【物理】2018届一轮复习人教版 热力学定律与能量守恒定律 学案 10页

1.知道改变内能的两种方式，理解热力学第一定律. 2.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. 3.掌握能量守恒定律及其应用． 一、热力学第一定律 1．改变物体内能的两种方式 (1)做功；(2)热传递。 2．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：ΔU＝Q＋W。 (3)ΔU＝Q＋W 中正、负号法则： W Q ΔU ＋ 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 减少 二、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，或者是 从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变。 2．条件性 能量守恒定律是自然界的普遍规律，某一种形式的能是否守恒是有条件的。 3．第一类永动机是不可能制成的，它违背了能量守恒定律。 知识点三、热力学第二定律 1．热力学第二定律的两种表述 (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“第二类永动机是不可能制成的”。 2．用熵的概念表示热力学第二定律：在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减 小。 3．热力学第二定律的微观意义 一切自发过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行。 4．第二类永动机不可能制成的原因是违背了热力学第二定律。 高频考点一　热力学第一定律与能量守恒定律 例 1．(多选)下列说法中正确的是(　　) A．尽管技术不断进步，但热机的效率仍不能达到 100%，而制冷机却可以使温度降到 热力学零度 B．雨水没有透过布雨伞是液体表面张力的作用导致的 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．空气的相对湿度定义为水的饱和蒸汽压与相同温度时空气中所含水蒸气压强的比值 E．悬浮在液体中的微粒越大，在某一瞬间撞击它的液体分子数越多，布朗运动越不明 显 答案：　BCE 【变式探究】一定质量的理想气体经历如图 A→B→C→D→A 所示循环过程，该过程每 个状态视为平衡态。已知 A 态的温度为 27 ℃。求： (1)B 态的温度 TB。 (2)一次循环过程气体与外界的热交换 Q 为多少？是吸热还是放热？ 解析：　(1)由图象得 VA＝3 L， TA＝t＋273 K＝300 K VB＝4 L A 到 B 等压变化，由盖­吕萨克定律得： VA TA＝VB TB， 代入数据解得：TB＝400 K， 即 t＝127 ℃ (2)从 A 态又回到 A 态的过程温度不变，所以内能不变。 A 到 B 气体对外做功 W1＝pA·ΔV＝100 J C 到 D 外界对气体做功 W2＝pC·ΔV＝75 J 外界对气体做的总功 W＝W2－W1＝－25 J 由热力学第一定律 ΔU＝W＋Q 解得：Q＝25 J，Q 为正，表示吸热。 答案：　(1)127 ℃　(2)25 J　吸热 高频考点二　热力学第二定律 例 2．(多选)下列叙述和热力学定律相关，其中正确的是(　　) A．第一类永动机不可能制成，是因为违背了能量守恒定律 B．能量耗散过程中能量不守恒 C．电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界，违背了热力学第二定律 D．能量耗散是从能量转化的角度反映出自然界中的宏观过程具有方向性 E．物体从单一热源吸收的热量可全部用于做功 答案：　ADE 【变式探究】地球上有很多的海水，它的总质量约为 1.4×1018 吨，如果这些海水的温度 降低 0.1°C，将要放出 5.8×1023 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(　　) 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 答案　C 解析　内能可以转化成机械能，如热机，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，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，C 正确． 【举一反三】关于热力学定律，下列说法正确的是(　　) A．为了增加物体的内能，必须对物体做功或向它传递热量 B．对某物体做功，必定会使该物体的内能增加 C．可以从单一热源吸收热量，使之完全变为功 D．不可能使热量从低温物体传向高温物体 E．机械能转化为内能的实际宏观过程是不可逆过程 答案：　ACE 高频考点三　热力学定律与气体实验定律的综合 例 3．[2016·全国甲卷·33(1)] (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 p ­T 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________。 (填正确答案标号) 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：　由理想气体状态方程pV T ＝C 得， p＝C VT，由图象可知，Va＝Vc，选项 A 正确； 理想气体的内能只由温度决定，而 Ta＞Tc，故气体在状态 a 时的内能大于在状态 c 时的内能， 选项 B 正确；由热力学第一定律 ΔU＝Q＋W 知，cd 过程温度不变，内能不变，则 Q＝－ W，选项 C 错误；da 过程温度升高，即内能增大，则吸收的热量大于对外做的功，选项 D 错误；bc 过程和 da 过程互逆，则做功相同，选项 E 正确。 答案：　ABE 【举一反三】我国“蛟龙”号深海探测船载人下潜超过七千米，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．某同学利用该数据来研 究气体状态随海水深度的变化．如图 2 所示，导热良好的汽缸内封闭一定质量的气体，不计 活塞的质量和摩擦，汽缸所处海平面的温度 T0＝300 K，压强 p0＝1 atm，封闭气体的体积 V0 ＝3 m3.如果将该汽缸下潜至 990 m 深处，此过程中封闭气体可视为理想气体． 图 2 ①求 990 m 深处封闭气体的体积(1 atm 相当于 10 m 深的海水产生的压强)． ②下潜过程中封闭气体________(填“吸热”或“放热”)，传递的热量________(填“大于”或“小 于”)外界对气体所做的功． 答案　①2.8×10－2 m3　②放热　大于 【变式探究】如图 3 所示，一粗细均匀、导热良好、装有适量水银的 U 形管竖直放置， 右端与大气相通，左端封闭气柱长 l1＝20 cm(可视为理想气体)，两管中水银面等高．现将右 端与一低压舱(未画出)接通，稳定后右管水银面高出左管水银面 h＝10 cm.(环境温度不变， 大气压强 p0＝75 cmHg) 图 3 (1)求稳定后低压舱内的压强(用“cmHg”做单位)． (2)此过程中左管内的气体对外界________(填“做正功”“做负功”或“不做功”)，气体将 ________(填“吸热”或“放热”)． 答案　(1)50 cmHg　(2)做正功　吸热 解析　(1)设 U 形管横截面积为 S，右端与大气相通时，左管中封闭气体的压强为 p1， 右端与一低压舱 (2)左管内气体膨胀，气体对外界做正功，温度不变，ΔU＝0，根据热力学第一定律 ΔU＝ Q＋W 且 W<0，所以 Q＝－W>0，气体将吸热． 【举一反三】如图 4 所示，厚度和质量不计、横截面积为 S＝10 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 T0＝300 K，压强为 p＝0.5×105 Pa，活塞与汽缸底的距离为 h＝ 10 cm，活塞可在汽缸内无摩擦滑动且不漏气，大气压强为 p0＝1.0×105 Pa.求： 图 4 (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 Q＝7 J，内能增加了 ΔU＝5 J，整过程活塞都在汽缸内，求 T 的值． 答案　(1)50 N　(2)720 K 解析　(1)对汽缸受力分析，由平衡条件有 FN＋pS＝p0S， 得 FN＝(p0－p)S＝50 N. (2)设温度升高至 T 时，活塞与汽缸底的距离为 H，则气体对外界做功 W＝p0ΔV＝p0S(H －h)， 由热力学第一定律得 ΔU＝Q－W. 解得 H＝12 cm 气体温度从 T0 升高到 T 的过程，由理想气体状态方程，得pSh T0 ＝p0SH T . 解得 T＝p0H ph T0＝720 K. 1．图 1 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 向下滑动的过程中(　　) 图 1 A．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 答案　A 解析　在 M 向下滑动的过程中，气体体积缩小，外界对气体做功，气体不与外界发生 热交换，再根据热力学第一定律知，气体内能增大，故正确答案为 A. 2．下列说法正确的是(　　) A．气体的内能是所有分子热运动的动能和分子势能之和 B．气体的温度变化时，其分子平均动能和分子势能也随之改变 C．功可以全部转化为热，但热量不能全部转化为功 D．热量能自发地从高温物体传递到低温物体，也能自发地从低温物体传递到高温物体 答案　A 3．如图 2 所示，固定在水平面上的汽缸内封闭着一定质量的理想气体，汽缸壁和活塞 绝热性能良好，汽缸内气体分子间相互作用的势能忽略不计，则以下说法正确的是(　　) 图 2 A．使活塞向左移动，汽缸内气体对外界做功，内能减少 B．使活塞向左移动，汽缸内气体内能增大，温度升高 C．使活塞向左移动，汽缸内气体压强减小 D．使活塞向左移动，汽缸内气体分子无规则运动的平均动能减小 答案　B 解析　使活塞向左移动，外界对缸内气体做功，故 W0，汽缸壁和活塞的绝热性能良 好，由热力学第一定律：ΔU＝W＋Q 得，汽缸内气体的内能增大，所以缸内气体温度升高， 所以汽缸内气体分子的平均动能增大，压强增大，故 B 正确，A、C、D 错误． 4．如图 3 所示，一演示用的“永动机”转轮由 5 根轻杆和转轴构成，轻杆的末端装有用 形状记忆合金制成的叶片．轻推转轮后，进入热水的叶片因伸展而“划水”，推动转轮转 动．离开热水后，叶片形状迅速恢复，转轮因此能较长时间转动．下列说法正确的是(　　) 图 3 A．转轮依靠自身惯性转动，不需要消耗外界能量 B．转轮转动所需能量来自形状记忆合金自身 C．转动的叶片不断搅动热水，水温升高 D．叶片在热水中吸收的热量一定大于在空气中释放的热量 答案　D 解析　由能量守恒定律可知，A、B 错误；C 选项是水对转轮做功，同时水向四周放出 热量，所以水温降低；由热力学第二定律可知，D 正确． 5．如图 6 是某喷水壶示意图．未喷水时阀门 K 闭合，压下压杆 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，水会自动经导管从喷嘴处喷出．储气室内气体可视为 理想气体，充气和喷水过程温度保持不变．则(　　) 图 6 A．充气过程中，储气室内气体内能增大 B．充气过程中，储气室内气体分子平均动能增大 C．喷水过程中，储气室内气体放热 D．喷水过程中，储气室内气体压强增大 答案　A 6．(多选)一定质量的理想气体分别在 T1、T2 温度下发生等温变化，相应的两条等温线 如图 7 所示，T2 对应的图线上 A、B 两点表示气体的两个状态，则(　　) 图 7 A．温度为 T1 时气体分子的平均动能比 T2 时大 B．A 到 B 的过程中，气体内能增加 C．A 到 B 的过程中，气体从外界吸收热量 D．A 到 B 的过程中，气体分子单位时间内对器壁单位面积上的碰撞次数减少 答案　ACD 7．若一气泡从湖底上升到湖面的过程中温度保持不变，则在此过程中，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，对外界做了 0.6 J 的功，则此过程中 的气泡________(填“吸收”或“放出”)的热量是________J．气泡到达湖面后，气泡中的气体温 度上升，又对外界做了 0.1 J 的功，同时吸收了 0.3 J 的热量，则此过程中，气泡内气体内能 增加了________J. 答案　吸收　0.6　0.2 解析　气泡从湖底上升到湖面的过程中，体积变大，根据热力学第一定律 ΔU＝Q＋W， 对外界做功 W＝－0.6 J，内能增量 ΔU＝0，热量为 Q＝0.6 J，说明气体从外界吸热；到达湖 面后，对外界做功 W′＝－0.1 J，热量为 Q′＝0.3 J，内能增量 ΔU′＝0.2 J. 8．如图 9 所示，一个绝热的汽缸竖直放置，内有一个绝热且光滑的活塞，中间有一个 固定的导热性能良好的隔板，隔板将汽缸分成两部分，分别密封着两部分理想气体 A 和 B. 活塞的质量为 m，横截面积为 S，与隔板相距 h.现通过电热丝缓慢加热气体，当 A 气体吸收 热量 Q 时，活塞上升了 h，此时气体的温度为 T1.已知大气压强为 p0，重力加速度为 g. 图 9 (1)加热过程中，若 A 气体内能增加了 ΔU1，求 B 气体内能增加量 ΔU2. (2)现停止对气体加热，同时在活塞上缓慢添加砂粒，当活塞恰好回到原来的位置时 A 气体的温度为 T2.求此时添加砂粒的总质量 Δm. 答案　(1)Q－(mg＋p0S)h－ΔU1　(2)(2T2 T1 －1)(Sp0 g ＋m) 9．如图 6 所示，针管中气体的体积为 V0、压强为 p0；用力压活塞，使气体的体积减小 了 ΔV.若针管中的气体可视为理想气体，其质量、温度在压缩前后均不变． 图 6 (1)求压缩前后，气体压强的变化量 Δp. (2)压缩过程中，气体是吸热还是放热，内能如何变化？ 答案　(1) p0ΔV V0－ΔV　(2)放热　内能不变 解析　(1)由于针管中的气体是质量、温度均不变的理想气体，由玻意耳定律，有： p0V0＝(p0＋Δp)(V0－ΔV) 解得 Δp＝ p0ΔV V0－ΔV (2)由于气体的温度不变，则内能不变．压缩过程，外界对气体做功，而内能又不变， 由热力学第一定律 ΔU＝Q＋W 知，气体放热． 10．一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 p－V 图象如图 7 所示．已知该气体在状态 A 时的温度为 27 ℃.求： 图 7 (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． 答案　(1)－173 ℃　(2)吸收热量 200 J (2)B→C 过程，由盖－吕萨克定律有VB TB＝VC TC 得 TC＝300 K 所以 tC＝TC－273 ℃＝27 ℃ 由于状态 A 与状态 C 温度相同，气体内能相等，而 A→B 过程是等容变化，气体对外不 做功，B→C 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．Q＝pΔV＝1×105×(3×10－3－1×10－3) J＝200 J.