物理選考部分 熱學(xué) 3 分子動理論 內(nèi)能

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1、第3講熱力學(xué)定律與能量守恒【知識導(dǎo)圖】傳遞的熱量所做的功W+Q轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)移E2E減低溫高溫【微點撥】1.熱力學(xué)第一定律中的正、負(fù)號法則:2.熱力學(xué)第一定律的三種特殊情況:(1)若過程是絕熱的,則Q=0,U=W;(2)若過程中不做功(氣體體積不變),則W=0,U=Q;(3)若過程的初、末狀態(tài)溫度相等,則內(nèi)能不變,U=0?！净垩奂m錯】(1)做功和熱傳遞的實質(zhì)是相同的。糾錯:_。(2)絕熱過程中,外界壓縮氣體做功,氣體的內(nèi)能一定減少。糾錯:_。做功是能的轉(zhuǎn)化,熱傳遞是能的轉(zhuǎn)移,二者實質(zhì)是不同的氣體的內(nèi)能一定增大(3)物體吸收熱量,同時對外做功,內(nèi)能一定不變。糾錯:_。(4)空調(diào)機在制冷過程中,從

2、室內(nèi)吸收的熱量等于向室外放出的熱量。糾錯:_。內(nèi)能可能增大,可能減小,也可能不變空調(diào)機在制冷過程中,從室內(nèi)吸收的熱量小于向室外放出的熱量,因為有部分電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能(5)自由擺動的秋千擺動幅度越來越小,能量正在消失。糾錯:_。(6)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。糾錯:_。秋千的機械能逐漸轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,但能量守恒自然界可用能源不斷減小,但總能量守恒考點1熱力學(xué)第一定律【典題探究】 【典例1】(多選)(2017全國卷)如圖所示,用隔板將一絕熱汽缸分成兩部分,隔板左側(cè)充有理想氣體,隔板右側(cè)與絕熱活塞之間是真空?，F(xiàn)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

3、塞,將氣體壓回到原來的體積。假設(shè)整個系統(tǒng)不漏氣。下列說法正確的是 導(dǎo)學(xué)號04450282()A.氣體自發(fā)擴散前后內(nèi)能相同B.氣體在被壓縮的過程中內(nèi)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【解析】選A、B、D。理想氣體在真空中自發(fā)擴散過程不做功,內(nèi)能不變,A項正確,C項錯誤;氣體在被壓縮的過程中,外界對氣體做功,內(nèi)能增大,氣體分子的平均動能增大,B、D項正確,E項錯誤。【通關(guān)秘籍】 1.熱力學(xué)第一定律的表達:在U=Q+W中,W表示做功情況,說明內(nèi)能和其他形式的能可以相互轉(zhuǎn)化;Q表示吸熱或放熱的情況,說明內(nèi)能

4、可以從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體,而U=Q+W是能量守恒定律的具體體現(xiàn)。2.改變內(nèi)能的兩種方式的比較:做功做功熱傳遞熱傳遞區(qū)區(qū)別別內(nèi)能內(nèi)能變化變化情況情況外界對物體做外界對物體做功功, ,物體的內(nèi)能物體的內(nèi)能增加增加; ;物體對外物體對外界做功界做功, ,物體的物體的內(nèi)能減小內(nèi)能減小物體吸收熱量物體吸收熱量, ,內(nèi)內(nèi)能增加能增加; ;物體放出物體放出熱量熱量, ,內(nèi)能減少內(nèi)能減少做功做功熱傳遞熱傳遞區(qū)區(qū)別別從運從運動形動形式上式上看看做功是宏觀的做功是宏觀的機械運動向物機械運動向物體的微觀分子體的微觀分子熱運動的轉(zhuǎn)化熱運動的轉(zhuǎn)化熱傳遞是通過分熱傳遞是通過分子之間的相互作子之間的相互作用用, ,使

5、同一物體的使同一物體的不同部分或不同不同部分或不同物體間的分子熱物體間的分子熱運動發(fā)生變化運動發(fā)生變化, ,是是內(nèi)能的轉(zhuǎn)移內(nèi)能的轉(zhuǎn)移做功做功熱傳遞熱傳遞區(qū)區(qū)別別從能量從能量的角度的角度看看做功是其他形做功是其他形式的能與內(nèi)能式的能與內(nèi)能相互轉(zhuǎn)化的過相互轉(zhuǎn)化的過程程不同物體間或不同物體間或同一物體不同同一物體不同部分之間內(nèi)能部分之間內(nèi)能的轉(zhuǎn)移的轉(zhuǎn)移區(qū)區(qū)別別能的性能的性質(zhì)變化質(zhì)變化情況情況能的性質(zhì)發(fā)生能的性質(zhì)發(fā)生變化變化能的性質(zhì)不變能的性質(zhì)不變做一定量的功或傳遞一定量的做一定量的功或傳遞一定量的熱量在改變內(nèi)能的效果上是相熱量在改變內(nèi)能的效果上是相同的同的【考點沖關(guān)】 (多選)(2018鄭州模擬)夏

6、天,小明同學(xué)把自行車輪胎上的氣門芯拔出的時候,會覺得從輪胎里噴出的氣體涼,如果把輪胎里的氣體視為理想氣體,則關(guān)于氣體噴出的過程,下列說法正確的是()導(dǎo)學(xué)號04450283A.氣體的內(nèi)能減少B.氣體的內(nèi)能不變C.氣體來不及與外界發(fā)生熱交換,對外做功,溫度降低D.氣體膨脹時,熱量散得太快,使氣體溫度降低了E.氣體分子熱運動的平均動能減小【解析】選A、C、E。氣體噴出時,來不及與外界交換熱量,發(fā)生絕熱膨脹,Q=0,對外做功,熱力學(xué)第一定律的表達式為W=U,內(nèi)能減少,溫度降低,溫度是分子平均動能的標(biāo)志,則A、C、E正確?！炯庸逃?xùn)練】(多選)如圖所示,一個封閉的絕熱汽缸,被中間的擋板分割成左右相等的兩部

7、分。左邊充滿一定量的某種理想氣體,右邊真空?，F(xiàn)將中間的擋板移去,待氣體穩(wěn)定后,則()A.氣體的溫度不發(fā)生變化B.因為氣體的體積膨脹了,所以內(nèi)能降低C.氣體分子的平均動能減小D.雖然氣體的體積膨脹了,但是沒有對外做功E.氣體分子在器壁單位面積上單位時間內(nèi)發(fā)生碰撞的平均次數(shù)變?yōu)樵瓉淼囊话搿窘馕觥窟xA、D、E。氣體在向真空膨脹的過程中沒有力的作用,所以不做功,絕熱過程,內(nèi)能不變,故溫度不變,故A正確,B錯誤,D正確;溫度是分子熱運動平均動能的標(biāo)志,溫度不變,故分子的平均動能不變,故C錯誤;氣體的溫度不變,體積增加為2倍,故分子熱運動的平均動能不變,分子數(shù)密度減小為一半,故氣體分子在器壁單位面積上單位

8、時間內(nèi)發(fā)生碰撞的平均次數(shù)變?yōu)樵瓉淼囊话?故E正確?？键c2熱力學(xué)第二定律的理解應(yīng)用 【典題探究】 【典例2】(多選)(2018青島模擬)以下哪個現(xiàn)象不違背熱力學(xué)第二定律導(dǎo)學(xué)號04450284()A.一杯熱茶在打開蓋后,茶會自動變涼B.沒有漏氣、沒有摩擦的理想熱機,其效率可能是100%C.桶中渾濁的泥水在靜置一段時間后,泥沙下沉,上面的水變清,泥、水自動分離D.熱量自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體E.在地面上運動的物體逐漸停下來,機械能全部變?yōu)閮?nèi)能【解析】選A、C、E。熱茶自動變涼是熱從高溫物體傳遞到低溫物體,A正確;任何熱機效率都不可能達到100%,B錯誤;泥水分離是機械能(重力勢能)向內(nèi)能的轉(zhuǎn)化,

9、C正確;熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體,D錯誤;物體因摩擦力而停下來,是機械能(動能)向內(nèi)能的轉(zhuǎn)化,是自發(fā)過程,E正確?！就P(guān)秘籍】 1.熱力學(xué)第二定律的含義:(1)“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”的含義是發(fā)生的熱力學(xué)宏觀過程只在本系統(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)第一、第二定律的比較:熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第二定律定律定律揭示揭示的問的問題題它從能量守恒的它從能量守恒的角度揭示了功、角度揭示了功、熱量和內(nèi)能改變熱量和內(nèi)能改變量三者的定量關(guān)量三者的定

10、量關(guān)系系它指出自然界中它指出自然界中出現(xiàn)的宏觀過程出現(xiàn)的宏觀過程有方向性有方向性熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第二定律機械機械能和能和內(nèi)能內(nèi)能的轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)化化當(dāng)摩擦力做功時當(dāng)摩擦力做功時, ,機械能可以全部機械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能內(nèi)能不可能在不內(nèi)能不可能在不引起其他變化的引起其他變化的情況下完全變成情況下完全變成機械能機械能熱量熱量的傳的傳遞遞熱量可以從高溫?zé)崃靠梢詮母邷匚矬w自發(fā)地傳向物體自發(fā)地傳向低溫物體低溫物體熱量不能自發(fā)地?zé)崃坎荒茏园l(fā)地從低溫物體傳向從低溫物體傳向高溫物體高溫物體熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第二定律表述表述形式形式只有一種表述形

11、只有一種表述形式式有多種表述形式有多種表述形式兩定兩定律的律的關(guān)系關(guān)系在熱力學(xué)中在熱力學(xué)中, ,兩者既相互獨立兩者既相互獨立, ,又互又互為補充為補充, ,共同構(gòu)成了熱力學(xué)知識的理共同構(gòu)成了熱力學(xué)知識的理論基礎(chǔ)論基礎(chǔ)3.兩類永動機的比較:分分類類第一類永動機第一類永動機第二類永動機第二類永動機設(shè)計設(shè)計要求要求不需要任何動不需要任何動力或燃料力或燃料, ,卻卻能不斷地對外能不斷地對外做功的機器做功的機器從單一熱源吸收熱量從單一熱源吸收熱量, ,使之完全變成功使之完全變成功, ,而而不產(chǎn)生其他影響的機不產(chǎn)生其他影響的機器器不可不可能能制成制成的原的原因因違背能量守恒違背能量守恒不違背能量守恒不違背

12、能量守恒, ,但但違背熱力學(xué)第二定律違背熱力學(xué)第二定律【考點沖關(guān)】 1.(多選)(2018霸州模擬)下列關(guān)于熱力學(xué)第二定律的說法中正確的是()A.所有符合能量守恒定律的宏觀過程都能真的發(fā)生B.一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀自然過程都是不可逆的C.機械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,但內(nèi)能無法全部轉(zhuǎn)化成機械能而不產(chǎn)生其他影響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】選B、C、E。符合能量守恒定律,但違背熱力學(xué)第二定律的宏觀過程不能發(fā)生,選項A錯誤;一切與熱現(xiàn)象有關(guān)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(zhuǎn)化為內(nèi)能,但內(nèi)能無法全部轉(zhuǎn)化成機械能而不產(chǎn)生其他影響,選項C正確

13、;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。2.(2018黃山模擬)在研究性學(xué)習(xí)的過程中,同學(xué)們提出了以下四個活動方案,哪些從理論上講是可行的()A.改進熱機的生產(chǎn)工藝,總有一天熱機的效率可以達到100%B.發(fā)明一種制冷設(shè)備,使溫度降至絕對零度以下C.汽車尾氣中各類有害氣體排入大氣后嚴(yán)重污染了空氣,想辦法使它們自發(fā)地分離,既清潔了空氣,又變廢為寶D.在房屋頂蓋上太陽能板,可直接用太陽能來解決照明和熱水問題【解析】選D。熱機的效率不可能達到100%,A錯;絕對零度不可能達到,B錯;汽車尾氣中的有害氣體不會與空氣自動分離,C錯;太陽能可以發(fā)電和進行加熱

14、,D正確?！炯庸逃?xùn)練】如圖所示為電冰箱的工作原理示意圖。壓縮機工作時,強迫致冷劑在冰箱內(nèi)外的管道中不斷循環(huán)。在蒸發(fā)器中致冷劑汽化吸收箱體內(nèi)的熱量,經(jīng)過冷凝器時致冷劑液化,放出熱量到箱體外。下列說法正確的是()A.熱量可以自發(fā)地從冰箱內(nèi)傳到冰箱外B.電冰箱的致冷系統(tǒng)能夠不斷地把冰箱內(nèi)的熱量傳到外界,是因為其消耗了電能C.電冰箱的工作原理違反了熱力學(xué)第一定律D.電冰箱的工作原理違反了熱力學(xué)第二定律【解析】選B。由熱力學(xué)第二定律知,熱量不能自發(fā)地由低溫物體傳到高溫物體,除非施加外部的影響和幫助。電冰箱把熱量從低溫的內(nèi)部傳到高溫外部,需要壓縮機的幫助并消耗電能。故A錯誤,B正確;在工作過程中,是消耗了

15、電能,而使壓縮機做功,故不違反熱力學(xué)第一定律,故C錯誤;在冰箱制冷中是因為壓縮機消耗了電能,從而能使冰箱源源不斷地向外界散熱,故D錯誤。考點3氣體實驗定律與熱力學(xué)定律的綜合 【典題探究】 【典例3】(多選)(2017全國卷)如圖所示,一定質(zhì)量的理想氣體從狀態(tài)a出發(fā),經(jīng)過等容過程ab到達狀態(tài)b,再經(jīng)過等溫過程bc到達狀態(tài)c,最后經(jīng)等壓過程ca回到狀態(tài)a。下列說法正確的是()導(dǎo)學(xué)號04450285A.在過程ab中氣體的內(nèi)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【解析】選A、B、D。在過程ab中,氣體體積

16、不變,外界不對氣體做功,氣體也不對外做功,即W=0,壓強增大,溫度升高,內(nèi)能增加,A正確,C錯誤;在過程ca中,氣體體積減小,外界對氣體做功,即W0,B正確;在過程bc中,溫度不變,內(nèi)能不變,即U=0,體積增加,W0,即氣體從外界吸熱,D正確;在過程ca中,壓強不變,體積減小,溫度降低,即W0,U0,由U=W+Q可知Q0,故氣體向外界放出熱量,E錯誤?！就P(guān)秘籍】 求解此類綜合問題的通用思路【考點沖關(guān)】 1.(多選)(2017江蘇高考)一定質(zhì)量的理想氣體從狀態(tài)A經(jīng)過狀態(tài)B變化到狀態(tài)C,其V-T圖象如圖所示。下列說法正確的有()A.AB的過程中,氣體對外界做功B.AB的過程中,氣體放出熱量C.B

17、C的過程中,氣體壓強不變D.ABC的過程中,氣體內(nèi)能增加【解析】選B、C。 AB的過程中,氣體做等溫變化,內(nèi)能不變,體積變小,外界對氣體做功,所以放熱,A項錯誤,B項正確;BC的過程中,為等壓變化,氣體壓強不變,C項正確;ABC的過程中,氣體溫度降低,氣體內(nèi)能減少,D項錯誤。2.(2018濰坊模擬)如圖所示在絕熱汽缸內(nèi),有一絕熱輕活塞封閉一定質(zhì)量的氣體,開始時缸內(nèi)氣體溫度為27 ,封閉氣柱長9 cm,活塞橫截面積S=50 cm2。現(xiàn)通過汽缸底部電阻絲給氣體加熱一段時間,此過程中氣體吸熱22 J,穩(wěn)定后氣體溫度變?yōu)?27 。已知大氣壓強等于105 Pa,求:(1)加熱后活塞到汽缸底端的距離。(2

18、)此過程中氣體內(nèi)能改變了多少?！窘馕觥?1)取被封閉的氣體為研究的對象,開始時氣體的體積為L1S,溫度為:T1=(273+27) K=300 K,末狀態(tài)的體積為:L2S,溫度為:T2=(273+127) K=400 K氣體做等壓變化,則: 代入數(shù)據(jù)得:L2=12 cm。1212LSLSTT(2)在該過程中,氣體對外做功:W=FL=p0S(L2-L1)=1055010-4(12-9)10-2 J=15 J,由熱力學(xué)第一定律:U=Q-W=22 J-15 J=7 J。答案:(1)12 cm(2)7 J【加固訓(xùn)練】利用燃料燃燒時產(chǎn)生的能量對外做功的機器叫熱機。熱機是依靠由某些熱力學(xué)過程組成的特定熱力學(xué)

19、循環(huán)進行工作的。如圖所示的p -V圖表示的是某一熱機的循環(huán)圖。一定質(zhì)量的氣體(可看成理想氣體)由狀態(tài)2經(jīng)過狀態(tài)1至狀態(tài)4,氣體對外做功280 J,吸收熱量410 J;氣體又從狀態(tài)4經(jīng)狀態(tài)3回到狀態(tài)2,這一過程中外界對氣體做功200 J。求:(1)214過程中氣體的內(nèi)能是增加還是減少?變化量是多少?(2)432過程中氣體是吸熱還是放熱?吸收或放出的熱量是多少?【解析】(1)214過程中,氣體對外界做功280 J,則W1=-280 J,氣體吸收熱量410 J,則Q1=410 J由熱力學(xué)第一定律有:U1=W1+Q1=130 J故在214的過程中氣體的內(nèi)能增加,增加量為130 J(2)432過程中氣體內(nèi)能的變化量為U2=-U1=-130 J由題知,此過程中外界對氣體做功200 J,則W2=200 J由熱力學(xué)第一定律有:U2=W2+Q2=-130 J解得Q2=-330 J故在432的過程中氣體放熱,放出的熱量為330 J答案:(1)增加130 J(2)放熱330 J