高中物理選修3-3知識復習提綱：第十章 熱力學定律(人教版)

高中物理選修3-3知識點總結：第十章熱力學定律（人教版）

冷熱變化是最常見的一種物理現(xiàn)象，本章主要將的就是熱力學的有關問題，其中熱力學的第一和第二定律是比較重要得，對于能量守恒定律必須要深刻的理解。

考試的要求：

Ⅰ、對所學知識要知道其含義，并能在有關的問題中識別并直接運用，相當于課程標準中的“了解”和“認識”。

Ⅱ、能夠理解所學知識的確切含義以及和其他知識的聯(lián)系，能夠解釋，在實際問題的分析、綜合、推理、和判斷等過程中加以運用，相當于課程標準的“理解”，“應用”。

要求Ⅰ：熱力學第一定律、能量守恒定律、熱力學第二定律、熱力學第二定律的微觀結構等內容。

要求Ⅱ：這一章這項要求考察比較少。知識網(wǎng)絡：

內容詳解：一、

功、熱與內能

●絕熱過程：不從外界吸熱，也不向外界傳熱的熱力學過程稱為絕熱過程。

●內能：內能是物體或若干物體構成的系統(tǒng)內部一切微觀粒子的一切運動形式所具有的能量的總和，用字母U表示。

●熱傳遞：兩個溫度不同的物體相互接觸時溫度高的物體要降溫，溫度低的物體要升溫，這個過程稱之為熱傳遞。

●熱傳遞的方式：熱傳導、對流熱、熱輻射。二、

熱力學第一定律、第二定律●第一定律表述：一個熱力學系統(tǒng)的內能增量等于外界向它傳遞的熱量與外界對它所作的功的和。

表達式uWQ

符號+-W外界對系統(tǒng)做功系統(tǒng)對外界做功Q系統(tǒng)從外界吸熱系統(tǒng)向外界放熱u系統(tǒng)內能增加系統(tǒng)內能減少●第二定律的表述：一種表述：熱量不能自發(fā)的從低溫物體傳到高溫物體。另一種表述：（開爾文表述）不可能從單一熱庫吸收熱量，將其全部用來轉化成功，而不引起其他的影響。

●應用熱力學第一定律解題的思路與步驟：

一、明確研究對象是哪個物體或者是哪個熱力學系統(tǒng)。

二、別列出物體或系統(tǒng)(吸收或放出的熱量)外界對物體或系統(tǒng)。

三、據(jù)熱力學第一定律列出方程進行求解，應用熱力學第一定律計算時，要依照符號法則代入數(shù)據(jù)，對結果的正負也同樣依照規(guī)則來解釋其意義。

四、幾種特殊情況：

若過程是絕熱的，即Q=0，則：W=ΔU，外界對物體做的功等于物體內能的增加。若過程中不做功，即W=0，則：Q=ΔU，物體吸收的熱量等于物體內能的增加。若過程的始末狀態(tài)物體的內能不變，即ΔU=0，則:W+Q=0,外界對物體做的功等于物體放出的熱量。

對熱力學第一定律的理解：

熱力學第一定律不僅反映了做功和熱傳遞這兩種改變內能的方式是等效的，而且給出了內能的變化量和做功與熱傳遞之間的定量關系，此定律是標量式，應用時熱量的單位應統(tǒng)一為國際單位制中的焦耳。

對熱力學第二定律的理解:

①在熱力學第二定律的表述中,自發(fā)和不產(chǎn)生其他影響的涵義，自發(fā)是指熱量從高溫物體自發(fā)地傳給低溫物體的方向性，在傳遞過程中不會對其他物體產(chǎn)生影響或需要借助其他物體提供能量等的幫助。不產(chǎn)生其他影響的涵義是使熱量從低溫物體傳遞到高溫物體或從單一熱源吸收熱量全部用來做功，必須通過第三者的幫助，這里的幫助是指提供能量等，否則是不可能實現(xiàn)的。

②熱力學第二定律的實質熱力學第二定律的每一種表述，揭示了大量分子參與宏觀過程的方向性，使人們認識到自然界中進行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性。

對能量守恒定律的理解：

③在自然界中不同的能量形式與不同的運動形式相對應，如物體做機械運動具有機械能，分子運動具有內能等等。

④某種形式的能減少，一定有其他形式的能增加，且減少量和增加量一定相等。③某個物體的能量減少，一定存在其他物體的能量增加，且減少量和增加量一定相等。三、能量守恒定律

●能量既不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失，它只能從一種形式轉化為另一種形式，或者從一個物體轉移到另一物體，在轉化和轉移的過程中其總量不變

●第一類永動機不可制成是因為其違背了熱力學第一定律

●第二類永動機不可制成是因為其違背了熱力學第二定律（一切自然過程總是沿著分子熱運動的無序性增大的方向進行）

●熵：是分子熱運動無序程度的定量量度，在絕熱過程或孤立系統(tǒng)中，熵是增加的。①熵是反映系統(tǒng)無序程度的物理量，正如溫度反映物體內分子平均動能大小一樣。②系統(tǒng)越混亂，無序程度越大，就稱這個系統(tǒng)的熵越大。系統(tǒng)自發(fā)變化時，總是向著無序程度增加的方向發(fā)展，至少無序程度不會減少，也就是說，系統(tǒng)自發(fā)變化時，總是由熱力學概率小的狀態(tài)向熱力學概率大的狀態(tài)進行。從熵的意義上說，系統(tǒng)自發(fā)變化時總是向著熵增加的方向發(fā)展，不會使熵減少。

③任何宏觀物質系統(tǒng)都有一定量的熵，熵也可以在系統(tǒng)的變化過程中產(chǎn)生或傳遞。④一切自然過程的發(fā)生和發(fā)展中，總熵必定不會減少。

●能量耗散：系統(tǒng)的內能流散到周圍的環(huán)境中，沒有辦法把這些內能收集起來加以利用。四、能源和可持續(xù)發(fā)展：

●能源的重要性：能源是社會存在與發(fā)展永遠不可或缺的必需品，是國民經(jīng)濟運動的物質基礎，它與材料、信息構成現(xiàn)代社會的三大支柱。

●化石能源：人們把煤、石油叫做化石能源。

●生物質能：生物質能指綠色植物通過光合作用儲存在生物體內的太陽能，儲存形式是生物分子的化學能。

●風能：為了增加風力發(fā)電的功率，通常把很多風車建在一起，我國的新疆、內蒙古等地已經(jīng)開始大規(guī)模利用風力發(fā)電。

●水能：水是可再生的，水電對環(huán)境的影響小，發(fā)電成本低。幾個概念的區(qū)別：一、熱量和內能：

內能是由系統(tǒng)的狀態(tài)決定的，狀態(tài)確定，系統(tǒng)的內能也隨之確定，要使系統(tǒng)的內能發(fā)生變化，可以通過熱傳遞或做功兩種方式來完成，而熱量是熱傳遞過程中的特征物理量，和功一樣，熱量只是反映物體在狀態(tài)變化過程中所遷移的能量，是用來衡量物體內能變化的，有過程，才有變化，離開過程，毫無意義，就某一狀態(tài)而言，只有內能，根本不存在什么熱量和，因此，不能說一個系統(tǒng)中含有多少熱量或多少功。

二、熱量和溫度：

熱量是系統(tǒng)的內能變化的量度，而溫度是系統(tǒng)內部大量分子做無規(guī)則運動的激烈程度的標志，雖然熱傳遞的前提是兩個系統(tǒng)之間要有溫度差，但是傳遞的是能量，不是溫度，熱傳遞不僅可以使系統(tǒng)溫度發(fā)生變化，還可以使物質狀態(tài)發(fā)生變化，在物質狀態(tài)變化中，傳遞給系統(tǒng)的熱量并沒有使系統(tǒng)的溫度發(fā)生變化，因此不能說系統(tǒng)吸收熱量多，溫度變化一定大，也不能認為系統(tǒng)的溫度高，它放出的熱量一定多，因為放出的熱量，不但和溫度的變化值有關，還和比熱容有關，總之，熱量和溫度之間雖然有一定的聯(lián)系，但它們是完全不同的兩個物理量。

三、熱量和功：

熱量和功，都是系統(tǒng)內能變化的量度，都是過程量，一定量的熱量還與一定量的功相當，但它們之間有著本質的區(qū)別，用做功來改變系統(tǒng)的內能，是系統(tǒng)內分子隨整體的有序運動，轉化為另一系統(tǒng)的分子的無規(guī)則運動的過程，是機械能或其他形式的能和內能之間的轉化過程，用熱傳遞來改變系統(tǒng)的內能，是通過傳導對流和輻射來完成的，它將分子的無規(guī)則運動，從一個系統(tǒng)轉移到另一個系統(tǒng)，這種轉移就是系統(tǒng)間內能轉換的過程。

擴展閱讀：201*高中物理 第十章熱力學定律限時檢測 新人教版選修3-3

第十章限時檢測

本卷分第Ⅰ卷(選擇題)和第Ⅱ卷(非選擇題)兩部分．滿分100分，時間90分鐘．

第Ⅰ卷(選擇題共40分)

一、選擇題(共10小題，每小題4分，共40分，在每小題給出的四個選項中，有的小題只有一個選項符合題目要求，有些小題有多個選項符合題目要求，全部選對的得4分，選不全的得2分，有選錯或不答的得0分)

1．下列說法中正確的是()A．熱傳導的過程是有方向性的

B．第二類永動機不可能制成，因為它違反能量守恒定律

C．第二類永動機不可能制成，因為機械能和內能的轉化過程具有方向性D．熱力學第二定律表明，所有物理過程都具有方向性答案：AC

解析：熱傳導的過程是有方向性的，這個過程可以向一個方向自發(fā)地進行，但是向相反的方向卻不能自發(fā)地進行．要實現(xiàn)向相反方向的過程，必須借助外界的幫助，因而會產(chǎn)生其他影響或引起其他變化，所以A選項正確．第二類永動機并不違反能量守恒定律，但它違反了熱力學第二定律，所以B選項錯，C選項正確．并不是所有的物理過程都具有方向性，所以D選項錯．

2．(201*成都市高二檢測)有關熱現(xiàn)象，下列說法正確的是()A．只要物體吸收了熱量，物體的內能就一定會增大

B．熱傳遞能改變物體的內能，做功卻只能改變物體的運動狀態(tài)C．布朗運動是懸浮在液體中的那一部分分子的無規(guī)則運動

D．質量相同的水、酒精和水銀，若它們的溫度都是15℃，則三者分子的平均動能相同答案：D

3．(201*唐山二中高二下學期期中)關于物體的內能，以下說法中不正確的是()A．物體的內能是指物體內所有分子的動能和勢能之和B．物體不從外界吸收熱量，其內能也可能增加C．外界對物體做功，物體的內能一定增加

D．物體內能的多少，跟物體的溫度和體積都有關系答案：C

解析：根據(jù)物體內能的定義可知A項正確；根據(jù)熱力學第一定律可判B、D正確，C項不正確．

4．熱力學第二定律常見的表述方式有兩種，其一是：不可能使熱量由低溫物體傳遞到

高溫物體而不引起其他變化；其二是：不可能從單一熱源吸收熱量并把它全部用來做功，而不引起其他變化．第一種表述方式可以用如右圖示意圖來表示，根據(jù)你對第二種表述的理解，如果也用類似的示意圖來表示，你認為下列示意圖中正確的是()

答案：B

解析：第二種表述的意思是：熱機吸收熱量，對外做功，同時把熱量傳給低溫物體．5．如圖，一絕熱容器被隔板K隔開成a，b兩部分．已知a內有一定量的稀薄氣體，b內為真空．抽開隔板K后，a內氣體進入b，最終達到平衡狀態(tài)．在此過程中()

A．氣體對外界做功，內能減少B．氣體不做功，內能不變C．氣體壓強變小，溫度降低D．氣體壓強變小，溫度不變答案：BD

解析：因b內為真空，抽開隔板K后，a內氣體對外界不做功，由ΔU＝W＋Q知內能不變，故選項A錯誤．選項B正確．稀薄氣體可看作理想氣體，其內能只與溫度有關，氣體的內能不變，溫度也不變，由p1V1＝p1V2和V1p2，即氣體壓強變小，故選項C錯誤，選項D正確．

6．帶有活塞的汽缸內封閉一定量的理想氣體．氣體開始處于狀態(tài)a，然后經(jīng)過過程ab到達狀態(tài)b或經(jīng)過過程ac到狀態(tài)c，b、c狀態(tài)溫度相同，如V－T圖所示．設氣體在狀態(tài)b和狀態(tài)c的壓強分別為Pb和Pc，在過程ab和ac中吸收的熱量分別為Qab和Qac，則(填入選項前的字母，有填錯的不得分)()

A．Pb>Pc，Qab>QacB．Pb>Pc，QabB．外界對氣體做功，氣體溫度降低C．氣體體積減小，壓強增大，內能一定減小D．外界對氣體做功，氣體內能一定增加答案：BC

解析：由平衡條件知活塞受到的沙桶拉力減小，其他力如重力、大氣壓力不變，則氣體壓強增大、體積減小，外界對氣體做功，由于環(huán)境溫度緩慢降低，則氣體內能減少，由ΔU＝W＋Q知QC．①③答案：D

D．③④

解析：四則信息均為與當今科技發(fā)展前沿相關的信息，但①項違背了熱力學第二定律，即絕對零度不可達到；②項中同步衛(wèi)星只能定點在赤道正上方；③項中光速與介質有關，光在不同介質中傳播速度不相同；④項中敘述符合能量守恒定律而不違背其他物理原理．

第Ⅱ卷(非選擇題共60分)

二、填空題(共4小題，每小題5分，共20分．把答案直接填在橫線上)

11．氫能源是21世紀極具開發(fā)前景的新能源之一，它既是綠色能源，又可循環(huán)使用．請在圖的兩個空框中填上循環(huán)過程中反應物和生成物的分子式，以完成理想的氫能源循環(huán)體系圖(循環(huán)中接收太陽能的物質在自然界中廣泛存在)．從能量轉換的角度看，過程Ⅱ主要是______能轉化為________能．

答案：化學電

12．指出下面例子中各是什么物理過程改變物體內能：

(1)瓶內的高壓氣體將瓶塞沖開，瓶內氣體的溫度降低，____________.(2)子彈打中木塊，木塊和子彈的溫度升高．____________.(3)電流通過電爐絲，其溫度升高．____________.

(4)將燒紅的鐵塊放入冷水中，水的溫度升高．____________.答案：(1)做功(2)做功(3)做功(4)熱傳遞

13．怎樣處理、利用垃圾一直是各個國家、各個城市所關心的環(huán)保問題，杭州在天子嶺建成高科技垃圾發(fā)電廠，使垃圾轉變成可利用的電能成為現(xiàn)實．

據(jù)悉，目前天子嶺垃圾填埋場可填埋垃圾6.0×106m3，據(jù)理論推算1m3垃圾可產(chǎn)生220m3的氣體，1m3氣體可發(fā)電兩度，按這樣的規(guī)模，請你估算天子嶺發(fā)電廠最多能發(fā)電________億度．

答案：26.4

解析：天子嶺發(fā)電廠最多能發(fā)電6.0×106×220×2度＝26.4×108度＝26.4億度．14．(1)空氣壓縮機在一次壓縮過程中，活塞對汽缸中的氣體做功為2.0×105J，同時氣

體的內能增加了1.5×105J.試問：此壓縮過程中，氣體________(填“吸收”或“放出”)的熱量等于________J.

(2)若一定質量的理想氣體分別按下圖所示的三種不同過程變化，其中表示等壓變化的是________(填“A”、“B”或“C”)，該過程中氣體的內能________(填“增加”、“減少”或“不變”)．

(3)設想將1g水均勻分布在地球表面上，估算1cm2的表面上有________個水分子．(已知1mol水的質量為18g，地球的表面積約為5×1014m2，結果保留一位有效數(shù)字)

答案：(1)放出5×104(2)C增加(3)7×103

三、論述計算題(共5小題，40分．解答應寫出必要的文字說明、方程式和重要演算步驟，只寫出最后答案不能得分，有數(shù)值計算的題，答案中必須明確寫出數(shù)值和單位)

15．(7分)我國東部季風區(qū)某新建城市分布如圖所示，城市的四周都有廣闊地帶，現(xiàn)要在城市附近建一座比較大型的火力發(fā)電廠．

(1)請在圖中A、B、C、D、E、F處選一最佳建廠處，說明理由．(2)請你預測此工廠將有哪些方面會對環(huán)境造成污染？

(3)請你用物理、化學、生物等方面的知識設計一個保護環(huán)境、控制污染的方案．答案：(1)應選在D處建廠．原因：①在季風區(qū)工廠應建在位于垂直于盛行風風向的郊外，可盡量減少粉塵，有毒氣體在居民區(qū)的污染．②在河的下游，水源充足．③緊靠鐵路和公路，交通便利．

(2)有廢氣、廢渣和廢水．

(3)①利用該廠的廢渣可在附近建一個礦渣水泥廠或磚廠，變廢為寶．②根據(jù)可產(chǎn)生廢水的情況，在建廠的同時，建一個利用化學分解和生物降解的廢水處理設備．③根據(jù)該廠將產(chǎn)生粉塵和有毒氣體較嚴重的情況，在廠區(qū)里多栽一些如美人蕉、月季、丁香、菊花等能吸收有毒氣體的植物，搞好廠區(qū)綠化保護，在工廠周圍和居民區(qū)之間建立森林防護林帶，盡量選一些生長快能吸收粉塵和有毒氣體的樹種作為綠化的主要品種．

16．(7分)兩人共同拉鋸伐木，每人在180s內拉動60次，每次拉動的距離為75cm，兩人用的力均為20N，做功的40%轉變?yōu)闊崮�，則每秒鐘產(chǎn)生的熱量是多少？若產(chǎn)生熱量的

20%被鋼鋸吸收，則60s后鋼鋸的溫度將升高多少度？[設鋼鋸的比熱容為1.2×102J/(kg℃)，鋼鋸的質量為0.5kg]

答案：4J0.8℃解析：180s兩人做的功

W＝2NFS＝2×60×20×0.75J＝1800J，則每秒產(chǎn)生的熱量Q＝

W

×40%＝4J.180

根據(jù)Q吸＝cmΔt＝60Q20%.60Q20%得Δt＝＝0.8℃.

cm

17．(7分)如圖所示，為一汽缸內封閉的一定質量的氣體的p－V圖線，當該系統(tǒng)從狀態(tài)a沿過程a→c→b到達狀態(tài)b時，有355J的熱量傳入系統(tǒng)，系統(tǒng)對外界做功126J，求：

(1)若沿a→d→b過程，系統(tǒng)對外做功42J，則有多少熱量傳入系統(tǒng)？

(2)若系統(tǒng)由狀態(tài)b沿曲線過程返回狀態(tài)a時，外界對系統(tǒng)做功84J，問系統(tǒng)是吸熱還是放熱？熱量傳遞是多少？

答案：(1)251J(2)放熱293J解析：(1)沿a→c→b過程ΔU＝W＋Q＝(－126＋335)J＝209J.沿a→d→b過程，

ΔU＝W′＋Q′，Q′＝ΔU－W′＝[209－(－42)]J＝251J，即有251J的熱量傳入系統(tǒng)．(2)由b→a，ΔU′＝－209J.ΔU′＝W″＋Q″＝84J＋Q″，Q″＝(－209－84)J＝－293J.負號說明系統(tǒng)放出熱量．

18．(201*江蘇新海中學高二期中)(9分)噴霧器內有10L水，上部封閉有1atm的空氣2L.關閉噴霧閥門，用打氣筒向噴霧器內再充入1atm的空氣3L(設外界環(huán)境溫度一定，空氣可看作理想氣體)．

(1)當水面上方氣體溫度與外界溫度相等時，求氣體壓強，并從微觀上解釋氣體壓強變化的原因．

(2)打開噴霧閥門，噴霧過程中封閉氣體可以看成等溫膨脹，此過程氣體是吸熱還是放熱？簡要說明理由．

答案：(1)2.5atm(2)吸熱

解析：(1)設氣體初態(tài)壓強為p1，體積為V1；末態(tài)壓強為p2，體積為V2，由玻意耳定律p1V1＝p2V2①

代入數(shù)據(jù)得p2＝2.5atm②

微觀解釋：溫度不變，分子平均動能不變，單位體積內分子數(shù)增加，所以壓強增加．(2)吸熱．氣體對外做功而內能不變，根據(jù)熱力學第一定律可知氣體吸熱．

19．(10分)(201*聊城模擬)某同學家新買了一臺雙門電冰箱，冷藏室容積107L，冷凍室容積118L，假設室內空氣為理想氣體．

(1)若室內空氣摩爾體積為22.5×103m3/mol，阿伏加德羅常量為6.0×1023mol1，在家

－－

中關閉冰箱密封門后，電冰箱的冷藏室和冷凍室內大約共有多少個空氣分子？

(2)若室內溫度為27℃，大氣壓為1×105Pa，關閉冰箱密封門通電工作一段時間后，冷藏室溫度降為6℃，冷凍室溫度降為－9℃，此時冷藏室與冷凍室中空氣的壓強差多大？

(3)冰箱工作時把熱量從溫度較低的冰箱內部傳到溫度較高的冰箱外部，請分析說明這是否違背熱力學第二定律．

答案：(1)6.0×1024個(2)5.0×103Pa(3)不違背

V1＋V2(107＋118)×103解析：(1)N＝NA＝×6.0×1023＝6.0×1024個－3Vmol22.5×10

－

(2)設氣體初始溫度為t0，壓強為p0；后來冷藏室與冷凍室中的溫度和壓強分別為t1、p1

和t2、p2，由于兩部分氣體分別做等容變化，根據(jù)查理定律

273＋t1p1273＋t1

＝，p1＝pp0273＋t0273＋t00

273＋t2t1－t2同理：p2＝p0，得Δp＝p1－p2＝p

273＋t0273＋t00代入數(shù)據(jù)得Δp＝5.0×103Pa

(3)不違背熱力學第二定律，因為熱量不是自發(fā)的由低溫向高溫傳遞，電冰箱工作過程

中要消耗電能．

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