专题39热力学定律与能量守恒定律、气体实验定律的综合应用（原卷版）.docx

2021届高考物理一轮复习热点题型归纳与变式演练专题39 热力学定律与能量守恒定律、气体实验定律的综合应用【专题导航】目录热点题型一　热力学第一定律与能量守恒定律 1热点题型二　热力学第二定律的理解 4热点题型三　封闭气体多过程的问题 5汽缸封闭气体问题 6活塞封闭气体问题 7热点四　关联气体的状态变化问题 9 9 10热点题型五　变质量问题 11 11 12 12 13热点题型六　热力学第一定律与图象的综合应用 13热点题型七　热力学第一定律与气体实验定律的综合应用 15【题型演练】 16【题型归纳】热点题型一　热力学第一定律与能量守恒定律1．热力学第一定律不仅反映了做功和热传递这两种改变内能的过程是等效的，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．此定律是标量式，应用时功、内能、热量的单位应统一为国际单位焦耳．2．三种特殊情况(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．3.改变内能的两种方式的比较做功热传递区别内能变化情况外界对物体做功，物体的内能增加；物体对外界做功，物体的内能减少物体吸收热量，内能增加；物体放出热量，内能减少从运动形式看做功是宏观的机械运动向物体的微观分子热运动的转化热传递是通过分子之间的相互作用，使同一物体的不同部分或不同物体间的分子热运动发生变化从能量角度看做功是其他形式的能与内能相互转化的过程，能的性质发生了变化不同物体间或同一物体不同部分之间内能的转移，能的性质不变联系做一定量的功或传递一定量的热量在改变内能的效果上是相同的4.温度、内能、热量、功的比较含　义特　点温度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，温度没有意义状态量内能(热能)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热量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过程量功做功过程是机械能或其他形式的能和内能之间的转化过程【例1】(2019全国卷Ⅰ33(1))某容器中的空气被光滑活塞封住，容器和活塞绝热性能良好，空气可视为理想气体．初始时容器中空气的温度与外界相同，压强大于外界．现使活塞缓慢移动，直至容器中的空气压强与外界相同．此时，容器中空气的温度________(填“高于”“低于”或“等于”)外界温度，容器中空气的密度________(填“大于”“小于”或“等于”)外界空气的密度．【变式1】(多选)(2017全国卷Ⅱ33(1))如图1，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【变式2】(多选)(2016全国卷Ⅲ33(1))关于气体的内能，下列说法正确的是(　　)A．质量和温度都相同的气体，内能一定相同B．气体温度不变，整体运动速度越大，其内能越大C．气体被压缩时，内能可能不变D．一定量的某种理想气体的内能只与温度有关E．一定量的某种理想气体在等压膨胀过程中，内能一定增加热点题型二　热力学第二定律的理解1．对热力学第二定律关键词的理解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)高温物体低温物体．(2)功热．(3)气体体积V1气体体积V2(较大)．(4)不同气体A和B混合气体AB.3．两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，使之完全变成功，而不产生其他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【例2】根据热力学定律，下列说法正确的是(　　)A．第二类永动机违反能量守恒定律，因此不可能制成B．效率为100%的热机是不可能制成的C．电冰箱的工作过程表明，热量可以从低温物体向高温物体传递D．从单一热源吸收热量，使之完全变为功是提高机械效率的常用手段E．吸收了热量的物体，其内能也不一定增加【变式1】．以下现象不违背热力学第二定律的有(　　)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高温物体E．在地面上运动的物体逐渐停下来，机械能全部变为内能【变式2】．根据你学过的热学中的有关知识，判断下列说法中正确的是(　　)A．机械能可以全部转化为内能B．凡与热现象有关的宏观过程都具有方向性，在热传递中，热量只能从高温物体传递给低温物体，而不能从低温物体传递给高温物体C．制冷机在制冷过程中，从室内吸收的热量少于向室外放出的热量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，第二类永动机可以制造出来【变式3】下列关于热现象的描述不正确的是(　　)A．根据热力学定律，热机的效率不可能达到100%B．做功和热传递都是通过能量转化的方式改变系统内能的C．温度是描述热运动的物理量，一个系统与另一个系统达到热平衡时两系统温度相同D．物体由大量分子组成，其单个分子的运动是无规则的，大量分子的运动也是无规则的E．空调机作为制冷机使用时，将热量从温度较低的室内送到温度较高的室外，所以制冷机的工作不遵守热力学第二定律【变式4】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．可以从单一热源吸收热量，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【变式5】.下列说法正确的是 (　　)A．压缩气体总能使气体的温度升高B．能量耗散过程中能量是守恒的C．第一类永动机不可能制成，是因为违背了能量守恒定律D．第二类永动机不违背能量守恒定律，但违背了热力学第一定律E．能量耗散过程从能量转化的角度反映了自然界中的宏观过程具有方向性热点题型三　封闭气体多过程的问题多过程问题的处理技巧研究对象(一定质量的气体)发生了多种不同性质的变化，表现出“多过程”现象．对于“多过程”现象，则要确定每个有效的“子过程”及其性质，选用合适的实验定律，并充分应用各“子过程”间的有效关联．解答时，特别注意变化过程可能的“临界点”，找出临界点对应的状态参量，在“临界点”的前、后可以形成不同的“子过程”．汽缸封闭气体问题【例3】(2018高考全国卷Ⅱ)如图，一竖直放置的汽缸上端开口，汽缸壁内有卡口a和b，a、b间距为h，a距缸底的高度为H；活塞只能在a、b间移动，其下方密封有一定质量的理想气体．已知活塞质量为m，面积为S，厚度可忽略；活塞和汽缸壁均绝热，不计它们之间的摩擦．开始时活塞处于静止状态，上、下方气体压强均为p0，温度均为T0.现用电热丝缓慢加热汽缸中的气体，直至活塞刚好到达b处．求此时汽缸内气体的温度以及在此过程中气体对外所做的功．重力加速度大小为g.【变式1】.(2019全国卷Ⅱ33(2))如图，一容器由横截面积分别为2S和S的两个汽缸连通而成，容器平放在水平地面上，汽缸内壁光滑．整个容器被通过刚性杆连接的两活塞分隔成三部分，分别充有氢气、空气和氮气．平衡时，氮气的压强和体积分别为p0和V0，氢气的体积为2V0，空气的压强为p.现缓慢地将中部的空气全部抽出，抽气过程中氢气和氮气的温度保持不变，活塞没有到达两汽缸的连接处，求：(1)抽气前氢气的压强；(2)抽气后氢气的压强和体积．【变式2】(2020河南南阳一中模拟)如图所示，两个壁厚可忽略的导热良好的圆柱形金属筒A和B套在一起，底部到顶部的高度为20 cm，两者横截面积相等，光滑接触且不漏气．将A系于天花板上，用手托住B，使它们内部密封的气体强与外界大气压相同，均为1.1105 Pa，然后缓慢松手，让B下沉，当B下沉了2 cm时，停止下沉并处于静止状态．求：(1)此时金属筒内气体的压强；(2)若当时的温度为24 ℃，欲使下沉后的套筒恢复到下沉前的位置，应将温度变为几摄氏度？活塞封闭气体问题【例4】(2020湖北天门、仙桃等八市第二次联考)横截面积处处相同的U形玻璃管竖直放置，左端封闭，右端开口．初始时，右端管内用h1＝4 cm的水银柱封闭一段长为L1＝9 cm的空气柱A，左端管内用水银封闭有长为L2＝14 cm的空气柱B，这段水银柱左右两液面高度差为h2＝8 cm，如图3甲所示．已知大气压强p0＝76.0 cmHg，环境温度不变．(1)求初始时空气柱B的压强(以cmHg为单位)；(2)若将玻璃管缓慢旋转180，使U形管竖直倒置(水银未混合未溢出)，如图乙所示．当管中水银静止时，求左右两水银柱液面高度差h3.【变式1】如图所示为一竖直放置的导热性能良好的玻璃管，玻璃管下端封闭，上端开口．现在管口下方某位置放一密封性良好质量和厚度均可忽略不计的薄板，封闭一定质量的理想气体，此时封闭气体的温度为T0，封闭气柱长度为l0＝10 cm.现在薄板上放置3个质量为m的物体，系统平衡时，封闭气柱的长度变为l1＝5 cm，现使封闭气体的温度缓慢升高60 ℃，系统再次平衡时封闭气柱的长度为l2＝6 cm；然后取走2个质量为m的物体，再次使封闭气体的温度缓慢升高40 ℃，系统第三次平衡时，封闭气柱的长度为l3.(已知上述过程中薄板没有离开玻璃管)求：(1)开始时封闭气体的温度t应为多少？(2)系统第三次平衡时，封闭气柱的长度l3为多少？【变式2】(2020宁夏五中联考)一足够高的内壁光滑的导热汽缸竖直地浸放在盛有冰水混合物的水槽中，用不计质量的活塞封闭了一定质量的理想气体，活塞的面积为1.510－3 m2，如图所示，开始时气体的体积为3.010－3 m3，现缓慢地在活塞上倒上一定质量的细沙，最后活塞静止时气体的体积恰好变为原来的三分之1． 设大气压强为1.0105 Pa.重力加速度g取10 m/s2，求：热点四　关联气体的状态变化问题多系统问题的处理技巧多个系统相互联系的一定质量气体问题，往往以压强建立起系统间的关系，各系统独立进行状态分析，要确定每个研究对象的变化性质，分别应用相应的实验定律，并充分应。