1、- 1 -第 3 讲 热力学定律与能量守恒热力学第一、二定律 能量守恒定律 (考纲要求)1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)符号规定外界对物体做功 W0做功 W物体对外界做功 W0吸放热 Q物体向外界放出热量 Q0内能变化 U物体内能减少 U0，故温度一定升高，A 选项正确，C 错 答案 A5(1)下列关于分子运动和热现象的说法中正确的是_(填选项前的字母)A布朗运动反映了悬浮微粒中分子运动的无规则性B冰融化为同温度的水时，其分子势能增加C热机效率不可能提高到 100%，因为它违背了热力学第一定律D气体如果失
2、去了容器的约束就会散开，这是因为气体分子之间存在斥力(2)一定质量的理想气体，体积变大的同时，温度也升高了，那么下面判断正确的是_( 填选项前的字母)A单位体积内分子数一定增多 B气体的压强一定保持不变C气体一定从外界吸收热量 D外界一定对气体做正功答案 (1)B (2)C6一气泡从湖底上升到湖面的过程中温度视为不变，上升到湖面后气泡并未破裂已知气泡在湖底的体积为 2 mL，压强为 1.5105 Pa，在湖面的压强为 1.0105 Pa.若气泡内的气体视为理想气体，求：(1)气泡在湖面时的体积；(2)若气泡在上升过程中对外做功 0.1 J，则气泡吸收热量还是放出热量？吸收或放出多少热量？解析
3、(1)由玻意耳定律得 p1V1p 2V2 代入数据解得 V23 mL. (2)由于气体是理想气体，所以当温度不变时，其内能不变，由热力学第一定律 UWQ ，得QW 0.1 J，即吸收 0.1 J 的热量 答案 (1)3 mL (2)吸收热量 0.1 J考点一 热力学定律及能量守恒定律的理解及应用【典例 1】 一定质量的气体，在从一个状态变化到另一个状态 的过程中，吸收热量 280 J，图 131- 3 -并对外做功 120 J，试问：(1)这些气体的内能发生了怎样的变化？(2)如果这些气体又返回原来的状态，并放出了 240 J 热量，那么在返回的过程中是气体对外界做功，还是外界对气体做功？做功
4、多少？解析 (1)由热力学第一定律可得 UWQ 120 J 280 J160 J 气体的内能增加了 160 J.(2)由于气体的内能仅与状态有关，所以气体从状态回到 状态的过程中内能的变化应等于从状态到状态的过程中内能的变化，则从状态到状态的内能应减少 160 J即 U160 J，又 Q240 J，根据热力学第一定律得：U WQ，所以 WUQ160 J(240 J)80 J ，即外界对气体做功 80 J.答案 (1)增加了 160 J (2) 外界对气体做功 80 J热力学第一定律反映功、热量与内能改变量之间的定量关系UWQ，使用时注意符号法则 (简记为：外界对系统取正，系统对外取负)对理想气
5、体，U仅由温度决定，W 仅由体积决定，绝热情况下， Q0.【变式 1】 一定质量的理想气体 (分子力不计)，体积由 V 膨胀到 V.如果通过压强不变的过程实现，对外做功大小为 W1，传递热量的值为 Q1，内能变化为 U1；如果通过温度不变的过程来实现，对外做功大小为 W2，传递热量的值为 Q2，内能变化为 U2，则( )AW 1W2，Q 1U2 BW 1W2，Q 1Q2， U1U2CW 1U2 DW 1W 2，Q 1Q2， U1U2解析 由热力学第一定律：U 1W 1Q 1， U2W 2Q 2，若通过压强不变的过程实现体积膨胀，则由 为恒量，可知温度必定升高，对理想气体，内能必定增大， U10
6、，W 10，且pVT|Q1|W1|；若通过温度不变的过程实现体积膨胀，温度不变，内能不变， U20，W 20，且|Q2| |W2|，则 U1U2；由于气体对外做功的过程中，体积膨胀，通过温度不变的方式，由 为恒pVT量，可知压强必定减小，则平均压强比通过压强不变的过程时的压强要小，故 W1W2，Q 1Q2.B 选项正确答案 B考点二 气体实验定律与热力学定律综合【典例 2】 如图 132 所示，体积为 V、内壁光滑的圆柱形导热汽缸顶部有一质量和厚度均可忽略的活塞；汽缸内密封有温度为 2.4T0、压强为 1.2p0 的理想气体，p0 和 T0 分别为大气的压强和温度已知：气体内能 U 与温度 T
7、 的关系为 UT ， 为正的常量；容器内气体的所有变化过程都是缓慢的求：(1)汽缸内气体与大气达到平衡时的体积 V1；(2)在活塞下降过程中，汽缸内气体放出的热量 Q.解析 (1)在气体由 p1.2p 0下降到 p0的过程中，气体体积不变，温度由T2.4 T 0变为 T1，由查理定律得 T1T p0p在气体温度由 T1变为 T0的过程中，体积由 V 减小到 V1，气体压强不变，由盖吕萨克定律得VV1 T1T0解得Error!(2)在活塞下降过程中，活塞对气体做的功为 Wp 0(VV 1)图 132- 4 -在这一过程中，气体内能的减小为 U (T1T 0)由热力学第一定律得，汽缸内气体放出的热
8、量为 QW U解得 Q p0VT 0. 答案 (1) V (2) p0VT 012 12 12【变式 2】如图 133 所示，教室内用截面积为 0.2 m2 的绝热活塞，将一定质量的理想气体封闭在圆柱汽缸内，活塞与汽缸之间无摩擦a 状态是汽缸放在冰水混合物中气体达到的平衡状态，活塞离汽缸底部的高度为 0.6 m；b 状态是汽缸从容器中移出后达到的平衡状态，活塞离汽缸底部的高度为 0.65 m设室内大气压强始终保持 1.0105 Pa，忽略活塞质量(1)求教室内的温度；(2)若气体从 a 状态变化到 b 状态的过程中，内能增加了 560 J，求此过程中气体吸收的热量解析 (1)由题意知气体是等压
9、变化，设教室内温度为 T2，由 知 T2 295.75 K.V1T1 V2T2 V2T1V1(2)气体对外界做功为 Wp 0S(h2h 1)10 3 J.由热力学第一定律得 Q1 560 J. 答案 (1)295.75 K (2)1 560 J1夏天，如果将自行车内胎充气过足，又放在阳光下暴晒，车胎极易爆裂关于这一现象的描述(暴晒过程中内胎容积几乎不变) ，下列说法错误的是( ) A车胎爆裂，是车胎内气体温度升高，气体分子间斥力急剧增大的结果B在爆裂前的过程中，气体温度升高，分子无规则热运动加剧，气体压强增大C在车胎突然爆裂前的瞬间，气体内能增加D在车胎突然爆裂后的瞬间，气体内能减少解析 分析
10、题意得：车胎在阳光下暴晒，爆裂前内能增加，气体的温度升高，分子无规则热运动加剧，气体压强变大，所以选项 B 和 C 是正确的，易知选项 A 是错误的当车胎突然爆裂的瞬间，气体膨胀对外做功，温度也会有所下降，所以气体内能减少，选项 D 正确 答案 A2(2010重庆)给旱区送水的消防车停于水平地面上，在缓慢放水过程中，若车胎不漏气，胎内气体温度不变，不计分子间势能，则胎内气体( ) A从外界吸热 B对外界做负功 C分子平均动能减小 D内能增加解析 胎内气体经历了一个温度不变、压强减小、体积增大的过程温度不变，分子平均动能和内能不变体积增大气体对外界做正功根据热力学第一定律，气体一定从外界吸热A
11、正确3(2011全国卷，14 改编) 关于一定量的气体，下列叙述正确的是( )A气体吸收的热量不能完全转化为功 B气体体积增大时，其内能一定减少C气体从外界吸收热量，其内能一定增加 D外界对气体做功，气体内能可能减少解析 由热力学第二定律的表述之一：不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化，即气体吸收热量在引起其他变化的情况下，可以完全转化为功，知 A 选项错误；气体的内能由气体的温度和体积共同决定，气体体积增大，内能不一定减少，故 B 项错误；由热力学第一定律： UQW，若物体从外界吸热，即 Q0 但同时对外做功，即 W0，但同时向外界放热，即 Qp2，即气体压强变小，故
12、选项 C 错误、选项 D 错误 答案 B1二氧化碳是导致“温室效应”的主要原因之一，人类在采取节能减排措施的同时，也在研究控制温室气体的新方法，目前专家们正在研究二氧化碳的深海处理技术。在某次实验中，将一定质量的二氧化碳气体封闭在一可自由压缩的导热容器中，将容器缓慢移到海水某深处，气体体积减为原来的一半，不计温度变化，则此过程中( ) A封闭气体对外界做正功 B封闭气体向外界传递热量C封闭气体分子的平均动能增大 D封闭气体从外界吸收热量解析 因为气体的温度不变，所以气体分子的平均动能不变，C 错误；当气体体积减小时，外界对气体做功，A 错误；由热力学第一定律可得，封闭气体将向外界传递热量，B
13、正确 答案 B2(2011上海浦东二模)如图 136 所示中汽缸内盛有一定量的理想气体，汽缸壁是导热的，缸外环境保持恒温，活塞与汽缸壁的接触是光滑的，但不漏气现将活塞杆与外界连接并使之缓慢地向右移动这样气体将等温膨胀并通过杆对外做功若已知理想气体的内能只与温度有关，则下列说法正确的是( ) A气体是从单一热源吸热，全用来对外做功，因此此过程违反热力学第二定律B气体是从单一热源吸热，但并未全用来对外做功，所以此过程不违反热力学第二定律C气体是从单一热源吸热，全用来对外作功，但此过程不违反热力学第二定律图 135图 136- 6 -DA、B、C 三种说法都不对答案 C3如图 137 所示为电冰箱的
14、工作原理示意图压缩机工作时，强迫制冷剂在冰箱内外的管道中不断循环在蒸发器中制冷剂汽化吸收箱体内的热量，经过冷凝器时制冷剂液化，放出热量到箱体外下列说法正确的是( ) A热量可以自发地从冰箱内传到冰箱外B电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界，是因为其消耗了电能C电冰箱的工作原理违反热力学第一定律D电冰箱的工作原理违反热力学第二定律解析 由热力学第二定律可知，热量不能自发地由低温物体传给高温物体，除非有外界的影响或帮助电冰箱把热量从低温的内部传到高温的外部，需要压缩机工作并消耗电能 答案 B4我国神七航天员的漫步太空已变成现实神七航天漫步太空，此举震撼世界，意义重大无比其中，飞船在航天
15、员出舱前先要“减压” ，在航天员从太空返回进入航天器后要“升压” ，因此飞船将此设施专门做成了一个舱，叫“气闸舱” ，其原理图如图 138 所示，两个相通的舱 A、B 间装有阀门K，指令舱 A 中充满气体，气闸舱 B 内为真空，整个系统与外界没有热交换打开阀门 K 后，A 中的气体进入 B 中，最终达到平衡，则( )A气体体积膨胀，对外做功 B气体分子势能减少，内能增加C体积变大，温度降低 DB 中气体不可能自发地全部退回到 A 中解析 当阀门 K 被打开时，A 中的气体进入 B 中，由于 B 中为真空，所以 A 中的气体不会做功，则 A 选项是错误的；又因为系统与外界无热交换，所以气体内能不
16、变，则气体的温度也不变，则选项A、B 、 C 错误；由热力学第二定律知，真空中气体膨胀具有方向性，在无外界作用时，B 中气体不能自发地全部回到 A 中，故 D 正确 答案 D5(2011江西重点盟校二次联考，33)(1)下列说法正确的是_A由阿伏加德罗常数、气体的摩尔质量和密度，可以估算出该种气体分子的大小B悬浮在液体中的固体微粒越小，布朗运动就越明显C分子间的引力随分子间距离的增大而增大，分子间的斥力随分子间距离的增大而减小D根据热力学第二定律可知，热量不可能从低温物体传到高温物体(2)如图 139 所示，汽缸内封闭一定质量的某种理想气体，活塞通过滑轮和一重物连接并保持平衡，已知活塞距缸口
17、0.2 m，活塞面积 10 cm2，大气压强 1.0105 Pa，物重 50 N，活塞质量及一切摩擦不计，缓慢升高环境温度，使活塞刚好升到缸口，封闭气体吸收了 60 J 的热量，则封闭气体的压强将_(选填“增加” 、 “减小”或“不变”) ，气体内能变化量为 _J.解析 (1)由于气体分子间距离大，所以不能估算分子大小，A 错布朗运动的显著程度与温度和颗粒大小有关，B 正确分子引力和斥力都是随分子间距离的增大而减小的，则 C 错热量不能自发地从低温物体传到高温物体，故 D 错(2)此时气体压强 pp 0 恒定 由热力学第一定律 UW QpVQ 50 J.GS答案 (1)B (2) 不变 506
18、(1)当密闭在气球内的空气( 可视为理想气体)温度缓慢升高时_A气体分子的体积增大 B气体分子的动能增大图 137图 138图 139- 7 -C气体分子的平均动能增大 D单位体积内分子数增多(2)若只对一定质量的理想气体做 1 500 J 的功，可使其温度升高 5 K若改成只用热传递的方式，使气体温度同样升高 5 K，那么气体应吸收_ J 的热量如果对该气体做了 2 000 J 的功，使其温度升高了 5 K，表明在该过程中，气体还 _(选填 “吸收”或“放出”)热量_J.答案 (1)C (2)1 500 放出 5007(1)第一类永动机不可能制成是因为其违反了_ ，第二类永动机不可能制成是因
19、为其违反了_(2)在一个大气压下，水在沸腾时，1 g 水吸收 2 263.8 J 的热量后由液态变成同温度的气态，其体积由 1.043 cm3 变成 1 676 cm3，求：1 g 水所含的分子个数；体积膨胀时气体对外界做的功；气体的内能变化(大气压强 p01.010 5 Pa，水的摩尔质量为 M18 g/mol，阿伏加德罗常数NA 6.01023 mol1 )解析 (2)1 g 水所含的分子个数为 n 610233.310 22(个)(118)气体体积膨胀时对外做的功为 Wp 0V10 5(1 6761.043)10 6 J167.5 J.根据热力学第一定律有：U WQ (2 263.816
20、7.5) J2 096.3 J.答案 (1)能量守恒定律 热力学第二定律 (2)3.310 22 167.5 J 增加 2 096.3 J8(1)下列说法正确的是( )A布朗运动是悬浮在液体中固体颗粒的分子无规则运动的反映B没有摩擦的理想热机可以把吸收的能量全部转化为机械能C知道某物质的摩尔质量和密度可求出阿伏加德罗常数D内能不同的物体，它们分子热运动的平均动能可能相同(2)一定质量的理想气体在某一过程中，外界对气体做功 1.7105 J，气体内能减少 1.3105 J，则此过程中气体_(填“ 吸收”或“放出”) 的热量是 _ J此后，保持气体压强不变，升高温度，气体对外界做了 5.0105
21、J 的功，同时吸收了 6.0105 J 的热量，则此过程中，气体内能增加了_ J解析 (1)布朗运动是指悬浮在液体中的固体小颗粒的运动，并不是指颗粒分子的运动，所以 A错误热能不可能全部转化为机械能而不引起其他变化，所以 B 错误知道摩尔质量和密度可求摩尔体积，求不出阿伏加德罗常数，所以 C 错误内能不同的物体它们分子运动的平均动能可能相同，因为只要物体的温度相同，分子平均动能就相同，所以 D 项正确(2)根据热力学第一定律得：W 1.710 5 J，U1.310 5 J，代入 UWQ 可得，Q3.010 5 J，Q 为负值，说明气体要放出热量，放出的热量为 3.0105 J；同理 W510
22、5 J，Q 6105 J， UWQ1.010 5 J，即内能增加了 1.0105 J.答案 (1)D (2)放出 3.010 5 1.010 59(1)关于热现象和热学规律，下列说法中正确的是( )A教室内看到透过窗子的“ 阳光柱”里粉尘颗粒杂乱无章的运动，这种运动是布朗运动B热量只能从高温物体向低温物体传递，不可能由低温物体传给高温物体C用活塞压缩汽缸里的空气，对空气做功 2.0105 J，若空气向外界放出热量 1.5105 J，则空气内能增加 5104 JD一定质量的理想气体，如果保持温度不变，体积越小，压强越小(2)1 mL 水用注射器能滴 50 滴，水的密度 10 3 kg/m3，则
23、1 滴水中有多少个水分子？(阿伏加德罗常数 NA6.0210 23 mol1 )- 8 -解析 (1)布朗运动是由液体分子撞击固体小颗粒而引起的，而教室内粉尘颗粒杂乱无章的运动是由于空气流动引起的，A 项错误；在一定条件下，热量可以从低温物体传给高温物体，例夏天空调工作时，不断地将热量从低温的室内传到高温的室外，B 项错误；根据热力学第一定律可知，C 项正确；根据 恒量可知，对于一定质量的气体，温度不变，体积越小，压强越大，D 项错误pVT(2)1 滴水的体积为 V m3210 8 m3110 6501 滴水的质量为 mV210 8 103 kg210 5 kg所以 1 滴水中水分子的个数为
24、n NA 6.0210236.6910 20个mmmol 210 51810 3答案 (1)C (2)6.69 1020 个10(1)关于分子动理论，下列说法正确的是_A对气体加热，气体内能一定增加B布朗运动指的是悬浮颗粒在液体中的无规则运动C物体的温度升高，物体中所有分子的动能都会增加D物体内部分子间距增加时，分子引力比分子斥力减小得快(2)一根粗细均匀、足够长的玻璃管竖直放置，下端封闭，上端开口，一段水银柱封闭着一定质量的理想气体，此时气体温度为 27 ，现使气体温度升高到 127 .则_A气体的压强增加 B气体的压强减小C气体的初态和末态体积之比为 34 D气体的初态和末态体积之比为 2
25、7127答案 (1)B (2)C11如图 1310 所示，A、B 两个汽缸中装有体积均为 10 L、压强均为 1 atm(标准大气压)、温度均为 27 的空气，中间用细管连接，细管容积不计细管中有一绝热活塞，现将 B 汽缸中的气体升温到127 ，若要使细管中的活塞仍停在原位置(不计摩擦，A 汽缸中的气体温度保持不变，A 汽缸截面积为 500 cm2)(1)求 A 中活塞应向右移动的距离(2)A 中气体是吸热还是放热，为什么？解析 (1)对 B：由 得 PB PB PB PBPBTB PBTB TBTB 400300 43对 A：由 PAVAP AV A 得 VAPAVAPA且：P A PB，P AP B 解得： VA VA 所以 l 5 cm.43 14VAS(2)放热，在向右推活塞过程中，A 中气体温度不变，气体内能不变；体积减小，外界对气体做功，由热力学第一定律 UWQ 可知气体应放热答案 (1)5 cm(2)放热，在向右推活塞过程中，A 中气体温度不变，气体内能不变；体积减小，外界对气体做功，由热力学第一定律 UWQ 可知气体应放热图 1310
