高考物理一轮复习讲义 第3讲 热力学定律与能量守恒 新人教版选修33.doc

第3讲热力学定律与能量守恒热力学第一、二定律(考纲要求)能量守恒定律(考纲要求)1热力学第一定律(1)内容：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做的功的和(2)表达式：uqw(3)符号规定做功w外界对物体做功w0物体对外界做功w0物体向外界放出热量q0物体内能减少u0，故温度一定升高，a选项正确，c错答案a5(2011福州质检)(1)下列关于分子运动和热现象的说法中正确的是_(填选项前的字母)a布朗运动反映了悬浮微粒中分子运动的无规则性b冰融化为同温度的水时，其分子势能增加c热机效率不可能提高到100%，因为它违背了热力学第一定律d气体如果失去了容器的约束就会散开，这是因为气体分子之间存在斥力(2)一定质量的理想气体，体积变大的同时，温度也升高了，那么下面判断正确的是_(填选项前的字母)a单位体积内分子数一定增多b气体的压强一定保持不变c气体一定从外界吸收热量d外界一定对气体做正功答案(1)b(2)c6一气泡从湖底上升到湖面的过程中温度视为不变，上升到湖面后气泡并未破裂已知气泡在湖底的体积为2 ml，压强为1.5105 pa，在湖面的压强为1.0105 pa.若气泡内的气体视为理想气体，求：(1)气泡在湖面时的体积；(2)若气泡在上升过程中对外做功0.1 j，则气泡吸收热量还是放出热量？吸收或放出多少热量？解析(1)由玻意耳定律得p1v1p2v2代入数据解得v23 ml.(2)由于气体是理想气体，所以当温度不变时，其内能不变，由热力学第一定律uwq，得qw0.1 j，即吸收0.1 j的热量答案(1)3 ml(2)吸收热量0.1 j考点一热力学定律及能量守恒定律的理解及应用【典例1】 一定质量的气体，在从一个状态变化到另一个状态的过程中，吸收热量280 j，并对外做功120 j，试问：(1)这些气体的内能发生了怎样的变化？(2)如果这些气体又返回原来的状态，并放出了240 j热量，那么在返回的过程中是气体对外界做功，还是外界对气体做功？做功多少？解析(1)由热力学第一定律可得uwq120 j280 j160 j气体的内能增加了160 j.(2)由于气体的内能仅与状态有关，所以气体从状态回到状态的过程中内能的变化应等于从状态到状态的过程中内能的变化，则从状态到状态的内能应减少160 j即u160 j，又q240 j，根据热力学第一定律得：uwq，所以wuq160 j(240 j)80 j，即外界对气体做功80 j.答案(1)增加了160 j(2)外界对气体做功80 j热力学第一定律反映功、热量与内能改变量之间的定量关系uwq，使用时注意符号法则(简记为：外界对系统取正，系统对外取负)对理想气体，u仅由温度决定，w仅由体积决定，绝热情况下，q0.【变式1】 (2011江苏四市联考)一定质量的理想气体(分子力不计)，体积由v膨胀到v.如果通过压强不变的过程实现，对外做功大小为w1，传递热量的值为q1，内能变化为u1；如果通过温度不变的过程来实现，对外做功大小为w2，传递热量的值为q2，内能变化为u2，则()aw1w2，q1u2bw1w2，q1q2，u1u2cw1u2dw1w2，q1q2，u1u2解析由热力学第一定律：u1w1q1，u2w2q2，若通过压强不变的过程实现体积膨胀，则由为恒量，可知温度必定升高，对理想气体，内能必定增大，u10，w10，且|q1|w1|；若通过温度不变的过程实现体积膨胀，温度不变，内能不变，u20，w20，且|q2|w2|，则u1u2；由于气体对外做功的过程中，体积膨胀，通过温度不变的方式，由为恒量，可知压强必定减小，则平均压强比通过压强不变的过程时的压强要小，故w1w2，q1q2.b选项正确答案b考点二气体实验定律与热力学定律综合【典例2】 图132如图132所示，体积为v、内壁光滑的圆柱形导热汽缸顶部有一质量和厚度均可忽略的活塞；汽缸内密封有温度为2.4t0、压强为1.2p0的理想气体，p0和t0分别为大气的压强和温度已知：气体内能u与温度t的关系为ut，为正的常量；容器内气体的所有变化过程都是缓慢的求：(1)汽缸内气体与大气达到平衡时的体积v1；(2)在活塞下降过程中，汽缸内气体放出的热量q.解析(1)在气体由p1.2p0下降到p0的过程中，气体体积不变，温度由t2.4 t0变为t1，由查理定律得在气体温度由t1变为t0的过程中，体积由v减小到v1，气体压强不变，由盖吕萨克定律得解得(2)在活塞下降过程中，活塞对气体做的功为wp0(vv1)在这一过程中，气体内能的减小为u(t1t0)由热力学第一定律得，汽缸内气体放出的热量为qwu解得qp0vt0.答案(1)v(2)p0vt0【变式2】 如图133所示，教室内用截面积为0.2 m2的绝热活塞，将一定质量的理想气体封闭在圆柱汽缸内，活塞与汽缸之间无摩擦a状态是汽缸放在冰水混合物中气体达到的平衡状态，活塞离汽缸底部的高度为0.6 m；b状态是汽缸从容器中移出后达到的平衡状态，活塞离汽缸底部的高度为0.65 m设室内大气压强始终保持1.0105 pa，忽略活塞质量图133(1)求教室内的温度；(2)若气体从a状态变化到b状态的过程中，内能增加了560 j，求此过程中气体吸收的热量解析(1)由题意知气体是等压变化，设教室内温度为t2，由知t2295.75 k.(2)气体对外界做功为wp0s(h2h1)103 j.由热力学第一定律得q1 560 j.答案(1)295.75 k(2)1 560 j1夏天，如果将自行车内胎充气过足，又放在阳光下暴晒，车胎极易爆裂关于这一现象的描述(暴晒过程中内胎容积几乎不变)，下列说法错误的是()a车胎爆裂，是车胎内气体温度升高，气体分子间斥力急剧增大的结果b在爆裂前的过程中，气体温度升高，分子无规则热运动加剧，气体压强增大c在车胎突然爆裂前的瞬间，气体内能增加d在车胎突然爆裂后的瞬间，气体内能减少解析分析题意得：车胎在阳光下暴晒，爆裂前内能增加，气体的温度升高，分子无规则热运动加剧，气体压强变大，所以选项b和c是正确的，易知选项a是错误的当车胎突然爆裂的瞬间，气体膨胀对外做功，温度也会有所下降，所以气体内能减少，选项d正确答案a2(2010重庆)给旱区送水的消防车停于水平地面上，在缓慢放水过程中，若车胎不漏气，胎内气体温度不变，不计分子间势能，则胎内气体()a从外界吸热 b对外界做负功c分子平均动能减小 d内能增加解析胎内气体经历了一个温度不变、压强减小、体积增大的过程温度不变，分子平均动能和内能不变体积增大气体对外界做正功根据热力学第一定律，气体一定从外界吸热a正确答案a3(2011全国卷，14改编)关于一定量的气体，下列叙述正确的是()a气体吸收的热量不能完全转化为功b气体体积增大时，其内能一定减少c气体从外界吸收热量，其内能一定增加d外界对气体做功，气体内能可能减少解析由热力学第二定律的表述之一：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，即气体吸收热量在引起其他变化的情况下，可以完全转化为功，知a选项错误；气体的内能由气体的温度和体积共同决定，气体体积增大，内能不一定减少，故b项错误；由热力学第一定律：uqw，若物体从外界吸热，即q0但同时对外做功，即w0.且qw0，但同时向外界放热，即q0，且qw0，所以d项正确答案d4(2011广东卷，14)如图134所示为某种椅子与其升降部分的结构示意图，m、n两筒间密闭了一定质量的气体，m可沿n的内壁上下滑动设筒内气体不与外界发生热交换，在m向下滑动的动程中()图134a外界对气体做功，气体内能增大b外界对气体做功，气体内能减小c气体对外界做功，气体内能增大d气体对外界做功，气体内能减小解析筒内气体不与外界发生热交换，当气体体积变小时，则外界对气体做功，气体的内能增大，a正确答案a5(2011全国卷，33改编)对于一定量的理想气体，下列说法错误的是()a若气体的压强和体积都不变，其内能也一定不变b若气体的内能不变，其状态也一定不变c气体温度每升高1 k所吸收的热量与气体经历的过程有关d当气体温度升高时，气体的内能一定增大解析理想气体的内能只由温度决定，由理想气体状态方程c可知，若气体的压强和体积都不变，温度t也不变，所以内能也一定不变，a、d选项正确若气体的内能不变，则温度t不变，但气体的压强和体积可以改变，b项错误由热力学第一定律uqw知，c选项正确答案b6(2010全国理综改编)如图135所示，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()图135a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，温度降低解析因b内为真空，抽开隔板k后，a内气体对外界不做功，由uwq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p1v1p2v2和v1p2，即气体压强变小，故选项c错误、选项d错误答案b1二氧化碳是导致“温室效应”的主要原因之一，人类在采取节能减排措施的同时，也在研究控制温室气体的新方法，目前专家们正在研究二氧化碳的深海处理技术。在某次实验中，将一定质量的二氧化碳气体封闭在一可自由压缩的导热容器中，将容器缓慢移到海水某深处，气体体积减为原来的一半，不计温度变化，则此过程中()a封闭气体对外界做正功b封闭气体向外界传递热量c封闭气体分子的平均动能增大d封闭气体从外界吸收热量解析因为气体的温度不变，所以气体分子的平均动能不变，c错误；当气体体积减小时，外界对气体做功，a错误；由热力学第一定律可得，封闭气体将向外界传递热量，b正确答案b图1362(2011上海浦东二模)如图136所示中汽缸内盛有一定量的理想气体，汽缸壁是导热的，缸外环境保持恒温，活塞与汽缸壁的接触是光滑的，但不漏气现将活塞杆与外界连接并使之缓慢地向右移动这样气体将等温膨胀并通过杆对外做功若已知理想气体的内能只与温度有关，则下列说法正确的是()a气体是从单一热源吸热，全用来对外做功，因此此过程违反热力学第二定律b气体是从单一热源吸热，但并未全用来对外做功，所以此过程不违反热力学第二定律c气体是从单一热源吸热，全用来对外作功，但此过程不违反热力学第二定律da、b、c三种说法都不对答案c3如图137所示为电冰箱的工作原理示意图压缩机工作时，强迫制冷剂在冰箱内外的管道中不断循环在蒸发器中制冷剂汽化吸收箱体内的热量，经过冷凝器时制冷剂液化，放出热量到箱体外下列说法正确的是()图137a热量可以自发地从冰箱内传到冰箱外b电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界，是因为其消耗了电能c电冰箱的工作原理违反热力学第一定律d电冰箱的工作原理违反热力学第二定律解析由热力学第二定律可知，热量不能自发地由低温物体传给高温物体，除非有外界的影响或帮助电冰箱把热量从低温的内部传到高温的外部，需要压缩机工作并消耗电能答案b图1384我国神七航天员的漫步太空已变成现实神七航天漫步太空，此举震撼世界，意义重大无比其中，飞船在航天员出舱前先要“减压”，在航天员从太空返回进入航天器后要“升压”，因此飞船将此设施专门做成了一个舱，叫“气闸舱”，其原理图如图138所示，两个相通的舱a、b间装有阀门k，指令舱a中充满气体，气闸舱b内为真空，整个系统与外界没有热交换打开阀门k后，a中的气体进入b中，最终达到平衡，则()a气体体积膨胀，对外做功b气体分子势能减少，内能增加c体积变大，温度降低db中气体不可能自发地全部退回到a中解析当阀门k被打开时，a中的气体进入b中，由于b中为真空，所以a中的气体不会做功，则a选项是错误的；又因为系统与外界无热交换，所以气体内能不变，则气体的温度也不变，则选项a、b、c错误；由热力学第二定律知，真空中气体膨胀具有方向性，在无外界作用时，b中气体不能自发地全部回到a中，故d正确答案d5(2011江西重点盟校二次联考，33)(1)下列说法正确的是_a由阿伏加德罗常数、气体的摩尔质量和密度，可以估算出该种气体分子的大小b悬浮在液体中的固体微粒越小，布朗运动就越明显c分子间的引力随分子间距离的增大而增大，分子间的斥力随分子间距离的增大而减小d根据热力学第二定律可知，热量不可能从低温物体传到高温物体图139(2)如图139所示，汽缸内封闭一定质量的某种理想气体，活塞通过滑轮和一重物连接并保持平衡，已知活塞距缸口0.2 m，活塞面积10 cm2，大气压强1.0105 pa，物重50 n，活塞质量及一切摩擦不计，缓慢升高环境温度，使活塞刚好升到缸口，封闭气体吸收了60 j的热量，则封闭气体的压强将_(选填“增加”、“减小”或“不变”)，气体内能变化量为_j.解析(1)由于气体分子间距离大，所以不能估算分子大小，a错布朗运动的显著程度与温度和颗粒大小有关，b正确分子引力和斥力都是随分子间距离的增大而减小的，则c错热量不能自发地从低温物体传到高温物体，故d错(2)此时气体压强pp0恒定由热力学第一定律uwqpvq50 j.答案(1)b(2)不变506(1)当密闭在气球内的空气(可视为理想气体)温度缓慢升高时_a气体分子的体积增大b气体分子的动能增大c气体分子的平均动能增大d单位体积内分子数增多(2)若只对一定质量的理想气体做1 500 j的功，可使其温度升高5 k若改成只用热传递的方式，使气体温度同样升高5 k，那么气体应吸收_ j的热量如果对该气体做了2 000 j的功，使其温度升高了5 k，表明在该过程中，气体还_(选填“吸收”或“放出”)热量_j.答案(1)c(2)1 500放出5007(1)第一类永动机不可能制成是因为其违反了_，第二类永动机不可能制成是因为其违反了_(2)在一个大气压下，水在沸腾时，1 g水吸收2 263.8 j的热量后由液态变成同温度的气态，其体积由1.043 cm3变成1 676 cm3，求：1 g水所含的分子个数；体积膨胀时气体对外界做的功；气体的内能变化(大气压强p01.0105 pa，水的摩尔质量为m18 g/mol，阿伏加德罗常数na6.01023 mol1)解析(2)1 g水所含的分子个数为n610233.31022(个)气体体积膨胀时对外做的功为wp0v105(1 6761.043)106 j167.5 j.根据热力学第一定律有：uwq(2 263.8167.5) j2 096.3 j.答案(1)能量守恒定律热力学第二定律(2)3.31022167.5 j增加2 096.3 j8(1)下列说法正确的是()a布朗运动是悬浮在液体中固体颗粒的分子无规则运动的反映b没有摩擦的理想热机可以把吸收的能量全部转化为机械能c知道某物质的摩尔质量和密度可求出阿伏加德罗常数d内能不同的物体，它们分子热运动的平均动能可能相同(2)一定质量的理想气体在某一过程中，外界对气体做功1.7105 j，气体内能减少1.3105 j，则此过程中气体_(填“吸收”或“放出”)的热量是_ j此后，保持气体压强不变，升高温度，气体对外界做了5.0105 j的功，同时吸收了6.0105 j的热量，则此过程中，气体内能增加了_ j解析(1)布朗运动是指悬浮在液体中的固体小颗粒的运动，并不是指颗粒分子的运动，所以a错误热能不可能全部转化为机械能而不引起其他变化，所以b错误知道摩尔质量和密度可求摩尔体积，求不出阿伏加德罗常数，所以c错误内能不同的物体它们分子运动的平均动能可能相同，因为只要物体的温度相同，分子平均动能就相同，所以d项正确(2)根据热力学第一定律得：w1.7105 j，u1.3105 j，代入uwq可得，q3.0105 j，q为负值，说明气体要放出热量，放出的热量为3.0105 j；同理w5105 j，q6105 j，uwq1.0105 j，即内能增加了1.0105 j.答案(1)d(2)放出3.01051.01059(1)关于热现象和热学规律，下列说法中正确的是()a教室内看到透过窗子的“阳光柱”里粉尘颗粒杂乱无章的运动，这种运动是布朗运动b热量只能从高温物体向低温物体传递，不可能由低温物体传给高温物体c用活塞压缩汽缸里的空气，对空气做功2.0105 j，若空气向外界放出热量1.5105 j，则空气内能增加5104 jd一定质量的理想气体，如果保持温度不变，体积越小，压强越小(2)1 ml水用注射器能滴50滴，水的密度103 kg/m3，则1滴水中有多少个水分子？(阿伏加德罗常数na6.021023 mol1)解析(1)布朗运动是由液体分子撞击固体小颗粒而引起的，而教室内粉尘颗粒杂乱无章的运动是由于空气流动引起的，a项错误；在一定条件下，热量可以从低温物体传给高温物体，例夏天空调工作时，不断地将热量从低温的室内传到高温的室外，b项错误；根据热力学第一定律可知，c项正确；根据恒量可知，对于一定质