第3章 热力学定律 单元综合提升-【金版新学案】2024-2025学年高中物理选择性必修3同步课堂高效讲义教师用书（粤教版2019）

单元综合提升 热力学定律 学生用书↓第60页 (2022·广东高考)利用空调将热量从温度较低的室内传递到温度较高的室外环境，这个过程__________(选填“是”或“不是”)自发过程。该过程空调消耗了电能，空调排放到室外环境的热量__________(选填“大于”“等于”或“小于”)从室内吸收的热量。 答案：不是　大于 解析：空调将热量从温度较低的室内传递到温度较高的室外，这个过程要消耗电能，不是自发的过程。由于空调的压缩机做功，使得空调排放到室外环境的热量大于从室内吸收的热量。 　人教版选择性必修第三册P64B组T1 根据热力学定律，判断下列说法是否正确，若不正确请说明理由。 (1)空调在制冷过程中，从室内吸收的热量少于向室外放出的热量。 (2)海水降低温度可以放出大量的热量，科技的不断进步使得人类有可能通过降低海水的温度来发电，从而解决能源短缺的问题。 (3)即使没有漏气、摩擦、不必要的散热等损失，热机也不可能把燃料产生的内能全部转化为机械能。 (4)对能源的过度消耗使自然界的能量不断减少，形成“能源危机”。 　广东高考真题以空调制冷为素材，设置考查热力学定律的物理情境，与人教版选择性必修第三册P64B组T1考查内容部分重合。二者均考查了热力学第二定律和能量守恒定律。 针对练1.大量的事实表明，自然界中的一切实际变化的过程都具有________性。朝某个方向的变化是可以自发发生的，而相反方向的变化却是受到限制的。这时如果要使变化了的事物重新恢复到原来的状态，一定会对外产生无法消除的影响，这就是自然过程的不可逆性。热传递、摩擦生热、气体自由膨胀等是物理学中所讨论的三类典型的单向性过程或不可逆过程，而且这些过程都与________现象密切相关。 答案：方向　热 针对练2.某一部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。那么，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__________(选填“能”或“不能”)达到100%。 答案：Q1－Q2＝W　不能 解析：根据热力学第一定律可得ΔU＝Q－W，其中ΔU＝0，Q＝Q1－Q2，联立可得Q1－Q2＝W。根据热力学第二定律可知，热机的效率不能达到100%。 (2021·山东高考)如图所示，密封的矿泉水瓶中，距瓶口越近水的温度越高。一开口向下、导热良好的小瓶置于矿泉水瓶中，小瓶中封闭一段空气。挤压矿泉水瓶，小瓶下沉到底部；松开后，小瓶缓慢上浮，上浮过程中，小瓶内气体(　　) A．内能减少 B．对外界做正功 C．增加的内能大于吸收的热量 D．增加的内能等于吸收的热量 答案：B 解析：由于越接近矿泉水瓶口，水的温度越高，因此在小瓶上浮的过程中，小瓶内气体温度升高，内能增加，A错误；在小瓶上升的过程中，小瓶内气体的温度逐渐升高，压强逐渐减小，根据理想气体状态方程＝c可知，气体体积增大，对外界做正功，B正确；由A、B项分析可知，小瓶上升时，小瓶内气体内能增加，气体对外做功，根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W可知，吸收的热量大于增加的内能，C、D错误。故选B。 (2020·天津高考)水枪是孩子们喜爱的玩具，常见的气压式水枪储水罐示意如图。从储水罐充气口充入气体，达到一定压强后，关闭充气口。扣动扳机将阀门M打开，水立即从枪口喷出。若在不断喷出的过程中，罐内气体温度始终保持不变，则气体(　　) A．压强变大 B．对外界做功 C．对外界放热 D．分子平均动能变大 答案：B 解析：随着水向外喷出，气体的体积增大，由于温度不变，根据pV＝c可知气体压强减小，A错误；由于气体体积增大，对外界做功，气体温度不变，内能不变，根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W可知，一定从外界吸收热量，B正确，C错误；温度是分子平均动能的标志，由于温度不变，分子的平均动能不变，D错误。故选B。 　人教版选择性必修第三册P65T3 如图所示，在竖直放置的圆柱形容器内用质量为m的活塞密封一部分气体，活塞能无摩擦地滑动，容器的横截面积为S，将整个装置放在大气压恒为p0的空气中，开始时气体的温度为T0，活塞与容器底的距离为h0，当气体从外界吸收热量Q后，活塞缓慢上升d后再次平衡。 (1)外界空气的温度是多少？ (2)在此过程中的密闭气体的内能增加了多少？ 学生用书↓第61页 　人教版选择性必修第三册P65T3，以竖直放置的圆柱形容器中用活塞封闭的气体状态变化为情境，考查了盖吕萨克定律与热力学第一定律的综合应用问题。 近几年的高考也常以气体实验定律、理想气体状态方程与热力学第一定律在生产生活中的综合应用为情境进行命题，例如： (1)2021·山东高考真题以密封的矿泉水瓶中放置的开口向下、导热良好的小瓶(“瓶中瓶”)中封闭的一段空气的状态变化为情境，考查了理想气体状态方程与热力学第一定律的综合应用问题。 (2)2020·天津高考真题以气压式水枪储水罐中充入的气体的状态变化为情境，考查了玻意耳定律与热力学第一定律的综合应用问题。 针对练1.如图所示，一竖直放置的气缸上端开口，气缸壁内有卡口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；活塞和气缸壁均绝热，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气缸中的气体，直至活塞刚好到达b处。求此时气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) 答案：T0　(p0S＋mg)h 解析：开始时活塞位于a处，加热后，气缸中的气体先经历等容过程，直至活塞开始运动。设此时气缸中气体的温度为T1，压强为p1，根据查理定律有 ＝ 根据力的平衡条件有p1S＝p0S＋mg 联立可得T1＝T0 此后，气缸中的气体经历等压过程，直至活塞刚好到达b处，设此时气缸中气体的温度为T2。活塞位于a处和b处时气体的体积分别为V1和V2，根据盖­吕萨克定律有＝ 式中V1＝SH，V2＝S(H＋h) 联立解得T2＝T0 从开始加热到活塞到达b处的过程中，气缸中的气体对外做的功为W＝p1Sh＝(p0S＋mg)h。 针对练2.如图甲所示，一横截面积S＝10 cm2的活塞将一定质量的理想气体封闭在气缸内，不计活塞与气缸间的摩擦。如图乙是气体从状态A变化到状态B的V­T图像。已知AB的反向延长线通过坐标原点，气体在A状态的压强为p＝1.5×105 Pa，在从状态A变化到状态B的过程中，气体吸收的热量Q＝7.0×102 J，大气压强p0＝1.0×105 Pa，重力加速度g＝10 m/s2。求活塞的质量m与此过程中气体内能的增加量ΔU。 答案：5 kg　400 J 解析：状态A时，对活塞受力分析可得pS＝mg＋p0S 代入数据解得m＝5 kg 在从状态A变化到状态B的过程中，发生的是等压变化，由盖­吕萨克定律可得＝ 代入数据解得VB＝8.0×10－3 m 外界对气体做功W＝－p(VB－VA)＝－300 J 则内能的增量ΔU＝Q＋W＝400 J。 1.如图所示的甲、乙两幅图像分别表示两分子间作用力F、分子势能Ep与两分子间距离r的关系图像，假定两个分子的距离为无穷远时它们的分子势能为0。下列正确的是(　　) A．当分子间距r＝r0时，分子间作用力最大 B．当分子间距r＝r0时，分子势能最大 C．当分子间距r>r0时，随着r的增大，F减小，Ep增大 D．当分子间距r<r0时，随着r的减小，F增大，Ep增大 答案：D 解析：由题图可知，当分子间距r＝r0时，分子力和分子势能均最小，故A、B错误；当分子间距r>r0时，随着r的增大，F先增大后减小，Ep一直增大，故C错误；当分子间距r<r0时，随着r的减小，F增大，Ep增大，故D正确。故选D。 学生用书↓第62页 [易错分析]　本题易错点是分子间距r＝r0时，分子势能最小。理解分子力做功与分子势能之间的关系是解决本题的关键。 2.(多选)自热锅内有一个发热包，遇水发生化学反应而产生大量热能，不需要明火，温度可超过100 ℃，能在15分钟内迅速加热食品。自热锅的盖子上有一个透气孔，如果透气孔堵塞，容易造成小型爆炸。对于这种现象，下列说法正确的是(　　) A．自热锅爆炸前，锅内气体温度升高 B．自热锅爆炸前，锅内气体内能增加 C．自热锅爆炸时，锅内气体温度降低 D．自热锅爆炸时，锅内气体内能增加 答案：ABC 解析：自热锅内有一个发热包，遇水发生化学反应而产生大量热能，可知自热锅爆炸前，锅内气体温度升高，锅内气体内能增加，A、B正确；自热锅爆炸时，由于时间极短，锅内气体对外做功，且来不及与外界发生热传递，根据热力学第一定律可知，锅内气体内能减小，锅内气体温度降低，C正确，D错误。故选ABC。 [易错分析]　本题易错点是自热锅爆炸前类似于等容变化，爆炸时气体对外做功，忽略爆炸瞬间的热交换。通过气体体积变化判断做功情况，根据温度判断内能变化情况。 3.(2023·广东广州高二期末)某些汽车的发动机采用了“阿特金森循环”技术，可简化成发动机内部一定质量的理想气体经历了如图a→b→c→d→a的循环，此过程中燃料与空气混合燃烧，产生大量高温高压气体而膨胀，通过机械装置对外做功。其中a→b和c→d过程可认为是绝热过程。下列说法正确的是(　　) A．b→c过程，外界对气体做正功，气体内能增大 B．b→c过程，外界对气体不做功，气体内能增大 C．a→b过程，气体对外界不做功，气体内能增大 D．c→d过程，气体对外界做正功，气体内能不变 答案：B 解析：b→c过程气体体积不变，气体对外界不做功，由理想气体状态方程可知压强增大时，温度升高，则内能增大，故A错误，B正确；a→b过程气体体积减小，气体对外界做负功，即W＞0；由题意可知a→b过程为绝热过程，即Q＝0，由热力学第一定律ΔU＝Q＋W可知气体内能增大，故C错误；c→d过程，气体体积增大，气体对外界做正功，W＜0；c→d过程为绝热过程，即Q＝0，由热力学第一定律ΔU＝Q＋W可知气体内能减小，故D错误。 [易错分析]　本题的易错点是根据图像获取气体的状态信息。熟练掌握理想气体状态方程和热力学第一定律是解决本题的关键。 4.如图是小魔术“浮沉子”的模型。在密封的矿泉水瓶中，一开口向下、导热良好的小瓶置于矿泉水瓶中，小瓶中封闭一段空气，可看作理想气体。现用手挤压矿泉水瓶，小瓶下沉到底部；松开矿泉水瓶后，小瓶缓慢上浮，上浮过程中小瓶内气体温度保持不变，忽略气体分子个数变化，则上浮过程中小瓶内气体(　　) A．体积不变，内能不变 B．体积不变，压强不变 C．对外界做正功，并放出热量 D．体积增大，对外界做正功 答案：D 解析：上浮过程中小瓶内气体温度不变，压强逐渐减小，根据pV＝c，可知气体体积变大，气体对外界做正功，而温度不变，内能不变，根据热力学第一定律 ΔU＝Q＋W，其中ΔU＝0，W<0，可知Q>0，即瓶内气体从外界吸热。故选D。 [易错分析]　本题易错点是小瓶上浮过程中深度变小，所以压强变小。解决本题的关键是熟练掌握理想气体状态方程和热力学第一定律。 5．(多选)关于热力学定律，下列说法正确的是(　　) A．一个物体的内能增加，必定有其他物体对它做功或向它传递热量 B．热量不可能自发地从低温物体传递到高温物体 C．一定质量的理想气体温度升高，内能一定增大 D．一定质量的理想气体温度不变，体积增大，气体可能放出热量 答案：ABC 解析：根据热力学第一定律有ΔU＝Q＋W，可知一个物体的内能增加，必定有其他物体对它做功或向它传递热量，故A正确；根据热力学第二定律可知，热量不可能自发地从低温物体传递到高温物体，故B正确；对于理想气体，分子之间的作用力忽略不计，分子势能为0，内能由温度决定，即一定质量的理想气体温度升高，内能一定增大，故C正确；一定质量的理想气体温度不变，则内能不变，体积增大时，气体对外界做功，根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W可知，气体一定从外界吸收热量，故D错误。故选ABC。 [易错分析]　本题易错点是理解能量转化的方向性。解决本题的关键是理解热力学第一定律和热力学第二定律。 学科网（北京）股份有限公司 $$