(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:ΔU=Q+W. (3)ΔU=Q+W中正、負(fù)號(hào)法則: 物理量 意義 符號(hào) W Q ΔU + 外界對(duì)物體做功 物體吸收熱量 內(nèi)能增加 - 物體對(duì)外界做功 物體放出熱量 內(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2.0105J B.氣體向外界放出熱量2.0105J C.氣體從外界吸收熱量6.0104J D.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)分子來說,溫度沒有意義 狀 態(tài) 量 內(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 從運(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.ΔU=Q+W的三種特殊情況 過程名稱 公式 內(nèi)能變化 物理意義 絕熱 Q=0 ΔU=W 外界對(duì)物體做的功等于物體內(nèi)能的增加 等容 W=0 Q=ΔU 物體吸收的熱量等于物體內(nèi)能的增加 等溫 ΔU=0 W=-Q 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,W=0. (2)與外界絕熱,則不發(fā)生熱傳遞,此時(shí)Q=0. (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A→B→C→A的過程,整個(gè)過程中對(duì)外界放出61.4J熱量.求該氣體在A→B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=-138.6J 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A→B和C→D為等溫過程,B→C和D→A為絕熱過程(氣體與外界無熱量交換).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A→B過程吸收熱量12J,則在C→D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:ΔU=Q+W 完成一次循環(huán)氣體內(nèi)能不變,即ΔU=0 又W=-10J,故吸收的熱量Q=-W=10J A→B過程吸收熱量12J,所以C→D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)Q-0.5h(p0S+mg) 解析 (1)等壓過程由=得h′=1.5h (2)氣體壓強(qiáng)p=p0+ W=-p(h′-h(huán))S 由熱力學(xué)第一定律ΔU=W+Q 聯(lián)立解得:ΔU=Q-0.5h(p0S+mg). 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U=aT(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)p0V0+2aT0 解析 (1)ΔU=U1-U2=a3T0-aT0=2aT0 (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W=p0ΔV=p0V0 由熱力學(xué)第一定律ΔU=W+Q得, 氣體放出熱量Q=p0V0+2aT0. 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p-V圖象里的等溫線,p-T圖象里的等容線,V-T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ΔU=Q+W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p-V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 780 600 解析 由題可知,TA=260K,VA=110-3m3,VB=310-3m3,由題圖可知,A→B為等壓變化,由蓋—呂薩克定律得:=,代入數(shù)據(jù)解得:TB=780K.氣體狀態(tài)參量:pA=3105Pa,VA=110-3m3,pC=1105Pa,VC=310-3m3,由理想氣體狀態(tài)方程得:=,代入數(shù)據(jù)解得:TC=TA=260K.A、C兩個(gè)狀態(tài)的溫度相等,內(nèi)能相等,內(nèi)能變化量ΔU=0 A到B過程氣體體積增大,氣體對(duì)外做功:W=-pΔV=-3105(3-1)10-3J=-600J,由熱力學(xué)第一定律ΔU=W+Q得:Q=ΔU-W=0-(-600) J=600J>0,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Q1=220J,氣體在狀態(tài)A的壓強(qiáng)為p0=1.0105Pa.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T2=600K (2)A到B過程氣體從外界吸熱,對(duì)外界做功,內(nèi)能增加:ΔU=W+Q1,W=-p0ΔV,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:Q2=ΔU,代入數(shù)據(jù)解得Q2=120J. 1.下列說法正確的是( ) 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ΔU=W+Q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Q<0,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W<0,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Q>0,同時(shí)對(duì)外做功W<0,W+Q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Q<0,同時(shí)對(duì)外做功W<0,所以ΔU<0,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,下列說法正確的是( ) 圖8 A.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p-T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;a→b為等容過程,溫度升高,壓強(qiáng)增大,內(nèi)能增加ΔU1>0,氣體不做功W=0,據(jù)W+Q=ΔU,氣體從外界吸收的熱量等于內(nèi)能的增加量,即Q1=ΔU1;c→a為等壓過程,溫度下降,體積減小,內(nèi)能減少ΔU2<0,外界對(duì)氣體做功,W>0,據(jù)W+Q=ΔU,得Q2=|ΔU2|+W,由于a→b過程中溫度變化量和c→a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ΔU1=|ΔU2|,故Q1- 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)容而直接下載帶來的問題本站不予受理。
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