高考物理总复习 热力学定律

解析
基础命题点二 热力学第二定律
1．热力学第二定律的两种表述 (1)克劳修斯表述：热量不能 01 自发地 从低温物体传到高温物体。 (2)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“ 02 第二类 永动机是不可能制成的。” 2．用熵的概念表示热力学第二定律 在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会 03 减小 。
A．一杯热茶在打开盖后，茶会自动变凉 B．没有漏气、没有摩擦的理想热机，其效率可能是 100% C．桶中浑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．热量自发地从低温物体传到Leabharlann Baidu温物体 E．在地面上运动的物体逐渐停下来，机械能全部变为内能
答案
解析 热茶自动变凉是热量从高温物体传递到低温物体，A 正确；任 何热机的效率都不可能达到 100%，B 错误；泥水分离是机械能(重力势能) 向内能的转化，C 正确；热量不能自发地从低温物体传到高温物体，D 错误； 在地面上运动的物体因克服摩擦力做功而停下来，是机械能(动能)向内能的 转化，是自发过程，E 正确。
答案
解析 气体向真空膨胀时不受阻碍，气体不对外做功，由于汽缸是绝 热的，没有热交换，所以气体扩散前后内能不变，选项 A 正确。气体在被 压缩的过程中，外界对气体做功，且没有热交换，根据热力学第一定律， 气体的内能增大，选项 B、D 正确。气体在真空中自发扩散的过程中不对外 做功，选项 C 错误。气体在被压缩过程中，内能增大，由于一定质量的理 想气体的内能完全由温度决定，温度越高，内能越大，气体分子的平均动 能越大，选项 E 错误。
答案
解析 由题图所示图象可知，bc 过程气体发生等温变化，气体的内能 不变，压强减小，由玻意耳定律可知，体积增大，气体对外做功，由热力 学第一定律 ΔU＝Q＋W 可知，气体吸热，故 A 错误；由题图可知，ab 过程 气体压强与热力学温度成正比，则气体发生等容变化，气体体积不变，外 界对气体不做功，气体温度升高，内能增大，由热力学第一定律可知，气 体吸收热量，故 B 正确；由题图可知，ca 过程气体压强不变，温度降低， 由盖—吕萨克定律可知，其体积减小，外界对气体做功，W>0，气体的温 度降低，内能减少，ΔU<0，由热力学第一定律可知，气体要放出热量，ca
解析
2．(多选)下列叙述和热力学定律相关，其中正确的是( ) A．第一类永动机不可能制成，是因为违背了能量守恒定律 B．能量耗散过程中能量不守恒 C．电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界，违背了热 力学第二定律 D．能量耗散是从能量转化的角度反映出自然界中的宏观过程具有方向 性 E．物体从单一热源吸收的热量可全部用于做功
第十四章 选修3-3
第62讲 热力学定律
基础命题点一 热力学第一定律
1．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)表达式： 01 ΔU＝Q＋W 。
2．公式“ΔU＝W＋Q”中正负号的意义
符号
W
Q
ΔU
＋ 外界对物体做功 物体 02 吸收 热量
解析
能力命题点 热力学定律与气体 实验定律的综合应用
解答此类问题基本流程
(2019·山东德州一模)一定质量的理想气体自状态 A 变化到状态 B，再 变化到状态 C。其状态变化过程的 p-V 图象如图所示。已知该气体在状态 A 时的温度为 27 ℃。求：
(1)该气体在状态 B 时的温度为多少摄氏度？ (2)该气体自状态 A 到状态 C 的过程中与外界交换的热量。 答案 (1)627 ℃ (2)600 J
答案
解析 (1)状态 A：TA＝300 K 从状态 A 到状态 B 的过程，有VTAA＝VTBB 代入数据得 TB＝900 K tB＝TB－273 ℃＝627 ℃ (2)从状态 A 到状态 C 的过程，由pATVAA＝pTCVCC 得 TA＝TC 故从状态 A 到状态 C 的过程，气体的内能变化量 ΔU＝0
答案
解析 根据热力学第二定律可知气体向真空的自由膨胀是不可逆的， 故 A 正确；理想气体在等温膨胀过程中气体的内能没有变，所以把吸收的 热量全部用于对外做功，故 B 正确；空调机既能制热又能制冷，但是要耗 电，即热传递有方向性，热量只能自发地由高温物体传向低温物体，故 C 错误；根据热力学第二定律可知，热机的效率不可能达到 100%，即使对内 燃机不断改进，也不可以把内燃机得到的全部内能转化为机械能，故 D 错 误；温度是分子平均动能的标志，一定质量的 100 ℃的水变成 100 ℃的水 蒸气，吸收热量，温度不变，其分子的平均动能不变，吸收的热量增加了 分子之间的势能，故 E 正确。
答案
解析 第一类永动机违背能量守恒定律，是不可能制成的，A 正确； 能量耗散过程中能量也是守恒的，B 错误；电冰箱的制冷系统能够不断地把 冰箱内的热量传到外界，因为它消耗了电能，所以不违背热力学第二定律， C 错误；能量耗散反映了能量转化的方向性，D 正确；在产生了其他影响的 情况下，物体从单一热源吸收的热量可以全部用于做功，E 正确。
(2)热力学第二定律的实质
自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性。如：
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
能自发地完全转化为 ②机械能 不能自发地完全转化为 内能
能自发膨胀到 ③气体体积 V1 不能自发收缩到 气体体积 V2(较大)
能自发混合成 ④不同气体 A 和 B 不能自发分离成 混合气体 AB
4．三种特殊情况 (1)若过程是绝热的，即 Q＝0，则 W＝ΔU，外界对物体做的功等于物 体内能的增加量。 (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 内能的增加量。 (3)若过程的初、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或物体对外界做的功等于 物体吸收的热量。
(1)做功情况看体积 体积 V 减小→外界对气体做功→W＝pΔV>0； 体积 V 增大→气体对外界做功→W＝pΔV<0； 自由膨胀→W＝0； 体积不变→W＝pΔV＝0。
(2)内能变化看温度(理想气体) 温度 T 升高→内能增加→ΔU>0； 温度 T 降低→内能减少→ΔU<0； 温度 T 不变→内能不变→ΔU＝0。 (3)吸热还是放热，一般题目中会说明，或由热力学第一定律 ΔU＝Q＋ W，知道 W 和 ΔU 后确定 Q 的正负。
解析
3．[教材母题] (人教版选修 3－3 P56·T1)用活塞压缩汽缸里的空气，对 空气做了 900 J 的功，同时汽缸向外散热 210 J，汽缸里空气的内能改变了 多少？
[变式子题] 一定质量的气体，在从状态 1 变化到状态 2 的过程中，吸 收热量 280 J，并对外做功 120 J，试问：
解析
3 ． (2019·广 西 高 考 模 拟 )( 多 选 )关 于 热 力 学 定 律 ， 下 列 说 法 正 确 的 是 ()
A．气体向真空的自由膨胀是不可逆的 B．理想气体在等温膨胀过程中从外界吸收的热量全部用于对外做功 C．空调机既能制热又能制冷，说明热传递不存在方向性 D．只要对内燃机不断改进，就可以把内燃机得到的全部内能转化为机 械能 E．一定质量的 100 ℃的水变成 100 ℃的水蒸气，分子的平均动能不变， 其分子之间的势能增加
(1)气体的内能怎样发生变化？变化了多少？ (2)如果气体又返回原来的状态，并放出了 240 J 热量，那么在返回的 过程中是气体对外界做功，还是外界对气体做功？做功多少？ 答案 (1)增加' 160 J (2)外界对气体做功'80 J
答案
解析 (1)由热力学第一定律可得 ΔU＝W＋Q＝－120 J＋280 J＝160 J，气体的内能增加了 160 J。
(2)由于气体的内能仅与状态有关，所以气体从状态 2 回到状态 1 的过 程中内能应减少，其减少量应等于从状态 1 到状态 2 的过程中内能的增加 量，则从状态 2 到状态 1 的内能应减少 160 J，即 ΔU′＝－160 J，又 Q′ ＝－240 J，根据热力学第一定律得：ΔU′＝W′＋Q′，所以 W′＝ΔU′ －Q′＝－160 J－(－240 J)＝80 J，即外界对气体做功 80 J。
解析
从状态 A 到状态 C 的过程中仅从状态 A 到状态 B 时气体对外做功 W＝－pA(VB－VA)＝－600 J 又由热力学第一定律 ΔU＝W＋Q 得 Q＝600 J，即气体从外界吸收的热量为 600 J。
解析
一定量的理想气体发生变化，一般有绝热过程(Q＝0)、无功过程(W＝ 0)、一般过程(Q、W 均不为零)。
内能 03 增加
－ 物体对外界做功 物体 04 放出 热量
内能 05 减小
3．能量守恒定律 (1)内容：能量既不会凭空 06 产生 ，也不会凭空 07 消失 ，它只能从
一种形式 08 转化 为另一种形式，或者从一个物体 09 转移 到别的物体， 在转化或转移的过程中，能量的 10 总量 保持不变。
(2)第一类永动机：违背能量守恒定律的机器被称为第一类永动机。它 是 11 不可能 制成的。
5．两类永动机的比较
分类
第一类永动机
第二类永动机
设计要求
从单一热源吸收热量，使之 不需要任何动力或燃料，却
完全变成功，而不产生其他 能不断地对外做功的机器
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，但违 背热力学第二定律
1．[教材母题] (人教版选修 3－3 P61·T2)以下哪些现象能够发生、哪些 不能发生？能够发生的现象是否违背热力学第二定律？
3．热力学第二定律的微观解释 一切自发过程总是沿着分子热运动的 04 无序性 增大的方向进行。 4．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。
解析
2．(2019·鄂尔多斯市第一中学高三月考)(多选)一定质量的理想气体从 状态 a 开始，经历三个过程 ab、bc、ca 回到原状态，其 p-T 图象如图所示， 下列说法正确的是( )
A．过程 bc 中气体既不吸热也不放热 B．过程 ab 中气体一定吸热 C．过程 ca 中外界对气体所做的功等于气体放出的热量 D．a、b 和 c 三个状态中，状态 a 分子的平均动能最小 E．b 和 c 两个状态中，容器壁在单位面积单位时间内受到的气体分子 撞击的次数不同
1.(2017·全国卷Ⅱ)(多选)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
1．在一个密闭隔热的房间里，有一电冰箱正在工作，如果打开电冰箱
的门，过一段时间后房间的温度会( )
A．降低
B．不变
C．升高
D．无法判断
解析 电冰箱工作时，将部分电能转化为热能散发到房间内，所以房
间内温度升高，C 正确。
解析 答案
2．(多选)夏天，小明同学把自行车轮胎上的气门芯拔出的时候，会觉 得从轮胎里喷出的气体凉，如果把轮胎里的气体视为理想气体，则关于气 体喷出的过程，下列说法正确的是( )
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．桶中浑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。
[变式子题] (2019·青岛模拟)(多选)以下哪个现象不违背热力学第二定 律( )
A．气体的内能减少 B．气体的内能不变 C．气体来不及与外界发生热交换，对外做功，温度降低 D．气体膨胀时，热量散得太快，使气体温度降低了 E．气体分子的平均动能减小
答案
解析 气体喷出时，来不及与外界交换热量，发生绝热膨胀，即 Q＝0、 W<0，根据 ΔU＝W＋Q 可知 ΔU<0，即内能减少，温度降低，气体分子的 平均动能减小，A、C、E 正确。