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(diǎn)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(duì)公式△" 符號(hào) W Q AU + 外界對(duì)物體做功 物體吸收熱量 內(nèi)能增加 - 物體對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(diǎn)O, B、C兩狀 態(tài)的溫度相同，理想氣體的分子勢(shì)能為零.求： 圖1 (1) 從狀態(tài)A到狀態(tài)C的過程，該氣體對(duì)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(shí)注意符號(hào)法則(簡(jiǎn)記為：

3、外界對(duì)系統(tǒng)取正，系統(tǒng)對(duì)外界取負(fù)).對(duì)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(jìn)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(duì)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(duì)外做功120 J.若該氣體由狀態(tài)a沿adc變化到狀態(tài)c時(shí)，對(duì)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(duì)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(duì) 外界做功，還是外界對(duì)氣體做功？做功多少？ 考點(diǎn)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(duì)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(shí)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(jìn)而使人們認(rèn)識(shí) 到自然界中進(jìn)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(jī)械 能，如氣體的等溫膨脹過程. 3. 熱力學(xué)過程方向性實(shí)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(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 【例2根據(jù)你學(xué)過的熱學(xué)中的有關(guān)知識(shí)，判斷下列說法中正確的是（） A. 機(jī)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(jī)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(jìn)步，熱機(jī)的效率仍不能達(dá)到100%，制冷機(jī)卻可以使溫度降到一293 °C D. 第一類永動(dòng)機(jī)違背能量守恒定律，第二類永動(dòng)機(jī)不違背能量守恒定律，隨著科技的進(jìn)步 和發(fā)展，第二類永動(dòng)機(jī)可以制造出來 【遞進(jìn)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(duì)物體做功，物體的內(nèi)能必定增加 C. 第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成，是因?yàn)檫`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(jī)械能來解決能源危機(jī)，但這種機(jī)器是不能制成的，其原因是（） A. 內(nèi)能不能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能 B. 內(nèi)能轉(zhuǎn)化成機(jī)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(jī)械能的機(jī)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(duì)物體做功或向它傳遞熱量 對(duì)某物體做功，必定會(huì)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(diǎn)三熱力學(xué)定律與氣體實(shí)驗(yàn)定律綜合問題 氣體實(shí) 驗(yàn)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?shí)際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(duì)外. .（填“做正功

10、”、“做負(fù)功”或“不做功”），同時(shí) 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(qiáng)p0=75 cmHg） ⑴求穩(wěn)定后低壓艙內(nèi)的壓強(qiáng)（用“cmHg”做單位）. （2）此過程中左管內(nèi)的氣體對(duì)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(hào)深海

11、探測(cè)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(shí)驗(yàn)中，“蛟龍”號(hào)探測(cè)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(jì)活塞的質(zhì)量和摩擦，汽缸所處海平面的溫度T°=300 K，壓強(qiáng)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(qiáng)）. （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(duì)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(qiáng)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(shí)的壓強(qiáng)為p0、體積為V。，在狀態(tài)B 時(shí)的壓強(qiáng)為2p0,則氣體在狀態(tài)B時(shí)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(duì)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