(江蘇專用)2020版高考物理新增分大一輪復(fù)習(xí) 第十二章 熱學(xué) 第3講 熱力學(xué)定律與能量守恒定律講義(含解析).docx
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第3講熱力學(xué)定律與能量守恒定律一、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.(3)UQW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)能減少自測(cè)1一定質(zhì)量的理想氣體在某一過程中,外界對(duì)氣體做功7.0104J,氣體內(nèi)能減少1.3105J,則此過程()A.氣體從外界吸收熱量2.0105JB.氣體向外界放出熱量2.0105JC.氣體從外界吸收熱量6.0104JD.氣體向外界放出熱量6.0104J答案B二、能量守恒定律1.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)移的過程中,能量的總量保持不變.2.能量守恒定律是自然界的普遍規(guī)律,某一種形式的能是否守恒是有條件的,第一類永動(dòng)機(jī)是不可能制成的,它違背了能量守恒定律.自測(cè)2在一個(gè)密閉隔熱的房間里,有一電冰箱正在工作,如果打開電冰箱的門,過一段時(shí)間后房間的溫度會(huì)()A.降低B.不變C.升高D.無(wú)法判斷答案C命題點(diǎn)一理解熱量與內(nèi)能、溫度的區(qū)別溫度、內(nèi)能、熱量、功的比較含義特點(diǎn)溫度表示物體的冷熱程度,是物體分子平均動(dòng)能大小的標(biāo)志,它是大量分子熱運(yùn)動(dòng)激烈程度的宏觀表現(xiàn),對(duì)單個(gè)分子來(lái)說(shuō),溫度沒有意義狀態(tài)量?jī)?nèi)能(熱能)物體內(nèi)所有分子動(dòng)能和分子勢(shì)能的總和,它是由大量分子的熱運(yùn)動(dòng)和分子的相對(duì)位置所決定的能熱量是熱傳遞過程中內(nèi)能的改變量,熱量用來(lái)量度熱傳遞過程中內(nèi)能轉(zhuǎn)移的多少過程量功做功過程是機(jī)械能或其他形式的能和內(nèi)能之間的轉(zhuǎn)化過程例1(多選)關(guān)于氣體的內(nèi)能,下列說(shuō)法正確的是()A.質(zhì)量和溫度都相同的氣體,內(nèi)能一定相同B.氣體溫度不變,整體運(yùn)動(dòng)速度越大,其內(nèi)能越大C.氣體被壓縮時(shí),內(nèi)能可能不變D.一定量的某種理想氣體的內(nèi)能只與溫度有關(guān)答案CD解析質(zhì)量和溫度都相同的氣體,雖然分子平均動(dòng)能相同,但是不同的氣體,其摩爾質(zhì)量不同,即分子個(gè)數(shù)不同,所以分子總動(dòng)能不一定相同,A錯(cuò)誤;宏觀運(yùn)動(dòng)和微觀運(yùn)動(dòng)沒有關(guān)系,所以宏觀運(yùn)動(dòng)速度大,內(nèi)能不一定大,B錯(cuò)誤;根據(jù)C可知,如果等溫壓縮,則內(nèi)能不變,C正確;理想氣體的分子勢(shì)能為零,所以一定量的某種理想氣體的內(nèi)能只與分子平均動(dòng)能有關(guān),而分子平均動(dòng)能和溫度有關(guān),D正確.變式1關(guān)于熱量、功、內(nèi)能三個(gè)物理量,下列說(shuō)法中正確的是()A.熱量、功、內(nèi)能的物理意義等同B.熱量、功都可以作為物體內(nèi)能的量度C.熱量、功、內(nèi)能的單位不相同D.熱量和功是由過程決定的,而內(nèi)能是由物體狀態(tài)決定的答案D命題點(diǎn)二對(duì)熱力學(xué)第一定律的理解1.改變內(nèi)能的兩種方式的比較方式名稱比較項(xiàng)目做功熱傳遞區(qū)別內(nèi)能變化情況外界對(duì)物體做功,物體的內(nèi)能增加;物體對(duì)外界做功,物體的內(nèi)能減少物體吸收熱量,內(nèi)能增加;物體放出熱量,內(nèi)能減少?gòu)倪\(yùn)動(dòng)形式上看做功是宏觀的機(jī)械運(yùn)動(dòng)向物體的微觀分子熱運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)化熱傳遞則是通過分子之間的相互作用,使同一物體的不同部分或不同物體間的分子熱運(yùn)動(dòng)發(fā)生變化,是內(nèi)能的轉(zhuǎn)移從能量的角度看做功是其他形式的能與內(nèi)能相互轉(zhuǎn)化的過程不同物體間或同一物體不同部分之間內(nèi)能的轉(zhuǎn)移能的性質(zhì)變化情況能的性質(zhì)發(fā)生了變化能的性質(zhì)不變相互聯(lián)系做一定量的功或傳遞一定量的熱量在改變內(nèi)能的效果上是相同的2.UQW的三種特殊情況過程名稱公式內(nèi)能變化物理意義絕熱Q0UW外界對(duì)物體做的功等于物體內(nèi)能的增加等容W0QU物體吸收的熱量等于物體內(nèi)能的增加等溫U0WQ外界對(duì)物體做的功等于物體放出的熱量3.應(yīng)用熱力學(xué)第一定律的三點(diǎn)注意(1)做功看體積:體積增大,氣體對(duì)外做功,W為負(fù);體積縮小,外界對(duì)氣體做功,W為正.氣體向真空中自由膨脹,對(duì)外界不做功,W0.(2)與外界絕熱,則不發(fā)生熱傳遞,此時(shí)Q0.(3)由于理想氣體沒有分子勢(shì)能,所以當(dāng)它的內(nèi)能變化時(shí),主要體現(xiàn)在分子動(dòng)能的變化上,從宏觀上看就是溫度發(fā)生了變化.例2(2018江蘇單科12A(3)如圖1所示,一定質(zhì)量的理想氣體在狀態(tài)A時(shí)壓強(qiáng)為2.0105Pa,經(jīng)歷ABCA的過程,整個(gè)過程中對(duì)外界放出61.4J熱量.求該氣體在AB過程中對(duì)外界所做的功.圖1答案138.6J解析整個(gè)過程中,外界對(duì)氣體做功WWABWCA,且WCApA(VCVA)由熱力學(xué)第一定律UQW,得WAB(QWCA)代入數(shù)據(jù)得WAB138.6J即氣體對(duì)外界做的功為138.6J.變式2(2018鹽城市三模)如圖2所示,在汽缸右側(cè)封閉一定質(zhì)量的理想氣體,壓強(qiáng)與大氣壓強(qiáng)相同.把汽缸和活塞固定,使汽缸內(nèi)氣體升高到一定的溫度,氣體吸收的熱量為Q1,氣體的內(nèi)能為U1.如果讓活塞可以自由滑動(dòng)(活塞與汽缸間無(wú)摩擦、不漏氣),也使汽缸內(nèi)氣體溫度升高相同溫度,其吸收的熱量為Q2,氣體的內(nèi)能為U2,則Q1Q2,U1U2.(均選填“大于”“等于”或“小于”)圖2答案小于等于變式3(2018江蘇百校12月大聯(lián)考)空氣能熱水器采用“逆卡諾”原理,即使在南極也有良好表現(xiàn),高效節(jié)能.如圖3所示,一定質(zhì)量的理想氣體從狀態(tài)A依次經(jīng)過狀態(tài)B、C和D后再回到狀態(tài)A.其中AB和CD為等溫過程,BC和DA為絕熱過程(氣體與外界無(wú)熱量交換).在完成一次循環(huán)的過程中氣體對(duì)外做功10J.若已知?dú)怏w在AB過程吸收熱量12J,則在CD過程放出多少熱量?圖3答案2J解析由熱力學(xué)第一定律有:UQW完成一次循環(huán)氣體內(nèi)能不變,即U0又W10J,故吸收的熱量QW10JAB過程吸收熱量12J,所以CD過程中放出熱量2J.命題點(diǎn)三熱力學(xué)定律與氣體實(shí)驗(yàn)定律的綜合應(yīng)用基本思路例3(2018南京市、鹽城市二模)如圖4所示,一圓柱形絕熱汽缸豎直固定放置,通過絕熱活塞封閉著一定質(zhì)量的理想氣體,活塞的質(zhì)量為m,橫截面積為S,與汽缸底部相距h,此時(shí)封閉氣體的溫度為T.現(xiàn)通過電熱絲緩慢加熱氣體,當(dāng)氣體吸收熱量Q時(shí),氣體溫度上升到1.5T.已知大氣壓強(qiáng)為p0,重力加速度為g,不計(jì)活塞與汽缸的摩擦.求:圖4(1)加熱后活塞到汽缸底部的距離;(2)加熱過程中氣體的內(nèi)能增加量.答案(1)1.5h(2)Q0.5h(p0Smg)解析(1)等壓過程由得h1.5h(2)氣體壓強(qiáng)pp0Wp(hh)S由熱力學(xué)第一定律UWQ聯(lián)立解得:UQ0.5h(p0Smg).變式4(2018蘇錫常鎮(zhèn)一調(diào))如圖5所示,輕質(zhì)活塞將體積為V0、溫度為3T0的理想氣體,密封在內(nèi)壁光滑的圓柱形導(dǎo)熱汽缸內(nèi).已知大氣壓強(qiáng)為p0,大氣的溫度為T0,氣體內(nèi)能U與溫度的關(guān)系為UaT(a為常量).在汽缸內(nèi)氣體溫度緩慢降為T0的過程中,求:圖5(1)氣體內(nèi)能的減少量;(2)氣體放出的熱量.答案(1)2aT0(2)p0V02aT0解析(1)UU1U2a3T0aT02aT0(2)氣體發(fā)生等壓變化,由蓋呂薩克定律得,解得V,該過程中外界對(duì)氣體做功Wp0Vp0V0由熱力學(xué)第一定律UWQ得,氣體放出熱量Qp0V02aT0.命題點(diǎn)四熱力學(xué)定律與圖象問題的綜合1.分析圖象得出氣體三個(gè)狀態(tài)參量(p,V,T)的變化.注意pV圖象里的等溫線,pT圖象里的等容線,VT圖象里的等壓線.2.一定質(zhì)量的理想氣體內(nèi)能取決于溫度(T),做功情況取決于氣體體積的變化,然后再由UQW確定熱量Q的正負(fù),判斷吸熱或放熱.例4(2018常州市一模)一定質(zhì)量的理想氣體,其狀態(tài)變化的pV圖象如圖6所示.已知?dú)怏w在狀態(tài)A時(shí)的溫度為260K,則氣體在狀態(tài)B時(shí)的溫度為K,從狀態(tài)A到狀態(tài)C氣體與外界交換的熱量為J.圖6答案780600解析由題可知,TA260K,VA1103m3,VB3103m3,由題圖可知,AB為等壓變化,由蓋呂薩克定律得:,代入數(shù)據(jù)解得:TB780K.氣體狀態(tài)參量:pA3105Pa,VA1103m3,pC1105Pa,VC3103m3,由理想氣體狀態(tài)方程得:,代入數(shù)據(jù)解得:TCTA260K.A、C兩個(gè)狀態(tài)的溫度相等,內(nèi)能相等,內(nèi)能變化量U0A到B過程氣體體積增大,氣體對(duì)外做功:WpV3105(31)103J600J,由熱力學(xué)第一定律UWQ得:QUW0(600) J600J0,氣體從外界吸收600J的熱量.變式5(2018蘇錫常鎮(zhèn)二模)如圖7為一定質(zhì)量的理想氣體的體積V隨熱力學(xué)溫度T的變化關(guān)系圖象.由狀態(tài)A變化到狀態(tài)B的過程中氣體吸收熱量Q1220J,氣體在狀態(tài)A的壓強(qiáng)為p01.0105Pa.求:圖7(1)氣體在狀態(tài)B時(shí)的溫度T2;(2)氣體由狀態(tài)B變化到狀態(tài)C的過程中,氣體向外放出的熱量Q2.答案(1)600K(2)120J解析(1)根據(jù),代入數(shù)據(jù)解得T2600K(2)A到B過程氣體從外界吸熱,對(duì)外界做功,內(nèi)能增加:UWQ1,Wp0V,C狀態(tài)與A狀態(tài)內(nèi)能相等,B到C為等容過程,對(duì)外界不做功:Q2U,代入數(shù)據(jù)解得Q2120J.1.下列說(shuō)法正確的是()A.物體放出熱量,其內(nèi)能一定減小B.物體對(duì)外做功,其內(nèi)能一定減小C.物體吸收熱量,同時(shí)對(duì)外做功,其內(nèi)能可能增加D.物體放出熱量,同時(shí)對(duì)外做功,其內(nèi)能可能不變答案C解析由熱力學(xué)第一定律UWQ可知,改變物體內(nèi)能的方式有兩種:做功和熱傳遞.若物體放熱Q0,但做功W未知,所以內(nèi)能不一定減小,A選項(xiàng)錯(cuò)誤;物體對(duì)外做功W0,但Q未知,所以內(nèi)能不一定減小,B選項(xiàng)錯(cuò)誤;物體吸收熱量Q0,同時(shí)對(duì)外做功W0,WQ可正、可負(fù)、還可為0,所以內(nèi)能可能增加,故C選項(xiàng)正確;物體放出熱量Q0,同時(shí)對(duì)外做功W0,所以U0,即內(nèi)能一定減小,D選項(xiàng)錯(cuò)誤.2.(2018阜寧中學(xué)調(diào)研)對(duì)于一定質(zhì)量的理想氣體,下列說(shuō)法正確的是()A.保持氣體的壓強(qiáng)不變,改變其體積,可以實(shí)現(xiàn)其內(nèi)能不變B.保持氣體的壓強(qiáng)不變,改變其溫度,可以實(shí)現(xiàn)其內(nèi)能不變C.若氣體的溫度逐漸升高,則其壓強(qiáng)可以保持不變D.當(dāng)氣體體積逐漸增大時(shí),氣體的內(nèi)能一定減小答案C解析一定質(zhì)量的某種理想氣體的內(nèi)能只與溫度有關(guān)系,溫度變化則其內(nèi)能一定變化,B項(xiàng)錯(cuò)誤;保持氣體的壓強(qiáng)不變,改變其體積,則其溫度一定改變,故內(nèi)能變化,A項(xiàng)錯(cuò)誤;氣體溫度升高的同時(shí),若其體積也逐漸變大,由理想氣體狀態(tài)方程C可知,其壓強(qiáng)可以不變,C項(xiàng)正確;當(dāng)氣體做等溫膨脹時(shí),其內(nèi)能不變,D項(xiàng)錯(cuò)誤.3.(2018江蘇省高考?jí)狠S沖刺卷)如圖8所示,導(dǎo)熱性能良好、內(nèi)壁光滑的汽缸內(nèi)部存有一定質(zhì)量的理想氣體,缸外環(huán)境保持恒溫.現(xiàn)用外力F拉桿,使活塞緩慢向右移動(dòng),此過程中缸內(nèi)氣體質(zhì)量保持不變,下列說(shuō)法正確的是()圖8A.缸內(nèi)氣體的體積增大,內(nèi)能增加B.缸內(nèi)氣體等溫膨脹,對(duì)外做功C.單位時(shí)間內(nèi)缸內(nèi)氣體分子對(duì)活塞的碰撞次數(shù)增多D.缸內(nèi)氣體的體積增大,內(nèi)能減小答案B解析汽缸導(dǎo)熱性能良好,缸內(nèi)氣體溫度不變,活塞向右運(yùn)動(dòng),體積增大,對(duì)外做功,B正確;一定質(zhì)量的理想氣體,溫度不變,則內(nèi)能不變,A、D錯(cuò)誤;由理想氣體狀態(tài)方程可知,體積增大,則壓強(qiáng)減小,所以單位時(shí)間內(nèi)缸內(nèi)氣體分子對(duì)活塞碰撞的次數(shù)減小,選項(xiàng)C錯(cuò)誤.4.(2018南師附中5月模擬)一定質(zhì)量的理想氣體從狀態(tài)a開始,經(jīng)歷三個(gè)過程ab、bc、ca回到原狀態(tài),其pT圖象如圖9所示.a、b和c三個(gè)狀態(tài)中分子平均動(dòng)能最小的是(選填“a”“b”或“c”),氣體在過程ab中吸收的熱量(選填“大于”“等于”或“小于”)過程ca中放出的熱量.圖9答案a小于解析由題圖可知,a狀態(tài)溫度最低,分子平均動(dòng)能最小,一定質(zhì)量理想氣體的內(nèi)能取決于溫度,氣體在狀態(tài)a時(shí)的內(nèi)能小于它在狀態(tài)c時(shí)的內(nèi)能;ab為等容過程,溫度升高,壓強(qiáng)增大,內(nèi)能增加U10,氣體不做功W0,據(jù)WQU,氣體從外界吸收的熱量等于內(nèi)能的增加量,即Q1U1;ca為等壓過程,溫度下降,體積減小,內(nèi)能減少U20,據(jù)WQU,得Q2|U2|W,由于ab過程中溫度變化量和ca過程中溫度變化量相等,所以內(nèi)能變化量的絕對(duì)值相等,即U1|U2|,故Q1”“”或“”)在狀態(tài)B的體積;此過程中,氣體做功的絕對(duì)值為W,內(nèi)能變化量的絕對(duì)值為U,則氣體與外界之間傳遞的熱量為.圖3答案”、“”或“解析設(shè)氣體在B狀態(tài)時(shí)的體積為VB,由蓋呂薩克定律得,代入數(shù)據(jù)解得VB0.4m3;因?yàn)門ATC,故AB增加的內(nèi)能與BC減小的內(nèi)能相同,而AB過程氣體對(duì)外做正功,BC過程氣體不做功,由熱力學(xué)第一定律可知Q1大于Q2.8.(2019新海中學(xué)月考)一定質(zhì)量的理想氣體從狀態(tài)M可以經(jīng)歷過程1或者過程2到達(dá)狀態(tài)N,其pV圖象如圖5所示.在過程1中,氣體始終與外界無(wú)熱量交換;在過程2中,氣體先經(jīng)歷等容變化再經(jīng)歷等壓變化.則在過程1中氣體的溫度(填“升高”“降低”或“不變”);氣體經(jīng)歷過程1對(duì)外做的功(填“大于”“小于”或“等于”)氣體經(jīng)歷過程2對(duì)外做功.圖5答案降低大于解析氣體經(jīng)過過程1,壓強(qiáng)減小,體積變大,對(duì)外做功,內(nèi)能減少,溫度降低,根據(jù)pV圖象與V軸所圍面積表示氣體做功可知:氣體經(jīng)過過程1對(duì)外做功為S1在過程2中氣體經(jīng)過過程2對(duì)外做功為S2從圖象上可以看出氣體經(jīng)歷過程1對(duì)外做功大于氣體經(jīng)歷過程2對(duì)外做功.9.(2018南通市等六市一調(diào))如圖6所示,某同學(xué)制作了一個(gè)簡(jiǎn)易的氣溫計(jì),一導(dǎo)熱容器連接橫截面積為S的長(zhǎng)直管,用一滴水銀封閉了一定質(zhì)量的氣體,當(dāng)溫度為T0時(shí)水銀滴停在O點(diǎn),封閉氣體的體積為V0.大氣壓強(qiáng)不變,不計(jì)水銀與管壁間的摩擦.圖6(1)若封閉氣體某過程從外界吸收0.50J的熱量,內(nèi)能增加0.35J,求氣體對(duì)外界做的功.(2)若環(huán)境溫度緩慢升高,求水銀滴在直管內(nèi)相對(duì)O點(diǎn)移動(dòng)的距離x隨封閉氣體熱力學(xué)溫度T的變化關(guān)系.答案(1)0.15J(2)x解析(1)由熱力學(xué)第一定律有UQW代入數(shù)據(jù)得:W0.15 J所以氣體對(duì)外界做的功為0.15 J(2)氣體做等壓變化,由蓋呂薩克定律有:解得:x10.(2018鹽城中學(xué)最后一卷)某同學(xué)估測(cè)室溫的裝置如圖7所示,汽缸導(dǎo)熱性能良好,用絕熱的活塞封閉一定質(zhì)量的理想氣體,室溫時(shí)氣體的體積為V166mL,將汽缸豎直放置于冰水混合物中,穩(wěn)定后封閉氣體的體積V260mL,不計(jì)活塞重力及活塞與缸壁間的摩擦,室內(nèi)大氣壓強(qiáng)p01.0105Pa.求:圖7(1)室溫;(2)上述過程中,外界對(duì)氣體做的功.答案(1)27.3(2)0.60J解析(1)對(duì)活塞研究,因不計(jì)活塞重力、活塞與缸壁間的摩擦,活塞只受外部氣體對(duì)其向下的壓力和內(nèi)部氣體對(duì)其向上的托力,兩力平衡,所以汽缸內(nèi)的氣體為等壓變化,設(shè)室溫為T1,則,代入數(shù)據(jù)解得:T1300.3K27.3.(2)因壓強(qiáng)恒定,所以外界對(duì)氣體做功為Wp0Vp0(V1V2),代入數(shù)據(jù)解得:W0.60J.11.(2018如皋市模擬四)一定質(zhì)量的理想氣體經(jīng)歷了如圖8所示的ABCDA循環(huán),p1、p2、V1、V2均為已知量.已知A狀態(tài)的溫度為T0,求:圖8(1)C狀態(tài)的溫度T;(2)完成一個(gè)循環(huán),氣體與外界熱交換的熱量Q.答案(1)T0(2)(p2p1)(V2V1) 解析(1)設(shè)狀態(tài)D的溫度為TDC到D等容變化,由查理定律知D到A等壓變化,由蓋呂薩克定律知解得TT0(2)WBCp2(V2V1)WDAp1(V2V1)全過程有WWBCWDA(p1p2)(V2V1)由熱力學(xué)第一定律UQW0解得Q(p2p1)(V2V1)0,氣體吸熱.- 1.請(qǐng)仔細(xì)閱讀文檔,確保文檔完整性,對(duì)于不預(yù)覽、不比對(duì)內(nèi)容而直接下載帶來(lái)的問題本站不予受理。
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