33热力学定律能量守恒定律复习学案版.docx

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33热力学定律能量守恒定律复习学案版

3-3热力学定律与能量守恒定律复习学案

[知识梳理]

知识点一、热力学第一定律

1．改变物体内能的两种方式

（1）；

（2）。

2．热力学第一定律

（1）内容：

一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的与外界对它所做的功的和。

（2）表达式：

ΔU＝。

（3）ΔU＝中正、负号法则：

W

Q

ΔU

＋

外界对物体做功

物体热量

内能

－

物体对外界做功

物体热量

内能

知识点二、能量守恒定律

1．内容

能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式为另一种形式，或者是从一个物体到别的物体，在或的过程中，能量的保持不变。

2．条件性

能量守恒定律是自然界的，某一种形式的能是否守恒是有条件的。

3．第一类永动机是不可能制成的，它违背了。

知识点三、热力学第二定律

1．热力学第二定律的两种表述

（1）克劳修斯表述：

热量不能从低温物体传到高温物体。

（2）开尔文表述：

不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功，而。

或表述为“永动机是不可能制成的”。

2．用熵的概念表示热力学第二定律：

在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会。

3．热力学第二定律的微观意义

一切自发过程总是沿着分子热运动的增大的方向进行。

4．第二类永动机不可能制成的原因是违背了。

思维深化

判断正误，正确的画“√”，错误的画“×”。

（1）为了增加物体的内能，必须对物体做功或向它传递热量，做功和热传递的实质是相同的。

（）

（2）绝热过程中，外界压缩气体做功20J，气体的内能可能不变。

（）

（3）在给自行车打气时，会发现打气筒的温度升高，这是因为打气筒从外界吸热。

（）

（4）可以从单一热源吸收热量，使之完全变成功。

（）

[题组自测]

题组一对热力学第一定律及能量守恒定律的理解

1．一定质量的理想气体在某一过程中，外界对气体做功7.0×104J，气体内能减少1.3×105J，则此过程（）

A．气体从外界吸收热量2.0×105JB．气体向外界放出热量2.0×105J

C．气体从外界吸收热量6.0×104JD．气体向外界放出热量6.0×104J

2．木箱静止于水平地面上，现在用一个80N的水平推力推动木箱前进10m，木箱受到的摩擦力为60N，则转化为木箱与地面系统的内能U和转化为木箱的动能Ek分别是（）

A．U＝200J，Ek＝600JB．U＝600J，Ek＝200J

C．U＝600J，Ek＝800JD．U＝800J，Ek＝200J

3．如图1所示，一定质量的理想气体由状态a沿abc变化到状态c，吸收了340J的热量，并对外做功120J。

若该气体由状态a沿adc变化到状态c时，对外做功40J，则这一过程中气体________（填“吸收”或“放出”）________J热量。

题组二对热力学第二定律的理解

4．（多选）下列叙述和热力学定律相关，其中正确的是（）

A．第一类永动机不可能制成，是因为违背了能量守恒定律

B．能量耗散过程中能量不守恒

C．电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界，违背了热力学第二定律

D．能量耗散从能量转化的角度反映出自然界中的宏观过程具有方向性

5．根据你所学热学中的有关知识，判断下列说法中正确的是（）

A．机械能可以全部转化为内能，内能也可以全部用来做功以转化成机械能

B．凡与热现象有关的宏观过程都具有方向性，在热传递中，热量只能从高温物体传递给低温物体，而不能从低温物体传递给高温物体

C．尽管技术不断进步，热机的效率仍不能达到100%，制冷机却可以使温度降到－293℃

D．第一类永动机违背能量守恒定律，第二类永动机不违背能量守恒定律，随着科技的进步和发展，第二类永动机可以制造出来

考点一对热力学第一定律的理解

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，即ΔU＝Q＋W。

2．几种特殊情况

（1）若过程是绝热的，则Q＝0，W＝ΔU，等于物体内能的增加量。

（2）若过程中不做功，即W＝0，则Q＝ΔU，等于物体内能的增加量。

（3）若过程的始末状态物体的内能不变，即ΔU＝0，则W＋Q＝0或W＝－Q。

外界对物体做的功等于物体放出的热量。

【例1】（多选）（2014·广东卷，17）用密封性好、充满气体的塑料袋包裹易碎品，如图2所示，充气袋四周被挤压时，假设袋内气体与外界无热交换，则袋内气体（）

A．体积减小，内能增大B．体积减小，压强减小

C．对外界做负功，内能增大D．对外界做正功，压强减小

【变式训练】

1．一定质量的气体，在从状态1变化到状态2的过程中，吸收热量280J，并对外做功120J，试问：

（1）这些气体的内能怎样发生变化？

变化了多少？

（2）如果这些气体又返回原来的状态，并放出了240J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？

考点二对热力学第二定律的理解

1．对热力学第二定律关键词的理解

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

3．两类永动机的比较

分类

第一类永动机

第二类永动机

设计要求

不需要任何动力或燃料，却能不断地对外做功的机器

从单一热源吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响的机器

不可能制成的原因

违背能量守恒

不违背能量守恒，违背热力学第二定律

【例2】（多选）关于热力学定律，下列说法正确的是（）

A．为了增加物体的内能，必须对物体做功或向它传递热量

B．对某物体做功，必定会使该物体的内能增加

C．可以从单一热源吸收热量，使之完全变为功

D．不可能使热量从低温物体传向高温物体E．功转变为热的实际宏观过程是不可逆过程

【变式训练】

2．关于两类永动机和热力学的两个定律，下列说法正确的是（）

A．第二类永动机不可能制成是因为违反了热力学第一定律

B．第一类永动机不可能制成是因为违反了热力学第二定律

C．由热力学第一定律可知做功不一定改变内能，热传递也不一定改变内能，但同时做功和热传递一定会改变内能

D．由热力学第二定律可知热量从低温物体传向高温物体是可能的，从单一热源吸收热量，完全变成功也是可能的

考点三热力学定律与气体实验定律的综合应用

【例3】一定质量的理想气体被活塞封闭在气缸内，如图3所示水平放置。

活塞的质量m＝20kg，横截面积S＝100cm2，活塞可沿气缸壁无摩擦滑动但不漏气，开始使气缸水平放置，活塞与气缸底的距离L1＝12cm，离气缸口的距离L2＝3cm。

外界气温为27℃，大气压强为1.0×105Pa，将气缸缓慢地转到开口向上的竖直位置，待稳定后对缸内气体逐渐加热，使活塞上表面刚好与气缸口相平，已知g＝10m/s2，求：

（1）此时气体的温度为多少？

（2）在对缸内气体加热的过程中，气体膨胀对外做功，同时吸收Q＝370J的热量，则气体增加的内能ΔU多大？

【变式训练】

3．（2014·云南师大附中测试）一定质量的某种理想气体从状态A开始按图4所示的箭头方向经过状态B达到状态C，已知气体在A状态时的体积为1.5L，求：

（1）气体在状态C时的体积；

（2）说明A→B、B→C两个变化过程是吸热还是放热，并比较A→B、B→C两个过程中热量的大小。

1.我国航天员漫步太空已变成现实。

已知飞船在航天员出舱前先要“减压”，在航天员从太空返回进入航天器后要“升压”，因此飞船将此设施专门做成了一个舱，叫“气闸舱”，其原理图如图5所示，相通的舱A、B间装有阀门K，指令舱A中充满气体，气闸舱B内为真空，整个系统与外界没有热交换。

打开阀门K后，A中的气体进入B中，最终达到平衡，则（）

A．气体体积膨胀，对外做功

B．气体分子势能减少，内能增加

C．体积变大，温度降低

D．B中气体不可能自发地全部退回到A中

2．（多选）如图6所示，固定在地面上的水平气缸内由活塞B封闭着一定量的气体，气体分子之间的相互作用力可以忽略。

假设气缸壁的导热性能很好，环境的温度保持不变。

若用外力F将活塞B缓慢地水平向右拉动，则在拉动活塞的过程中，关于此气缸内气体的下列结论中，正确的是（）

A．气体做等温膨胀，分子的平均速率不变，气体的压强不变

B．气体做等温膨胀，气体分子单位时间对气缸壁单位面积碰撞的次数将变少

C．因为气体内能不变，所以气体从外界吸收的热能全用来对外做功

D．气体是从单一热源吸热，全用来对外做功，因此此过程违反热力学第二定律

3．（多选）（2014·新课标全国卷Ⅰ，33）一定量的理想气体从状态a开始，经历三个过程ab、bc、ca回到原状态，其p－T图象如图7所示。

下列判断正确的是（）

A．过程ab中气体一定吸热

B．过程bc中气体既不吸热也不放热

C．过程ca中外界对气体所做的功等于气体所放的热

D．a、b和c三个状态中，状态a分子的平均动能最小

E．b和c两个状态中，容器壁单位面积单位时间内受到气体分子撞击的次数不同

4.在如图8所示的坐标系中，一定质量的某种理想气体先后发生以下两种状态变化过程：

第一种变化是从状态A到状态B，外界对该气体做功为6J；第二种变化是从状态A到状态C，该气体从外界吸收的热量为9J。

图线AC的反向延长线通过坐标原点O，B、C两状态的温度相同，理想气体的分子势能为零。

求：

（1）从状态A到状态C的过程，该气体对外界做的功W1和其内能的增量ΔU1；

（2）从状态A到状态B的过程，该气体内能的增量ΔU2及其从外界吸收的热量Q2。

基本技能练

1．（多选）如图1所示，绝热隔板K把绝热的气缸分隔成体积相等的两部分，K与气缸壁的接触是光滑的。

两部分中分别盛有相同质量、相同温度的同种气体a和b。

气体分子之间相互作用势能可忽略。

现通过电热丝对气体a加热一段时间后，a、b各自达到新的平衡（）

A．a的体积增大了，压强变小了

B．b的温度升高了

C．加热后a的分子热运动比b的分子热运动更剧烈

D．a增加的内能大于b增加的内能

2．（多选）图2为某同学设计的喷水装置，内部装有2L水，上部密封1atm的空气0.5L，保持阀门关闭，再充入1atm的空气0.1L，设在所有过程中空气可看作理想气体，且温度不变，下列说法正确的有（）

A．充气后，密封气体压强增加

B．充气后，密封气体的分子平均动能增加

C．打开阀门后，密封气体对外界做正功

D．打开阀门后，不再充气也能把水喷光

3.封闭在汽缸内一定质量的理想气体由状态A变到状态D，其体积V与热力学温度T的关系如图3所示，该气体的摩尔质量为M，状态A的体积为V0，温度为T0，O、A、D三点在同一直线上，阿伏加德罗常数为NA。

（1）（多选）由状态A变到状态D过程中（）

A．气体从外界吸收热量，内能增加

B．气体体积增大，单位时间内与器壁单位面积碰撞的分子数减少

C．气体温度升高，每个气体分子的动能都会增大

D．气体的密度不变

（2）在上述过程中，气体对外做功为5J，内能增加9J，则气体________（填“吸收”或“放出”）热量________J。

（3）在状态D，该气体的密度为ρ，体积为2V0，则状态D的温度为多少？

该气体的分子数为多少？

4．如图4所示，一定质量的理想气体从状态A依次经过状态B、C和D后再回到状态A。

其中，A→B和C→D为等温过程，B→C和D→A为绝热过程（气体与外界无热量交换）。

这就是著名的“卡诺循环”。

（1）该循环过程中，下列说法正确的是________。

A．A―→B过程中，外界对气体做功

B．B―→C过程中，气体分子的平均动能增大

C．C―→D过程中，单位时间内碰撞单位面积器壁的分子数增多

D．D―→A过程中，气体分子的速率分布曲线不发生变化

（2）若该循环过程中的气体为1mol，气体在A状态时的体积为10L，在B状态时压强为A状态时的

。

求气体在B状态时单位体积内的分子数。

（已知阿伏加德罗常数NA＝6.0×1023mol－1，计算结果保留一位有效数字）

5．（2014·重庆卷，10）

（1）重庆出租车常以天然气作为燃料，加气站储气罐中天然气的温度随气温升高的过程中，若储气罐内气体体积及质量均不变，则罐内气体（可视为理想气体）（）

A．压强增大，内能减小B．吸收热量，内能增大

C．压强减小，分子平均动能增大D．对外做功，分子平均动能减小

（2）图5为一种减震垫，上面布满了圆柱状薄膜气泡，每个气泡内充满体积为V0，压强为p0的气体，当平板状物品平放在气泡上时，气泡被压缩。

若气泡内气体可视为理想气体，其温度保持不变，当体积压缩到V时气泡与物品接触面的面积为S，求此时每个气泡内气体对接触面处薄膜的压力。

6．（2014·江苏卷，12A）一种海浪发电机的气室如图6所示。

工作时，活塞随海浪上升或下降，改变气室中空气的压强，从而驱动进气阀门和出气阀门打开或关闭。

气室先后经历吸入、压缩和排出空气的过程，推动出气口处的装置发电。

气室中的空气可视为理想气体。

（1）（多选）下列对理想气体的理解，正确的有________。

A．理想气体实际上并不存在，只是一种理想模型

B．只要气体压强不是很高就可视为理想气体

C．一定质量的某种理想气体的内能与温度、体积都有关

D．在任何温度、任何压强下，理想气体都遵循气体实验定律

（2）压缩过程中，两个阀门均关闭．若此过程中，气室中的气体与外界无热量交换，内能增加了3.4×104J，则该气体的分子平均动能________（选填“增大”、“减小”或“不变”），活塞对该气体所做的功________（选填“大于”、“小于”或“等于”）3.4×104J。

（3）上述过程中，气体刚被压缩时的温度为27℃，体积为0.224m3，压强为1个标准大气压。

已知1mol气体在1个标准大气压、0℃时的体积为22.4L，阿伏加德罗常数NA＝6.02×1023mol－1。

计算此时气室中气体的分子数。

（计算结果保留一位有效数字）

7．

（1）（多选）根据热力学定律，下列说法中正确的是（）

A．电冰箱的工作过程表明，热量可以从低温物体向高温物体传递

B．空调机在制冷过程中，从室内吸收的热量少于向室外放出的热量

C．科技的进步可以使内燃机成为单一热源的热机

D．能的过度消耗使自然界的能量不断减少，形成“能源危机”

（2）图7中A、B气缸的长度为L＝30cm，横截面积为S＝20cm2，C是可在气缸内无摩擦滑动的、体积不计的活塞，D为阀门。

整个装置均由导热材料制成。

起初阀门关闭，A内有压强pA＝2.0×105Pa的氮气，B内有压强pB＝1.0×105Pa的氧气。

阀门打开后，活塞C向右移动，最后达到平衡。

①求活塞C移动的距离及平衡后B中气体的压强；

②活塞C移动过程中A中气体对外做功为25J，则A中气体是吸热还是放热？

吸收或者放出的热量为多少？

（假定氧气和氮气均为理想气体，连接气缸的管道体积可忽略）

8．（2014·山东滨州一模）

（1）下列说法正确的是（）

A．布朗运动是指悬浮固体颗粒的运动，反映了固体内部分子的无规则运动

B．温度一定时，水的饱和汽压也是一定的

C．第一类永动机违背了能量守恒定律，第二类永动机没有违背能量守恒定律，因此，随着科学技术的迅猛发展，第二类永动机是可以制成的

D．由阿伏加德罗常数、气体的摩尔质量和密度，可以估算出该种气体分子的大小

（2）

如图8所示，体积为V、内壁光滑的圆柱形导热汽缸顶部有一质量和厚度均可忽略的活塞，汽缸内密封有温度为2.8T0、压强为1.4p0的理想气体。

p0和T0分别为大气的压强和温度。

已知气体内能U与温度T的关系为U＝aT，a为正的常量，容器内气体的所有变化过程都是缓慢的。

求：

①当活塞与顶面间恰好无压力时，气体的温度T；

②最终气体与外界温度相同，则活塞下落过程中气体内能减少了________，该过程中气体放出的热量为________。

9.如图9所示，一根两端开口、横截面积为S＝2cm2足够长的玻璃管竖直插入水银槽中并固定（插入水银槽中的部分足够深）。

管中有一个质量不计的光滑活塞，活塞下封闭着长L＝21cm的气柱，气体的温度为t1＝7℃，外界大气压取p0＝1.0×105Pa（相当于75cm高的汞柱的压强）。

（1）若在活塞上放一个质量为m＝0.1kg的砝码，保持气体的温度t1不变，则平衡后气柱为多长？

（g＝10m/s2）

（2）若保持砝码的质量不变，对气体加热，使其温度升高到t2＝77℃，此时气柱为多长？

（3）若在

（2）过程中，气体吸收的热量为10J，则气体的内能增加多少？

答案

题组自测

1.答案A

解析机械能可以全部转化为内能，而内能在引起其他变化时也可以全部转化为机械能，A正确；凡与热现象有关的宏观过程都具有方向性，在热传递中，热量可以自发地从高温物体传递给低温物体，也能从低温物体传递给高温物体，但必须借助外界的帮助，B错误；尽管技术不断进步，热机的效率仍不能达到100%，制冷机也不能使温度降到－293℃，只能无限接近－273℃，却永远不能达到，C错误；第一类永动机违背能量守恒定律，第二类永动机不违背能量守恒定律，但违背了热力学第二定律，第二类永动机不可能制造出来，D错误。

2.答案B

解析由于木箱在推动中受到滑动摩擦力，其与相对位移的乘积为系统的内能增量，即U＝60×10J＝600J，由能量守恒定律可得Ek＝W总－U＝80×10J－600J＝200J。

故正确答案为B。

3.答案吸收260

解析由热力学第一定律可得，该气体由状态a沿abc变化到状态c的过程中内能的变化量ΔU＝W＋Q＝－120J＋340J＝220J，因此该气体由状态a沿adc变化到状态c时，Q1＝ΔU－W1＝220J－（－40J）＝260J，显然此过程中气体从外界吸收热量。

4.答案AD

解析第一类永动机是指不消耗能量却可以不断对外做功的机器，违背了能量守恒定律，A正确；电冰箱在电机做功情况下，不断地把冰箱内的热量传到外界，没有违背热力学第二定律，C错误。

5.答案B

解析根据热力学第一定律，W＋Q＝ΔU，所以Q＝ΔU－W＝－1.3×105J－7.0×104J＝－2.0×105J，即气体向外界放出热量2.0×105J。

典例精析

例1.答案AC

解析充气袋被挤压时，气体体积减小，外界对气体做正功，由于袋内气体与外界无热交换，据热力学第一定律判知气体内能增加，故A、C正确；袋内气体温度升高，体积减小，由方程

＝C判知气体压强变大，故B、D错误。

变式1.答案

（1）增加160J

（2）外界对气体做功80J

解析

（1）由热力学第一定律可得ΔU＝W＋Q＝－120J＋280J＝160J，气体的内能增加了160J。

（2）由于气体的内能仅与状态有关，所以气体从状态2回到状态1的过程中内能应减少，其减少量应等于从状态1到状态2的过程中内能的增加量，则从状态2到状态1的内能应减少160J，即ΔU′＝－160J，又Q′＝－240J，根据热力学第一定律得：

ΔU′＝W′＋Q′，所以W′＝ΔU′－Q′＝－160J－（－240J）＝80J，即外界对气体做功80J。

例2.答案ACE

解析内能的改变可以通过做功或热传递进行，故A对；对某物体做功，若物体向外放热，则物体的内能不一定增加，B错；在引起其他变化的情况下，从单一热源吸收热量可以将其全部变为功，C对；在引起其他变化的情况下，可以将热量从低温物体传向高温物体，D错；涉及热现象的宏观过程都具有方向性，故E对。

变式2.答案D

解析第一类永动机违反能量守恒定律，第二类永动机违反热力学第二定律，A、B错；由热力学第一定律可知W≠0，Q≠0，但ΔU＝W＋Q可以等于0，C错；由热力学第二定律可知D中现象是可能的，但会引起其他变化，D对。

例3.答案

（1）450K

（2）310J

解析

（1）当气缸水平放置时，p0＝1.0×105Pa，

V0＝L1S，T0＝（273＋27）K

当气缸口朝上，活塞到达气缸口时，活塞的受力分析图如图所示，有p1S＝p0S＋mg

则p1＝p0＋

＝1.0×105Pa＋

Pa＝1.2×105Pa

V1＝（L1＋L2）S

由理想气体状态方程得

＝

则T1＝

T0＝

×300K＝450K。

（2）当气缸口向上，未加热稳定时：

由玻意耳定律得

p0L1S＝p1LS

则L＝

＝

cm＝10cm

加热后，气体做等压变化，外界对气体做功为

W＝－p0（L1＋L2－L）S－mg（L1＋L2－L）＝－60J

根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q得ΔU＝310J。

变式3.答案

（1）2L

（2）A→B，吸热；B→C，放热

（3）A→B过程吸收的热量大于B→C过程放出的热量

解析

（1）A至B过程为等压变化，由盖—吕萨克定律得

＝

①

得VB＝2L

B至C为等容过程，所以VC＝VB＝2L②

（2）A→B过程是吸热，B→C过程是放热

A→B过程中气体体积增大，对外做功，B→C过程体积不变，对外不做功，而气体内能变化相同，故A→B过程吸收的热量大于B→C过程放出的热量。

随堂演练

1.答案D

解析当阀门K被打开时，A中的气体进入B中，由于B中为真空，所以A中的气体不会做功，则A选项是错误的；又因为系统与外界无热交换，所以气体内能不变，气体的温度也不变，则选项B、C错误；由热力学第二定律知，真空中气体膨胀具有方向性，在无外界作用时，B中气体不能自发地全部回到A中，故D正确。

2.答案BC

解析用外力F将活塞B缓慢地水平向右拉动，则在拉动活塞的过程中，气体做等温膨胀，分子的平均速率不变，气体的体积增大，压强减小，A错误；气体压强减小，则可知气体分子单位时间内对气缸单位面积碰撞的次数将减少，B正确；因为气体内能不变，所以气体从外界吸收的热能全部用来对外做功，C正确；气体是从单一热源吸热，全部用来对外做功，但是体积增大，引起了其他变化，所以此过程不违反热力学第二定律，D错误。

3.答案

（1）09J

（2）9J3J

.解析

（1）从状态A到状态C的过程，气体发生等容变化

该气体对外界做的功W1＝0

根据热力学第一定律有ΔU1＝W1＋Q1

内能的增量ΔU1＝Q1＝9J。

（2）从状态A到状态B的过程，体积减小，温度升高

该气体内能的增量ΔU2＝ΔU1＝9J

根据热力学第一定律有ΔU2＝W2＋Q2

从外界吸收的热量Q2＝ΔU2－W2＝3J。

4.答案ADE

解析由p－T图可知，从a→b的过程为等容变化过程，即体积不变，但温度升高，内能增加，所以气体要吸热，选项A对；从b→c过程，温度不变，内能不变，压强减小，说明体积增大，气体对外做功，内能不变，所以要吸热，选项B错；从c→a过程，压