高中物理选修3-3知识复习提纲：第十章 热力学定律(人教版)

高中物理选修3-3知识复习提纲：第十章 热力学定律(人教版)

高中物理选修3-3知识点总结：第十章热力学定律（人教版）

冷热变化是最常见的一种物理现象，本章主要将的就是热力学的有关问题，其中热力学的第一和第二定律是比较重要得，对于能量守恒定律必须要深刻的理解。

考试的要求：

Ⅰ、对所学知识要知道其含义，并能在有关的问题中识别并直接运用，相当于课程标准中的“了解”和“认识”。

Ⅱ、能够理解所学知识的确切含义以及和其他知识的联系，能够解释，在实际问题的分析、综合、推理、和判断等过程中加以运用，相当于课程标准的“理解”，“应用”。

要求Ⅰ：热力学第一定律、能量守恒定律、热力学第二定律、热力学第二定律的微观结构等内容。

要求Ⅱ：这一章这项要求考察比较少。知识网络：

内容详解：一、

功、热与内能

●绝热过程：不从外界吸热，也不向外界传热的热力学过程称为绝热过程。

●内能：内能是物体或若干物体构成的系统内部一切微观粒子的一切运动形式所具有的能量的总和，用字母U表示。

●热传递：两个温度不同的物体相互接触时温度高的物体要降温，温度低的物体要升温，这个过程称之为热传递。

●热传递的方式：热传导、对流热、热辐射。二、

热力学第一定律、第二定律●第一定律表述：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作的功的和。

表达式uWQ

符号+-W外界对系统做功系统对外界做功Q系统从外界吸热系统向外界放热u系统内能增加系统内能减少●第二定律的表述：一种表述：热量不能自发的从低温物体传到高温物体。另一种表述：（开尔文表述）不可能从单一热库吸收热量，将其全部用来转化成功，而不引起其他的影响。

●应用热力学第一定律解题的思路与步骤：

一、明确研究对象是哪个物体或者是哪个热力学系统。

二、别列出物体或系统(吸收或放出的热量)外界对物体或系统。

三、据热力学第一定律列出方程进行求解，应用热力学第一定律计算时，要依照符号法则代入数据，对结果的正负也同样依照规则来解释其意义。

四、几种特殊情况：

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。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。若过程的始末状态物体的内能不变，即ΔU=0，则:W+Q=0,外界对物体做的功等于物体放出的热量。

对热力学第一定律的理解：

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方式是等效的，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，应用时热量的单位应统一为国际单位制中的焦耳。

对热力学第二定律的理解:

①在热力学第二定律的表述中,自发和不产生其他影响的涵义，自发是指热量从高温物体自发地传给低温物体的方向性，在传递过程中不会对其他物体产生影响或需要借助其他物体提供能量等的帮助。不产生其他影响的涵义是使热量从低温物体传递到高温物体或从单一热源吸收热量全部用来做功，必须通过第三者的帮助，这里的帮助是指提供能量等，否则是不可能实现的。

②热力学第二定律的实质热力学第二定律的每一种表述，揭示了大量分子参与宏观过程的方向性，使人们认识到自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性。

对能量守恒定律的理解：

③在自然界中不同的能量形式与不同的运动形式相对应，如物体做机械运动具有机械能，分子运动具有内能等等。

④某种形式的能减少，一定有其他形式的能增加，且减少量和增加量一定相等。③某个物体的能量减少，一定存在其他物体的能量增加，且减少量和增加量一定相等。三、能量守恒定律

●能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到另一物体，在转化和转移的过程中其总量不变

●第一类永动机不可制成是因为其违背了热力学第一定律

●第二类永动机不可制成是因为其违背了热力学第二定律（一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行）

●熵：是分子热运动无序程度的定量量度，在绝热过程或孤立系统中，熵是增加的。①熵是反映系统无序程度的物理量，正如温度反映物体内分子平均动能大小一样。②系统越混乱，无序程度越大，就称这个系统的熵越大。系统自发变化时，总是向着无序程度增加的方向发展，至少无序程度不会减少，也就是说，系统自发变化时，总是由热力学概率小的状态向热力学概率大的状态进行。从熵的意义上说，系统自发变化时总是向着熵增加的方向发展，不会使熵减少。

③任何宏观物质系统都有一定量的熵，熵也可以在系统的变化过程中产生或传递。④一切自然过程的发生和发展中，总熵必定不会减少。

●能量耗散：系统的内能流散到周围的环境中，没有办法把这些内能收集起来加以利用。四、能源和可持续发展：

●能源的重要性：能源是社会存在与发展永远不可或缺的必需品，是国民经济运动的物质基础，它与材料、信息构成现代社会的三大支柱。

●化石能源：人们把煤、石油叫做化石能源。

●生物质能：生物质能指绿色植物通过光合作用储存在生物体内的太阳能，储存形式是生物分子的化学能。

●风能：为了增加风力发电的功率，通常把很多风车建在一起，我国的新疆、内蒙古等地已经开始大规模利用风力发电。

●水能：水是可再生的，水电对环境的影响小，发电成本低。几个概念的区别：一、热量和内能：

内能是由系统的状态决定的，状态确定，系统的内能也随之确定，要使系统的内能发生变化，可以通过热传递或做功两种方式来完成，而热量是热传递过程中的特征物理量，和功一样，热量只是反映物体在状态变化过程中所迁移的能量，是用来衡量物体内能变化的，有过程，才有变化，离开过程，毫无意义，就某一状态而言，只有内能，根本不存在什么热量和，因此，不能说一个系统中含有多少热量或多少功。

二、热量和温度：

热量是系统的内能变化的量度，而温度是系统内部大量分子做无规则运动的激烈程度的标志，虽然热传递的前提是两个系统之间要有温度差，但是传递的是能量，不是温度，热传递不仅可以使系统温度发生变化，还可以使物质状态发生变化，在物质状态变化中，传递给系统的热量并没有使系统的温度发生变化，因此不能说系统吸收热量多，温度变化一定大，也不能认为系统的温度高，它放出的热量一定多，因为放出的热量，不但和温度的变化值有关，还和比热容有关，总之，热量和温度之间虽然有一定的联系，但它们是完全不同的两个物理量。

三、热量和功：

热量和功，都是系统内能变化的量度，都是过程量，一定量的热量还与一定量的功相当，但它们之间有着本质的区别，用做功来改变系统的内能，是系统内分子随整体的有序运动，转化为另一系统的分子的无规则运动的过程，是机械能或其他形式的能和内能之间的转化过程，用热传递来改变系统的内能，是通过传导对流和辐射来完成的，它将分子的无规则运动，从一个系统转移到另一个系统，这种转移就是系统间内能转换的过程。

扩展阅读：201*高中物理 第十章热力学定律限时检测 新人教版选修3-3

第十章限时检测

本卷分第Ⅰ卷(选择题)和第Ⅱ卷(非选择题)两部分．满分100分，时间90分钟．

第Ⅰ卷(选择题共40分)

一、选择题(共10小题，每小题4分，共40分，在每小题给出的四个选项中，有的小题只有一个选项符合题目要求，有些小题有多个选项符合题目要求，全部选对的得4分，选不全的得2分，有选错或不答的得0分)

1．下列说法中正确的是()A．热传导的过程是有方向性的

B．第二类永动机不可能制成，因为它违反能量守恒定律

C．第二类永动机不可能制成，因为机械能和内能的转化过程具有方向性D．热力学第二定律表明，所有物理过程都具有方向性答案：AC

解析：热传导的过程是有方向性的，这个过程可以向一个方向自发地进行，但是向相反的方向却不能自发地进行．要实现向相反方向的过程，必须借助外界的帮助，因而会产生其他影响或引起其他变化，所以A选项正确．第二类永动机并不违反能量守恒定律，但它违反了热力学第二定律，所以B选项错，C选项正确．并不是所有的物理过程都具有方向性，所以D选项错．

2．(201*成都市高二检测)有关热现象，下列说法正确的是()A．只要物体吸收了热量，物体的内能就一定会增大

B．热传递能改变物体的内能，做功却只能改变物体的运动状态C．布朗运动是悬浮在液体中的那一部分分子的无规则运动

D．质量相同的水、酒精和水银，若它们的温度都是15℃，则三者分子的平均动能相同答案：D

3．(201*唐山二中高二下学期期中)关于物体的内能，以下说法中不正确的是()A．物体的内能是指物体内所有分子的动能和势能之和B．物体不从外界吸收热量，其内能也可能增加C．外界对物体做功，物体的内能一定增加

D．物体内能的多少，跟物体的温度和体积都有关系答案：C

解析：根据物体内能的定义可知A项正确；根据热力学第一定律可判B、D正确，C项不正确．

4．热力学第二定律常见的表述方式有两种，其一是：不可能使热量由低温物体传递到

高温物体而不引起其他变化；其二是：不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化．第一种表述方式可以用如右图示意图来表示，根据你对第二种表述的理解，如果也用类似的示意图来表示，你认为下列示意图中正确的是()

答案：B

解析：第二种表述的意思是：热机吸收热量，对外做功，同时把热量传给低温物体．5．如图，一绝热容器被隔板K隔开成a，b两部分．已知a内有一定量的稀薄气体，b内为真空．抽开隔板K后，a内气体进入b，最终达到平衡状态．在此过程中()

A．气体对外界做功，内能减少B．气体不做功，内能不变C．气体压强变小，温度降低D．气体压强变小，温度不变答案：BD

解析：因b内为真空，抽开隔板K后，a内气体对外界不做功，由ΔU＝W＋Q知内能不变，故选项A错误．选项B正确．稀薄气体可看作理想气体，其内能只与温度有关，气体的内能不变，温度也不变，由p1V1＝p1V2和V1p2，即气体压强变小，故选项C错误，选项D正确．

6．带有活塞的汽缸内封闭一定量的理想气体．气体开始处于状态a，然后经过过程ab到达状态b或经过过程ac到状态c，b、c状态温度相同，如V－T图所示．设气体在状态b和状态c的压强分别为Pb和Pc，在过程ab和ac中吸收的热量分别为Qab和Qac，则(填入选项前的字母，有填错的不得分)()

A．Pb>Pc，Qab>QacB．Pb>Pc，QabB．外界对气体做功，气体温度降低C．气体体积减小，压强增大，内能一定减小D．外界对气体做功，气体内能一定增加答案：BC

解析：由平衡条件知活塞受到的沙桶拉力减小，其他力如重力、大气压力不变，则气体压强增大、体积减小，外界对气体做功，由于环境温度缓慢降低，则气体内能减少，由ΔU＝W＋Q知QC．①③答案：D

D．③④

解析：四则信息均为与当今科技发展前沿相关的信息，但①项违背了热力学第二定律，即绝对零度不可达到；②项中同步卫星只能定点在赤道正上方；③项中光速与介质有关，光在不同介质中传播速度不相同；④项中叙述符合能量守恒定律而不违背其他物理原理．

第Ⅱ卷(非选择题共60分)

二、填空题(共4小题，每小题5分，共20分．把答案直接填在横线上)

11．氢能源是21世纪极具开发前景的新能源之一，它既是绿色能源，又可循环使用．请在图的两个空框中填上循环过程中反应物和生成物的分子式，以完成理想的氢能源循环体系图(循环中接收太阳能的物质在自然界中广泛存在)．从能量转换的角度看，过程Ⅱ主要是______能转化为________能．

答案：化学电

12．指出下面例子中各是什么物理过程改变物体内能：

(1)瓶内的高压气体将瓶塞冲开，瓶内气体的温度降低，____________.(2)子弹打中木块，木块和子弹的温度升高．____________.(3)电流通过电炉丝，其温度升高．____________.

(4)将烧红的铁块放入冷水中，水的温度升高．____________.答案：(1)做功(2)做功(3)做功(4)热传递

13．怎样处理、利用垃圾一直是各个国家、各个城市所关心的环保问题，杭州在天子岭建成高科技垃圾发电厂，使垃圾转变成可利用的电能成为现实．

据悉，目前天子岭垃圾填埋场可填埋垃圾6.0×106m3，据理论推算1m3垃圾可产生220m3的气体，1m3气体可发电两度，按这样的规模，请你估算天子岭发电厂最多能发电________亿度．

答案：26.4

解析：天子岭发电厂最多能发电6.0×106×220×2度＝26.4×108度＝26.4亿度．14．(1)空气压缩机在一次压缩过程中，活塞对汽缸中的气体做功为2.0×105J，同时气

体的内能增加了1.5×105J.试问：此压缩过程中，气体________(填“吸收”或“放出”)的热量等于________J.

(2)若一定质量的理想气体分别按下图所示的三种不同过程变化，其中表示等压变化的是________(填“A”、“B”或“C”)，该过程中气体的内能________(填“增加”、“减少”或“不变”)．

(3)设想将1g水均匀分布在地球表面上，估算1cm2的表面上有________个水分子．(已知1mol水的质量为18g，地球的表面积约为5×1014m2，结果保留一位有效数字)

答案：(1)放出5×104(2)C增加(3)7×103

三、论述计算题(共5小题，40分．解答应写出必要的文字说明、方程式和重要演算步骤，只写出最后答案不能得分，有数值计算的题，答案中必须明确写出数值和单位)

15．(7分)我国东部季风区某新建城市分布如图所示，城市的四周都有广阔地带，现要在城市附近建一座比较大型的火力发电厂．

(1)请在图中A、B、C、D、E、F处选一最佳建厂处，说明理由．(2)请你预测此工厂将有哪些方面会对环境造成污染？

(3)请你用物理、化学、生物等方面的知识设计一个保护环境、控制污染的方案．答案：(1)应选在D处建厂．原因：①在季风区工厂应建在位于垂直于盛行风风向的郊外，可尽量减少粉尘，有毒气体在居民区的污染．②在河的下游，水源充足．③紧靠铁路和公路，交通便利．

(2)有废气、废渣和废水．

(3)①利用该厂的废渣可在附近建一个矿渣水泥厂或砖厂，变废为宝．②根据可产生废水的情况，在建厂的同时，建一个利用化学分解和生物降解的废水处理设备．③根据该厂将产生粉尘和有毒气体较严重的情况，在厂区里多栽一些如美人蕉、月季、丁香、菊花等能吸收有毒气体的植物，搞好厂区绿化保护，在工厂周围和居民区之间建立森林防护林带，尽量选一些生长快能吸收粉尘和有毒气体的树种作为绿化的主要品种．

16．(7分)两人共同拉锯伐木，每人在180s内拉动60次，每次拉动的距离为75cm，两人用的力均为20N，做功的40%转变为热能，则每秒钟产生的热量是多少？若产生热量的

20%被钢锯吸收，则60s后钢锯的温度将升高多少度？[设钢锯的比热容为1.2×102J/(kg℃)，钢锯的质量为0.5kg]

答案：4J0.8℃解析：180s两人做的功

W＝2NFS＝2×60×20×0.75J＝1800J，则每秒产生的热量Q＝

W

×40%＝4J.180

根据Q吸＝cmΔt＝60Q20%.60Q20%得Δt＝＝0.8℃.

cm

17．(7分)如图所示，为一汽缸内封闭的一定质量的气体的p－V图线，当该系统从状态a沿过程a→c→b到达状态b时，有355J的热量传入系统，系统对外界做功126J，求：

(1)若沿a→d→b过程，系统对外做功42J，则有多少热量传入系统？

(2)若系统由状态b沿曲线过程返回状态a时，外界对系统做功84J，问系统是吸热还是放热？热量传递是多少？

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

ΔU＝W′＋Q′，Q′＝ΔU－W′＝[209－(－42)]J＝251J，即有251J的热量传入系统．(2)由b→a，ΔU′＝－209J.ΔU′＝W″＋Q″＝84J＋Q″，Q″＝(－209－84)J＝－293J.负号说明系统放出热量．

18．(201*江苏新海中学高二期中)(9分)喷雾器内有10L水，上部封闭有1atm的空气2L.关闭喷雾阀门，用打气筒向喷雾器内再充入1atm的空气3L(设外界环境温度一定，空气可看作理想气体)．

(1)当水面上方气体温度与外界温度相等时，求气体压强，并从微观上解释气体压强变化的原因．

(2)打开喷雾阀门，喷雾过程中封闭气体可以看成等温膨胀，此过程气体是吸热还是放热？简要说明理由．

答案：(1)2.5atm(2)吸热

解析：(1)设气体初态压强为p1，体积为V1；末态压强为p2，体积为V2，由玻意耳定律p1V1＝p2V2①

代入数据得p2＝2.5atm②

微观解释：温度不变，分子平均动能不变，单位体积内分子数增加，所以压强增加．(2)吸热．气体对外做功而内能不变，根据热力学第一定律可知气体吸热．

19．(10分)(201*聊城模拟)某同学家新买了一台双门电冰箱，冷藏室容积107L，冷冻室容积118L，假设室内空气为理想气体．

(1)若室内空气摩尔体积为22.5×103m3/mol，阿伏加德罗常量为6.0×1023mol1，在家

－－

中关闭冰箱密封门后，电冰箱的冷藏室和冷冻室内大约共有多少个空气分子？

(2)若室内温度为27℃，大气压为1×105Pa，关闭冰箱密封门通电工作一段时间后，冷藏室温度降为6℃，冷冻室温度降为－9℃，此时冷藏室与冷冻室中空气的压强差多大？

(3)冰箱工作时把热量从温度较低的冰箱内部传到温度较高的冰箱外部，请分析说明这是否违背热力学第二定律．

答案：(1)6.0×1024个(2)5.0×103Pa(3)不违背

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

－

(2)设气体初始温度为t0，压强为p0；后来冷藏室与冷冻室中的温度和压强分别为t1、p1

和t2、p2，由于两部分气体分别做等容变化，根据查理定律

273＋t1p1273＋t1

＝，p1＝pp0273＋t0273＋t00

273＋t2t1－t2同理：p2＝p0，得Δp＝p1－p2＝p

273＋t0273＋t00代入数据得Δp＝5.0×103Pa

(3)不违背热力学第二定律，因为热量不是自发的由低温向高温传递，电冰箱工作过程

中要消耗电能．

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