熱學(xué)第十三章

第3講熱力學(xué)定律和能量守恒欄目導(dǎo)航01知識(shí)

梳理查漏02題點(diǎn)

各個(gè)擊破03配套訓(xùn)練知識(shí)梳理查漏1知識(shí)一

熱力學(xué)第一定律與能量守恒定律1.熱力學(xué)第一定律(1)內(nèi)容：一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)能增量等于外界向它傳遞的________與外界對(duì)它所做的功的和.

(2)表達(dá)式：ΔU=__________.

(3)ΔU=Q+W中正、負(fù)號(hào)法則：放出增加吸收Q+W

熱量符號(hào)WQΔU+外界對(duì)物體做功物體____熱量

內(nèi)能_____-物體對(duì)外界做功物體____熱量

內(nèi)能_____減少

2.能量守恒定律(1)內(nèi)容：能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)憑空消失，它只能從一種形式_______為另一種形式，或者從一個(gè)物體________到別的物體，在________或________的過(guò)程中，能量的總量保持不變.

(2)能量守恒定律是一切自然現(xiàn)象都遵守的基本規(guī)律.轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)移【自測(cè)1】下列說(shuō)法正確的是()A.物體溫度升高，每個(gè)分子的動(dòng)能都增加B.物體溫度升高，分子的平均動(dòng)能增加C.物體從外界吸收熱量，物體的內(nèi)能一定增加D.外界對(duì)物體做功，物體的內(nèi)能一定增加【解析】物體溫度升高時(shí)平均分子動(dòng)能增加，但并非每個(gè)分子動(dòng)能都增加，A錯(cuò)誤，B正確.熱傳遞和做功是改變內(nèi)能的兩種方式，兩者等效，只確定一種方式不能確定內(nèi)能如何變化，C、D錯(cuò)誤.B知識(shí)二

熱力學(xué)第二定律1.兩種表述(1)第一種表述：熱量不能自發(fā)地從______物體傳遞到________物體(克勞修斯表述).

(2)第二種表述：不可能從單一熱源吸收熱量并把它全部用來(lái)做功而不引起其他變化(開(kāi)爾文表述).低溫高溫2.第二類永動(dòng)機(jī)是指設(shè)想只從單一熱源吸收熱量使之完全變?yōu)橛杏玫墓Χ灰鹌渌兓臒釞C(jī).這類永動(dòng)機(jī)不可能制成的原因是其違反了____________________.

熱力學(xué)第二定律【自測(cè)2】(多選)下列有關(guān)熱力學(xué)第二定律的說(shuō)法不正確的有()A.氣體自發(fā)的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)總是向著更為無(wú)序的方向進(jìn)行，是可逆過(guò)程B.第二類永動(dòng)機(jī)雖然不違反能量守恒定律，但也是制造不出來(lái)的C.空調(diào)既能制冷又能制熱，說(shuō)明熱傳遞不具有方向性D.一定質(zhì)量的理想氣體向真空自由膨脹時(shí)，體積增大，熵減小ACD題點(diǎn)各個(gè)擊破2命題點(diǎn)一熱力學(xué)第一定律的理解與應(yīng)用［自修掌握類］

三種特殊情況

過(guò)程含義內(nèi)能變化物理意義絕熱Q=0ΔU=W外界對(duì)物體做的功等于物體內(nèi)能的增加等容W=0Q=ΔU物體吸收的熱量等于物體內(nèi)能的增加等溫ΔU=0W=-Q外界對(duì)物體做的功，等于物體放出的熱量例1

(多選)氣閘艙是載人航天器中供航天員進(jìn)入太空或由太空返回用的氣密性裝置，其原理圖如圖所示.座艙A與氣閘艙B之間裝有閥門K，座艙A中充滿空氣，氣閘艙B內(nèi)為真空.航天員從太空返回氣閘艙時(shí)，打開(kāi)閥門K，A中的氣體進(jìn)入B中，最終達(dá)到平衡.假設(shè)此過(guò)程中系統(tǒng)與外界沒(méi)有熱交換，艙內(nèi)氣體可視為理想氣體.下列說(shuō)法正確的是()A.氣體并沒(méi)有對(duì)外做功，氣體內(nèi)能不變B.B中氣體可自發(fā)地全部退回到A中C.氣體溫度不變，體積增大，壓強(qiáng)減小D.氣體體積膨脹，對(duì)外做功，內(nèi)能減小AC

1.(多選)(2023年全國(guó)甲卷)在一汽缸中用活塞封閉著一定量的理想氣體，發(fā)生下列緩慢變化過(guò)程，氣體一定與外界有熱量交換的過(guò)程是()A.氣體的體積不變，溫度升高B.氣體的體積減小，溫度降低C.氣體的體積減小，溫度升高D.氣體的體積增大，溫度不變E.氣體的體積增大，溫度降低ABD【解析】氣體的體積不變溫度升高，則氣體的內(nèi)能增大，體積不變氣體做功為零，因此氣體吸收熱量，A正確.氣體的體積減小，溫度降低，則氣體的內(nèi)能降低，體積減小外界對(duì)氣體做功，由熱力學(xué)第一定律ΔU=W+Q，可知?dú)怏w對(duì)外放熱，B正確.氣體溫度升高則氣體的內(nèi)能增加，體積減小外界對(duì)氣體做功，由熱力學(xué)第一定律ΔU=W+Q，可知Q可能等于零，即沒(méi)有熱量交換過(guò)程，C錯(cuò)誤.氣體的體積增大對(duì)外界做功，溫度不變則氣體的內(nèi)能不變，由熱力學(xué)第一定律ΔU=W+Q，可知Q>0，即氣體吸收熱量，D正確.氣體的體積增大氣體對(duì)外界做功，溫度降低則氣體的內(nèi)能降低，由熱力學(xué)第一定律ΔU=W+Q，可知Q可能等于零，即沒(méi)有熱量交換過(guò)程，E錯(cuò)誤.2.(2024年茂名聯(lián)考)如圖所示，用氣壓式開(kāi)瓶器開(kāi)紅酒瓶，通過(guò)針頭向瓶?jī)?nèi)打幾次氣，然后便能輕松拔出瓶塞.則()A.打氣后瓶塞末拔出前，氣體壓強(qiáng)減小B.打氣后瓶塞末拔出前，氣體分子的數(shù)密度增大C.快速拔出瓶塞的過(guò)程中，氣體吸熱，內(nèi)能增大D.快速拔出瓶塞的過(guò)程中，氣體放熱，內(nèi)能減小B【解析】打氣后瓶塞末拔出前，氣體壓強(qiáng)增大，A錯(cuò)誤.打氣后瓶塞末拔出前，單位體積內(nèi)的分子數(shù)增加，即氣體分子的數(shù)密度增大，B正確.快速拔出瓶塞的過(guò)程中，氣體體積變大對(duì)外做功.由于是快速拔出瓶塞，可認(rèn)為該過(guò)程沒(méi)有發(fā)生熱傳遞，根據(jù)熱力學(xué)第一定律可知?dú)怏w內(nèi)能減少，C、D錯(cuò)誤.3.(2023年廣州二模)如圖，某同學(xué)將空的玻璃瓶開(kāi)口向下緩緩壓入水中.設(shè)水溫均勻且恒定，瓶?jī)?nèi)空氣無(wú)遺漏，不計(jì)氣體分子間的相互作用.則被淹沒(méi)的玻璃瓶在下降過(guò)程中，瓶?jī)?nèi)氣體()A.內(nèi)能增加 B.向外界放熱C.對(duì)外界做正功 D.分子平均動(dòng)能減小B【解析】被淹沒(méi)的玻璃瓶在下降過(guò)程中瓶?jī)?nèi)氣體溫度不變，壓強(qiáng)變大，可知?dú)怏w體積減小，外界對(duì)氣體做正功.由于氣體溫度不變，氣體分子平均動(dòng)能不變，氣體內(nèi)能不變，根據(jù)熱力學(xué)第一定律可知，氣體向外界放熱，B正確.4.(多選)(2022年全國(guó)甲卷)一定量的理想氣體從狀態(tài)a變化到狀態(tài)b，其過(guò)程如p-T圖上從a到b的圖線所示.在此過(guò)程中()A.氣體一直對(duì)外做功B.氣體的內(nèi)能一直增加C.氣體一直從外界吸熱D.氣體吸收的熱量等于其對(duì)外做的功E.氣體吸收的熱量等于其內(nèi)能的增加量BCE

命題點(diǎn)二能量轉(zhuǎn)化與能量守恒定律的應(yīng)用［師生共研類］

氣體實(shí)驗(yàn)定律與熱力學(xué)定律的求解思路

例2

(2023年廣東卷)在駐波聲場(chǎng)作用下，水中小氣泡周圍液體的壓強(qiáng)會(huì)發(fā)生周期性變化使小氣泡周期性膨脹和收縮.氣泡內(nèi)氣體可視為質(zhì)量不變的理想氣體，其膨脹和收縮過(guò)程可簡(jiǎn)化為如圖所示的p-V圖像，氣泡內(nèi)氣體先從壓強(qiáng)為p0、體積為V0、溫度為T0的狀態(tài)A等溫膨脹到體積為5V0、壓強(qiáng)為pB的狀態(tài)B，然后從狀態(tài)B絕熱收縮到體積為V0、壓強(qiáng)為1.9p0、溫度為TC的狀態(tài)C，B到C過(guò)程中外界對(duì)氣體做功為W.已知p0，V0，T0和W.求：(1)pB的表達(dá)式；(2)TC的表達(dá)式；(3)B到C過(guò)程，氣泡內(nèi)氣體的內(nèi)能變化了多少？

1.(2023年江蘇卷)如圖所示，密閉容器內(nèi)一定質(zhì)量的理想氣體由狀態(tài)A變化到狀態(tài)B.該過(guò)程中()A.氣體分子的數(shù)密度增大B.氣體分子的平均動(dòng)能增大C.單位時(shí)間內(nèi)氣體分子對(duì)單位面積器壁的作用力減小D.單位時(shí)間內(nèi)與單位面積器壁碰撞的氣體分子數(shù)減小B

2.(2023年北京西城區(qū)一模)一定質(zhì)量的理想氣體從狀態(tài)A開(kāi)始經(jīng)歷兩個(gè)過(guò)程，先后到達(dá)狀態(tài)B和C，A，B和C三個(gè)狀態(tài)的體積分別為VA，VB和VC.狀態(tài)變化過(guò)程中氣體的壓強(qiáng)與熱力學(xué)溫度的關(guān)系如圖所示.下列說(shuō)法正確的是()A.VA=VB，VB>VCB.VA<VB，VB=VCC.狀態(tài)A到狀態(tài)B的過(guò)程中氣體的內(nèi)能增大D.狀態(tài)B到狀態(tài)C的過(guò)程中氣體分子的平均動(dòng)能減小C【解析】根據(jù)一定質(zhì)量的理想氣體的狀態(tài)方程pV=CT可知，從A→B的過(guò)程中，氣體體積不變，即VA=VB.從B→C的過(guò)程中，體積增大，即VB<VC，A、B錯(cuò)誤.狀態(tài)A到狀態(tài)B的過(guò)程中氣體的溫度升高，則內(nèi)能增大，C正確.狀態(tài)B到狀態(tài)C的過(guò)程中氣體的溫度不變，氣體分子的平均動(dòng)能不變，D錯(cuò)誤.3.(多選)如圖，一定量的理想氣體從狀態(tài)a(p0，V0，T0)經(jīng)熱力學(xué)過(guò)程ab，bc，ca

后又回到狀態(tài)a.對(duì)于ab，bc，ca

三個(gè)過(guò)程，下列說(shuō)法正確的是()A.ab

過(guò)程中，氣體始終吸熱B.ca

過(guò)程中，氣體始終放熱C.ca

過(guò)程中，氣體對(duì)外界做功D.bc

過(guò)程中，氣體的溫度先降低后升高AB【解析】由理想氣體的p-V圖可知，理想氣體經(jīng)歷ab過(guò)程體積不變，則W=0.而壓強(qiáng)增大，由pV=nRT可知，理想氣體的溫度升高內(nèi)能增大；由ΔU=Q+W可知，氣體一定吸熱，A正確.理想氣體經(jīng)歷ca過(guò)程為等壓壓縮，則外界對(duì)氣體做功W>0.由pV=nRT知溫度降低，即內(nèi)能減少，ΔU<0.由ΔU=Q+W可知，Q<0，即氣體放熱，B正確，C錯(cuò)誤.由pV=nRT可知，p-V圖像圍成的面積反映溫度.b狀態(tài)和c狀態(tài)的坐標(biāo)面積相等，而中間狀態(tài)的坐標(biāo)面積更大，故bc過(guò)程的溫度先升高后降低，D錯(cuò)誤.4.(2023年浙江卷)某探究小組設(shè)計(jì)了一個(gè)報(bào)警裝置，其原理如圖所示.在豎直放置的圓柱形容器內(nèi)用面積S=100cm2質(zhì)量m=1kg的活塞密封一定質(zhì)量的理想氣體，活塞能無(wú)摩擦滑動(dòng).開(kāi)始時(shí)氣體處于溫度TA=300K活塞與容器底的距離h0=30cm的狀態(tài)A.環(huán)境溫度升高時(shí)容器內(nèi)氣體被加熱，活塞緩慢上升d=3cm恰好到達(dá)容器內(nèi)的卡扣處，此時(shí)氣體達(dá)到狀態(tài)B.活塞保持不動(dòng)，氣體被繼續(xù)加熱至溫度TC=363K的狀態(tài)C時(shí)觸動(dòng)報(bào)警器.從狀態(tài)A到狀態(tài)C的過(guò)程中氣體內(nèi)能增加了ΔU=158J.取大氣壓p0=0.99×105Pa.求氣體(1)在狀態(tài)B的溫度；(2)在狀態(tài)C的壓強(qiáng)；(3)由狀態(tài)A到狀態(tài)C過(guò)程中從外界吸收的熱量Q.

命題點(diǎn)三對(duì)熱力學(xué)第二定律的理解［自修掌握類］

1.兩類永動(dòng)機(jī)的比較：

第一類永動(dòng)機(jī)第二類永動(dòng)機(jī)不需要任何動(dòng)力或燃料，卻能不斷地對(duì)外做功的機(jī)器從單一熱源吸收熱量，使之完全變成功，而不產(chǎn)生其他影響的機(jī)器違背能量守恒定律，不可能制成不違背能量守恒定律，但違背熱力學(xué)第二定律，不可能制成2.熱力學(xué)第一、第二定律的比較

比較熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第二定律定律揭示的問(wèn)題它從能量守恒的角度揭示了功、熱量和內(nèi)能改變量三者的定量關(guān)系它指出自然界中出現(xiàn)的宏觀過(guò)程是有方向性的兩定律的關(guān)系在熱力學(xué)中，兩者既相互獨(dú)立，又互為補(bǔ)充，共同構(gòu)成了熱力學(xué)知識(shí)的理論基礎(chǔ)例3

(多選)以下現(xiàn)象不違背熱力學(xué)第二定律的是()A.一杯熱茶在打開(kāi)蓋后，茶會(huì)自動(dòng)變涼B.沒(méi)有漏氣且沒(méi)有摩擦的理想熱機(jī)，其效率可能是100%C.桶中渾濁的泥水在靜置一段時(shí)間后，泥沙下沉，上面的水變清，泥、水自動(dòng)分離D.熱量自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體【解析】熱茶自動(dòng)變涼是熱量從高溫物體傳遞到低溫物體，A正確.任何熱機(jī)效率都不可能達(dá)到100%，B錯(cuò)誤.泥水分離是機(jī)械能(重力勢(shì)能)向內(nèi)能的轉(zhuǎn)化，C正確.熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體，D錯(cuò)誤.AC1.(多選)關(guān)于兩類永動(dòng)機(jī)和熱力學(xué)的兩個(gè)定律，下列說(shuō)法不正確的是()A.第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成是因?yàn)檫`反了熱力學(xué)第一定律B.第一類永動(dòng)機(jī)不可能制成是因?yàn)檫`反了熱力學(xué)第二定律C.由熱力學(xué)第一定律可知，做功可以改變內(nèi)能，熱傳遞也可以改變內(nèi)能，但同時(shí)做功和熱傳遞不一定會(huì)改變內(nèi)能D.由熱力學(xué)第二定律可知，熱量從低溫物體傳向高溫物體是可能的，從單一熱源吸收熱量，完全變成功也是可能的AB【解析】第一類永動(dòng)機(jī)違反能量守恒定律，第二類永動(dòng)機(jī)違反熱力學(xué)第二定律，兩類永動(dòng)機(jī)都不可能制造出來(lái)，故A、B錯(cuò)誤.由熱力學(xué)第一定律可知W≠0，Q≠0，但ΔU=W+Q可以等于0，C正確.由熱力學(xué)第二定律可知D中現(xiàn)象是可能的，但會(huì)引起其他變化，D正確.2.(多選)(2022年湖南卷改編)利用“渦流效應(yīng)”可實(shí)現(xiàn)冷熱氣體的分離.如圖，一冷熱氣體分離裝置由噴嘴、渦流室、環(huán)形管、分離擋板和冷熱兩端管等構(gòu)成.高壓氮?dú)庥蓢娮烨邢蛄魅霚u流室中，然后以螺旋方式在環(huán)形管中向右旋轉(zhuǎn)前進(jìn)，分子熱運(yùn)動(dòng)速率較小的氣體分子將聚集到環(huán)形管中心部位，而分子熱運(yùn)動(dòng)速率較大的氣體分子將聚