第37講 熱力學(xué)定律與能量守恒解密考綱理解熱力學(xué)第一定律，知道改變內(nèi)能的兩種方式；知道與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀物理過(guò)程的方向性，了解熱力學(xué)第二定律；掌握能量守恒定律及應(yīng)用1(2019·清遠(yuǎn)高三期末)(多選)下列判斷正確的是()A一定質(zhì)量的氣體等溫膨脹時(shí)，氣體分子單位時(shí)間對(duì)氣缸壁單位面積碰撞的次數(shù)將變少B滿(mǎn)足能量守恒定律的宏觀過(guò)程都可以自發(fā)地進(jìn)行C一定質(zhì)量的理想氣體的壓強(qiáng)、體積都增大時(shí)，一定從外界吸收熱量D物體溫度升高時(shí)，物體內(nèi)所有分子的速率都一定增大E天然石英表現(xiàn)為各向異性，是由于該物質(zhì)的微粒在空間上有規(guī)則的排列ACE解析 氣體做等溫膨脹，分子密度減小，氣體分子單位時(shí)間對(duì)氣缸壁單位面積碰撞的次數(shù)將變少，選項(xiàng)A正確；根據(jù)熱力學(xué)第二定律，熱量可以自發(fā)地從高溫物體傳到低溫物體，但不會(huì)自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體，而不引起其他方面的變化，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；一定質(zhì)量的理想氣體，當(dāng)它的壓強(qiáng)、體積都增大時(shí)，根據(jù)氣體方程得溫度增大，所以其內(nèi)能一定增加，選項(xiàng)C正確；溫度是分子平均動(dòng)能的標(biāo)志，物體溫度升高時(shí)，物體內(nèi)的分子平均動(dòng)能增大，但是個(gè)別分子速率可能減小，選項(xiàng)D錯(cuò)誤；天然石英表現(xiàn)為各向異性，是由于該物質(zhì)的微粒在空間上有規(guī)則的排列，選項(xiàng)E正確2(2019·內(nèi)蒙古集寧一中高三期末)(多選)下列說(shuō)法正確的是()A氣體的體積指的是氣體的分子所能夠到達(dá)的空間的體積，而不是該氣體所有分子的體積之和B理論上，第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)并不違背能量守恒定律，所以隨著人類(lèi)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)是有可能研制成功的C外界對(duì)氣體做功時(shí)，其內(nèi)能可能會(huì)減少D給自行車(chē)打氣，越打越困難主要是因?yàn)樘?nèi)氣體壓強(qiáng)增大，而與分子間的斥力無(wú)關(guān)ACD解析 氣體的體積指的是氣體的分子所能夠到達(dá)的空間的體積，而不是該氣體所有分子的體積之和，主要是因?yàn)闅怏w分子間空隙很大，故選項(xiàng)A正確；理論上，第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)并不違背能量守恒定律，但違反熱力學(xué)第二定律，第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)無(wú)法制成，故選項(xiàng)B錯(cuò)誤；外界對(duì)氣體做功時(shí)，如果同時(shí)向外界放熱，內(nèi)能可能減少，故選項(xiàng)C正確；給自行車(chē)打氣，越打越困難主要是因?yàn)樘?nèi)氣體壓強(qiáng)增大，與分子間的斥力無(wú)關(guān)，故選項(xiàng)D正確3根據(jù)你學(xué)過(guò)的熱力學(xué)中的有關(guān)知識(shí)，下列說(shuō)法正確的是()A機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，內(nèi)能也可以全部用來(lái)做功轉(zhuǎn)化成機(jī)械能B凡與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過(guò)程都具有方向性，在熱傳遞中，熱量只能從高溫物體傳遞給低溫物體，而不能從低溫物體傳遞給高溫物體C盡管科技不斷進(jìn)步，熱機(jī)的效率仍不能達(dá)到100%，制冷機(jī)卻可以使溫度降到293 D第一類(lèi)永動(dòng)機(jī)違背能量守恒定律，第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)不違背能量守恒定律，隨著科技的進(jìn)步和發(fā)展，第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)可以制造出來(lái)A解析 機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，而內(nèi)能在引起其他變化時(shí)也可以全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，選項(xiàng)A正確；凡與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過(guò)程都具有方向性，在熱傳遞中，熱量可以自發(fā)地從高溫物體傳遞給低溫物體，也能從低溫物體傳遞給高溫物體，但必須借助外界的幫助，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；盡管科技不斷進(jìn)步，熱機(jī)的效率仍不能達(dá)到100%，制冷機(jī)也不能使溫度降到293 ，只能無(wú)限接近273.15 ，選項(xiàng)C錯(cuò)誤；第一類(lèi)永動(dòng)機(jī)違背能量守恒定律，第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)不違背能量守恒定律，而是違背了熱力學(xué)第二定律，第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)不可能制造出來(lái)，選項(xiàng)D錯(cuò)誤4(2019·全國(guó)100所名校高三模擬)(多選)下列說(shuō)法正確的是()A滿(mǎn)足能量守恒定律的宏觀過(guò)程都是可以自發(fā)進(jìn)行的B熵是物體內(nèi)分子運(yùn)動(dòng)無(wú)序程度的量度C若容器中用活塞封閉著剛好飽和的一些水汽，當(dāng)保持溫度不變向下緩慢壓活塞時(shí)，水汽的質(zhì)量減少，密度不變D當(dāng)分子間距離增大時(shí)，分子間引力增大，而分子間斥力減小E當(dāng)分子力表現(xiàn)為斥力時(shí)，分子力和分子勢(shì)能總是隨分子間距離的減小而增大BCE解析 滿(mǎn)足能量守恒定律的宏觀過(guò)程不一定可以自發(fā)進(jìn)行，比如熱量就不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體，故選項(xiàng)A錯(cuò)誤；熵越大，物體內(nèi)分子運(yùn)動(dòng)的無(wú)序性程度越大，故選項(xiàng)B正確；液體的飽和汽壓與溫度有關(guān)，與體積無(wú)關(guān)，故選項(xiàng)C正確；當(dāng)分子間距增加時(shí)，分子間引力、斥力都減小，故選項(xiàng)D錯(cuò)誤；當(dāng)分子力表現(xiàn)為斥力時(shí)，分子力隨著分子間距的減小而增大，在平衡位置分子勢(shì)能具有最小值，故分子間距變化偏離平衡位置時(shí)，分子勢(shì)能增加，故選項(xiàng)E正確5(2019·濮陽(yáng)二模)(多選)下列說(shuō)法正確的是()A大顆粒的鹽磨成細(xì)鹽，就變成了晶體B兩個(gè)分子的間距從極近逐漸增大到10r0的過(guò)程中，它們的分子勢(shì)能先減小后增大C空氣的相對(duì)濕度定義為空氣中所含水蒸氣壓強(qiáng)與同溫度水平的飽和蒸汽壓的比值D給自行車(chē)打氣，越打越困難主要是因?yàn)樘?nèi)氣體壓強(qiáng)增大，而與分子間的斥力無(wú)關(guān)E第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)不違反熱力學(xué)第二定律，但違反了熱力學(xué)第一定律BCD解析 將大顆粒的粗鹽磨成細(xì)鹽，細(xì)鹽仍然是晶體，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；兩個(gè)分子的間距從極近逐漸增大到10r0的過(guò)程中，分子間表現(xiàn)出先斥力后引力，故分子力先做正功，后做負(fù)功，它們的分子勢(shì)能先減小后增大，選項(xiàng)B正確；空氣的相對(duì)濕度定義為空氣中所含水蒸氣壓強(qiáng)與同溫度水的飽和汽壓的比值，選項(xiàng)C正確；給自行車(chē)打氣，越打越困難主要是因?yàn)樘?nèi)氣體壓強(qiáng)增大，與分子間的斥力無(wú)關(guān)，因?yàn)榉肿映饬ζ鹱饔玫木嚯xr<r0，選項(xiàng)D正確；第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)不違反能量守恒定律，但違反了熱力學(xué)第二定律，內(nèi)能在轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的過(guò)程中要散熱，所以要引起其它變化，選項(xiàng)E錯(cuò)誤6(2018·全國(guó)卷)(多選)對(duì)于實(shí)際的氣體，下列說(shuō)法正確的是()A氣體的內(nèi)能包括氣體分子的重力勢(shì)能B氣體的內(nèi)能包括分子之間相互作用的勢(shì)能C氣體的內(nèi)能包括氣體整體運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能D氣體體積變化時(shí)，其內(nèi)能可能不變E氣體的內(nèi)能包括氣體分子熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能BDE解析 氣體的內(nèi)能等于所有分子熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)能和分子之間勢(shì)能的總和，故選項(xiàng)A、C錯(cuò)誤，B、E正確；根據(jù)熱力學(xué)第一定律UWQ知道，改變內(nèi)能的方式有做功和熱傳遞，所以體積發(fā)生變化時(shí)，內(nèi)能可能不變，故選項(xiàng)D正確7(2019·濮陽(yáng)一模)(多選)下列說(shuō)法正確的是()A當(dāng)分子力表現(xiàn)為斥力時(shí)，分子力和分子勢(shì)能總是隨分子間距離的減小而增大B液晶像液體一樣具有流動(dòng)性，其光學(xué)性質(zhì)與某些多晶體相似，具有各向同性的光學(xué)性質(zhì)C第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)不違反能量守恒定律，但違反了熱力學(xué)第二定律D分子平均速率大的物體的溫度比分子平均速率小的物體的溫度高E晶體熔化時(shí)吸收熱量，其分子平均動(dòng)能不變ACE解析 當(dāng)分子間距小于r0，分子力表現(xiàn)為斥力，隨著分子間距的減小而增大，分子勢(shì)能也隨著分子間距的減小而增大，故選項(xiàng)A正確；液晶一方面像液體具有流動(dòng)性，另一方面又像晶體，分子在特定方向排列比較整齊有序，具有各向異性的光學(xué)性質(zhì)，故選項(xiàng)B錯(cuò)誤；第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)不能制造出來(lái)的原因是違反了熱力學(xué)第二定律，不違反能量守恒定律，故選項(xiàng)C正確；氣體溫度是氣體分子的平均動(dòng)能的標(biāo)志，而分子平均動(dòng)能不僅跟分子的平均速率有關(guān)，還跟分子的質(zhì)量有關(guān)，通常認(rèn)為分子運(yùn)動(dòng)越劇烈(即分子的平均速率越大)溫度越高是指同一物體而言，兩種不同氣體(分子質(zhì)量不同)，它們的分子質(zhì)量和平均速率的大小是無(wú)法確定分子平均動(dòng)能的大小的，因而也無(wú)法確定這兩種氣體溫度高低，故選項(xiàng)D錯(cuò)誤；溫度是分子平均動(dòng)能的標(biāo)志，晶體熔化時(shí)吸收熱量，但溫度不變，因此分子的平均動(dòng)能不變，故選項(xiàng)E正確8(2019·深圳高三調(diào)研)(多選)下列說(shuō)法正確的是()A液晶具有流動(dòng)性，其光學(xué)性質(zhì)表現(xiàn)為各向異性B太空艙中的液滴呈球狀是由于完全失重情況下液體表面張力的作用C用打氣筒的活塞壓縮氣體很費(fèi)勁，說(shuō)明分子間有斥力D第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)是不可能制造出來(lái)的，因?yàn)樗`反了能量守恒定律E在合適的條件下，某些晶體可以轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷w，某些非晶體也可以轉(zhuǎn)變?yōu)榫wABE解析 液晶具有流動(dòng)性，其光學(xué)性質(zhì)表現(xiàn)為各向異性，選項(xiàng)A正確；太空艙中的液滴呈球狀是由于完全失重情況下液體表面張力的作用，選項(xiàng)B正確；用打氣筒的活塞壓縮氣體很費(fèi)勁，這是氣體壓強(qiáng)作用的結(jié)果，不能說(shuō)明分子間有斥力，選項(xiàng)C錯(cuò)誤；第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)是不可能制造出來(lái)的，因?yàn)樗`反了熱力學(xué)第二定律，不違反能量守恒定律，選項(xiàng)D錯(cuò)誤；在合適的條件下，某些晶體可以轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷w，某些非晶體也可以轉(zhuǎn)變?yōu)榫w，例如天然石英是晶體，加工后做成玻璃就是非晶體，選項(xiàng)E正確9(2019·武漢高三調(diào)研)(多選)關(guān)于熱現(xiàn)象，下列說(shuō)法正確的是()A在“用油膜法估測(cè)分子的大小”的實(shí)驗(yàn)中，油酸分子的直徑(也就是單層油酸分子組成的油膜的厚度)等于一小滴溶液中純油酸的體積與它在水面上攤開(kāi)的面積之比B兩個(gè)鄰近的分子之間同時(shí)存在著引力和斥力，它們都隨距離的增大而減小，當(dāng)兩個(gè)分子的距離為r0時(shí)，引力與斥力大小相等，分子勢(shì)能最小C物質(zhì)是晶體還是非晶體，比較可靠的方法是從各向異性或各向同性來(lái)判斷D如果用Q表示物體吸收的能量，用W 表示物體對(duì)外界所做的功，U表示物體內(nèi)能的增加，那么熱力學(xué)第一定律可以表達(dá)為QUWE如果沒(méi)有漏氣沒(méi)有摩擦，也沒(méi)有機(jī)體熱量的損失，這樣的熱機(jī)的效率可以達(dá)到100%ABD解析 根據(jù)用“油膜法”估測(cè)分子大小的實(shí)驗(yàn)原理可知，讓一定體積的純油酸滴在水面上形成單分子油膜，由于油酸分子是緊密排列的，而且形成的油膜為單分子油膜，然后用每滴油酸酒精溶液所含油酸體積除以油膜面積得出的油膜厚度即為油酸分子直徑，故選項(xiàng)A正確；當(dāng)分子間的距離rr0時(shí)，分子力表現(xiàn)為斥力，減小分子間的距離，分子力做負(fù)功，分子勢(shì)能增加，當(dāng)分子間的距離rr0時(shí)，分子力表現(xiàn)為引力，增大分子間的距離，分子力做負(fù)功，分子勢(shì)能增加，所以當(dāng)兩個(gè)分子的距離為r0時(shí)，引力與斥力大小相等，分子勢(shì)能最小，故選項(xiàng)B正確；單晶體具有各向異性，多晶體與非晶體都具有各向同性，所以不能根據(jù)各向異性或各向同性來(lái)判斷物質(zhì)是晶體還是非晶體，故選項(xiàng)C錯(cuò)誤；根據(jù)熱力學(xué)第一定律可知，如果用Q表示物體吸收的能量，用W表示物體對(duì)外界所做的功，U表示物體內(nèi)能的增加，那么熱力學(xué)第一定律可以表達(dá)為QUW，故選項(xiàng)D正確；根據(jù)熱力學(xué)第二定律可知，熱機(jī)的效率不可能達(dá)到100%，故選項(xiàng)E錯(cuò)誤10(2018·全國(guó)卷)(多選)如圖所示，一定質(zhì)量的理想氣體從狀態(tài)a開(kāi)始，經(jīng)歷過(guò)程、到達(dá)狀態(tài)e，對(duì)此氣體，下列說(shuō)法正確的是()A過(guò)程中氣體的壓強(qiáng)逐漸減小B過(guò)程中氣體對(duì)外界做正功C過(guò)程中氣體從外界吸收了熱量D狀態(tài)c、d的內(nèi)能相等E狀態(tài)d的壓強(qiáng)比狀態(tài)b的壓強(qiáng)小BDE解析 由理想氣體狀態(tài)方程可知，pb>pa，即過(guò)程中氣體的壓強(qiáng)逐漸增大，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；由于過(guò)程中氣體體積增大，所以過(guò)程中氣體對(duì)外做功，選項(xiàng)B正確；過(guò)程中氣體體積不變，對(duì)外做功為零，溫度降低，內(nèi)能減小，根據(jù)熱力學(xué)第一定律，過(guò)程中氣體放出熱量，選項(xiàng)C錯(cuò)誤；由于狀態(tài)c、d的溫度相等，根據(jù)理想氣體的內(nèi)能只與溫度有關(guān)，可知狀態(tài)c、d的內(nèi)能相等，選項(xiàng)D正確；由理想氣體狀態(tài)方程可知，狀態(tài)d的壓強(qiáng)比狀態(tài)b的壓強(qiáng)小，選項(xiàng)E正確11(2019·達(dá)州一模)在如圖甲所示的密閉汽缸內(nèi)裝有一定質(zhì)量的理想氣體，圖乙是它從狀態(tài)A變化到狀態(tài)B的V­T圖象已知AB的反向延長(zhǎng)線通過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)，氣體在A點(diǎn)的壓強(qiáng)為p1.0×105 Pa，在從狀態(tài)A變化到狀態(tài)B的過(guò)程中，氣體吸收的熱量Q6.0×102 J，求：(1)氣體在狀態(tài)B的體積VB；(2)此過(guò)程中氣體內(nèi)能的增量U.解析 (1)由V­T圖象通過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)，則知從A到B理想氣體發(fā)生等壓變化由蓋呂薩克定律得，解得VBVA×6.0×103 m38.0×103 m3.(2)外界對(duì)氣體做的功Wp(VBVA)1.0×105×(8.0×1036.0×103)J2×102 J，根據(jù)熱力學(xué)第一定律UQW，解得U6.0×102 J2×102 J4.0×102 J400 J.答案 (1)8.0×103 m3(2)400 J12(2019·湖南師大附中模擬)如圖所示，一個(gè)內(nèi)壁光滑的圓柱形汽缸，高度為L(zhǎng)、底面積為S，缸內(nèi)有一個(gè)質(zhì)量為m的活塞，封閉了一定質(zhì)量的理想氣體溫度為熱力學(xué)溫標(biāo)T0時(shí)，用繩子系住汽缸底，將汽缸倒過(guò)來(lái)懸掛起來(lái)，汽缸處于豎直狀態(tài)，缸內(nèi)氣體高為L(zhǎng)0.已知重力加速度為g，大氣壓強(qiáng)為p0，不計(jì)活塞厚度及活塞與缸體的摩擦，問(wèn)：(1)采用緩慢升溫的方法使活塞與汽缸脫離，缸內(nèi)氣體的溫度至少要升高到多少？(2)從開(kāi)始升溫到活塞剛要脫離汽缸，缸內(nèi)氣體壓力對(duì)活塞做功多少？(3)當(dāng)活塞剛要脫離汽缸時(shí)，缸內(nèi)氣體的內(nèi)能增加量為U，則氣體在活塞下移的過(guò)程中吸收的熱量為多少？解析 (1)氣體等壓變化，由蓋呂薩克定律得，解得T.(2)對(duì)活塞，由平衡條件得mgpSp0S，氣體做功WFlpSlpS(LL0)，解得W(p0Smg)(LL0)(3)由熱力學(xué)第一定律得UWQ，氣體吸收的熱量QU(p0Smg)(LL0)答案 (1)T0(2)(p0Smg)(LL0)(3)U(p0Smg)(LL0)13(2019·濟(jì)南一模)如圖所示，絕熱氣缸倒扣放置，質(zhì)量為M的絕熱活塞在氣缸內(nèi)封閉一定質(zhì)量的理想氣體，活塞與氣缸間摩擦可忽略不計(jì)，活塞下部空間與外界連通，氣缸底部連接一“U”形細(xì)管(管內(nèi)氣體的體積忽略不計(jì))初始時(shí)，封閉氣體溫度為T(mén)，活塞距離氣缸底部為h0，細(xì)管內(nèi)兩側(cè)水銀柱存在高度差已知水銀密度為，大氣壓強(qiáng)為p0，氣缸橫截面積為S，重力加速度為g，求：(1)“U”形細(xì)管內(nèi)兩側(cè)水銀柱的高度差；(2)通過(guò)加熱裝置緩慢提升氣體溫度使活塞下降h0，求此時(shí)的溫度；此加熱過(guò)程中，若氣體吸收的熱量為Q，則氣體內(nèi)能的變化解析 (1)設(shè)封閉氣體的壓強(qiáng)為p，對(duì)活塞分析p0SpSMg，用水銀柱表達(dá)氣體的壓強(qiáng)pp0gh，解得h.(2)加熱過(guò)程中氣體變化是等壓變化，TT0，氣體對(duì)外做功為WpSh0(p0SMg)h0，根據(jù)熱力學(xué)第一定律 UQW，可得UQ(p0SMg)h0.答案 (1)(2)T0Q(p0SMg)h07