河北省2011年高考物理一轮总复习课件：热学 第40讲 热和功 气体状态和状态参量

第40讲热和功气体状态和状态参量自主·夯实基础自主预习轻松过关名师点金本讲知识是高考的热点,几乎年年必考.考查的重点是内能的决定因素及改变内能的两种方式,特别是气体状态方程被删除以后,气体压强的微观解释成了近几年高考中的热点.本讲的难点是对热力学第二定律中的“不可能”的准确理解.知识梳理一、物体的内能1.分子的平均动能：物体内所有分子动能的平均值.温度是分子平均动能的唯一标志，温度越高，分子平均动能越大.温度是大量分子热运动的平均效果的反映，具有统计意义，对个别分子而言，温度没有意义.2.分子势能：由分子间的相互作用和相对位置决定的能.分子势能的大小与分子间的距离有关.3.物体的内能：物体内所有分子的热运动的动能和分子势能的总和.物体内能的决定因素:(1)微观决定因素——分子的势能、分子的平均动能、分子的个数.(2)宏观决定因素——物体的体积、物体的温度、物质的量.注意：对一般气体而言，由于忽略了分子间的相互作用力，因而忽略了分子间相互作用的势能的变化.二、物体内能的改变、能量守恒定律1.改变物体内能的两种方式(1)做功——使物体发生形变或改变体积的力所做的功能改变物体的内能.(2)热传递——是内能在不同物体之间或物体的不同部分之间的转移.热传递过程使物体的内能发生改变时，内能的改变是用热量来量度的.热传递和做功在改变物体内能上是等效的，但是有着本质的区别：一个是内能的转移过程，一个是其他形式的能量转化为内能的过程.2.热力学第一定律(1)内容：如果系统和外界同时发生做功和热传递的过程，那么外界对物体所做的功W加上物体从外界吸收的热量Q等于物体内能的增加量ΔU，即ΔU=Q+W.(2)上式中ΔU、Q、W各量的符号规定如下：ΔU正值：内能增加负值：内能减少Q正值：系统吸收热量负值：系统放出热量W正值：外界对系统做功负值：系统对外界做功3.能量守恒定律(1)能量守恒定律是自然界的普遍规律.热力学第一定律就是能的转化和守恒在改变物体内能这一特定过程中的具体体现.(2)一切违背能的转化和守恒定律的过程都是不可能实现的，能的转化和守恒证明第一类永动机不可能制成.三、热力学第二定律1.两种表述(1)不可能使热量由低温物体传递到高温物体而不引起其他变化.（这是按照热传导的方向性来表述的）(2)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.也可以表述为：第二类永动机是不可能制成的.（这是按照机械能与内能转化过程的方向性来表述的）2.热力学第二定律的实质热力学第二定律的任何一种表述，都揭示了大量分子参与的宏观过程的方向性，使人们认识到自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性，即一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的.因此两种不同的表述是等价的.四、永动机不可能制成1.第一类永动机（1）概念：不消耗能量的机器.（2）结果：无一例外地归于失败.（3）原因：违背能量守恒原理.2.热机(1)定义：一种把内能转化为机械能的装置.(2)原理：热机从热源吸收热量Q1，推动活塞做功W，然后向冷凝器释放热量Q2.(3)效率：由能量守恒定律知道Q1=W+Q2，我们把热机做的功W和它从热源吸收的热量Q1的比值叫做热机效率，用η表示，即η=×100%.3.第二类永动机(1)定义：只从单一热源吸收热量，使之完全变为有用的功而不引起其他变化的热机.1WQ(2)第二类永动机不可能制成，因为热机的效率不可能是100%.虽然第二类永动机不违反能量守恒定律，但它违背了热力学第二定律.大量的事实证明:在任何情况下，热机都不可能只有一个热源.热机要不断地把吸收的热量变为有用的功，就不可避免地将一部分热量传给低温热源.五、描述气体状态的状态参量1.温度(T或t)(1)两种意义：宏观上表示物体的冷热程度；微观上标志物体内分子热运动的激烈程度.它是物体分子平均动能的标志.(2)两种温标①摄氏温标t：单位为℃.在1个标准大气压下，水的冰点作为0℃，沸点作为100℃.②热力学温标T：单位为K.把-273℃作为0K.绝对零度(0K)是低温的极限，只能接近不能达到.③两种温标的关系：就每1度表示的冷热差别来说，两种温度是相同的，只是零值的起点不同，所以二者关系为T=t+273(K)，ΔT=Δt.2.体积(V)气体分子所占据的空间，也就是气体所充满的容器的容积.气体可以被压缩.单位：m31m3=103L(或dm3)=106mL(或cm3)3.压强(p)气体作用在器壁单位面积上的压力.数值上等于单位时间内器壁单位面积上受到气体分子的总冲量.(1)产生原因：由于大量气体分子无规则地运动而碰撞器壁，形成对器壁各处均匀、持续的压力.(2)决定因素：一定质量的气体的压强大小，在微观上决定于分子的平均动能和分子密度；在宏观上决定于气体的温度T、体积V.(3)单位换算：1atm=1.013×105Pa六、气体的状态及变化1.对于一定质量的气体，如果温度、体积、压强这三个量都不变，我们就说气体处于一定的状态.2.一定质量的气体，p与T、V有关.三个参量中不可能只有一个参量发生变化，至少有两个或三个同时改变.3.一定质量的气体，p、T、V三者的关系是：=C，C是一个定值.当T不变时，p∝；当p不变时，V∝T；当V不变时，p∝T.利用以上关系可进行状态参量的定性分析.基础自测1.(2009年山西省忻州一中调研)有甲、乙两个分子,甲分子固定不动,乙分子由无穷远处逐渐向甲靠近,直到不能再靠近为止.在这整个过程中,分子势能的变化情况是()A.不断增大B.不断减小C.先增大，后减小D.先减小，后增大ρVT1V【解析】分子力做功与分子势能变化的关系和重力做功与重力势能变化的关系类似,即：分子力做正功，分子势能减小；分子力做负功，分子势能增大.当乙分子由无穷远处向r0移动时,分子力做正功,分子势能减小；当乙分子由r0向甲分子继续靠近时,要克服分子斥力做功,分子势能增大.所以移动的整个过程,分子势能是先减小、后增大.也可知当分子间的距离为r0时,分子势能最小.本题的正确选项为D.【答案】D2.(2010年贵州遵义联考)下列说法正确的是()A.温度高的物体内能大B.温度低的物体分子运动的平均速率小C.物体做加速运动时速度越来越大,物体内分子的平均动能也越来越大D.物体的体积改变,内能可能不变【解析】温度高的物体,其分子的平均动能一定大于温度低的物体,但分子的势能无法比较,A错；温度低的物体分子平均动能小,但由于不同物质的分子质量不同,所以温度低的物体分子平均速率不一定小,B错；物体做加速运动时,速度增大,其机械运动的动能增大,但分子的平均动能与机械运动的动能无关,与温度有关,若温度不变,物体内分子的平均动能不变,C错；内能由温度和体积决定,物体体积虽然发生改变,但由于不知道温度的变化情况,所以其内能有可能不变,D正确.【答案】D创新·方法探究提炼方法展示技巧题型方法一、热力学第一定律的应用例1（2007年四川理综卷）如图40-1所示，厚壁容器的一端通过胶塞插进一支灵敏温度计和一根气针，另一端有个用卡子卡住的可移动胶塞.用打气筒慢慢向容器内打气，使容器内的压强增大到一定程度，这图40-1时读出温度计示数.打开卡子，胶塞冲出容器口后（）A.温度计示数变大，实验表明气体对外界做功，内能减少B.温度计示数变大，实验表明外界对气体做功，内能增加C.温度计示数变小，实验表明气体对外界做功，内能减少D.温度计示数变小，实验表明外界对气体做功，内能增加【解析】气体膨胀对外做功，气体内能减少，温度降低，温度计的示数减小，所以选项A、B、D错误,C正确.【答案】C【点评】本题考查热力学第一定律及气体内能的变化与温度变化的关系.方法概述1.热力学第一定律是能量守恒定律在热学中的体现，是高考命题的热点，通常与气体状态的变化发生联系.2.物体内能的增加与否，不能单单只看做功或者热传递，要将二者结合起来.内能的变化由ΔU=W+Q得到.3.应用热力学第一定律时，注意正确判断ΔU、W、Q的正负号.二、对热传递的方向性认识例2根据热力学定律，下列说法正确的是（）A.我们可以把火炉散失到周围环境的能量全部收集到火炉中再次用来取暖B.改进热机的生产工艺，总有一天热机效率可以达到100%C.制冷系统能将冰箱内的热量传给外界较高温度的空气，但一定会引起其他变化D.满足能量守恒定律的客观过程都可以自发地进行【解析】根据热力学第二定律可知，利用火炉取暖时，高温物体的内能转化为低温物体的内能，谁也不能把这些散失的能量重新收集到火炉中再次用来取暖，这是一种能量耗散现象，故选项A错误；即使改进热机的生产工艺，能量散失也不可避免，热机效率不可能提高到100%，故选项B错误；冰箱消耗了电能才能正常工作，故选项C正确；自然界中涉及热现象的客观过程都具有方向性，比如内能转化为机械能就不能自发地进行，则选项D错误.【答案】C【点评】自然界中能够发生的一切现象均满足能量转化与守恒，但满足能量守恒定律的客观过程不一定能自发地进行.方法概述随着科技的进步和生产的发展，人们已逐步认识到热力学第二定律对认识自然、改造自然的重要性.近几年的高考中此类问题出现次数较多，通常以选择题的形式考查热力学第二定律的一些具体表述、与热力学第二定律相关的技术问题及一些与热力学第一定律和能的转化相综合的热现象.三、气体压强的微观解释和气体分子的碰撞问题例3（2007年全国理综卷Ⅰ）如图40-2所示，质量为m的活塞将一定质量的气体封闭在汽缸内，活塞与汽缸壁之间无摩擦.a态是汽缸放在冰水混合物中气体达到的平衡状态，b态是汽缸从容器中移出后，在室温（27℃）中达到的平衡状态.气体从a态变化到b态的过程中大气压强保持不变.若忽略气图40-2体分子之间的势能，则下列说法正确的是()A.与b态相比，a态的气体分子在单位时间内撞击活塞的个数较多B.与a态相比，b态的气体分子在单位时间内对活塞的冲量较大C.在相同时间内，a、b两态的气体分子对活塞的冲量相等D.从a态到b态，气体的内能增加，外界对气体做功，气体向外界释放了热量【解析】由于气体从a态变化到b态的过程中大气压强保持不变，故a态和b态气体的压强相等，但b态气体的温度高，故b态气体的体积大.从气体压强的微观解释可分析出选项A、C正确,B错误.从a态到b态，气体温度升高、体积增大，故气体的内能增加，气体对外界做功，气体从外界吸收热量，故选项D错误.【答案】AC方法概述用气体分子热运动的理论解释气体的压强、体积和温度的关系.（1）对气体压强和体积关系的解释：一定质量的气体，温度保持不变时，分子的平均动能是一定的，在这种情况下，体积减小，分子的密集程度增大，气体的压强就增大.（2）对气体压强跟温度的关系的解释：一定质量的气体，体积保持不变时，分子的密集程度保持不变，在这种情况下，温度升高时，分子的平均动能增大，气体的压强就增大.（3）对气体体积跟温度的关系的解释：一定质量的气体，温度升高时，分子的平均动能增大，要保持压强不变，只有使气体的体积增大，使分子的密集程度减小.高考排雷例对一定量的某种气体,若用n表示单位时间内与器壁单位面积碰撞的分子数,则()A.当体积减小时,n必定增加B.当温度升高时,n必定增加C.当压强不变而体积和温度变化时,n必定变化D.当压强不变而体积和温度变化时,n可能不变【错解】如图所示,设单位体积内的分子数为n0,分子的平均速度为v,则在Δt时间内与面积为ΔS的器壁碰撞的次数N=n0vΔt·ΔS,那么在单位时间内与单位面积碰撞的分子数n=n0v.对于一定量的气体,压强不变,若体积增大，则温度升高,体积增大会使n0减小,但温度升高又会使v增大,那么在单位时间内与单位面积器壁碰撞的分子数n=n0v可能不变,选D.161616【剖析】气体的压强从微观上看跟两个因素有关：一是气体分子的平均动能,一是分子的密集程度.气体压强是大量气体分子频繁地碰撞器壁而产生的作用在器壁单位面积上的平均作用力,也是单位时间内大量气体分子作用在器壁单位面积上的总冲量.设分子的平均速度为v,与器壁碰撞后被以大小不变的速度v反弹回来,则每个气体分子作用在器