1、第2讲 热力学定律及能量守恒 气体,考点1 热力学定律、能量守恒定律,1.热力学第一定律 （1）内容：外界对物体_加上物体从外界_ 等于物体内能的增加量U. （2）表达式：U=_.,做的功W,吸收的热量Q,W+Q,2.热力学第二定律 （1）表述1：不可能使热量由低温物体传递到高温物体，而 _. （2）表述2：不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来对外 做功，而_. （3）意义:热力学第二定律表明自然界中进行的涉及热现象的 宏观过程都具有_.,不引起其他变化,不引起其他变化,方向性,3.热力学第三定律：热力学零度不可达到 4.热力学温度和摄氏温度关系 （1）T=_. （2）T=_. 5.能量守恒
2、定律 能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能_转 化为_，或者_转移到_，在 能的转化或转移过程中其总量_.,t+273.15 K,t,从一种形式,另一种形式,从一个物体,另一个物体,不变,1.热力学第一定律 （1）符号规定.,W,外界对物体做功,W0,物体对外界做功,W0,Q,物体从外界吸收热量,Q0,物体向外界放出热量,Q0,U,物体内能增加,U0,物体内能减小,U0,（2）实质:热力学第一定律是能量守恒的具体体现,说明能量在转移和转化的过程中是守恒的.,2.热力学第二定律 热力学第二定律是说不违背能量守恒定律的热力学过程的发生 具有方向性.热力学过程方向性实例: （1） （2） （3
3、） （4） 由以上可知,并非所有能量守恒的过程都能实现.,3.两类永动机比较,给旱区送水的消防车停于水平地面，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】选A.若车胎不漏气，气体温度不变，不计分子势能，则气体分子平均动能不变，内能也不变，故C、D两项均错.缓慢放水过程中气体膨胀，对外界做正功，再由热力学第一定律知气体从外界吸热，故A对B错.,考点2 气体状态参量,1.温度（T或t） （1）物理意义:宏观上表示物体的_；微观上标志物体 内分子热运动的激烈程度.它是物体分子_的
4、标志.,冷热程度,平均动能,（2）两种温标. 摄氏温标（t）:单位.在1个标准大气压下,水的冰点作为 _,沸点作为_. 热力学温标（T）:单位K.把_作为0 K.绝对零度 （0 K）是低温的极限,只能接近不能达到. 2.体积 （1）宏观上：容纳气体的_. （2）微观上：气体分子所能达到的_.,0,100,-273,容器的容积,空间体积,3.压强 （1）宏观上：器壁单位面积上受到的_. （2）微观上：大量气体分子单位时间作用在单位面积上的 _. （3）决定因素 宏观上：气体的_、_和物质的量. 微观上：单位体积内的_和分子的平均_. （4）单位换算:1 atm=_ cmHg=_ Pa.,压力,总
5、冲量,体积,温度,分子数,动能,76,1.013105,1.气体的温度、体积、压强之间的关系 一定质量的气体，当一个参量不变时，另两个参量的关系为 （1）等温变化：分子的平均动能不变，若体积减小，单位体积内分子数目增多，气体的压强增加. （2）等容变化：单位体积内的分子数目不变，温度升高，分子的平均动能增加，气体的压强增加. （3）等压变化：温度升高，气体分子的平均动能增加，只有气体的体积增大，单位体积内的分子数减少，才可保持气体的压强不变.,2.热力学第一定律在气体状态变化中的应用 理想气体无分子势能，只有分子动能，一定质量的气体，其内 能只取决于温度，而与体积无关.在气体状态变化过程中，三
6、 个状态参量（p、V、T）遵循气体状态方程 （或 恒量）.,3.气体压强常见的计算方法 （1）液体内深为h处的总压强p=p0+gh,式中的p0为液面上方的压强,在水银内,用cmHg做单位时可表示为p=H+h. （2）求用固体（如活塞）或液体（如液柱）封闭在静止的容器内的气体压强,应对封闭物进行受力分析,然后根据平衡条件求解.,（2012南京模拟）一定质量的理想气体,经等温压缩,气体的压强增大,用分子动理论的观点分析,这是因为（ ） A.气体分子每次碰撞器壁的平均冲量增大 B.单位时间内单位面积器壁上受到气体分子碰撞的次数增多 C.气体分子的总数增加 D.气体分子的密度增大,【解析】选B、D.理
7、想气体经等温压缩,压强增大,体积减小,分子密度增大,则单位时间内单位面积器壁上受到气体分子的碰撞次数增多,故B、D正确.对一定质量的理想气体,分子总数不变,C错.由于气体等温变化,分子的平均动能不变,故每次撞击器壁的平均冲量不变,A错.,热力学第一定律与气体的综合应用 【例证1】如图所示,一绝热容器被隔板K分隔成a、b两部分.已知a内有一定量的稀薄气体,b内为真空.抽开隔板K后,a内气体进入b,最终达到平衡状态.在此过程中（ ）,A气体对外界做功,内能减少 B气体不做功,内能不变 C气体压强变小,温度降低 D气体压强变小,温度不变 【解题指南】解答该题应注意以下两点: （1）容器为绝热容器,与
8、外界没有能量交换. （2）b内为真空,则a内气体进入b时没有做功.,【自主解答】选B、D.在本题中由于b内为真空，当a内气体膨胀时，无受力物体，因此气体并不对外做功，又由于容器绝热，气体与外界无热交换，所以气体的内能不变，故A错，B正确；由于气体是稀薄气体，所以可把气体看成理想气体，此时不考虑分子间的作用力，即不必考虑分子势能，气体的内能只由分子动能决定，此过程中气体的温度不变，由于体积增大，分子密度减小，所以压强变小，故C错,D正确.,【总结提升】解答该题的关键是: （1）容器绝热,气体与外界无热交换. （2）b内为真空,a中气体虽然膨胀,但不对外做功,现对易错选项及错误原因具体分析如下:,
9、【变式训练】地面附近有一正在上升的空气团,它与外界的热交换忽略不计.已知大气压强随高度增加而降低,则该气团在此上升过程中（不计气团内分子间的势能）（ ） A.体积减小,温度降低 B.体积减小,温度不变 C.体积增大,温度降低 D.体积增大,温度不变 【解析】选C.由题意,该气团在上升过程中,压强变小,故体积增大,对外做功.由于它与外界的热交换忽略不计,由热力学第一定律知其内能减少,因不计气团内分子间的势能,故分子的平均动能变小,因此温度降低.故只有C正确.,气体实验定律的应用 【例证2】（2011上海高考）（10分）如图,绝热汽缸A与导热汽缸B均固定于地面,由刚性杆连接的绝热活塞与两汽缸间均无
10、摩擦.两汽缸内装有处于平衡状态的理想气体,开始时体积均为V0、温度均为T0.缓慢加热A中气体,停止加热达到稳定后,A中气体压强为原来的1.2倍.设环境温度始终保持不变,求汽缸A中气体的体积VA和温度TA.,【解题指南】解答本题要把握以下思路: （1）处于平衡状态时A、B中气体的压强相等. （2）B汽缸导热,内部气体做等温变化,由玻意耳定律分析. （3）A汽缸绝热,内部气体的p、V、T均变化,由气体状态方程分析.,【规范解答】设初态压强为p0,膨胀后A、B压强相等 pB=1.2p0 （2分） B中气体始末状态温度相等 p0V0=1.2p0（2V0-VA） （2分） 所以 （2分） A部分气体满足
11、 （2分） 所以TA=1.4T0 （2分） 答案： 1.4T0,【总结提升】应用状态方程解题的一般步骤 （1）明确研究对象,即质量一定的那部分气体或两部分气体. （2）确定每部分气体的始末状态参量p1、V1、T1及p2、V2、T2. （3）建立状态方程,对相关的两部分气体还要列出压强或体积间的关系方程. （4）注意讨论结果的合理性.,【变式训练】如图所示,一开口汽缸内盛有密度为的某种液体;一长为l的粗细均匀的小瓶底朝上漂浮在液体中,平衡时小瓶露出液面的部分和进入小瓶中液柱的长度均为l/4.现用活塞将汽缸封闭（图中未画出）,使活塞缓慢向下运动,各部分气体的温度均保持不变.当小瓶的底部恰好与液面相
12、平 时,进入小瓶中的液柱长度为l/2,求此时汽缸 内气体的压强.大气压强为p0,重力加速度为g.,【解析】设当小瓶内气体的长度为 时,压强为p1;当小瓶的底 部恰好与液面相平时,瓶内气体的压强为p2,汽缸内气体的压强 为p3. 依题意 由玻意耳定律 式中S为小瓶的横截面积.联立两式,得,又有 联立式,得 答案：,【变式备选】如图所示,薄壁光滑导热良 好的汽缸放在光滑水平面上,当环境温度 为10 时,用横截面积为1.010-2 m2的 活塞封闭体积为2.010-3 m3的理想气体,活塞另一端固定在墙上.外界大气压强为1.0105Pa. （1）当环境温度为37 时,汽缸自由移动了多少距离? （2）
13、如果环境温度保持在37 ,对汽缸作用水平力,使缸内气体体积缓慢地恢复到原来数值,这时汽缸受到的水平作用力多大?,【解析】（1）气体等压变化汽缸移动的距离为,（2）气体等容变化对汽缸受力分析,根据平衡条件, p3S=p0S+F， F=（p3-p0）S=11041.010-2 N=100 N. 答案：（1）210-2 m （2）100 N,【例证】如图甲所示是一个右端开口的圆筒形汽缸，活塞可以在汽缸内自由滑动.活塞将一定量的理想气体封闭在汽缸内，此时气体的温度为27 .若给汽缸加热，使气体温度升高，让气体推动活塞从MN缓慢地移到PQ.已知大气压强p0=1.0105 Pa.求：,（1）当活塞到达PQ
14、后缸内气体的温度； （2）把活塞锁定在PQ位置上，让气体的温度缓慢地降到27 ,求此时气体的压强并分析判断该过程气体是放热还是吸热； （3）在图乙中画出上述两个过程中气体压强p随温度T变化的图象.,【规范解答】（1）此过程为等压变化过程p1=p2=p0=1105 Pa, V2=2V1，T1=300 K 由 得：T2=600 K （2）此过程为等容变化过程，T3=300 K 由查理定律： 得：p3=0.5105 Pa,该过程中气体温度降低，内能减少，体积不变，做功为零，由热力学第一定律可判断气体向外放热. （3）pT图象如图所示.答案：（1）600 K （2）0.5105 Pa 放热 （3）见规
15、范解答,1.（2011广东高考）如图为某种 椅子与其升降部分的结构示意图， M、N两筒间密闭了一定质量的气体， M可沿N的内壁上下滑动，设筒内气 体不与外界发生热交换，在M向下滑 动的过程中（ ）,A.外界对气体做功，气体内能增大 B.外界对气体做功，气体内能减小 C.气体对外界做功，气体内能增大 D.气体对外界做功，气体内能减小 【解析】选A.M向下滑动的过程中，气体体积减小，故外界对气体做功，由热力学第一定律知，Q=0，内能的改变取决于做功，因外界对气体做功，故气体的内能增大，A正确，B、C、D错误.,2.（2012河池模拟）一定质量的理想气体处于平衡态,现设法使其温度升高而压强减小达到平
16、衡态,则（ ） A.状态时气体的密度比状态时气体的密度小 B.状态时分子的平均动能比状态时分子的平均动能大 C.从状态到状态过程中气体要向外放热 D.从状态到状态过程中气体要对外做功,【解析】选D.由 =常数知,温度升高而压强减小时,体积一 定增大,即对外做功,气体的密度减小,A错，D对.又由U=W+Q 知,气体一定吸热,C错.温度升高,气体分子的平均动能增大,B 错.,3.一定质量理想气体的状态经历了如图所示 的ab、bc、cd、da四个过程，其中bc的延长 线通过原点，cd垂直于ab且与水平轴平行， da与bc平行.则气体体积在（ ） A.ab过程中不断增加 B.bc过程中保持不变 C.c
17、d过程中不断增加 D.da过程中保持不变,【解析】选A、B.由 可知pT图中斜率 C为定值.据 此可知ab过程中体积增加，A项正确；bc过程体积不变，B项正 确；cd过程中体积减小，C项错误；由于Od直线的斜率与Oa直线 的斜率不等，故d、a状态体积不等，D错误.,4.（2012绵阳模拟）医疗室用的电热高压 灭菌锅的锅盖密封良好,盖上有一个排气孔, 上面扣一个限压阀,利用其重力将排气孔压 住.排气孔和限压阀的示意图如图所示.加热 过程中当锅内气压达到一定程度时,气体就 会把限压阀顶起来,使高压气体排出,这样就能使锅内保持较高 而又安全稳定的压强.若限压阀的质量m=0.1 kg,横截面直径D= 2 cm,排气孔直径d=0.3 cm,大气压为标准值(取p0=1105 Pa),则锅内气压最大可达多少?（g取10 N/kg）,【解析】当锅内气压达到最大时,限压阀被顶起,此时限压阀处 于受力平衡状态,设此时锅内气压为p,则由平衡条件可得所以 答案：2.4105 Pa,
