【物理教案】2021江苏高考物理：第十三章+第3讲+热力学定律与能量守恒定律.pdf

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1、1第 3 讲热力学定律与能量守恒定律一、热力学第一定律1改变物体内能的两种方式(1)做功；(2)热传递2热力学第一定律(1)内容：一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的热量与外界对它所做功的和(2)表达式：UQW.(3)UQW 中正、负号法则：物理量意义符号WQ U外界对物体做功物体吸收热量内能增加物体对外界做功物体放出热量内能减少自测 1一定质量的理想气体在某一过程中，外界对气体做功7.0104J，气体内能减少1.3105J，则此过程()A气体从外界吸收热量2.0105JB气体向外界放出热量2.0105JC气体从外界吸收热量6.0104JD气体向外界放出热量6.0104J答案B二、热力学

2、第二定律1热力学第二定律的两种表述(1)克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传到高温物体(2)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2热力学第二定律的微观意义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3第二类永动机不可能制成的原因是违背了热力学第二定律自测 2(多选)下列现象中能够发生的是()A一杯热茶在打开杯盖后，茶会自动变得更热2B蒸汽机把蒸汽的内能全部转化成机械能C桶中混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D电冰箱通电后把箱内低温物体的热量传到箱外高温物体答案CD三、能量守恒定律1内容能量既不会凭空产生，也不会凭空消

3、失，它只能从一种形式转化为另一种形式，或者是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2条件性能量守恒定律是自然界的普遍规律，某一种形式的能是否守恒是有条件的3第一类永动机是不可能制成的，它违背了能量守恒定律自测 3木箱静止于水平地面上，现在用一个80 N 的水平推力推动木箱前进10 m，木箱受到地面的摩擦力为60 N，则转化为木箱与地面系统的内能U 和转化为木箱的动能Ek分别是(空气阻力不计)()AU200 J，Ek600 JBU600 J，Ek200 JCU600 J，Ek800 JDU800 J，Ek200 J答案B解析UFfx6010 J600 JEkFx U

4、8010 J600 J200 J.1热力学第一定律的理解(1)内能的变化都要用热力学第一定律进行综合分析(2)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(3)与外界绝热，则不发生热传递，此时Q0.(4)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2三种特殊情况(1)若过程是绝热的，则Q0，W U，外界对物体做的功等于物体内能的增加；(2)若过程中不做功，即W0，则 Q U，物体吸收的热量等于物体内能的增加；(3)若过程的初、末状态物体的内能不变，即 U0，则 WQ

5、0 或 W Q，外界对物体做3的功等于物体放出的热量例 1(2019 全国卷 33(1)某容器中的空气被光滑活塞封住，容器和活塞绝热性能良好，空气可视为理想气体初始时容器中空气的温度与外界相同，压强大于外界现使活塞缓慢移动，直至容器中的空气压强与外界相同此时，容器中空气的温度_(填“高于”“低于”或“等于”)外界温度，容器中空气的密度_(填“大于”“小于”或“等于”)外界空气的密度答案低于大于解析活塞光滑、容器绝热，活塞缓慢移动，容器内空气体积增大，对外做功，由 UWQ 知，气体内能减少，温度降低气体的压强与温度和单位体积内的分子数有关，由于容器内空气的温度低于外界温度，但压强相同，则容器中空

6、气的密度大于外界空气的密度变式 1(多选)(2017 全国卷 33(1)改编)如图 1，用隔板将一绝热汽缸分成两部分，隔板左侧充有理想气体，隔板右侧与绝热活塞之间是真空现将隔板抽开，气体会自发扩散至整个汽缸待气体达到稳定后，缓慢推压活塞，将气体压回到原来的体积假设整个系统不漏气 下列说法正确的是()图 1A气体自发扩散前后内能相同B气体在被压缩的过程中内能增大C在自发扩散过程中，气体对外界做功D气体在被压缩的过程中，外界对气体做功答案ABD解析因为汽缸、活塞都是绝热的，隔板右侧是真空，所以理想气体在自发扩散的过程中，与外界没有热量交换，也不对外界做功根据热力学第一定律可知，气体自发扩散前后，内

7、能不变，选项A 正确，C 错误；气体在被压缩的过程中，外界对气体做功，气体内能增大，选项 B、D 正确变式 2(多选)(2016 全国卷 33(1)改编)关于气体的内能，下列说法正确的是()A质量和温度都相同的气体，内能一定相同B气体温度不变，整体运动速度越大，其内能越大C气体被压缩时，内能可能不变D一定量的某种理想气体的内能只与温度有关答案CD4解析质量和温度都相同的气体，虽然分子平均动能相同，但是不同的气体，其摩尔质量可能不同，则分子个数可能不同，所以分子总动能不一定相同，A 错误；宏观运动和微观运动没有关系，所以宏观运动速度大，内能不一定大，B 错误；气体被压缩，同时对外传热，根据热力学

8、第一定律知内能可能不变，C 正确；理想气体的分子势能为零，所以一定量的某种理想气体的内能与分子平均动能有关，而温度是分子平均动能的标志，D 正确变式 3汽缸中气体的压强为4105Pa，活塞的面积是40 cm2，气体做等压膨胀，推动活塞移动了20 cm，求：(1)气体做了多少功；(2)在做功过程中气体吸热2.1103J，气体的内能改变了多少答案(1)320 J(2)增加 1.78103J解析(1)气体体积增大，对外做功，WpS x4105401040.2 J 320 J.(2)由热力学第一定律有 UW Q 320 J2.1103J1.78103J，即气体的内能增加了1.78103J.例 2(20

9、19 江苏卷 13A(3)如图 2 所示，一定质量理想气体经历AB 的等压过程，BC的绝热过程(气体与外界无热量交换)，其中 BC 过程中内能减少900 J求 A BC 过程中气体对外界做的总功图 2答案1 500 J解析AB 过程 W1 p(VBVA)BC 过程，根据热力学第一定律W2 U则对外界做的总功W(W1 W2)代入数据得W1 500 J.变式 4(多选)(2018 全国卷 33(1)改编)如图 3，一定质量的理想气体从状态a 开始，经历过程、到达状态e.对此气体，下列说法正确的是()5图 3A过程中气体的压强逐渐减小B过程中气体对外界做正功C过程中气体从外界吸收了热量D状态 c、d

10、 的内能相等答案BD解析过程 中，气体由a 到 b，体积 V 不变、T 升高，则由查理定律知压强增大，A 项错误；过程 中，气体由b 到 c，体积 V 变大，对外界做正功，B 项正确；过程 中，气体由d到 e，温度 T 降低，内能 U 减小，体积V 不变，气体不做功，根据热力学第一定律 UQW 得 Q0，即气体放出热量，C 项错误；状态c、d 温度相同，所以内能相等，D 项正确.例 3(2016 江苏卷 12A 改编)(1)如图 4 甲所示，在斯特林循环的pV 图象中，一定质量理想气体从状态A 依次经过状态B、C 和 D 后再回到状态A，整个过程由两个等温和两个等容过程组成 BC 的过程中，单

11、位体积中的气体分子数目_(选填“增大”“减小”或“不变”)，状态 A 和状态 D 的气体分子热运动速率的统计分布图象如图乙所示，则状态A对应的是 _(选填“”或“”)6图 4(2)如图甲所示，在A B和 DA 的过程中，气体放出的热量分别为4 J 和 20 J，在 BC 和CD 的过程中，气体吸收的热量分别为20 J 和 12 J求气体完成一次循环对外界所做的功答案(1)不变(2)8 J解析(1)从 BC 的过程中，气体体积不变，故单位体积中的气体分子数目不变；因TATD，温度升高，气体分子的平均速率增大，则A 状态对应的是.(2)完成一次循环气体内能不变 U0，吸收的热量Q(2012420)

12、J8 J由热力学第一定律 UQW 得，W 8 J，气体对外做功为8 J.变式 5(2019 江苏南京、盐城一模)如图 5 所示为大炮的一种复位装置示意图开炮时，炮管反冲带动连杆活塞使油压缩空气，此过程空气跟外界没有热传递反冲结束后，被压缩的空气推动活塞使炮管复位设开炮前封闭的空气压强为p1，热力学温度为T1，体积为 V1，炮管反冲使空气的热力学温度为T2，体积压缩为 V2，空气内能增加 U.空气可视为理想气体，求：图 5(1)反冲后空气的压强；(2)反冲过程中油对空气做的功答案(1)p1V1T2V2T1(2)U解析(1)对空气，由理想气体状态方程得：p1V1T1p2V2T2，解得，反冲后空气的

13、压强：p2p1V1T2V2T1.(2)由题意可知：Q0，对空气，由热力学第一定律得：UQW，可得反冲过程中油对空气做的功为：W U.71热力学第二定律的含义(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2热力学第二定律的实质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热力学过程的方向

14、性实例(1)高温物体热量 Q 能自发传给热量 Q 不能自发传给低温物体(2)功能自发地完全转化为不能自发地转化为热(3)气体体积V1能自发膨胀到不能自发收缩到气体体积V2(较大)(4)不同气体A 和 B能自发混合成不能自发分离成混合气体AB.4两类永动机的比较第一类永动机第二类永动机设计要求不需要任何动力或燃料，却能不断地对外做功的机器从单一热源吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响的机器不可能制成的原因违背能量守恒定律不违背能量守恒定律，违背热力学第二定律例 4如图 6 所示为电冰箱的工作原理示意图压缩机工作时，强迫制冷剂在冰箱内外的管道中不断循环在蒸发器中制冷剂汽化吸收箱体内的热量，经

15、过冷凝器时制冷剂液化，放出热量到箱体外图 6(1)(多选)下列说法正确的是()A热量可以自发地从冰箱内传到冰箱外8B电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界，是因为其消耗了电能C电冰箱的工作原理不违反热力学第一定律D电冰箱的工作原理违反热力学第一定律(2)电冰箱的制冷系统从冰箱内吸收的热量与释放到外界的热量相比，有怎样的关系？答案(1)BC(2)见解析解析(1)热力学第一定律是热现象中内能与其他形式能的转化规律，是能量守恒定律的具体表现，适用于所有的热学过程，故C 项正确，D 项错误；由热力学第二定律可知，热量不能自发地从低温物体传到高温物体，除非有外界的影响或帮助，电冰箱把热量从低温

16、的内部传到高温的外部，需要压缩机的帮助并消耗电能，故B 项正确，A 项错误(2)由热力学第一定律可知，电冰箱制冷系统从冰箱内吸收了热量，同时消耗了电能，释放到外界的热量比从冰箱内吸收的热量多变式 6(多选)(2016 全国卷 33(1)改编)关于热力学定律，下列说法正确的是()A气体吸热后温度一定升高B对气体做功可以改变其内能C理想气体等压膨胀过程一定放热D热量不可能自发地从低温物体传到高温物体答案BD解析由热力学第一定律知 U QW，故对气体做功可改变气体的内能，B 选项正确；气体吸热为Q，但不确定外界做功W 的情况，故不能确定气体温度的变化，A 选项错误；理想气体等压膨胀，W0，由 UQ

17、W 知 Q0，气体一定吸热，C 选项错误；由热力学第二定律知，D选项正确1(热力学第一定律的理解和应用)一定质量的理想气体，温度从T1升高到 T2，在这个过程中，以下说法中正确的是()A如果气体体积膨胀对外界做功，则分子热运动的平均动能保持不变B如果气体体积保持不变，则分子热运动的平均动能会保持不变C只有当外界对气体做功时，分子热运动的平均动能才会增加D不管气体体积如何变化，分子热运动的平均动能总会增加答案D解析对于一定质量的理想气体，不管气体体积如何变化，温度升高，内能就增加，分子的平均动能增大，故A、B 错误，D 正确；当气体对外界做功W，同时从外界吸热Q 时，若 Q9W，也可以使气体温度

18、升高，分子的平均动能也会增加，故C 错误2.(热力学第一定律和图象的结合)(多选)(2017江苏卷 12A(1)一定质量的理想气体从状态A经过状态B 变化到状态C，其 VT 图象如图7 所示下列说法正确的有()图 7AAB 的过程中，气体对外界做功BAB 的过程中，气体放出热量CBC 的过程中，气体压强不变DABC 的过程中，气体内能增加答案BC解析由 VT 图象知，从A 到 B 的过程中，气体被等温压缩，外界对气体做正功，气体的内能不变，由热力学第一定律知，气体放出热量，A 错误，B 正确；从 B 到 C 的过程中气体做等压变化，温度降低，气体内能减少，故C 正确，D 错误3(热力学第一定律

19、和图象的结合)(2018江苏卷 12A(3)如图 8 所示，一定质量的理想气体在状态 A 时压强为 2.0105Pa，经历 A BCA 的过程，整个过程中对外界放出61.4 J 的热量求该气体在AB 过程中对外界所做的功图 8答案138.6 J解析整个过程中，外界对气体做功WWABWCA，且 WCApA(VCVA)由热力学第一定律 UQW，得 WAB(QWCA)代入数据得WAB 138.6 J即气体对外界做的功为138.6 J.4(热力学第一定律和气体实验定律的结合)(2019江苏南通七市二模)某同学设计的气压升降机如图 9 所示，竖直圆柱形汽缸用活塞封闭了一定质量的气体，汽缸内壁光滑，活塞与

20、内壁接触紧密无气体泄漏，活塞横截面积为S，活塞及其上方装置总重力Gp0S3，活塞停在内壁10的小支架上，与缸底的距离为H，气体温度为T0，压强为大气压强p0.现给电热丝通电，经过一段时间，活塞缓慢上升H2.整个过程中封闭气体内能的变化为 U，气体可视为理想气体，求：图 9(1)气体的最高温度T；(2)整个过程中气体吸收的热量Q.答案(1)2T0(2)U23p0SH解析(1)气体先等容变化至压强为pp0GS43p0，设温度升高至T1，则有p0T0pT1；接着等压膨胀至体积为(Hh)S，hH2，设温度升高至T，则有HST1Hh ST；联立解得T2T0.(2)全过程中外界对气体做的功W pSH223

21、p0SH由热力学第一定律有 UQW解得 Q U23p0SH.1(多选)(2019四川绵阳市第三次诊断)关于热现象，下列说法正确的是()A热量不能自发地从低温物体传到高温物体B物体的温度或者体积变化，都可能引起物体内能变化C相同质量的两个物体，升高相同温度，内能增加一定相同D绝热密闭容器中一定质量气体的体积增大，其内能一定减少答案ABD解析根据热力学第二定律可知热量不能自发地从低温物体传到高温物体，A 正确；物体内能等于所有分子的动能与分子势能的和，分子平均动能与温度有关，而分子势能与体积有关，所以物体内能与温度和体积有关，B 正确；根据B 选项的分析，升高相同温度，但体积关系11未知，所以内能

22、变化无法判断，C 错误；根据热力学第一定律 UQW，容器绝热，Q0，气体体积增大，所以气体对外做功，W0，所以 U0，由热力学第一定律 UW Q 可知，气体一定吸热，故A 正确；过程bc 中温度不变，则内能不变，即 U0，但体积增大，气体对外做功，W0，气体吸热，则B 错误；过程ca 中温度降低即 U0，由热力学第一定律 UWQ 可知，气体放出的热量大于外界对气体做的功，故C 错误；a、b和 c 三个状态中，状态a 的温度最低，故分子的平均动能最小，则D 正确3(多选)(2019东北三省四市教研联合体模拟)一定质量的理想气体经历如图2 所示的循环，图线由两条绝热线和两条等容线组成，其中，ab

23、和 cd 为绝热过程，bc 和 da 为等容过程下列说法正确的是()图 2Aab 过程中，外界对气体做功Bab 过程中，气体分子的平均动能不变Cc d 过程中，单位体积内气体分子数减少Dda 过程中，气体从外界吸收热量答案AC12解析ab 过程为绝热过程，Q0，体积变小，外界对气体做功，W0，所以内能 U0，温度升高，气体分子的平均动能变大，故 A 正确，B 错误；cd 过程为绝热过程，体积变大，单位体积内气体分子数减少，故C 正确；da 过程为等容变化，压强减小，温度降低，可知 U0，W0，由 UWQ 可知，Q0，气体放热，故D 错误4.(多选)(2019福建龙岩市3 月质量检查)如图 3

24、所示为一定质量的理想气体发生状态变化的pV 图象，图线 1、2是两条等温线，A、B 是等温线1 上的两点，C、D 是等温线2 上的两点，图线 AD、BC 均与 V 轴平行，则下列说法正确的是()图 3A等温线1 对应的气体温度比等温线2 对应的气体温度高B从状态 A 变化到状态B，气体一定吸收热量C从状态 B 变化到状态C，气体吸收的热量比气体对外界做功多D从状态C 变化到状态D，单位体积的气体分子数增大，但气体分子的平均动能不变答案BCD解析从 CB 为等压变化，由公式VTC 可知，等温线 1 对应的气体温度比等温线2 对应的气体温度低，故A 错误；从状态A 到状态 B 为等温变化，内能不变

25、，即 U0，体积增大，气体对外做功，W0，所以气体一定吸收热量，故 B 正确；从状态B 变化到状态C，气体的温度升高，内能增大，即 U0，体积增大，气体对外做功，W0，由热力学第一定律 UQW 可知，气体吸收的热量比气体对外界做功多，故 C 正确；从状态C 到状态 D 为等温变化，所以分子平均动能不变，体积减小，单位体积的气体分子数增大，故D 正确5.如图 4 所示，曲线为某理想气体在pV 图象中的两条等温线，现该气体分别从状态A 到达状态 B、C，其中 AB 过程气体内能减少35 J，AC 过程气体对外做功20 J.图 413(1)若状态 A 的温度为900 K，求状态B 的温度；(2)定量

26、分析AC 过程中吸放热情况答案(1)300 K(2)放出热量 15 J解析(1)由理想气体状态方程可得：pAVATApBVBTB，解得：TB300 K.(2)B、C 所在曲线为等温线，则状态B 与状态 C 内能相同，AC 过程：UWQ，解得 Q 15 J，即放出热量15 J.6(2019福建莆田市5 月第二次质检)如图 5，一定质量的理想气体经历了A BC 的状态变化过程，在此过程中气体的内能增加了135 J，外界对气体做了90 J 的功已知状态A 时气体的体积VA600 cm3.求：图 5(1)从状态 A 到状态 C 的过程中，气体与外界热交换的热量；(2)状态 A 时气体的压强pA.答案(1)吸收热量45 J(2)1.5 105Pa解析(1)根据热力学第一定律有 UWQ由代入数据得Q45 J即气体从外界吸收热量45 J.(2)从状态 A 到状态 B 为等容变化过程，根据查理定律有pATApBTB从状态 B 到状态 C 为等压变化过程，根据盖吕萨克定律有VBTBVCTC从状态 A 到状态 B，外界对气体不做功；从状态 B 到状态 C，外界对气体做功，W pB V又 VVBVC，VBVA由 式代入数据得：pA1.5 105Pa.