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基礎課3熱力學定律與能量守恒定律 熱力學第一定律 1 改變物體內能的兩種方式 1 2 熱傳遞 2 熱力學第一定律 1 內容 一個熱力學系統的內能增量等于外界向它傳遞的與外界對它所做的功的和 2 表達式 U 知識排查 做功 熱量 Q W 3 U 中正 負號法則 Q W 吸收 增加 放出 減少 能量守恒定律 1 內容能量既不會憑空產生 也不會憑空消失 它只能從一種形式為另一種形式 或者是從一個物體到另一個物體 在或的過程中 能量的保持不變 2 條件性能量守恒定律是自然界的 某一種形式的能是否守恒是有條件的 3 第一類永動機是不可能制成的 它違背了 熱力學第二定律 1 熱力學第二定律的兩種表述 1 克勞修斯表述 熱量不能從低溫物體傳到高溫物體 2 開爾文表述 不可能從單一熱庫吸收熱量 使之完全變成功 而 或表述為 永動機是不可能制成的 2 用熵的概念表示熱力學第二定律在任何自然過程中 一個孤立系統的總熵不會 3 熱力學第二定律的微觀意義一切自發(fā)過程總是沿著分子熱運動的增大的方向進行 4 第二類永動機不可能制成的原因是違背了 小題速練 1 思考判斷 1 外界壓縮氣體做功20J 氣體的內能可能不變 2 電冰箱的工作過程表明 熱量可以從低溫物體向高溫物體傳遞 3 科技的進步可以使內燃機成為單一熱源的熱機 4 對能源的過度消耗將使自然界的能量不斷減少 形成能源危機 5 一定量100 的水變成100 的水蒸氣 其分子之間的勢能增加 答案 1 2 3 4 5 2 多選 對于熱力學第一定律和熱力學第二定律的理解 下列說法正確的是 A 一定質量的氣體膨脹對外做功100J 同時從外界吸收120J的熱量 則它的內能增大20JB 物體從外界吸收熱量 其內能一定增加 物體對外界做功 其內能一定減少C 凡與熱現象有關的宏觀過程都具有方向性 在熱傳遞中 熱量只能從高溫物體傳遞給低溫物體 而不能從低溫物體傳遞給高溫物體D 第二類永動機違反了熱力學第二定律 沒有違反熱力學第一定律E 熱現象過程中不可避免地出現能量耗散現象 能量耗散符合熱力學第二定律 解析根據熱力學第一定律知 U W Q 100J 120J 20J 故選項A正確 根據熱力學第一定律 U W Q 可知物體從外界吸收熱量 其內能不一定增加 物體對外界做功 其內能不一定減少 選項B錯誤 通過做功的方式可以讓熱量從低溫物體傳遞給高溫物體 如電冰箱 選項C錯誤 第二類永動機沒有違反能量守恒定律 熱力學第一定律是能量轉化和守恒定律在熱學中的反映 因此第二類永動機沒有違反熱力學第一定律 不能制成是因為它違反了熱力學第二定律 故選項D正確 能量耗散過程體現了宏觀自然過程的方向性 符合熱力學第二定律 選項E正確 答案ADE 熱力學第一定律與能量守恒定律 1 做功和熱傳遞的區(qū)別做功與熱傳遞在改變內能的效果上是相同的 但是從運動形式 能量轉化的角度上看是不同的 做功是其他形式的運動和熱運動的轉化 是其他形式的能與內能之間的轉化 而熱傳遞則是熱運動的轉移 是內能的轉移 2 三種特殊情況 1 若過程是絕熱的 則Q 0 W U 外界對物體做的功等于物體內能的增加量 2 若過程中不做功 則W 0 Q U 物體吸收的熱量等于物體內能的增加量 3 若過程的始末狀態(tài)物體的內能不變 即 U 0 則W Q 0或W Q 外界對物體做的功等于物體放出的熱量 1 2018 襄陽模擬 多選 下列對熱力學定律的理解正確的是 A 可以從單一熱源吸收熱量 使之完全變?yōu)楣 由熱力學第一定律可知做功不一定改變內能 熱傳遞也不一定改變內能 但同時做功和熱傳遞一定會改變內能C 空調機在制冷過程中 從室內吸收的熱量少于向室外放出的熱量D 熱量不可能由低溫物體傳給高溫物體E 如果物體從外界吸收了熱量 物體的內能也可能減少 解析在引起其他變化的情況下 從單一熱源吸收熱量可以將其全部變?yōu)楣?選項A正確 由熱力學第一定律可知 當W 0 Q 0時 U W Q可以等于0 選項B錯誤 空調機在制冷過程中消耗了電能 總體上是放出熱量 選項C正確 熱量可以由低溫物體傳給高溫物體 選項D錯誤 物體從外界吸收熱量 可能同時對外做功 如果對外做的功大于從外界吸收的熱量 則物體的內能減少 選項E正確 答案ACE 2 2018 吉林長春質檢 多選 下列各說法正確的是 A 氣體擴散現象表明氣體分子間存在斥力B 對于同一理想氣體 溫度越高 分子平均動能越大C 熱量總是自發(fā)地從分子平均動能大的物體傳遞到分子平均動能小的物體D 用活塞壓縮汽缸內的理想氣體 對氣體做了3 0 105J的功 同時氣體向外界放出1 5 105J的熱量 則氣體內能增加了1 5 105JE 飽和汽壓與分子密度有關 與溫度無關 解析氣體擴散現象表明氣體分子在做無規(guī)則運動 選項A錯誤 由于溫度是分子平均動能的標志 故對于同一理想氣體 溫度越高 分子平均動能越大 選項B正確 分子的平均動能大 則說明物體的溫度高 熱量總是自發(fā)地從高溫物體傳遞到低溫物體 選項C正確 用活塞壓縮汽缸內的理想氣體 根據熱力學第一定律 對氣體做了3 0 105J的功 同時氣體向外界放出1 5 105J的熱量 則氣體內能增加了1 5 105J 選項D正確 飽和汽壓與溫度有關 且隨著溫度的升高而增大 選項E錯誤 答案BCD 3 2017 全國卷 33 1 多選 如圖1 一定質量的理想氣體從狀態(tài)a出發(fā) 經過等容過程ab到達狀態(tài)b 再經過等溫過程bc到達狀態(tài)c 最后經等壓過程ca回到初態(tài)a 下列說法正確的是 A 在過程ab中氣體的內能增加B 在過程ca中外界對氣體做功C 在過程ab中氣體對外界做功D 在過程bc中氣體從外界吸收熱量E 在過程ca中氣體從外界吸收熱量 圖1 解析在過程ab中 體積不變 氣體對外界不做功 壓強增大 溫度升高 內能增加 故選項A正確 C錯誤 在過程ca中 氣體的體積縮小 外界對氣體做功 壓強不變 溫度降低 內能變小 氣體向外界放出熱量 故選項B正確 E錯誤 在過程bc中 溫度不變 內能不變 體積增大 氣體對外界做功 由熱力學第一定律可知 氣體要從外界吸收熱量 故選項D正確 答案ABD 4 2017 全國卷 33 1 多選 如圖2 用隔板將一絕熱汽缸分成兩部分 隔板左側充有理想氣體 隔板右側與絕熱活塞之間是真空 現將隔板抽開 氣體會自發(fā)擴散至整個汽缸 待氣體達到穩(wěn)定后 緩慢推壓活塞 將氣體壓回到原來的體積 假設整個系統不漏氣 下列說法正確的是 A 氣體自發(fā)擴散前后內能相同B 氣體在被壓縮的過程中內能增大C 在自發(fā)擴散過程中 氣體對外界做功D 氣體在被壓縮的過程中 外界對氣體做功E 氣體在被壓縮的過程中 氣體分子的平均動能不變 圖2 解析因為汽缸 活塞都是絕熱的 隔板右側是真空 所以理想氣體在自發(fā)擴散的過程中 既不吸熱也不放熱 也不對外界做功 根據熱力學第一定律可知 氣體自發(fā)擴散前后 內能不變 選項A正確 選項C錯誤 氣體被壓縮的過程中 外界對氣體做功 氣體內能增大 又因為一定質量的理想氣體的內能只與溫度有關 所以氣體溫度升高 分子平均動能增大 選項B D正確 選項E錯誤 答案ABD 應用熱力學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 W 0 2 與外界絕熱 則不發(fā)生熱傳遞 此時Q 0 3 由于理想氣體沒有分子勢能 所以當它的內能變化時 主要體現在分子動能的變化上 從宏觀上看就是溫度發(fā)生了變化 對熱力學第二定律的理解 在熱力學第二定律的表述中 自發(fā)地 不產生其他影響 的涵義 1 自發(fā)地 指明了熱傳遞等熱力學宏觀現象的方向性 不需要借助外界提供能量的幫助 2 不產生其他影響 的涵義是發(fā)生的熱力學宏觀過程只在本系統內完成 對周圍環(huán)境不產生熱力學方面的影響 如吸熱 放熱 做功等 1 對熱力學第二定律關鍵詞的理解 2 熱力學第二定律的實質 自然界中進行的涉及熱現象的宏觀過程都具有方向性 如 3 兩類永動機的比較 1 多選 下列關于熱力學第二定律的說法正確的是 A 所有符合能量守恒定律的宏觀過程都能發(fā)生B 一切與熱現象有關的宏觀自然過程都是不可逆的C 機械能可以全部轉化為內能 但內能無法全部用來做功而轉化成機械能D 氣體向真空的自由膨脹是可逆的E 熱運動的宏觀過程有一定的方向性 解析符合能量守恒定律 但違背熱力學第二定律的宏觀過程不能發(fā)生 選項A錯誤 一切與熱現象有關的宏觀自然過程都是不可逆的 選項B正確 機械能可以全部轉化為內能 但內能無法全部用來做功而轉化成機械能 選項C正確 氣體向真空的自由膨脹是不可逆的 選項D錯誤 熱運動的宏觀過程有一定的方向性 選項E正確 答案BCE 2 2016 全國卷 33 1 多選 關于熱力學定律 下列說法正確的是 A 氣體吸熱后溫度一定升高B 對氣體做功可以改變其內能C 理想氣體等壓膨脹過程一定放熱D 熱量不可能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體E 如果兩個系統分別與狀態(tài)確定的第三個系統達到熱平衡 那么這兩個系統彼此之間也必定達到熱平衡 答案BDE 3 多選 根據熱力學定律 下列說法正確的是 A 電冰箱的工作表明 熱量可以從低溫物體向高溫物體傳遞B 空調機在制冷過程中 從室內吸收的熱量少于向室外放出的熱量C 科技的不斷進步使得人類有可能生產出從單一熱源吸熱全部用來對外做功而不引起其他變化的熱機D 即使沒有漏氣 摩擦 不必要的散熱等損失 熱機也不可以把燃料產生的內能全部轉化為機械能E 對能源的過度消耗使自然界的能量不斷減少 形成 能源危機 解析熱量可以在外界做功的情況下從低溫物體向高溫物體傳遞 但不能自發(fā)進行 選項A正確 空調機在制冷過程中 從室內吸收的熱量少于向室外放出的熱量 選項B正確 不可能從單一熱源吸熱全部用來對外做功而不引起其他變化 故選項C錯誤 根據熱力學第二定律 即使沒有漏氣 摩擦 不必要的散熱等損失 熱機也不可以把燃料產生的內能全部轉化為機械能 故選項D正確 對能源的過度消耗將形成 能源危機 但自然界的總能量守恒 故選項E錯誤 答案ABD 解決熱力學定律與氣體實驗定律的綜合問題的思路 熱力學定律與氣體實驗定律的綜合應用 1 多選 如圖3所示 一定質量的理想氣體從狀態(tài)A依次經過狀態(tài)B C和D后再回到狀態(tài)A 其中 A B和C D為等溫過程 B C和D A為絕熱過程 氣體與外界無熱量交換 該循環(huán)過程中 下列說法正確的是 A A B過程中 氣體的內能不變B B C過程中 氣體分子的平均動能增大C C D過程中 氣體分子數密度增大 單位時間內碰撞單位面積器壁的分子數增多D D A過程中 外界對氣體做的功小于氣體內能的增加量E 若氣體在A B過程中吸收63kJ的熱量 在C D過程中放出38kJ的熱量 則氣體完成一次循環(huán)對外做的功為25kJ 圖3 解析A B為等溫過程 氣體的內能不變 選項A正確 B C為絕熱過程 氣體沒有與外界熱交換 體積增大 氣體對外界做功 內能減小 所以B C過程中 氣體分子的平均動能減小 選項B錯誤 C D為等溫過程 C D過程中 氣體體積減小 單位時間內碰撞單位面積器壁的分子數增多 選項C正確 D A過程中 氣體與外界無熱量交換 體積減小 外界對氣體做功 外界對氣體做的功等于氣體內能的增加量 選項D錯誤 氣體完成一次循環(huán) 氣體的內能不變 由熱力學第一定律可如 氣體對外做的功為63kJ 38kJ 25kJ 選項E正確 答案ACE 2 2018 河南鄭州質檢 一定質量的理想氣體從狀態(tài)A變化到狀態(tài)B 再變化到狀態(tài)C 其狀態(tài)變化過程的p V圖象如圖4所示 已知該氣體在狀態(tài)A時的溫度為27 求 1 該氣體在狀態(tài)B時的溫度 2 該氣體從狀態(tài)A到狀態(tài)C的過程中與外界交換的熱量 圖4 解析 1 對于理想氣體 A B過程 所以tB TB 273 173 得TC 300K 所以tC TC 273 27 由于狀態(tài)A與狀態(tài)C溫度相同 氣體內能相等 而A B過程是等容變化氣體對外不做功 B C過程中氣體體積膨脹對外做功 即從狀態(tài)A到狀態(tài)C氣體對外做功 故氣體應從外界吸收熱量 即Q p V 1 105 3 10 3 1 10 3 J 200J 答案 1 173 2 200J 3 如圖5所示 豎直放置的汽缸 活塞橫截面積為S 0 10m2 活塞的質量忽略不計 氣缸側壁有一個小孔與裝有水銀的U形玻璃管相通 開始活塞被鎖定 汽缸內封閉了一段高為80cm的氣柱 U形管內的氣體體積不計 此時缸內氣體溫度為27 U形管內水銀面高度差h1 15cm 已知大氣壓強p0 1 0 105Pa 水銀的密度 13 6 103kg m3 重力加速度g取10m s2 1 讓汽缸緩慢降溫 直至U形管內兩邊水銀面相平 求這時封閉氣體的溫度 2 接著解除對活塞的鎖定 活塞可在汽缸內無摩擦滑動 同時對汽缸緩慢加熱 直至汽缸內封閉的氣柱高度達到96cm 求整個過程中氣體與外界交換的熱量 圖5 解析 1 由題意知 活塞位置不變 汽缸內氣體做等容變化 p1 p0 gh1 1 2 105Pa p2 p0 1 0 105Pa T1 300K解得T2 250K 2 接著解除對活塞的鎖定 活塞可在汽缸內無摩擦滑動 即整個過程中氣體壓強p0 1 0 105Pa 因為T3 T1 300K 所以初狀態(tài)與末狀態(tài)氣體內能相等 而第一個變化過程是等容變化 氣體不對外做功 第二個變化過程中氣體膨脹對外做功 故氣體應從外界吸收熱量 吸收的熱量等于第二個變化過程中氣體膨脹對外做的功 即Q p0 V 1600J 答案 1 250K 2 1600J 審題時容易漏掉 開始活塞被鎖定 活塞的質量忽略不計 這些重要條件 從而無法判斷氣體狀態(tài)參量的變化情況