（江苏专用版）2020版高考物理总复习 第十二章 第3讲 热力学定律与能量守恒课件

第3讲热力学定律与能量守恒基础过关知识梳理1.(多选)关于热力学定律,下列说法正确的是 (BD)A.气体吸热后温度一定升高B.对气体做功可以改变其内能C.理想气体等压膨胀过程一定放热D.如果两个系统分别与状态确定的第三个系统达到热平衡,那么这两个系统彼此之间也必定达到热平衡基础自测2.一定质量的理想气体在某一过程中,外界对气体做功7.0×104J,气体内能减少1.3×105J,则此过程(B)A.气体从外界吸收热量2.0×105JB.气体向外界放出热量2.0×105JC.气体从外界吸收热量6.0×104JD.气体向外界放出热量6.0×104J解析根据热力学第一定律,W+Q=ΔU,所以Q=ΔU-W=-1.3×105J-7.0×104J=-2.0×105J,即气体向外界放出热量2.0×105J。考点一热力学第一定律、能量守恒定律考点二气体实验定律与热力学第一定律的综合考点突破考点三理想气体状态变化的图像问题及综合应用考点一热力学第一定律、能量守恒定律1.改变内能的方式 2.ΔU=W+Q中正、负号法则做功W热量Q内能的改变ΔU取正值“+”外界对物体做功物体从外界吸收热量物体的内能增加取负值“-”物体对外界做功物体向外界放出热量物体的内能减少3.应用热力学第一定律的三点注意(1)做功看体积:体积增大,气体对外做功,W为负;体积缩小,外界对气体做功,W为正;气体向真空中自由膨胀,对外界不做功,W=0。(2)与外界绝热,则不发生热传递,此时Q=0。(3)由于理想气体没有分子势能,所以当它的内能变化时,主要体现在分子动能的变化上,从宏观上看就是温度发生了变化。例1(多选)(2017新课标Ⅱ改编)如图,用隔板将一绝热汽缸分成两部分,隔板左侧充有理想气体,隔板右侧与绝热活塞之间是真空。现将隔板抽开,气体会自发扩散至整个汽缸。待气体达到稳定后,缓慢推压活塞,将气体压回到原来的体积。假设整个系统不漏气。下列说法正确的是 () A.气体自发扩散前后内能相同B.气体在被压缩的过程中内能增大C.气体在被压缩的过程中,外界对气体做功D.气体在被压缩的过程中,气体分子的平均动能不变答案ABC因为汽缸、活塞都是绝热的,隔板右侧是真空,所以理想气体在自发扩散的过程中,既不吸热也不放热,也不对外界做功。根据热力学第一定律可知,气体自发扩散前后,内能不变,选项A正确;气体被压缩的过程中,外界对气体做功,气体内能增大,又一定质量的理想气体的内能只与温度有关,所以气体温度升高,分子平均动能增大,选项B、C正确,选项D错误。考点二气体实验定律与热力学第一定律的综合1.在理想气体状态变化过程中,三个状态参量(p、V、T)遵循理想气体状态方程 = (或 =C),分析气体的内能变化只需分析气体的温度如何变化:温度升高(或降低),内能增大(或减小)。111pVT222pVTpVT2.由气体体积变化情况分析做功情况,气体体积增大,气体对外做功;气体体积减小,外界对气体做功。3.吸、放热不能直接确定时,则要放在最后,根据热力学第一定律来确定,在判断内能变化时,还必须结合物态变化以及能的转化与守恒来进行。4.理想气体的几种特殊变化对应的热传递和做功问题以及微观解释变化过程做功W热传递Q内能变化ΔU关系式压强变化微观解释等温压缩W0Q0ΔU=0W+Q=0变大单位时间内对单位面积器壁碰撞的分子数增加等容升温W=0Q0ΔU0Q=ΔU变大分子对器壁的平均撞击力变大等压升温W0Q0ΔU0ΔU=Q+W不变分子密集程度变小,分子对器壁的平均撞击力变大绝热膨胀W0Q=0ΔU0W=ΔU变小分子密集程度变小,分子对器壁平均撞击力变小例2(2015江苏单科)在装有食品的包装袋中充入氮气,可以起到保质作用。某厂家为检测包装袋的密封性,在包装袋中充满一定量的氮气,然后密封进行加压测试。测试时,对包装袋缓慢地施加压力。将袋内的氮气视为理想气体,则加压测试过程中,包装袋内壁单位面积上所受气体分子撞击的作用力(选填“增大”“减小”或“不变”),包装袋内氮气的内能(选填“增大”“减小”或“不变”)。答案增大不变解析因为测试时,对包装袋缓慢地施加压力,外界对气体所做的功等于气体对外放出的热量,由热力学第一定律可知:气体的温度不变,即内能不变。由玻意耳定律可知:气体体积变小,所以压强变大,由于气体的压强是由气体分子对器壁的频繁碰撞而产生的,所以包装袋内壁单位面积上所受气体分子撞击的作用力增大。例3(2018南京、盐城二模)如图所示,一圆柱形绝热汽缸竖直放置,通过绝热活塞封闭着一定质量的理想气体,活塞的质量为m,横截面积为S,与汽缸底部相距h,此时封闭气体的温度为T。现通过电热丝缓慢加热气体,当气体吸收热量Q时,气体温度上升到1.5T。已知大气压强为p0,重力加速度为g,不计活塞与汽缸的摩擦。求:(1)加热后活塞到汽缸底部的距离;(2)加热过程中气体的内能增加量。答案(1)1.5h(2)Q-0.5h(p0S+mg)解析(1)设温度为T2时活塞与容器底部相距h2。因为气体做等压变化,由盖-吕萨克定律 = 得 = ,h2=1.5h(2)气体压强p=p0+ ,对外做功W=-p(h2-h)S由热力学第一定律ΔU=W+Q得ΔU=Q-0.5h(p0S+mg)。11VT22VThST21.5hSTmgS方法技巧气体实验定律与热力学第一定律的综合问题的解题流程 考点三理想气体状态变化的图像问题及综合应用理想气体状态变化的图像问题特点举例p-VpV=CT(其中C为常量),即p、V之积越大的等温线,温度越高,线离原点越远 p- p=CT· ,斜率k=CT,即斜率越大,温度越高 p-Tp= ·T,斜率k= ,即斜率越大,体积越小 V-TV= ·T,斜率k= ,即斜率越大,压强越小 1V1VCVCVCpCp例4[2018苏锡常镇调研(二)]如图为一定质量的理想气体的体积V随热力学温度T的变化关系图像。由状态A变化到状态B的过程中气体吸收热量Q1=220J,气体在状态A的压强为p0=1.0×105Pa。求:(1)气体在状态B时的温度T2;(2)气体由状态B变化到状态C的过程中,气体向外放出的热量Q2。答案(1)600K(2)120J解析(1)状态A变化到状态B的过程是等压过程,根据 = ,解得:T2=600K。(2)A到B过程气体从外界吸热,对外界做功,内能增加,据热力学第一定律:ΔUAB=Q1+WAB又WAB=-p0(V2-V1)=-100JC状态与A状态内能相等,则ΔUAB=-ΔUBCB到C过程是等容过程WBC=0,据热力学第一定律:ΔUBC=QBC+WBC解得:QBC=-120J,即气体由状态B变化到状态C的过程中,气体向外放出的热量为120J。11VT22VT例5(2017南京、盐城一模)一定质量的理想气体从状态A经绝热过程到达状态B,再经等容过程到达状态C,此过程的p-V图像如图所示,图中虚线为等温线。在B→C的过程中,气体吸收热量为12J。则:(1)试比较气体在A和B状态的内能EA、EB的大小;(2)气体从A→B过程中气体对外界做的功。答案(1)EAEB(2)12J解析(1)A→B过程绝热,Q=0,体积V增大,气体对外做功,内能减小,EAEB。(2)A→B→C过程中有:ΔU=WAB+WBC+QAB+QBCA、C温度相等,则ΔU=0A→B过程绝热,则QAB=0B→C过程等容,则WBC=0又QBC=12J,解得WAB=-12J即气体对外做功12J随堂巩固1.(2018镇江期末)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ΔU1;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ΔU2,则 (B)A.W1W2,Q1Q2,ΔU1ΔU2B.W1W2,Q1Q2,ΔU1ΔU2C.W1W2,Q1=Q2,ΔU1ΔU2D.W1=W2,Q1Q2,ΔU1ΔU2解析第一种情况,根据 =C可知,气体压强不变,体积增大,因此温度升高,ΔU10,根据热力学第一定律有:ΔU1=Q1-W1;第二种情况,气体等温变化,ΔU2=0,根据热力学第一定律有:ΔU2=Q2-W2,第二种情况下,压强减小,体积变化相同,因此W1W2,且ΔU1ΔU2=0,因此Q1Q2。pVT2.(多选)[2017江苏单科,12A(1)]一定质量的理想气体从状态A经过状态B变化到状态C,其V-T图像如图所示。下列说法正确的有 (BC)A.A→B的过程中,气体对外界做功B.A→B的过程中,气体放出热量C.B→C的过程中,气体压强不变D.A→B→C的过程中,气体内能增加解析A→B的过程中,气体体积减小,外界压缩气体做功,故A项错误;温度不变,则气体的内能不变,由热力学第一定律可知,气体应该放出热量,故B项正确。由V-T图像可知,B→C的过程中,气体压强不变,即C项正确。A→B→C的过程中,温度先不变后降低,故气体的内能先不变后减少,故D项错误。3.(2016江苏单科,12A)(1)(多选)在高原地区烧水需要使用高压锅。水烧开后,锅内水面上方充满饱和汽。停止加热,高压锅在密封状态下缓慢冷却。在冷却过程中,锅内水蒸气的变化情况为。A.压强变小B.压强不变C.一直是饱和汽D.变为未饱和汽(2)如图甲所示,在斯特林循环的p-V图像中,一定质量理想气体从状态A依次经过状态B、C和D后再回到状态A,整个过程由两个等温和两个等容过程组成。B→C的过程中,单位体积中的气体分子数目(选填“增大”“减小”或“不变”)。状态A和状态D的气体分子热运动速率的统计分布图像如图乙所示,则状态A对应的是(选填“①”或“②”)。 甲乙(3)如图甲所示,在A→B和D→A的过程中,气体放出的热量分别为4J和20J。在B→C和C→D的过程中,气体吸收的热量分别为20J和12J。求气体完成一次循环对外界所做的功。答案(1)AC(2)不变①(3)8J解析(1)高压锅在密封状态下,因为冷却过程是缓慢进行的,所以水和水蒸气保持动态平衡,即水蒸气一直是饱和汽,故C对,D错。饱和汽压随温度的降低而减小,故A对,B错。(2)B→C过程气体体积不变,气体的总分子数也不变,故单位体积内的分子数是不变的。由 =C可知,TATD,温度越高,分子的平均速率越大,故状态A对应的是①。pVT(3)对A→B过程应用热力学第一定律有-4J+W1=0,则W1=4J。对C→D过程同理有12J+W2=0,则W2=-12J。B→C和D→A过程体积不变,气体不做功,故一次循环中气体对外界做功8J。