物理選修33熱力學(xué)定律與能量守恒

1、 第3講熱力學(xué)定律與能量守恒知識(shí)一熱力學(xué)第一定律1改變物體內(nèi)能的兩種方式(1)做功；(2)熱傳遞2熱力學(xué)第一定律(1)內(nèi)容：一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)能增量等于外界向它傳遞的熱量與外界對(duì)它所做的功的和(2)表達(dá)式：UQW.3UWQ中正、負(fù)號(hào)法則物理量意義符號(hào)WQU外界對(duì)物體做功物體吸收熱量?jī)?nèi)能增加物體對(duì)外界做功物體放出熱量?jī)?nèi)能減少(1)內(nèi)能的變化與做功和熱傳遞有關(guān)，只確定一個(gè)因素不能判斷內(nèi)能增加或減少(2)應(yīng)用熱力學(xué)第一定律，一定要弄清各物理量的符號(hào)知識(shí)二熱力學(xué)第二定律及微觀意義1熱力學(xué)第二定律的兩種表述(1)克勞修斯表述：熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體(2)開爾文表述：不可能從單一熱庫(kù)吸收熱量

2、，使之完全變成功，而不產(chǎn)生其他影響或表述為“第二類永動(dòng)機(jī)是不可能制成的”2用熵的概念表示熱力學(xué)第二定律在任何自然過(guò)程中，一個(gè)孤立系統(tǒng)的總熵不會(huì)減小(填“增大”或“減小”)3熱力學(xué)第二定律的微觀意義一切自發(fā)過(guò)程總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)的無(wú)序性增大的方向進(jìn)行知識(shí)三能量守恒定律和兩類永動(dòng)機(jī)1能量守恒定律能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到別的物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過(guò)程中，能量的總量保持不變2能源的利用(1)存在能量耗散和品質(zhì)下降(2)重視利用能源時(shí)對(duì)環(huán)境的影響(3)要開發(fā)新能源(如太陽(yáng)能、生物質(zhì)能、風(fēng)能、水流能等)3兩類永動(dòng)機(jī)(1)第一類永動(dòng)機(jī)：不消耗任

3、何能量，卻源源不斷地對(duì)外做功的機(jī)器違背能量守恒定律，因此不可能實(shí)現(xiàn)(2)第二類永動(dòng)機(jī)：從單一熱源吸收熱量并把它全部用來(lái)對(duì)外做功，而不引起其他變化的機(jī)器違背熱力學(xué)第二定律，不可能實(shí)現(xiàn).考點(diǎn)一熱力學(xué)第一定律的理解和應(yīng)用一、在UQW中，W表示做功情況，說(shuō)明內(nèi)能和其他形式的能可以相互轉(zhuǎn)化；Q表示吸熱或放熱的情況，說(shuō)明內(nèi)能可以從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體，而UQW是能量守恒定律的具體體現(xiàn)二、三種特殊情況1若過(guò)程是絕熱的，則Q0，WU，外界對(duì)物體做的功等于物體內(nèi)能的增加2若過(guò)程中不做功，即W0，QU，物體吸收的熱量等于物體內(nèi)能的增加3若過(guò)程的始、末狀態(tài)物體的內(nèi)能不變，即U0，則WQ0或WQ，外界對(duì)物體做的功

4、等于物體放出的熱量(2013·北京高考)下列說(shuō)法正確的是()A液體中懸浮微粒的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)稱為布朗運(yùn)動(dòng)B液體分子的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)稱為布朗運(yùn)動(dòng)C物體從外界吸收熱量，其內(nèi)能一定增加D物體對(duì)外界做功，其內(nèi)能一定減少【解析】布朗運(yùn)動(dòng)是顆粒的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，反映了液體分子的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，故A正確，B錯(cuò)誤；根據(jù)熱力學(xué)第一定律UWQ，物體從外界吸收熱量，其內(nèi)能不一定增加，物體對(duì)外界做功，其內(nèi)能也不一定減少，故C、D錯(cuò)誤【答案】A一定質(zhì)量的氣體，在從狀態(tài)1變化到狀態(tài)2的過(guò)程中，吸收熱量280 J，并對(duì)外做功120 J，試問(wèn)：(1)這些氣體的內(nèi)能發(fā)生了怎樣的變化？(2)如果這些氣體又返回原來(lái)的狀態(tài)，并放出了240

5、 J熱量，那么在返回的過(guò)程中是氣體對(duì)外界做功，還是外界對(duì)氣體做功？做功多少？【解析】(1)由熱力學(xué)第一定律可得UWQ120 J280 J160 J，氣體的內(nèi)能增加了160 J.(2)由于氣體的內(nèi)能僅與狀態(tài)有關(guān)，所以氣體從狀態(tài)2回到狀態(tài)1的過(guò)程中內(nèi)能的變化應(yīng)等于從狀態(tài)1到狀態(tài)2的過(guò)程中內(nèi)能的變化，則從狀態(tài)2到狀態(tài)1的內(nèi)能應(yīng)減少160 J，即U160 J，又Q240 J，根據(jù)熱力學(xué)第一定律得：UWQ，所以WUQ160 J(240 J)80 J，即外界對(duì)氣體做功80 J.【答案】(1)增加了160 J(2)外界對(duì)氣體做功80 J考點(diǎn)二熱力學(xué)第二定律的理解和應(yīng)用一、在熱力學(xué)第二定律的表述中，“自發(fā)地”

6、、“不產(chǎn)生其他影響”的含義1“自發(fā)地”指明了熱傳遞等熱力學(xué)宏觀現(xiàn)象的方向性，不需要借助外界提供能量的幫助2“不產(chǎn)生其他影響”的含義是發(fā)生的熱力學(xué)宏觀過(guò)程只在本系統(tǒng)內(nèi)完成，對(duì)周圍環(huán)境不產(chǎn)生熱力學(xué)方面的影響如吸熱、放熱、做功等二、熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)熱力學(xué)第二定律的每一種表述，都揭示了大量分子參與宏觀過(guò)程的方向性，進(jìn)而使人們認(rèn)識(shí)到自然界中進(jìn)行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過(guò)程都具有方向性三、熱力學(xué)過(guò)程方向性實(shí)例1高溫物體低溫物體2功熱3氣體體積V1氣體體積V2(較大)4不同氣體A和B混合氣體AB.如圖1131所示中汽缸內(nèi)盛有定量的理想氣體，汽缸壁是導(dǎo)熱的，缸外環(huán)境保持恒溫，活塞與汽缸壁的接觸是光滑的，但不漏氣

7、現(xiàn)將活塞桿與外界連接，使其緩慢地向右移動(dòng)，這樣氣體將等溫膨脹并通過(guò)桿對(duì)外做功若已知理想氣體的內(nèi)能只與溫度有關(guān)，則下列說(shuō)法正確的是()圖1131A氣體是從單一熱源吸熱，全用來(lái)對(duì)外做功，因此此過(guò)程違反熱力學(xué)第二定律B氣體從單一熱源吸熱，但并未全用來(lái)對(duì)外做功，所以此過(guò)程不違反熱力學(xué)第二定律C氣體是從單一熱源吸熱，全用來(lái)對(duì)外做功，但此過(guò)程不違反熱力學(xué)第二定律DA、B、C三種說(shuō)法都不對(duì)【解析】熱力學(xué)第二定律從機(jī)械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化過(guò)程的方向性來(lái)描述是：不可能從單一熱源吸收熱量并把它全部用來(lái)做功，而不引起其他變化本題中如果沒有外界的幫助，比如外力拉動(dòng)活塞桿使活塞向右移動(dòng)，使氣體膨脹對(duì)外做功，導(dǎo)致氣體溫度略微降低

8、，是不可能從外界吸收熱量的，即這一過(guò)程雖然是氣體從單一熱源吸熱，全用來(lái)對(duì)外做功，但引起了其他變化，所以此過(guò)程不違反熱力學(xué)第二定律【答案】C(多選)(2012·新課標(biāo)全國(guó)高考)關(guān)于熱力學(xué)定律，下列說(shuō)法正確的是()A為了增加物體的內(nèi)能，必須對(duì)物體做功或向它傳遞熱量B對(duì)某物體做功，必定會(huì)使該物體的內(nèi)能增加C可以從單一熱源吸收熱量，使之完全變?yōu)楣不可能使熱量從低溫物體傳向高溫物體E功轉(zhuǎn)變?yōu)闊岬膶?shí)際宏觀過(guò)程是不可逆過(guò)程【解析】根據(jù)熱力學(xué)第一定律UQW，A正確，B錯(cuò)誤根據(jù)熱力學(xué)第二定律，C、E正確，D錯(cuò)誤【答案】ACE考點(diǎn)三熱力學(xué)定律與氣體實(shí)驗(yàn)定律的綜合應(yīng)用圖1132(2012·山東

9、高考)如圖1132所示，粗細(xì)均勻、導(dǎo)熱良好、裝有適量水銀的U型管豎直放置，右端與大氣相通，左端封閉氣柱長(zhǎng)l120 cm(可視為理想氣體)，兩管中水銀面等高現(xiàn)將右端與一低壓艙(未畫出)接通，穩(wěn)定后右管水銀面高出左管水銀面h10 cm.(環(huán)境溫度不變，大氣壓強(qiáng)p075 cmHg)(1)求穩(wěn)定后低壓艙內(nèi)的壓強(qiáng)(用“cmHg”作單位)(2)此過(guò)程中左管內(nèi)的氣體對(duì)外界_(填“做正功”、“做負(fù)功”或“不做功”)，氣體將_(填“吸熱”或“放熱”)【解析】(1)設(shè)U型管橫截面積為S，右端與大氣相通時(shí)左管中封閉氣體壓強(qiáng)為p1，右端與一低壓艙接通后，左管中封閉氣體的壓強(qiáng)為p2，氣柱長(zhǎng)度為l2，穩(wěn)定后低壓艙內(nèi)的壓強(qiáng)

10、為p.左管中封閉氣體發(fā)生等溫變化，根據(jù)玻意耳定律得p1V1p2V2p1p0p2pphV1l1SV2l2S由幾何關(guān)系得h2(l2l1)聯(lián)立式，代入數(shù)據(jù)得p50 cmHg.(2)左管內(nèi)氣體膨脹，氣體對(duì)外界做正功，溫度不變，U0，根據(jù)熱力學(xué)第一定律，UQW且W0，所以QW0，氣體將吸熱【答案】(1)50 cmHg(2)做正功吸熱如圖1133，體積為V、內(nèi)壁光滑的圓柱形導(dǎo)熱汽缸頂部有一質(zhì)量和厚度均可忽略的活塞；汽缸內(nèi)密封有溫度為2.4T0、壓強(qiáng)為1.2p0的理想氣體，p0和T0圖1133分別為大氣的壓強(qiáng)和溫度已知：氣體內(nèi)能U與溫度T的關(guān)系為UT，為正的常量；容器內(nèi)氣體的所有變化過(guò)程都是緩慢的求：(1)

11、汽缸內(nèi)氣體與大氣達(dá)到平衡時(shí)的體積V1；(2)在活塞下降過(guò)程中，汽缸內(nèi)氣體放出的熱量Q.【解析】(1)在氣體由p1.2p0下降到p0的過(guò)程中，氣體體積不變，溫度由T2.4T0變?yōu)門1，由查理定律得在氣體溫度由T1變?yōu)門0的過(guò)程中，體積由V減小到V1，氣體壓強(qiáng)不變，由蓋呂薩克定律得，解得(2)在活塞下降過(guò)程中，活塞對(duì)氣體做的功為Wp0(VV1)在這一過(guò)程中，氣體內(nèi)能的減少量為U(T1T0)由熱力學(xué)第一定律得，汽缸內(nèi)氣體放出的熱量為QWU，解得Qp0VT0【答案】(1)V(2)p0VT0(1)理想氣體無(wú)分子勢(shì)能，只有分子動(dòng)能，一定質(zhì)量的氣體，其內(nèi)能只取決于溫度，而與體積無(wú)關(guān)(2)在氣體狀態(tài)變化過(guò)程中

12、，三個(gè)狀態(tài)參量(p、V、T)遵循理想氣體狀態(tài)方程(或C常數(shù))，判斷氣體的內(nèi)能的變化只需分析氣體的溫度，溫度升高(或降低)，內(nèi)能增大(或減小)(3)由氣體體積變化情況分析做功情況，氣體體積增大，氣體對(duì)外做功，氣體體積減小，外界對(duì)氣體做功然后由熱力學(xué)第一定律UQW確定熱量Q的正、負(fù)，判斷出吸熱、放熱.1物體的內(nèi)能增加了20 J，下列說(shuō)法中正確的是()A一定是外界對(duì)物體做了20 J的功B一定是物體吸收了20 J的熱量C一定是物體分子動(dòng)能增加了20 JD物體的分子平均動(dòng)能可能不變【解析】做功和熱傳遞都可以改變物體內(nèi)能，物體內(nèi)能改變20 J，其方式是不確定的，因此A、B錯(cuò)誤而物體內(nèi)能包括所有分子的平均動(dòng)

13、能和勢(shì)能，內(nèi)能由分子數(shù)、分子平均動(dòng)能、勢(shì)能三者決定，因此答案C錯(cuò)誤物體內(nèi)能增加20 J溫度可能不變，故平均動(dòng)能可能不變，D正確【答案】D2(多選)關(guān)于第二類永動(dòng)機(jī)，下列說(shuō)法正確的是()A沒有冷凝器，只有單一的熱源，能將從單一熱源吸收的熱量全部用來(lái)做功，而不引起其他變化的熱機(jī)叫做第二類永動(dòng)機(jī) B第二類永動(dòng)機(jī)違反了能量守恒定律，所以不可能制成 C第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成，說(shuō)明機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，內(nèi)能卻不可能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能D第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成，說(shuō)明機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，內(nèi)能卻不可能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，同時(shí)不引起其他變化【解析】根據(jù)第二類永動(dòng)機(jī)的定義可知A選項(xiàng)正確，第二類永動(dòng)機(jī)不違反能量守

14、恒定律，而是違反熱力學(xué)第二定律，所以B選項(xiàng)錯(cuò)誤機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，內(nèi)能在引起其他變化時(shí)可能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，C選項(xiàng)錯(cuò)誤，D選項(xiàng)正確【答案】AD3若一氣泡從湖底上升到湖面的過(guò)程中溫度保持不變，則在此過(guò)程中關(guān)于氣泡中的氣體，下列說(shuō)法中正確的是()A氣體分子間的作用力增大B氣體分子的平均速率增大 C氣體分子的平均動(dòng)能減小D氣體組成的系統(tǒng)的熵增加【解析】考慮氣體分子間作用力時(shí)，若分子力是引力，分子間距從r0增大，則分子力先增大后減小，A錯(cuò)誤氣泡上升過(guò)程中溫度不變，分子平均動(dòng)能不變，分子平均速率也不變，B、C錯(cuò)誤氣泡上升過(guò)程中體積膨脹，分子勢(shì)能增加，內(nèi)能增大，而對(duì)外做功，故氣體一定吸收熱量，又因?yàn)?/p>

15、溫度不變，故其熵必增加，D正確【答案】D4(2011·福建高考)一定量的理想氣體在某一過(guò)程中，從外界吸收熱量2.5×104 J，氣體對(duì)外界做功1.0×104 J，則該理想氣體的()A溫度降低，密度增大B溫度降低，密度減小C溫度升高，密度增大 D溫度升高，密度減小【解析】由UWQ可得理想氣體內(nèi)能變化U1.0×104 J2.5×104 J1.5×104 J>0，故溫度升高，A、B兩項(xiàng)均錯(cuò)因?yàn)闅怏w對(duì)外做功，所以氣體一定膨脹，體積變大，由可知密度變小，故C項(xiàng)錯(cuò)誤，D項(xiàng)正確【答案】D5如圖1134是密閉的汽缸，外力推動(dòng)活塞P壓縮氣體，對(duì)缸

16、內(nèi)氣體做功800 J，若同時(shí)氣體向外界放熱200 J，缸內(nèi)氣體的()圖1134A溫度升高，內(nèi)能增加600 JB溫度升高，內(nèi)能減少200 JC溫度降低，內(nèi)能增加600 JD溫度降低，內(nèi)能減少200 J【解析】對(duì)一定質(zhì)量的氣體，由熱力學(xué)第一定律UWQ可知，U800 J(200 J)600 J，U為正表示內(nèi)能增加了600 J，對(duì)氣體來(lái)說(shuō)，分子間距較大，分子勢(shì)能為零，內(nèi)能等于所有分子動(dòng)能的和，內(nèi)能增加，氣體分子的平均動(dòng)能增加，溫度升高，選項(xiàng)A正確【答案】A6(多選)(2011·大綱全國(guó)高考)關(guān)于一定量的氣體，下列敘述正確的是()A氣體吸收的熱量可以完全轉(zhuǎn)化為功B氣體體積增大時(shí)，其內(nèi)能一定減少

17、C氣體從外界吸收熱量，其內(nèi)能一定增加D外界對(duì)氣體做功，氣體內(nèi)能可能減少【解析】由熱力學(xué)第二定律知吸收的熱不能自發(fā)地全部轉(zhuǎn)化為功，但通過(guò)其他方法可以全部轉(zhuǎn)化為功，故A正確；氣體體積增大，對(duì)外做功，若同時(shí)伴隨有吸熱，其內(nèi)能不一定減少，B錯(cuò)誤；氣體從外界吸熱，若同時(shí)伴隨有做功，其內(nèi)能不一定增加，C錯(cuò)誤；外界對(duì)氣體做功，同時(shí)氣體放熱，其內(nèi)能可能減少，D正確【答案】AD7(2013·山東高考)下列關(guān)于熱現(xiàn)象的描述正確的一項(xiàng)是()A根據(jù)熱力學(xué)定律，熱機(jī)的效率可以達(dá)到100%B做功和熱傳遞都是通過(guò)能量轉(zhuǎn)化的方式改變系統(tǒng)內(nèi)能的C溫度是描述熱運(yùn)動(dòng)的物理量，一個(gè)系統(tǒng)與另一個(gè)系統(tǒng)達(dá)到熱平衡時(shí)兩系統(tǒng)溫度相同

18、D物體由大量分子組成，其單個(gè)分子的運(yùn)動(dòng)是無(wú)規(guī)則的，大量分子的運(yùn)動(dòng)也是無(wú)規(guī)律的【解析】根據(jù)熱力學(xué)第二定律可知，熱機(jī)不可能從單一熱源吸收熱量全部用來(lái)做功而不引起其他變化，因此，熱機(jī)的效率不可能達(dá)到100%，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；做功是通過(guò)能量的轉(zhuǎn)化改變系統(tǒng)的內(nèi)能，熱傳遞是通過(guò)能量轉(zhuǎn)移改變系統(tǒng)的內(nèi)能，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；溫度是表示熱運(yùn)動(dòng)的物理量，熱傳遞過(guò)程中達(dá)到熱平衡時(shí)，溫度相同，選項(xiàng)C正確；單個(gè)分子的運(yùn)動(dòng)是無(wú)規(guī)則的，大量分子的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)出統(tǒng)計(jì)規(guī)律，選項(xiàng)D錯(cuò)誤【答案】C8(2012·廣東高考)景頗族的祖先發(fā)明的點(diǎn)火器如圖1135所示，用牛角做套筒，木制推桿前端粘著艾絨，猛推推桿，艾絨即可點(diǎn)燃對(duì)筒內(nèi)封閉的氣體，在此壓縮過(guò)程中()圖1135A氣體溫度升高，壓強(qiáng)不變B氣體溫度升高，壓強(qiáng)變大C氣體對(duì)外界做正功，氣體內(nèi)能增加D外界對(duì)氣體做正功，氣體內(nèi)能減少【解析】筒內(nèi)封閉氣體被壓縮過(guò)程中，外界對(duì)氣體做正功由熱力學(xué)第一定律UWQ知，氣體內(nèi)能增加，溫度升高由理想氣體狀態(tài)方程C知，氣體壓強(qiáng)增大選項(xiàng)A、C、D錯(cuò)誤，選項(xiàng)B正確【答案】B9(多選)(2013·新課標(biāo)全國(guó)卷)關(guān)于一定量的氣體，下列說(shuō)法正確的是()A氣體的體積指的是該氣體的分子所能到達(dá)的空間的體積，而不是該氣體所有分子體積之和B