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梳理必备知识回归教材第3讲热力学定律与能量守恒定律[填一填]回顾基础
一、功、热和内能的改变⑴在热力学系统的绝热过程中,内能的变化量AU等于外界对系统所做的功M即A U=WO⑵在绝热过程中,外界对系统做功,系统的内能增加;系统对外界做功,系统的内能减少当系统经过单纯的传热过程时一,内能的变化量AU等于外界向系统传递的热量Q,即AU二储做功时,内能与其他形式的能(如内能与机械能、内能与电能等)发生转化,而传热只是不同物体(或一个物体的不同部分)之间内能的转移
二、热力学第一定律一个热力学系统的内能变化量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和这个关系叫作热力学第一定律AU=Q+Wo故B、C错误;根据理想气体状态方程半二C,可知气体温度不变,体积增大,则压强减小,故D正确方法点拨-----------------------------------------热力学过程方向性实例黑、⑴高温物体低温物体MQT*⑶气体体积%,畀
⑥气体体积V2(较大)⑶工力能自发地完全转化为、执刀不能自发地完全转化为、黑第黑、⑷不同气体A和B混合气体ABO不能目及分岗欣考点三热力学定律和气体实验定律的综合应用[想一想]提炼核心⑴一定质量的理想气体,内能的变化完全由温度变化决定,温度升高,内能增大⑵若吸、放热和做功情况已知,可由热力学第一定律AU二W+Q来确定⑴根据气体图像的特点判断气体的温度、体积的变化情况,从而判断气体与外界的吸、放热关系及做功关系⑵在P-V图像中,图线与V轴围成的面积表示气体对外界或外界对气体做的功⑶结合热力学第一定律判断有关问题[悟嘛]典题例练[例5][盖-吕萨克定律与热力学第一定律的综合](2022•山东潍坊三模)如图所示,有一上部开口的圆柱形绝热汽缸,汽缸的高度为3L,横截面积为S,一厚度不计的轻质绝热活塞封闭1mol的单原子分子理想气体开始时活塞距汽缸底部的距离为L,气体的热力学温度为T已知外界大气lo压为po,1mol的单原子分子理想气体内能公式为U二(RT,其中R为常数,T为热力学温度现对气体缓慢加热,当活塞恰上升到汽缸顶部时,气体吸收的热量为(D)i+3p LSi+3p LS+2p LS+2p LS001010解析:活塞上升的过程封闭气体做等压变化,由盖-吕萨克定律可得9当,V尸SL,V=3SL,解得T=3T由热力学第一定律有A U二W+Q,其中A T122bT2U=-RT-T=3RT,W=-p•S-2L=-2p SL,解得Q=3RT+2p LS,故选D2110010[例6][查理定律与热力学第一定律的综合]如图所示是某气压式柱形保温瓶的结构示意简图,现倒入热水,封闭活塞a,其与液面间封闭一定质量的理想气体,此时瓶内气体温度为L,压强为po,经过一段时间温度降为丁2,忽略这一过程中气体体积的变化1求温度降为丁2时瓶内气体的压强P;⑵封闭气体温度由「降为丁2过程中,其传递的热量为Q,则气体的内能如何变化求变化量的大小八Uo解析⑴瓶内气体发生等容变化,由查理定律得§二总解得P^Poo/172,1⑵封闭气体温度由T1下降到丁2过程为等容变化过程,WR,温度降低,则气体内能减少,由热力学第一定律得W+Q=A U,解得A U=Q答案1冷p20见解析[例7][玻意耳定律与热力学第一定律的综合]某民航客机在高空飞行时,需利用空气压缩机来保持机舱内外气体压强之比为41,机舱内有一导热汽缸,活塞质量ni=2kg、横截面积S=10ck,活塞与汽缸壁之间密封良好且无摩擦客机在地面静止时,汽缸如图甲所示竖直放置,平衡时活塞与缸底相距1k8cm;客机在高度h处匀速飞行时,汽缸如图乙所示水平放置,平衡时活塞与缸底相距k=10cm汽缸内气体可o视为理想气体,机舱内温度可认为不变已知大气压强随高度的变化规律如图丙所示,地面大气压强PoX105Pa,地面重力加速度g取10m/s2o甲乙p/xl05Pa
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40.2024681012^/xlO3m丙⑴判断汽缸内气体由图甲状态到图乙状态的过程是吸热还是放热,并说明原因2求高度h处的大气压强,并根据图丙估测出此时客机的飞行高度解析1根据热力学第一定律有AU=W+Q,由于气体体积膨胀,对外做功,而温度不变,则内能保持不变,因此由题图甲状态到题图乙状态吸热⑵初态封闭气体的压强PFPo+^X105Pa,根据玻意耳定律有pLS二P2I2S,解得P2XIO Pa,机舱内、外气体压强之比为41,因此舱外气体压强P2=;P2Xl5pa,4对应题图丙可知飞行高度约为io,mo答案
(1)吸热理由见解析训练学科素养限时巩固X105Pa104m■基础题组夯基
1.(2023•重庆北倍区模拟)下列叙述和热力学定律相关,其中正确的是(D)A.第二类永动机不可能制成,是因为违背了热力学第一定律C.夏天打开电冰箱的门,可以起到室内降温作用解析:第二类永动机不可能制成,是因为违背了热力学第二定律,选项A错误;能量耗散过程中能量也是守恒的,选项B错误;电冰箱制冷机工作后,冰箱冷冻室内的蒸发器温度降低,吸收空气中的热量,而与此同时,冰箱外部的冷凝器温度升高,将热量传给空气,室内空气的热量只是被冰箱吸收后又被放出,所以室温不会下降,不可以起到室内降温作用,选项C错误;根据端增加原理,一切自发过程总是沿着分子无序性增大的方向进行,选项D正确
2.(多选)下列说法正确的是(ACD)A.理想气体在绝热膨胀过程中,其内能可以不变B.温度越高的物体,其内能也越大C.恒温池中,将玻璃杯倒扣着缓慢从空气中压入池底,将玻璃杯中的空气视为理想气体,则玻璃杯中的气体分子平均速率不变,并且将放出热量D.晶体在熔化过程中一定会吸收热量,但体积可能会减小解析当理想气体向真空绝热膨胀时,其内能不变,A正确;物体的内能除了与温度有关外,还跟物体本身的质量及体积等有关,B错误;当杯子缓慢下降时,里面气体温度不变,内能不变,又气体被压缩,故需要放出热量,C正确;晶体在熔化过程中会吸收热量,体积可能减小,如冰熔化成水的过程,故D正确
3.(2022•广东湛江模拟)(多选)一定量的理想气体从状态a变化到状态b,该气体的热力学温度T与压强p的变化关系如T_p图中从a到b的线段所示在此过程中(BC)解析:根据一定质量的理想气体状态方程与二C,可得T二图像是过原点的一条直线,所以气体做等容变化,气体不对外界做功,外界也不对气体做功,A、D错误;理想气体从状态a变化到状态b,温度降低,分子的平均动能减小,B正确;理想气体温度降低,内能减小,但气体不做功,所以气体要向外界放热,C正确
4.(2022•辽宁沈阳三模)某种气压式水枪储水罐如图所示从储水罐充气口充入气体,达到一定压强后,关闭充气口扣动扳机将阀门M打开,水即从枪口喷出若储水罐内气体可视为理想气体,在水不断喷出的过程中,罐内气体温度始终保持不变,则气体(A)解析:喷水的过程中,气体对外做功,温度保持不变,即内能不变,根据热力学第一定律A U=W+Q,可知气体从外界吸收热量,A正确,D错误;气体发生等温变化,根据玻意耳定律可知,气体体积膨胀,压强减小,B错误;温度是分子平均动能的标志,温度保持不变,因此分子平均动能不变,C错误
5.(2022•河北张家口三模)(多选)如图所示,电冰箱由压缩机、冷凝器、毛细管、蒸发器四个部分组成一个密闭的连通系统,制冷剂在连通系统内循环流经这四个部分各部分的温度和压强如图所示,则下列说法正确的是(ABD)低温低压低温高压解析根据热力学第一定律,Qi(从低温物体吸收的热量)+W(压缩机对系统做功)二Q2(向高温物体释放的热量),A正确;这一过程不是自发完成的,蒸发器和冷凝器两处的热交换方向都是从高温物体向低温物体,整个过程实现了热量从低温物体向高温物体传递,符合热力学第二定律,B正确;制冷剂在蒸发器中虽然是气体状态,但是不满足远离液化的状态,不能看成理想气体,C错误;在冷凝器中制冷剂温度降低,分子平均动能降低,分子间距从气体过渡到液体,分子势能降低,D正确
6.如图所示是一定质量的理想气体的三个不同变化过程则下列叙述正确的是(A)A.a-d过程气体的温度降低B.b-d过程气体的温度降低C.c-d过程气体的温度降低D.b-d过程气体对外界做功解析由理想气体状态方程詈C(常数),可得p二珠,可见在p,图像中,等温过程各状态对应的点都处在过原点的倾斜直线上,a-d过程,斜率减小,故温度降低,A正确;b-d过程气体的温度不变,B错误;c-d过程斜率增大,气体的温度升高,C错误;b-d过程,气体体积减小,外界对气体做功,D错误
7.如图,一定质量的理想气体从状态A变化到状态B,已知在此过程中,气体吸收了300J的热量,则该过程中气体内能变化了(A)p/(xlO5Pa)A B
0.4--O1—jo Jo—A.220J B.-220J C.380J D.-380J解析由题图可知,气体从状态A变化到状态B为等压过程,气体膨胀X105X2X10-3尸-80J,根据热力学第一定律可知,气体内能变化量为AU=Q+W=220J,故选Ao
8.喷雾器内有10L水,上部封闭有1atm的空气2L关闭喷雾阀门,用打气筒向喷雾器内再充入1atm的空气3L(设外界环境温度一定,空气可看作理想气体)o加水口I—I;水三三三,活塞晶阀门⑴当水面上方气体温度与外界温度相等时,求气体压强,并从微观上解释气体压强变化的原因⑵打开喷雾阀门,喷雾过程中封闭气体可以看成等温膨胀,此过程气体是吸热还是放热简要说明理由解析
(1)设气体初态压强为P1,体积为v末态压强为P2,体积为V,由12玻意耳定律pM二P2V2,其中Pi=l atm,Vi=2L+3L=5L,V=2L,2代入数据得p=
2.5atm2温度不变,分子平均动能不变,单位体积内分子数增加,所以压强增大⑵气体吸热等温膨胀时,气体对外做功而内能不变,根据热力学第一定律AU=Q+W可知气体吸热答案:见解析,创新题组提能
9.(2022•北京东城区三模)如图所示,质量为m的活塞将一定质量的理想气体封闭在汽缸内,活塞与汽缸之间无摩擦将汽缸放在冰水混合物中,气体达到平衡状态(图中a状态)后,在活塞上加一质量为m的祛码,经过过程I气体达到新的平衡状态(图中b状态),再将汽缸从容器中移出放到室温(27℃)中,经过过程H达到c平衡状态已知大气压强保持不变下列说法中正确的是(B)外界对系统做功时,w取正值;系统对外界做功时,W取负值外界对系统传递的热量Q取正值,系统向外界传递的热量Q取负值
三、能量守恒定律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别的物体,在转化或转移的过程中,能量的总量保持不变第一类永动机的思想违背了能量守恒定律,所以是不可能制成的
四、热力学第二定律反映宏观自然过程的上向性的定律就是热力学第二定律1克劳修斯表述:热量不能巨嵬地从低温物体传到高温物体⑵开尔文表述:不可能从单一热库吸收热量,使之完全变成功,而不产生其他影响能源的使用过程中虽然能量的总量保持守恒,但能量的品质下降了虽然能量总量不会减少,但能遮会逐步减少,因此能源是有限的资源[做一做]情境自测⑴做功和热传递的实质是相同的X rifi二二五二A.过程I中理想气体从外界吸收热量过程n中理想气体从外界吸收热量.BC.c状态与a状态相比,c状态的气体分子对活塞的作用力较小解析:过程I中理想气体体积减小,外界对气体做功,温度不变,内能不变,则气体向外界放热,选项A错误;过程II中理想气体体积变大,气体对外做功,温度升高,内能增加,则气体从外界吸收热量,选项B正确;c状态与a状态相比,c状态的温度较高,分子平均速率较大,则气体分子对活塞的作用力较大,选项C错误;理想气体在b状态的温度等于在a状态的温度,则两状态的内能相等,选项D错误
10.(2022•浙江绍兴二模)温室效应是全球变暖的重要原因之一,如图为温室效应的简化图(图中数据单位为W/m2),它展现了自然界,包括太空、大气与地表(水、陆平均)之间的能量流向与功率以及温室效应图中X为地表每单位面积转移给大气的热量功率,依据图中的资料,X的数值为(A)地球吸收射向太空地表向太空太阳辐射235的翼射195辐射「土地与海洋表面加热到平均恒温14V.解析由题图可知地表单位面积吸收热量的功率为P吸=168W/m2+324W/m=492W/此地表单位面积放出热量的功率P放=X+40W//地表温度不变,内能不变,则P吸二P放,解得X=452W/m2,故A正确,B、C、D错误
11.(2022•天津南开区模拟)喷洒酒精消毒是抗击新冠肺炎疫情的重要手段某班级用于消毒的喷壶示意图如图所示闭合阀门K,向下按压压杆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,消毒液会经导管自动从喷嘴处喷出设喷液过程中,储气室内气体温度保持不变,若储气室内气体可视为理想气体,则下列说法正确的是(C)闯门K厚杆A**3打气筒喷嘴按柄B导屋.学帖室二5^《...IZU...A.喷液过程中,储气室内气体内能减小B.喷液过程中,储气室内气体放出热量C.喷液过程中,储气室内气体分子对器壁单位面积的平均撞击力逐渐减小D.只要储气室内气体压强大于外界大气压强,消毒液就能从喷嘴喷出解析:喷液过程中,温度不变,储气室内气体内能不变,A错误;喷液过程中,气体膨胀对外做功,但内能不变,由热力学第一定律可知,储气室内气体吸收热量,B错误;由于喷液过程中温度保持不变,气体分子的平均动能不变,故分子热运动剧烈程度不变,但是气体压强变小,所以储气室内气体分子对器壁单位面积的平均撞击力逐渐减小,C正确;只有当储气室内气体压强大于外界大气压强与导管内液体压强之和,消毒液才能从喷嘴喷出,D错误
12.2022•江苏苏州模拟一定质量的理想气体,在初始状态A时,体积为Vo,压强为po,温度为Too该理想气体从状态A经由一系列变化,最终返回到原来状态A,其变化过程的V」图像如图所示其中CA延长线过坐标原点,B、A点在同一竖直线上P0\——1——1——乙1在图乙中画出图甲中理想气体从状态A经由一系列变化的p_V图像;⑵求该理想气体从状态B经由状态C回到状态A的过程中,气体向外界放出的热量解析1根据题意,由题图甲可知,B、A点在同一竖直线上,则气体由状态A到状态B为等温变化,由玻意耳定律有-3V,P V=PO BO0可得P=~P,B O气体由状态B到状态C为等容变化,由查理定律有黑二黑,3ToTQ解得Pc=P0o由于CA延长线过坐标原点,气体由状态C到状态A为等压变化,综上所述,理想气体从状态A经由一系列变化得p_V图像如图所示⑵由图线知从状态B到状态C为等容过程,外界对气体不做功,从状态C到状态A,等压变化过程,外界对气体做功为对状W=P3V-V=2V,CA OO POOO态B经状态C回到状态A,温度不变,则内能增加量为A U=0,由热力学第一定律AU=Q+W,解得Q=-W=-2p Vo,o即气体向外界放出热量为2oVooP答案1图见解析22p Voo⑵外界压缩气体做功20J,气体的内能可能不变(V)⑶给塑料瓶打气时,发现塑料瓶的温度升高,这是因为塑料瓶从外界吸热(X)⑷热机中,燃气的内能可以全部变成机械能而不引起其他变化(X)⑸热量不可能从低温物体传给高温物体(X)
2.古人发明的点火器的示意图如图所示,用牛角做套筒,木质推杆前端粘着艾绒,猛推推杆,可点燃艾绒在筒内封闭的气体被推杆压缩过程中(B)A.气体温度升高,压强不变B.气体温度升高,压强变大C.气体对外界做正功,气体内能增加D.外界对气体做正功,气体内能减少解析:封闭的气体被推杆压缩过程中,外界对气体做功,气体内能增加,温度升高,并且气体体积减小,压强增大,综上知B正确
3.(多选)下列现象中符合热力学第二定律的是(CD)A.一杯热茶在打开杯盖后,茶会自动变得更热C.桶中浑浊的泥水在静置一段时间后,泥沙下沉,上面的水变清,泥、水自动分离解析:根据热力学第二定律知,A、B错误,D正确;泥、水分离是因为泥沙所受重力大于受到的浮力,C正确提升关键能力突破考点考点一对热力学第一定律的理解和应用[想一想]提炼核心1内能的变化都要用热力学第一定律进行综合分析⑵做功情况看气体的体积:体积增大,气体对外做功,W为负;体积缩小,外界对气体做功,W为正气体向真空自发扩散过程中,气体对外界不做功⑶与外界绝热,则不发生热传递,此时QR4如果研究对象是理想气体,因理想气体忽略分子势能,所以当它的内能变化时,主要体现在分子动能的变化上,从宏观上看就是温度发生了变化⑴若过程是绝热的,则Q=0,W=AU,外界对物体做的功等于物体内能的增加⑵若过程中不做功,即归0,则Q二AU,物体吸收的热量等于物体内能的增加⑶若过程的初、末状态物体的内能不变,即△!,则W+Q=0或W二-Q,外界对物体做的功等于物体放出的热量[悟一悟]典题例练[例1][对热力学第一定律的理解](2022•北京朝阳区三模)恒温水槽中的气泡缓慢上升的过程中(D)A.压强增加,外界对气泡做功,气泡对外放热B.压强增加,气泡对外做功,气泡从外界吸热C.压强减小,外界对气泡做功,气泡对外放热D.压强减小,气泡对外做功,气泡从外界吸热解析:气泡上升过程中,外界压强降低,则气泡压强减小,气泡温度不变则内能不变,根据PM二p2V2,可知气泡的体积变大,则气泡对外界做功,根据热力学第一定律AU二Q+W=0,其中W0,可知Q0,气泡从外界吸热,故D正确,A、B、C错误[例2][公式AlW+Q的应用](2022•山东卷,5)如图所示,内壁光滑的绝热气缸内用绝热活塞封闭一定质量的理想气体,初始时气缸开口向上放置,活塞处于静止状态,将气缸缓慢转动90°过程中,缸内气体(C)A.内能增加,外界对气体做正功B.内能减小,所有分子热运动速率都减小C.温度降低,速率大的分子数占总分子数比例减少D.温度升高,速率大的分子数占总分子数比例增加解析:初始时气体的压强P尸P°+W,体积为V),温度为「;将气缸缓慢转过90后,气体的压强为P2=P,体积为V2,温度为丁2易知V2〉V1,故气体对外界做功,因气缸和活塞都是绝热的,根据热力学第一定律可得AU0,由于理想气体内能只与气体温度有关,所以「XL,选项A、D错误;内能减小,不是所有气体分子热运动速率都减小,但速率大的分子数占总分子数的比例减少,选项B错误,C正确r方法点拨---------------------------------------对一定量理想气体的内能变化,吸热还是放热及外界对气体如何做功等问题,可按下面方法判定⑴做功情况看体积体积v减小一外界对气体做功一w〉o;体积v增大f气体对外界做功f w〈o;自由膨胀fW=O⑵内能变化看温度温度T升高一内能增加一A U0;温度T降低分内能减少一A U0o⑶吸热还是放热,一般题目中会告知,或由热力学第一定律△U=Q+W,知道W和AU后确定Q考点二对热力学第二定律的理解和应用[想一想]提炼核心1“自发地”指明了热传递等热力学宏观现象的方向性,不需要借助外界提供能量的帮助2“不产生其他影响”的含义是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、做功等在产生其他影响的条件下内能可以全部转化为机械能,如气体的等温膨胀过程热力学第二定律的每一种表述,都揭示了大量分子参与的宏观过程的方向性,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力学第
一、第二定律的比较项目热力学第一定律热力学第二定律从能量守恒的角度揭示了功、由定律揭自然界中出现的宏观过热量和内能改变量三者的定量示的问题程是有方向性的关系机械能和内能不可能在不引起其他当摩擦力做功时,机械能可以内能的转变化的情况下完全变成机全部转化为内能化械能热量的传热量可以从高温物体自发传向热量不能自发地从低温递低温物体物体传向高温物体两定律的在热力学中,两者既相互独立,又互为补充,共同构成了热关系力学知识的理论基础项第一类永动机第二类永动机目设计不需要任何动力或燃料,却能从单一热源吸收热量,使之完全变要不断地对外做功的机器成功,而不产生其他影响的机器求不可能不违背能量守恒定律,违背热力制违背能量守恒定律成学第二定律的原因[悟一悟]典题例练[例3][对热力学第二定律的理解](2022•山东日照三模)下列说法正确的是(C)A.物体放出热量,其内能一定减小B.物体吸收热量,分子的平均动能一定增大D.空调既能制热又能制冷,说明自发条件下热传递可以逆向解析由热力学第一定律知,物体放出热量的同时如果外界对物体做功,物体内能可能增大或不变,A错误;由热力学第一定律知,物体吸热的同时如果在对外做功,内能可能减小,则分子平均动能减小,B错误;第二类永动机没有违反能量守恒定律,C正确;根据热力学第二定律可知,热量能够自发地从高温物体传递到低温物体,但不能自发地从低温物体传递到高温物体,在有外界做功的条件下热传递可以逆向,D错误[例4][热力学第一定律和热力学第二定律的比较](2022•辽宁沈阳三模)2022年4月16号上午,神舟十三号飞船在内蒙古东风着陆场顺利降落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中充满一定质量的空气(可视为理想气体),气闸舱B内为真空航天员从太空返回气闸舱后,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下列说法正确的是(D)B.气体对外做功,平衡后气体内能减小C.气体对外不做功,平衡后气体温度降低D.气体体积变大,平衡后压强变小解析:根据牖增加原理可知,在任何自然过程中,一个孤立系统的总燧不会减小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,所以气闸舱B中的气体不可能自发地全部回到A中,故A错误;该过程为自由扩散,没有对外做功,又因整个系统与外界没有热交换,则根据热力学第一定律AU=Q+W可知,平衡后气体内能不变,温度不变,。