(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它所做的功的和.(2)表達式:UQW.(3)UQW中正、負號法則:物理量意義符號WQU外界對物體做功物體吸收熱量內(nèi)能增加物體對外界做功物體放出熱量內(nèi)能減少自測1一定質(zhì)量的理想氣體在某一過程中,外界對氣體做功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2.0105JB.氣體向外界放出熱量2.0105JC.氣體從外界吸收熱量6.0104JD.氣體向外界放出熱量6.0104J答案B二、能量守恒定律1.能量既不會憑空產(chǎn)生,也不會憑空消失,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,第一類永動機是不可能制成的,它違背了能量守恒定律.自測2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C命題點一理解熱量與內(nèi)能、溫度的區(qū)別溫度、內(nèi)能、熱量、功的比較含義特點溫度表示物體的冷熱程度,是物體分子平均動能大小的標志,它是大量分子熱運動激烈程度的宏觀表現(xiàn),對單個分子來說,溫度沒有意義狀態(tài)量內(nèi)能(熱能)物體內(nèi)所有分子動能和分子勢能的總和,它是由大量分子的熱運動和分子的相對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,整體運動速度越大,其內(nèi)能越大C.氣體被壓縮時,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,雖然分子平均動能相同,但是不同的氣體,其摩爾質(zhì)量不同,即分子個數(shù)不同,所以分子總動能不一定相同,A錯誤;宏觀運動和微觀運動沒有關(guān)系,所以宏觀運動速度大,內(nèi)能不一定大,B錯誤;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)能只與分子平均動能有關(guān),而分子平均動能和溫度有關(guān),D正確.變式1關(guān)于熱量、功、內(nèi)能三個物理量,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命題點二對熱力學(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目做功熱傳遞區(qū)別內(nèi)能變化情況外界對物體做功,物體的內(nèi)能增加;物體對外界做功,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)能減少從運動形式上看做功是宏觀的機械運動向物體的微觀分子熱運動的轉(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動發(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.UQW的三種特殊情況過程名稱公式內(nèi)能變化物理意義絕熱Q0UW外界對物體做的功等于物體內(nèi)能的增加等容W0QU物體吸收的熱量等于物體內(nèi)能的增加等溫U0WQ外界對物體做的功等于物體放出的熱量3.應(yīng)用熱力學(xué)第一定律的三點注意(1)做功看體積:體積增大,氣體對外做功,W為負;體積縮小,外界對氣體做功,W為正.氣體向真空中自由膨脹,對外界不做功,W0.(2)與外界絕熱,則不發(fā)生熱傳遞,此時Q0.(3)由于理想氣體沒有分子勢能,所以當它的內(nèi)能變化時,主要體現(xiàn)在分子動能的變化上,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時壓強為2.0105Pa,經(jīng)歷ABCA的過程,整個過程中對外界放出61.4J熱量.求該氣體在AB過程中對外界所做的功.圖1答案138.6J解析整個過程中,外界對氣體做功WWABWCA,且WCApA(VCVA)由熱力學(xué)第一定律UQW,得WAB(QWCA)代入數(shù)據(jù)得WAB138.6J即氣體對外界做的功為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,壓強與大氣壓強相同.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(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AB和CD為等溫過程,BC和DA為絕熱過程(氣體與外界無熱量交換).在完成一次循環(huán)的過程中氣體對外做功10J.若已知氣體在AB過程吸收熱量12J,則在CD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:UQW完成一次循環(huán)氣體內(nèi)能不變,即U0又W10J,故吸收的熱量QW10JAB過程吸收熱量12J,所以CD過程中放出熱量2J.命題點三熱力學(xué)定律與氣體實驗定律的綜合應(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,此時封閉氣體的溫度為T.現(xiàn)通過電熱絲緩慢加熱氣體,當氣體吸收熱量Q時,氣體溫度上升到1.5T.已知大氣壓強為p0,重力加速度為g,不計活塞與汽缸的摩擦.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)Q0.5h(p0Smg)解析(1)等壓過程由得h1.5h(2)氣體壓強pp0Wp(hh)S由熱力學(xué)第一定律UWQ聯(lián)立解得:UQ0.5h(p0Smg).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).已知大氣壓強為p0,大氣的溫度為T0,氣體內(nèi)能U與溫度的關(guān)系為UaT(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)p0V02aT0解析(1)UU1U2a3T0aT02aT0(2)氣體發(fā)生等壓變化,由蓋呂薩克定律得,解得V,該過程中外界對氣體做功Wp0Vp0V0由熱力學(xué)第一定律UWQ得,氣體放出熱量Qp0V02aT0.命題點四熱力學(xué)定律與圖象問題的綜合1.分析圖象得出氣體三個狀態(tài)參量(p,V,T)的變化.注意pV圖象里的等溫線,pT圖象里的等容線,VT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UQW確定熱量Q的正負,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pV圖象如圖6所示.已知氣體在狀態(tài)A時的溫度為260K,則氣體在狀態(tài)B時的溫度為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780600解析由題可知,TA260K,VA1103m3,VB3103m3,由題圖可知,AB為等壓變化,由蓋呂薩克定律得:,代入數(shù)據(jù)解得:TB780K.氣體狀態(tài)參量:pA3105Pa,VA1103m3,pC1105Pa,VC3103m3,由理想氣體狀態(tài)方程得:,代入數(shù)據(jù)解得:TCTA260K.A、C兩個狀態(tài)的溫度相等,內(nèi)能相等,內(nèi)能變化量U0A到B過程氣體體積增大,氣體對外做功:WpV3105(31)103J600J,由熱力學(xué)第一定律UWQ得:QUW0(600) J600J0,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Q1220J,氣體在狀態(tài)A的壓強為p01.0105Pa.求:圖7(1)氣體在狀態(tài)B時的溫度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T2600K(2)A到B過程氣體從外界吸熱,對外界做功,內(nèi)能增加:UWQ1,Wp0V,C狀態(tài)與A狀態(tài)內(nèi)能相等,B到C為等容過程,對外界不做功:Q2U,代入數(shù)據(jù)解得Q2120J.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.物體對外做功,其內(nèi)能一定減小C.物體吸收熱量,同時對外做功,其內(nèi)能可能增加D.物體放出熱量,同時對外做功,其內(nèi)能可能不變答案C解析由熱力學(xué)第一定律UWQ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Q0,但做功W未知,所以內(nèi)能不一定減小,A選項錯誤;物體對外做功W0,但Q未知,所以內(nèi)能不一定減小,B選項錯誤;物體吸收熱量Q0,同時對外做功W0,WQ可正、可負、還可為0,所以內(nèi)能可能增加,故C選項正確;物體放出熱量Q0,同時對外做功W0,所以U0,即內(nèi)能一定減小,D選項錯誤.2.(2018阜寧中學(xué)調(diào)研)對于一定質(zhì)量的理想氣體,下列說法正確的是()A.保持氣體的壓強不變,改變其體積,可以實現(xiàn)其內(nèi)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(nèi)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.當氣體體積逐漸增大時,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項錯誤;保持氣體的壓強不變,改變其體積,則其溫度一定改變,故內(nèi)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,其壓強可以不變,C項正確;當氣體做等溫膨脹時,其內(nèi)能不變,D項錯誤.3.(2018江蘇省高考壓軸沖刺卷)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,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8A.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,對外做功C.單位時間內(nèi)缸內(nèi)氣體分子對活塞的碰撞次數(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,活塞向右運動,體積增大,對外做功,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錯誤;由理想氣體狀態(tài)方程可知,體積增大,則壓強減小,所以單位時間內(nèi)缸內(nèi)氣體分子對活塞碰撞的次數(shù)減小,選項C錯誤.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)歷三個過程ab、bc、ca回到原狀態(tài),其pT圖象如圖9所示.a、b和c三個狀態(tài)中分子平均動能最小的是(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時的內(nèi)能小于它在狀態(tài)c時的內(nèi)能;ab為等容過程,溫度升高,壓強增大,內(nèi)能增加U10,氣體不做功W0,據(jù)WQU,氣體從外界吸收的熱量等于內(nèi)能的增加量,即Q1U1;ca為等壓過程,溫度下降,體積減小,內(nèi)能減少U20,據(jù)WQU,得Q2|U2|W,由于ab過程中溫度變化量和ca過程中溫度變化量相等,所以內(nèi)能變化量的絕對值相等,即U1|U2|,故Q1”“”或“”)在狀態(tài)B的體積;此過程中,氣體做功的絕對值為W,內(nèi)能變化量的絕對值為U,則氣體與外界之間傳遞的熱量為.圖3答案”、“”或“解析設(shè)氣體在B狀態(tài)時的體積為VB,由蓋呂薩克定律得,代入數(shù)據(jù)解得VB0.4m3;因為TATC,故AB增加的內(nèi)能與BC減小的內(nèi)能相同,而AB過程氣體對外做正功,BC過程氣體不做功,由熱力學(xué)第一定律可知Q1大于Q2.8.(2019新海中學(xué)月考)一定質(zhì)量的理想氣體從狀態(tài)M可以經(jīng)歷過程1或者過程2到達狀態(tài)N,其pV圖象如圖5所示.在過程1中,氣體始終與外界無熱量交換;在過程2中,氣體先經(jīng)歷等容變化再經(jīng)歷等壓變化.則在過程1中氣體的溫度(填“升高”“降低”或“不變”);氣體經(jīng)歷過程1對外做的功(填“大于”“小于”或“等于”)氣體經(jīng)歷過程2對外做功.圖5答案降低大于解析氣體經(jīng)過過程1,壓強減小,體積變大,對外做功,內(nèi)能減少,溫度降低,根據(jù)pV圖象與V軸所圍面積表示氣體做功可知:氣體經(jīng)過過程1對外做功為S1在過程2中氣體經(jīng)過過程2對外做功為S2從圖象上可以看出氣體經(jīng)歷過程1對外做功大于氣體經(jīng)歷過程2對外做功.9.(2018南通市等六市一調(diào))如圖6所示,某同學(xué)制作了一個簡易的氣溫計,一導(dǎo)熱容器連接橫截面積為S的長直管,用一滴水銀封閉了一定質(zhì)量的氣體,當溫度為T0時水銀滴停在O點,封閉氣體的體積為V0.大氣壓強不變,不計水銀與管壁間的摩擦.圖6(1)若封閉氣體某過程從外界吸收0.50J的熱量,內(nèi)能增加0.35J,求氣體對外界做的功.(2)若環(huán)境溫度緩慢升高,求水銀滴在直管內(nèi)相對O點移動的距離x隨封閉氣體熱力學(xué)溫度T的變化關(guān)系.答案(1)0.15J(2)x解析(1)由熱力學(xué)第一定律有UQW代入數(shù)據(jù)得:W0.15 J所以氣體對外界做的功為0.15 J(2)氣體做等壓變化,由蓋呂薩克定律有:解得:x10.(2018鹽城中學(xué)最后一卷)某同學(xué)估測室溫的裝置如圖7所示,汽缸導(dǎo)熱性能良好,用絕熱的活塞封閉一定質(zhì)量的理想氣體,室溫時氣體的體積為V166mL,將汽缸豎直放置于冰水混合物中,穩(wěn)定后封閉氣體的體積V260mL,不計活塞重力及活塞與缸壁間的摩擦,室內(nèi)大氣壓強p01.0105Pa.求:圖7(1)室溫;(2)上述過程中,外界對氣體做的功.答案(1)27.3(2)0.60J解析(1)對活塞研究,因不計活塞重力、活塞與缸壁間的摩擦,活塞只受外部氣體對其向下的壓力和內(nèi)部氣體對其向上的托力,兩力平衡,所以汽缸內(nèi)的氣體為等壓變化,設(shè)室溫為T1,則,代入數(shù)據(jù)解得:T1300.3K27.3.(2)因壓強恒定,所以外界對氣體做功為Wp0Vp0(V1V2),代入數(shù)據(jù)解得:W0.60J.11.(2018如皋市模擬四)一定質(zhì)量的理想氣體經(jīng)歷了如圖8所示的ABCDA循環(huán),p1、p2、V1、V2均為已知量.已知A狀態(tài)的溫度為T0,求:圖8(1)C狀態(tài)的溫度T;(2)完成一個循環(huán),氣體與外界熱交換的熱量Q.答案(1)T0(2)(p2p1)(V2V1) 解析(1)設(shè)狀態(tài)D的溫度為TDC到D等容變化,由查理定律知D到A等壓變化,由蓋呂薩克定律知解得TT0(2)WBCp2(V2V1)WDAp1(V2V1)全過程有WWBCWDA(p1p2)(V2V1)由熱力學(xué)第一定律UQW0解得Q(p2p1)(V2V1)0,氣體吸熱.- 1.請仔細閱讀文檔,確保文檔完整性,對于不預(yù)覽、不比對內(nèi)容而直接下載帶來的問題本站不予受理。
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