2019年高考物理一輪復習 第十三章 熱學 第3講 熱力學定律與能量守恒定律課件.ppt

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第3講熱力學定律與能量守恒定律 第十三章熱學 內容索引 基礎知識梳理 命題點一熱力學第一定律與能量守恒定律 命題點二熱力學第二定律 命題點三熱力學定律與氣體實驗定律的綜合 課時作業(yè) 基礎知識梳理 1 一 熱力學第一定律1 改變物體內能的兩種方式 1 2 熱傳遞 2 熱力學第一定律 1 內容 一個熱力學系統(tǒng)的內能增量等于外界向它傳遞的與外界對它所做功的和 2 表達式 U 做功 熱量 Q W 3 U 中正 負號法則 Q W 吸收 放出 增加 減少 二 能量守恒定律1 內容能量既不會憑空產(chǎn)生 也不會憑空消失 它只能從一種形式轉化為另一種形式 或者是從一個物體到別的物體 在轉化或的過程中 能量的總量保持不變 2 條件性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 3 第一類永動機是不可能制成的 它違背了 轉移 轉移 能量守恒定律 三 熱力學第二定律1 熱力學第二定律的兩種表述 1 克勞修斯表述 熱量不能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 或表述為 永動機是不可能制成的 2 用熵的概念表示熱力學第二定律在任何自然過程中 一個孤立系統(tǒng)的總熵不會 3 熱力學第二定律的微觀意義一切自發(fā)過程總是沿著分子熱運動的增大的方向進行 4 第二類永動機不可能制成的原因是違背了 自發(fā)地 第二類 減小 無序性 熱力學第二定律 1 判斷下列說法是否正確 1 為了增加物體的內能 必須對物體做功或向它傳遞熱量 做功和熱傳遞的實質是相同的 2 絕熱過程中 外界壓縮氣體做功20J 氣體的內能可能不變 3 在給自行車打氣時 會發(fā)現(xiàn)打氣筒的溫度升高 這是因為打氣筒從外界吸熱 4 可以從單一熱源吸收熱量 使之完全變成功 2 一定質量的理想氣體在某一過程中 外界對氣體做功7 0 104J 氣體內能減少1 3 105J 則此過程A 氣體從外界吸收熱量2 0 105JB 氣體向外界放出熱量2 0 105JC 氣體從外界吸收熱量6 0 104JD 氣體向外界放出熱量6 0 104J 答案 3 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 則轉化為木箱與地面系統(tǒng)的內能U和轉化為木箱的動能Ek分別是A U 200J Ek 600JB U 600J Ek 200JC U 600J Ek 800JD U 800J Ek 200J 答案 解析 U Ffx 60 10J 600JEk F x U 80 10J 600J 200J 4 人教版選修3 3P61第2題改編 下列現(xiàn)象中能夠發(fā)生的是A 一杯熱茶在打開杯蓋后 茶會自動變得更熱B 蒸汽機把蒸汽的內能全部轉化成機械能C 桶中混濁的泥水在靜置一段時間后 泥沙下沉 上面的水變清 泥 水自動分離D 電冰箱通電后把箱內低溫物體的熱量傳到箱外高溫物體 答案 5 粵教版選修3 3P73第3題 在一個密閉隔熱的房間里 有一電冰箱正在工作 如果打開電冰箱的門 過一段時間后房間的溫度會A 降低B 不變C 升高D 無法判斷 答案 2 命題點一熱力學第一定律與能量守恒定律 1 熱力學第一定律不僅反映了做功和熱傳遞這兩種改變內能的過程是等效的 而且給出了內能的變化量和做功與熱傳遞之間的定量關系 此定律是標量式 應用時功 內能 熱量的單位應統(tǒng)一為國際單位焦耳 2 三種特殊情況 1 若過程是絕熱的 則Q 0 W U 外界對物體做的功等于物體內能的增加 2 若過程中不做功 即W 0 則Q U 物體吸收的熱量等于物體內能的增加 3 若過程的初 末狀態(tài)物體的內能不變 即 U 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 2016 全國 卷 33 1 關于氣體的內能 下列說法正確的是A 質量和溫度都相同的氣體 內能一定相同B 氣體溫度不變 整體運動速度越大 其內能越大C 氣體被壓縮時 內能可能不變D 一定量的某種理想氣體的內能只與溫度有關E 一定量的某種理想氣體在等壓膨脹過程中 內能一定增加 例1 答案 解析 分子可能個數(shù)不同 宏觀運動和微觀運動沒有關系 根據(jù) C可知 如果等溫壓縮 則內能不變 等壓膨脹 溫度增大 內能一定增大 1 對于一定質量的理想氣體 下列說法正確的是A 保持氣體的壓強不變 改變其體積 可以實現(xiàn)其內能不變B 保持氣體的壓強不變 改變其溫度 可以實現(xiàn)其內能不變C 若氣體的溫度逐漸升高 則其壓強可以保持不變D 氣體溫度每升高1K所吸收的熱量與氣體經(jīng)歷的過程有關E 當氣體體積逐漸增大時 氣體的內能一定減小 答案 解析 一定質量的某種理想氣體的內能只與溫度有關系 溫度變化則其內能一定變化 B項錯 保持氣體的壓強不變 改變其體積 則其溫度一定改變 故內能變化 A項錯誤 氣體溫度升高的同時 若其體積也逐漸變大 由理想氣體狀態(tài)方程 C可知 則其壓強可以不變 C項正確 由熱力學第一定律 U Q W知 氣體溫度每升高1K所吸收的熱量Q與做功W有關 即與氣體經(jīng)歷的過程有關 D選項正確 當氣體做等溫膨脹時 其內能不變 E項錯 故C D正確 2 2015 北京理綜 13 下列說法正確的是A 物體放出熱量 其內能一定減小B 物體對外做功 其內能一定減小C 物體吸收熱量 同時對外做功 其內能可能增加D 物體放出熱量 同時對外做功 其內能可能不變 答案 解析 由 U W Q可知 A B選項 內能改變有兩種方式 所以內能不一定減小 C選項 吸熱Q 0 同時對外做功W 0 W Q可正 可負 還可為0 所以內能可能增加 D選項 放熱Q 0 同時對外做功W 0 所以 U 0 即內能一定減小 3 命題點二熱力學第二定律 1 熱力學第二定律的涵義 1 自發(fā)地 指明了熱傳遞等熱力學宏觀現(xiàn)象的方向性 不需要借助外界提供能量的幫助 2 不產(chǎn)生其他影響 的涵義是發(fā)生的熱力學宏觀過程只在本系統(tǒng)內完成 對周圍環(huán)境不產(chǎn)生熱力學方面的影響 如吸熱 放熱 做功等 在產(chǎn)生其他影響的條件下內能可以全部轉化為機械能 如氣體的等溫膨脹過程 2 熱力學第二定律的實質熱力學第二定律的每一種表述 都揭示了大量分子參與的宏觀過程的方向性 進而使人們認識到自然界中進行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性 3 熱力學過程方向性實例 高溫物體低溫物體 低溫物體 功 熱 能自發(fā)地完全轉化為 不能自發(fā)地轉化為 氣體體積V1 氣體體積V2 較大 能自發(fā)膨脹到 不能自發(fā)收縮到 不同氣體A和B 混合氣體AB 能自發(fā)混合成 不能自發(fā)分離成 熱量Q能自發(fā)傳給 熱量Q不能自發(fā)傳給 4 熱力學第一 第二定律的比較 5 兩類永動機的比較 2016 全國 卷 33 1 關于熱力學定律 下列說法正確的是A 氣體吸熱后溫度一定升高B 對氣體做功可以改變其內能C 理想氣體等壓膨脹過程一定放熱D 熱量不可能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體E 如果兩個系統(tǒng)分別與狀態(tài)確定的第三個系統(tǒng)達到熱平衡 那么這兩個系統(tǒng)彼此之間也必定達到熱平衡 例2 答案 3 根據(jù)熱力學定律 下列說法正確的是A 電冰箱的工作表明 熱量可以從低溫物體向高溫物體傳遞B 空調機在制冷過程中 從室內吸收的熱量少于向室外放出的熱量C 科技的不斷進步使得人類有可能生產(chǎn)出從單一熱源吸熱全部用來對外做功而不引起其他變化的熱機D 即使沒有漏氣 摩擦 不必要的散熱等損失 熱機也不可以把燃料產(chǎn)生的內能全部轉化為機械能E 對能源的過度消耗使自然界的能量不斷減少 形成 能源危機 答案 解析 違背熱力學第二定律 總能量守恒 4 關于熱力學定律 下列說法正確的是A 熱量能夠自發(fā)地從高溫物體傳到低溫物體B 不可能使熱量從低溫物體傳向高溫物體C 第二類永動機違反了熱力學第二定律D 氣體向真空膨脹的過程是不可逆過程E 功轉變?yōu)闊岬膶嶋H宏觀過程是可逆過程 答案 4 命題點三熱力學定律與氣體實驗定律的綜合 解決熱力學定律與氣體實驗定律的綜合問題的基本思路 2016 全國 卷 33 1 一定量的理想氣體從狀態(tài)a開始 經(jīng)歷等溫或等壓過程ab bc cd da回到原狀態(tài) 其pT圖象如圖所示 其中對角線ac的延長線過原點O 下列判斷正確的是A 氣體在a c兩狀態(tài)的體積相等B 氣體在狀態(tài)a時的內能大于它在狀態(tài)c時的內能C 在過程cd中氣體向外界放出的熱量大于外界對氣體做的功D 在過程da中氣體從外界吸收的熱量小于氣體對外界做的功E 在過程bc中外界對氣體做的功等于在過程da中氣體對外界做的功 例3 答案 解析 分析 T不變 相等 T升高 大于 一定質量的理想氣體被活塞封閉在汽缸內 如圖所示水平放置 活塞的質量m 20kg 橫截面積S 100cm2 活塞可沿汽缸壁無摩擦滑動但不漏氣 開始使汽缸水平放置 活塞與汽缸底的距離L1 12cm 離汽缸口的距離L2 3cm 外界氣溫為27 大氣壓強為1 0 105Pa 將汽缸緩慢地轉到開口向上的豎直位置 待穩(wěn)定后對缸內氣體逐漸加熱 使活塞上表面剛好與汽缸口相平 已知g 10m s2 求 1 此時氣體的溫度為多少 2 在對缸內氣體加熱的過程中 氣體膨脹對外做功 同時吸收Q 370J的熱量 則氣體增加的內能 U多大 例4 答案 解析 分析 答案 450K 310J 2 當汽缸口向上 未加熱穩(wěn)定時 由玻意耳定律得p0L1S p1LS加熱后 氣體做等壓變化 外界對氣體做功為W p0 L1 L2 L S mg L1 L2 L 60J根據(jù)熱力學第一定律 U W Q得 U 310J 5 一定質量的理想氣體經(jīng)歷了如圖所示的A B C D A循環(huán) 該過程每個狀態(tài)視為平衡態(tài) 各狀態(tài)參數(shù)如圖所示 A狀態(tài)的壓強為1 105Pa 求 1 B狀態(tài)的溫度 答案 解析 A到B的過程中 壓強保持不變 代入數(shù)據(jù)解得TB 600K 600K 2 完成一次循環(huán) 氣體與外界熱交換的熱量 答案 解析 放熱150J A到B的過程中 W1 pA VB VA 解得W1 100JB到C的過程中 體積保持不變 解得pC 2 5 105PaC到D的過程中 W2 pC VB VA 解得W2 250JW W1 W2 150J理想氣體從A狀態(tài)完成一次循環(huán) 回到A狀態(tài) 始末溫度不變 所以內能不變 U W Q解得Q 150J故完成一次循環(huán) 氣體向外界放熱150J 6 如圖所示 用輕質活塞在汽缸內封閉一定質量的理想氣體 活塞與汽缸壁間摩擦忽略不計 開始時活塞距離汽缸底部高度H1 0 60m 氣體的溫度T1 300K 現(xiàn)給汽缸緩慢加熱至T2 480K 活塞緩慢上升到距離汽缸底部某一高度H2處 此過程中缸內氣體增加的內能 U 300J 已知大氣壓強p0 1 0 105Pa 活塞橫截面積S 5 0 10 3m2 求 1 活塞距離汽缸底部的高度H2 答案 解析 0 96m 氣體做等壓變化 解得H2 0 96m 2 此過程中缸內氣體吸收的熱量Q 答案 解析 在氣體膨脹的過程中 氣體對外做功為 W0 p0 V 1 0 105 0 96 0 60 5 0 10 3 J 180J根據(jù)熱力學第一定律可得氣體內能的變化量為 U W0 Q得Q U W0 480J 480J 課時作業(yè) 5 1 在裝有食品的包裝袋中充入氮氣 然后密封進行加壓測試 測試時 對包裝袋緩慢施加壓力 將袋內的氮氣視為理想氣體 在加壓測試過程中 下列說法中正確的是A 包裝袋內氮氣的壓強增大B 包裝袋內氮氣的內能不變C 包裝袋內氮氣對外做功D 包裝袋內氮氣放出熱量E 包裝袋內氮氣的所有分子運動速率都保持不變 答案 1 2 3 4 5 6 7 8 2 下列說法中正確的是A 物體速度增大 則分子動能增大 內能也增大B 一定質量氣體的體積增大 但既不吸熱也不放熱 內能減小C 相同質量的兩種物體 提高相同的溫度 內能的增量一定相同D 物體的內能與物體的溫度和體積都有關系E 凡是與熱現(xiàn)象有關的宏觀過程都具有方向性 答案 解析 1 2 3 4 5 6 7 8 速度增大 不會改變物體的分子的動能 故A錯誤 體積增大時 氣體對外做功 不吸熱也不放熱時 內能減小 故B正確 質量相同 但物體的物質的量不同 故溫度提高相同的溫度時 內能的增量不一定相同 故C錯誤 物體的內能取決于物體的溫度和體積 故D正確 由熱力學第二定律可知 凡是與熱現(xiàn)象有關的宏觀過程都具有方向性 故E正確 1 2 3 4 5 6 7 8 3 根據(jù)你學過的熱學中的有關知識 判斷下列說法中正確的是A 機械能可以全部轉化為內能 內能也可以全部用來做功轉化成機械能B 凡與熱現(xiàn)象有關的宏觀過程都具有方向性 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 盡管科技不斷進步 熱機的效率仍不能達到100 制冷機卻可以使溫度降到 293 D 第一類永動機違背能量守恒定律 第二類永動機不違背能量守恒定律 隨著科技的進步和發(fā)展 第二類永動機可以制造出來 答案 解析 1 2 3 4 5 6 7 8 機械能可以全部轉化為內能 而內能在引起其他變化時也可以全部轉化為機械能 A正確 凡與熱現(xiàn)象有關的宏觀過程都具有方向性 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 B錯誤 盡管科技不斷進步 熱機的效率仍不能達到100 制冷機也不能使溫度降到 293 只能無限接近 273 15 C錯誤 第一類永動機違背能量守恒定律 第二類永動機不違背能量守恒定律 而是違背了熱力學第二定律 第二類永動機不可能制造出來 D錯誤 1 2 3 4 5 6 7 8 4 關于兩類永動機和熱力學的兩個定律 下列說法正確的是A 第二類永動機不可能制成是因為違反了熱力學第一定律B 第一類永動機不可能制成是因為違反了熱力學第二定律C 由熱力學第一定律可知做功不一定改變內能 熱傳遞也不一定改變內能 但同時做功和熱傳遞一定會改變內能D 由熱力學第二定律可知熱量從低溫物體傳向高溫物體是可能的 從單一熱源吸收熱量 完全變成功也是可能的 答案 解析 1 2 3 4 5 6 7 8 第一類永動機違反能量守恒定律 第二類永動機違反熱力學第二定律 A B錯 由熱力學第一定律可知W 0 Q 0 但 U W Q可以等于0 C錯 由熱力學第二定律可知D中現(xiàn)象是可能的 但會引起其他變化 D對 1 2 3 4 5 6 7 8 5 2015 福建 29 2 如圖 一定質量的理想氣體 由狀態(tài)a經(jīng)過ab過程到達狀態(tài)b或者經(jīng)過ac過程到達狀態(tài)c 設氣體在狀態(tài)b和狀態(tài)c的溫度分別為Tb和Tc 在過程ab和ac中吸收的熱量分別為Qab和Qac 則A Tb Tc Qab QacB Tb Tc Qab QacC Tb Tc Qab QacD Tb Tc Qab Qac 答案 解析 1 2 3 4 5 6 7 8 a b過程為等壓變化 由蓋 呂薩克定律得 得Tb 2Ta a c過程為等容變化 由查理定律得 得Tc 2Ta 所以Tb Tc 由熱力學第一定律 a b Wab Qab uaba c Wac Qac Uac又Wab 0 Wac 0 Uab Uac 0 則有Qab Qac 故C項正確 1 2 3 4 5 6 7 8 6 如圖所示 一定質量的理想氣體從狀態(tài)A變化到狀態(tài)B 再由狀態(tài)B變化到狀態(tài)C 已知狀態(tài)A的溫度為300K 1 求氣體在狀態(tài)B的溫度 答案 解析 由理想氣體的狀態(tài)方程解得氣體在狀態(tài)B的溫度TB 1200K 1200K 1 2 3 4 5 6 7 8 2 由狀態(tài)B變化到狀態(tài)C的過程中 氣體是吸熱還是放熱 簡要說明理由 答案 解析 由B C 氣體做等容變化 由查理定律得 TC 600K氣體由B到C為等容變化 不做功 但溫度降低 內能減小 根據(jù)熱力學第一定律 U W Q 可知氣體要放熱 放熱 理由見解析 1 2 3 4 5 6 7 8 7 如圖所示 體積為V 內壁光滑的圓柱形導熱汽缸頂部有一質量和厚度均可忽略的活塞 汽缸內密封有溫度為2 4T0 壓強為1 2p0的理想氣體 p0與T0分別為大氣的壓強和溫度 已知 氣體內能U與溫度T的關系為U T 為正的常量 容器內氣體的所有變化過程都是緩慢的 求 1 汽缸內氣體與大氣達到平衡時的體積V1 答案 解析 見解析 1 2 3 4 5 6 7 8 在氣體由壓強p 1 2p0下降到p0的過程中 氣體體積不變 溫度由T 2 4T0變?yōu)門1 由查理定律得 解得T1 2T0在氣體溫度由T1變?yōu)門0過程中 體積由V減小到V1 氣體壓強不變 由蓋 呂薩克定律得 1 2 3 4 5 6 7 8 2 在活塞下降過程中 汽缸內氣體放出的熱量Q 答案 解析 見解析 在活塞下降過程中 活塞對氣體做的功為W p0 V V1 在這一過程中 氣體內能的減少為 U T1 T0 由熱力學第一定律得 汽缸內氣體放出的熱量為Q W U解得Q p0V T0 1 2 3 4 5 6 7 8 8 如圖所示 一個絕熱的汽缸豎直放置 內有一個絕熱且光滑的活塞 中間有一個固定的導熱性能良好的隔板 隔板將汽缸分成兩部分 分別密封著兩部分理想氣體A和B 活塞的質量為m 橫截面積為S 與隔板相距h 現(xiàn)通過電熱絲緩慢加熱氣體 當A氣體吸收熱量Q時 活塞上升了h 此時氣體的溫度為T1 已知大氣壓強為p0 重力加速度為g 1 加熱過程中 若A氣體內能增加了 U1 求B氣體內能增加量 U2 答案 解析 Q mg p0S h U1 1 2 3 4 5 6 7 8 B氣體對外做的功 W pSh p0S mg h由熱力學第一定律得 U1 U2 Q W解得 U2 Q mg p0S h U1 1 2 3 4 5 6 7 8 2 現(xiàn)停止對氣體加熱 同時在活塞上緩慢添加砂粒 當活塞恰好回到原來的位置時A氣體的溫度為T2 求此時添加砂粒的總質量 m 答案 解析 1 2 3 4 5 6 7 8 停止對氣體加熱后 B氣體的初狀態(tài) p1 p0 V1 2hS T1 1 2 3 4 5 6 7 8