江苏专用2020版高考物理新增分大一轮复习第十二章热学第3讲热力学定律与能量守恒定律讲义含解析.pdf
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1、第 3 讲 热力学定律与能量守恒定律第 3 讲 热力学定律与能量守恒定律 一、热力学第一定律 1.改变物体内能的两种方式 (1)做功;(2)热传递. 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热量与外界对它所做的功的和. (2)表达式:UQW. (3)UQW中正、负号法则: 物理量 意义 符号 WQU 外界对物体做功物体吸收热量内能增加 物体对外界做功物体放出热量内能减少 自测 1 一定质量的理想气体在某一过程中,外界对气体做功 7.0104J,气体内能减少 1.3105J,则此过程( ) A.气体从外界吸收热量 2.0105J B.气体向外界放出热量 2.01
2、05J C.气体从外界吸收热量 6.0104J D.气体向外界放出热量 6.0104J 答案 B 二、能量守恒定律 1.能量既不会凭空产生,也不会凭空消失,它只能从一种形式转化为另一种形式,或者从一 个物体转移到别的物体,在转化或转移的过程中,能量的总量保持不变. 2.能量守恒定律是自然界的普遍规律,某一种形式的能是否守恒是有条件的,第一类永动机 是不可能制成的,它违背了能量守恒定律. 自测 2 在一个密闭隔热的房间里,有一电冰箱正在工作,如果打开电冰箱的门,过一段时 间后房间的温度会( ) A.降低B.不变 C.升高D.无法判断 答案 C 命题点一 理解热量与内能、温度的区别命题点一 理解热
3、量与内能、温度的区别 温度、内能、热量、功的比较 含义特点 温度 表示物体的冷热程度,是物体分子平均动能大小的标志,它是大量 分子热运动激烈程度的宏观表现,对单个分子来说,温度没有意义 内能 (热能) 物体内所有分子动能和分子势能的总和,它是由大量分子的热运动 和分子的相对位置所决定的能 状 态 量 热量 是热传递过程中内能的改变量,热量用来量度热传递过程中内能转 移的多少 功做功过程是机械能或其他形式的能和内能之间的转化过程 过 程 量 例 1 (多选)关于气体的内能,下列说法正确的是( ) A.质量和温度都相同的气体,内能一定相同 B.气体温度不变,整体运动速度越大,其内能越大 C.气体被
4、压缩时,内能可能不变 D.一定量的某种理想气体的内能只与温度有关 答案 CD 解析 质量和温度都相同的气体, 虽然分子平均动能相同, 但是不同的气体, 其摩尔质量不同, 即分子个数不同,所以分子总动能不一定相同,A 错误;宏观运动和微观运动没有关系,所 以宏观运动速度大,内能不一定大,B 错误 ; 根据C可知,如果等温压缩,则内能不变,C pV T 正确 ; 理想气体的分子势能为零,所以一定量的某种理想气体的内能只与分子平均动能有关, 而分子平均动能和温度有关,D 正确. 变式 1 关于热量、功、内能三个物理量,下列说法中正确的是( ) A.热量、功、内能的物理意义等同 B.热量、功都可以作为
5、物体内能的量度 C.热量、功、内能的单位不相同 D.热量和功是由过程决定的,而内能是由物体状态决定的 答案 D 命题点二 对热力学第一定律的理解命题点二 对热力学第一定律的理解 1.改变内能的两种方式的比较 方式名称 比较项目 做功热传递 内能变化情况 外界对物体做功,物体的内 能增加;物体对外界做功, 物体的内能减少 物体吸收热量,内能增加;物 体放出热量,内能减少 从运动形式上看 做功是宏观的机械运动向物 体的微观分子热运动的转化 热传递则是通过分子之间的 相互作用, 使同一物体的不同 部分或不同物体间的分子热 运动发生变化, 是内能的转移 从能量的角度看 做功是其他形式的能与内能 相互转
6、化的过程 不同物体间或同一物体不同 部分之间内能的转移 区 别 能的性质变化情况能的性质发生了变化能的性质不变 相互联系 做一定量的功或传递一定量的热量在改变内能的效果上是 相同的 2.UQW的三种特殊情况 过程名称公式内能变化物理意义 绝热Q0UW外界对物体做的功等于物体内能的增加 等容W0QU物体吸收的热量等于物体内能的增加 等温U0WQ外界对物体做的功等于物体放出的热量 3.应用热力学第一定律的三点注意 (1)做功看体积:体积增大,气体对外做功,W为负;体积缩小,外界对气体做功,W为正.气 体向真空中自由膨胀,对外界不做功,W0. (2)与外界绝热,则不发生热传递,此时Q0. (3)由于
7、理想气体没有分子势能,所以当它的内能变化时,主要体现在分子动能的变化上,从 宏观上看就是温度发生了变化. 例 2 (2018江苏单科12A(3)如图 1 所示,一定质量的理想气体在状态A时压强为 2.0105Pa,经历ABCA的过程,整个过程中对外界放出 61.4J 热量.求该气体在AB 过程中对外界所做的功. 图 1 答案 138.6J 解析 整个过程中,外界对气体做功WWABWCA, 且WCApA(VCVA) 由热力学第一定律 UQW,得WAB(QWCA) 代入数据得WAB138.6J 即气体对外界做的功为 138.6J. 变式 2 (2018盐城市三模)如图 2 所示,在汽缸右侧封闭一定
8、质量的理想气体,压强与大 气压强相同.把汽缸和活塞固定,使汽缸内气体升高到一定的温度,气体吸收的热量为Q1, 气体的内能为U1.如果让活塞可以自由滑动(活塞与汽缸间无摩擦、不漏气),也使汽缸内气 体温度升高相同温度, 其吸收的热量为Q2, 气体的内能为U2, 则Q1Q2,U1U2.(均选填 “大于” “等 于”或“小于”) 图 2 答案 小于 等于 变式 3 (2018江苏百校 12 月大联考)空气能热水器采用“逆卡诺”原理,即使在南极也 有良好表现,高效节能.如图 3 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AB和CD为等温过程,BC和DA为绝热过程(气体
9、与外界无热量 交换).在完成一次循环的过程中气体对外做功 10J.若已知气体在AB过程吸收热量 12J, 则 在CD过程放出多少热量? 图 3 答案 2J 解析 由热力学第一定律有:UQW 完成一次循环气体内能不变,即 U0 又W10J,故吸收的热量QW10J AB过程吸收热量 12J,所以CD过程中放出热量 2J. 命题点三 热力学定律与气体实验定律的综合应用命题点三 热力学定律与气体实验定律的综合应用 基本思路 例 3 (2018南京市、盐城市二模)如图 4 所示,一圆柱形绝热汽缸竖直固定放置,通过绝 热活塞封闭着一定质量的理想气体,活塞的质量为m,横截面积为S,与汽缸底部相距h,此 时封
10、闭气体的温度为T.现通过电热丝缓慢加热气体,当气体吸收热量Q时,气体温度上升到 1.5T.已知大气压强为p0,重力加速度为g,不计活塞与汽缸的摩擦.求: 图 4 (1)加热后活塞到汽缸底部的距离; (2)加热过程中气体的内能增加量. 答案 (1)1.5h (2)Q0.5h(p0Smg) 解析 (1)等压过程由得h1.5h Sh T Sh 1.5T (2)气体压强pp0mg S Wp(hh)S 由热力学第一定律 UWQ 联立解得:UQ0.5h(p0Smg). 变式 4 (2018苏锡常镇一调)如图 5 所示, 轻质活塞将体积为V0、 温度为 3T0的理想气体, 密封在内壁光滑的圆柱形导热汽缸内.
11、已知大气压强为p0,大气的温度为T0,气体内能U与 温度的关系为UaT(a为常量).在汽缸内气体温度缓慢降为T0的过程中,求: 图 5 (1)气体内能的减少量; (2)气体放出的热量. 答案 (1)2aT0 (2)p0V02aT0 2 3 解析 (1)UU1U2a3T0aT02aT0 (2)气体发生等压变化,由盖吕萨克定律得, V0 3T0 V T0 解得V, V0 3 该过程中外界对气体做功Wp0Vp0V0 2 3 由热力学第一定律 UWQ得, 气体放出热量Qp0V02aT0. 2 3 命题点四 热力学定律与图象问题的综合命题点四 热力学定律与图象问题的综合 1.分析图象得出气体三个状态参量
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