第十一章 學案53 熱力學定律與能量守恒定律

1、學案53 熱力學定律與能量守恒定律一、概念規(guī)律題組1一個氣泡從恒溫水槽的底部緩慢向上浮起，(若不計氣泡內(nèi)空氣分子勢能的變化)則()A氣泡對外做功，內(nèi)能不變，同時放熱B氣泡對外做功，內(nèi)能不變，同時吸熱C氣泡內(nèi)能減少，同時放熱D氣泡內(nèi)能不變，不吸熱也不放熱2一定質量的氣體在某一過程中，外界對氣體做了8104 J的功，氣體的內(nèi)能減少了1.2105 J，則下列各式中正確的是()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下列說法中正確的是

2、()A一切涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性B一切不違反能量轉化和守恒定律的物理過程都是可能實現(xiàn)的C由熱力學第二定律可以判斷物理過程能否自發(fā)進行D一切物理過程都不可能自發(fā)地進行4對于一定質量的氣體()A吸熱時其內(nèi)能可以不變B吸熱時其內(nèi)能一定不變C不吸熱也不放熱時其內(nèi)能可以減小D不吸熱也不放熱時其內(nèi)能一定不變二、思想方法題組5下列過程中，可能發(fā)生的是()A某種物質從高溫熱源吸收20 kJ的熱量，全部轉化為機械能，而沒有產(chǎn)生其他任何影響B(tài)打開一高壓密閉容器，其內(nèi)氣體自發(fā)溢出后又自發(fā)溢進去，恢復原狀C利用其他手段，使低溫物體溫度更低，高溫物體的溫度更高D將兩瓶不同液體混合，然后它們又自發(fā)地各自分開圖1

3、6如圖1所示，用絕熱活塞把絕熱容器隔成容積相同的兩部分，先把活塞鎖住，將質量和溫度都相同的理想氣體氫氣和氧氣分別充入容器的兩部分，然后提起銷子，使活塞可以無摩擦地滑動，當活塞平衡時()A氫氣的溫度不變 B氫氣的壓強減小C氫氣的體積增大 D氧氣的溫度升高一、熱力學第一定律的理解及應用1熱力學第一定律不僅反映了做功和熱傳遞這兩種方式改變內(nèi)能的過程是等效的，而且給出了內(nèi)能的變化量和做功與熱傳遞之間的定量關系此定律是標量式，應用時熱量的單位應統(tǒng)一為國際單位制中的焦耳2對公式UQW符號的規(guī)定符號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3.幾種特殊情況(1)若過程是絕熱的

4、，則Q0，WU，外界對物體做的功等于物體內(nèi)能的增加(2)若過程中不做功，即W0，則QU，物體吸收的熱量等于物體內(nèi)能的增加(3)若過程的始末狀態(tài)物體的內(nèi)能不變，即U0，則WQ0或WQ.外界對物體做的功等于物體放出的熱量特別提示1應用熱力學第一定律時要明確研究的對象是哪個物體或者是哪個熱力學系統(tǒng)2應用熱力學第一定律計算時，要依照符號法則代入數(shù)據(jù)對結果的正、負也同樣依照規(guī)則來解釋其意義【例1】 一定質量的氣體，在從一個狀態(tài)變化到另一個狀態(tài)的過程中，吸收熱量280 J，并對外做功120 J試問：(1)這些氣體的內(nèi)能發(fā)生了怎樣的變化？(2)如果這些氣體又返回原來的狀態(tài)，并放出了240 J熱量，那么在返回

5、的過程中是氣體對外界做功，還是外界對氣體做功？做功多少？規(guī)范思維針對訓練(2011福建28(2)一定量的理想氣體在某一過程中，從外界吸收熱量2.5104 J，氣體對外界做功1.0104 J，則該理想氣體的_(填選項前的字母)A溫度降低，密度增大 B溫度降低，密度減小C溫度升高，密度增大 D溫度升高，密度減小二、對熱力學第二定律的理解及應用1在熱力學第二定律的表述中，“自發(fā)地”、“不產(chǎn)生其他影響”的涵義(1)“自發(fā)地”指明了熱傳遞等熱力學宏觀現(xiàn)象的方向性，不需要借助外界提供能量的幫助(2)“不產(chǎn)生其他影響”的涵義是發(fā)生的熱力學宏觀過程只在本系統(tǒng)內(nèi)完成，對周圍環(huán)境不產(chǎn)生熱力學方面的影響如吸熱、放熱

6、、做功等2熱力學第二定律的實質熱力學第二定律的每一種表述，都揭示了大量分子參與宏觀過程的方向性，進而使人們認識到自然界中進行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性3熱力學過程方向性實例：特別提示熱量不可能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體，但在有外界影響的條件下，熱量可以從低溫物體傳到高溫物體，如電冰箱；在引起其他變化的條件下內(nèi)能可以轉化為機械能，如氣體的等溫膨脹過程【例2】 圖2為電冰箱的工作原理示意圖壓縮機工作時，強迫制冷劑在冰箱內(nèi)外的管道中不斷循環(huán)在蒸發(fā)器中制冷劑汽化吸收箱體內(nèi)的熱量，經(jīng)過冷凝器時制冷劑液化，放出熱量到箱體外圖2(1)下列說法正確的是()A熱量可以自發(fā)地從冰箱內(nèi)傳到冰箱外B電冰箱的

7、制冷系統(tǒng)能夠不斷地把冰箱內(nèi)的熱量傳到外界，是因為其消耗了電能C電冰箱的工作原理不違反熱力學第一定律D電冰箱的工作原理違反熱力學第一定律(2)電冰箱的制冷系統(tǒng)從冰箱內(nèi)吸收的熱量與釋放到外界的熱量相比，有怎樣的關系？規(guī)范思維三、熱力學定律與氣體實驗定律的綜合當氣體的狀態(tài)發(fā)生變化時，如溫度變化、體積變化時，理想氣體的內(nèi)能要發(fā)生變化，同時伴隨著做功，所以氣體實驗定律常與熱力學第一定律相結合解題，要掌握幾個過程的特點：(1)等溫過程：內(nèi)能不變，U0；(2)等容過程：W0；(3)絕熱過程：Q0.【例3】 (2009山東高考)一定質量的理想氣體由狀態(tài)A經(jīng)狀態(tài)B變?yōu)闋顟B(tài)C，其中AB過程為等壓變化，BC過程為等

8、容變化已知VA0.3 m3，TATC300 K，TB400 K.(1)求氣體在狀態(tài)B時的體積(2)說明BC過程壓強變化的微觀原因(3)設AB過程氣體吸收熱量為Q1，BC過程氣體放出熱量為Q2，比較Q1、Q2的大小并說明原因思路點撥(1)AB過程等壓，利用蓋呂薩克定律分析；(2)從微觀上影響壓強的兩個因素入手，進行分析；(3)利用熱力學定律分析規(guī)范思維【基礎演練】1(2011廣東14)圖3為某種椅子與其升降部分的結構示意圖，M、N兩筒間密閉了一定質量的氣體，M可沿N的內(nèi)壁上下滑動，設筒內(nèi)氣體不與外界發(fā)生熱交換，在M向下滑動的過程中()圖3A外界對氣體做功，氣體內(nèi)能增大B外界對氣體做功，氣體內(nèi)能減

9、小C氣體對外界做功，氣體內(nèi)能增大D氣體對外界做功，氣體內(nèi)能減小2熱機是一種把內(nèi)能轉化為機械能的裝置，以內(nèi)燃機為例，汽缸中的氣體得到燃料燃燒時產(chǎn)生的熱量Q1，推動活塞做功W，然后排出廢氣同時把熱量Q2散發(fā)到大氣中，則下列說法正確的是()A由能量守恒定律知Q1WQ2B該熱機的效率為C理想熱機效率可達到100%D內(nèi)能可以全部轉化為機械能而不引起其他變化圖43已知理想氣體的內(nèi)能與溫度成正比，如圖4所示的實線為汽缸內(nèi)一定質量的理想氣體由狀態(tài)1到狀態(tài)2的變化曲線，則在整個過程中汽缸內(nèi)氣體的內(nèi)能()A先增大后減小B先減小后增大C單調(diào)變化D保持不變4(2010福建卷)如圖5所示，圖5一定質量的理想氣體密封在絕

10、熱(即與外界不發(fā)生熱交換)容器中，容器內(nèi)裝有一可以活動的絕熱活塞今對活塞施以一豎直向下的壓力F，使活塞緩慢向下移動一段距離后，氣體的體積減小若忽略活塞與容器壁間的摩擦力，則被密封的氣體()A溫度升高，壓強增大，內(nèi)能減少B溫度降低，壓強增大，內(nèi)能減少C溫度升高，壓強增大，內(nèi)能增加D溫度降低，壓強減小，內(nèi)能增加5.圖6(2011江蘇12A(1)如圖6所示，一演示用的“永動機”轉輪由5根輕桿和轉軸構成，輕桿的末端裝有用形狀記憶合金制成的葉片輕推轉輪后，進入熱水的葉片因伸展而“劃水”，推動轉輪轉動離開熱水后，葉片形狀迅速恢復，轉輪因此能較長時間轉動下列說法正確的是()A轉輪依靠自身慣性轉動，不需要消耗

11、外界能量B轉輪轉動所需能量來自形狀記憶合金自身C轉動的葉片不斷攪動熱水，水溫升高D葉片在熱水中吸收的熱量一定大于在空氣中釋放的熱量6(2009寧夏、遼寧卷)帶有活塞的汽缸圖7內(nèi)封閉一定量的理想氣體氣體開始處于狀態(tài)a，然后經(jīng)過過程ab到達狀態(tài)b或經(jīng)過過程ac到達狀態(tài)c，b、c狀態(tài)溫度相同，如圖7所示設氣體在狀態(tài)b和狀態(tài)c的壓強分別為pb和pc ，在過程ab和ac中吸收的熱量分別為Qab和Qac，則()Apbpc，QabQac Bpbpc，QabQacCpbQac Dpb pc，Qab0.結合氣體定律定性分析在不同的海拔高度使用壓力鍋，當壓力閥被頂起時鍋內(nèi)氣體的溫度有何不同10如圖10所示，兩個可

12、導熱的汽缸豎直放置，它們的底部由一細管連通(忽略細管的容積)兩汽缸各有一活塞，質量分別為m1和m2，活塞與汽缸壁無摩擦活塞的下方為理想氣體，上方為真空當氣體處于平衡狀態(tài)時，兩活塞位于同一高度h.(已知m13m，m22m)圖10(1)在兩活塞上同時各放一質量為m的物塊，求氣體再次達到平衡后兩活塞的高度差(假設環(huán)境的溫度始終保持為T0)(2)在達到上一問的終態(tài)后，環(huán)境溫度由T0緩慢上升到T，試問在這個過程中，氣體對活塞做了多少功？氣體是吸收還是放出熱量？(假定在氣體狀態(tài)變化過程中，兩物塊均不會碰到汽缸頂部)學案53熱力學定律與能量守恒定律【課前雙基回扣】1B在氣泡緩慢上升的過程中，氣泡外部的壓強逐

13、漸減小，氣泡膨脹，對外做功，故氣泡中空氣分子的內(nèi)能減小，溫度降低但由于外部恒溫，且氣泡緩慢上升，故可以認為上升過程中氣泡內(nèi)空氣的溫度始終等于外界溫度，內(nèi)能不變，故需從外界吸收熱量，且吸收的熱量等于泡內(nèi)空氣對外界所做的功2B因為外界對氣體做功，W取正值，即W8104 J；內(nèi)能減少，U取負值，即U1.2105 J；根據(jù)熱力學第一定律UWQ，可知QUW1.2105 J8104 J2105 J，即B選項正確3AC熱力學第二定律指出了熱現(xiàn)象的方向性，而同時也指出了發(fā)生這些單一方向的過程的條件自發(fā)，這也就說明了這些過程中的一些，其逆過程在某些條件下也是可以發(fā)生的，但也有的是不可能發(fā)生的4AC內(nèi)能的改變既可

14、以通過做功來實現(xiàn)，又可以通過熱傳遞來完成，還可以做功和熱傳遞同時進行來實現(xiàn)，由此分析知A、C是可能的，B、D是不絕對的，故答案為A、C.5C根據(jù)熱力學第二定律，熱量不可能從低溫物體自發(fā)地傳遞給高溫物體，而不引起其他的變化，但通過一些物理手段是可以實現(xiàn)的，故C正確；內(nèi)能轉化為機械能不可能自發(fā)地進行，要使內(nèi)能全部轉化為機械能必定要引起其他變化，故A錯誤；氣體膨脹具有方向性，故B錯誤；擴散現(xiàn)象也有方向性，D也錯誤6BCD氫氣和氧氣的質量雖然相同，但由于氫氣的摩爾質量小，故氫氣物質的量多，又體積和溫度相同，所以氫氣產(chǎn)生的壓強大，活塞將向氧氣一方移動當拔掉銷子后，由于氫氣物質的量多，壓強大，會推動活塞向

15、氧氣一方移動，這時氫氣對外做功，又無熱傳遞，由UWQ可知，氫氣內(nèi)能減少，溫度降低，對氧氣而言，外界對它做功，體積減小，由UWQ，無熱傳遞的情況下，氧氣內(nèi)能增加，溫度升高思維提升1改變物體內(nèi)能的兩種方式：做功和熱傳遞，二者是等效的2熱力學第一定律：UQW.3熱力學第二定律的表述(1)按照熱傳遞的方向性表述熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體(2)按照機械能與內(nèi)能轉化過程的方向性表述不可能從單一熱庫吸收熱量，使之完全變成功，而不產(chǎn)生其他影響(3)熱力學第二定律使人們認識到：自然界中進行的涉及到熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性，揭示了大量分子參與的宏觀過程具有方向性4永動機由能量守恒定律知，第一類永動機

16、不可能制成由熱力學第二定律知，第二類永動機不可能制成【核心考點突破】例1 (1)增加了160 J(2)外界對氣體做功80 J解析(1)由熱力學第一定律可得UWQ120 J280 J160 J內(nèi)能增加了160 J(2)由于氣體的內(nèi)能僅與狀態(tài)有關，所以氣體從狀態(tài)回到狀態(tài)的過程中內(nèi)能的變化應等于從狀態(tài)到狀態(tài)過程中內(nèi)能的變化，則從狀態(tài)到狀態(tài)的內(nèi)能應減少160 J，即U160 J，又Q240 J根據(jù)熱力學第一定律得UWQ所以WUQ160 J(240 J)80 J即外界對氣體做功80 J規(guī)范思維求解此題應把握以下兩點：(1)用熱力學第一定律求解內(nèi)能變化，注意熱量Q、功W的正負(2)氣體從末態(tài)到初態(tài)與從初態(tài)

17、到末態(tài)的U的大小相同，結合熱力學第一定律計算，并做出判斷例2 (1)BC(2)見解析解析(1)熱力學第一定律是熱現(xiàn)象中內(nèi)能與其他形式能的轉化規(guī)律，是能的轉化和守恒定律的具體表現(xiàn)，適用于所有的熱學過程，故C正確，D錯誤；根據(jù)熱力學第二定律可知，熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體，必須借助于其他系統(tǒng)做功，A錯誤，B正確，故選B、C.(2)由熱力學第一定律可知，電冰箱制冷系統(tǒng)從冰箱內(nèi)吸收了熱量，同時消耗了電能，釋放到外界的熱量比從冰箱內(nèi)吸收的熱量多規(guī)范思維涉及熱力學第二定律的問題分析技巧：(1)理解熱力學第二定律的實質，清楚熱力學第二定律的兩種表述形式(2)掌握熱力學第二定律的一些等效說法如：“第

18、二類永動機不可能制成”，“不可能制成效率為百分之百的熱機”等例3 (1)0.4 m3(2)、(3)見解析解析(1)設氣體在B狀態(tài)時的體積為VB，由蓋呂薩克定律得代入數(shù)據(jù)得VB0.4 m3(2)微觀原因：氣體的體積不變，分子的密集程度不變，溫度變化(降低)，氣體分子的平均動能變化(減小)，導致氣體的壓強變化(減小)(3)Q1大于Q2.因為TATC，故AB增加的內(nèi)能與BC減少的內(nèi)能相同，而AB過程氣體對外做正功，BC過程中氣體不做功，由熱力學第一定律可知Q1大于Q2.規(guī)范思維理想氣體狀態(tài)變化時，要抓住在滿足三個實驗定律或狀態(tài)方程的前提下，內(nèi)能只與溫度有關，氣體體積的變化決定了外界對氣體做功的情況針

19、對訓練D思想方法總結1應用熱力學第一定律解題的步驟：(1)確定研究對象，就是要明確內(nèi)能變化的是哪一個物體或哪一個熱力學系統(tǒng)；(2)定性分析研究對象的內(nèi)能變化是由外界哪些物體或系統(tǒng)通過哪些過程引起的；(3)根據(jù)符號法則，確定U、Q、W的正負號，代入公式UQW進行計算或判斷(4)若與外界絕熱，則Q0.2要正確理解“不可能從單一熱庫吸收熱量，使之完全變成功，而不產(chǎn)生其他影響”它包含以下三層意思：從單一熱庫吸收熱量，一般來說只有部分轉化為機械能，所以第二類永動機是不可能制成的；機械能轉化為內(nèi)能是自然的，可以全部轉化；如果產(chǎn)生其他影響，可能從單一熱庫吸收熱量，使之完全變成功3應用能量守恒定律解決問題時，

20、首先應明確有哪幾種能量參與轉化或轉移，哪些增、哪些減，然后利用守恒觀點列出方程求解4若氣體等壓變化，壓強為p，體積變化為V，則氣體做功WpV.【課時效果檢測】1A2.AB3.B4.C5.D6.C7(1)D(2)吸收0.60.2解析(1)根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程可判斷C，T不變，上升過程氣泡內(nèi)氣體的壓強p減小，氣泡體積V增大，分子間距離增大，分子力減小，A錯；溫度不變，平均動能不變，C錯；平均速率不變，B錯；V增大，無序性增加，D對(2)熱力學第一定律UWQ，溫度不變U0，W0.6 J，則Q0.6 J，所以吸熱W0.1 J，Q0.3 J，U0.2 J，內(nèi)能增加8(1)p0(2)吸熱原因見解析解析(1)由題意知，氣體體積不變，由查理定律得所以此時氣體的壓強p1p0p0p0(2)抽氣過程可等效為等溫膨脹過程，設膨脹后氣體的總體積為V2，由玻意耳定律可得p1V0p0V2可得V2V0所以集熱器內(nèi)剩余氣體的質量與原來總質量的比值為因為抽氣過程中剩余氣體溫度不變，故內(nèi)能不變，而剩余氣體的體積膨脹對外做功由熱力學第一定律UWQ可知，氣體一定從外界吸收熱量9(1)nNA(2)鍋內(nèi)原有氣體的內(nèi)能減少，減少