

D.温度降低,压强减小,内能增加

解析:外力F做正功,W>0;绝热,Q=0;由热力学第一定律,内能增加,温度升高;另外,由理想气体状态方程可以判断出压强增大.

2.(2011·福建卷,28)一定量的理想气体在某一过程中,从外界吸收热量2.5×104 J,气体对外界做功1.0×104 J,则该理想气体的(　D　)

A.温度降低,密度增大 B.温度降低,密度减小

C.温度升高,密度增大 D.温度升高,密度减小

解析:据热力学第一定律知,气体吸收热量多于对外做功,气体的内能增加,温度升高,气体体积增大,故密度减小,D正确,A,B,C错误.

3.

(2017·江苏卷,12)(多选)一定质量的理想气体从状态A经过状态B变化到状态C,其VT图象如图所示.下列说法正确的有(　BC　)

A.A→B的过程中,气体对外界做功

B.A→B的过程中,气体放出热量

C.B→C的过程中,气体压强不变

D.A→B→C的过程中,气体内能增加

解析:由题图可知,从A到B气体的体积减小,外界对气体做功,A项错误;从A到B过程气体的温度不变,内能不变,根据热力学第一定律可知,气体放出热量,B项正确;由理想气体状态方程可知,从B到C气体发生的是等压变化,气体的温度在降低,内能在减少,C项正确,D项错误.

4.

(2018·全国Ⅰ卷,33改编)(多选)如图,一定质量的理想气体从状态a开始,经历过程①,②,③,④到达状态e.对此气体,下列说法正确的是(　BD　)

A.过程①中气体的压强逐渐减小

B.过程②中气体对外界做正功

C.过程④中气体从外界吸收了热量

D.状态c,d的内能相等

解析:过程①为等容变化,根据查理定律有=,因为温度逐渐增加,则气体的压强逐渐增加,故选项A错误;过程②气体体积增加,则气体对外界做正功,故选项B正确;过程④中为体积不变,则气体对外界不做功,外界对气体也不做功,即W=0,理想气体的温度降低,则内能减少,即ΔU<0,根据热力学第一定律ΔU=W+Q可知 Q<0,则气体向外界放出了热量,故选项C错误;状态c,d的温度相等,则分子平均动能相等,理想气体没有分子势能,则内能相等,故选项D正确.