（通用版）2020版高考物理一輪復(fù)習(xí) 第十三章 第77課時(shí) 熱力學(xué)定律（重點(diǎn)突破課）講義（含解析）.doc

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第77課時(shí)　熱力學(xué)定律(重點(diǎn)突破課) [考點(diǎn)一　熱力學(xué)第一定律] 做功和熱傳遞都可以改變物體的內(nèi)能，因此用熱力學(xué)第一定律分析問題時(shí)要考慮全面。熱力學(xué)第一定律是能量守恒定律在熱學(xué)過程中的具體體現(xiàn)，將熱力學(xué)第一定律和氣體狀態(tài)變化的過程相結(jié)合的問題是難點(diǎn)。 1．內(nèi)容：一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)能增量等于外界向它傳遞的熱量與外界對(duì)它所做的功的和。 2．表達(dá)式：ΔU＝Q＋W。 3．符號(hào)法則 符號(hào) W Q ΔU ＋ 外界對(duì)物體做功 物體吸收熱量 內(nèi)能增加 － 物體對(duì)外界做功 物體放出熱量 內(nèi)能減小 [考法細(xì)研] 考法1　熱力學(xué)第一定律的理解　 [例1]　(多選)(2017全國卷Ⅱ)如圖，用隔板將一絕熱汽缸分成兩部分，隔板左側(cè)充有理想氣體，隔板右側(cè)與絕熱活塞之間是真空?，F(xiàn)將隔板抽開，氣體會(huì)自發(fā)擴(kuò)散至整個(gè)汽缸。待氣體達(dá)到穩(wěn)定后，緩慢推壓活塞，將氣體壓回到原來的體積。假設(shè)整個(gè)系統(tǒng)不漏氣。下列說法正確的是(　　) A．氣體自發(fā)擴(kuò)散前后內(nèi)能相同 B．氣體在被壓縮的過程中內(nèi)能增大 C．在自發(fā)擴(kuò)散過程中，氣體對(duì)外界做功 D．氣體在被壓縮的過程中，外界對(duì)氣體做功 E．氣體在被壓縮的過程中，氣體分子的平均動(dòng)能不變 [解析]　抽開隔板，氣體自發(fā)擴(kuò)散過程中，氣體對(duì)外界不做功，與外界沒有熱交換，因此氣體的內(nèi)能不變，A項(xiàng)正確，C項(xiàng)錯(cuò)誤；氣體在被壓縮的過程中，外界對(duì)氣體做功，D項(xiàng)正確；由于氣體與外界沒有熱交換，根據(jù)熱力學(xué)第一定律可知，氣體在被壓縮的過程中內(nèi)能增大，因此氣體的溫度升高，氣體分子的平均動(dòng)能增大，B項(xiàng)正確，E項(xiàng)錯(cuò)誤。 [答案]　ABD 熱力學(xué)第一定律不僅反映了做功和熱傳遞這兩種改變物體內(nèi)能的方式是等效的，而且給出了內(nèi)能的變化量和做功與熱傳遞之間的定量關(guān)系。 (1)若過程是絕熱的，則Q＝0，W＝ΔU，外界對(duì)物體做的功等于物體內(nèi)能的增量。 (2)若過程中不做功，則W＝0，Q＝ΔU，物體吸收的熱量等于物體內(nèi)能的增量。 (3)若過程的始、末狀態(tài)物體的內(nèi)能不變，即ΔU＝0，則W＋Q＝0或W＝－Q，外界對(duì)物體做的功等于物體放出的熱量。 做功和熱傳遞都可以改變物體的內(nèi)能，如果兩個(gè)過程同時(shí)發(fā)生，則內(nèi)能的改變可由熱力學(xué)第一定律ΔU＝W＋Q確定?！　? 考法2　熱力學(xué)第一定律與氣體變化過程的綜合　 [例2]　如圖所示，一定質(zhì)量的理想氣體從A狀態(tài)經(jīng)過一系列的變化，最終回到A狀態(tài)，已知A狀態(tài)的溫度為27 ℃，求C狀態(tài)的溫度以及全過程中氣體吸(放)熱量的多少。 [解析]　氣體由A到B過程： 初狀態(tài)：pA＝1105 Pa，TA＝300 K，VA＝10 L 末狀態(tài)：pB＝2105 Pa，VB＝20 L 由理想氣體狀態(tài)方程得：＝ 可得：TB＝1 200 K B到C過程為等容變化：＝ 可得：TC＝2 400 K 整個(gè)過程中A溫度不變：ΔU＝Q＋W＝0 因?yàn)橥饨鐚?duì)氣體做功在數(shù)值上等于四邊形ABCD圍成的面積，即W＝11051010－3J＋21051010－3 J＝1.5103 J 則：Q＝－1.5103 J，即氣體放出熱量為1.5103 J。 [答案]　2 400 K　氣體放出熱量為1.5103 J 氣體實(shí)驗(yàn)定律與熱力學(xué)定律綜合問題的解法 　　 [集訓(xùn)沖關(guān)] 1.(多選)(2018全國卷Ⅲ)如圖，一定量的理想氣體從狀態(tài)a變化到狀態(tài)b，其過程如pV圖中從a到b的直線所示。在此過程中(　　) A．氣體溫度一直降低 B．氣體內(nèi)能一直增加 C．氣體一直對(duì)外做功 D．氣體一直從外界吸熱 E．氣體吸收的熱量一直全部用于對(duì)外做功 解析：選BCD　由理想氣體的狀態(tài)方程＝C知，從a到b氣體溫度一直升高，故A錯(cuò)誤；一定量的理想氣體的內(nèi)能由溫度決定，可知?dú)怏w內(nèi)能一直增加，故B正確；氣體體積逐漸膨脹，一直對(duì)外做功，故C正確；根據(jù)熱力學(xué)第一定律可知，氣體一直從外界吸熱，吸收的熱量一部分用來對(duì)外做功，一部分用來增加氣體的內(nèi)能，故D正確，E錯(cuò)誤。 2．(滬科教材原題)關(guān)于系統(tǒng)的內(nèi)能及其變化，下列說法中正確的是(　　) A．系統(tǒng)的溫度改變時(shí)，其內(nèi)能必定改變 B．系統(tǒng)對(duì)外做功，其內(nèi)能不一定改變；向系統(tǒng)傳遞熱量，其內(nèi)能不一定改變 C．對(duì)系統(tǒng)做功，系統(tǒng)內(nèi)能必定改變；系統(tǒng)向外傳出一定熱量，其內(nèi)能必定改變 D．若系統(tǒng)與外界不發(fā)生熱交換，則系統(tǒng)的內(nèi)能必定不改變 解析：選B　系統(tǒng)的溫度只能決定分子平均動(dòng)能，而內(nèi)能由分子動(dòng)能和分子勢能共同決定，A錯(cuò)誤；做功和熱傳遞都可以改變系統(tǒng)的內(nèi)能，B正確，C、D錯(cuò)誤。 3. (2019吉林實(shí)驗(yàn)中學(xué)模擬)如圖所示，圓柱形容器內(nèi)用活塞封閉一定質(zhì)量的理想氣體，已知容器橫截面積為S，活塞重為G，大氣壓強(qiáng)為p0。若活塞固定，封閉氣體溫度升高1 ℃，需吸收的熱量為Q1；若活塞不固定，仍使封閉氣體溫度升高1 ℃，需吸收的熱量為Q2。不計(jì)一切摩擦，在活塞不固定時(shí)，封閉氣體溫度升高1 ℃，活塞上升的高度h應(yīng)為多少？ 解析：活塞固定時(shí)，由熱力學(xué)第一定律，氣體增加的內(nèi)能ΔU＝Q1 活塞不固定時(shí)，設(shè)外界對(duì)氣體做功為W，活塞上升的高度為h，則 ΔU＝Q2＋W＝Q2－(p0Sh＋Gh) 解得h＝。 答案： 考點(diǎn)二　熱力學(xué)第二定律 1．克勞修斯表述 熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體。 2．開爾文表述 不可能從單一熱庫吸收熱量，使之完全變成功，而不產(chǎn)生其他影響，或表述為“第二類永動(dòng)機(jī)是不可能制成的”。 3．熱力學(xué)第二定律的理解 兩種表述分別說明了熱傳遞過程和能量轉(zhuǎn)化過程的方向性。對(duì)定律中“自發(fā)地”“不產(chǎn)生其他影響”兩點(diǎn)的理解是關(guān)鍵。 [典例]　(多選)關(guān)于熱力學(xué)定律，下列說法正確的是(　　) A．為了增加物體的內(nèi)能，必須對(duì)物體做功或向它傳遞熱量 B．對(duì)某物體做功，必定會(huì)使該物體的內(nèi)能增加 C．可以從單一熱庫吸收熱量，使之完全變?yōu)楣? D．不可能使熱量從低溫物體傳向高溫物體 E．功轉(zhuǎn)變?yōu)闊岬膶?shí)際宏觀過程是不可逆過程 [解析]　為了增加物體的內(nèi)能，必須對(duì)物體做功或向它傳遞熱量，選項(xiàng)A正確；對(duì)某物體做功，不一定會(huì)使該物體的內(nèi)能增加，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；可以從單一熱庫吸收熱量，使之完全變?yōu)楣?，但?huì)產(chǎn)生其他影響，選項(xiàng)C正確；可以使熱量從低溫物體傳向高溫物體，如空調(diào)制冷，選項(xiàng)D錯(cuò)誤；功轉(zhuǎn)變?yōu)闊岬膶?shí)際宏觀過程是不可逆過程，選項(xiàng)E正確。 [答案]　ACE 熱力學(xué)第二定律說明即使是符合能量守恒定律的過程，也未必都能發(fā)生，如擴(kuò)散、熱傳遞、摩擦生熱等過程均有不可逆性。　　 [集訓(xùn)沖關(guān)] 1．(多選)(人教教材改編題)下列現(xiàn)象中能夠發(fā)生的是(　　) A．一杯熱茶在打開杯蓋后，茶會(huì)自動(dòng)變得更熱 B．蒸汽機(jī)把蒸汽的內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化成機(jī)械能 C．桶中混濁的泥水在靜置一段時(shí)間后，泥沙下沉，上面的水變清，泥、水自動(dòng)分離 D．電冰箱通電后把箱內(nèi)低溫物體的熱量傳到箱外高溫物體 解析：選CD　根據(jù)熱力學(xué)第二定律知，A、B錯(cuò)誤，D正確；泥、水分離是因?yàn)槟嗌乘苤亓Υ笥谒母×Γ珻正確。 2.如圖所示，一演示用的“永動(dòng)機(jī)”轉(zhuǎn)輪由5根輕桿和轉(zhuǎn)軸構(gòu)成，輕桿的末端裝有用形狀記憶合金制成的葉片。輕推轉(zhuǎn)輪后，進(jìn)入熱水的葉片因伸展而“劃水”，推動(dòng)轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，離開熱水后，葉片形狀迅速恢復(fù)，轉(zhuǎn)輪因此能較長時(shí)間轉(zhuǎn)動(dòng)。下列說法正確的是(　　) A．轉(zhuǎn)輪依靠自身慣性轉(zhuǎn)動(dòng)，不需要消耗外界能量 B．轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng)所需能量來自形狀記憶合金自身 C．轉(zhuǎn)動(dòng)的葉片不斷攪動(dòng)熱水，水溫升高 D．葉片在熱水中吸收的熱量一定大于在空氣中釋放的熱量 解析：選D　根據(jù)熱力學(xué)第二定律知，A、B錯(cuò)誤；葉片吸收熱水中的熱量一部分轉(zhuǎn)化為葉片轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械能，一部分散失在空氣中，水溫不會(huì)升高，C錯(cuò)誤，D正確。 3．(多選)(2019通化模擬)根據(jù)熱學(xué)中的有關(guān)知識(shí)，判斷下列說法中正確的是(　　) A．機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，內(nèi)能也可以全部用來做功轉(zhuǎn)化成機(jī)械能 B．自發(fā)的熱傳遞過程是向著分子熱運(yùn)動(dòng)無序性增大的方向進(jìn)行的 C．盡管技術(shù)不斷進(jìn)步，熱機(jī)的效率仍不能達(dá)到100%，制冷機(jī)卻可以使溫度降到－293 ℃ D．第一類永動(dòng)機(jī)違背能量守恒定律，第二類永動(dòng)機(jī)不違背能量守恒定律，隨著科技的進(jìn)步和發(fā)展，第二類永動(dòng)機(jī)可以被制造出來 E．空調(diào)既能制熱又能制冷，說明在非自發(fā)的條件下，熱量可以逆向傳遞 解析：選ABE　機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，而內(nèi)能也可以全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，只是在這個(gè)過程中會(huì)引起其他變化，A正確；根據(jù)熱力學(xué)第二定律可知，自發(fā)的熱傳遞過程是向著分子熱運(yùn)動(dòng)無序性增大的方向進(jìn)行的，B正確；盡管科技不斷進(jìn)步，熱機(jī)的效率仍不能達(dá)到100%，制冷機(jī)也不能使溫度降到－293 ℃(低于絕對(duì)零度)，C錯(cuò)誤；第一類永動(dòng)機(jī)違背能量守恒定律，第二類永動(dòng)機(jī)不違背能量守恒定律，但違背了熱力學(xué)第二定律，第二類永動(dòng)機(jī)不可能被制造出來，D錯(cuò)誤；根據(jù)熱力學(xué)第二定律可知，熱量能夠自發(fā)地從高溫物體傳遞到低溫物體，但在非自發(fā)的條件下，熱量能從低溫物體傳遞到高溫物體，E正確。