第十一章熱力學(xué)定律與能量守恒

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1、熱力學(xué)定律與能量守恒 考點一熱力學(xué)第一定律的理解及應(yīng)用 1. 熱力學(xué)第一定律的理解 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(guān)系. 2. 對公式△" 符號 W Q AU + 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 ⑴若過程是絕熱的，則Q = 0, W=AU，外界對物體做的功等于物體內(nèi)能的增加量. (2)若過程中不做功，即W=0,則Q = AU，物體吸收的熱量等于物體內(nèi)能的增加量. ⑶若過程的初、末狀態(tài)物體的內(nèi)能不變，即AU=0

2、，則W+Q = 0或W=-Q.外界對物體做 的功等于物體放出的熱量. 【例1】在如圖1所示的坐標(biāo)系中，一定質(zhì)量的某種理想氣體先后發(fā)生以下兩種狀態(tài)變化過 程：第一種變化是從狀態(tài)A到狀態(tài)包 外界對該氣體做功為6 J ；第二種變化是從狀態(tài)A到 狀態(tài)G該氣體從外界吸收的熱量為9 J.圖線AC的反向延長線過坐標(biāo)原點O, B、C兩狀 態(tài)的溫度相同，理想氣體的分子勢能為零.求： 圖1 (1) 從狀態(tài)A到狀態(tài)C的過程，該氣體對外界做的功W1和其內(nèi)能的增量Aq； (2) 從狀態(tài)A到狀態(tài)B的過程，該氣體內(nèi)能的增量AU2及其從外界吸收的熱量Q2. 方法提煉 AU=W+Q，使用時注意符號法則(簡記為：

3、外界對系統(tǒng)取正，系統(tǒng)對外界取負(fù)).對理想氣 體，AU僅由溫度決定，W僅由體積決定，絕熱情況下，Q = 0.氣體向真空膨脹不做功. 【遞進題組】 1. ［熱力學(xué)第一定律的理解］一定量的理想氣體在某一過程中，從外界吸收熱量2.5X104 J, 氣體對外界做功1.0X104J，則該理想氣體的() 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 2. ［熱力學(xué)第一定律的應(yīng)用］如圖2所示，一定質(zhì)量的理想氣體由狀態(tài)a沿abc變化到狀態(tài)c， 吸收了 340 J的熱量，并對外做功120 J.若該氣體由狀態(tài)a沿adc變化到狀態(tài)c時，對外做

4、功40 J，則這一過程中氣體(填“吸收”或“放出”)熱量 J. 圖2 3.［熱力學(xué)第一定律的應(yīng)用］一定質(zhì)量的氣體，在從狀態(tài)1變化到狀態(tài)2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的熱量，那么在返回的過程中是氣體對 外界做功，還是外界對氣體做功？做功多少？ 考點二熱力學(xué)第二定律的理解 1. 熱力學(xué)第二定律的理解 ⑴“自發(fā)地”指明了熱傳遞等熱力學(xué)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(xué)宏觀過程只在

5、本系統(tǒng)內(nèi)完成，對周圍環(huán)境不 產(chǎn)生熱力學(xué)方面的影響.如吸熱、放熱、做功等. 2. 熱力學(xué)第二定律的實質(zhì) 熱力學(xué)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(rèn)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. 特別提醒 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)能可以全部轉(zhuǎn)化為機械 能，如氣體的等溫膨脹過程. 3. 熱力學(xué)過程方向性實例： ①高溫物體熱量。能自發(fā)傳給低溫物體 熱量Q不能自發(fā)傳給 ②功 能自發(fā)地完全轉(zhuǎn)化為 不能自發(fā)地且不能完全轉(zhuǎn)化為

6、③氣體體積V能自發(fā)膨脹到氣體體積,（較大） 1不能自發(fā)收縮到 2 ④不同氣體A和B能自發(fā)混合成混合氣體AB 不能自發(fā)分離成 4.兩類永動機的比較 第一類永動機 第二類永動機 不需要任何動力或燃料，卻能不斷 地對外做功的機器 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 【例2根據(jù)你學(xué)過的熱學(xué)中的有關(guān)知識，判斷下列說法中正確的是（） A. 機械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，內(nèi)能也可以全部用來做功轉(zhuǎn)化成機械能 B. 凡與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過程都具有方向性，在熱傳遞中，熱量只能

7、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 C. 盡管技術(shù)不斷進步，熱機的效率仍不能達(dá)到100%，制冷機卻可以使溫度降到一293 °C D. 第一類永動機違背能量守恒定律，第二類永動機不違背能量守恒定律，隨著科技的進步 和發(fā)展，第二類永動機可以制造出來 【遞進題組】 4. ［熱力學(xué)第二定律的理解］下列說法正確的是（） A. 熱量不能由低溫物體傳遞到高溫物體 B .外界對物體做功，物體的內(nèi)能必定增加 C. 第二類永動機不可能制成，是因為違反了能量守恒定律 D. 不可能從單一熱源吸收熱量并把它全部用來做功，而不引起其他變化 5. ［熱力學(xué)定律的理解］地球上有很多

8、的海水，它的總質(zhì)量約為1.4X1018噸，如果這些海水 的溫度降低0.1 °C，將要放出5.8X1023焦耳的熱量，有人曾設(shè)想利用海水放出的熱量使它 完全變成機械能來解決能源危機，但這種機器是不能制成的，其原因是（） A. 內(nèi)能不能轉(zhuǎn)化成機械能 B. 內(nèi)能轉(zhuǎn)化成機械能不滿足熱力學(xué)第一定律 C. 只從單一熱源吸收熱量并完全轉(zhuǎn)化成機械能的機器不滿足熱力學(xué)第二定律 D. 上述三種原因都不正確 6. A. B. C. D. E. ［熱力學(xué)定律的理解］關(guān)于熱力學(xué)定律，下列說法中正確的是（） 為了增加物體的內(nèi)能，必須對物體做功或向它傳遞熱量 對某物體做功，必定會使該物體的內(nèi)能增加

9、 可以從單一熱源吸收熱量，使之完全變?yōu)楣? 不可能使熱量從低溫物體傳向高溫物體 考點三熱力學(xué)定律與氣體實驗定律綜合問題 氣體實 驗定律 T岳鼠I T初、末態(tài)之間發(fā)生的變化一 吸、放熱怖況 定作 功轉(zhuǎn)變?yōu)闊岬膶嶋H宏觀過程是不可逆過程 【例3】一定質(zhì)量的理想氣體，從初始狀態(tài)A經(jīng)狀態(tài)B、C、D再回到A，體積V與溫度T 的關(guān)系如圖3所示.圖中七、匕和Td為已知量. （1）從狀態(tài)A到B，氣體經(jīng)歷的是 過程（填“等溫”、“等容”或“等壓”）. （2）從B到。的過程中，氣體的內(nèi)能一 .（填“增大”、“減小”或“不變”）. ⑶從C到D的過程中，氣體對外. .（填“做正功

10、”、“做負(fù)功”或“不做功”），同時 7.［熱力學(xué)定律與等溫變化的結(jié)合］如圖4所示，一粗細(xì)均勻、導(dǎo)熱良好、裝有適量水銀的U 形管豎直放置，右端與大氣相通，左端封閉氣柱長11 = 20 cm（可視為理想氣體），兩管中水銀 面等高.現(xiàn)將右端與一低壓艙（未畫出）接通，穩(wěn)定后右管水銀面高出左管水銀面h=10 cm.（環(huán) 境溫度不變，大氣壓強p0=75 cmHg） ⑴求穩(wěn)定后低壓艙內(nèi)的壓強（用“cmHg”做單位）. （2）此過程中左管內(nèi)的氣體對外界 （填“做正功”、“做負(fù)功”或“不做功”）,氣體 將（填“吸熱”或“放熱”）. 8.［熱力學(xué)定律與理想氣體狀態(tài)方程的結(jié)合］我國“蛟龍”號深海

11、探測船載人下潛超過七千米， 再創(chuàng)載人深潛新紀(jì)錄.在某次深潛實驗中，“蛟龍”號探測到990 m深處的海水溫度為280 K.某同學(xué)利用該數(shù)據(jù)來研究氣體狀態(tài)隨海水深度的變化.如圖5所示，導(dǎo)熱良好的汽缸內(nèi) 封閉一定質(zhì)量的氣體，不計活塞的質(zhì)量和摩擦，汽缸所處海平面的溫度T°=300 K，壓強p0 =1 atm，封閉氣體的體積V0=3 m3.如果將該汽缸下潛至990 m深處，此過程中封閉氣體可 視為理想氣體. ⑴求990 m深處封閉氣體的體積（1 atm相當(dāng)于10 m深的海水產(chǎn)生的壓強）. （2）下潛過程中封閉氣體（填“吸熱”或“放熱”），傳遞的熱量 （填“大于”或 “小于”）外界對氣體所做的功. 圖5 9.［熱力學(xué)定律與圖象的結(jié)合］一定質(zhì)量的理想氣體壓強p與熱力學(xué)溫度T的關(guān)系圖象如圖6 所示，AB、BC分別與p軸和T軸平行，氣體在狀態(tài)A時的壓強為p0、體積為V。，在狀態(tài)B 時的壓強為2p0,則氣體在狀態(tài)B時的體積為；氣體從狀態(tài)A經(jīng)狀態(tài)B變化到狀態(tài)C 的過程中，對外做的功為。（。>0），內(nèi)能增加了 b（b>0），則此過程氣體（選填“吸收” 或“放出”）的熱量為. 圖6