第12.2节能量的转化与守恒（原卷版）

第十二章热力学定律12.2能量的转化与守恒🧭目标导航知识要点难易度1.热力学第一定律：∆U=W+Q2.定性分析：根据气体状态图像变化判断做功、热交换、内能变化3.定量计算：气体膨胀做正功W=p·∆V★★★

★★★★★★📚知识精讲一、热力学第一定律1.焦耳实验：(1)绝热过程：一个系统在变化过程中，既不从外界吸热，也不向外界放热的过程，即Q=0。如果一个热学过程的状态变化发生极快、系统与外界交换的热量很少，可以近似看成绝热过程。(2)封闭系统：与外界没有物质交换，但有能量交换。(3)结论：绝热系统中，重力对P与P’所做的功总等于水和容器组成的系统增加的内能，即：∆U=W同理，只有热交换，没有做功的过程，内能的增加等于吸收的热量，即：∆U=Q热功当量：1卡的热量相当于4.2J的功。2.热力学第一定律：(1)内容：一般地，在系统与外界同时发生做功和热传递的过程中，系统内能的变化量∆U等于外界对系统所做的功W与系统从外界吸收的热量Q的代数和。(2)公式：∆U=W+Q通常，外界对系统做功时取W>0，系统对外界做功时取W<0；系统从外界吸收热量时取Q>0，系统向外界放出热量时取Q<0。3.拓展理解：(1)理想气体指温度不太低，压强不太大，即忽略分子势能的理想模型。理想气体的等温过程：内能不变。等温膨胀，吸热同时对外做功；等温压缩，对气体做功同时放热。(2)等压膨胀，对外做功W=p∆V。pV图像与V轴所围面积表示W，V增大表示气体对外做功，V减小表示外界对气体做功。循环过程形成闭合曲线，闭合曲线的面积，顺时针表示对外做功；逆时针表示外界对气体做功。(3)自由膨胀，即气体向真空中膨胀，对外不做功。(4)物体的温度升高，其内能一定增加；但物体内能增加，温度不一定升高。例如，晶体熔化时，内能增加，温度不变。二、能量守恒定律1.第一类永动机不能制成：违法能量守恒这一自然界最普适的基本定律。2.能量守恒定律：大量事实证明，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其他形式，或者从一个物体转移到其他物体，从物体的一部分转移到其他部分，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变。3.自然界存在着多种不同形式的运动，每种运动对应着一种形式的能量。机械运动机械能热运动内能化学运动化学能电荷运动电能生物运动生物能原子核内部的运动原子能能量守恒定律适用于任何物理现象和物理过程，不同形式的能量之间可以相互转化。4.能量守恒定律的特例机械能守恒定律：能量守恒在机械能范围内的表现；热力学第一定律：能量守恒在热力学范围内的表现。例1.（多选）关于物体的内能，下列说法正确的是（）A.相同质量的两种物体，升高相同的温度，内能增量一定相同B.一定量0℃的水结成0℃的冰，内能一定减少C.一定量气体体积增大，但既不吸热也不放热，内能一定减少D.一定量气体吸收热量而保持体积不变，内能一定减少例2.一定质量的理想气体在某一过程中，外界对气体做了8×104J的功，气体的内能减少了1.2×105J，则下列各式中正确的是()A．W＝8×104J，ΔU＝1.2×105J，Q＝4×104JB．W＝8×104J，ΔU＝－1.2×105J，Q＝－2×105JC．W＝－8×104J，ΔU＝1.2×105J，Q＝2×104JD．W＝－8×104J，ΔU＝1.2×105J，Q＝－4×104J🚀考点题型题型01气体状态变化的定性分析例3.一定质量的理想气体，从状态a开始，经历ab、bc、ca三个过程回到原状态，其V－T图像如图所示，其中图线ab的反向延长线过坐标原点O，图线bc平行于T轴，图线ca平行于V轴，则()A．ab过程中气体压强不变，气体从外界吸热B．bc过程中气体体积不变，气体不吸热也不放热C．ca过程中气体温度不变，气体从外界吸热D．整个变化过程中气体的内能先减少后增加例4.某汽车的四冲程内燃机利用奥托循环进行工作，该循环可视为由两个绝热过程和两个等容过程组成如图所示为一定质量的理想气体所经历的奥托循环，则该气体（）A.在a→b的过程中，外界对其做的功全部用于增加内能B.在状态a和c时气体分子的平均动能可能相等C.在b→c的过程中，气体温度不变D.在一次循环过程中气体吸收的热量小于放出的热量题型02气体状态变化的定量计算方法总结：1.综合应用气体的状态变化3个规律：等温，等容，等压，同时变化。2.注意热力学第一定律中正负号，以气体为衡量标准。物理量符号含义符号含义W＋外界对物体做功－物体对外界做功Q＋物体吸收热量－物体放出热量∆U＋内能增加－内能减少例5.如图甲所示，在竖直放置的圆柱形容器内用横截面积的质量不计且光滑的活塞密封一定质量的气体，活塞上静止一质量为m的重物。图乙是密闭气体从状态A变化到状态B的图像，密闭气体在A点的压强，从状态A变化到状态B的过程中吸收热量。已知外界大气压强，下列说法正确的是（

）A．重物质量B．气体在状态B时的体积为C．从状态A变化到状态B的过程，气体对外界做功D．从状态A变化到状态B的过程，气体的内能增加例6.在一个标准大气压下，水在沸腾时，1g的水由液态变成同温度的水蒸气，其体积由1.043cm3变为1676cm3。在物理学中，单位质量的物质在一定温度下从液态变成气态时，所吸收的热量叫作汽化热。已知水的汽化热为2263.8J/g。一个标准大气压p＝1.013×105Pa。求1g水在沸腾汽化的过程中：(1)体积膨胀时对外界做的功W；(2)吸收的热量Q；(3)增加的内能ΔU。✏️巩固练习~A组~1.关于内能的变化，以下说法正确的是()A．物体吸收热量，内能一定增大B．物体对外做功，内能一定减少C．物体吸收热量，同时对外做功，内能可能不变D．物体放出热量，同时对外做功，内能可能不变2．2022年5月15日，我国自主研发的“极目一号”Ⅲ型浮空艇创造了海拔9032米的大气科学观测世界纪录。若在浮空艇某段上升过程中，视为理想气体，艇内气体温度降低，体积和质量视为不变，则艇内气体（）A．吸收热量 B．压强增大 C．内能减小 D．对外做负功3．一池塘，从水面往下越深水温越低，一水底的鱼吐出一气泡，气泡在缓慢上浮的过程中（接近水面时气泡内的温度高于在水底的温度），关于气泡内的气体（可看作理想气体），下列说法正确的是（）A．气体的内能减小 B．气体对外做正功C．气体的压强增大 D．气体吸收的热量小于内能增加量4.将装有一定质量氧气的薄铝筒开口向下浸入20℃的水中，如图所示，缓慢推动铝筒，使其下降2m，铝筒内氧气无泄漏，不计气体分子间相互作用，则铝筒在缓慢下降过程中，氧气（）A．从外界吸热 B．对外界做正功C．向外界放热 D．内能减小5.如图所示是密闭的汽缸，外力推动活塞P压缩一定质量的理想气体，对缸内气体做功800J，同时气体向外界放热200J，缸内气体的()A．温度升高，内能增加600J B．温度升高，内能减少200JC．温度降低，内能增加600J D．温度降低，内能减少200J6.（多选）一定质量的理想气体在某一过程中，从外界吸收热量2.5×104J，气体对外界做功1.0×104J，则下列关于理想气体的说法正确的是()A．气体温度一定升高 B．气体的内能一定减少C．气体的压强一定不变 D．分子间平均距离一定增大7.如图所示，汽缸和活塞与外界均无热交换，汽缸中间有一个固定的导热性良好的隔板，封闭着两部分气体A和B，活塞处于静止平衡状态。现通过电热丝对气体A加热一段时间，后来活塞达到新的平衡。不计气体分子势能，不计活塞与汽缸壁间的摩擦，大气压强保持不变。下列判断正确的是（）A．气体A吸热，内能减少 B．气体B吸热，对外做功，内能不变C．气体A分子的平均动能增大 D．气体A和气体B内每个分子的动能都增大8.如图所示，密封的矿泉水瓶中，由于底部放置在加热装置上，距瓶底部越近，水的温度越高。一开口向下、导热良好的小瓶置于矿泉水瓶中，小瓶中封闭一段空气。轻轻挤压矿泉水瓶，使得小瓶缓慢向底部下沉，小瓶内气体不断吸热，则在小瓶逐渐下沉的过程中，小瓶内气体（）A．内能减少 B．增加的内能大于吸收的热量C．对外界做正功 D．温度升高，分子的速率都增大9.（多选）气闸舱是载人航天器中供航天员进入太空或由太空返回用的气密性装置，其原理图如图所示。座舱A与气闸舱B之间装有阀门K，座舱A中充满空气，气闸舱B内为真空。航天员从太空返回气闸舱时，打开阀门K，A中的气体进入B中，最终达到平衡。假设此过程中系统与外界没有热交换，舱内气体可视为理想气体，下列说法正确的是（）A.气体并没有对外做功，气体内能不变B.气体温度不变，体积增大，压强减小C.气体体积膨胀，对外做功，内能减小D.气体体积变大，气体分子单位时间对气缸壁单位面积碰撞的次数将变少10.某同学用如图所示的喷壶对教室进行消毒。闭合阀门K，向下压压杆A可向瓶内储气室充气，多次充气后按下按柄B打开阀门K，消毒液会自动经导管从喷嘴处喷出。设充气和喷液过程中瓶内气体温度保持不变，则（）A．喷液过程中，外界对瓶内气体做正功B．喷液过程中，瓶内气体从外界吸收热量C．充气过程中，瓶内气体的分子平均动能增大D．充气过程中，瓶内所有气体分子的速率均不变11.有一种在超市中常见的“强力吸盘挂钩”如图甲所示。图乙、图丙是其工作原理示意图。使用时，按住锁扣把吸盘紧压在墙上（如图乙），然后把锁扣扳下（如图丙），让锁扣以盘盖为依托把吸盘向外拉出，使吸盘牢牢地被固定在墙壁上，若吸盘内气体可视为理想气体，且温度始终保持不变。则此过程中（）A．吸盘内气体要吸收热量 B．吸盘内气体分子的密度增大C．吸盘被向外拉出过程中，吸盘内气体不对外界做功 D．吸盘内气体压强增大12.器壁透热的汽缸放在恒温环境中，如图所示．汽缸内封闭着一定质量的气体，气体分子间相互作用的分子力可以忽略不计．当缓慢推动活塞Q向左运动的过程中，有下列说法：①活塞对气体做功，气体的平均动能增加；②活塞对气体做功，气体的平均动能不变；③气体的单位体积内的分子数增大，压强增大；④气体的单位体积内的分子数增大，压强不变。其中正确的是()A．①③B．①④C．②③D．②④13.在研究大气现象时可把温度、压强相同的一部分气体叫做气团，气团可看做理想气体，将其作为研究对象。气团直径很大可达几千米，其边缘部分与外界的热交换相对于整个气团的内能来说非常小，可以忽略不计。气团从地面上升到高空后温度可降低到－50℃，关于气团上升过程中下列说法正确的是()A．气团体积膨胀，对外做功，内能增加，压强减小B．气团体积收缩，外界对气团做功，内能减少，压强增大C．气团体积膨胀，对外做功，内能减少，压强减小D．气团体积收缩，外界对气团做功，内能增加，压强不变14．（多选）如图所示，绝热隔板把绝热的汽缸分成体积相等的两部分，与汽缸壁的接触是光滑的，两部分中分别盛有相同质量、相同温度的同种理想气体和。现通过电热丝对气体加热一段时间后，、各自达到新的平衡，下列说法正确的是（）A．的温度升高B．的体积增大，压强变小C．加热后的分子热运动比的分子热运动更激烈D．的体积减小，压强增大15.（多选）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（）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中，外界对气体做功16．（多选）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．气体的内能不变B．气体来不及与外界发生热交换，对外做功，温度降低C．气体膨胀时，热量散得太快，使气体温度降低了D．气体分子的平均动能减小17.（多选）夏天，从湖底形成一个气泡，在缓慢上升到湖面的过程中没有破裂，如图，若越接近水面，湖内水的温度越高，大气压强没有变化，将气泡内气体看作理想气体．则上升过程中，以下说法正确的是()A．气泡内气体对外界做功 B．气泡内气体分子平均动能增大C．气泡内气体温度升高导致放热 D．气泡内气体的压强可能不变18.（多选）二氧化碳是导致“温室效应”的主要原因之一，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个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，不计温度的变化，二氧化碳可视为理想气体，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不变D．封闭气体从外界吸收热量19.用密封性好、充满气体的塑料袋包裹易碎品，如图所示，充气袋四周被挤压时，假设袋内气体与外界无热交换，则袋内气体()A．体积减小，内能增大 B．体积减小，压强减小C．对外界做负功，内能增大 D．对外界做正功，压强减小20.（多选）如图所示，绝热的容器内密闭一定质量的气体(不考虑分子间的作用力)，用电阻丝缓慢对其加热时，绝热活塞无摩擦地上升，下列说法正确的是()A．单位时间内气体分子对活塞碰撞的次数减少B．电流对气体做功，气体对外做功，气体内能可能减少C．电流对气体做功，气体对外做功，其内能可能不变D．电流对气体做功一定大于气体对外做功21．（多选）如图所示，绝热的汽缸与绝热的活塞A、B密封一定质量的理想气体后水平放置在光滑地面上，不计活塞与汽缸壁的摩擦，现用电热丝给汽缸内的气体加热，在加热过程中，下列说法正确的是（）A．汽缸仍保持静止B．活塞A、B均向左移动C．密封气体的内能一定增加D．汽缸中单位时间内作用在活塞A和活塞B上的分子个数相同22．（多选）如图所示，A、B两装置均由一支一端封闭、一端开口且带有玻璃泡的管状容器和水银槽组成，除玻璃泡在管上的位置不同外，其他条件都相同。将两管抽成真空后，开口向下竖直插入水银槽中（插入过程没有空气进入管内），水银柱上升至图示位置停止。假设这一过程水银与外界没有热交换，则下列说法正确的是（）A．A中水银的内能增量大于B中水银的内能增量B．A管内水银的重力势能大于B管的C．B中水银的内能增量大于A中水银的内能增量D．A和B中水银体积保持不变，故内能增量相同~B组~23.一定质理的理想气体变化图像如图所示，气体从1→2→3的过程对外做的功为，从外界吸收的热量为，气体内能的变化量为；气体从1→4→3的过程对外做的功为，从外界吸收的热量为，气体内能的变化量为，则它们之间的关系正确的是（）A．，， B．，，C．，， D．，，24．如图所示，一定质量的理想气体从状态A开始，经历两个过程，先后到达状态B和C。有关A、B和C三个状态温度TA、TB和TC的关系，正确的是（）A．TA＜TB，从状态A到状态B的过程中，气体的内能不变B．TA＞TB，从状态A到状态B的过程中，气体的内能减少C．TB＜TC，从状态B到状态C的过程中，气体的内能增加D．TB＞TC，从状态B到状态C的过程中，气体的内能减少25．（多选）如图所示，足够深的导热容器用导热活塞封闭定质量的理想气体，活塞下方设有两个卡口，且初态时活塞与卡口只接触不挤压，之后环境温度升高至某一恒定值，活塞再次达到稳定后在活塞上面缓慢地倾倒细沙，直到活塞重新回到卡口处。不计活塞与容器间的摩擦，则整个过程中，关于气体的图像及说法正确的是（  ）A．图甲为该过程气体的图像，气体先吸收热量后放出热量B．图乙为该过程气体的图像，气体先吸收热量后放出热量C．图丙为该过程气体的图像，气体先放出热量后吸收热量D．图丁为该过程气体的图像，气体先吸收热量后放出热量26.（多选）如图所示描述了一定质量的理想气体状态变化过程中的四个状态，图中ab的延长线过原点，则下列说法正确的是（）A．气体从状态a到b的过程，气体体积不变B．气体从状态b到c的过程，一定从外界吸收热量C．气体从状态c到d的过程，外界对气体做功D．气体从状态d到a的过程，气体的内能减小27.一气泡从湖底上升到湖面的过程中，温度不变，若将气泡内的气体视为理想气体，气泡从湖底上升到湖面的过程中，对外界做0.6J的功，则此过程中气泡________（选填“吸收”或“放出”）的热量是________J。气泡到达湖面后，温度上升的过程中，又对外界做了0.1J的功，同时吸收了0.3J的热量，则此过程中，气泡内气体内能增加了_____J。28.若只对一定质量的理想气体做1500J的功，可使其温度升高5K．若改成只用热传递的方式，使气体温度同样升高5K，那么气体吸收________J的热量。如果对该气体做了2000J的功，使其温度升高了5K，表明在该过程中，气体还________(选填“吸收”或“放出”)________J的热量。29．如图，导热性能良好的汽缸固定在水平地面上，用活塞将一定质量理想气体密闭在汽缸中，活塞与汽缸间摩擦不计，大气压强为p0。若环境温度缓慢降低10℃，活塞缓慢向左移动一段距离，汽缸内气体体积减小，则相对温度降低前，汽缸内气体对单位面积汽缸壁在单位时间内的碰撞次数___________（选填“增加”、“减少”或“不变”），汽缸内气体放出的热量___________（选填“大于“、“小于“或“等于“）。30．一定质量的理想气体经历如图所示的A→B、B→C、C→A三个变化过程，则C→A过程中气体分子平均动能________（选填“增大”或“减小”），A→B过程中________（选填“外界对气体”或“气体对外界”）做功，B→C（图中为双曲线）过程中气体的内能________（选填“增大”“减小”或“不变”）。31.如图所示，一个质量为20kg的绝热汽缸竖直放置，绝热活塞的质量为5kg，面积为0.1m2，处于静止状态时被封闭气体的高度为50cm，现在活塞上方加一15kg的物体，待稳定后，被封闭气体的高度变为40cm，求在这一过程中气体的内能增加了多少？(p0＝1.01×105Pa，g取10m/s2)32．一定质量的理想气体缓慢地经过一个逆时针循环过程，在图中这一循环过程是一个椭圆，点为该椭圆中心，如图所示。试求：（1）此气体若处在与椭圆中心点所对应的状态时，其温度为