2020版高考物理第十三章第77课时热力学定律（重点突破课）讲义 5页

第77课时　热力学定律(重点突破课)[考点一　热力学第一定律]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．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。3．符号法则符号WQΔU＋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[考法细研]考法1　热力学第一定律的理解　[例1]　(多选)(2017·全国卷Ⅱ)如图，用隔板将一绝热汽缸分成两部分，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汽缸。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(　　)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E．气体在被压缩的过程中，气体分子的平均动能不变[解析]　抽开隔板，气体自发扩散过程中，气体对外界不做功，与外界没有热交换，因此气体的内能不变，A项正确，C项错误；气体在被压缩的过程中，外界对气体做功，D项正确；由于气体与外界没有热交换，根据热力学第一定律可知，气体在被压缩的过程中内能增大，因此气体的温度升高，气体分子的平均动能增大，B项正确，E项错误。[答案]　ABD热力学第一定律不仅反映了做功和热传递这两种改变物体内能的方式是等效的，而且给出了内能的变化量和做功与热传递之间的定量关系。(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量。(2)若过程中不做功，则W＝0，Q＝ΔU，物体吸收的热量等于物体内能的增量。n(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。做功和热传递都可以改变物体的内能，如果两个过程同时发生，则内能的改变可由热力学第一定律ΔU＝W＋Q确定。　　考法2　热力学第一定律与气体变化过程的综合　[例2]　如图所示，一定质量的理想气体从A状态经过一系列的变化，最终回到A状态，已知A状态的温度为27℃，求C状态的温度以及全过程中气体吸(放)热量的多少。[解析]　气体由A到B过程：初状态：pA＝1×105Pa，TA＝300K，VA＝10L末状态：pB＝2×105Pa，VB＝20L由理想气体状态方程得：＝可得：TB＝1200KB到C过程为等容变化：＝可得：TC＝2400K整个过程中A温度不变：ΔU＝Q＋W＝0因为外界对气体做功在数值上等于四边形ABCD围成的面积，即W＝×1×105×10×10－3J＋×2×105×10×10－3J＝1.5×103J则：Q＝－1.5×103J，即气体放出热量为1.5×103J。[答案]　2400K　气体放出热量为1.5×103J气体实验定律与热力学定律综合问题的解法　　n[集训冲关]1.(多选)(2018·全国卷Ⅲ)如图，一定量的理想气体从状态a变化到状态b，其过程如pV图中从a到b的直线所示。在此过程中(　　)A．气体温度一直降低B．气体内能一直增加C．气体一直对外做功D．气体一直从外界吸热E．气体吸收的热量一直全部用于对外做功解析：选BCD　由理想气体的状态方程＝C知，从a到b气体温度一直升高，故A错误；一定量的理想气体的内能由温度决定，可知气体内能一直增加，故B正确；气体体积逐渐膨胀，一直对外做功，故C正确；根据热力学第一定律可知，气体一直从外界吸热，吸收的热量一部分用来对外做功，一部分用来增加气体的内能，故D正确，E错误。2．(沪科教材原题)关于系统的内能及其变化，下列说法中正确的是(　　)A．系统的温度改变时，其内能必定改变B．系统对外做功，其内能不一定改变；向系统传递热量，其内能不一定改变C．对系统做功，系统内能必定改变；系统向外传出一定热量，其内能必定改变D．若系统与外界不发生热交换，则系统的内能必定不改变解析：选B　系统的温度只能决定分子平均动能，而内能由分子动能和分子势能共同决定，A错误；做功和热传递都可以改变系统的内能，B正确，C、D错误。3.(2019·吉林实验中学模拟)如图所示，圆柱形容器内用活塞封闭一定质量的理想气体，已知容器横截面积为S，活塞重为G，大气压强为p0。若活塞固定，封闭气体温度升高1℃，需吸收的热量为Q1；若活塞不固定，仍使封闭气体温度升高1℃，需吸收的热量为Q2。不计一切摩擦，在活塞不固定时，封闭气体温度升高1℃，活塞上升的高度h应为多少？解析：活塞固定时，由热力学第一定律，气体增加的内能ΔU＝Q1活塞不固定时，设外界对气体做功为W，活塞上升的高度为h，则ΔU＝Q2＋W＝Q2－(p0Sh＋Gh)解得h＝。答案：考点二　热力学第二定律1．克劳修斯表述热量不能自发地从低温物体传到高温物体。n2．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，或表述为“第二类永动机是不可能制成的”。3．热力学第二定律的理解两种表述分别说明了热传递过程和能量转化过程的方向性。对定律中“自发地”“不产生其他影响”两点的理解是关键。[典例]　(多选)关于热力学定律，下列说法正确的是(　　)A．为了增加物体的内能，必须对物体做功或向它传递热量B．对某物体做功，必定会使该物体的内能增加C．可以从单一热库吸收热量，使之完全变为功D．不可能使热量从低温物体传向高温物体E．功转变为热的实际宏观过程是不可逆过程[解析]　为了增加物体的内能，必须对物体做功或向它传递热量，选项A正确；对某物体做功，不一定会使该物体的内能增加，选项B错误；可以从单一热库吸收热量，使之完全变为功，但会产生其他影响，选项C正确；可以使热量从低温物体传向高温物体，如空调制冷，选项D错误；功转变为热的实际宏观过程是不可逆过程，选项E正确。[答案]　ACE热力学第二定律说明即使是符合能量守恒定律的过程，也未必都能发生，如扩散、热传递、摩擦生热等过程均有不可逆性。　　[集训冲关]1．(多选)(人教教材改编题)下列现象中能够发生的是(　　)A．一杯热茶在打开杯盖后，茶会自动变得更热B．蒸汽机把蒸汽的内能全部转化成机械能C．桶中混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．电冰箱通电后把箱内低温物体的热量传到箱外高温物体解析：选CD　根据热力学第二定律知，A、B错误，D正确；泥、水分离是因为泥沙所受重力大于水的浮力，C正确。2.如图所示，一演示用的“永动机”转轮由5根轻杆和转轴构成，轻杆的末端装有用形状记忆合金制成的叶片。轻推转轮后，进入热水的叶片因伸展而“划水”，推动转轮转动，离开热水后，叶片形状迅速恢复，转轮因此能较长时间转动。下列说法正确的是(　　)A．转轮依靠自身惯性转动，不需要消耗外界能量B．转轮转动所需能量来自形状记忆合金自身nC．转动的叶片不断搅动热水，水温升高D．叶片在热水中吸收的热量一定大于在空气中释放的热量解析：选D　根据热力学第二定律知，A、B错误；叶片吸收热水中的热量一部分转化为叶片转动的机械能，一部分散失在空气中，水温不会升高，C错误，D正确。3．(多选)(2019·通化模拟)根据热学中的有关知识，判断下列说法中正确的是(　　)A．机械能可以全部转化为内能，内能也可以全部用来做功转化成机械能B．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C．尽管技术不断进步，热机的效率仍不能达到100%，制冷机却可以使温度降到－293℃D．第一类永动机违背能量守恒定律，第二类永动机不违背能量守恒定律，随着科技的进步和发展，第二类永动机可以被制造出来E．空调既能制热又能制冷，说明在非自发的条件下，热量可以逆向传递解析：选ABE　机械能可以全部转化为内能，而内能也可以全部转化为机械能，只是在这个过程中会引起其他变化，A正确；根据热力学第二定律可知，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，B正确；尽管科技不断进步，热机的效率仍不能达到100%，制冷机也不能使温度降到－293℃(低于绝对零度)，C错误；第一类永动机违背能量守恒定律，第二类永动机不违背能量守恒定律，但违背了热力学第二定律，第二类永动机不可能被制造出来，D错误；根据热力学第二定律可知，热量能够自发地从高温物体传递到低温物体，但在非自发的条件下，热量能从低温物体传递到高温物体，E正确。