【物理】2020届一轮复习人教版第十三章第2节热力学定律能量守恒定律学案

【物理】2020届一轮复习人教版第十三章第2节热力学定律能量守恒定律学案

第 2 节 热力学定律 能量守恒定律 考点 1 ► 热力学第一定律的理解 及应用 【p222】 夯实基础 1．内能 (1)定义：物体内所有分子的动能和势能的总和叫做物体的内能． (2)物体内能的变化 ①改变内能的两种方式 a．做功：当做功使物体的内能发生改变的时候，外界对物体做了多少功，物体内能就__增加__多少； 物体对外界做了多少功，物体内能就__减少__多少． b．热传递：当热传递使物体的内能发生改变的时候，物体吸收了多少热量，物体内能就__增加__多 少；物体放出了多少热量，物体内能就__减少__多少． ②两种改变方式间的关系 a．两者在__改变物体的内能__上是等效的． b．两者的本质区别：做功是其他形式的能和物体内能的相互__转化__，热传递是物体间内能的__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)公式：ΔU＝__W＋Q__． 3．能量守恒定律 内容：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__为另一种形式， 或者从一个物体__转移__ 到另一个物体，在能的转化或转移过程中其__总量__ 不变． 考点突破 例 1 如图容器 A、B 各有一个可以自由移动的轻活塞，活塞下面是水，上面是大气，大气压恒定．A、 B 底部由带有阀门 K 的管道相连，整个装置与外界绝热，原先，A 中水面比 B 中的高．打开阀门，使 A 中 的水逐渐向 B 中流，最后达到平衡．在这个过程中( ) A．大气压力对水做功，水的内能增加 B．重力对水做功，水的内能减少 C．大气压力对水不做功，水的内能不变 D．大气压力对水不做功，水的内能增加 【解析】分析大气压力对水是否做功：打开阀门 K 后，根据连通器原理，最后 A、B 两管中的水面将 相平，如下图所示，即 A 中水面下降，B 中水面上升；设 A 管截面积为 S1，水面下降距离为 h1，B 管截面 积为 S2，水面上升距离为 h2，由于水的总体积保持不变，则有 S1h1＝S2h2，A 管中大气压力对水做的功：W1 ＝p0S1h1，B 管中大气压力对水做的功：W2＝－p0S2h2，大气压力对水做的总功：W＝W1＋W2＝p0S1h1－p0S2h2＝0； 即大气压力对水不做功；分析水的内能是否改变：打开阀门 K 后，A 中的水逐渐向 B 中流，即 A 中水的重 力做正功，B 中水的重力做负功，但从最后的效果看，是 A 管中高度为 h1 的水移至较低的 B 管中高度为 h2 的地方，如图所示，所以在这个过程中水的重力做正功；同时，整个装置是绝热的，根据热力学第一定律 ΔU＝Q＋W，式中 Q＝0，W 为正值，所以ΔU 为正值，即水的内能增加，故 D 正确，A、B、C 错误；故选 D. 【答案】D 【小结】1.热力学第一定律中的符号规定及意义 物理量意义符号 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 内能减小 2.温度、内能、热量、功之间的区别 概念 温度 内能 热量 功 含义 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 说没有意义 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 是热传递过程中内 能的改变量，热量 用来度量热传递过 程中内能转移的多 少 做功过程是机械能 和其他形式的能 (包括内能)之间的 转化 关系 温度和内能是状态 量，热量和功则是 过程量．热传递的 前提条件是存在温 差，传递的是热量 而不是温度，实质 上是内能的转移 针对训练 1．在标准大气压 p＝1.0×105 Pa 下，水在沸腾时，1 g 水由液态变成同温度的气态，其体积由 1 cm3 变为 1 701 cm3.已知水的汽化热为 L＝2 264 J/g.则体积膨胀时气体对外做的功为__170__J__；气体吸收 的热量为__2__264__J__． 【解析】体积膨胀时气体对外做的功为 W＝pΔV＝1.0×105×(1 701－1)×10－6 J＝170 J．气体吸收 的热量为 Q＝mL＝1×2 264 J＝2 264 J. 2．(多选)某汽车后备箱内安装有撑起箱盖的装置，它主要由汽缸和活塞组成．开箱时，密闭于汽缸 内的压缩气体膨胀，将箱盖顶起，如图所示．在此过程中，若缸内气体与外界无热交换，忽略气体分子间 相互作用，则缸内气体(AD) A．对外做正功 B．对外做负功 C．分子平均动能增大 D．分子的平均动能减小 【解析】密闭于气缸内的气体膨胀对外做正功，即外界对气体做负功，因而 W<0，缸内气体与外界无 热交换说明 Q＝0，根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，可知内能增加量ΔU<0，故内能减小，分子平均动能减 小，温度降低，故 A、D 正确，B、C 错误；故选 AD. 3．下列关于能量守恒定律的认识，不正确的是(D) A．某种形式的能量减少，一定存在其他形式的能量增加 B．某个物体的能量减少，必然有其他物体的能量增加 C．对物体做功，物体的内能可能减小 D．石子从空中落下，最后停止在地面上，说明机械能消失了 【解析】根据能量守恒定律得知，某种形式的能减少，其他形式的能一定增加，故 A 正确；某个物体 的总能量减少，根据能量守恒定律得知，必然有其他物体的能量增加，故 B 正确；对物体做功，但若物体 同时向外界放热，物体的内能可能减小，故 C 正确；石子在运动和碰撞中机械能转化为了物体及周围物体 的内能，能量并没有消失；故 D 错误． 考点 2 ► 热力学第二定律和第三 定律的理解 【p223】 夯实基础 1．热力学第二定律 (1)热力学第二定律的两种表述 表述一(按照热传导的方向性来表述)：热量不可能自发地从__低温__ 物体传到__高温__ 物体． 表述二(按照机械能与内能转化过程的方向性来表述)：不可能从单一热源吸收热量，全部对外做功， 而不产生__其他影响__．它也可以表述为：第二类永动机是__不可能__制成的． 这两种表述是等效的，即可以从一种表述导出另一种表述． (2)热力学第一定律和热力学第二定律的关系 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，而第二定律指出了能量转化 与守恒能否实现的条件和过程的方向，指出了一切变化过程的自然发展是不可逆的，除非靠外界影响，所 以二者既相互联系又相互补充． (3)两类永动机的比较 第一类永动机 第二类永动机 不需要任何动力或燃料，却能不断地对外做 功的机器 从单一热源吸收热量，全部对外做功，而不 产生其他影响的机器 违背能量守恒，不可能制成 不违背能量守恒，违背热力学第二定律，不 可能制成 2.热力学第三定律 不可能把一个物体冷却到__绝对零度__ (__绝对零度__ 不可能达到)． 考点突破 例 2 关于热力学第二定律，下列说法正确的是( ) A．空调既能制热又能制冷，说明热传递不存在方向性 B．“第二类永动机”不可能制成是因为它违反了能量守恒定律 C．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 D．自然界进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性，是不可逆的 【解析】空调既能制热又能制冷，是消耗了电能，不是自发进行的，故 A 错误．“第二类永动机”不 可能制成是因为它违反了热力学第二定律，不违反能量守恒定律，选项 B 错误；根据熵原理，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，选项 C 正确；根据热力学第二定律，自然界进行 的涉及热现象的宏观过程都具有方向性，是不可逆的，选项 D 正确；故选 CD. 【答案】CD 【小结】对热力学第二定律的理解 (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)热力学第二定律的实质： 热力学第二定律的每一种表述，都揭示了大量分子参与宏观过程的方向性，进而使人们认识到自然界 中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性． ①高温物体 ???? 热量 Q 能自发传给 热量 Q 不能自发传给低温物体 ②功 ???? 能自发地完全转变为 不能自发地且不能完全转变为热 ③气体体积 V1 ???? 能自发膨胀到 不能自发收缩到气体体积 V2(较大) ④不同气体 A 和 B ???? 能自发混合成 不能自发分离成混合气体 AB. 针对训练 4．(多选)下列有关热学的说法中正确的是(BDE) A．气体放出热量，其分子的平均动能一定减小 B．气体温度升高，分子的平均动能一定增大 C．随着科技的进步，物体的温度可以降低到－300 ℃ D．热量可以从低温物体传递到高温物体 E．不需要任何外界的动力而持续对外做功的机器——永动机不可能制成 【解析】气体放出热量的同时若外界对物体做功，物体的内能可能增大，则其分子的平均动能可能增 大，A 错误；温度是分子的平均动能的标志，物体温度升高，分子的平均动能一定增大，B 正确；－273.15 ℃ 是一切低温的极限，故 C 错误；不需要任何外界的动力而持续对外做功的机器——永动机，违反了能量的 转化和守恒定律，不可能制成，E 正确． 考 点 集 训 【p351】 A 组 1．(多选)关于内能，下列说法正确的是(AB) A．气体被压缩时，内能可能不变 B．一定量的某种理想气体的内能只与温度有关 C．内能是物体的动能和势能的总和 D．质量和温度都相同的气体，内能一定相同 【解析】气体被压缩，外界对气体做功，如果气体对外界放热，内能可能不变，A 正确；理想气体的 分子势能为零，所以一定量的某种理想气体的内能只与温度有关，B 正确；内能是分子的动能与分子势能 之和，C 错误；气体的内能由物质的量、温度决定，质量和温度都相同的气体，内能可能不同，D 错误． 2．如图所示，有两个完全相同的铜球 A 和 B，其中 A 球放在不导热的水平面上，B 球用不导热细线挂 起来，现供给两球相同的热量，它们的温度分别升高了(B) A．ΔtA＞ΔtB B．ΔtA＜ΔtB C．ΔtA＝ΔtB D．ΔtA、ΔtB 无法比较 【解析】两球受热后体积都要增大，A 球因为放在不导热的水平面上，受热膨胀后，重心升高，重力 做负功，根据能量守恒定律可得，A 球吸收的热量一部分转化为自身的内能，使温度升高，另一部分需克 服重力做功，使重力势能增加；对 B 球，同样要受热膨胀，膨胀时重心下降，重力做正功，同样由能量守 恒定律可得，B 球吸收的热量和重力做的功都要转化成自身的内能，从而使温度升高．由以上分析可知，B 球增加的内能比 A 球增加的多，B 球的温度升高得多，所以ΔtA＜ΔtB.故 B 项正确，A、C、D 三项错误． 3．关于能源的利用中，下列说法不正确的是(A) A．自然界的能量守恒，所以不需要节约能源 B．煤炭和石油产品燃烧会造成空气污染和温室效应 C．能量耗散表明能源的利用是有条件的，也是有代价的 D．一座城市的能量耗散使其环境温度略高于周围农村的温度 【解析】能源不是能量，自然界的能量是守恒的，但是能源是有限的，故需要节约能源，A 错误；根 据能源消耗后是否造成环境污染可分为污染型能源和清洁型能源，污染型能源包括煤炭、石油等，燃烧后 产生的大量含硫化合物和二氧化碳，会造成空气污染和温室效应，B 正确；能量耗散表明能源的利用是有 条件的，也是有代价的，C 正确；能量耗散使除内能外的其他能转化为内能，故一座城市的能量耗散使其 环境温度略高于周围农村的环境温度，D 正确． 4．关于两类永动机和热力学的两个定律，下列说法正确的是(D) A．第二类永动机不可能制成是因为违反了热力学第一定律 B．第一类永动机不可能制成是因为违反了热力学第二定律 C．由热力学第一定律可知做功不一定改变内能，热传递也不一定改变内能，但同时做功和热传递一 定会改变内能 D．由热力学第二定律可知热量从低温物体传向高温物体是可能的，从单一热源吸收热量，完全变成 功也是可能的 【解析】第二类永动机不违反能量守恒定律，违反了热力学第二定律，A 错误；第一类永动机不可能 制成是因为违反了热力学第一定律，B 错误；改变内能的方式有做功和热传递，二者在内能的改变上是一 样的，若对外做功的同时吸收热量，内能可能不变，C 错误；由热力学第二定律可知热量从低温物体传向 高温物体是可能的，从单一热源吸收热量，完全变成功也是可能的，但要产生其他影响，D 正确． 5．下列关于熵的有关说法错误的是(C) A．熵是系统内分子运动无序性的量度 B．在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小 C．热力学第二定律也叫做熵减小原理 D．熵值越大，代表系统内分子运动越无序 【解析】熵是系统内分子运动无序性的量度，在一个孤立的系统中，熵越大，系统的无序度越大，故 A 正确；根据热力学第二定律，在自然过程中熵是不会减小的，故 B 正确；热力学第二定律也叫熵增原理， 故 C 错误；在一个孤立的系统中，熵越大，系统的无序度越大，故 D 正确；此题选择错误的选项，故选 C. 6．如图所示，在上端有活塞的厚玻璃管底部，放一小块硝化棉，用手很快地向下压缩，管内的硝化 棉会燃烧．在下压过程中，厚玻璃管中气体的体积减小，压强__变大__，温度__升高__． 【解析】压缩玻璃筒内的空气，气体的压强变大，机械能转化为筒内空气的内能，空气的内能增加， 温度升高，当达到棉花的燃点后，棉花会燃烧． 7．有下列四个物理过程： (1)铁丝在酒精灯火焰上灼烧变热； (2)铁丝来回弯曲会变热； (3)陨石进入大气层后会逐渐变成火红球体； (4)陨石落到地球上后逐渐变冷． 其中属于通过做功来改变物体内能的有__(2)和(3)__，通过热传递来改变物体内能的有__(1)和 (4)__． 【解析】做功用来描述一个过程能量从一种形式转化成另一种形式，热传递是描述一个过程能量转移 了多少，没有发生能量类型的变化；所以(2)和(3)是做功改变内能，(1)和(4)是高温物体向低温物体转移 内能的过程． 8．如图所示，气缸内封闭一定质量的某种理想气体，活塞通过滑轮和一重物连接并保持平衡，已知 活塞距缸口 0.2 m，活塞面积 10 cm2，大气压强 1.0×105 Pa，物重 50 N，活塞质量及一切摩擦不计，缓 慢升高环境温度，使活塞刚好升到缸口，封闭气体吸收了 60 J 的热量，则封闭气体的压强将__不变__(填 “增加”“减小”或“不变”)，气体内能变化量为__50__ J. 【解析】气缸内气体压强等于大气压与活塞对气体产生的压强之差，大气压不变，活塞产生的压强不 变，则气体压强不变；活塞向上移动时，气体对外做功 W＝(p0S－mg)h＝50 N×0.2 m＝10 J；气体吸收的 热量 Q＝60 J，由热力学第一定律可知，气体内能的变化量ΔU＝Q－W＝60 J－10 J＝50 J. B 组 9．温室效应严重威胁着人类生态环境的安全，为了减少温室效应造成的负面影响，有的科学家受到 了啤酒在较高压强下能够溶解大量的二氧化碳的启发，设想了一个办法：可以用压缩机将二氧化碳送入深 海海底，永久储存起来．在海底深处，压强很大，温度很低，海底深水肯定能够溶解大量的二氧化碳，这 样就为温室气体二氧化碳找到了一个永远的“家”．在将二氧化碳送入深海底的过程中，以下说法错误的 是(D) A．压缩机对二氧化碳做功，能够使其内能增大 B．二氧化碳与海水间的热传递能够使其内能减少 C．二氧化碳分子平均动能会减少 D．每一个二氧化碳分子的动能都会减少 【解析】用压缩机将二氧化碳压入海底，外界对二氧化碳气体做正功能够使其内能增大，故 A 正确； 二氧化碳气体在深海溶解在海水中后放热使其内能减少，故 B 正确；在海底深处，压强很大，温度很低， 故二氧化碳气体放热，温度降低；分子热运动的平均动能减小，但不是每个分子的动能都减小，故 C 正确， D 错误；此题选择错误的选项，故选 D. 10．一气泡从湖底上升到湖面的过程中温度保持不变，若将气泡内的气体视为理想气体，气泡从湖底 上升到湖面的过程中，对外界做了 0.6 J 的功，气泡到达湖面后，温度上升的过程中，又对外界做了 0.1 J 的功，同时吸收了 0.3 J 的热量．求： (1)整个过程中，气泡内气体内能的增加量； (2)已知气泡内气体的密度为ρ＝1.29 kg/m3，平均摩尔质量为 M＝0.29 kg/mol.阿伏加德罗常数 NA＝ 6.02×1023 mol－1，取气体分子的平均直径为 d＝2 ×10－10 m，若气泡内的气体能完全变为液体，请估算液 体体积与原来气体体积的比值．(结果保留一位有效数字) 【解析】(1)水中等温过程内能不变，水面升温过程 ΔU＝Q＋W＝0.3 J－0.1 J＝0.2 J (2)设气体体积为 V0，液体体积为 V 气体分子数 N＝ρV0 M NA，又 V＝N·4 3 π·(d 2 )3 则V V0 ＝ρNAπd3 6M 代入数据得： V V0 ＝1×10－5