第十一章 学案53 热力学定律与能量守恒定律

学案53 热力学定律与能量守恒定律一、概念规律题组1一个气泡从恒温水槽的底部缓慢向上浮起，(若不计气泡内空气分子势能的变化)则()A气泡对外做功，内能不变，同时放热B气泡对外做功，内能不变，同时吸热C气泡内能减少，同时放热D气泡内能不变，不吸热也不放热2一定质量的气体在某一过程中，外界对气体做了8104 J的功，气体的内能减少了1.2105 J，则下列各式中正确的是()AW8104 J，U1.2105 J，Q4104 JBW8104 J，U1.2105 J，Q2105 JCW8104 J，U1.2105 J，Q2104 JDW8104 J，U1.2105 J，Q4104 J3下列说法中正确的是()A一切涉及热现象的宏观过程都具有方向性B一切不违反能量转化和守恒定律的物理过程都是可能实现的C由热力学第二定律可以判断物理过程能否自发进行D一切物理过程都不可能自发地进行4对于一定质量的气体()A吸热时其内能可以不变B吸热时其内能一定不变C不吸热也不放热时其内能可以减小D不吸热也不放热时其内能一定不变二、思想方法题组5下列过程中，可能发生的是()A某种物质从高温热源吸收20 kJ的热量，全部转化为机械能，而没有产生其他任何影响B打开一高压密闭容器，其内气体自发溢出后又自发溢进去，恢复原状C利用其他手段，使低温物体温度更低，高温物体的温度更高D将两瓶不同液体混合，然后它们又自发地各自分开图16如图1所示，用绝热活塞把绝热容器隔成容积相同的两部分，先把活塞锁住，将质量和温度都相同的理想气体氢气和氧气分别充入容器的两部分，然后提起销子，使活塞可以无摩擦地滑动，当活塞平衡时()A氢气的温度不变 B氢气的压强减小C氢气的体积增大 D氧气的温度升高一、热力学第一定律的理解及应用1热力学第一定律不仅反映了做功和热传递这两种方式改变内能的过程是等效的，而且给出了内能的变化量和做功与热传递之间的定量关系此定律是标量式，应用时热量的单位应统一为国际单位制中的焦耳2对公式UQW符号的规定符号WQU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3.几种特殊情况(1)若过程是绝热的，则Q0，WU，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QU，物体吸收的热量等于物体内能的增加(3)若过程的始末状态物体的内能不变，即U0，则WQ0或WQ.外界对物体做的功等于物体放出的热量特别提示1应用热力学第一定律时要明确研究的对象是哪个物体或者是哪个热力学系统2应用热力学第一定律计算时，要依照符号法则代入数据对结果的正、负也同样依照规则来解释其意义【例1】 一定质量的气体，在从一个状态变化到另一个状态的过程中，吸收热量280 J，并对外做功120 J试问：(1)这些气体的内能发生了怎样的变化？(2)如果这些气体又返回原来的状态，并放出了240 J热量，那么在返回的过程中是气体对外界做功，还是外界对气体做功？做功多少？规范思维针对训练(2011福建28(2)一定量的理想气体在某一过程中，从外界吸收热量2.5104 J，气体对外界做功1.0104 J，则该理想气体的_(填选项前的字母)A温度降低，密度增大 B温度降低，密度减小C温度升高，密度增大 D温度升高，密度减小二、对热力学第二定律的理解及应用1在热力学第二定律的表述中，“自发地”、“不产生其他影响”的涵义(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”的涵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热力学过程方向性实例：特别提示热量不可能自发地从低温物体传到高温物体，但在有外界影响的条件下，热量可以从低温物体传到高温物体，如电冰箱；在引起其他变化的条件下内能可以转化为机械能，如气体的等温膨胀过程【例2】 图2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，经过冷凝器时制冷剂液化，放出热量到箱体外图2(1)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B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？规范思维三、热力学定律与气体实验定律的综合当气体的状态发生变化时，如温度变化、体积变化时，理想气体的内能要发生变化，同时伴随着做功，所以气体实验定律常与热力学第一定律相结合解题，要掌握几个过程的特点：(1)等温过程：内能不变，U0；(2)等容过程：W0；(3)绝热过程：Q0.【例3】 (2009山东高考)一定质量的理想气体由状态A经状态B变为状态C，其中AB过程为等压变化，BC过程为等容变化已知VA0.3 m3，TATC300 K，TB400 K.(1)求气体在状态B时的体积(2)说明BC过程压强变化的微观原因(3)设AB过程气体吸收热量为Q1，BC过程气体放出热量为Q2，比较Q1、Q2的大小并说明原因思路点拨(1)AB过程等压，利用盖吕萨克定律分析；(2)从微观上影响压强的两个因素入手，进行分析；(3)利用热力学定律分析规范思维【基础演练】1(2011广东14)图3为某种椅子与其升降部分的结构示意图，M、N两筒间密闭了一定质量的气体，M可沿N的内壁上下滑动，设筒内气体不与外界发生热交换，在M向下滑动的过程中()图3A外界对气体做功，气体内能增大B外界对气体做功，气体内能减小C气体对外界做功，气体内能增大D气体对外界做功，气体内能减小2热机是一种把内能转化为机械能的装置，以内燃机为例，汽缸中的气体得到燃料燃烧时产生的热量Q1，推动活塞做功W，然后排出废气同时把热量Q2散发到大气中，则下列说法正确的是()A由能量守恒定律知Q1WQ2B该热机的效率为C理想热机效率可达到100%D内能可以全部转化为机械能而不引起其他变化图43已知理想气体的内能与温度成正比，如图4所示的实线为汽缸内一定质量的理想气体由状态1到状态2的变化曲线，则在整个过程中汽缸内气体的内能()A先增大后减小B先减小后增大C单调变化D保持不变4(2010福建卷)如图5所示，图5一定质量的理想气体密封在绝热(即与外界不发生热交换)容器中，容器内装有一可以活动的绝热活塞今对活塞施以一竖直向下的压力F，使活塞缓慢向下移动一段距离后，气体的体积减小若忽略活塞与容器壁间的摩擦力，则被密封的气体()A温度升高，压强增大，内能减少B温度降低，压强增大，内能减少C温度升高，压强增大，内能增加D温度降低，压强减小，内能增加5.图6(2011江苏12A(1)如图6所示，一演示用的“永动机”转轮由5根轻杆和转轴构成，轻杆的末端装有用形状记忆合金制成的叶片轻推转轮后，进入热水的叶片因伸展而“划水”，推动转轮转动离开热水后，叶片形状迅速恢复，转轮因此能较长时间转动下列说法正确的是()A转轮依靠自身惯性转动，不需要消耗外界能量B转轮转动所需能量来自形状记忆合金自身C转动的叶片不断搅动热水，水温升高D叶片在热水中吸收的热量一定大于在空气中释放的热量6(2009宁夏、辽宁卷)带有活塞的汽缸图7内封闭一定量的理想气体气体开始处于状态a，然后经过过程ab到达状态b或经过过程ac到达状态c，b、c状态温度相同，如图7所示设气体在状态b和状态c的压强分别为pb和pc ，在过程ab和ac中吸收的热量分别为Qab和Qac，则()Apbpc，QabQac Bpbpc，QabQacCpbQac Dpb pc，Qab0.结合气体定律定性分析在不同的海拔高度使用压力锅，当压力阀被顶起时锅内气体的温度有何不同10如图10所示，两个可导热的汽缸竖直放置，它们的底部由一细管连通(忽略细管的容积)两汽缸各有一活塞，质量分别为m1和m2，活塞与汽缸壁无摩擦活塞的下方为理想气体，上方为真空当气体处于平衡状态时，两活塞位于同一高度h.(已知m13m，m22m)图10(1)在两活塞上同时各放一质量为m的物块，求气体再次达到平衡后两活塞的高度差(假设环境的温度始终保持为T0)(2)在达到上一问的终态后，环境温度由T0缓慢上升到T，试问在这个过程中，气体对活塞做了多少功？气体是吸收还是放出热量？(假定在气体状态变化过程中，两物块均不会碰到汽缸顶部)学案53热力学定律与能量守恒定律【课前双基回扣】1B在气泡缓慢上升的过程中，气泡外部的压强逐渐减小，气泡膨胀，对外做功，故气泡中空气分子的内能减小，温度降低但由于外部恒温，且气泡缓慢上升，故可以认为上升过程中气泡内空气的温度始终等于外界温度，内能不变，故需从外界吸收热量，且吸收的热量等于泡内空气对外界所做的功2B因为外界对气体做功，W取正值，即W8104 J；内能减少，U取负值，即U1.2105 J；根据热力学第一定律UWQ，可知QUW1.2105 J8104 J2105 J，即B选项正确3AC热力学第二定律指出了热现象的方向性，而同时也指出了发生这些单一方向的过程的条件自发，这也就说明了这些过程中的一些，其逆过程在某些条件下也是可以发生的，但也有的是不可能发生的4AC内能的改变既可以通过做功来实现，又可以通过热传递来完成，还可以做功和热传递同时进行来实现，由此分析知A、C是可能的，B、D是不绝对的，故答案为A、C.5C根据热力学第二定律，热量不可能从低温物体自发地传递给高温物体，而不引起其他的变化，但通过一些物理手段是可以实现的，故C正确；内能转化为机械能不可能自发地进行，要使内能全部转化为机械能必定要引起其他变化，故A错误；气体膨胀具有方向性，故B错误；扩散现象也有方向性，D也错误6BCD氢气和氧气的质量虽然相同，但由于氢气的摩尔质量小，故氢气物质的量多，又体积和温度相同，所以氢气产生的压强大，活塞将向氧气一方移动当拔掉销子后，由于氢气物质的量多，压强大，会推动活塞向氧气一方移动，这时氢气对外做功，又无热传递，由UWQ可知，氢气内能减少，温度降低，对氧气而言，外界对它做功，体积减小，由UWQ，无热传递的情况下，氧气内能增加，温度升高思维提升1改变物体内能的两种方式：做功和热传递，二者是等效的2热力学第一定律：UQW.3热力学第二定律的表述(1)按照热传递的方向性表述热量不能自发地从低温物体传到高温物体(2)按照机械能与内能转化过程的方向性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(3)热力学第二定律使人们认识到：自然界中进行的涉及到热现象的宏观过程都具有方向性，揭示了大量分子参与的宏观过程具有方向性4永动机由能量守恒定律知，第一类永动机不可能制成由热力学第二定律知，第二类永动机不可能制成【核心考点突破】例1 (1)增加了160 J(2)外界对气体做功80 J解析(1)由热力学第一定律可得UWQ120 J280 J160 J内能增加了160 J(2)由于气体的内能仅与状态有关，所以气体从状态回到状态的过程中内能的变化应等于从状态到状态过程中内能的变化，则从状态到状态的内能应减少160 J，即U160 J，又Q240 J根据热力学第一定律得UWQ所以WUQ160 J(240 J)80 J即外界对气体做功80 J规范思维求解此题应把握以下两点：(1)用热力学第一定律求解内能变化，注意热量Q、功W的正负(2)气体从末态到初态与从初态到末态的U的大小相同，结合热力学第一定律计算，并做出判断例2 (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，是能的转化和守恒定律的具体表现，适用于所有的热学过程，故C正确，D错误；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，必须借助于其他系统做功，A错误，B正确，故选B、C.(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规范思维涉及热力学第二定律的问题分析技巧：(1)理解热力学第二定律的实质，清楚热力学第二定律的两种表述形式(2)掌握热力学第二定律的一些等效说法如：“第二类永动机不可能制成”，“不可能制成效率为百分之百的热机”等例3 (1)0.4 m3(2)、(3)见解析解析(1)设气体在B状态时的体积为VB，由盖吕萨克定律得代入数据得VB0.4 m3(2)微观原因：气体的体积不变，分子的密集程度不变，温度变化(降低)，气体分子的平均动能变化(减小)，导致气体的压强变化(减小)(3)Q1大于Q2.因为TATC，故AB增加的内能与BC减少的内能相同，而AB过程气体对外做正功，BC过程中气体不做功，由热力学第一定律可知Q1大于Q2.规范思维理想气体状态变化时，要抓住在满足三个实验定律或状态方程的前提下，内能只与温度有关，气体体积的变化决定了外界对气体做功的情况针对训练D思想方法总结1应用热力学第一定律解题的步骤：(1)确定研究对象，就是要明确内能变化的是哪一个物体或哪一个热力学系统；(2)定性分析研究对象的内能变化是由外界哪些物体或系统通过哪些过程引起的；(3)根据符号法则，确定U、Q、W的正负号，代入公式UQW进行计算或判断(4)若与外界绝热，则Q0.2要正确理解“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”它包含以下三层意思：从单一热库吸收热量，一般来说只有部分转化为机械能，所以第二类永动机是不可能制成的；机械能转化为内能是自然的，可以全部转化；如果产生其他影响，可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功3应用能量守恒定律解决问题时，首先应明确有哪几种能量参与转化或转移，哪些增、哪些减，然后利用守恒观点列出方程求解4若气体等压变化，压强为p，体积变化为V，则气体做功WpV.【课时效果检测】1A2.AB3.B4.C5.D6.C7(1)D(2)吸收0.60.2解析(1)根据理想气体状态方程可判断C，T不变，上升过程气泡内气体的压强p减小，气泡体积V增大，分子间距离增大，分子力减小，A错；温度不变，平均动能不变，C错；平均速率不变，B错；V增大，无序性增加，D对(2)热力学第一定律UWQ，温度不变U0，W0.6 J，则Q0.6 J，所以吸热W0.1 J，Q0.3 J，U0.2 J，内能增加8(1)p0(2)吸热原因见解析解析(1)由题意知，气体体积不变，由查理定律得所以此时气体的压强p1p0p0p0(2)抽气过程可等效为等温膨胀过程，设膨胀后气体的总体积为V2，由玻意耳定律可得p1V0p0V2可得V2V0所以集热器内剩余气体的质量与原来总质量的比值为因为抽气过程中剩余气体温度不变，故内能不变，而剩余气体的体积膨胀对外做功由热力学第一定律UWQ可知，气体一定从外界吸收热量9(1)nNA(2)锅内原有气体的内能减少，减少了3 J(3)阀门被顶起时锅内气体温度随着海拔高度的增加而降低解析(1)设锅内气体分子数为n，nNA(2)根据热力学第一定律UWQ3 J锅内气体内能减少，减少了3 J(3)由pp0(1H)(其中0)知，随着海拔高度的增加，大气压强减小；由p1p知，随着海拔高度的增加，阀门被顶起时锅内气体压强减小；根据查理定律可知阀门被顶起时锅内气体温度随着海拔高度的增加而降低10(1)h(2)5mgh(1)气体吸收热量解析(1)设左、右活塞的横截面积分别为A和A.由于气体处于平衡状态，故两活塞对气体的压强相等，即由此得AA在两个活塞上各加一质量为m的物块后，因AA，所以右活塞降至汽缸底部，所有气体都在左汽缸中在初态，气体的压强为，体积为(AA)h；在末态，气体的压强为，体积为Ax(x为左活塞的高度)由玻意耳定律得由上式解得xh即两活塞的高度差为h.(2)当温度由T0上升至T时，气体的压强始终为.设x是温度达到T时左活塞的高度，由盖吕萨克定律得xx气体对活塞做的功为WFl4mgh(1)5mgh(1)在此过程中气体吸收热量易错点评1对于气体自由膨胀或向真空膨胀，这时气体不对外做功W0，这一点同学们容易忽略2给车胎打气问题，越来越困难，不是因为气体分子间斥力变大，而是因为气体的压强变大3热量是内能转移的量度，只能说传递了多少热量，而不能说传递了多少内能，也不能说物体含有多少热量4只有理想气体内能由温度决定，与体积无关，其他气体或物体的内能与温度和体积都有关5对于热力学第二定律的第二种表述要理解“而不产生其他影响”一句，意思就是在引起其他影响的情况下，可以将吸收的热量完全变为功