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第3讲热力学定律与能量守恒【知识导图】传递的热量所做的功W+Q转化转移转化转移E2E减低温高温【微点拨】1.热力学第一定律中的正、负号法则:2.热力学第一定律的三种特殊情况:(1)若过程是绝热的,则Q=0,U=W;(2)若过程中不做功(气体体积不变),则W=0,U=Q;(3)若过程的初、末状态温度相等,则内能不变,U=0。【慧眼纠错】(1)做功和热传递的实质是相同的。纠错:_。(2)绝热过程中,外界压缩气体做功,气体的内能一定减少。纠错:_。做功是能的转化,热传递是能的转移,二者实质是不同的气体的内能一定增大(3)物体吸收热量,同时对外做功,内能一定不变。纠错:_。(4)空调机在制冷过程中,从室内吸收的热量等于向室外放出的热量。纠错:_。内能可能增大,可能减小,也可能不变空调机在制冷过程中,从室内吸收的热量小于向室外放出的热量,因为有部分电能转化为内能(5)自由摆动的秋千摆动幅度越来越小,能量正在消失。纠错:_。(6)对能源的过度消耗将使自然界的能量不断减少,形成能源危机。纠错:_。秋千的机械能逐渐转化为内能,但能量守恒自然界可用能源不断减小,但总能量守恒考点1热力学第一定律【典题探究】 【典例1】(多选)(2017全国卷)如图所示,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 导学号04450282()A.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E.气体在被压缩的过程中,气体分子的平均动能不变【解析】选A、B、D。理想气体在真空中自发扩散过程不做功,内能不变,A项正确,C项错误;气体在被压缩的过程中,外界对气体做功,内能增大,气体分子的平均动能增大,B、D项正确,E项错误。【通关秘籍】 1.热力学第一定律的表达:在U=Q+W中,W表示做功情况,说明内能和其他形式的能可以相互转化;Q表示吸热或放热的情况,说明内能可以从一个物体转移到另一个物体,而U=Q+W是能量守恒定律的具体体现。2.改变内能的两种方式的比较:做功做功热传递热传递区区别别内能内能变化变化情况情况外界对物体做外界对物体做功功, ,物体的内能物体的内能增加增加; ;物体对外物体对外界做功界做功, ,物体的物体的内能减小内能减小物体吸收热量物体吸收热量, ,内内能增加能增加; ;物体放出物体放出热量热量, ,内能减少内能减少做功做功热传递热传递区区别别从运从运动形动形式上式上看看做功是宏观的做功是宏观的机械运动向物机械运动向物体的微观分子体的微观分子热运动的转化热运动的转化热传递是通过分热传递是通过分子之间的相互作子之间的相互作用用, ,使同一物体的使同一物体的不同部分或不同不同部分或不同物体间的分子热物体间的分子热运动发生变化运动发生变化, ,是是内能的转移内能的转移做功做功热传递热传递区区别别从能量从能量的角度的角度看看做功是其他形做功是其他形式的能与内能式的能与内能相互转化的过相互转化的过程程不同物体间或不同物体间或同一物体不同同一物体不同部分之间内能部分之间内能的转移的转移区区别别能的性能的性质变化质变化情况情况能的性质发生能的性质发生变化变化能的性质不变能的性质不变做一定量的功或传递一定量的做一定量的功或传递一定量的热量在改变内能的效果上是相热量在改变内能的效果上是相同的同的【考点冲关】 (多选)(2018郑州模拟)夏天,小明同学把自行车轮胎上的气门芯拔出的时候,会觉得从轮胎里喷出的气体凉,如果把轮胎里的气体视为理想气体,则关于气体喷出的过程,下列说法正确的是()导学号04450283A.气体的内能减少B.气体的内能不变C.气体来不及与外界发生热交换,对外做功,温度降低D.气体膨胀时,热量散得太快,使气体温度降低了E.气体分子热运动的平均动能减小【解析】选A、C、E。气体喷出时,来不及与外界交换热量,发生绝热膨胀,Q=0,对外做功,热力学第一定律的表达式为W=U,内能减少,温度降低,温度是分子平均动能的标志,则A、C、E正确。【加固训练】(多选)如图所示,一个封闭的绝热汽缸,被中间的挡板分割成左右相等的两部分。左边充满一定量的某种理想气体,右边真空。现将中间的挡板移去,待气体稳定后,则()A.气体的温度不发生变化B.因为气体的体积膨胀了,所以内能降低C.气体分子的平均动能减小D.虽然气体的体积膨胀了,但是没有对外做功E.气体分子在器壁单位面积上单位时间内发生碰撞的平均次数变为原来的一半【解析】选A、D、E。气体在向真空膨胀的过程中没有力的作用,所以不做功,绝热过程,内能不变,故温度不变,故A正确,B错误,D正确;温度是分子热运动平均动能的标志,温度不变,故分子的平均动能不变,故C错误;气体的温度不变,体积增加为2倍,故分子热运动的平均动能不变,分子数密度减小为一半,故气体分子在器壁单位面积上单位时间内发生碰撞的平均次数变为原来的一半,故E正确。考点2热力学第二定律的理解应用 【典题探究】 【典例2】(多选)(2018青岛模拟)以下哪个现象不违背热力学第二定律导学号04450284()A.一杯热茶在打开盖后,茶会自动变凉B.没有漏气、没有摩擦的理想热机,其效率可能是100%C.桶中浑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.热量自发地从低温物体传到高温物体E.在地面上运动的物体逐渐停下来,机械能全部变为内能【解析】选A、C、E。热茶自动变凉是热从高温物体传递到低温物体,A正确;任何热机效率都不可能达到100%,B错误;泥水分离是机械能(重力势能)向内能的转化,C正确;热量不能自发地从低温物体传到高温物体,D错误;物体因摩擦力而停下来,是机械能(动能)向内能的转化,是自发过程,E正确。【通关秘籍】 1.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。2.热力学第一、第二定律的比较:热力学第一定律热力学第一定律热力学第二定律热力学第二定律定律定律揭示揭示的问的问题题它从能量守恒的它从能量守恒的角度揭示了功、角度揭示了功、热量和内能改变热量和内能改变量三者的定量关量三者的定量关系系它指出自然界中它指出自然界中出现的宏观过程出现的宏观过程有方向性有方向性热力学第一定律热力学第一定律热力学第二定律热力学第二定律机械机械能和能和内能内能的转的转化化当摩擦力做功时当摩擦力做功时, ,机械能可以全部机械能可以全部转化为内能转化为内能内能不可能在不内能不可能在不引起其他变化的引起其他变化的情况下完全变成情况下完全变成机械能机械能热量热量的传的传递递热量可以从高温热量可以从高温物体自发地传向物体自发地传向低温物体低温物体热量不能自发地热量不能自发地从低温物体传向从低温物体传向高温物体高温物体热力学第一定律热力学第一定律热力学第二定律热力学第二定律表述表述形式形式只有一种表述形只有一种表述形式式有多种表述形式有多种表述形式两定两定律的律的关系关系在热力学中在热力学中, ,两者既相互独立两者既相互独立, ,又互又互为补充为补充, ,共同构成了热力学知识的理共同构成了热力学知识的理论基础论基础3.两类永动机的比较:分分类类第一类永动机第一类永动机第二类永动机第二类永动机设计设计要求要求不需要任何动不需要任何动力或燃料力或燃料, ,却却能不断地对外能不断地对外做功的机器做功的机器从单一热源吸收热量从单一热源吸收热量, ,使之完全变成功使之完全变成功, ,而而不产生其他影响的机不产生其他影响的机器器不可不可能能制成制成的原的原因因违背能量守恒违背能量守恒不违背能量守恒不违背能量守恒, ,但但违背热力学第二定律违背热力学第二定律【考点冲关】 1.(多选)(2018霸州模拟)下列关于热力学第二定律的说法中正确的是()A.所有符合能量守恒定律的宏观过程都能真的发生B.一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的C.机械能可以全部转化为内能,但内能无法全部转化成机械能而不产生其他影响D.气体向真空的自由膨胀是可逆的E.热运动的宏观过程有一定的方向性【解析】选B、C、E。符合能量守恒定律,但违背热力学第二定律的宏观过程不能发生,选项A错误;一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的,选项B正确;机械能可以全部转化为内能,但内能无法全部转化成机械能而不产生其他影响,选项C正确;气体向真空的自由膨胀是不可逆的,选项D错误;热运动的宏观过程有一定的方向性,选项E正确。2.(2018黄山模拟)在研究性学习的过程中,同学们提出了以下四个活动方案,哪些从理论上讲是可行的()A.改进热机的生产工艺,总有一天热机的效率可以达到100%B.发明一种制冷设备,使温度降至绝对零度以下C.汽车尾气中各类有害气体排入大气后严重污染了空气,想办法使它们自发地分离,既清洁了空气,又变废为宝D.在房屋顶盖上太阳能板,可直接用太阳能来解决照明和热水问题【解析】选D。热机的效率不可能达到100%,A错;绝对零度不可能达到,B错;汽车尾气中的有害气体不会与空气自动分离,C错;太阳能可以发电和进行加热,D正确。【加固训练】如图所示为电冰箱的工作原理示意图。压缩机工作时,强迫致冷剂在冰箱内外的管道中不断循环。在蒸发器中致冷剂汽化吸收箱体内的热量,经过冷凝器时致冷剂液化,放出热量到箱体外。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.电冰箱的致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.电冰箱的工作原理违反了热力学第一定律D.电冰箱的工作原理违反了热力学第二定律【解析】选B。由热力学第二定律知,热量不能自发地由低温物体传到高温物体,除非施加外部的影响和帮助。电冰箱把热量从低温的内部传到高温外部,需要压缩机的帮助并消耗电能。故A错误,B正确;在工作过程中,是消耗了电能,而使压缩机做功,故不违反热力学第一定律,故C错误;在冰箱制冷中是因为压缩机消耗了电能,从而能使冰箱源源不断地向外界散热,故D错误。考点3气体实验定律与热力学定律的综合 【典题探究】 【典例3】(多选)(2017全国卷)如图所示,一定质量的理想气体从状态a出发,经过等容过程ab到达状态b,再经过等温过程bc到达状态c,最后经等压过程ca回到状态a。下列说法正确的是()导学号04450285A.在过程ab中气体的内能增加B.在过程ca中外界对气体做功C.在过程ab中气体对外界做功 D.在过程bc中气体从外界吸收热量E.在过程ca中气体从外界吸收热量【解析】选A、B、D。在过程ab中,气体体积不变,外界不对气体做功,气体也不对外做功,即W=0,压强增大,温度升高,内能增加,A正确,C错误;在过程ca中,气体体积减小,外界对气体做功,即W0,B正确;在过程bc中,温度不变,内能不变,即U=0,体积增加,W0,即气体从外界吸热,D正确;在过程ca中,压强不变,体积减小,温度降低,即W0,U0,由U=W+Q可知Q0,故气体向外界放出热量,E错误。【通关秘籍】 求解此类综合问题的通用思路【考点冲关】 1.(多选)(2017江苏高考)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V-T图象如图所示。下列说法正确的有()A.AB的过程中,气体对外界做功B.AB的过程中,气体放出热量C.BC的过程中,气体压强不变D.ABC的过程中,气体内能增加【解析】选B、C。 AB的过程中,气体做等温变化,内能不变,体积变小,外界对气体做功,所以放热,A项错误,B项正确;BC的过程中,为等压变化,气体压强不变,C项正确;ABC的过程中,气体温度降低,气体内能减少,D项错误。2.(2018潍坊模拟)如图所示在绝热汽缸内,有一绝热轻活塞封闭一定质量的气体,开始时缸内气体温度为27 ,封闭气柱长9 cm,活塞横截面积S=50 cm2。现通过汽缸底部电阻丝给气体加热一段时间,此过程中气体吸热22 J,稳定后气体温度变为127 。已知大气压强等于105 Pa,求:(1)加热后活塞到汽缸底端的距离。(2)此过程中气体内能改变了多少。【解析】(1)取被封闭的气体为研究的对象,开始时气体的体积为L1S,温度为:T1=(273+27) K=300 K,末状态的体积为:L2S,温度为:T2=(273+127) K=400 K气体做等压变化,则: 代入数据得:L2=12 cm。1212LSLSTT(2)在该过程中,气体对外做功:W=FL=p0S(L2-L1)=1055010-4(12-9)10-2 J=15 J,由热力学第一定律:U=Q-W=22 J-15 J=7 J。答案:(1)12 cm(2)7 J【加固训练】利用燃料燃烧时产生的能量对外做功的机器叫热机。热机是依靠由某些热力学过程组成的特定热力学循环进行工作的。如图所示的p -V图表示的是某一热机的循环图。一定质量的气体(可看成理想气体)由状态2经过状态1至状态4,气体对外做功280 J,吸收热量410 J;气体又从状态4经状态3回到状态2,这一过程中外界对气体做功200 J。求:(1)214过程中气体的内能是增加还是减少?变化量是多少?(2)432过程中气体是吸热还是放热?吸收或放出的热量是多少?【解析】(1)214过程中,气体对外界做功280 J,则W1=-280 J,气体吸收热量410 J,则Q1=410 J由热力学第一定律有:U1=W1+Q1=130 J故在214的过程中气体的内能增加,增加量为130 J(2)432过程中气体内能的变化量为U2=-U1=-130 J由题知,此过程中外界对气体做功200 J,则W2=200 J由热力学第一定律有:U2=W2+Q2=-130 J解得Q2=-330 J故在432的过程中气体放热,放出的热量为330 J答案:(1)增加130 J(2)放热330 J
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