2012届高考物理第一轮考纲知识复习 热力学定律与能量守恒

第3章 热力学定律与能量守恒
【考纲知识梳理】
一、 温度、内能、热量、功的理解
二、改变内能的两种方式
1、 改变物体的内能通常有两种方式：做功和热传递。
（1）做功和热传递在改变物体的内能上是等效的，但有本质的区别。
（2）做功涉及到的是内能与其它能间的转达化；而热传递则只涉及到内能在不同物体间的转移。
三、 对热力学第一定律的理解
1、 热力学第一定律（第一类永动机不能制成）
做功和热传递都能改变物体的内能。也就是说，做功和热传递对改变物体的内能是等效的。但从能量转化和守恒的观点看又是有区别的：做功是其他能和内能之间的转化，功是内能转化的量度；而热传递是内能间的转移，热量是内能转移的量度。
（1）内容: 外界对物体所做的功W加上物体从外界吸收的热量Q等于物体内能的增加ΔE，
（2）表达式: ΔE=Q+W 这在物理学中叫做热力学第一定律。
表达式中符号法则: W为正值，表达外界对物体做功； W为负值，表示物体对外界做功；
Q为正值，表示物体从外界吸热； Q为负值，表示物体对外界放热；
ΔE为正值，表示物体内能增加；ΔE为负值，表示物体内能减少.
2、 能的转化和守恒定律
能量既不会凭空产生，也不会凭空消灭或消失，它只能从一种形式转化为别的形式，或者从一个物体转移到别的物体，但总能量保持不变。这就是能的转化和守恒定律.
(1)能量守恒定律是自然界普遍适用的规律之一，违背该定律的第一类永动机是无法实现的.
(2)物质的不同运动形式对应不同形式的能,各种形式的能在一定的条件下可以转化或转移,在转化或转移过程中,能的总量守恒.
四、对热力学第二定律的理解
1、 热传导的方向性:热传导的过程是有方向性的，这个过程可以向一个方向自发地进行（热量会自发地从高温物体传给低温物体），但是向相反的方向却不能自发地进行。
2、 机械能与内能转化的方向性:机械能可以全部转化为内能,而内能不可能全部转化为机械能而不引起其它的变化.
3、 热力学第二定律
(1)表述：
①不可能使热量由低温物体传递到高温物体，而不引起其他变化（按热传导的方向性表述）。
②不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化（按机械能和内能转化过程的方向性表述）。或第二类永动机是不可能制成的。
(2)意义：自然界种进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性。它揭示了有大量分子参与的宏观过程的方向性.
(3)能量耗散:自然界的能量是守恒的，但是有的能量便于利用，有些能量不便于利用。很多事例证明，我们无法把流散的内能重新收集起来加以利用。这种现象叫做能量的耗散。它从能量转化的角度反映出自然界中的宏观现象具有方向性。
3、 永动机
（1）第一类永动机不可能制成:不消耗任何能量，却可以源源不断地对外做功，这种机器被称为第一类永动机，这种永动机是不可能制造成的，它违背了能量守恒定律。
（2）第二类永动机：没有冷凝器，只有单一热源，并从这个单一热源吸收的热量，可以全部用来做功，而不引起其他变化的热机叫做第二类永动机。第二类永动机不可能制成，它虽然不违背能量守恒定律，但违背了热力学第二定律。 也是不可能制成的。因为机械能和内能的转化过程具有方向性，机械能可以全部转化为内能，但内能不能全部转化为机械能，而不引起其他变化。热机的效率不可能达到100%。
4、热力学第三定律：热力学零度不可达到｛宇宙温度下限：－273.15摄氏度（热力学零度）｝
【要点名师透析】
类型一 热力学第一定律的应用
【例1】(2010?江苏高考)(1)为了将空气装入气瓶内，现将一定质量的空气等温压缩，空气可视为理想气体.下列图象能正确表示该过程中空气的压强p和体积V关系的是_____.
(2)在将空气压缩装入气瓶的过程中，温度保持不变，外界做了24 kJ的功.现潜水员背着该气瓶缓慢地潜入海底，若在此过程中，瓶中空气的质量保持不变，且放出了5 kJ的热量.在上述两个过程中，空气的内能共减小__________kJ，空气_______(选填“吸收”或“放出”)的总热量为_____kJ.
(3)已知潜水员在岸上和海底吸入空气的密度分别为
1.3 kg/m3和2.1 kg/m3，空气的摩尔质量为0.029 kg/mol，阿伏加德罗常数NA=6.02×1023 mol-1.若潜水员呼吸一次吸入2 L的空气，试估算潜水员在海底比在岸上每呼吸一次多吸入空气的分子数.(结果保留一位有效数字).
【详解】 (1)由玻意耳定律知pV=C,p与 成正比，选B.
(2)根据热力学第一定律ΔU=W+Q，第一阶段W1=24 kJ，ΔU1=0,所以Q1=-24 kJ，故放热；第二阶段W2=0，Q2=-5 kJ，由热力学第一定律知，ΔU2=-5 kJ，故在上述两个过程中，空气的内能共减少ΔU=ΔU1+ΔU2=-5 kJ；两过程共放出热量Q=Q1+Q2=
-29 kJ，故空气放出的总热量为29 kJ.
(3)设空气的摩尔质量为M，在海底和岸上的密度分别为ρ海和ρ岸，一次吸入空气的体积为V，则有 代入数据得Δn=3×1022.
类型二　热力学第二定律的应用
【例2】如图为电冰箱的工作原理示意图.压缩机工作时，强迫制冷剂在冰箱内外的管道中不断循环.在蒸发器中制冷剂汽化吸收箱体内的热量，经过冷凝器时制冷剂液化，放出热量到箱体外.
(1)下列说法正确的是 _______
A.热量可以自发地从冰箱内传到冰箱外
B.电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界，是因为其消耗了电能
C.电冰箱的工作原理不违反热力学第一定律
D.电冰箱的工作原理违反热力学第一定律
(2)电冰箱的制冷系统从冰箱内吸收的热量与释放到外界的热量相比，有怎样的关系？
【详解】(1)选B、C.热力学第一定律是热现象中内能与其他形式能的转化规律，是能的转化和守恒定律的具体表现，适用于所有的热学过程，故C正确，D错误；
由热力学第二定律可知，热量不能自发地从低温物体传到高温物体，除非有外界的影响或帮助.电冰箱把热量从低温的内部传到高温的外部，需要压缩机的帮助并消耗电能，故B正确，A错误.
(2)由热力学第一定律可知，电冰箱制冷系统从冰箱内吸收了热量，同时消耗了电能，释放到外界的热量比从冰箱内吸收的热量多.
类型三 气体实验定律与热力学定律综合
【例3】(2010?海南高考)如图，体积为V、内壁光滑的圆柱形导热汽缸顶部有一质量和厚度均可忽略的活塞；汽缸内密封有温度为2.4 T0、压强为1.2 p0的理想气体，p0和T0分别为大气的压强和温度.已知：气体内能U与温度T的关系为U=αT,α为正的常量；容器内气体的所有变化过程都是缓慢的.求：
(1)汽缸内气体与大气达到平衡时的体积V1;
(2)在活塞下降过程中，汽缸内气体放出的热量Q.
【详解】(1)在气体由p=1.2p0下降到p0的过程中，气体体积不变，温度由T=2.4 T0变为T1，由查理定律得 在气体温度由T1变为T0的过程中，体积由V减小到V1，气体压强不变，由盖—吕萨克定律得 解得
(2)在活塞下降过程中，活塞对气体做的功为W=p0(V-V1)在这一过程中，气体内能的减少为ΔU=α(T1-T0)由热力学第一定律得，汽缸内气体放出的热量为Q=W+ΔU,解得Q= p0V+αT0
【感悟高考真题】
1.（2011?福建理综?T28（2））一定量的理想气体在某一过程中，从外界吸收热量2.5×104J，气体对外界做功1.0×104J，则该理想气体的_______。（填选项前的字母）
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
【答案】选D.
【详解】由热力学第一定律 ，Q=2.5×104J，W=-1.0×104J可知 大于零，气体内能增加，温度升高，A、B错；气体对外做功，体积增大，密度减小，C错D对.
2.（2011?大纲版全国?T14）关于一定量的气体，下列叙述正确的是
A.气体吸收的热量可以完全转化为功
B.气体体积增大时，其内能一定减少
C．气体从外界吸收热量，其内能一定增加
D．外界对气体做功，气体内能可能减少
【答案】 选AD
【详解】如果气体等温膨胀，则气体的内能不变，吸收热量全部用来对外做功，Ａ正确；当气体体积增大时，对外做功，若同时吸收热量，且吸收的热量大于或等于对外做功的数值时，内能不会增加，所以Ｂ错误；若气体吸收热量同时对外做功，其内能也不一定增加，C错误；若外界对气体做功同时气体向外放出热量， 且放出的热量多于外界对气体所做的功，则气体内能减少，所以D正确．
3.（2011?江苏物理?T12.A）如题12A-1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
C．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
(2)如题12A-2图所示，内壁光滑的气缸水平放置。一定质量的理想气体被活塞密封在气缸内，外界大气压强为P0。现对气缸缓慢加热，气体吸收热量Q后，体积由V1增大为V2。则在此过程中，气体分子平均动能_________(选填“增大”、“不变”或“减小”)，气体内能变化了_____________。
(3)某同学在进行“用油膜法估测分子的大小”的实验前，查阅数据手册得知：油酸的摩尔质量M=0.283kg?mol-1，密度ρ=0.895×103kg?m-3.若100滴油酸的体积为1ml，则1滴油酸所能形成的单分子油膜的面积约是多少？(取NA=6.02×1023mol-1.球的体积V与直径D的关系为 ，结果保留一位有效数字)
【答案】(1)D(2)增大， （3）
【详解】（1）该永动机叶片进入水中，吸收热量而伸展划水，推动转轮转动，离开水面后向空气中放热，叶片形状迅速恢复，所以转动的能量来自热水，由于不断向空气释放热量，所以水温逐渐降低，ABC错，D对。
（2）气体做等压变化，体积变大，温度升高，平均动能增大，内能的变化为
（3）一个油酸分子的体积
分子直径为D=
最大面积 带入数据得：S=
4．（2010?重庆?1５）给旱区送水的消防车停于水平面，在缓缓放水的过程中，若车胎不漏气，胎内气体温度不变，不计分子势能，则胎内气体
A．从外界吸热 B.对外界做负功
B.分子平均动能减少 D.内能增加
【答案】 A
【解析】胎内气体经历了一个温度不变，压强减小，体积增大的过程。温度不变，分子平均动能和内能不变。体积增大气体对外界做正功。根据热力学第一定律气体一定从外界吸热。A正确
【考点模拟演练】
1．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．压缩气体总能使气体的温度升高
【答案】B
【详解】根据热力学第三定律的绝对零度不可能达到可知A错误；物体从外界吸收热量、对外做功，根据热力学第一定律可知内能可能增加、减小和不变，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可全部用于做功而引起其他变化是可能的，B正确．
2．下面说法正确的是
(　　)
A．如果物体从外界吸收了热量，则物体的内能一定增加
B．我们可以制造一种热机，将流散到周围环境中的内能重新收集起来加以利用而不引起其他变化
C．假设两个液体分子从紧靠在一起开始相互远离，直到无穷远处，在这一过程中分子力先做正功后做负功
D．空调制冷，虽然是人为的使热量由低温处传到高温处，但这不违背热力学第二定律
【答案】CD
【详解】根据热力学第一定律，物体吸收热量但同时对外做功时，物体内能有可能减少，A错；
B选项中描述的现象要实现必须引起其他变化．否则就违背了热力学第二定律，B错；
开始分子力表现为斥力，越过r0位置后分子力表现为引力，所以分子力先做正功后做负功，C选项正确；
虽然热量由低温处向高温处传递，但这引起了其他变化，就是消耗了电能，所以D选项正确．
3.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.压缩气体总能使气体的温度升高
【答案】选B.
【详解】由热力学第三定律知，绝对零度不可能达到，A错；由热力学第二定律知，物体从单一热源吸收的热量可全部用于做功，但是将产生其他影响，B对；物体吸收了热量，若全部用于对外做功，其内能不变，C错；压缩气体，若气体对外放热，气体的温度不一定升高，D错.
4．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底，永久贮存起来．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”，从而避免温室效应．在将二氧化碳送入深海底的过程中，以下说法正确的是
(　　)
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
【答案】ABC
【详解】考查热力学第一定律．压缩机压缩气体对气体做功，气体温度升高，内能增大，A对；二氧化碳压入海底时比海水温度高，因此将热量传递给海水而内能减小，B是对的．二氧化碳温度降低，分子平均动能减小，但不是每个分子的动能都减小，C正确，D错．
5．用两种不同的金属丝组成一个回路，接触点1插在热水中，接触点2插在冷水中，如图所示，电流计指针会发生偏转，这就是温差发电现象，这一实验是否违反热力学第二定律？热水和冷水的温度是否会发生变化？简述这一过程中能的转化情况．
【答案】不违反　热水温度降低，冷水温度升高．转化效率低于100%
【详解】温差发电现象中产生了电能是因为热水中的内能减少，一部分转化为电能，一部分传递给冷水，不违反热力学第二定律．
6．(2011?淮州月考)如图所示，将完全相同的A、B两球，分别浸没在初始温度相同的水和水银的同一深度处，已知A、B两球用同一种特殊的制成，当温度稍微升高时，球的体积会明显地变大．现让两种液体的温度同时缓慢地升高到同一值，发现两球膨胀后，体积相等。若忽略绳子、水和水银由于温度的变化而引起的体积膨胀，则以下判断正确的是(　　)
A．因为同一深度处水的压强较小，所以A球膨胀过程中对外做的功较多
B．因为同一浓度处水银的压强较大，所以B球膨胀过程中内能增加较多
C．膨胀过程中，A球吸引的热量较多
D．膨胀过程中，B球吸收的热量较多
【答案】D
【详解】本题考查的是热力学第一定律的主要内容．A、B两球所处的环境初末状态一致，故两球的体积增量和温度增量均相同，所以内能增量相同，选项B错误．但A球位于水中，B球位于水银中，由于同一深度处水的压强较小，故A球膨胀过程中对外做功较少，选项A错误，由ΔV＝W＋Q的关系可知，B球膨胀过程中对外做功较多，故B球膨胀过程中吸收热量较多，选项D正确．
7．某一密闭容器中密封着一定质量的某种实际气体，气体分子间的相互作用力表现为引力．关于实际气体的下列说法中正确的是(　　)
A．在完全失重的情况下，密闭容器内的气体对器壁的顶部没有作用力
B．若气体膨胀对外界做功，则分子势能一定增大
C．若气体被压缩，外界对气体做功，则气体内能一定增加
D．若气体从外界吸收的热量等于膨胀对外界做的功，则气体分子的动能一定不变
【答案】B
【详解】在完全失重的情况下，密闭容器内的气体仍然有压强，气体对器壁的顶部有作用力，所以A错误；体积膨胀，分子间距离增大，分子力做负功，气体的分子势能增加，B正确；外界对气体做功，但气体有可能向外界放热，所以内能的变化情况不能确定，C错误；气体从外界吸收的热量等于膨胀对外界做的功，所以内能不变，但分子势能增大了，所以分子动能一定减小，即D错误．
8．(2011?通州检测)把一定的热量传给一定量的气体，则(　　)
A．该气体的内能一定增加
B．该气体的内能有可能减小
C．该气体的压强一定不会减小
D．该气体的体积一定不会减小
【答案】B
【详解】气体吸收一定的热量，可能同时对外做功．若气体吸收的热量小于气体对外做的功，则内能将减少，所以A错误，B正确．气体吸收热量，可能同时对外做功，则气体体积将增大，气体分子密集程度变小，所以气体压强可能减小，C、D均错误．
9．(1)蒸汽机、内燃机等热机以及电冰箱工作时都利用了气体状态变化来实现能量的转移和转化，我们把这些气体称为工质．某热机经过一个循环后，工质从高温热源吸热Q1，对外做功W，又对低温热源放热Q2，工质完全恢复初始状态，内能没有变化．根据热力学第一定律，在工质的一个循环中，Q1、Q2、W三者之间满足的关系是________．热机的效率η＝WQ1不可能达到100%，从能量转换的角度，说明________能不能完全转化为________能．
(2)如图表示一定质量的某气体在不同温度下的两条等温线．图中等温线Ⅰ对应的温度比等温线Ⅱ对应的温度要________(填“高”或“低”)．在同一等温线下，如果该气体的压强变为原来的2倍，则气体的体积应变为原来的________倍．
【答案】 (1)Q1－Q2＝W　内　机械　(2)低　1/2
【详解】(1)本题考查热力学第一定律．由热力学第一定律可得，ΔU＝W＋Q，Q1－W－Q2＝0，Q1－Q2＝W.
(2)本题考查气体定律．在两等温线上取体积相等的两个状态，可见等温线Ⅰ的压强小于等温线Ⅱ的压强，由pVT＝C可得，等温线Ⅰ的温度低于等温线Ⅱ的温度；在等温条件下，可得如果气体的压强变为原来的2倍，则气体的体积变为原来的1/2倍．
10．内壁光滑的导热汽缸竖直浸入在盛有冰水混合物的水槽中，用不计质量的活塞封闭压强为1.0×105 Pa，体积为2.0×10－3 m3的理想气体，现在活塞上缓慢倒上沙子，使封闭气体的体积变为原来的一半．
(1)求汽缸内气体的压强；
(2)若封闭气体的内能仅与温度有关，在上述过程中外界对气体做功145 J，封闭气体吸收还是放出热量？热量是多少？
【答案】(1)2.0×105 Pa　(2)放出热量　145 J
【详解】(1)封闭气体做等温变化，由玻意耳定律p1V1＝p2V2，
得气体的压强p2＝p1V1V2＝1×105×2×10－31×10－3 Pa＝2.0×105 Pa.
(2)因为气体做等温变化，所以内能不变，即ΔU＝0
根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，
得热量Q＝－W＝－145 J


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