【先學(xué)后教新思路】2020高考物理一輪復(fù)習(xí)-教案50-熱力學(xué)定律與能量守恒

熱力學(xué)定律與能量守恒考綱解讀1.知道轉(zhuǎn)變內(nèi)能的兩種方式，理解熱力學(xué)第確定律.1．確定質(zhì)量的抱負氣體在某一過程中，外界對氣體做功7.0×104J，氣體內(nèi)能削減1.3×105J，則此過程 ()A．氣體從外界吸取熱量2.0×105JB．氣體向外界放出熱量2.0×105JC．氣體從外界吸取熱量6.0×104JD．氣體向外界放出熱量6.0×104J答案B解析依據(jù)熱力學(xué)第確定律，W＋Q＝ΔU，所以Q＝ΔU－W＝－1.3×105J－7.0×104J＝－2.0×105J，即氣體向外界放出熱量2.0×105J.2．木箱靜止于水平地面上，現(xiàn)在用一個80N的水平推力推動木箱前進10m，木箱受到的摩擦力為60N，則轉(zhuǎn)化為木箱與地面系統(tǒng)的內(nèi)能U和轉(zhuǎn)化為木箱的動能Ek分別是 ()A．U＝200J，Ek＝600JB．U＝600J，Ek＝200JC．U＝600J，Ek＝800JD．U＝800J，Ek＝200J答案B解析由于木箱在推動中受到滑動摩擦力，其與相對位移的乘積為系統(tǒng)的內(nèi)能的大小，即U＝60×10J＝600J，由能量守恒定律可得Ek＝W總－U＝80×10J－600J＝200J．故正確答案為B.考點梳理1．物體內(nèi)能的轉(zhuǎn)變(1)做功是其他形式的能與內(nèi)能的相互轉(zhuǎn)化過程，內(nèi)能的轉(zhuǎn)變量可用做功的數(shù)值來量度．(2)熱傳遞是物體間內(nèi)能的轉(zhuǎn)移過程，內(nèi)能的轉(zhuǎn)移量用熱量來量度．2．熱力學(xué)第確定律(1)內(nèi)容：一個熱力學(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它所做的功的和．(2)表達式：ΔU＝Q＋W.3．能量守恒定律(1)內(nèi)容：能量既不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消逝，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或者從一個物體轉(zhuǎn)移到別的物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中，能量的總量不變，這就是能量守恒定律．(2)任何違反能量守恒定律的過程都是不行能的，不消耗能量而對外做功的第一類永動機是不行能制成的．3.(2010·福建·28(2))如圖1所示，確定質(zhì)量的抱負氣體密封在絕熱(即與外界不發(fā)生熱交換)容器中，容器內(nèi)裝有一可以活動的絕熱活塞．今對活塞施以一豎直向下的壓力F，使活塞緩慢向下移動一段距離后，氣體的體積減小．若忽視 圖1活塞與容器壁間的摩擦力，則被密封的氣體________．(填選項前的字母)A．溫度上升，壓強增大，內(nèi)能削減B．溫度降低，壓強增大，內(nèi)能削減C．溫度上升，壓強增大，內(nèi)能增加D．溫度降低，壓強減小，內(nèi)能增加答案C解析向下壓活塞，力F對氣體做功，氣體的內(nèi)能增加，溫度上升，對活塞受力分析可得出氣體的壓強增大，故選項C正確．4．(1)下列說法中正確的是________．A．水可以浸潤玻璃，水銀不能浸潤玻璃B．熱管是利用升華和汽化傳遞熱量的裝置C．布朗運動是指在顯微鏡下直接觀看到的液體分子的無規(guī)章運動D．一般來說物體的溫度和體積變化時它的內(nèi)能都要隨之轉(zhuǎn)變(2)如圖2所示，確定質(zhì)量的某種抱負氣體由狀態(tài)A變?yōu)闋顟B(tài)B，A、B兩狀態(tài)的相關(guān)參量數(shù)據(jù)已標于壓強—體積圖象上．該氣體由A→B過程中對外做功400J，則此過程中氣體內(nèi)能增加了________J，從外界吸取了________J熱量．圖2(3)某地強風(fēng)速v＝10m/s，空氣的密度ρ＝1.3kg/m3.若通過截面積S＝400m2答案(1)AD(2)0400(3)5.2×104W解析(3)P＝eq\f(\f(1,2)ρvtSv2×20%,t)＝eq\f(1,10)ρSv3＝5.2×104W方法提煉1．在氣體狀態(tài)變化過程中，三個狀態(tài)參量(p、V、T)遵循抱負氣體狀態(tài)方程eq\f(p1V1,T1)＝eq\f(p2V2,T2)(或eq\f(pV,T)＝C)，氣體的內(nèi)能只需分析氣體的溫度，溫度上升(或降低)，內(nèi)能增大(或減小)．2．由氣體體積變化狀況分析做功狀況，氣體體積增大，氣體對外做功；氣體體積減小，外界對氣體做功．然后由熱力學(xué)第確定律ΔU＝Q＋W確定熱量Q的正、負，推斷出是吸熱還是放熱.考點對熱力學(xué)第確定律的理解及應(yīng)用1．熱力學(xué)第確定律不僅反映了做功和熱傳遞這兩種方式轉(zhuǎn)變內(nèi)能的過程是等效的，而且給出了內(nèi)能的變化量和做功與熱傳遞之間的定量關(guān)系．2．對公式ΔU＝Q＋W符號的規(guī)定符號WQΔU＋外界對物體做功物體吸取熱量內(nèi)能增加－物體對外界做功物體放出熱量內(nèi)能削減3.幾種特殊狀況(1)若過程是絕熱的，則Q＝0，W＝ΔU，外界對物體做的功等于物體內(nèi)能的增加量．(2)若過程中不做功，即W＝0，則Q＝ΔU，物體吸取的熱量等于物體內(nèi)能的增加量．(3)若過程的始末狀態(tài)物體的內(nèi)能不變，即ΔU＝0，則W＋Q＝0或W＝－Q.外界對物體做的功等于物體放出的熱量．例1確定質(zhì)量的氣體，在從狀態(tài)1變化到狀態(tài)2的過程中，吸取熱量280J，并對外做功120J，試問：(1)這些氣體的內(nèi)能發(fā)生了怎樣的變化？(2)假如這些氣體又返回原來的狀態(tài)，并放出了240J熱量，那么在返回的過程中是氣體對外界做功，還是外界對氣體做功？做功多少？解析(1)由熱力學(xué)第確定律可得ΔU＝W＋Q＝－120J＋280J＝160J，氣體的內(nèi)能增加了160J.(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的過程中內(nèi)能的變化應(yīng)等于從狀態(tài)1到狀態(tài)2的過程中內(nèi)能的變化，則從狀態(tài)2到狀態(tài)1的內(nèi)能應(yīng)削減160J，即ΔU′＝－160J，又Q′＝－240J，依據(jù)熱力學(xué)第確定律得：ΔU′＝W′＋Q′，所以W′＝ΔU′－Q′＝－160J－(－240J)＝80J，即外界對氣體做功80J.答案(1)增加了160J(2)外界對氣體做功80JΔU＝W＋Q，使用時留意符號法則(簡記為：外界對系統(tǒng)取正，系統(tǒng)對外界取負)．對抱負氣體，ΔU僅由溫度打算，W僅由體積打算，絕熱狀況下，Q＝0.突破訓(xùn)練1確定質(zhì)量的抱負氣體(分子力不計)，體積由V膨脹到V′.假如通過壓強不變的過程實現(xiàn)，對外做功大小為W1，傳遞熱量的值為Q1，內(nèi)能變化為ΔU1；假如通過溫度不變的過程來實現(xiàn)，對外做功大小為W2，傳遞熱量的值為Q2，內(nèi)能變化為ΔU2，則()A．W1>W2，Q1<Q2，ΔU1>ΔU2B．W1>W2，Q1>Q2，ΔU1>ΔU2C．W1<W2，Q1＝Q2，ΔU1>ΔU2D．W1＝W2，Q1>Q2，ΔU1>ΔU2答案B解析由熱力學(xué)第確定律：ΔU1＝W1＋Q1，ΔU2＝W2＋Q2，若通過壓強不變的過程實現(xiàn)體積膨脹，則由eq\f(pV,T)為恒量，可知溫度必定上升，對抱負氣體，內(nèi)能必定增大，ΔU1>0，W1<0，Q1>0，且|Q1|>|W1|；若通過溫度不變的過程實現(xiàn)體積膨脹，溫度不變，內(nèi)能不變，ΔU2＝0，W2<0，Q2>0，且|Q2|＝|W2|，則ΔU1>ΔU2；由于氣體對外做功的過程中，體積膨脹，通過溫度不變的方式，由eq\f(pV,T)為恒量，可知壓強必定減小，則平均壓強比通過壓強不變的過程時的壓強要小，故W1>W2，Q1>Q2，B選項正確．47．熱力學(xué)定律與抱負氣體試驗定律綜合的解題模型例3在如圖3所示的坐標系中，確定質(zhì)量的某種抱負氣體先后發(fā)生以下兩種狀態(tài)變化過程：第一種變化是從狀態(tài)A到狀態(tài)B，外界對該氣體做功為6J；其次種變化是從狀態(tài)A到狀態(tài)C，該氣體從外界吸取的熱量為9J．圖線AC的反向延長線通過坐標原點O，B、C兩狀態(tài)的溫度相同，抱負氣體的分子勢能為零．求： 圖3(1)從狀態(tài)A到狀態(tài)C的過程，該氣體對外界做的功W1和其內(nèi)能的增量ΔU1；(2)從狀態(tài)A到狀態(tài)B的過程，該氣體內(nèi)能的增量ΔU2及其從外界吸取的熱量Q2.解析(1)由題意知從狀態(tài)A到狀態(tài)C的過程，氣體發(fā)生等容變化該氣體對外界做的功W1＝0依據(jù)熱力學(xué)第確定律有ΔU1＝W1＋Q1內(nèi)能的增量ΔU1＝Q1＝9J.(2)從狀態(tài)A到狀態(tài)B的過程，體積減小，溫度上升該氣體內(nèi)能的增量ΔU2＝ΔU1＝9J依據(jù)熱力學(xué)第確定律有ΔU2＝W2＋Q2從外界吸取的熱量Q2＝ΔU2－W2＝3J.答案(1)09J(2)9J3J對于抱負氣體，可以直接依據(jù)溫度的變化來確定內(nèi)能的變化．吸、放熱不能直接確定時，則要放在最終，依據(jù)熱力學(xué)第確定律來確定．必需指出的是，一般來說系統(tǒng)對外界做功，系統(tǒng)體積膨脹；外界對系統(tǒng)做功，系統(tǒng)體積則被壓縮．但在某些特定條件下，例如氣體自由膨脹(外界為真空)時，氣體就沒有克服外力做功．另外，在推斷內(nèi)能變化時，還必需結(jié)合物態(tài)變化以及能的轉(zhuǎn)化與守恒來進行．突破訓(xùn)練2(1)我國將開展空氣中PM2.5濃度的監(jiān)測工作．PM2.5是指空氣中直徑小于2.5微米的、只能用顯微鏡觀看的懸浮顆粒物，其漂移在空中做無規(guī)章運動，很難自然沉降到地面，吸入后會進入血液對人體形成危害．礦物燃料燃燒的排放量是形成PM2.5的主要緣由．下列關(guān)于PM2.5的說法中不正確的是________．(填寫選項前的字母)A．溫度越高，PM2.5的運動越激烈B．PM2.5在空氣中的運動屬于分子熱運動C．四周大量分子對PM2.5碰撞的不平衡使其在空中做無規(guī)章運動D．提倡低碳生活削減化石燃料的使用能有效減小PM2.5在空氣中的濃度圖4(2)確定質(zhì)量的抱負氣體由狀態(tài)A經(jīng)狀態(tài)B變化到狀態(tài)C的p－V圖象如圖4所示．在由狀態(tài)A變化到狀態(tài)C的過程中，抱負氣體吸取的熱量______它對外界做的功．(填“大于”、“小于”或“等于”)．已知阿伏加德羅常數(shù)為6.0×1023mol－1，在標準狀況(壓強p0＝1atm、溫度t0＝0℃)下抱負氣體的摩爾體積都為22.4L，已知抱負氣體在狀態(tài)C時的溫度為27答案(1)B(2)等于7.3×1022個解析(2)設(shè)該抱負氣體在標準狀況下體積為V，對狀態(tài)C→標準狀況，由氣體試驗定律得eq\f(V,T0)＝eq\f(VC,TC)則V＝eq\f(3,300)×273L＝2.73L該氣體的分子數(shù)N＝eq\f(V,V0)NA＝7.3×1022個.高考題組1．(2022·廣東理綜·14)景頗族的祖先制造的點火器如圖5所示，用牛角做套筒，木制推桿前端粘著艾絨，猛推推桿，艾絨即可點燃．對筒內(nèi)封閉的氣體，在此壓縮過程中()圖5A．氣體溫度上升，壓強不變B．氣體溫度上升，壓強變大C．氣體對外界做正功，氣體內(nèi)能增加D．外界對氣體做正功，氣體內(nèi)能削減答案B解析筒內(nèi)封閉氣體被壓縮過程中，外界對氣體做正功．由熱力學(xué)第確定律ΔU＝W＋Q知，氣體內(nèi)能增加，溫度上升．由抱負氣體狀態(tài)方程eq\f(pV,T)＝C知，氣體壓強增大．選項A、C、D錯誤，選項B正確．2．(2011·廣東理綜·14)圖6為某種椅子與其升降部分的結(jié)構(gòu)示意圖，M、N兩筒間密閉了確定質(zhì)量的氣體，M可沿N的內(nèi)壁上下滑動，設(shè)筒內(nèi)氣體不與外界發(fā)生熱交換，在M向下滑動的過程中 ()圖6A．外界對氣體做功，氣體內(nèi)能增大B．外界對氣體做功，氣體內(nèi)能減小C．氣體對外界做功，氣體內(nèi)能增大D．氣體對外界做功，氣體內(nèi)能減小答案A解析M向下滑動的過程中，氣體被壓縮，外界對氣體做功，又由于與外界沒有熱交換，所以氣體內(nèi)能增大．模擬題組3．密閉有空氣的薄塑料瓶因降溫而變扁，此過程中瓶內(nèi)空氣(不計分子勢能) ()A．內(nèi)能增大，放出熱量B．內(nèi)能減小，吸取熱量C．內(nèi)能增大，對外界做功D．內(nèi)能減小，外界對其做功答案D4．某同學(xué)給四只一樣的氣球充入了質(zhì)量相同的空氣(視為抱負氣體)，分兩排并列放在光滑的水平面上，再在上面放一輕質(zhì)硬板，而后他漸漸地站到硬板上，在此過程中氣球未爆，且認為氣球中氣體溫度不變，外界對氣球中的氣體做了6J的功，則此過程中氣球______(填“吸取”或“放出”)的熱量為______J；若換上另外一個人表演時，某個氣球突然爆炸，則該氣體內(nèi)的氣體的內(nèi)能______(填“增大”或“減小”)，氣體的溫度______(填“上升”或“降低”)答案放出6減小降低(限時：30分鐘)?題組1熱力學(xué)第確定律的理解1．圖1為焦耳試驗裝置圖，用絕熱性能良好的材料將容器包好，重物下落帶動葉片攪拌容器里的水，引起水溫上升．關(guān)于這個試驗，下列說法正確的是 ()圖1A．這個裝置可測定熱功當量B．做功增加了水的熱量C．做功增加了水的內(nèi)能D．功和熱量是完全等價的，無區(qū)分答案AC解析做功和熱傳遞都可以使物體的內(nèi)能發(fā)生轉(zhuǎn)變，焦耳試驗中是通過做功來增加水的內(nèi)能，所以選項C正確；就物體內(nèi)能的轉(zhuǎn)變來說，做功和熱傳遞是等效的，這是爭辯熱功當量的前提，通過焦耳試驗可測定熱功當量，所以選項A正確；一個物體的內(nèi)能是無法測量的，而在某個過程中物體內(nèi)能的變化卻是可以測定的，熱量就是用來測定內(nèi)能變化的一個物理量，所以選項B和D都錯誤．2．(2011·重慶理綜·15)某汽車后備箱內(nèi)安裝有撐起箱蓋的裝置，它主要由汽缸和活塞組成．開箱時，密閉于汽缸內(nèi)的壓縮氣體膨脹，將箱蓋頂起，如圖2所示．在此過程中，若缸內(nèi)氣體與外界無熱交換，忽視氣體分子間相互作用，則缸內(nèi)氣體 ()圖2A．對外做正功，分子的平均動能減小B．對外做正功，內(nèi)能增大C．對外做負功，分子的平均動能增大D．對外做負功，內(nèi)能減小答案A解析氣體膨脹，氣體對外界做正功，又因氣體與外界無熱交換，由熱力學(xué)第確定律可知氣體內(nèi)能減小，因忽視氣體分子間相互作用，即不考慮分子勢能，所以分子的平均動能減小，選項A正確．3．(2010·全國Ⅱ理綜·16)如圖3，一絕熱容器被隔板K隔開成a、b兩部分．已知a內(nèi)有確定量的淡薄氣體，b內(nèi)為真空．抽開隔板K后，a內(nèi)氣體進入b，最終達到平衡狀態(tài)．在此過程中 ()A．氣體對外界做功，內(nèi)能削減 圖3B．氣體不做功，內(nèi)能不變C．氣體壓強變小，溫度降低D．氣體壓強變小，溫度不變答案BD解析因b內(nèi)為真空，所以抽開隔板后，a內(nèi)氣體可以“自發(fā)”進入b，氣體不做功．又因容器絕熱，不與外界發(fā)生熱量傳遞，依據(jù)熱力學(xué)第確定律可以推斷其內(nèi)能不變，溫度不變．由抱負氣體狀態(tài)方程可知：氣體體積增大，溫度不變，壓強必定變小，綜上可推斷B、D項正確．4.某校開展探究性課外活動，一同學(xué)用如圖4所示的裝置爭辯氣體壓強、體積、溫度三量之間的變化關(guān)系．該同學(xué)選用導(dǎo)熱良好的汽缸將其開口向下，內(nèi)有抱負氣體，并將汽缸固定不動，缸內(nèi)活塞可自由滑動且不漏氣．把一溫度計通過缸底小孔插入缸內(nèi)，插口處密封良好，活塞下掛一個沙桶，沙桶裝滿沙子時，活塞恰好靜止，現(xiàn)給沙桶底部鉆一個小洞，讓細沙漸漸漏出，外部環(huán)境溫度恒定，則()圖4A．外界對氣體做功，內(nèi)能增大B．外界對氣體做功，溫度計示數(shù)不變C．氣體體積減小，溫度計示數(shù)減小D．外界對氣體做功，溫度計示數(shù)增加答案B解析細沙漏出，汽缸內(nèi)氣體壓強增大，體積減小，外界對氣體做功；汽缸導(dǎo)熱良好，細沙漸漸漏出，外部環(huán)境溫度穩(wěn)定，氣體溫度不變，即內(nèi)能不變，選項B正確．?題組2熱力學(xué)定律與氣體試驗定律的組合應(yīng)用5.圖5是密閉的汽缸，外力推動活塞P壓縮氣體，對缸內(nèi)氣體做功800J，同時氣體向外界放熱200J，缸內(nèi)氣體的 ()圖5A．溫度上升，內(nèi)能增加600JB．溫度上升，內(nèi)能削減200JC．溫度降低，內(nèi)能增加600JD．溫度降低，內(nèi)能削減200J答案A解析對確定質(zhì)量的氣體，由熱力學(xué)第確定律ΔU＝W＋Q可知，ΔU＝800J＋(－200J)＝600J，ΔU為正表示內(nèi)能增加了600J，對氣體來說，分子間距較大，分子勢能為零，內(nèi)能等于全部分子動能的和，內(nèi)能增加，氣體分子的平均動能增加，溫度上升，選項A正確．6.如圖6所示，絕熱容器中間用隔板隔開，左側(cè)裝有氣體，右側(cè)為真空，現(xiàn)將隔板抽掉，讓左側(cè)氣體自由膨脹到右側(cè)直至平衡，在此過程中 ()圖6A．氣體對外界做功，溫度降低，內(nèi)能削減B．氣體對外界做功，溫度不變，內(nèi)能不變C．氣體不做功，溫度不變，內(nèi)能不變D．氣體不做功，溫度不變，內(nèi)能削減答案C解析氣體向真空膨脹，不對外做功，容器絕熱，氣體內(nèi)能不變．7.固定的水平汽缸內(nèi)由活塞B封閉著確定量的抱負氣體，氣體分子之間的相互作用力可以忽視．假設(shè)汽缸壁的導(dǎo)熱性能很好，環(huán)境的溫度保持不變．若用外力F將活塞B緩慢地向右拉動，如圖7所示，則在拉動活塞的過程中，關(guān)于汽缸內(nèi)氣體的下列結(jié)論，其中正確的是 ()圖7A．氣體對外做功，氣體內(nèi)能不變B．氣體對外做功，氣體內(nèi)能減小C．外界對氣體做功，氣體內(nèi)能不變D．氣體從外界吸熱，氣體內(nèi)能減小答案A解析因汽缸導(dǎo)熱性能良好，故氣體溫度等于環(huán)境溫度，因環(huán)境溫度不變，故氣體溫度不變，內(nèi)能不變；又由于氣體體積增大，故氣體對外做功，所以選項A正確．8．(2011·山東理綜·36)氣體溫度計結(jié)構(gòu)如圖8所示．玻璃測溫泡A內(nèi)充有抱負氣體，通過細玻璃管B和水銀壓強計相連．開頭時A處于冰水混合物中，左管C中水銀面在O點處，右管D中水銀面高出O點h1＝14cm，后將A放入待測恒溫槽中，上下移動D，使C中水銀面仍在O點處，測得D中水銀面高出O點h2＝44cm.(已知外界大氣壓為1個標準大氣壓，1標準大氣壓相當于76cmHg)(1)求恒溫槽的溫度．(2)此過程A內(nèi)氣體內(nèi)能________(填“增大”或“減小”)，氣體不對外做功，氣體將________(填“吸熱”或“放熱”)．圖8答案(1)364K(或91℃(2)增大吸熱解析(1)設(shè)恒溫槽的溫度為T2，由題意知T1＝273KA內(nèi)氣體發(fā)生等容變化，依據(jù)查理定律得eq\f(p1,T1)＝eq\f(p2,T2)①p1＝p0＋ph1②p2＝p0＋ph2③聯(lián)立①②③式，代入數(shù)據(jù)得T2＝364K(或91℃(2)內(nèi)能增大，氣體將吸熱9．(1)下列說法正確的是 ()A．晶體和非晶體在確定條件下可以相互轉(zhuǎn)化B．布朗運動是由于液體分子撞擊的不平衡引起的C．0℃的冰溶化成0D．用油膜法測定油酸分子直徑時，用一滴油酸酒精溶液的體積除以油膜的面積就得到油酸分子的直徑(2)某冰箱冷藏室容積為V，已知此狀態(tài)下空氣的摩爾體積為Vmol，阿伏加德羅常數(shù)為NA，則該冷藏室內(nèi)有________個空氣分子，空氣分子間的平均距離為________．圖9(3)如圖9所示的導(dǎo)熱汽缸固定于水平面上，缸內(nèi)用活塞密封確定質(zhì)量的抱負氣體，外界大氣壓強保持不變．現(xiàn)使汽缸內(nèi)氣體溫度由27℃緩慢上升到87①缸內(nèi)氣體從外界吸取了多少熱量？②升溫后缸內(nèi)氣體體積是升溫前氣體體積的多少倍？答案(1)AB(2)eq\f(VNA,Vmol)eq\r(3,\f(Vmol,NA))(3)