第3課時(shí) 熱力學(xué)定律與能量守恒定律一輪復(fù)習(xí)學(xué)案

第3課時(shí)熱力學(xué)定律與能量守恒定律[知識(shí)梳理]知識(shí)點(diǎn)一、熱力學(xué)第一定律1．改變物體內(nèi)能的兩種方式(1)；(2)。2．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＝中正、負(fù)號(hào)法則：WQΔU＋外界對(duì)物體做功物體熱量?jī)?nèi)能－物體對(duì)外界做功物體熱量?jī)?nèi)能知識(shí)點(diǎn)二、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，或者是從一個(gè)物體到別的物體，在或的過(guò)程中，能量的保持不變。2．條件性能量守恒定律是自然界的，某一種形式的能是否守恒是有條件的。3．第一類永動(dòng)機(jī)是不可能制成的，它違背了。知識(shí)點(diǎn)三、熱力學(xué)第二定律1．熱力學(xué)第二定律的兩種表述(1)克勞修斯表述：熱量不能從低溫物體傳到高溫物體。(2)開(kāi)爾文表述：不可能從單一熱庫(kù)吸收熱量，使之完全變成功，而。或表述為“永動(dòng)機(jī)是不可能制成的”。2．用熵的概念表示熱力學(xué)第二定律：在任何自然過(guò)程中，一個(gè)孤立系統(tǒng)的總熵不會(huì)。3．熱力學(xué)第二定律的微觀意義一切自發(fā)過(guò)程總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)的增大的方向進(jìn)行。4．第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成的原因是違背了。思維深化判斷正誤，正確的畫(huà)“√”，錯(cuò)誤的畫(huà)“×”。(1)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，做功和熱傳遞的實(shí)質(zhì)是相同的。()(2)絕熱過(guò)程中，外界壓縮氣體做功20J，氣體的內(nèi)能可能不變。()(3)在給自行車打氣時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)打氣筒的溫度升高，這是因?yàn)榇驓馔矎耐饨缥鼰帷?)(4)可以從單一熱源吸收熱量，使之完全變成功。()[題組自測(cè)]題組一對(duì)熱力學(xué)第一定律及能量守恒定律的理解1．一定質(zhì)量的理想氣體在某一過(guò)程中，外界對(duì)氣體做功7.0×104J，氣體內(nèi)能減少1.3×105J，則此過(guò)程()A．氣體從外界吸收熱量2.0×105JB．氣體向外界放出熱量2.0×105JC．氣體從外界吸收熱量6.0×104JD．氣體向外界放出熱量6.0×104J2．木箱靜止于水平地面上，現(xiàn)在用一個(gè)80N的水平推力推動(dòng)木箱前進(jìn)10m，木箱受到的摩擦力為60N，則轉(zhuǎn)化為木箱與地面系統(tǒng)的內(nèi)能U和轉(zhuǎn)化為木箱的動(dòng)能Ek分別是()A．U＝200J，Ek＝600JB．U＝600J，Ek＝200JC．U＝600J，Ek＝800JD．U＝800J，Ek＝200J3．如圖1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340J的熱量，并對(duì)外做功120J。若該氣體由狀態(tài)a沿adc變化到狀態(tài)c時(shí)，對(duì)外做功40J，則這一過(guò)程中氣體________(填“吸收”或“放出”)________J熱量。圖1題組二對(duì)熱力學(xué)第二定律的理解4．(多選)下列敘述和熱力學(xué)定律相關(guān)，其中正確的是()A．第一類永動(dòng)機(jī)不可能制成，是因?yàn)檫`背了能量守恒定律B．能量耗散過(guò)程中能量不守恒C．電冰箱的制冷系統(tǒng)能夠不斷地把冰箱內(nèi)的熱量傳到外界，違背了熱力學(xué)第二定律D．能量耗散從能量轉(zhuǎn)化的角度反映出自然界中的宏觀過(guò)程具有方向性5．根據(jù)你所學(xué)熱學(xué)中的有關(guān)知識(shí)，判斷下列說(shuō)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(lái)做功以轉(zhuǎn)化成機(jī)械能B．凡與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過(guò)程都具有方向性，在熱傳遞中，熱量只能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－293℃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(lái)考點(diǎn)一對(duì)熱力學(xué)第一定律的理解1．熱力學(xué)第一定律不僅反映了做功和熱傳遞這兩種方式改變內(nèi)能的過(guò)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，即ΔU＝Q＋W。2．幾種特殊情況(1)若過(guò)程是絕熱的，則Q＝0，W＝ΔU，等于物體內(nèi)能的增加量。(2)若過(guò)程中不做功，即W＝0，則Q＝ΔU，等于物體內(nèi)能的增加量。(3)若過(guò)程的始末狀態(tài)物體的內(nèi)能不變，即ΔU＝0，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?！纠?】(多選)(2014·廣東卷，17)用密封性好、充滿氣體的塑料袋包裹易碎品，如圖2所示，充氣袋四周被擠壓時(shí)，假設(shè)袋內(nèi)氣體與外界無(wú)熱交換，則袋內(nèi)氣體()圖2A．體積減小，內(nèi)能增大B．體積減小，壓強(qiáng)減小C．對(duì)外界做負(fù)功，內(nèi)能增大D．對(duì)外界做正功，壓強(qiáng)減小【變式訓(xùn)練】1．一定質(zhì)量的氣體，在從狀態(tài)1變化到狀態(tài)2的過(guò)程中，吸收熱量280J，并對(duì)外做功120J，試問(wèn)：(1)這些氣體的內(nèi)能怎樣發(fā)生變化？變化了多少？(2)如果這些氣體又返回原來(lái)的狀態(tài)，并放出了240J熱量，那么在返回的過(guò)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)二對(duì)熱力學(xué)第二定律的理解1．對(duì)熱力學(xué)第二定律關(guān)鍵詞的理解在熱力學(xué)第二定律的表述中，“自發(fā)地”、“不產(chǎn)生其他影響”的涵義。(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”的涵義是發(fā)生的熱力學(xué)宏觀過(guò)程只在本系統(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)3．兩類永動(dòng)機(jī)的比較分類第一類永動(dòng)機(jī)第二類永動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)要求不需要任何動(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)器不可能制成的原因違背能量守恒不違背能量守恒，違背熱力學(xué)第二定律【例2】(多選)關(guān)于熱力學(xué)定律，下列說(shuō)法正確的是()A．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B．對(duì)某物體做功，必定會(huì)使該物體的內(nèi)能增加C．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E．功轉(zhuǎn)變?yōu)闊岬膶?shí)際宏觀過(guò)程是不可逆過(guò)程【變式訓(xùn)練】2．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)第一定律可知做功不一定改變內(nèi)能，熱傳遞也不一定改變內(nèi)能，但同時(shí)做功和熱傳遞一定會(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考點(diǎn)三熱力學(xué)定律與氣體實(shí)驗(yàn)定律的綜合應(yīng)用【例3】一定質(zhì)量的理想氣體被活塞封閉在氣缸內(nèi)，如圖3所示水平放置?；钊馁|(zhì)量m＝20kg，橫截面積S＝100cm2，活塞可沿氣缸壁無(wú)摩擦滑動(dòng)但不漏氣，開(kāi)始使氣缸水平放置，活塞與氣缸底的距離L1＝12cm，離氣缸口的距離L2＝3cm。外界氣溫為27℃，大氣壓強(qiáng)為1.0×105Pa，將氣缸緩慢地轉(zhuǎn)到開(kāi)口向上的豎直位置，待穩(wěn)定后對(duì)缸內(nèi)氣體逐漸加熱，使活塞上表面剛好與氣缸口相平，已知g＝10m/s2，求：圖3(1)此時(shí)氣體的溫度為多少？(2)在對(duì)缸內(nèi)氣體加熱的過(guò)程中，氣體膨脹對(duì)外做功，同時(shí)吸收Q＝370J的熱量，則氣體增加的內(nèi)能ΔU多大？【變式訓(xùn)練】3．(2014·云南師大附中測(cè)試)一定質(zhì)量的某種理想氣體從狀態(tài)A開(kāi)始按圖4所示的箭頭方向經(jīng)過(guò)狀態(tài)B達(dá)到狀態(tài)C，已知?dú)怏w在A狀態(tài)時(shí)的體積為1.5L，求：圖4(1)氣體在狀態(tài)C時(shí)的體積；(2)說(shuō)明A→B、B→C兩個(gè)變化過(guò)程是吸熱還是放熱，并比較A→B、B→C兩個(gè)過(guò)程中熱量的大小。1.我國(guó)航天員漫步太空已變成現(xiàn)實(shí)。已知飛船在航天員出艙前先要“減壓”，在航天員從太空返回進(jìn)入航天器后要“升壓”，因此飛船將此設(shè)施專門(mén)做成了一個(gè)艙，叫“氣閘艙”，其原理圖如圖5所示，相通的艙A、B間裝有閥門(mén)K，指令艙A中充滿氣體，氣閘艙B內(nèi)為真空，整個(gè)系統(tǒng)與外界沒(méi)有熱交換。打開(kāi)閥門(mén)K后，A中的氣體進(jìn)入B中，最終達(dá)到平衡，則()圖5A．氣體體積膨脹，對(duì)外做功B．氣體分子勢(shì)能減少，內(nèi)能增加C．體積變大，溫度降低D．B中氣體不可能自發(fā)地全部退回到A中2．(多選)如圖6所示，固定在地面上的水平氣缸內(nèi)由活塞B封閉著一定量的氣體，氣體分子之間的相互作用力可以忽略。假設(shè)氣缸壁的導(dǎo)熱性能很好，環(huán)境的溫度保持不變。若用外力F將活塞B緩慢地水平向右拉動(dòng)，則在拉動(dòng)活塞的過(guò)程中，關(guān)于此氣缸內(nèi)氣體的下列結(jié)論中，正確的是()圖6A．氣體做等溫膨脹，分子的平均速率不變，氣體的壓強(qiáng)不變B．氣體做等溫膨脹，氣體分子單位時(shí)間對(duì)氣缸壁單位面積碰撞的次數(shù)將變少C．因?yàn)闅怏w內(nèi)能不變，所以氣體從外界吸收的熱能全用來(lái)對(duì)外做功D．氣體是從單一熱源吸熱，全用來(lái)對(duì)外做功，因此此過(guò)程違反熱力學(xué)第二定律3．(多選)(2014·新課標(biāo)全國(guó)卷Ⅰ，33)一定量的理想氣體從狀態(tài)a開(kāi)始，經(jīng)歷三個(gè)過(guò)程ab、bc、ca回到原狀態(tài)，其p－T圖象如圖7所示。下列判斷正確的是()圖7A．過(guò)程ab中氣體一定吸熱B．過(guò)程bc中氣體既不吸熱也不放熱C．過(guò)程ca中外界對(duì)氣體所做的功等于氣體所放的熱D．a(chǎn)、b和c三個(gè)狀態(tài)中，狀態(tài)a分子的平均動(dòng)能最小E．b和c兩個(gè)狀態(tài)中，容器壁單位面積單位時(shí)間內(nèi)受到氣體分子撞擊的次數(shù)不同4.在如圖8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(guò)程：第一種變化是從狀態(tài)A到狀態(tài)B，外界對(duì)該氣體做功為6J；第二種變化是從狀態(tài)A到狀態(tài)C，該氣體從外界吸收的熱量為9J。圖線AC的反向延長(zhǎng)線通過(guò)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8(1)從狀態(tài)A到狀態(tài)C的過(guò)程，該氣體對(duì)外界做的功W1和其內(nèi)能的增量ΔU1；(2)從狀態(tài)A到狀態(tài)B的過(guò)程，該氣體內(nèi)能的增量ΔU2及其從外界吸收的熱量Q2。基本技能練1．(多選)如圖1所示，絕熱隔板K把絕熱的氣缸分隔成體積相等的兩部分，K與氣缸壁的接觸是光滑的。兩部分中分別盛有相同質(zhì)量、相同溫度的同種氣體a和b。氣體分子之間相互作用勢(shì)能可忽略?，F(xiàn)通過(guò)電熱絲對(duì)氣體a加熱一段時(shí)間后，a、b各自達(dá)到新的平衡()圖1A．a(chǎn)的體積增大了，壓強(qiáng)變小了B．b的溫度升高了C．加熱后a的分子熱運(yùn)動(dòng)比b的分子熱運(yùn)動(dòng)更劇烈D．a(chǎn)增加的內(nèi)能大于b增加的內(nèi)能2．(多選)圖2為某同學(xué)設(shè)計(jì)的噴水裝置，內(nèi)部裝有2L水，上部密封1atm的空氣0.5L，保持閥門(mén)關(guān)閉，再充入1atm的空氣0.1L，設(shè)在所有過(guò)程中空氣可看作理想氣體，且溫度不變，下列說(shuō)法正確的有()圖2A．充氣后，密封氣體壓強(qiáng)增加B．充氣后，密封氣體的分子平均動(dòng)能增加C．打開(kāi)閥門(mén)后，密封氣體對(duì)外界做正功D．打開(kāi)閥門(mén)后，不再充氣也能把水噴光3.封閉在汽缸內(nèi)一定質(zhì)量的理想氣體由狀態(tài)A變到狀態(tài)D，其體積V與熱力學(xué)溫度T的關(guān)系如圖3所示，該氣體的摩爾質(zhì)量為M，狀態(tài)A的體積為V0，溫度為T(mén)0，O、A、D三點(diǎn)在同一直線上，阿伏加德羅常數(shù)為NA。圖3(1)(多選)由狀態(tài)A變到狀態(tài)D過(guò)程中()A．氣體從外界吸收熱量，內(nèi)能增加B．氣體體積增大，單位時(shí)間內(nèi)與器壁單位面積碰撞的分子數(shù)減少C．氣體溫度升高，每個(gè)氣體分子的動(dòng)能都會(huì)增大D．氣體的密度不變(2)在上述過(guò)程中，氣體對(duì)外做功為5J，內(nèi)能增加9J，則氣體________(填“吸收”或“放出”)熱量________J。(3)在狀態(tài)D，該氣體的密度為ρ，體積為2V0，則狀態(tài)D的溫度為多少？該氣體的分子數(shù)為多少？4．如圖4所示，一定質(zhì)量的理想氣體從狀態(tài)A依次經(jīng)過(guò)狀態(tài)B、C和D后再回到狀態(tài)A。其中，A→B和C→D為等溫過(guò)程，B→C和D→A為絕熱過(guò)程(氣體與外界無(wú)熱量交換)。這就是著名的“卡諾循環(huán)”。圖4(1)該循環(huán)過(guò)程中，下列說(shuō)法正確的是________。A．A→B過(guò)程中，外界對(duì)氣體做功B．B→C過(guò)程中，氣體分子的平均動(dòng)能增大C．C→D過(guò)程中，單位時(shí)間內(nèi)碰撞單位面積器壁的分子數(shù)增多D．D→A過(guò)程中，氣體分子的速率分布曲線不發(fā)生變化(2)若該循環(huán)過(guò)程中的氣體為1mol，氣體在A狀態(tài)時(shí)的體積為10L，在B狀態(tài)時(shí)壓強(qiáng)為A狀態(tài)時(shí)的eq\f(2,3)。求氣體在B狀態(tài)時(shí)單位體積內(nèi)的分子數(shù)。(已知阿伏加德羅常數(shù)NA＝6.0×1023mol－1，計(jì)算結(jié)果保留一位有效數(shù)字)5．(2014·重慶卷，10)(1)重慶出租車常以天然氣作為燃料，加氣站儲(chǔ)氣罐中天然氣的溫度隨氣溫升高的過(guò)程中，若儲(chǔ)氣罐內(nèi)氣體體積及質(zhì)量均不變，則罐內(nèi)氣體(可視為理想氣體)()A．壓強(qiáng)增大，內(nèi)能減小B．吸收熱量，內(nèi)能增大C．壓強(qiáng)減小，分子平均動(dòng)能增大D．對(duì)外做功，分子平均動(dòng)能減小(2)圖5為一種減震墊，上面布滿了圓柱狀薄膜氣泡，每個(gè)氣泡內(nèi)充滿體積為V0，壓強(qiáng)為p0的氣體，當(dāng)平板狀物品平放在氣泡上時(shí)，氣泡被壓縮。若氣泡內(nèi)氣體可視為理想氣體，其溫度保持不變，當(dāng)體積壓縮到V時(shí)氣泡與物品接觸面的面積為S，求此時(shí)每個(gè)氣泡內(nèi)氣體對(duì)接觸面處薄膜的壓力。圖5能力提高練6．(2014·江蘇卷，12A)一種海浪發(fā)電機(jī)的氣室如圖6所示。工作時(shí)，活塞隨海浪上升或下降，改變氣室中空氣的壓強(qiáng)，從而驅(qū)動(dòng)進(jìn)氣閥門(mén)和出氣閥門(mén)打開(kāi)或關(guān)閉。氣室先后經(jīng)歷吸入、壓縮和排出空氣的過(guò)程，推動(dòng)出氣口處的裝置發(fā)電。氣室中的空氣可視為理想氣體。圖6(1)(多選)下列對(duì)理想氣體的理解，正確的有________。A．理想氣體實(shí)際上并不存在，只是一種理想模型B．只要?dú)怏w壓強(qiáng)不是很高就可視為理想氣體C．一定質(zhì)量的某種理想氣體的內(nèi)能與溫度、體積都有關(guān)D．在任何溫度、任何壓強(qiáng)下，理想氣體都遵循氣體實(shí)驗(yàn)定律(2)壓縮過(guò)程中，兩個(gè)閥門(mén)均關(guān)閉．若此過(guò)程中，氣室中的氣體與外界無(wú)熱量交換，內(nèi)能增加了3.4×104J，則該氣體的分子平均動(dòng)能________(選填“增大”、“減小”或“不變”)，活塞對(duì)該氣體所做的功________(選填“大于”、“小于”或“等于”)3.4×104J。(3)上述過(guò)程中，氣體剛被壓縮時(shí)的溫度為27℃，體積為0.224m3，壓強(qiáng)為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。已知1mol氣體在1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、0℃時(shí)的體積為22.4L，阿伏加德羅常數(shù)NA＝6.02×1023mol－1。計(jì)算此時(shí)氣室中氣體的分子數(shù)。(計(jì)算結(jié)果保留一位有效數(shù)字)7．(1)(多選)根據(jù)熱力學(xué)定律，下列說(shuō)法中正確的是()A．電冰箱的工作過(guò)程表明，熱量可以從低溫物體向高溫物體傳遞B．空調(diào)機(jī)在制冷過(guò)程中，從室內(nèi)吸收的熱量少于向室外放出的熱量C．科技的進(jìn)步可以使內(nèi)燃機(jī)成為單一熱源的熱機(jī)D．能的過(guò)度消耗使自然界的能量不斷減少，形成“能源危機(jī)”(2)圖7圖7中A、B氣缸的長(zhǎng)度為L(zhǎng)＝30cm，橫截面積為S＝20cm2，C是可在氣缸內(nèi)無(wú)摩擦滑動(dòng)的、體積不計(jì)的活塞，D為閥門(mén)。整個(gè)裝置均由導(dǎo)熱材料制成。起初閥門(mén)關(guān)閉，A內(nèi)有壓強(qiáng)pA＝2.0×105Pa的氮?dú)?，B內(nèi)有壓強(qiáng)pB＝1.0×105Pa的氧氣。閥門(mén)打開(kāi)后，活塞C向右移動(dòng)，最后達(dá)到平衡。①求活塞C移動(dòng)的距離及平衡后B中氣體的壓強(qiáng)；②活塞C移動(dòng)過(guò)程中A中氣體對(duì)外做功為25J，則A中氣體是吸熱還是放熱？吸收或者放出的熱量為多少？(假定氧氣和氮?dú)饩鶠槔硐霘怏w，連接氣缸的管道體積可忽略)8．(2014·山東濱州一模)(1)下列說(shuō)法正確的是()A．布朗運(yùn)動(dòng)是指懸浮固體顆粒的運(yùn)動(dòng)，反映了固體內(nèi)部分子的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)B．溫度一定時(shí)，水的飽和汽壓也是一定的C．第一類永動(dòng)機(jī)違背了能量守恒定律，第二類永動(dòng)機(jī)沒(méi)有違背能量守恒定律，因此，隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，第二類永動(dòng)機(jī)是可以制成的D．由阿伏加德羅常數(shù)、氣體的摩爾質(zhì)量和密度，可以估算出該種氣體分子的大小(2)圖8如圖8所示，體積為V、內(nèi)壁光滑的圓柱形導(dǎo)熱汽缸頂部有一質(zhì)量和厚度均可忽略的活塞，汽缸內(nèi)密封有溫度為2.8T0、壓強(qiáng)為1.4p0的理想氣體。p0和T0分別為大氣的壓強(qiáng)和溫度。已知?dú)怏w內(nèi)能U與溫度T的關(guān)系為U＝aT，a為正的常量，容器內(nèi)氣體的所有變化過(guò)程都是緩慢的。求：①當(dāng)活塞與頂面間恰好無(wú)壓力時(shí)，氣體的溫度T；②最終氣體與外界溫度相同，則活塞下落過(guò)程中氣體內(nèi)能減少了________，該過(guò)程中氣體放出的熱量為_(kāi)_______。9.如圖9所示，一根兩端開(kāi)口、橫截面積為S＝2cm2足夠長(zhǎng)的玻璃管豎直插入水銀槽中并固定(插入水銀槽中的部分足夠深)。管中有一個(gè)質(zhì)量不計(jì)的光滑活塞，活塞下封閉著長(zhǎng)L＝21cm的氣柱，氣體的溫度為t1＝7℃，外界大氣壓取p0＝1.0×105Pa(相當(dāng)于75cm高的汞柱的壓強(qiáng))。圖9(1)若在活塞上放一個(gè)質(zhì)量為m＝0.1kg的砝碼，保持氣體的溫度t1不變，則平衡后氣柱為多長(zhǎng)？(g＝10m/s2)(2)若保持砝碼的質(zhì)量不變，對(duì)氣體加熱，使其溫度升高到t2＝77℃，此時(shí)氣柱為多長(zhǎng)？(3)若在(2)過(guò)程中，氣體吸收的熱量為10J，則氣體的內(nèi)能增加多少？答案題組自測(cè)1.答案A解析機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，而內(nèi)能在引起其他變化時(shí)也可以全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，A正確；凡與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過(guò)程都具有方向性，在熱傳遞中，熱量可以自發(fā)地從高溫物體傳遞給低溫物體，也能從低溫物體傳遞給高溫物體，但必須借助外界的幫助，B錯(cuò)誤；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)也不能使溫度降到－293℃，只能無(wú)限接近－273℃，卻永遠(yuǎn)不能達(dá)到，C錯(cuò)誤；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，但違背了熱力學(xué)第二定律，第二類永動(dòng)機(jī)不可能制造出來(lái)，D錯(cuò)誤。2.答案B解析由于木箱在推動(dòng)中受到滑動(dòng)摩擦力，其與相對(duì)位移的乘積為系統(tǒng)的內(nèi)能增量，即U＝60×10J＝600J，由能量守恒定律可得Ek＝W總－U＝80×10J－600J＝200J。故正確答案為B。3.答案吸收260解析由熱力學(xué)第一定律可得，該氣體由狀態(tài)a沿abc變化到狀態(tài)c的過(guò)程中內(nèi)能的變化量ΔU＝W＋Q＝－120J＋340J＝220J，因此該氣體由狀態(tài)a沿adc變化到狀態(tài)c時(shí)，Q1＝ΔU－W1＝220J－(－40J)＝260J，顯然此過(guò)程中氣體從外界吸收熱量。4.答案AD解析第一類永動(dòng)機(jī)是指不消耗能量卻可以不斷對(duì)外做功的機(jī)器，違背了能量守恒定律，A正確；電冰箱在電機(jī)做功情況下，不斷地把冰箱內(nèi)的熱量傳到外界，沒(méi)有違背熱力學(xué)第二定律，C錯(cuò)誤。5.答案B解析根據(jù)熱力學(xué)第一定律，W＋Q＝ΔU，所以Q＝ΔU－W＝－1.3×105J－7.0×104J＝－2.0×105J，即氣體向外界放出熱量2.0×105J。典例精析例1.答案AC解析充氣袋被擠壓時(shí)，氣體體積減小，外界對(duì)氣體做正功，由于袋內(nèi)氣體與外界無(wú)熱交換，據(jù)熱力學(xué)第一定律判知?dú)怏w內(nèi)能增加，故A、C正確；袋內(nèi)氣體溫度升高，體積減小，由方程eq\f(pV,T)＝C判知?dú)怏w壓強(qiáng)變大，故B、D錯(cuò)誤。變式1.答案(1)增加160J(2)外界對(duì)氣體做功80J解析(1)由熱力學(xué)第一定律可得ΔU＝W＋Q＝－120J＋280J＝160J，氣體的內(nèi)能增加了160J。(2)由于氣體的內(nèi)能僅與狀態(tài)有關(guān)，所以氣體從狀態(tài)2回到狀態(tài)1的過(guò)程中內(nèi)能應(yīng)減少，其減少量應(yīng)等于從狀態(tài)1到狀態(tài)2的過(guò)程中內(nèi)能的增加量，則從狀態(tài)2到狀態(tài)1的內(nèi)能應(yīng)減少160J，即ΔU′＝－160J，又Q′＝－240J，根據(jù)熱力學(xué)第一定律得：ΔU′＝W′＋Q′，所以W′＝ΔU′－Q′＝－160J－(－240J)＝80J，即外界對(duì)氣體做功80J。例2.答案ACE解析內(nèi)能的改變可以通過(guò)做功或熱傳遞進(jìn)行，故A對(duì)；對(duì)某物體做功，若物體向外放熱，則物體的內(nèi)能不一定增加，B錯(cuò)；在引起其他變化的情況下，從單一熱源吸收熱量可以將其全部變?yōu)楣?，C對(duì)；在引起其他變化的情況下，可以將熱量從低溫物體傳向高溫物體，D錯(cuò)；涉及熱現(xiàn)象的宏觀過(guò)程都具有方向性，故E對(duì)。變式2.答案D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，A、B錯(cuò)；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錯(cuò)；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對(duì)。例3.答案(1)450K(2)310J解析(1)當(dāng)氣缸水平放置時(shí)，p0＝1.0×105Pa，V0＝L1S，T0＝(273＋27)K當(dāng)氣缸口朝上，活塞到達(dá)氣缸口時(shí)，活塞的受力分析圖如圖所示，有p1S＝p0S＋mg則p1＝p0＋eq\f(mg,S)＝1.0×105Pa＋eq\f(200,10－2)Pa＝1.2×105PaV1＝(L1＋L2)S由理想氣體狀態(tài)方程得eq\f(p0L1S,T0)＝eq\f(p1L1＋L2S,T1)則T1＝eq\f(p1L1＋L2,p0L1)T0＝eq\f(1.2×105×15,1.0×105×12)×300K＝450K。(2)當(dāng)氣缸口向上，未加熱穩(wěn)定時(shí)：由玻意耳定律得p0L1S＝p1LS則L＝eq\f(p0L1,p1)＝eq\f(1.0×105×12,1.2×105)cm＝10cm加熱后，氣體做等壓變化，外界對(duì)氣體做功為W＝－p0(L1＋L2－L)S－mg(L1＋L2－L)＝－60J根據(jù)熱力學(xué)第一定律ΔU＝W＋Q得ΔU＝310J。變式3.答案(1)2L(2)A→B，吸熱；B→C，放熱(3)A→B過(guò)程吸收的熱量大于B→C過(guò)程放出的熱量解析(1)A至B過(guò)程為等壓變化，由蓋—呂薩克定律得eq\f(VA,TA)＝eq\f(VB,TB)①得VB＝2LB至C為等容過(guò)程，所以VC＝VB＝2L②(2)A→B過(guò)程是吸熱，B→C過(guò)程是放熱A→B過(guò)程中氣體體積增大，對(duì)外做功，B→C過(guò)程體積不變，對(duì)外不做功，而氣體內(nèi)能變化相同，故A→B過(guò)程吸收的熱量大于B→C過(guò)程放出的熱量。隨堂演練1.答案D解析當(dāng)閥門(mén)K被打開(kāi)時(shí)，A中的氣體進(jìn)入B中，由于B中為真空，所以A中的氣體不會(huì)做功，則A選項(xiàng)是錯(cuò)誤的；又因?yàn)橄到y(tǒng)與外界無(wú)熱交換，所以氣體內(nèi)能不變，氣體的溫度也不變，則選項(xiàng)B、C錯(cuò)誤；由熱力學(xué)第二定律知，真空中氣體膨脹具有方向性，在無(wú)外界作用時(shí)，B中氣體不能自發(fā)地全部回到A中，故D正確。2.答案BC解析用外力F將活塞B緩慢地水平向右拉動(dòng)，則在拉動(dòng)活塞的過(guò)程中，氣體做等溫膨脹，分子的平均速率不變，氣體的體積增大，壓強(qiáng)減小，A錯(cuò)誤；氣體壓強(qiáng)減小，則可知?dú)怏w分子單位時(shí)間內(nèi)對(duì)氣缸單位面積碰撞的次數(shù)將減少，B正確；因?yàn)闅怏w內(nèi)能不變，所以氣體從外界吸收的熱能全部用來(lái)對(duì)外做功，C正確；氣體是從單一熱源吸熱，全部用來(lái)對(duì)外做功，但是體積增大，引起了其他變化，所以此過(guò)程不違反熱力學(xué)第二定律，D錯(cuò)誤。3.答案(1)09J(2)9J3J.解析(1)從狀態(tài)A到狀態(tài)C的過(guò)程，氣體發(fā)生等容變化該氣體對(duì)外界做的功W1＝0根據(jù)熱力學(xué)第一定律有ΔU1＝W1＋Q1內(nèi)能的增量ΔU1＝Q1＝9J。(2)從狀態(tài)A到狀態(tài)B的過(guò)程，體積減小，溫度升高該氣體內(nèi)能的增量ΔU2＝ΔU1＝9J根據(jù)熱力學(xué)第一定律有ΔU2＝W2＋Q2從外界吸收的熱量Q2＝ΔU2－W2＝3J。4.答案ADE解析由p－T圖可知，從a→b的過(guò)程為等容變化過(guò)程，即體積不變，但溫度升高，內(nèi)能增加，所以氣體要吸熱，選項(xiàng)A對(duì)；從b→c過(guò)程，溫度不變，內(nèi)能不變，壓強(qiáng)減小，說(shuō)明體積增大，氣體對(duì)外做功，內(nèi)能不變，所以要吸熱，選項(xiàng)B錯(cuò)；從c→a過(guò)程，壓強(qiáng)不變，溫度降低，體積減少，內(nèi)能減少，所以外界對(duì)氣體做的功小于氣體放出的熱量，選項(xiàng)C錯(cuò)；分子的平均動(dòng)能與溫度有關(guān)，因?yàn)門(mén)a<Tb＝Tc，所以狀態(tài)a分子的平均動(dòng)能最小，選項(xiàng)D正確；Tb＝Tc說(shuō)明兩狀態(tài)下的分子的平均速率相等，單個(gè)分子對(duì)氣壁的平均撞擊力相等，pb>pc，所以狀態(tài)b單位時(shí)間內(nèi)容器壁單位面積受到分子撞擊的次數(shù)多，選項(xiàng)E對(duì)?；铐?yè)作業(yè)1.答案BCD解析a氣體吸收熱量，體積增大，使隔板K壓縮b氣體，由熱力學(xué)第一定律可知，b氣體內(nèi)能增加，即溫度升高，B正確；對(duì)a、b兩部分氣體來(lái)說(shuō)，加熱前p、V、T皆相等，加熱后，pa＝pb，Va>Vb，由eq\f(pV,T)＝常數(shù)可知，Ta>Tb，所以C、D正確。2.答案AC解析由pV＝nRT知，當(dāng)V、T不變時(shí)，n增加，p增大，故A對(duì)；物體的溫度不變，分子的平均動(dòng)能就不變，故B錯(cuò)；通過(guò)公式p1V1＋p2V2＝pV1計(jì)算出，密封氣體壓強(qiáng)變?yōu)?.2atm，大于外界壓強(qiáng)，故打開(kāi)閥門(mén)后氣體就會(huì)壓水把水噴出，顯然氣體對(duì)外界做正功，體積變大，壓強(qiáng)變小，當(dāng)密封氣體壓強(qiáng)與裝置內(nèi)剩余水的壓強(qiáng)之和與外界壓強(qiáng)相等的時(shí)候，就不再噴水了，故C對(duì)，D錯(cuò)。3.答案(1)AB(2)吸收14(3)2T0eq\f(2ρV0NA,M).解析(1)由狀態(tài)A到狀態(tài)D，溫度升高，內(nèi)能增加，體積變大，對(duì)外做功，由熱力學(xué)第一定律知，氣體一定從外界吸收熱量，A正確；氣體體積增大，單位時(shí)間內(nèi)與器壁單位面積碰撞的分子數(shù)減少，B正確；溫度升高，氣體分子的平均動(dòng)能增大，但每個(gè)氣體分子的動(dòng)能不一定增大，C錯(cuò)誤；因氣體體積增大了，所以氣體的密度減小了，D錯(cuò)誤。(2)由熱力學(xué)第一定律W＋Q＝ΔU得Q＝ΔU－W＝9J－(－5J)＝14J，吸收熱量。(3)A→D，由狀態(tài)方程eq\f(pV,T)＝C，得TD＝2T0，分子數(shù)n＝eq\f(2ρV0NA,M)。4.答案(1)C(2)4×1025m－3解析(1)A→B體積增大，氣體對(duì)外做功，A錯(cuò)誤；B→C體積增大，氣體對(duì)外做功，W<0、Q＝0，由熱力學(xué)第一定律，ΔU＝W＋Q知內(nèi)能減少，溫度降低，分子平均動(dòng)能減小，B錯(cuò)誤；C→D，T不變，V減小，p增大，C正確；D→A，V減小，外界對(duì)氣體做功，W>0，Q＝0，ΔU>0，T增大，氣體分子平均速率增大，D錯(cuò)誤。(2)等溫過(guò)程pAVA＝pBVB，得VB＝eq\f(pAVA,pB)，單位體積內(nèi)的分子數(shù)n＝eq\f(NNA,VB)。解得n＝eq\f(NNApB,pAVA)，代入數(shù)據(jù)得n＝4×1025m－3。3.答案(1)B(2)eq\f(p0V0,V)S解析(1)由于儲(chǔ)氣罐的體積不變，氣體做等容變化，由查理定律eq\f(p,T)＝K得，氣體溫度升高，壓強(qiáng)增大，選項(xiàng)C錯(cuò)誤；理想氣體的內(nèi)能只有分子動(dòng)能，而溫度是分子平均動(dòng)能的標(biāo)志，故溫度升高，分子平均動(dòng)能增大，內(nèi)能增大，選項(xiàng)A、D錯(cuò)誤；由熱力學(xué)第一定律ΔU＝Q＋W可知，氣體吸收熱量、內(nèi)能增大，B項(xiàng)正確。(2)設(shè)壓力為F，壓縮后氣體壓強(qiáng)為p，由玻意耳定律，p0V0＝pV和F＝pS解得F＝eq\f(p0V0,V)S4.答案(1)AD(2)增大等于(3)5×1024個(gè)(或6×1024個(gè))解析(1)理想氣體是一種理想化模型，忽略了氣體分子之間的相互作用，實(shí)際上并不存在，A對(duì)；只有當(dāng)氣體的溫度不太低，壓強(qiáng)不太高時(shí)，實(shí)際氣體才可視為理想氣體，B錯(cuò)；一定質(zhì)量的某種理想氣體的內(nèi)能只與溫度有關(guān)，與體積無(wú)關(guān)，C錯(cuò)；不論在何種溫度和壓強(qiáng)下，理想氣體都遵循氣體實(shí)驗(yàn)定律，D對(duì)。(2)氣體被壓縮，外界對(duì)氣體做功，內(nèi)能增大，溫度升高，氣體分子的平均動(dòng)能增大，由熱力學(xué)第一定律ΔU＝W＝3.4×104J。(3)設(shè)氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)時(shí)的體積為V1，等壓過(guò)程eq\f(V,T)＝eq\f(V1,T1)氣體物質(zhì)的量n＝eq\f(V1,V0)，且分子數(shù)N＝nNA，解得N＝eq\f(VT1,V0T)NA代入數(shù)據(jù)得N＝5×1024個(gè)(或N＝6×1024個(gè))5.答案(1)AB(2)①10cm1.5×105Pa②吸熱25J解析