第3章 3.能量守恒定律 4.热力学第二定律-【勤径学升】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册同步练测（人教版2019）

第三章热力学定律。 3.能量守恒定律 4.热力学第二定律 学习目标 1,了解能量守恒定律，会用能量守恒的观点分析、解决有关问题。 2.知道第一类永动机是不可能制成的。 3.知道传热的方向性及任何热现象的宏观过程都是不可逆的。 4.了解热力学第二定律，运用热力学第二定律解决一些实际问题。 5.认识能源和环境与人类生存的关系 自主学习探新知 谦前预习双基落实 一、能量守恒定律 四、热力学第二定律的开尔文表述 1.内容：能量既不会凭空产生，也不会凭空消 1.开尔文表述：不可能从单一热库吸收热量， 失，它只能从一种形式 为其他形 使之 ,而不产生其他影响。（该 式，或者从一个物体 到别的物体， 表述阐述了机械能与内能转化的方向性) 在转化或转移的过程中，能量的总量 2.意义：开尔文表述阐述了机械能与内能转化 的方向性。机械能可以全部转化为内能，而 2.意义 内能无法全部用来做功以转化成机械能。 (1)各种形式的能可以 五、能源是有限的 (2)各种物理现象可以用 能源的使用过程中虽然能的总量保持守恒， 联系在一起。 但能量的品质下降了，虽然能量总量不会减 二、永动机不可能制成 少，但有些能量变成了不可再用的能量。能 永动机的思想违背了能量守恒，所以是不可 源会逐步减少，因此能源是有限的资源。 能制成的。 三、热力学第二定律的克劳修斯表述 《自我诊断 1.热传导的方向性 1.判断下列说法的正误（正确的画“√”，错误 一切与热现象有关的宏观自然过程都是 的画“X”)。 (1)违背能量守恒定律的过程是不可能发 2.热力学第二定律的克劳修斯表述 生的。 () 德国物理学家克劳修斯在1850年提出：热量 (2)一切与热现象有关的宏观自然过程都是 不能自发地从 物体传到 不可逆的。 物体。热力学第二定律的克劳修斯表述，阐 (3)热量不会从低温物体传给高温物体。 述的是传热的 53 ◆高中物理·选择性必修第三册（人载版】 (4)机械能可以完全转化为内能。()：2.热量总是自发地从高温物体传递给低温物 (5)内能不可能完全转化为机械能。( 体，这说明热传递过程具有 。冰箱 工作时，能把冰箱内的热量传递到冰箱外， (6)可以从单一热库吸收热量，使之完全变 这 (选填“违反”或“不违反”)热力 为功。 学第二定律。 互动探究解疑难 要点归纳重难突玻 要点一 能量守恒定律的理解和应用 问题导引 3.第一类永动机失败的原因分析：如果没有外 (1)使热力学系统内能改变的方式有做功和 界热源供给热量，则有U2一U,=W,就是 热传递。做功的过程是其他形式的能转化 说，如果系统内能减少，即U2<U,W<0, 为内能的过程，热传递是把其他物体的内能 系统对外做功是要以内能减少为代价的。 转移为系统的内能。在能量发生转化或转 若想源源不断地做功，就必须使系统不断回 移时，能量的总量会减少吗？ 到初始状态，在无外界能量供给的情况下是 (2)右图为一种所谓“全自动”的 不可能的。 机械手表，既不需要上发条，也 典例剖析 不用任何电源，却能不停地走下 [例1门（多选）下列对能量守恒定律的认识 去。这是不是一种永动机？如果 中，正确的是 () 不是，维持表针走动的能量是从哪儿来的？ A.某种形式的能量减少，一定存在其他形 式的能量增加 B.某个物体的能量诚少，必然有其他物体 的能量增加 C.不需要任何外界的能量供给而持续对外 口探究升华 做功的机器一一第一类永动机是不可能 1.能量的存在形式及相互转化 制成的 (1)各种运动形式都有对应的能：机械运动 D.石子从空中落下，最后停止在地面上，说 有机械能，分子的热运动有内能，还有电磁 明机械能消失了 能、化学能、原子能等。 针对训练 (2)各种形式的能，通过某种力做功可以相 1.(多选)下列关于第一类永动机的说法正确 互转化。例如，利用电炉取暖或烧水，电能 的是 ( 转化为内能；煤燃烧，化学能转化为内能：列 A.第一类永动机是不消耗任何能量却可源 车刹车后，轮子温度升高，机械能转化为 源不断地对外做功的机器 内能。 B.第一类永动机不能制成的原因是违背了 2.与某种运动形式对应的能是否守恒是有条 热力学第一定律 件的。例如，物体的机械能守恒，必须是只 C.第一类永动机不能制成的原因是技术 有重力或系统内的弹力做功：而能量守恒定 问题 律是没有条件的，它是一切自然现象都遵守 D.第一类永动机不能制成的原因是违背了 的基本规律。 能量守恒定律 54 第三章热力学定律。 要点二 热力学第二定律的理解 问题导引 (4)气体向真空膨胀具有方向性 (1)热传递的方向性能否简单理解为“热量 气体可自发地向真空容器内膨胀，但绝不可 不会从低温物体传给高温物体”？ 能出现气体自发地从容器中流出，使容器内 (2)如图所示是制冷机和热机的工作过程示 变为真空。 意图，通过此图思考以下问题： 2.在热力学第二定律的表述中，“自发地”“不 高湿热炸 高温热炸 产生其他影响”“单一热库”“不可能”的含义 (1)“自发地”是指热量从高温物体“自发地” 传给低温物体的方向性。在传递过程中不 制铃机 热机 会对其他物体产生影响或借助其他物体提 供能量等。 低出热作 低湿热炸 (2)“不产生其他影响”的含义是发生的热力 学宏观过程只在本系统内完成，对周围环境 ①制冷机工作时热量是自发地从低温热库 不产生热力学方向的影响，如吸热、放热、做 传到高温热库吗？ 功等。 ②热机工作时能否将从高温热库吸收的热 (3)“单一热库”：指温度均匀并且恒定不变 量全部用来做功？ 的系统。若一系统各部分温度不相同或者 温度不稳定，则构成机器的工作物质可以在 不同温度的两部分之间工作，从而可以对外 做功。据报道，有些国家已在研究利用海水 温度差来发电。 口探究升华 (4)“不可能”：实际上热机或制冷机系统循 1.自然过程的方向性 环终了时，除了从单一热库吸收热量对外做 (1)热传导具有方向性 功，以及热量从低温热库传到高温热库以 两个温度不同的物体相互接触时，热量会自 外，过程所产生的其他一切影响，用任何办 发地从高温物体传给低温物体，而低温物体 法都不可能加以消除。 不可能自发地将热量传给高温物体，要实现 川规律方法川 低温物体向高温物体传递热量，必须借助外 (1)热力学第二定律的两种表述是等效的。 界的帮助，因而产生其他影响或引起其他 (2)热力学第二定律的实质：热力学第二定律的 每一种表述，都褐示了大量分子参与去观过程的方向 变化。 性，使人们认识到自然界中近行的涉及热现象的宏观 (2)气体的扩散现象具有方向性 过程都具有方向性 两种不同的气体可以自发地进入对方，最后 成为均匀的混合气体，但这种均匀的混合气 典例剖析 体，绝不会自发地分开，成为两种不同的 [例2]（多选）根据热力学第二定律分析，下 气体。 列说法中正确的是 () (3)机械能和内能的转化过程具有方向性 A.热量能够从高温物体传到低温物体，但 物体在水平面上运动，因摩擦而逐渐停止下 不能从低温物体传到高温物体 来，但绝不可能出现物体吸收原来传递出去 B.热量能够从高温物体传到低温物体，也 的热量后，在地面上重新运动起来。 可以从低温物体传到高温物体 55 ◆高中物理·选择性必修第三册（人载版】 C.机械能可以全部转化为内能，但变化的 针对训练 内能不可以全部转化为机械能 2.在热学中，下列说法正确的是 () D.机械能可以全部转化为内能，变化的内 A.第一类永动机不可制成是由于它违背了 能也可以全部转化为机械能 能量守恒定律 川总结提升川 B.第二类永动机不可制成是由于它违背了 (1)一切物理过程均遵守能量守恒定律，但道守 能量守恒定律的物理过程不一定均能实现。 能量守恒定律 (2)热力学第二定律的两种表述分别对应着一种 C.热力学第二定律告诉我们机械能可以转 “不可能”，但都有一个前提条件“自发地”或“不产生其 他影响”，如果去撑这种前提条件，就都是有可能的， 化为内能而内能不能转化为机械能 例如电冰箱的作用就是使热最从低温物体传到高温 D.热量只能从高温物体传向低温物体，而 物体，等温膨胀就是从单一热库吸收热量，使之完全 用来赁功，但不是自发地成是产生了其他影响。 不能从低温物体传向高温物体 要点三 能源的开发和利用 口问题导引 续表 (1)流动的水带动水磨做功，由于磨盘和粮 太阳能、风能、 焦炭、木炭、蒸汽、 食之间的摩擦和挤压，使磨盘和粮食的温度 举例 地热能、核能、 液化气、酒精、汽 潮沙能 油、电能 升高，水流的一部分机械能转变成了内能。 这些内能最终流散到周围的环境中，我们没 2.能源开发和利用 有办法把这些流散的内能重新收集起来加 加强新能源特别是清洁能源的开发和利用， 以利用，可见，内能与机械能相比，哪种能量 控制化石能源开采，提高能源的利用率，降 的品质低？ 低对环境的污染。 (2)如图所示是两幅宣传节约能源的图片。 典例剖析 请问：既然能量是守恒的，我们为什么还要 [例3]关于能源的开发和节约，你认为下列 节约能源？ 哪些观点是错误的 ( A.常规能源是有限的，无节制地利用常规 样销A每 能源，如石油之类，是一种盲目的短期 行为 节约水电粮食 请节约用电 B.根据能量守恒定律，担心能源枯竭是一 珍惜能源点滴 省一点能源，多一点资源 种杞人忧天的表现 C.能源的开发和利用，必须要同时考虑其 对环境的影响 D.通过核聚变和平利用核能是目前开发新 口探究升华 能源的一种新途径 1.能源的分类 川规律方法川 能源分类方法 按形成或转换特点 能量与能源的区别 (1)能量是守恒的，既不会增加也不会减少 能源分类 一次能源 二次能源 (2)能源是能够提供可利用能量的物质， (3)能量耗散，能量总是不变，但能景品质会下降 特点 自然形成，未经 由一次能源经过 加工 加工转换而成 即能源减少，故我们要节约能源 56 第三章热力学定律 针对训练 C.能量耗散说明能量不能凭空产生，但可 3.(多选)下列对能量耗散的理解中，正确的是 以凭空消失 ( D.能量耗散从能量角度反映出自然界的宏 A.能量耗散说明能量在不断减少 观过程具有方向性 B.能量耗散遵守能量守恒定律 随堂巩固促应用 验证及馈迁移运用 1.(能源的开发和利用)（多选）关于能源的开 B.汽车的动能和势能相互转化 发和利用，下列观点正确的是 () C.机械能逐渐转化为内能，总能量逐渐减少 A.无节制地利用能源，是一种盲目的短期 D.机械能逐渐转化为内能，总能量不变 行为 3.(热力学第二定律)（多选）根据热力学第二 B.根据能量守恒定律，能源是取之不尽、用 定律，下列判断正确的有 () 之不竭的 A.热机中燃气的内能不可能全部变成机械能 C.能源的开发和利用，必须同时加强对环 B.电流的能不可能全部变成内能 境的保护 C.在火力发电机中，燃气的内能不可能全 D.不断开发新能源，是缓解能源危机的主 部变成电能 要途径 D.在热传导中，热量不可能自发地从低温 2.(能量守恒定律)汽车关闭发动机后恰能沿 物体传递给高温物体 斜坡匀速运动，在这一过程中 提宗请完成《素能提升训练》训练十 A.汽车的机械能守恒 章末优化提升 巴网络构建 功和内能：在绝热情况下，功是内能变化的量度 内能 热量和内能：只发生热传递时，热量是内能变化的量度 做功和热传递在改变内能上是等价的 内容：一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的热 势 量与外界对它所做的功的和 学热力学第一定律表达式：△U=W+Q 律 能量守恒定律 第一类永动机不能制成的原因：违背能量守恒定律 克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传到高温物体 热力学第二定律开尔文表述：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 67[针对训练] 1.BC“绝热容器”说明与外界没有热交换，压缩气体，外 界对气体做功，内能增加，故 A错误，B正确；对理想气 体而言，内能增加温度升高，由气体压强的定义知，其压 强必变大，故C正确，D错误。 要点： [问题导引] 提示(1)说明做功和热传递都能改变物体的内能。 (2)①三种方式都是热量从一个物体传递到另外一个物 体。②热传递是内能在物体间(或一个物体的不同部 分)转移，做功是其他形式的能和内能之间的转化。 [典例剖析] [例2] AD 做功和传热改变物体内能的本质不同， 因为做功的过程是不同形式的能相互转化的过程，而传 热是同种形式的能量(内能)在不同的物体之间或物体 不同的部分之间传递或转移，A正确；物体内能的变化 取决于做功和传热两种途径，单就一个方面的改变不足 以断定其内能的变化情况，B、C错误，D正确。 [针对训练] 2.D 内能是物体内所有分子动能和势能的总和，宏观 上看，其大小取决于物体的温度、体积、物质的量，温 度高只能说明其分子的平均动能大，因为物质的量 不一定相同，所以并不能说明它的分子总动能大，更 不能说明它的内能大，A错误；热量是一个过程量， 说哪个物体具有热量是毫无意义的，且温度高内能 也不一定大，B错误；热传递的目的是传递内能，但是 物体之间发生热传递的条件并不是内能不相等，而 是温度不同，热传递的最终结果也不是内能相等，而 是温度相同，C错误；热量是热传递过程中内能转移 的量度，是一个过程量，D正确。 【随堂巩固促应用】 1.D 绝热情况下，外界对系统做功，系统的内能增加，且 内能的增加量等于外界对它做的功，故D正确。 2.BD 在外界不做功的情况下，内能的改变量等于传递 的热量，内能增加50 J,一定是吸收了50 J的热量，故 A 错误，B正确；物体内能包括所有分子的动能和势能，内 能由分子数、分子平均动能、分子势能共同决定，所以内 能增加了50J并不一定是分子动能增加了50 J,物体分 子的平均动能有可能不变，这时吸收的50J热量全部用 来增加分子势能，故C错误，D正确。 3.D 热量是物体间进行传热时内能的转移，不能说物体 含有多少热量，故 A错误；物体的内能越大，温度不一 定越高，故 B错误；由于做功和传热都可引起物体内能 的变化，只根据做功无法准确判断物体内能的变化，故 C错误；物体间发生传热的条件是存在温度差，故 D 正确。 2.热力学第一定律 【自主学习探新知】 一、热传递 等价的 二、1.热量 所做的功 2.Q+W 自我诊断 1.(1)×(2)×(3)√ (4)× 2.AB 当气体绝热时，有Q=0,而膨胀时，有W<0,由热 力学第一定律△U=Q+W,可得△U<0,即气体的内能 减小，故 A正确；气体在真空中膨胀时因没有对外做功 的对象，有W=0,而绝热过程Q=0,由△U=Q+W,可 知△U=0,则气体的内能不变，故 B正确；气体吸收热 量时 Q>0,但不清楚做功情况，则无法判断内能的变化 情况，故C错误；外界对气体做功，W>0,而不知道热传 递的情况，则不清楚内能的变化情况，故D错误。 【互动探究解疑难】 要点——[问题导引] 提示(1)由题图可知，气体的变化为等压膨胀，一定是 气体对外做功。 (2)由日常经验可知，理想气体在等压膨胀过程中需要 从外界吸收热量，由盖-吕萨克定律可知，理想气体在等 压膨胀过程中温度升高，内能一定增加。 [典例剖析] [例] [解析] (1)气体从外界吸热，故 Q=4.2× 10?J, 气体对外做功，故W=-6×10?J, 由热力学第一定律有 △U=W+Q=(-6×10?J)+ (4.2×10?J)=-1.8×10?J。 △U为负，说明气体的内能减少了。所以，气体内能减 少了1.8×10?J。 (2)因为气体对外做功，所以气体的体积膨胀，分子间的 距离增大了，分子力做负功，气体分子势能增加。 (3)因为气体内能减少，同时气体分子势能增加，说明气 体分子的平均动能一定减少。 [答案](1)减少 1.8×10?J(2)增加 (3)减少 [针对训练] C 根据热力学第一定律 △U=W+Q,物体内能的变化 与外界对物体做功(或物体对外界做功)、物体从外界吸 热(或向外界放热)这两种情况有关，物体吸收热量，但 有可能同时对外界做功，所以内能有可能不变甚至减 小，故 A错误；同理，物体对外界做功的同时有可能吸 热，所以内能不一定减小，故B错误；若物体吸收的热量 与对外做功相等，则内能不变，故C正确；因放热和对外 做功都会使物体内能减小，所以内能减小，故D错误。 【随堂巩固促应用】 1.ABD 当物体吸收的热量多于物体对外做的功时，物体的 内能就增加，A正确；当物体吸收的热量少于物体对外做 的功时，物体的内能就减少，B正确；外界对物体做功，同时 物体吸热，则物体的内能必增加，C错误；当物体放出的热 量少于外界对物体做的功时，物体的内能增加，D正确。 2.B 外界对气体做功 8.0×10?J,记为W=8.0×10?J, 气体内能减少 1.2×10?J,记为△U=-1.2×10?J,根 据热力学第一定律得，Q=△U-W=-1.2×10?J一 8.0×10?J=—2.0×10°J,即它向外传递的热量为2.0× 10?J,B正确。 3.BC 由V-T 图像知，从 A到B的过程中，气体被等温 压缩，外界对气体做正功，气体的内能不变，由热力学第 一定律知，气体放出热量，故 A错误，B正确；从 B到C 的过程中气体做等压变化，温度降低，气体内能减少，故 C正确，D错误。 3.能量守恒定律 4.热力学第二定律 【自主学习探新知】 一、1.转化 转移 保持不变 2.(1)相互转化(2)能量守恒定律 三、1.不可逆的 2.低温 高温 方向性 四、1.完全变成功 自我诊断 1.(1)√ (2)√ (3)× (4)√ (5)× (6)√ 9 2.方向性 不违反 【互动探究解疑难】 要点———[问题导引] 提示(1)能量的总量不会减少。 (2)这不是永动机，手表戴在手腕上，通过手臂的运动， 机械手表获得能量，供手表指针走动，若将此手表长时 间放置不动，它就会停下来。 [典例剖析] [例1] ABC A选项是指不同形式的能量间的转化， 转化过程中能量是守恒的；B选项是指能量在不同的物 体间发生转移，转移过程中能量是守恒的。这正好是能 量守恒定律的两个方面———转化与转移。第一类永动 机是不可能制成的，它违背了能量守恒定律，所以 A、B、 C正确；D选项中机械能可能减少，但机械能并没有消 失，能量守恒定律表明能量既不能创生，也不能消失，故 D错误。 [针对训练] 1.AD 第一类永动机是不消耗任何能量却能源源不断地 对外做功的机器，这是人们的美好愿望，但它违背了能 量守恒定律，这也是它不能制成的原因。 要点二 [问题导引] 提示(1)不能，两个温度不同的物体相互接触时，热量 会自发地从高温物体传给低温物体，使高温物体的温度 降低，低温物体的温度升高，这个过程是自发进行的，不 需要任何外界的影响或者帮助。有时我们也能实现热 量从低温物体传给高温物体，如电冰箱，但这不是自发 地进行的，需要消耗电能。 (2)①不是；②不能。 [典例剖析] [例2] BD 根据传热的规律可知，热量可以自发地从 高温物体传到低温物体，但不能自发地(不需要外界帮 助)从低温物体传到高温物体，但是如果借助外界的帮 助，热量可以从低温物体传到高温物体，故 A错误，B正 确；机械能可以全部转化为内能(如一个运动物体克服 摩擦力做功且最终停止运动时，机械能全部转化为内 能),在一定条件下，变化的内能也可以全部转化为机械 能，如理想气体在等温膨胀过程中，将吸收来的热量全 部用来做功，故C错误，D正确。 [针对训练] 2.A 不消耗能量而不断对外做功的第一类永动机是不 可能制成的，因为它违背了能量守恒定律，故 A正确； 从单一热库吸收热量而对外做功的第二类永动机不违 反能量守恒定律，但违反了热力学第二定律，故 B错误； 热力学第二定律告诉我们机械能可以转化为内能，而内 能在“一定的条件下”也能转化为机械能，故C错误；热 量能从高温物体传向低温物体，在“一定的条件下”也能 从低温物体传向高温物体，故 D错误。 要点三——[问题导引] 提示(1)内能。 (2)能量是守恒的，但能量耗散却导致能量品质的降低， 在利用它们的时候，高品质的能量释放出来并最终转化 为低品质的能量。 [典例剖析] [例3] B 能量虽然守恒，但能量耗散导致能量的品 质降低即不可再利用，也往往对环境产生破坏，从而应 开发新型的清洁型的能源，故 B错误。 [针对训练] 3.BD 在发生能量转化的宏观过程中，其他形式的能量 最终转化为流散到周围环境的内能，无法再回收利用， 这种现象叫作能量耗散，能量耗散并不违反能量守恒定 律，宇宙中的能量既没有减少，也没有消失，它从能量角 度反映出自然界的宏观过程具有方向性，故 A、C错误， B、D正确。 【随堂巩固促应用】 1.ACD 能源是有限的，必须合理利用能源，A正确；尽管 能量守恒，但使用过程中会有能量耗散，常规能源并不 是取之不尽，用之不竭的，B错误；能源利用推动人类进 步的同时会破坏人类生存的环境，必须加强环境保护， C正确；开发新能源可以缓解常规能源的不足，D正确。 2.D 汽车在关闭发动机后能匀速运动，说明汽车和斜坡 之间一定有摩擦力作用，所以汽车的机械能不守恒，一 部分机械能转化为内能，但能的总量保持不变，故选D。 3.ACD 凡是与热现象有关的宏观热现象都具有方向性。 无论采用任何设备和手段进行能量转化，总是遵循“机 械能可全部转化为内能，而内能不能全部转化为机械 能”,故 A正确；由电流热效应中的焦耳定律可知，电流 的能可以全部转化为内能，故 B错误；火力发电机发电 时，能量转化的过程为内能→机械能→电能，因为内能 →机械能的转化过程中会对外放出热量，故燃气的内能 必然不能全部变为电能，故C正确；热量从低温物体传 递到高温物体不能自发进行，必须借助外界的帮助，会 带来其他影响，这正是热力学第二定律第一种表述的主 要思想，故D正确。 第四章 原子结构和波粒二象性 1.普朗克黑体辐射理论 【自主学习探新知】 一、1.(1)完全吸收 反射 (3)温度 2.(1)增加(2)较短 二、1.整数倍 能量子 2.hv 普朗克常量 3.量子化 分立 自我诊断 1.(1)×(2)√ (3)√ (4)× (5)√ (6)√ 2.B 能100?吸收入射到其表面的电磁辐射，这样的 物体称为黑体，故 A正确；温度越高，一般物体辐射越 强，所以一般物体辐射电磁波的强度按波长的分布与温 度有关，故 B错误；温度越高，则黑体辐射越强，且辐射 强度的极大值向波长较短的方向移动，故C正确；普朗 克通过研究黑体辐射提出能量子的概念，带电微粒辐射 和吸收的能量，只能是某一最小能量值的整数倍，故 D 正确。本题选错误的，故选B。 【互动探究解疑难】 要点———[问题导引] 提示 变强；辐射强度极大值向波长较短的方向移动， 即变短。 [典例剖析] [例1] D 不同温度的物体向外辐射电磁波的波长范 围是不同的，温度越高向外辐射的电磁波中波长短的波 越多，所以T?>T?,故 A错误；由图像可知，同一温度 下，辐射强度最大的电磁波波长不是最大的，也不是最 小的，而是处在最大与最小波长之间，故 B错误；由图像 可知，黑体的辐射强度随着温度的升高而增大，故C错 误；由图像可知，随着温度的升高，相同波长的光辐射强 度都会增大，同时最大辐射强度向左侧移动，即向波长 较短的方向移动，故 D正确。 10