第36讲热力学定律与能量守恒.docx

第36讲热力学定律与能量守恒考纲要求考情分析命题趋势1.热力学第一定律2能量守恒定律3热力学第二定律2017全国卷，33(1)2017全国卷，33(1)2016全国卷，33(1)在新课标地区，高考对热学部分的考查在选做题中出现，题型涉及选择、填空和计算题，考查知识点全面覆盖，同时突出重点，如热力学定律1热力学第一定律内容：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表达式：U_QW_符号法则符号WQU外界对物体做功物体_吸收_热量内能_增加_物体对外界做功物体_放出_热量内能_减小_2热力学第二定律的三种表述(1)克劳修斯表述：热量不能_自发地_从低温物体传到高温物体(2)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_其他影响或表述为“第二类永动机不可能制成”(3)用熵的概念进行表述：在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会_减小_(热力学第二定律又叫做熵增加原理)3能量守恒定律(1)内容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_到别的物体，在转化或转移的过程中，能量的_总和_保持不变(2)能源的利用存在能量耗散和_品质降低_重视利用能源时对_环境_的影响推进开发新能源，如_太阳能_、生物能、风能、潮汐能等1判断正误(1)做功和热传递的实质是相同的()(2)绝热过程中，外界压缩气体做功20 J，气体的内能一定减少20 J()(3)物体吸收热量，同时对外做功，内能可能不变()(4)在给自行车打气时，会发现打气筒的温度升高，这是因为外界对气体做功()(5)自由摆动的秋千摆动幅度越来越小，能量正在消失()(6)利用河水的能量使船逆水航行的设想，符合能量守恒定律()(7)热机中，燃气的内能可以全部变为机械能而不引起其他变化()一热力学第一定律1改变内能的两种方式的比较方式名称比较项目 做功热传递区别内能变化情况外界对物体做功，物体的内能增加；物体对外界做功，物体的内能减少物体吸收热量，内能增加；物体放出热量，内能减少从运动形式上看做功是宏观的机械运动向物体的微观分子热运动的转化热传递则是通过分子之间的相互作用，使同一物体的不同部分或不同物体间的分子热运动发生变化，是内能的转移从能量的角度看做功是其他形式的能与内能相互转化的过程不同物体间或同一物体不同部分之间内能的转移能的性质变化情况能的性质发生了变化能的性质不变相互联系做一定量的功或传递一定量的热量在改变内能的效果上是相同的 2.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过程是等效的，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，应用时功、内能、热量的单位应统一为国际单位焦耳3三种特殊情况(1)若过程是绝热的，则Q0，WU，外界对物体做的功等于物体内能的增加；(2)若过程中不做功，即W0，则QU，物体吸收的热量等于物体内能的增加；(3)若过程的始、末状态物体的内能不变，即U0，则WQ0或WQ，外界对物体做的功等于物体放出的热量理想气体内能变化的判定对一定质量的理想气体，由于无分子势能，其内能只包含分子无规则热运动的动能，这时内能只与温度有关，故判定一定质量的理想气体内能是否变化，应看温度是否发生了变化，与体积无关例1(2017全国卷)如图，一定质量的理想气体从状态a出发，经过等容过程ab到达状态b，再经过等温过程bc到达状态c，最后经等压过程ca回到初态a.下列说法正确的是_ABD_.(选填正确答案标号选对1个得2分，选对2个得4分，选对3个得5分每选错1个扣3分，最低得分为0分)A在过程ab中气体的内能增加B在过程ca中外界对气体做功C在过程ab中气体对外界做功D在过程bc中气体从外界吸收热量E在过程ca中气体从外界吸收热量解析(1)由pV图可知 ，在过程ab中体积不变，气体不对外做功，W0，压强增大，温度升高，气体内能增加，选项A正确，C错误；过程bc为等温变化过程，理想气体内能不变，而体积增大，气体对外做功，W0，由热力学第一定律UWQ知Q0，气体从外界吸收热量，选项D正确；过程ca为等压变化过程，体积减小，外界对气体做功，W0，由盖吕萨克定律知气体温度降低，内能减小，由UWQ知Q0，气体放出热量 ，选项B正确，E错误二热力学第二定律1热力学过程方向性实例(1)高温物体低温物体(2)功热量(3)气体体积V1气体体积V2(较大)(4)不同气体A和B混合气体AB2热力学第一定律和热力学第二定律的关系热力学第一定律是和热现象有关的物理过程中能量守恒的特殊表达形式及热量与内能改变的定量关系而第二定律指明了能量转化与守恒能否实现的条件和过程进行的方向，指出了一切变化过程的自然发展是不可逆的，除非靠外界影响所以二者相互联系，又相互补充3两类永动机的比较第一类永动机第二类永动机不消耗能量却可以源源不断地对外做功的机器从单一热源吸热，全部用来对外做功而不引起其他变化的机器违背能量守恒，不可能实现不违背能量守恒，违背热力学第二定律，不可能实现例2(2017江苏模块验收测试)如图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(1)(多选)下列说法正确的是！BC#A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电冰箱的工作原理不违反热力学第一定律D电冰箱的工作原理违反热力学第一定律(2)电冰箱的制冷系统从冰箱内吸收的热量与释放到外界的热量相比，有怎样的关系？解析(1)热力学第一定律是热现象中内能与其他形式能的转化规律，是能的转化和守恒定律的具体表现，适用于所有的热学过程，故选项C正确，D错误；由热力学第二定律可知，热量不能自发地从低温物体传到高温物体，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，需要压缩机的帮助并消耗电能，故选项B正确，A错误(2)由热力学第一定律可知，电冰箱制冷系统从冰箱内吸收了热量，同时消耗了电能，释放到外界的热量比从冰箱内吸收的热量多答案(2)见解析热力学第二定律的涵义(1)“自发地”指明了热传递等热力学宏观现象的方向性，不需要借助外界提供能量的帮助(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，对周围环境不产生热力学方面的影响，如吸热、放热、做功等1(多选)根据热力学定律，下列说法中正确的是(AB)A电冰箱的工作过程表明，热量可以从低温物体向高温物体传递B空调机在制冷过程中，从室内吸收的热量少于向室外放出的热量C科技的进步可以使内燃机成为单一热源的热机D对能源的过度消耗将使自然界的能量不断减少，形成“能源危机”解析在一定条件下，热量可以从低温物体传给高温物体，选项A正确；空调机工作过程中，电流做功产生热，所以向室外放热多，从室内吸热少，选项B正确；选项C中的说法违反热力学第二定律，选项C错误；对能源的过度消耗会造成可以利用的能量减少，而总的能量是守恒的，选项D错误2用隔板将一容器隔成A和B两部分，A中盛有一定量的气体，B为真空(如图甲所示)，现把隔板抽去，A中的气体将自动充满整个容器(如图乙所示)，这个过程称为气体的自由膨胀则关于气体的自由膨胀下列说法中正确的是 (D)A在自由膨胀过程中，所有气体分子的运动方向相同B在自由膨胀过程中，只要把握好隔板插入的时机，全部气体就能到达B部分C气体充满整个容器后，只要时间足够长，还能全部自动回到A部分D气体充满整个容器后，B部分中的某些气体分子有可能再回到A部分解析气体分子在永不停息地做无规则运动，在自由膨胀过程中也不例外，选项A错误；在自由膨胀过程中，气体分子将充满所能达到的空间，即整个容器，选项B错误；热力学第二定律指出具有大量分子参与的宏观过程都具有方向性，所以选项C错误；气体充满整个容器后，气体分子朝各个方向运动的机会均等，所以B部分中的某些气体分子有可能再回到A部分，选项D正确3(2017福建泉州模拟)一定质量的理想气体从状态A变化到状态B，再变化到状态C，其状态变化过程的pV图象如图所示已知该气体在状态A时的温度为27 .求：(1)该气体在状态B时的温度；(2)该气体从状态A到状态C的过程中与外界交换的热量解析(1)对于理想气体：AB过程，由查理定律有，得TB100 K，所以tBTB273 173 (2)BC过程，由盖吕萨克定律有，得TC300 K，所以tCTC273 27 ，由于状态A与状态C温度相同，气体内能相等，而AB过程中等容变化，气体对外不做功，BC过程中气体体积膨胀对外做功，即从状态A到状态C气体对外做功，故气体应从外界吸收热量QpV1105(31031103)J200 J答案(1)173(2)吸收热量200 J4(多选)关于一定量的气体，下列叙述正确的是(AD)A气体吸收的热量可以完全转化为功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知吸收的热不能自发地全部转化为功，但通过其他方法可以全部转化为功，故选项A正确；气体体积增大，对外做功，若同时伴随吸热，其内能不一定减少，选项B错误；气体从外界吸热，若同时伴随对外界做功，其内能不一定增加，选项C错误；外界对气体做功，若同时气体放热，其内能可能减少，选项D正确例1(6分)(多选)如图所示，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()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，温度不变D气体压强变大，温度不变E单位时间内撞击容器壁的分子数减少答题送检来自阅卷名师报告错误致错原因扣分A不明白“绝热容器”的含义，挖掘不出稀薄气体向真空扩散是否做功，不能根据热力学第一定律解题，错选A6规范答题解析绝热容器内的稀薄气体与外界没有热传递，Q0，稀薄气体向真空扩散时气体没有做功，W0，根据热力学第一定律稀薄气体的内能不变，则温度不变，稀薄气体扩散体积增大，根据玻意耳定律可知，气体的压强必然变小，故选项A、D错误，B、C正确；温度不变，分子的平均动能不变，压强减小，说明单位时间内撞击容器壁的分子数减少，故E正确答案BCE1(2017全国卷)(多选)如图，用隔板将一绝热汽缸分成两部分，隔板左侧充有理想气体，隔板右侧与绝热活塞之间是真空现将隔板抽开，气体会自发扩散至整个汽缸待气体达到稳定后，缓慢推压活塞，将气体压回到原来的体积假设整个系统不漏气下列说法正确的是(ABD)A气体自发扩散前后内能相同B气体在被压缩的过程中内能增大C在自发扩散过程中，气体对外界做功D气体在被压缩的过程，外界对气体做功E气体在被压缩的过程，气体分子的平均动能不变解析抽开隔板，气体自发扩散过程中，气体对外界不做功，与外界没有热交换，因此气体的内能不变，选项A正确，C错误；气体在压缩的过程中，外界对气体做正功，选项D正确；由于气体与外界没有热交换，根据热力学第一定律可知，气体在被压缩的过程中内能增大，因此气体的温度升高，气体分子的平均动能增大，选项B正确，E项错误2(多选)如图所示，是某气体状态变化的pV图象，则下列说法正确的是(BCD)A气体做的是等温变化B从A到B气体的压强一直减小C从A到B气体的体积一直增大D气体的三个状态参量一直都在变解析由等温线的特点可知图中所示AB图线不是等温线，AB过程不是等温变化，选项A错误；从AB图线可知气体从A状态变为B状态的过程中，压强p在逐渐减小，体积V在不断增大，则选项B、C正确又因为该过程不是等温过程，所以气体的三个状态参量一直都在变化，选项D正确3(2017福建福州模拟)如图所示，厚度和质量不计、横截面积为S10 cm2的绝热汽缸倒扣在水平桌面上，汽缸内有一绝热的“T”形活塞固定在桌面上，活塞与汽缸封闭一定质量的理想气体，开始时，气体的温度为T0300 K，压强为p0.5105 Pa，活塞与汽缸顶的距离为h10 cm，活塞可在汽缸内无摩擦滑动且不漏气，大气压强为p01.0105 Pa.求：(1)此时桌面对汽缸的作用力FN；(2)现通过电热丝给气体缓慢加热到T，此过程中气体吸收热量为Q7 J，内能增加了U5 J，整个过程活塞都在汽缸内，求T的值解析(1)对汽缸受力分析，由平衡条件有FNpSp0S，得FN(p0p)S50 N(2)设温度升高至T时，活塞与汽缸顶的距离为H，则气体对外界做功Wp0Vp0S(Hh)，由热力学第一定律得UQW，解得H12 cm气体温度从T0升高到T的过程，由理想气体状态方程，得，解得TT0720 K答案(1)50 N(2)720 K4(2017江苏南京模拟)如图所示，竖直放置的气缸内壁光滑，横截面积为S103m2，活塞的质量为m2 kg，厚度不计在A、B两处设有限制装置，使活塞只能在A、B之间运动，B下方气缸的容积为1.0103m3，A、B之间的容积为2.0104m3，外界大气压强p01.0105 Pa.开始时活塞停在B处，缸内气体的压强为0.9p0，温度为27 ，现缓慢加热缸内气体，直至327 .求：(1)活塞刚离开B处时气体的温度t2；(2)缸内气体最后的压强解析(1)活塞刚离开B处时，设气体的压强为p2，由二力平衡可得p2p0，解得p21.2105 Pa，由查理定律得，解得t2127 (2)设活塞最终移动到A处，缸内气体最后的压强为p3，由理想气体状态方程得，解得p31.5105 Pa，因为p3p2，故活塞最终移动到A处的假设成立答案(1)127 (2)1.5105 Pa1(多选)关于热力学定律，下列说法正确的是(BDE)A气体吸热后温度一定升高B对气体做功可以改变其内能C理想气体等压膨胀过程一定放热D热量不可能自发地从低温物体传到高温物体E如果两个系统分别与状态确定的第三个系统达到热平衡，那么这两个系统彼此之间也必定达到热平衡解析根据热力学第一定律，气体吸热的同时若对外做功，则内能不一定增大，温度不一定升高，选项A错误对气体做功可以改变其内能，选项B正确；理想气体等压膨胀过程，对外做功，由理想气体状态方程可知，气体温度升高，内能增大，故气体一定吸热，选项C错误；根据热力学第二定律，热量不可能自发地从低温物体传到高温物体，选项D正确；根据热平衡定律，如果两个系统分别与状态确定的第三个系统达到热平衡，那么这两个系统彼此之间也必定达到热平衡，选项E正确2(多选)一定量的理想气体从状态a开始，经历等温或等压过程ab、bc、cd、da回到原状态，其pT图象如图所示，其中对角线ac的延长线过原点O.下列判断正确的是！ABE#.A气体在a、c两状态的体积相等B气体在状态a时的内能大于它在状态c时的内能C在过程cd中气体向外界放出的热量大于外界对气体做的功D在过程da中气体从外界吸收的热量小于气体对外界做的功E在过程bc中外界对气体做的功等于在过程da中气体对外界做的功解析由k可知，PT图象中过原点的一条倾斜的直线是等容线，选项A正确；气体从状态c到状态d的过程温度不变，内能不变，从状态d到状态a的过程温度升高，内能增加，选项B正确；由于过程cd中气体的内能不变，根据热力学第一定律可知，气体向外放出的热量等于外界对气体做的功，选项C错误；在过程da中气体内能增加，气体从外界吸收的热量大于气体对外界做的功，选项D错误；过程bc中，外界对气体做的功Wbcpb(VbVc)pbVbpcVc，过程da中气体对外界做的功Wdapd(VaVd)paVapdVd，由于pbVbpaVa，pcVcpdVd，因此过程bc中外界对气体做的功与过程da中气体对外界做的功相等，选项E正确3(多选)一定量的理想气体从状态a开始，经历三个过程ab、bc、ca回到原状态其pT图象如图所示下列判断正确的是(ADE)A过程ab中气体一定吸热B过程bc中气体既不吸热也不放热C过程ca中外界对气体所做的功等于气体所放的热Da、b和c三个状态中，状态a分子的平均动能最小Eb和c两个状态中，容器壁单位面积单位时间内受到气体分子撞击的次数不同解析对封闭气体，由题图可知ab过程，气体体积V不变，没有做功，而温度T升高，则为吸热过程，选项A正确bc过程为等温变化，压强减小，体积增大，对外做功，则为吸热过程，选项B错误；ca过程为等压变化，温度T降低，内能减少，体积V减小，外界对气体做功，依据WQE，外界对气体所做的功小于气体所放的热，选项C错误；温度是分子平均动能的标志，Tapc，显然选项E正确4某驾驶员发现中午时车胎内的气压高于清晨时的，且车胎体积增大若这段时间胎内气体质量不变且可视为理想气体，那么(D)A外界对胎内气体做功，气体内能减小B外界对胎内气体做功，气体内能增大C胎内气体对外界做功，内能减小D胎内气体对外界做功，内能增大解析车胎体积增大，故胎内气体对外界做功，胎内气体温度升高，故胎内气体内能增大，选项D正确5如图所示，一底面积为S、内壁光滑的圆柱形容器竖直放置在水平地面上，开口向上，内有两个质量均为m的相同活塞A和B；在A与B之间、B与容器底面之间分别封有一定量的同样的理想气体，平衡时体积均为V.已知容器内气体温度始终不变，重力加速度大小为g，外界大气压强为p0.现假设活塞B发生缓慢漏气，致使B最终与容器底面接触求活塞A移动的距离解析A与B之间、B与容器底面之间的气体压强分别为p1、p2，在漏气前，对A分析有p1p0，对B有p2p1，B最终与容器底面接触后，A、B间的压强为p，气体体积为V，则有pp0，因为温度始终不变，对于混合气体有(p1p2)VpV，设活塞B厚度为d，漏气前A距离底面的高度为hd，漏气后A距离底面的高度为hd，联立可得hhh，联立以上各式化简得h答案6(1)如图甲所示，在斯特林循环的pV图象中，一定质量理想气体从状态A依次经过状态B、C和D后再回到状态A，整个过程由两个等温和两个等容过程组成BC的过程中，单位体积中的气体分子数目_不变_(选填“增大”“减小”或“不变”)状态A和状态D的气体分子热运动速率的统计分布图象如图乙所示，则状态A对应的是_(选填“”或“”)(2)如图甲所示，在AB和DA的过程中，气体放出的热量分别为4 J和20 J在BC和CD的过程中，气体吸收的热量分别为20 J和12 J求气体完成一次循环对外界所做的功解析(1)从BC的过程中，气体的体积不变，因此单位体积中气体分子数目不变，从状态D到状态A，气体的体积不变，压强减小，温度降低，分子平均动能减小，因此A状态对应的是(2)气体完成一次循环，其内能不变，即U0，吸收的热量Q(2012420) J8 J，由热力学第一定律UQW得，W8 J，则气体对外做功为8 J答案(2)8 J课时达标第36讲解密考纲理解热力学第一定律，知道改变内能的两种方式；知道与热现象有关的宏观物理过程的方向性，了解热力学第二定律；掌握能量守恒定律及应用1地球上有很多的海水，它的总质量约为1.41018吨，如果这些海水的温度降低0.1，将要放出5.81023焦耳的热量，有人曾设想利用海水放出的热量使它完全变成机械能来解决能源危机，但这种机器是不能制成的，其原因是(C)A内能不能转化成机械能B内能转化成机械能不满足热力学第一定律C只从单一热源吸收热量并完全转化成机械能的机器不满足热力学第二定律D上述三种原因都不正确解析内能可以转化成机械能，如热机，选项A错误；内能转化成机械能的过程满足热力学第一定律，即能量守恒定律，选项B错误；热力学第二定律告诉我们：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，选项C正确，D错误2重庆出租车常以天然气作为燃料加气站储气罐中天然气的温度随气温升高的过程中，若储气罐内气体体积及质量均不变，则罐内气体(可视为理想气体)(B)A压强增大，内能减小B吸收热量，内能增大C压强减小，分子平均动能增大D对外做功，分子平均动能减小解析储气罐中气体体积不变，气体不做功，当温度升高时，气体压强增大，气体内能增大，分子平均动能增大；由热力学第一定律可知，气体一定吸热，故选项B正确3一定量的理想气体在某一过程中，从外界吸收热量2.5104 J，气体对外界做功1.0104 J，则该理想气体的(D)A温度降低，密度增大B温度降低，密度减小C温度升高，密度增大 D温度升高，密度减小解析从外界吸热，Q2.5104 J，对外界做功，W1.0104 J，由UQW可得，U1.5104 J，内能增大，这说明温度升高；又由于气体对外界做功，体积增大，由可知，密度减小选项D正确4(多选)如图为某同学设计的喷水装置内部装有2 L水，上部密封1 atm的空气0.5 L，保持阀门关闭，再充入1 atm的空气0.1 L，设在所有过程中空气可看作理想气体，且温度不变，下列说法正确的有(AC)A充气后，密封气体压强增加B充气后，密封气体的分子平均动能增加C打开阀门后，密封气体对外界做正功D打开阀门后，不再充气也能把水喷光解析温度不变，分子平均动能不变，充气后由于气体的质量增大，温度、体积基本不变，气体的压强增大，选项A正确、B错误；打开阀门后，水减少，气体膨胀，密封气体对水做正功，选项C正确；如果水全排出，气体压强为p3，p3(2 L0.5 L)p1(0.5 L0.1 L)得p30.24p10，下滑过程不与外界发生热交换，Q0，由热力学第一定律UWQ可知内能增大，选项A正确，选项B、C、D错误7如图所示，内壁光滑的圆柱形金属容器内有一个质量为m、面积为S的活塞容器固定放置在倾角为的斜面上一定量的理想气体被密封在容器内，温度为T0，活塞底面与容器底面平行，距离为h.已知大气压强为p0，重力加速度为g(1)容器内气体压强为！ p0#(2)由于环境温度变化，活塞缓慢下移时气体温度为！ #，此过程中容器内气体！_放热_(选填“吸热”或“放热”)，气体分子的平均速率！_减小_.(选填“增大”“减小”或“不变”)解析(1)容器内气体的压强与大气压和活塞的重力有关活塞对气体产生的压强为p，则容器内气体的压强pp0pp0.(2)环境温度变化，活塞缓慢下移，可认为是等压变化，则，且V02V1，解得T1在此等压变化过程中，理想气体温度降低，内能减少，气体体积减小，外界对气体做功，由热力学第一律UQW知气体放出热量，气体分子的平均速率减小8我国“蛟龙”号深海探测船载人下潜超过7 000 m，再创载人深潜新纪录在某次深潜实验中，“蛟龙”号探测到990 m深处的海水温度为280 K