内容正文:
第3节 热力学定律与能量守恒定律
链接教材·夯基固本
梳理·必备知识
1.(1)做功
2.(1)热量 (2)Q+W (3)吸收 放出 增加 减少
3.(1)转化 转移 转化 转移 不变 (3)能量守恒定律
4.(1)自发地 吸收 功 (2)热力学第二定律
激活·基本技能
1.(1)√ (2)× (3)√ (4)× (5)× (6)√
2.B [由热力学第一定律知ΔU=W+Q,则Q=ΔU-W=690 J-900 J=-210 J,故向外界放热,B正确。]
3.CD [A项违背热力学第二定律,不能发生;B项蒸汽机的能量损失不可避免,把蒸汽机的内能全部转化为机械能,违背了热力学第二定律,不能发生;C项泥、水自动分离现象,不违背热力学第二定律,只是系统的势能减少了,能发生;D项中电冰箱消耗了电能,所以不违背热力学第二定律,能发生。]
细研考点·突破题型
考点1
典例1 ABD [气体的体积不变,温度升高,则气体的内能增加,外界对气体做功为零,因此气体吸收热量,A正确;气体的体积减小,温度降低,则气体的内能减少,外界对气体做功,由热力学第一定律ΔU=W+Q,可知气体对外放热,B正确;气体的体积减小,温度升高,则气体的内能增加,外界对气体做功,由热力学第一定律ΔU=W+Q,可知Q可能等于零,即没有热量交换过程,C错误;气体的体积增大,温度不变,则气体的内能不变,气体对外界做功,由热力学第一定律ΔU=W+Q,可知Q>0,即气体吸收热量,D正确。]
典例2 A [外界对气体做功W=200 J,气体向外界放热,则Q=-100 J,根据热力学第一定律知,气体内能的增量ΔU=W+Q=200 J-100 J=100 J,即内能增加100 J。对于一定质量的理想气体,内能增加,温度必然升高,故A正确。]
典例3 解析:(1)设容器内气体初、末状态体积分别为V0、V,末状态温度为T,由盖吕萨克定律得=
其中V0=Sh,V=S
联立解得T=T0。
(2)设此过程中容器内气体吸收的热量为Q,外界对气体做的功为W,由热力学第一定律得
ΔU=Q+W
其中ΔU=C(T-T0)
W=-(mg+p0S)h
联立解得Q=(CT0+mgh+p0Sh)。
答案:(1)T0 (2)(CT0+mgh+p0Sh)
教考衔接 解析:(1)密封气体初状态的温度为T0,体积为V0=h0S
末状态的温度等于外界空气的温度,设为T1,体积为V1=(h0+d)S
由盖吕萨克定律有=
解得T1=T0。
(2)密封气体的压强p=p0+
外界对气体做的功为W=-pSd=-Sd=-(p0Sd+mgd)
由热力学第一定律有ΔU=Q+W
得出ΔU=Q-p0Sd-mgd。
答案:(1)T0 (2)Q-p0Sd-mgd
考点2
典例4 B [根据热力学第二定律可知,热机的效率不可能达到100%,现代汽车技术已经非常先进,但也不能够使气体燃烧释放的热量全部转化成机械能,A错误;气体燃烧过程符合热力学第二定律,内能无法全部用来做功以转化成机械能,B正确;气体燃烧释放的热量没有全部转化为机械能,该过程符合热力学第一定律,C错误;根据热力学第二定律可知,热机的效率不可能达到100%,发动机工作时,就算没有漏气和摩擦,也没有发动机的热量损失,燃料产生的热量也不能完全转化成机械能,D错误。]
典例5 AB [A端流出的气体分子热运动速率较小,B端流出的气体分子热运动速率较大,所以从A端流出的气体分子热运动平均速率小于从B端流出的,B正确;A端流出的气体分子热运动速率较小,B端流出的气体分子热运动速率较大,则从A端流出的气体分子平均动能小于从B端流出的气体分子平均动能,内能的多少还与分子数有关,依题意,不能得出从A端流出的气体内能一定大于从B端流出的气体内能,C错误;该装置将冷热不均的气体进行分离,喷嘴处有高压,即通过外界做功而实现的,并非自发进行的,没有违背热力学第二定律,也符合能量守恒定律,A正确,D错误。]
考点3
典例6 B [根据理想气体的状态方程=C,可知a→b气体温度升高,内能增加,即ΔU>0,且体积增大,气体对外界做功,即W<0,由热力学第一定律ΔU=W+Q,可知a→b过程中气体吸热,A错误,B正确;根据理想气体的状态方程=C,可知pV图像的坐标值的乘积反映温度,a状态和c状态的坐标值的乘积相等,而中间状态b的坐标值乘积更大,则a→c过程的温度先升高后降低,且状态b的温度最高,C错误;a→c过程气体体积增大,气体对外界做正功,即外界对气体做负功,D错误。]
变式 解析:(1)pV图像与V轴所围的面积表示气体对外界做的功Wac==4p0V0;由pV图像知Ta=Tc,故从a→c的过程中ΔU=0,因为气体对外界做功,W<0,由ΔU=W+Q知,Q>0,即气体要吸收热量,吸收的热量Q=-W=4p0V0。
(2)整个过程中气体对外界做的功等于△acd的面积,即W′=×2p0×2V0=2p0V0,又因ΔU=0,故气体吸收的热量为2p0V0。
答案:(1)4p0V0 吸收 4p0V0 (2)吸收
2p0V0
典例7 D [在状态A,对重物和活塞整体根据平衡条件有mg+p0S=pAS,解得m=2 kg,故A错误;根据题图乙可知=,即气体做等压变化,解得VB=8.0×10-3 m3,故B错误;从状态A变化到状态B的过程,气体对外界做功W=pA(VB-VA)=206 J,故C错误;根据热力学第一定律可知,从状态A变化到状态B的过程,气体的内能增加ΔU=Q-W=294 J,故D正确。]
教考衔接 解析:(1)压缩冲程中,活塞对气体做功,有
W1=F1l1=2×103×0.1 J=200 J
根据热力学第一定律,气体内能的变化量
ΔU1=W1+Q1=200 J-25 J=175 J。
(2)气体膨胀过程中,外界对气体做负功,有
W2=F2l2=-9×103×0.1 J=-900 J
根据热力学第一定律,气体内能的变化量
ΔU2=W2+Q2=-900 J-30 J=-930 J。
答案:(1)175 J (2)-930 J
即时检验·感悟高考
1.B [爬高过程中,气体的体积保持不变,则气体对外不做功,A错误;爬高过程中,气体温度降低,则气体的内能减少,B正确;根据热力学第一定律可知ΔU=W+Q,又W=0,ΔU<0,则Q<0,即气体放出热量,C错误;爬高过程中,气体的体积不变,温度降低,根据查理定律p=CT可知气体的压强减小,D错误。]
2.AD [1→2为绝热过程,Q=0,气体体积减小,外界对气体做功,W>0,由热力学第一定律ΔU=Q+W可知ΔU>0,气体内能增加,A正确;2→3为等压膨胀过程,W<0,由盖吕萨克定律可知气体温度升高,内能增加,即ΔU>0,由热力学第一定律ΔU=Q+W可知Q>0,气体从外界吸热,B错误;3→4过程为绝热过程,Q=0,气体体积增大,W<0,由热力学第一定律ΔU=Q+W可知ΔU<0,气体内能减少,C错误;4→1过程中,气体做等容变化,W=0,又压强减小,则由查理定律可知气体温度降低,内能减少,即ΔU<0,由热力学第一定律ΔU=Q+W可知Q<0,气体对外放热,D正确。]
3.AD [设初始状态下理想气体的体积为V,理想气体等压变化过程中,由盖吕萨克定律得=,解得气体增加的体积ΔV=V,C错误;理想气体等容变化过程中,气体吸收400 J的热量后温度上升100 K,则内能的增加量ΔU=400 J,因为一定质量的理想气体的内能只与温度有关,且等压变化过程气体的温度也上升100 K,所以内能的增加量也为ΔU=400 J,D正确;等压过程中由热力学第一定律得ΔU=W+Q,解得W=-200 J,即气体对外做的功为200 J,B错误;由|W|=|pΔV| 得,气体体积的增加量|ΔV|===2 L,则V=6 L,A正确。]
学科网(北京)股份有限公司
$$
第3节 热力学定律与能量守恒定律
[学习目标] 1.理解热力学第一定律,会用热力学第一定律解决相关问题。2.理解热力学第二定律,知道与热现象有关的宏观过程都具有方向性。 3.会分析有关热力学第一定律与气体实验定律的综合问题。
1.改变物体内能的两种方式
(1)____。
(2)传热。
2.热力学第一定律
(1)内容:一个热力学系统的内能变化量等于外界向它传递的____与外界对它所做的功的和。
(2)表达式:ΔU=______。
(3)ΔU=Q+W中正、负号法则
①W>0,外界对物体做功;W<0,物体对外界做功。
②Q>0,物体____热量;Q<0,物体____热量。
③ΔU>0,内能____;ΔU<0,内能____。
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____为另一种形式,或者是从一个物体____到别的物体,在____或____的过程中,能量的总量保持____。
(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。比如机械能守恒就是有条件的。
(3)第一类永动机:是不可能制成的,它违背了____________。
4.热力学第二定律
(1)两种表述
①克劳修斯表述:热量不能______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____热量,使之完全变成__,而不产生其他影响。
(2)第二类永动机:不可能制成,它违背了______________。,
1.易错易混辨析
(1)外界压缩气体做功20 J,气体的内能可能不变。 ( )
(2)给自行车打气时,发现打气筒的温度升高,这是因为打气筒从外界吸热。
( )
(3)可以从单一热库吸收热量,使之完全变成功。 ( )
(4)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。 ( )
(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。 ( )
2.(人教版选择性必修第三册改编)用活塞压缩汽缸里的空气(可看作理想气体),对汽缸里的空气做了900 J的功,气体内能增加了690 J,则此过程( )
A.气体从外界吸收热量210 J
B.气体向外界放出热量210 J
C.气体从外界吸收热量1 110 J
D.气体向外界放出热量1 110 J
3.(人教版选择性必修第三册改编)(多选)下列现象能够发生的是( )
A.一杯热茶在打开杯盖后,茶会自动变得更热
B.蒸汽机把蒸汽的内能全部转化成机械能
C.桶中混浊的泥水在静置一段时间后,泥沙下沉,上面的水变清,泥、水自动分离
D.电冰箱通电后把箱内低温物体的热量传到箱外高温物体
热力学第一定律的理解与应用
1.表达式ΔU=Q+W中正、负号的意义
符号
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
2.两个关键点
(1)一定质量的气体内能由温度唯一决定。
(2)体积增大,对外做功;体积减小,外界对气体做功。
3.三种特殊情况
(1)若过程是绝热的,则Q=0,W=ΔU,外界(物体)对物体(外界)做的功等于物体内能的增加(减少)。
(2)若过程中不做功,即W=0,则Q=ΔU,物体吸收(放出)的热量等于物体内能的增加(减少)。
(3)若在过程的初、末状态,物体的内能不变,即ΔU=0,则W+Q=0或W=-Q,外界(物体)对物体(外界)做的功等于物体放出(吸收)的热量。
[典例1] (多选)(2023·全国甲卷节选)在一汽缸中用活塞封闭着一定量的理想气体,发生下列缓慢变化过程,气体一定与外界有热量交换的过程是( )
A.气体的体积不变,温度升高
B.气体的体积减小,温度降低
C.气体的体积减小,温度升高
D.气体的体积增大,温度不变
[听课记录]
[典例2] 如图是密闭的汽缸,外力推动活塞P压缩理想气体,对缸内气体做功200 J,同时气体向外界放热100 J,缸内气体的( )
A.温度升高,内能增加100 J
B.温度升高,内能减少200 J
C.温度降低,内能增加100 J
D.温度降低,内能减少200 J
[听课记录]
[典例3] (2024·湖北卷)如图所示,在竖直放置、开口向上的圆柱形容器内用质量为m的活塞密封一部分理想气体,活塞横截面积为S,能无摩擦地滑动。初始时容器内气体的温度为T0,气柱的高度为h。当容器内气体从外界吸收一定热量后,活塞缓慢上升h再次平衡。已知容器内气体内能变化量ΔU与温度变化量ΔT的关系式为ΔU=CΔT,C为已知常量,大气压强恒为p0,重力加速度大小为g,所有温度为热力学温度。求:
(1)再次平衡时容器内气体的温度;
(2)此过程中容器内气体吸收的热量。
[听课记录]
教考衔接·链接人教版选择性必修第三册P65T3
如图所示,在竖直放置的圆柱形容器内用质量为m的活塞密封一部分气体,活塞能无摩擦地滑动,容器的横截面积为S,将整个装置放在大气压恒为p0的空气中,开始时气体的温度为T0,活塞与容器底的距离为h0,当气体从外界吸收热量Q后,活塞缓慢上升d后再次平衡。
(1)外界空气的温度是多少?
(2)在此过程中的密闭气体的内能增加了多少?
应用热力学第一定律的三点注意
(1)做功情况看气体的体积:体积增大,气体对外做功,W为负;体积减小,外界对气体做功,W为正。
(2)与外界绝热,则不与外界发生传热,此时Q=0。
(3)如果研究对象是理想气体,由于理想气体没有分子势能,所以当它的内能变化时,体现为分子平均动能的变化,从宏观上看就是温度发生了变化。
热力学第二定律的理解与应用
1.热力学第二定律的理解
(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”指明了传热的方向性,不需要借助外界提供的能量。
②“不产生其他影响”是说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。
(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。
(3)热力学过程方向性实例
①高温物体低温物体。
②功内能。
③气体体积V1(较小) 气体体积V2(较大)。
④不同气体A和B混合气体AB。
(4)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。
2.两类永动机的理解
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,而不产生其他影响的机器
违背能量守恒定律,不可能制成
不违背能量守恒定律,但违背热力学第二定律,不可能制成
[典例4] 日常生活中使用的燃油汽车,其动力来源于发动机内部的汽缸,在汽缸内,通过气体燃烧将气体的内能转化为机械能,下列说法正确的是( )
A.现代汽车技术已经非常先进,能够使气体燃烧释放的热量全部转化成机械能
B.气体燃烧过程符合热力学第二定律,内能无法全部用来做功以转化成机械能
C.气体燃烧释放的热量没有全部转化为机械能,故该过程不符合热力学第一定律
D.发动机工作时,若没有漏气和摩擦,也没有发动机的热量损失,则燃料产生的热量能够完全转化成机械能
[听课记录]
[典例5] (多选)(2022·湖南卷节选)利用“涡流效应”可实现冷热气体的分离。如图所示,一个冷热气体分离装置由喷嘴、涡流室、环形管、分离挡板和冷热两端管等构成。高压氮气由喷嘴切向流入涡流室中,然后以螺旋方式在环形管中向右旋转前进,分子热运动速率较小的气体分子将聚集到环形管中心部位,而分子热运动速率较大的气体分子将聚集到环形管边缘部位。气流到达分离挡板处时,中心部位气流与分离挡板碰撞后反向,从A端流出,边缘部位气流从B端流出。下列说法正确的是( )
A.该装置气体进出的过程既满足能量守恒定律,也满足热力学第二定律
B.A端流出的气体分子热运动平均速率一定小于B端流出的
C.A端流出的气体内能一定大于B端流出的
D.该装置气体进出的过程满足能量守恒定律,但违背了热力学第二定律
[听课记录]
热力学定律与气体图像的综合应用
1.在某一过程中,气体的p、V、T的变化可由图像直接判断或结合理想气体状态方程=C分析。
2.气体的做功情况、内能变化及吸、放热关系可由热力学第一定律分析。
(1)由体积变化分析气体做功的情况:体积膨胀,气体对外做功;气体被压缩,外界对气体做功。
(2)由温度变化判断气体内能变化:温度升高,气体内能增大;温度降低,气体内能减小。
(3)由热力学第一定律ΔU=W+Q判断气体是吸热还是放热。
(4)在p-V图像中,图像与横轴所围面积表示气体对外界或外界对气体整个过程中所做的功。
[典例6] (2022·湖北卷)一定质量的理想气体由状态a变为状态c,其过程如p-V图中a→c直线段所示,状态b对应该线段的中点。下列说法正确的是( )
A.a→b是等温过程
B.a→b过程中气体吸热
C.a→c过程中状态b的温度最低
D.a→c过程中外界对气体做正功
[听课记录]
[变式] (1)从[典例6]图像中可知,a→c的过程中,气体对外界做的功为________,气体________(选填“吸收”或“放出”)的热量为________。
(2)若气体经历从a→b→c→d→a的过程,如图所示,则整个过程中气体________(选填“吸收”或“放出”)的热量为________。
[典例7] (2024·浙江温州高三适应性考试)如图甲所示,在竖直放置的圆柱形容器内用横截面积S=100 cm2的质量不计且光滑的活塞密封一定质量的气体,活塞上静置一质量为m的重物。图乙是密闭气体从状态A变化到状态B的V-T图像,密闭气体在A点的压强pA=1.03×105 Pa,从状态A变化到状态B的过程中吸收热量Q=500 J。已知外界大气压强p0=1.01×105 Pa,g=10 m/s2,下列说法正确的是( )
A.重物质量m=1 kg
B.气体在状态B时的体积为8.0×10-2 m3
C.从状态A变化到状态B的过程,气体对外界做功202 J
D.从状态A变化到状态B的过程,气体的内能增加294 J
[听课记录]
教考衔接·链接人教版选择性必修第三册P51例题
如图所示,一台四冲程内燃机,活塞在压缩冲程某段时间内移动的距离为0.1 m,这段过程活塞对气体的压力逐渐增大,其做的功相当于2×103 N的恒力使活塞移动相同距离所做的功(图甲)。内燃机工作时汽缸温度高于环境温度,该过程中压缩气体传递给汽缸的热量为25 J。
(1)求上述压缩过程中气体内能的变化量;
(2)燃烧后的高压气体对活塞做功,气体推动活塞移动0.1 m,其做的功相当于9×103 N的恒力使活塞移动相同距离所做的功(图乙),该做功过程气体传递给汽缸的热量为30 J,求此做功过程气体内能的变化量。
1.(2023·天津卷)如图是爬山所带的氧气瓶,爬高过程中,氧气瓶里的气体体积和质量均不变,温度降低,则气体( )
A.对外做功
B.内能减少
C.吸收热量
D.压强不变
2.(多选)(2024·新课标卷)如图所示,一定量理想气体的循环由下面4个过程组成:1→2为绝热过程(过程中气体不与外界交换热量),2→3为等压过程,3→4为绝热过程,4→1为等容过程。上述四个过程是四冲程柴油机工作循环的主要过程。下列说法正确的是( )
A.1→2过程中,气体内能增加
B.2→3过程中,气体向外放热
C.3→4过程中,气体内能不变
D.4→1过程中,气体向外放热
3.(多选)(2023·山东卷)一定质量的理想气体,初始温度为300 K,压强为1×105 Pa。经等容过程,该气体吸收400 J的热量后温度上升100 K;若经等压过程,需要吸收600 J的热量才能使气体温度上升100 K。下列说法正确的是( )
A.初始状态下,气体的体积为6 L
B.等压过程中,气体对外做功400 J
C.等压过程中,气体体积增加了原体积的
D.两个过程中,气体的内能增加量都为400 J
6 / 11
学科网(北京)股份有限公司
$$