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1、 熱力學(xué)定律和能量守恒定律
一、熱力學(xué)第零定律
1.熱平衡定律:如果兩個(gè)系統(tǒng)分別與第三個(gè)系統(tǒng)達(dá)到熱平衡,則這兩個(gè)系統(tǒng)也一定處于熱平衡。
2.意義:兩個(gè)系統(tǒng)熱平衡由溫度表示,故熱力學(xué)第零定律給出了溫度的定義和測量方法。
二、熱力學(xué)第一定律
1.定義: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.公式:ΔU=Q+W
內(nèi)能變化量/ΔU
熱量/Q
做功/W
符號(hào)
內(nèi)能增加
吸收熱量
外界對(duì)系統(tǒng)做正功
+
內(nèi)能減少
放出熱量
系統(tǒng)對(duì)外界做正功
–
3.熱力學(xué)第一定律實(shí)際上是涉及熱現(xiàn)象的能量守恒定律。
4.能量守恒定律:能量既不會(huì)
2、憑空產(chǎn)生,也不會(huì)憑空消失,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。
5.其他表述:第一類永動(dòng)機(jī)不可能制成。
三、熱力學(xué)第二定律
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:不可能從單一熱庫吸收熱量,使之完全變成功,而不產(chǎn)生其他影響。
3.其他表述:(1)氣體向真空的自由膨脹是不可逆的。(2)第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成。
4.宏觀意義:闡述了傳熱的方向性;闡述了機(jī)械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化的方向性:機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,而內(nèi)能無法全部用來做功以轉(zhuǎn)換成機(jī)械能;熱機(jī)的效率總是小于100%。
5.微觀意
3、義:一切自發(fā)過程總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)的無序性增大的方向進(jìn)行。
6.熵增加原理(熱力學(xué)第二定律):在任何自然過程中,一個(gè)孤立系統(tǒng)的總熵不會(huì)減小。
四、熱力學(xué)第三定律
1.定義:不可能通過有限的過程把一個(gè)物體冷卻到絕對(duì)零度。
2.意義:絕對(duì)零度不可能達(dá)到。
關(guān)于永動(dòng)機(jī)和熱力學(xué)定律的討論,下列敘述正確的是
A.第二類永動(dòng)機(jī)違反能量守恒定律
B.如果物體從外界吸收了熱量,則物體的內(nèi)能一定增加
C.外界對(duì)物體做功,則物體的內(nèi)能一定增加
D.做功和熱傳遞都可以改變物體的內(nèi)能,但從能量轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的觀點(diǎn)看這兩種改變方式是有區(qū)別的
【參考答案】D
【詳細(xì)解析】第二類永動(dòng)機(jī)沒有違反
4、能量守恒定律,但卻不能成功制成,A錯(cuò)誤;如果物體從外界吸收了熱量,且又對(duì)外做功,則物體的內(nèi)能不一定增加,B錯(cuò)誤;外界對(duì)物體做功,若與外界無熱量交換,則物體的內(nèi)能一定增加,C錯(cuò)誤;做功和熱傳遞都可以改變物體的內(nèi)能,但從能量轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的觀點(diǎn)來看這兩種改變方式是有區(qū)別的,D正確。
【名師點(diǎn)睛】對(duì)熱力學(xué)定律的考查主要有兩點(diǎn):熱力學(xué)第一定律中兩類改變內(nèi)能的方式、熱力學(xué)第二定律的理解和應(yīng)用。
1.(2018·上海市師范大學(xué)附屬中學(xué)高二期末)下列說法正確的是
A.物體吸收熱量,其溫度一定升高
B.熱量只能從高溫物體向低溫物體傳遞
C.氣體自由膨脹的過程是可逆的
D.目前,人類消耗的能量主要來
5、自常規(guī)能源
【答案】D
【解析】根據(jù)熱力學(xué)第一定律,ΔE=W+Q,物體的內(nèi)能的變化與外界做功和物體的吸收熱量有關(guān),物體吸收熱量,同時(shí)物體對(duì)外做功,物體的內(nèi)能可能減小,溫度可能降低,故A錯(cuò)誤;熱量也能由低溫物體傳遞到高溫物體,但此過程會(huì)引起其他的變化,故B錯(cuò)誤;氣體自由膨脹的過程是不可逆的,選項(xiàng)C錯(cuò)誤;目前,人類消耗的能量主要來自常規(guī)能源,例如煤、石油等,選項(xiàng)D正確。
2.關(guān)于第二類永動(dòng)機(jī),下列說法中正確的是
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)
6、機(jī)不可能制成,說明機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,內(nèi)能卻不能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能
D.第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成,說明機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,內(nèi)能卻不能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,同時(shí)不引起其他變化
【答案】AD
【解析】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做功,而不引起其他變化的熱機(jī)叫做第二類永動(dòng)機(jī),A正確;第二類永動(dòng)機(jī)不違反能量守恒定律,但違反了熱力學(xué)第二定律,所以不可能制成,B錯(cuò)誤;第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成,說明機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,內(nèi)能卻不能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,同時(shí)不引起其他變化,C錯(cuò)誤,D正確。
(2018·陜西省西安中學(xué)高二期末)如圖,一定質(zhì)量的理想氣體從狀態(tài)
7、a出發(fā),經(jīng)過等容過程ab到達(dá)狀態(tài)b,再經(jīng)過等溫過程bc到達(dá)狀態(tài)c,最后經(jīng)等壓過程ca回到初態(tài)a,下列說法正確的是
A.在過程ab中氣體的外界對(duì)氣體做功
B.在過程ab中氣體對(duì)外界做功
C.在過程ca中氣體從外界吸收熱量
D.在過程bc中氣體從外界吸收熱量
【參考答案】D
【詳細(xì)解析】在過程ab中氣體體積不變,根據(jù)W=pΔV可知,氣體對(duì)外界做功為零,外界也不對(duì)氣體做功,故AB錯(cuò)誤;在過程ca中壓強(qiáng)不變,體積減小,溫度降低,所以外界對(duì)氣體做功,內(nèi)能減小,根據(jù)熱力學(xué)第一定律ΔU=W+Q可知,氣體放出熱量,故C錯(cuò)誤;在過程bc中,屬于等溫變化,氣體膨脹對(duì)外做功,而氣體的溫度不變,則內(nèi)能
8、不變;根據(jù)熱力學(xué)第一定律ΔU=W+Q可知,氣體從外界吸收熱量,故D正確;故選D。
【名師點(diǎn)睛】本題主要是考查了理想氣體的狀態(tài)方程和熱力學(xué)第一定律的知識(shí),要能夠根據(jù)熱力學(xué)第一定律判斷氣體內(nèi)能的變化與哪些因素有關(guān)(功和熱量);熱力學(xué)第一定律在應(yīng)用時(shí)一定要注意各量符號(hào)的意義;ΔU為正表示內(nèi)能變大,Q為正表示物體吸熱;W為正表示外界對(duì)物體做功。
1.一定質(zhì)量的理想氣體分別在T1、T2溫度下發(fā)生等溫變化,相應(yīng)的兩條等溫線如圖所示,T2對(duì)應(yīng)的圖線上A、B兩點(diǎn)表示氣體的兩個(gè)狀態(tài),則
A.溫度為T1時(shí)氣體分子的平均動(dòng)能比T2時(shí)大
B.A到B的過程中,氣體內(nèi)能增加
C.A到B的過程中,氣體從外
9、界吸收熱量
D.A到B的過程中,氣體分子單位時(shí)間內(nèi)對(duì)器壁單位面積上的碰撞次數(shù)減少
【答案】ACD
【解析】由圖可知,當(dāng)體積相同時(shí),有,根據(jù)查理定律,可得,A正確;對(duì)于理想氣體,其內(nèi)能僅由溫度決定,A到B的過程是等溫變化的過程,所以氣體的溫度不變,內(nèi)能不變,B錯(cuò)誤;A到B的過程中,氣體體積增大,對(duì)外做功而內(nèi)能不變,由熱力學(xué)第一定律可知,氣體一定從外界吸收熱量,C正確;A到B的過程中,氣體壓強(qiáng)減小,則氣體分子單位時(shí)間內(nèi)對(duì)器壁單位面積上的碰撞次數(shù)減少,D正確。
2.(2018·寧夏育才中學(xué)高二期末)如圖所示,一定質(zhì)量的氫氣(可看作理想氣體)由狀態(tài)A經(jīng)狀態(tài)B變化到狀態(tài)C,設(shè)由A到B、由B到C的
10、過程外界對(duì)氣體做的功分別為W1、W2,氣體從外界吸收的熱量分別為Q1、Q2,則
A.,
B.,
C.
D.
【答案】B
【解析】氣體由A經(jīng)狀態(tài)B變化到狀態(tài)C過程中,圖象上的點(diǎn)與原點(diǎn)連線的斜率p/T減小,由氣態(tài)方程pV/T=c知,氣體的體積不斷增大,氣體對(duì)外界做功,所以W1<0,W2<0,所以A錯(cuò)誤;在AB過程中,氣體的溫度不斷升高,同時(shí)對(duì)外做功,要吸熱,所以Q1>0,在BC過程中,氣體的溫度不變,內(nèi)能不變,但同時(shí)對(duì)外做功,要吸熱,所以Q2>0,所以B正確;在全程中,溫度升高,內(nèi)能增大,根據(jù)熱力學(xué)第一定律△U=Q+W得知,氣體吸收的熱量大于氣體對(duì)外做功,即有|W1|+|W2|
11、<|Q1|+|Q2|,所以CD錯(cuò)誤。故選B。
【名師點(diǎn)睛】本題要知道AO、BO、CO連線可表示等容變化,根據(jù)斜率分析對(duì)應(yīng)的體積大小,并掌握熱力學(xué)第一定律,能用來分析能量的變化。較好的考查了應(yīng)用圖象解決物理問題的能力。
如圖所示,質(zhì)量不計(jì)的活塞把一定質(zhì)量的理想氣體封閉在上端開口的直立圓筒形氣缸中,活塞上堆放細(xì)沙,活塞處于靜止?fàn)顟B(tài)?,F(xiàn)在對(duì)氣體緩慢加熱,同時(shí)不斷取走細(xì)沙,使活塞緩慢上升,直到細(xì)沙全部取走,則在此過程中
A.氣體壓強(qiáng)增大,內(nèi)能可能不變
B.氣體溫度可能不變,氣體對(duì)外做功
C.氣體的體積增大,壓強(qiáng)減少,對(duì)外不做功
D.氣體對(duì)外做功,內(nèi)能一定增加
【參考答案】
12、B
【詳細(xì)解析】逐漸取走細(xì)沙,直到細(xì)沙全部取走,根據(jù)活塞的受力平衡,可以判斷氣缸內(nèi)的氣體壓強(qiáng)一定減小,A錯(cuò)誤;對(duì)氣體緩慢加熱,氣缸內(nèi)的氣體一定吸收熱量,據(jù)熱力學(xué)第一定律ΔU=W+Q,Q為正數(shù),因體積增大,氣體對(duì)外做功,W為負(fù)數(shù),所以ΔU可能為零,溫度可能不變,B正確,CD錯(cuò)誤。
【易錯(cuò)警示】解氣缸–活塞問題要注意豎直放置的氣缸中活塞是否有質(zhì)量,計(jì)算氣體壓強(qiáng)時(shí)不要漏算。
1.(2018·江蘇省蘇州新區(qū)一中高二期末復(fù)習(xí))如圖所示,用細(xì)繩將一個(gè)導(dǎo)熱良好且開口向下的氣缸懸掛在天花板上,氣缸內(nèi)有一定質(zhì)量的氣體(不計(jì)氣體分子之間的相互作用力),氣缸內(nèi)活塞可以自由滑動(dòng)且不漏氣,活塞下掛個(gè)沙桶,當(dāng)沙
13、桶裝滿細(xì)沙時(shí),活塞恰好靜止,外部環(huán)境溫度恒定給沙桶底部開一小孔,細(xì)沙緩慢漏出,則在此過程中
A.氣缸內(nèi)氣體體積減小,溫度降低
【名師點(diǎn)睛】由圖示圖象判斷氣體的狀態(tài)變化過程,應(yīng)用氣態(tài)方程判斷氣體體積如何變化,然后應(yīng)用熱力學(xué)第一定律答題。
5.A【解析】充氣過程中,儲(chǔ)氣室內(nèi)氣體溫度不變,氣體的平均動(dòng)能不變,氣體的質(zhì)量增大,故氣體內(nèi)能增大,A正確,B錯(cuò)誤;噴水過程中,氣體對(duì)外做功,W<0,氣體溫度不變,,根據(jù)可知Q>0,氣體吸熱,C錯(cuò)誤;噴水過程中,儲(chǔ)氣室內(nèi)氣體體積增大,溫度不變,根據(jù)可知,壓強(qiáng)減小,D錯(cuò)誤。
6.B【解析】由可知,p–V圖象中雙曲線表示1到2溫度不變,,氣體體積增大,
14、對(duì)外做功,,由可得,氣體吸熱,A錯(cuò)誤;p–V圖象中過原點(diǎn)的直線上,與原點(diǎn)距離越大,溫度越高,從1到2溫度降低,,氣體體積減小,外界對(duì)氣體做功,,可得,氣體放熱,B正確;由可知,V–T圖象中過原點(diǎn)的直線上壓強(qiáng)不變,從1到2溫度升高,內(nèi)能增加,,氣體體積增大,氣體對(duì)外界做功,,可得,氣體吸熱,C錯(cuò)誤;由V–T圖象中氣體體積不變,可知,溫度升高,內(nèi)能增加,,可得,氣體吸熱,D錯(cuò)誤。
8.D【解析】隨著金屬筒緩慢下降,金屬筒內(nèi)外液面差增大,金屬筒內(nèi)氣體會(huì)被壓縮,體積減小,壓強(qiáng)增大,單位時(shí)間內(nèi)碰撞單位面積的氣體分子數(shù)增多,A錯(cuò)誤;由于不計(jì)氣體分子間相互作用,所以氣體是理想氣體,內(nèi)能只與溫度有關(guān),而
15、外界溫度不變,所以氣體溫度不變,分子平均動(dòng)能不變,但并不是每一個(gè)分子的分子動(dòng)能都不變,B錯(cuò)誤;氣體體積減小,外界對(duì)氣體做功,W>0,氣體溫度不變,ΔU=0,由熱力學(xué)第一定律可知Q<0,氣體向外界放熱,C錯(cuò)誤,D正確。
18.CDE【解析】質(zhì)量和溫度都相同的氣體分子平均動(dòng)能相同,但可能是不同的氣體,摩爾質(zhì)量不同,分子數(shù)不同,所以分子動(dòng)能不一定相同,且分子勢(shì)能不一定相同,故內(nèi)能不一定相同,A錯(cuò)誤;宏觀運(yùn)動(dòng)動(dòng)能大,微觀運(yùn)動(dòng)的分子平均動(dòng)能不一定大,內(nèi)能不一定大,B錯(cuò)誤;氣體被壓縮時(shí),外界對(duì)氣體做功,如果同時(shí)還向外界放出熱量,氣體內(nèi)能可能不變,C正確;理想氣體的分子勢(shì)能為零,內(nèi)能等于分子動(dòng)能,而分子動(dòng)能只與溫度有關(guān),D正確;理想氣體等壓膨脹過程中,由蓋–呂薩克定律可知,溫度增大,內(nèi)能一定增大,E正確。
19.氣體對(duì)外界做的功為138.6 J
【解析】整個(gè)過程中,外界對(duì)氣體做功W=WAB+WCA,且WCA=pA(VC–VA)
由熱力學(xué)第一定律ΔU=Q+W,得WAB=–(Q+WCA)
代入數(shù)據(jù)得WAB=–138.6 J,即氣體對(duì)外界做的功為138.6 J
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