4热力学定律与能量守恒定律

1、第三节热力学定律与能量守恒定律必备知识二双基夯实遇班如衙第基国本1、热力学第一定律慑力争第一定待答案：工传递的热量 a所做的功 冏w+ q【基础练1（2020丰台区二模）下列说法正确的是（）A.物体放出热量，其内能一定减小B.物体对外做功，其内能一定减小C.物体吸收热量，同时对外做功，其内能可能增加D.物体放出热量，同时对外做功，其内能可能不变解析：选Co根据热力学第一定律 AU = Q + W判断，C正确【基础练2】空气压缩机在一次压缩中，活塞对空气做了2X 105 J的功,同时空气的内能增加了 1.5X 105 J,这一过程中空气向外界传递的热量是多少？解析：选择被压缩的空气为研究对象，根

2、据热力学第一定律有 AU = W+ Q由题意可知 W=2X105 J, AU = 1.5X105 J,代入上式得Q= AU-W= 1.5X 105 J- 2X105 J= 5X 104 Jo负号表示空气向外释放热量，即空气向外界传递的热量为5X104 J答案：5X104 J二、热力学第二定律热力学第二定律热量不爨自标地从H物体借到忐述"物体f克劳修斯表述）.不可能从单一热辉吸收叁愀.使之完全变成国,而不产生其他短啕（开尔文表述）第二类永动机上违背r热力学固定律答案：由低温 2局温回功巴第二【基础练3】（2020 格尔木市调研）根据你学过的热学中的有关知识，判 断下列说法正确的是（）A

3、.机械能可以全部转化为内能，内能也可以全部用来做功转化成机械能B.凡与热现象有关的宏观过程都具有方向性，在热传递中，热量只能从高 温物体传递给低温物体，而不能从低温物体传递给高温物体C.尽管科技不断进步，热机的效率仍不能达到100%,制冷机却可以使温度降到一293 CD.第一类永动机违背热力学第一定律，第二类永动机不违背热力学第一定 律，随着科技的进步和发展，第二类永动机可以制造出来解析：选Ao机械能可以全部转化为内能，而内能在引起其他变化时也可以 全部转化为机械能，A正确；凡与热现象有关的宏观过程都具有方向性 ，在热传 递中，热量可以自发地从高温物体传递给低温物体 ，也能从低温物体传递给高温

4、 物体，但必须借助外界的帮助，B错误；尽管科技不断进步，热机的效率仍不能 达到100%,制冷机也不能使温度降到293 C,只能无限接近273.15 C, C 错误；第一类永动机违背热力学第一定律，第二类永动机不违背热力学第一定律， 而是违背了热力学第二定律，第二类永动机不可能制造出来，D错误。三、能量守恒定律能爆既不会凭空产生.也不会凭空消失，官只能从种形式皿 为男钟廖式,籥量守恒定律到别的物体,在 的过程中.能量的总瓯1或者从一个物体国即和图最保持不变-* Ei .国IA 比.=5答案：因转化工转移回转化巴转移回E2回正减关犍能力二深度研析考点研析能力突破1小高考糠点考点一热力学第一定律的理

5、解和应用1 .热力学第一定律的理解(1)内能的变化都要用热力学第一定律进行综合分析。W为负；体积缩小,(2)做功情况看气体的体积：体积增大，气体对外做功，外界对气体做功，W为正(3)与外界绝热，则不发生热传递，此时 Q = 0。(4)如果研究对象是理想气体，因理想气体忽略分子势能，所以当它的内能变化时，主要体现在分子动能的变化上，从宏观上看就是温度发生了变化。2 .三种特殊情况(1)若过程是绝热的，则Q=0, W=AU,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，即亚=0,则Q=AU,物体吸收的热量等于物体内能的 增加。(3)若过程的初、末状态物体的内能不变，即 AU = 0,

6、则W+ Q = 0或W= Q,外界对物体做的功等于物体放出的热量。例团(2019 高考全国卷I)某容器中的空气被光滑活塞封住，容器和活塞 绝热性能良好，空气可视为理想气体。初始时容器中空气的温度与外界相同， 压 强大于外界。现使活塞缓慢移动，直至容器中的空气压强与外界相同。此时，容 器中空气的温度 您填“高于” “低于”或“等于”)外界温度，容器中 空气的密度 处填“大于” “小于”或“等于”)外界空气的密度。解析由于初始时封闭在容器中的空气的压强大于外界压强，容器和活塞绝热性能良好，容器中空气与外界没有热量交换，容器中的空气推动活塞对外做 功，由热力学第一定律可知，空气内能减小。根据理想气体

7、内能只与温度有关可 知，活塞缓慢移动后容器中空气的温度降低，即容器中的空气温度低于外界温度。 因压强与气体温度和分子的密集程度有关，当容器中的空气压强与外界压强相同 时，容器中空气温度小于外界空气温度，故容器中空气的密度大于外界空气密度。答案低于大于【对点练11(2021福建适应性考试模考)一圆筒形汽缸竖直放置在水平地面上。一质量为m,横截面积为S的活塞将一定量的理想气体封闭在汽缸内，活塞可沿汽缸内壁无摩擦滑动。当活塞静止时，活塞与汽缸底部的距离为h,如图(a)所示。已知大气压强为p。，重力加速度为g0现把汽缸从图(aX犬态缓慢转到图 (b)状态，在此过程中气体温度不变，则图(b)状态下气体体

8、积为 。从图 (b)状态开始给汽缸加热，使活塞缓慢向外移动距离 I,如图(c)所示。若此过程中气体内能增量为AU,则气体吸收的热量应为 1c用(日) ffl(b) M(c)答案：hS+poSl+AU p0 1例国（2020江西省教学质量监测）已知一篮球内气体的压强为po,温度为To,体积为V。用打气筒对篮球充入压强为 po,温度为To的气体，已知打气筒1.- 每次压缩气体的体积为 Vo, 一共打气2O次，假设篮球体积不变，最终使篮球 15内气体的压强为4po0充气过程中气体向外放出的热量为 Q,已知气体的内能与温度的关系为U = kT（k为常数）。则：（1）第一次打入气体后，篮球的压强变为多少

9、？ 。认为篮球内气体温度不变）（2）打气筒在篮球充气过程中对气体做的功是多少？解析（1）第一次打入气体后，篮球内气体压强变为pi,根据玻意耳定律有:1po Vo + 15VO = pVO./日16解彳3p1 = 15po。设篮球内气体最终温度为T,根据气体状态方程知：1p0 Vo + 20X 律0 4po%To= T12解彳3T = yTo5篮球内气体内能的增量为 AU= k AT=/To根据热力学第一定律可得打气过程中，对气体所做的功为 W=Q+AU=Q+和。答案(1)那 (2)Q+ 5kTo【对点练2】（2020成都市第二次诊断）如图，封有一定质量理想气体的圆柱形汽缸竖直放置，汽缸的高度

10、H = 30 cm,缸体内底面积S= 200 cm2,缸体质量M = 10 kg。弹簧下端固定在水平桌面上，上端连接活塞，当缸内气体温度To= 280 K时，缸内气体高h=20 cm。现缓慢加热气体，使活塞最终恰好静止在缸 口 (未漏气)，此过程中缸内气体吸收热量为 Q=450 J。已知大气压恒为P0=1X105 Pa,重力加速度g取10 m/s2,不计活塞质量、厚度及活塞与缸壁的摩擦，且汽 缸底部及活塞表面始终保持水平。求：(1)活塞最终静止在缸口时，缸内气体的温度;(2)加热过程中，缸内气体内能的增加量。解析：(1)加热过程为等压变化，设缸内气体的末态温度为T,初态温度为To=280 K由

11、盖一吕萨克定律有TS=HS代入数据解得T = 420 K;设缸内气体的压强为p；对汽缸由平衡条件有 Mg + p0S= pS该过程气体对外做功 W= pS(H h) 则外界对气体做功为W= -W由热力学第一定律有 AU = W'+ Q代入数据解得AU = 240 Jo答案：(1)420 K (2)240 J*高考焦点考点二热力学第一定律与图象的结合面3 (2020攀枝花市第二次统考)如图所示，一定质量的理想气体从状态 A 依次经状态B、C和D后回到状态A,图中曲线AB、CD为反比例函数图线，直 线BC平行于V轴，直线DA平行于p轴。该理想气体经过的A-B、B-C、C-D、 D-A四个过

12、程中，气体对外放热的过程有 ;气体对外做功的过程 有;气体内能增加的过程有 o解析A-B为等温变化，AU = 0;体积减小，外界对气体做功 W>0;根 据热力学第一定律 W+ Q=AU得：Q<0,气体对外放热。B-C为等压变化过 程，体积增大，气体对外界做功 W<0;再根据理想气体状态方程 半=C知，温 度T升高，内能增大AU>0;据热力学第一定律知，气体从外界吸热。C-D为 等温变化过程，3 = 0;体积增大，气体对外界做功 W<0,根据热力学第一定 律W+ Q= AU得：Q>0,气体从外界吸热。D-A为等容变化过程，气体不做 功亚=0;压强减小，再根据理

13、想气体状态方程 pV= C知，温度T下降，内能减 小AU<0;据热力学第一定律 W+ Q=AU得：Q<0,气体对外放热。答案A-B、D-A B-C、C-D B-C【对点练3】（2021江苏省新高考适应性考试模考）某汽车的四冲程内燃机 利用奥托循环进行工作。该循环由两个绝热过程和两个等容过程组成。 一定质量 的理想气体所经历的奥托循环如图所示，则该气体 （）A.在状态a和c时的内能可能相等B.在a-b过程中，外界对其做的功全部用于增加内能C. b-c过程中增加的内能小于d-a过程中减少的内能D.在一次循环过程中吸收的热量小于放出的热量解析：选Bo从c到d为绝热膨胀，则Q=0, W&l

14、t;0,则内能减小，AU<0, 温度降低；从d到a,体积不变，压强减小，则温度降低，则状态c的温度高于 a状态温度，A错误；a-b过程为绝热压缩，外界对气体做功，W>0, Q=0, 则AU = W,即外界对其做的功全部用于增加内能，B正确；从b-c过程系统从 外界吸收热量，从c-d系统对外做功，从d-a系统放出热量，从a-b外界对 系统做功，根据p-V图象下面积即为气体做功大小可知，c到d过程气体做功： 图象中b一c一d-a围成的图形的面积为气体对外做的功，整个过程气体内能改 变量为零，则AW= AQ,即Q吸一Q放=2W>0,即在一次循环过程中吸收的热 量大于放出的热量,则b

15、-c过程中增加的内能大于d-a过程中减少的内能， 故C、D错误。【对点练4】 如p- T图所示，一定质量的理想气体从状态 a开始，经历 过程、到达状态do对此气体，下列说法不正确的是（）A.过程中，气体体积不断增大B.过程中，气体从外界吸收热量C.状态a的体积大于状态d的体积D.过程中，气体分子在单位时间内撞击容器壁上单位面积的平均次数增 加解析：选B。过程中，气体温度不变，压强减小，则气体体积不断增大，A正确；过程中，气体体积不变，温度降低，内能减小，则气体向外界放出热 量，B错误；根据pV=C可知在a、d两个状态臂=窣，可知状态a的体积大 于状态d的体积，C正确；过程中，气体压强不变，体积

16、减小，分子数密度增加，温度降低，分子平均速率减小，则气体分子在单位时间内撞击容器壁上单位 面积的平均次数增加，D正确【对点练5】 如图所示，一定质量的理想气体从状态A依次经过状态B、B-C和D-A为绝3该循环过程中，C和D后再回到状态Ao其中，A-B和C-D为等温过程, 热过程(气体与外界无热量交换)0这就是著名的“卡诺循环” 下列说法正确的是( )A. A-B过程中，气体对外界做功B. B-C过程中，气体分子的平均动能增大C. CfD过程中，单位时间内碰撞单位面积器壁的分子数减少D. D-A过程中，气体分子的速率分布曲线不发生变化解析：选Ao A-B过程中，温度不变，体积增大，气体对外界做功

17、，故A正确；B-C过程中，绝热膨胀，气体对外做功，内能减小，温度降低，气体分 子的平均动能减小，故B错误；C-D过程中,等温压缩,体积变小，分子数密 度变大，单位时间内碰撞单位面积器壁的分子数增多 ，故C错误；D-A过程中， 绝热压缩，外界对气体做功，内能增加，温度升高，分子平均动能增大，气体分 子的速率分布曲线发生变化，故D错误。I 0区础考点* 1=考点三热力学第二定律1.在热力学第二定律的表述中，“自发地” “不产生其他影响”的含义(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

18、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。2.热力学第二定律的实质：热力学第二定律的每一种表述，都揭示了大量 分子参与宏观过程的方向性，进而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。0特别提幽热量不可能自发地从低温物体传到高温物体，但在有外界影响的条件下，热量可以从低温物体传到高温物体，如电冰箱；在引起其他变化的条件下内能也可以全部转化为机械能，如气体的等温膨胀过程3.两类永动机的比较第一类永动机第二类永动机不需要任何动力或燃料，却能不断地对外做功的机器从单一热源吸收热量，使之完全变成功， 而/、产生其他影响的机器违背能量守恒定律，/、可能制成不违背能量守

19、恒定律，但违背热力学第二 定律，/、可能制成例4下列说法正确的是（）H卡金"乙/A,对物体做功不可能使物体的温度升高B. 一个由不导热的材料做成的容器，被不导热的隔板分成甲、乙两室。甲 室中装有一定质量的温度为T的气体，乙室为真空，如图所示。提起隔板，让甲 室中的气体进入乙室。若甲室中气体的内能只与温度有关，则提起隔板后当气体 重新达到平衡时，其温度仍为TC.空调机作为制冷机使用时，将热量从温度较低的室内送到温度较高的室 外，所以制冷机的工作是不遵守热力学第二定律的D.从单一热源吸收热量使之全部变成有用的机械能是不可能的解析对物体做功可使物体的内能增加，温度升高，如用打气筒打气时筒壁

20、变热，A错误；提起隔板后，气体向真空自由膨胀，不对外做功，W= 0,且Q=0,则内能不变，温度不变，仍为T, B正确；在一定条件下，热量可以由低温物体传到高温物体，但引起了其他变化，所以制冷机的工作遵守热力学第二定 律，C错误；从单一热源吸热，并使之全部变成有用功是可能的，只是会引起其 他变化，D错误。答案B【对点练6】 关于自然过程中的方向性，下列说法正确的是（）A.摩擦生热的过程是可逆的B.凡是符合能量守恒的过程一般都是可逆的C.实际的宏观过程都具有“单向性”或“不可逆性”D.空调机既能制冷又能制热，说明热传递不存在方向性解析：选Co摩擦生热的过程是不可逆的，故A错误；能量守恒具有单向性，

21、一般是不可逆的，故B错误；实际的宏观过程都具有 “单向性”或“不可 逆性”，故C正确；空调机既能制冷又能制热，并不能说明热传递不存在方向 性，而是在反向时，要引起其他方面的变化，故D错误。课后达标二知能提升t考点聋/目£学】（建议用时：25分钟）1.夏天，小明同学把自行车轮胎上的气门芯拔出的时候，会觉得从轮胎里 喷出的气体凉。如果把轮胎里的气体视为理想气体， 则关于气体喷出的过程，下 列说法正确的是（）A.气体的内能增大B.气体的内能不变C.气体来不及与外界发生热交换，对外做功，温度降低D.气体膨胀时，热量散得太快，使气体温度降低了解析：选Co气体喷出时，来不及与外界交换热量，发生绝

22、热膨胀，Q = 0, 对外做功，热力学第一定律的表达式为 W+ Q= AU,内能减少，温度降低，则C 正确。2.如图，一定量的理想气体经历了 A-B-CD-A的循环，ABCD位于矩形的四个顶点上。下列说法正确的是（）产 42以双3TJ:n0 K - F 3A.状态C的温度为2T0B.从A-B,分子的平均动能减少C.从C-D,气体密度减小D.从D-A,气体压强增大、内能减小解析：选Ao A-B过程为等压过程,则有VA= VB 1A IBiV1 V2即有示=3T0Vi 2解得V2=3一 ，Vc VdC-D过程也为等压过程，则有t；=T I C I D一 Vi V2即10=元_ V2_3解彳3 tc

23、=v；to=2T0故A正确；从A-B,温度升高,分子平均动能增大,故B错误；C-D过 程为等压变化过程，由图可知，气体体积减小，气体质量不变，则气体密度增大， 故C错误；从D-A,由图可知，气体压强增大，温度升高，气体内能增大，故 D错误。3 .一定质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V-T图象如图所示，pa、pb、pc分别表示a、b、c的压强，下列判断正 确的是（）A.状态a、b、c的压强满足pc = pb=3paB.过程a到b中气体内能不变C.过程b到c中气体吸收热量D.过程b到c中每一个分子的速率都减小解析：选Ao设a状态的压强为pa,则由理想气体

24、的状态方程可知 审=岑,I 0 3 I 0所以 pb=3pa,同理 pa 3V0= pc V0,得 pc=3pa,所以 pc= pb=3pa,故 A 正确；过 程a到b中温度升高，内能增大，故B错误；过程b到c温度降低，内能减小， 即AU<0,体积减小，外界对气体做功，W>0,则由热力学第一定律可知，Q<0, 即气体应该放出热量，故C错误；温度是分子的平均动能的标志，是大量分子 运动的统计规律，对单个的分子没有意义，所以过程bc中气体的温度降低，分 子的平均动能减小，并不是每一个分子的速率都减小，故D错误4 .如图，一定质量的理想气体从状态 a开始，经过一个逆时针循环，回到状

25、 态a。下列说法正确的是（）A.在过程ab中，气体的内能增加B.在过程ab中，气体从外界吸收热量 C.在过程bc中，气体向外界放出热量 D.在过程ca中，气体从外界吸收热量解析：选Bo在过程ab中，温度不变，则内能不变，体积增大，即气体对外界做功，即W为负，所以Q 一定为正，即一定从外界吸热，A错误，B正确;在过程bc中，体积不变，即外界对气体做功为零，温度升高，内能增大，所以 一定从外界吸收热量，C错误；在过程ca中，温度减小，即内能减小（R为负）, 体积减小，即外界对气体做功（W为正），所以Q 一定为负，即一定向外界放热，D错误5 .如图所示，一定质量的理想气体经历的状态变化为 a-b一1

26、a,其中纵坐 标表示气体压强p、横坐标表示气体体积V, a-b是以p轴和V轴为渐近线的双 曲线。状态a-b,理想气体的内能 ,状态b一c,单位时间内对单位面 积器壁碰撞的分子数 ,状态c-a,理想气体的密度 。解析：状态a-b为等温变化，所以理想气体内能不变，状态b-c为等压变 化，且体积减小，单位面积上的分子数变多，状态门a为等容变化，所以一定 质量的理想气体的密度不变。答案：不变变多不变6 . （2021重庆等级考模拟卷）如图所示，密闭导热容器 A、B的体积均为V0, A、B浸在盛水容器中，达到热平衡后，A中压强为po,温度为To, B内为真空， 将A中的气体视为理想气体。打开活栓 C,

27、A中部分气体进入Bo（1）若再次达到平衡时，水温未发生变化，求此时气体的压强；（2）若密闭气体的内能与温度的关系为W = k（T2 Ti）（k为大于0的已知常量，Ti、T2分别为气体始末状态的温度），在（1）所述状态的基础上，将水温升至 1.2T0,重新达到平衡时，求气体的压强及所吸收的热量。解析：（1）容器内的理想气体从打开 C到再次平衡时，发生等温变化，根据1玻息耳止律得p0V0=p 2V0,解得此时气体压强p = /po。(2)升高温度，理想气体发生等容变化，根据查理定律得个=昌0,解得压 强为p'= 1.2p=0.6po,温度改变，理想气体的体积不变，则外界不对理想气体做 功，

28、理想气体也不对外界做功，所以W= 0;升高温度，内能增量为AU = k(1.2T。 T0)=0.2kT0,根据热力学第一定律 AU = Q+W可知气体吸收的热量为 Q= AU =0.2kT0o答案:(1)1p0 (2)0.6p0 0.2kT07 . (2020大同市第一次联考)一定质量的理想气体，其内能跟温度成正比。在 初始状态A时，体积为V。，压强为p0,温度为T。，已知此时其内能为U0o该理 想气体从状态A经由一系列变化，最终还回到原来状态 A,其变化过程的p-T 图象如图所示，其中CA延长线过坐标原点，BA在同一竖直直线上。(1)求状态B的体积；(2)求状态C的体积；(3)从状态B经由状态C,最终回到状态A的过程中，气体与外界交换的热 量是多少？解