【物理】2020届一轮复习人教版热力学定律学案

【物理】2020届一轮复习人教版热力学定律学案

第3节热力学定律 ‎(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)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。(√)‎ ‎(5)自由摆动的秋千摆动幅度越来越小，能量正在消失。(×)‎ ‎(6)利用河水的能量使船逆水航行的设想，符合能量守恒定律。(√)‎ ‎(7)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。(×)‎ 突破点(一)　热力学第一定律 ‎1．改变内能的两种方式的比较 做　功 热　传　递 区别 内能变化情况 外界对物体做功，物体的内能增加；物体对外界做功，物体的内能减少 物体吸收热量，内能增加；物体放出热量，内能减少 从运动形式上看 做功是宏观的机械运动向物体的微观分子热运动的转化 热传递是通过分子之间的相互作用，使同一物体的不同部分或不同物体间的分子热运动发生变化，是内能的转移 从能量的角度看 做功是其他形式的能与内能相互转化的过程 不同物体间或同一物体不同部分之间内能的转移 能的性质变化情况 能的性质发生了变化 能的性质不变 联系 做一定量的功或传递一定量的热量在改变内能的效果上是相同的 ‎2．温度、内能、热量、功的比较 含　义 特点 温度 表示物体的冷热程度，是物体分子平均动能大小的标志，它是大量分子热运动的集体表现，对个别分子来说，温度没有意义 状　态　量 内能(热能)‎ 物体内所有分子动能和势能的总和，它是由大量分子的热运动和分子的相对位置所决定的能 热量 是热传递过程中内能的改变量，热量用来量度热传递过程中内能转移的多少 过　程　量 功 做功过程是机械能或其他形式的能和内能之间的转化过程 ‎3．对公式ΔU＝Q＋W符号的确定 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 ‎4．三种特殊情况 ‎(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。‎ ‎(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。‎ ‎(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。‎ ‎[题点全练]‎ ‎1．(2019·如东月考)关于温度、热量、功、内能，以下说法正确的是(　　)‎ A．同一物体温度高时，含有的热量多 B．物体的内能越大，含有的热量就越多，温度也越高 C．外界对系统做功W，内能必定增加W D．热量总是从温度高的物体传给温度低的物体 解析：选D　热量是过程量，只有在吸热、放热过程中才发生转移，不能说物体含有多少热量，故A、B错误；只有在绝热过程中ΔU＝W，故C错误；发生热传递的条件是存在温度差，热量从高温物体向低温物体传递，故D正确。‎ ‎2．(2018·连云港期末)1912年，英国物理学家威尔逊发明了观察带电粒子运动径迹的云室，结构如图所示，在圆筒容器中加入少量酒精，使云室内充满酒精饱和蒸汽，迅速向下拉动活塞。以下说法正确的是(　　)‎ A．室内气体温度降低，酒精饱和蒸汽压降低 B．室内气体温度升高，酒精饱和蒸汽压降低 C．室内气体温度降低，酒精饱和蒸汽压升高 D．室内气体温度升高，酒精饱和蒸汽压升高 解析：选A　迅速向下拉动活塞，酒精蒸汽绝热膨胀，对外做功，温度降低，酒精饱和蒸汽压降低，酒精蒸汽达到过饱和状态，故A正确，B、C、D错误。‎ ‎3．[多选](2019·南京六校联考)如图所示，一导热性能良好的金属汽缸静放在水平面上，活塞与汽缸壁间的摩擦不计。汽缸内封闭了一定质量的理想气体。现缓慢地向活塞上倒一定质量的沙土，忽略环境温度的变化，在此过程中(　　)‎ A．气体的内能不变　　　　 　B．汽缸内分子平均动能增大 C．汽缸内气体分子密度增大 D．气体从外界吸收热量 解析：选AC　金属汽缸导热性能良好，由于热交换，汽缸内封闭气体温度与环境温度相同，向活塞上倒一定质量的沙土时气体等温度压缩，温度不变，气体的内能不变。而汽缸内封闭气体被压缩，体积减小，外界对气体做功，ΔU＝0，W>0，根据ΔU＝W＋Q可知Q<0，即放热，A正确，D错误；温度不变，则汽缸内分子平均动能保持不变，B错误；汽缸内封闭气体被压缩，体积减小，而质量不变，则汽缸内气体分子密度增大，C正确。‎ 突破点(二)　热力学第二定律 ‎1．在热力学第二定律的表述中，“自发地”“不产生其他影响”的涵义 ‎(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的帮助。‎ ‎(2)“不产生其他影响”的涵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。‎ ‎2．热力学第一、第二定律的比较 热力学第一定律 热力学第二定律 定律揭示的问题 它从能量守恒的角度揭示了功、热量和内能改变量三者的定量关系 它指出自然界中出现的宏观过程是有方向性的 机械能和内能的转化 当摩擦力做功时，机械能可以全部转化为内能 内能不可能在不引起其他变化的情况下完全变成机械能 热量的传递 热量可以从高温物体自发传向低温物体 说明热量不能自发地从低温物体传向高温物体 表述形式 只有一种表述形式 有多种表述形式 两定律的关系 在热力学中，两者既相互独立，又互为补充，共同构成了热力学知识的理论基础 ‎3．两类永动机的比较 第一类永动机 第二类永动机 设计要求 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 违背能量守恒定律 不违背能量守恒定律，违背热力学第二定律 ‎[典例]　[多选](2019·南京模拟)下列说法中正确的是(　　)‎ A．相互间达到热平衡的两物体的内能一定相等 B．空调既能制热又能制冷，说明在不自发的条件下，热传递可以逆向 C．自发的热传递过程是向着分子热运动无序性增大的方向进行的 D．由于自然界中总的能量守恒，所以不需要节约能源 ‎[解析]　相互间达到热平衡的两物体的温度相同，内能不一定相等，故A错误；根据热力学第二定律可知，热量不能自发地从低温物体传递到高温物体，但在一定外界条件影响下可以实现，故B正确；根据热力学第二定律可知，自然发生的热传递过程是向着分子热运动无序性增大的方向进行的，故C正确；虽然自然界中的总能量不会减少，但是能源的品质会降低，无法再利用，故还需要节约能源，故D错误。‎ ‎[答案]　BC ‎[方法规律]‎ ‎4个常见的宏观热现象方向性实例 ‎(1)高温物体低温物体。‎ ‎(2)功热量。‎ ‎(3)气体体积V1气体体积V2(V2＞V1)。‎ ‎(4)不同气体A和B混合气体AB。‎ ‎[集训冲关]‎ ‎1．(2019·沭阳模拟)关于热力学定律，下列说法正确的是(　　)‎ A．在一定条件下物体的温度可以降到0 K B．物体从单一热源吸收的热量可全部用于做功 C．吸收了热量的物体，其内能一定增加 D．压缩气体，气体的温度一定升高 解析：选B　由于绝对零度不可能达到，故A错误；物体从外界吸收热量并对外做功，根据热力学第一定律可知内能可能增加、减小或不变，C错误；压缩气体，外界对气体做正功，可能向外界放热，内能可能减少、温度降低，D错误；物体从单一热源吸收的热量全部用于做功而引起其他变化是可能的，B正确。‎ ‎2．(2019·盐城调研)下列说法中正确的是(　　)‎ A．随着科技的发展，永动机是可以制成的 B．一切自然现象都遵循能量守恒定律 C．在粗糙的水平面上滑动的运动物体动能不断减少，是动能自发完全转化内能，反之内能也能自发完全转化为动能 D．能量转化过程中，其总能量越来越小，所以要大力提倡节约能源 解析：选B　第一类永动机违反了能量守恒定律，第二类永动机违反了能量转化的方向性，都不可能制成，故A错误；能量守恒定律是一切自然现象中普遍适用的规律，故B正确；在粗糙的水平面上滑动的运动物体动能可以自发完全转化为内能，反之内能不能自发完全转化为动能，故C错误；能量转化过程中，总能量不变，但能源会越来越少，故D错误。‎ ‎3．(2018·苏州模拟)卡诺循环是由法国工程师卡诺于1824年提出的，它可用于分析热机的工作过程，卡诺循环包括四个步骤：等温膨胀、绝热膨胀、等温压缩、绝热压缩。下列相关说法中正确的是(　　)‎ A．随着设备的改进和技术的提高，热机效率可能达到100%‎ B．绝热膨胀和绝热压缩过程中，汽缸内气体的内能保持不变 C．等温压缩过程中，因外界对气体做功，故汽缸内气体内能增大 D．等温膨胀过程中，单位时间内在单位面积上碰撞汽缸壁的分子数减少 解析：‎ 选D　由热力学第二定律可知，热机效率不可能达到100%，选项A错；绝热膨胀和绝热压缩过程中，与外界没有热量交换，而汽缸体积改变，汽缸内气体的内能因做功而改变，选项B错；等温压缩过程中，温度不变，汽缸内气体内能不变，选项C错；等温膨胀过程中，温度不变，体积增大，单位体积内分子数目减少，单位时间内在单位面积上碰撞汽缸壁的分子数减少，选项D对。‎ 突破点(三)　气体实验定律与热力学第一定律的综合 求解此类综合问题的通用思路 ‎[典例]　(2018·南京模拟)如图所示，轻质活塞将体积为V0，温度为3T0的理想气体，密封在内壁光滑的圆柱形导热汽缸内，已知大气压强为p0，大气的温度为T0，气体内能U与温度的关系为U＝aT(a为常量)，在汽缸内气体温度缓慢降为T0的过程中，求：‎ ‎(1)气体内能的减少量；‎ ‎(2)气体放出的热量。‎ ‎[解析](1)由题意可知气体内能的减少量ΔU＝aΔT＝2aT0。‎ ‎(2)设温度降低后的体积为V2，则由盖—吕萨克定律得＝，外界对气体做功为W＝p0(V0－V2)‎ 根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，‎ 解得Q＝p0V0＋2aT0。‎ ‎[答案]　(1)2aT0　(2)p0V0＋2aT0‎ ‎[方法规律]‎ 判断理想气体内能变化的两种方法 ‎(1)一定质量的理想气体，内能的变化完全由温度变化决定，温度升高，内能增大。‎ ‎(2)若吸、放热和做功情况已知，可由热力学第一定律ΔU＝W＋Q来确定。‎ ‎[集训冲关]‎ ‎1.[多选](2017·江苏高考)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图像如图所示。下列说法正确的有(　　)‎ 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：选BC　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；从B到C过程中是一个常数，气体发生的是等压变化，气体的温度降低，内能减少，C项正确，D项错误。‎ ‎2.(2019·南通调研)如图所示，一定质量的理想气体从状态A经等温过程到状态B。此过程中，气体温度t＝20 ℃，吸收的热量Q＝3.6×102 J，已知A状态的体积是1 L，求：‎ ‎(1)此过程中气体内能的增量；‎ ‎(2)此过程中气体是对外做功还是外界对气体做功，做的功是多少；‎ ‎(3)若气体先从状态A经等压变化到状态C，再经等容变化到状态B，则这个过程气体吸收的热量是多少？‎ 解析：(1)从状态A到状态B，气体的温度不变，则内能不变，即ΔU＝0。‎ ‎(2)气体从A到B内能不变，体积变大，气体对外做功，根据ΔU＝W＋Q可知对外做功为3.6×102 J。‎ ‎(3)A状态的体积是1 L，压强为3×105 Pa，‎ B状态压强为1×105 Pa；‎ 根据玻意耳定律：pAVA＝pBVB 可得VB＝3 L；WA→B＝pAΔV＝3×105×2×10－3 J＝600 J；‎ 所以气体吸热为Q＝600 J。‎ 答案：(1)ΔU＝0　(2)对外做功，做功360 J　(3)600 J