资源简介 中小学教育资源及组卷应用平台专题33 热力学定律与能量守恒课标要求 知识要点 命题推断1.知道改变内能的两种方式,理解热力学第一定律. 2.知道与热现象有关的宏观物理过程的方向性,了解热力学第二定律. 3.掌握能量守恒定律及其应用. 考点一 热力学第一定律的理解及应用 考点二 热力学第二定律的理解 考点三 热力学定律与气体实验定律综合问题 题型:选择题 计算题 1热力学第一定律的应用 2热力学第二定律的应用 3与气体图像的综合问题 4与气体实验定律的综合问题考点一 热力学第一定律的理解及应用1.热力学第一定律的理解不仅反映了做功和热传递这两种方式改变内能的过程是等效的,而且给出了内能的变化量和做功与热传递之间的定量关系.2.对公式ΔU=Q+W符号的规定符号 W Q ΔU+ 外界对物体做功 物体吸收热量 内能增加- 物体对外界做功 物体放出热量 内能减少3.几种特殊情况(1)若过程是绝热的,则Q=0,W=ΔU,外界对物体做的功等于物体内能的增加量.(2)若过程中不做功,即W=0,则Q=ΔU,物体吸收的热量等于物体内能的增加量.(3)若过程的初、末状态物体的内能不变,即ΔU=0,则W+Q=0或W=-Q.外界对物体做的功等于物体放出的热量.考点二 热力学第二定律的理解1.热力学第二定律的理解(1)“自发地”指明了热传递等热力学宏观现象的方向性,不需要借助外界提供能量的帮助.(2)“不产生其他影响”的涵义是发生的热力学宏观过程只在本系统内完成,对周围环境不产生热力学方面的影响.如吸热、放热、做功等.2.热力学第二定律的实质热力学第二定律的每一种表述,都揭示了大量分子参与宏观过程的方向性,进而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.特别提醒 热量不可能自发地从低温物体传到高温物体,但在有外界影响的条件下,热量可以从低温物体传到高温物体,如电冰箱;在引起其他变化的条件下内能可以全部转化为机械能,如气体的等温膨胀过程.3.热力学过程方向性实例:①高温物体低温物体②功热③气体体积V1气体体积V2(较大)④不同气体A和B混合气体AB4.两类永动机的比较第一类永动机 第二类永动机不需要任何动力或燃料,却能不断地对外做功的机器 从单一热源吸收热量,使之完全变成功,而不产生其他影响的机器违背能量守恒定律,不可能制成 不违背能量守恒定律,但违背热力学第二定律,不可能制成考点三 热力学定律与气体实验定律综合问题(2024 江苏二模)关于热学现象,下列说法正确的是( )A.液体有表面张力,原因是液体表面分子间的平均距离比液体内部大B.物体内热运动速率大的分子数占总分子数比例与温度无关C.不可能从单一热库吸收热量,使之完全变成功D.给庄稼松土有助于将地下的水分引上来【解答】解;A、液体有表面张力,原因是液体表面的分子比较稀疏,分子间的平均距离比液体内部大,表现为引力,故A正确;B、物体内热运动速率大的分子数占总分子数比例与温度有关,温度越高,速率大的分子数所占的比例就越大,故B错误;C、不可能从单一热库吸收热量,使之完全变成功,而不引起其它的变化,如果引起了其它的变化,可以全部变成功的,故C错误;D、给庄稼松土,可以破坏土壤中的毛细管,不至于将地下的水引上来,有利于保持水分,故D错误。故选:A。(2024 南通三模)如图所示,一定质量的理想气体从状态a依次经过状态b、c和d后再回到状态a,则( )A.a到b过程,气体内能增大B.b到c过程,气体对外界做功C.c到d过程,气体吸收热量D.经过一次循环过程,外界对气体做功【解答】解:A.a到b过程,为等容变化,气体对外界不做功,由理想气体状态方程可得Ta>Tb则气体内能减少,故A错误;B.b到c过程,体积减小,外界对气体做功,故B错误;C.c到d过程,为等容变化,气体对外界不做功,由理想气体状态方程可得Td>Tc则气体内能增加,根据热力学第一定律可知,气体吸收热量,故C正确;D.由W=pV,p﹣V图像面积代表做功可知,经过一次循环过程,由d到a气体对外做功大于由b到c外界对气体做功,故一个循环过程后,气体对外界做功,故D错误。故选:C。(2024 成华区校级模拟)下列说法正确的是( )A.温度相同的两种理想气体的分子平均速率一定相同B.花粉颗粒在液体中的布朗运动,是由于花粉颗粒内部分子无规则热运动引起的C.0℃的冰融化为0℃的水需要吸热,该过程中分子的平均动能增大D.内能不同的物体,它们分子热运动的平均动能可能相同【解答】解:A、温度相同的两种理想气体的分子平均动能相同,如果分子质量不同,则分子平均速率不相同,故A错误;B、花粉的布朗运动是由于液体分子无规则热运动引起的,故B错误;C、由于温度不变,分子的平均动能不变,故C错误;D、如果温度相同时,分子热运动的平均动能相同,分子热运动的平均动能与物体的内能无直接关系,故D正确。故选:D。(2024 青羊区校级模拟)一定质量的理想气体封闭在汽缸内,从初始状态A经状态B、C、D再回到状态A,其体积V与热力学温度T的关系如图所示。下列说法正确的是( )A.过程A→B中,气体从外界放出热量B.过程C→D中,气体内能的减少量大于气体向外界放出的热量C.过程B→C中,气体分子在单位时间内对汽缸壁单位面积的碰撞次数增大D.过程D→A与过程A→B→C→D中,气体对外界做功的数值相等【解答】解:A、A→B过程中,气体的体积不变,气体不做功,则W=0,温度升高,气体的内能增大,则ΔU>0,由热力学第一定律ΔU=W+Q,可知Q>0,所以气体吸收热量,故A错误;B、C→D过程中,气体的体积减小,外界对气体做功,则W>0,温度降低,则气体的内能减小,则ΔU<0,由热力学第一定律ΔU=W+Q,可知Q<0,则,所以气体的气体内能的减少量小于气体向外界放出的热量,故B错误;C、B→C过程中,气体温度不变,气体体积减小,则气体密集程度增大,所以气体分子在单位时间内对汽缸壁单位面积的碰撞次数增大,故C正确;D、D→A过程,DA连线过坐标原点,气体的压强不变,体积增大,气体对外界做功,A→B→C→D过程中,A→B过程中,气体不做功,B→C→D过程,根据V﹣T图像上各点与坐标原点连线的斜率减小,气体的压强越大,可知B→C→D过程中压强大于A→B过程中压强,体积减小,则外界对气体做功,但两过程体积变化相等,由W=pΔV可知两过程气体做功不相等,故D错误。故选:C。(2024 泰州一模)一定质量理想气体的卡诺循环过程p﹣V图线如图所示,状态a、d的温度分别为Ta、Td,ad、bc两条绝热线下的面积分别为S1、S2(图中阴影部分),则( )A.Ta<Td B.Ta=Td C.S1>S2 D.S1=S2【解答】解:AB、由图可知,S1表示外界对气体做功,S2表示气体对外界做功。ad、bc两个过程为绝热过程,由卡诺循环过程可知另外的两个过程为等温过程,则d→a压缩过程中,外界对气体做功,根据热力学第一定律可知,气体的内能增大,温度升高,则Ta=Tb>Td=Tc,故AB错误;CD、由于绝热过程中温度变化一样,即内能变化一样,根据热力学第一定律有ΔU=W+Q可得两个过程中做功大小相等,由于绝热线下围的面积为该过程中做的功,则S1=S2,故C错误,D正确。故选:D。(2024 济宁三模)如图所示,一定质量的理想气体,经历a→b→c→a过程,其中a→b是等温过程,b→c是等压过程,c→a是等容过程。下列说法正确的是( )A.完成一次循环,气体向外界放热B.a、b、c三个状态中,气体在c状态分子平均动能最大C.b→c过程中,气体放出的热量大于外界对气体做的功D.a→b过程中,容器壁在单位时间内、单位面积上受到气体分子撞击的次数会增加【解答】解:A、p﹣V图像面积表示气体对外界做功,即W<0,整个循环过程,气体内能不变,根据ΔU=W+Q可知,Q>0,即气体从外界吸收热量,故A错误;B、由图可知,a→b过程为等温变化有Ta=Tb,b→c过程气体发生等压变化,根据pV=CT可知气体温度降低,即Tb>Tc,而即有Ta=Tb>Tc,所以气体在c状态分子平均动能最小,故B错误;C、b→c过程中,气体体积减小,外界对气体做功W>0,同时温度降低内能减小ΔU<0,所以气体对外放热Q<0,由此可知其放出的热量大于外界对气体做的功,故C正确;D、a→b为等温过程,气体压强变小,体积增大,即因为温度不变,故气体分子的平均动能不变,压强变小说明单位时间内碰撞单位面积器壁的分子数减少,故D错误。故选:C。(2024 市中区校级模拟)某校物理学科周活动中,出现了不少新颖灵巧的作品。如图所示为高二某班同学制作的《液压工程类作业升降机模型》,通过针筒管活塞的伸缩推动针筒内的水,进而推动支撑架的展开与折叠,完成货物平台的升降。在某次实验中,针筒连接管的水中封闭了一段空气柱(空气可视为理想气体),该同学先缓慢推动注射器活塞将针筒内气体进行压缩,若压缩气体过程中针筒内气体温度不变,装置不漏气,则下列说法中正确的是( )A.针筒内气体压强减小B.针筒内气体吸热C.单位时间、单位面积撞击针筒内壁的气体分子数减少D.用国际单位制单位表示的状态参量在图中图线可能如图中a→b【解答】解:A.压缩气体过程中针筒内气体温度不变,空气柱体积变小,则压强变大,故A错误;B.压缩气体过程中针筒内气体温度不变,则气体内能不变,即有ΔU=0,压缩过程中,气体体积变小,外界对气体做功,即有W>0,则根据热力学第一定律ΔU=W+Q可知Q<0,即针筒内气体放热,故B错误;C.由于压缩气体过程中针筒内气体温度不变,气柱体积变小,压强变大,则单位时间、单位面积撞击针筒内壁的气体分子数增大,故C错误;D.由于压缩气体过程中针筒内气体温度不变,空气柱体积变小,压强变大。则根据理想气体状态方程C整理可得p=TC 可知用国际单位制单位表示的状态参量在p中图线可能如图中a→b,故D正确。故选:D。(2024 江苏模拟)一定质量的理想气体经历从状态A到状态B的变化,其V﹣T图像如图所示,AB的反向延长线过原点。气体在状态A的压强,从状态A到状态B的过程中吸收的热量Q=8.0×102J,下列说法正确的是( )A.气体在状态B的压强为2.25×105PaB.气体在状态B的体积为2.5×10﹣2m3C.从状态A到状态B的过程,气体对外界做功750JD.从状态A到状态B的过程,气体的内能增加1.55×103J【解答】解:AB、AB的反向延长线过原点,可知从状态A到状态B气体的压强不变,所以气体在状态B的压强:,从A到B,由盖﹣吕萨克定律有:,可得VB=1.5×10﹣2m3,故AB错误;CD、从状态A到状态B的过程,气体做的功:(1.5×10﹣2﹣1×10﹣2)J=750J气体体积增大,气体对外界做功,所以W应为负值,即W=﹣750J由热力学第一定律有:ΔU=W+Q,其中Q=8.0×102J,代入数据可得:ΔU=50J,可知气体内能增加50J,故C正确,D错误。故选:C。(2024 江苏模拟)如图所示,一粗细均匀的细管开口向上竖直放置,管内有一段高度为4cm的水银柱,水银柱下密封了一定质量的理想气体,水银柱上表面到管口的距离为2cm。若缓慢加热管内被密封的气体,当温度为T时,水银柱的上表面恰好与管口平齐;若保持气体温度不变,将细管倒置,稳定时水银柱下表面恰好位于管口处且无水银滴落。已知开始管内气体温度为297K,大气压强为76cmHg。求:(1)细管的长度;(2)水银柱的上表面恰好与管口平齐时的温度T。【解答】解:(1)设细管的长度为L,横截面积为S,水银柱高度为h,初始时,设水银柱上表面到管口的距离为h1,被密封气体的体积为V,压强为p,细管倒置时,气体体积为V1,压强为p1,由玻意耳定律有pV=p1V1由力的平衡条件有p=p0+ρghp1=p0﹣ρgh由题意有V=S(L﹣h1﹣h)V1=S(L﹣h)代入数据,联立解得L=24cm(2)设气体被加热前后的温度分别为T0和T,由盖—吕萨克定律有代入数据解得T=330K答:(1)细管的长度24cm;(2)水银柱的上表面恰好与管口平齐时的温度330K。(2024 金东区校级模拟)如图所示,在竖直放置的导热性良好的圆柱形容器内用质量为m的活塞密封一部分气体,活塞能无摩擦地滑动,容器的横截面积为S,将整个装置放在大气压恒为p0的空气中,开始时气体的热力学温度为T0,活塞处于A处,它与容器底的距离为h0,当气体从外界吸收热量Q后,活塞缓慢上升d后到达B处再次处于静止状态。(1)外界空气的热力学温度是多少?(2)在此过程中的密闭气体的内能增加了多少?(3)某人在上一问的基础上又接着提了一个问题,说:“有人在活塞上方施加一个竖直向下的外力,使气体从上一问的状态B(活塞在B处)缓慢地回到状态A(活塞在A处),在此过程中外力做功是多少?”他的解答思路如下:设状态A和状态B时的外力分别为FA和FB,外力做功。请你对他的解答思路进行评价:如果你认为正确,请求出结果;如果你认为不正确,请说出错误的原因,不必求出正确结果?【解答】解:(1)以密闭气体为研究对象,大气压恒为p0不变,活塞上升过程为等压变化,由盖﹣吕萨克定律有解得(2)活塞上升的过程,密闭气体克服大气压力和活塞的重力做功,所以外界对气体做的功W=﹣(mg+p0S)d根据热力学第一定律可知密闭气体增加的内能为ΔU=Q+W=Q﹣(mg+p0S)d(3)气体发生等温变化,根据玻意耳定律pV=C及平衡状态可知F并非线性变化,不可用平均作用力计算功,所以该同学解答思路错误。答:(1)外界空气的热力学温度为;(2)密闭气体的内能增加了Q﹣(mg+p0S)d;(3)不正确,气体发生等温变化,根据玻意耳定律pV=C及平衡状态可知F并非线性变化,不可用平均作用力计算功。题型1热力学第一定律的应用(2024 重庆模拟)一定质量的理想气体从状态A变化到状态B,再变化到状态C,其状态变化过程的p﹣V图像如图所示。已知该气体在状态A时的热力学温度为300K,关于图示热力学过程中,下列说法正确的是( )A.该气体在状态C时的热力学温度为200kB.气体从状态A到状态B其分子平均动能增加C.该气体从状态A到状态C全程均放出热量D.该气体从状态A到状态C与外界交换的热量是200J【解答】解:A.由理想气体状态方程得解得TC=300K故A错误;B.气体从状态A到状态B的pV乘积减小,温度降低,所以分子的平均动能减小,故B错误;C.气体从状态A到状态B内能减小,体积不变,外界对气体做功为零,气体释放热量;气体由状态B到状态C,温度升高,内能增加,外界对气体做负功,由热力学第一定律得ΔU=W+Q那么气体由状态B到状态C吸收热量,故C错误;D.该气体从状态A到状态C外界对气体做功为W=﹣200J由热力学第一定律得ΔU=W+Q=0解得Q=200J所以气体从状态A到状态C从外界吸收热量为200J,故D正确。故选:D。(多选)(2024 五华区校级模拟)质量相等的同种理想气体分别从平衡态a经绝热过程①和一般过程②变化到平衡态b,b状态时对应的压强与体积的乘积比a状态时对应的压强与体积的乘积大,p﹣V图像如图所示。过程①外界对理想气体做功为W1,过程②外界对理想气体做功为W2,则( )A.状态b的温度比状态a的温度低B.过程①和过程②相比,W1<W2C.过程②内能的增量等于W1D.过程②理想气体向外界吸收热量【解答】解:A、b状态时对应的压强与体积的乘积比a状态时对应的压强与体积的乘积大,由理想气体状态方程,可知状态b的温度比状态a的温度高,故A错误;B、p﹣V图像中,图线与横轴所夹的面积表示外界对气体做的功,由图可知,过程①和过程②相比,W1<W2,故B正确;C、因为两个过程的初末状态都相同,则两个过程中内能的增加量都相等,过程①是绝热过程,则Q=0,由热力学第一定律ΔU=W+Q可知,过程①内能的增量等于W1,即过程②内能的增量也等于W1,故C正确;D、过程②,内能增量ΔU=W1,外界对气体做功为W2,由热力学第一定律有:W1=W2+Q,已知W1<W2,可得Q<0,所以过程②理想气体向外界释放热量,故D错误;故选:BC。(2024 龙凤区校级模拟)在学校春季运动会上释放的气球是充有氦气的可降解气球。释放前工作人员用容积为30L、压强为1.0×107Pa的氦气罐给气球充气(充气过程温度不变),要求充气后气球体积为5L、压强为1.0×105Pa;气球释放后飘向高空,当气球体积膨胀到8L时就会爆裂落回地面。已知高度每升高1000m,大气温度下降6℃,高度每升高1m,大气压减小11Pa,庆祝现场地面空气温度为27℃,大气压为1.0×105Pa,不计充气过程的漏气和气球内原有气体,下列说法正确的是( )A.用一个氦气罐可以充出600个符合要求的气球B.当气球发生爆裂时,气球离地面的高度为3846mC.用氮气罐给气球充气过程中,氦气放出热量D.要降低气球发生爆裂时的高度,在地面充气时可使充气后的气球体积适当减小【解答】解:A.设充气前氦气罐的压强和体积分别为p0、V0,充气后气球的压强和体积分别为p1、V1、,根据题意,设用一个氦气罐可以充出n个符合要求的气球,由玻意耳定律有p0V0=p1(V0+nV1)解得n=594故A错误;B.当气球发生爆裂时,气球体积膨胀到8L,设此时气球离地面高度为h,根据题意可知爆裂时气体的压强和温度分别是p2=p1﹣11h由理想气体方程有其中T0=t0+273K=300K解得h≈3846m故B正确;C.对充入气球内的氦气,从氦气罐内到气球内的过程,体积增大,对外做功,不计温度变化,内能不变,根据热力学第一定律可知气体吸热,故C错误;D.由B中分析可以推导出h与V1的函数关系式为可知,体积越小,高度越大,要降低气球发生爆裂时的高度,在地面充气时可使充气后的气球体积适当增大,故D错误。故选:B。题型2热力学第二定律的应用(2024 荆门三模)关于热力学定律,下列说法错误的是( )A.做功与传热对改变系统的内能是等价的B.热力学第一定律实际上是内能与其他形式能量发生转化时的能量守恒定律C.一切与热现象有关的宏观过程都是不可逆的D.能源的使用过程中虽然能的总量保持守恒,但能量的品质下降【解答】解:A、做功与热传递是改变内能的两种方式,对改变系统的内能是等价的,故A正确;B、根据热力学第一定律可知,热力学第一定律揭示了内能与其他形式能量发生转化时的能量之间的关系,故B正确;C、根据热力学第二定律,一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的,故C错误;D、能源的使用过程中虽然能的总量保持守恒,但能量的品质下降说明了能源是有限的,我们要节约能源,故D正确。本题选择错误的,故选:C。(2024 南通模拟)如图所示,两个相通的容器P、Q间装有阀门K,P中充满气体,Q为真空,整个系统与外界没有热交换,打开阀门K后,P中的气体进入Q中,最终达到平衡,则( )A.容器中气体的内能减少B.容器中气体分子的平均动能增加C.容器中气体分子的数密度减小D.Q中的气体能自发地全部退回到P中去【解答】解:A、气体在真空中膨胀,对外不做功,并且由题意可知整个系统与外界也没有热交换,故由热力学第一定律可知气体的内能不变,故A错误;B、气体由于分子间距离较大,分子力视为零,故分子势能为零,不随体积的增大而变化。又因内能=所有分子动能+所有分子势能,内能不变,所以分子平均动能不变,故B错误;C、气体在真空中膨胀,体积增大,容器中气体分子的数密度减小,故C正确;D、由热力学第二定律可知,一切自发过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行,所以Q中的气体不可能自发的全部退回到P中,故D错误,故选:C。(2024 通州区一模)黑洞是广义相对论预言的奇异天体,对于质量为M的球对称简单黑洞,可以定义一个以黑洞中心为球心、半径为r的球面,称为视界。按照经典理论,视界以内所有物质都无法逃离黑洞。按照牛顿力学,如果一个粒子在质量为M的球对称天体表面的逃逸速度恰好等于真空中的光速c,此天体即为黑洞,其半径r的表达式为,其中G为引力常量。由牛顿力学得到的r恰好与广义相对论给出的同质量黑洞的视界半径结果一致。按照贝肯斯坦和霍金的理论,黑洞的熵S正比于其视界面积A,即,其中h、kB均为常量。当两个质量均为M1的简单黑洞塌缩成一个质量为M2(M2<2M1)的简单黑洞时,其系统的熵的变化量为( )A.B.C.D.【解答】解:由题意可的黑洞熵与质量的关系为:当两个质量均为M1的简单黑洞塌缩成一个质量为M2(M2<2M1)的简单黑洞时,其系统的熵的变化量为:ΔS=S2﹣2S1,故B正确,ACD错误。故选:B。题型3与气体图像的综合问题(2024 黑龙江三模)一定质量的理想气体从状态A经过状态B和C又回到状态A,其压强p随体积V的变化图线如图所示,其中A到B为绝热过程。C到A为等温过程。下列说法错误的是( )A.A→B过程,气体分子平均动能减小B.B→C过程,气体向外界放热C.C→A过程,气体向外界放热D.A→C过程气体对外界做的功小于C→A过程外界对气体做的功【解答】解:A.由图可知,A→B的过程,气体绝热膨胀,对外做功,根据热力学第一定律ΔU=W+Q,可知气体内能减小,温度降低,气体分子平均动能减小,故A正确;B.B→C过程是等压变化,体积增大,则气体对外做功,即W<0,由盖—吕萨克定律,C,可知气体温度升高,故气体内能增大,根据热力学第一定律ΔU=W+Q,可知气体从外界吸热,故B错误;C.C→A的过程是等温变化,气体内能不变,但体积减小,故外界对气体做功,根据热力学第一定律ΔU=W+Q,可知气体向外界放热,故C正确;D.在p﹣V图像中,面积表示做功,故A→C过程气体对外界做的功小于C→A过程中外界对气体做的功,故D正确。本题选错误的,故选:B。(2024 东西湖区校级模拟)密闭容器内密封一定质量的理想气体,气体从a状态经过一系列变化回到初始状态,变化过程中V﹣T图如图所示。下列分析正确的是( )A.a状态时气体分子在单位时间单位面积上的碰撞次数比b状态时小B.a、b、c三个状态相比,气体内能大小满足Ua<Ub<UcC.a→b过程气体对外做功小于c→a过程外界对气体做的功D.b→c过程气体吸收的热量大于c→a过程气体释放的热量【解答】解:由图可知Ta=Tb<Tc,Va<Vb=Vc,a、b状态下分子平均动能相等,但a状态分子数密度大于b状态分子数密度,a状态下分子在单位时间单位面积上的碰撞次数大于b状态的,故A错误;B、对于一定质量的理想气体而言,理想气体内能正比于温度T,根据图像可分析出ab两点的温度相同,小于c点的温度,故Ua=Ub<Uc,故B错误;C、由气体状态方程可推得Pb<Pa=Pc,又a→b过程和c→a过程体积变化量相等,由W=∑PΔV可知a→b过程气体对外做功小于c→a过程外界对气体做的功,故C正确;D、由b→c过程V不变,仅存在热传递过程,对b→c→a的过程由热力学第一定律可知Wca+Qbc﹣Qca=Ua﹣Ub=0,Qbc﹣Qca<0,即b→c过程气体吸收的热量小于c→a过程气体释放的热量,故D错误。故选:C。(2024 武昌区二模)一定质量的理想气体从状态a开始,经历三个过程ab、bc、ca回到原状态,其V﹣T图像如图所示,下列说法正确的是( )A.过程ab中气体分子热运动的平均动能保持不变B.过程bc中外界对气体做负功C.过程ca中气体从外界吸热D.气体在状态a的压强最大【解答】解:A.由图可知,过程ab的温度升高,因此气体分子热运动的平均动能变大,故A错误;B.由图可知过程bc体积减小,则外界对气体做正功,故B错误;C.由图可知,过程ca中为等温变化,因此气体的内能不变,体积增大,则气体对外界做功,由热力学第一定律ΔU=W+Q可知,气体一定吸热,故C正确;D.根据题意,由理想气体状态方程有C可知,图像的斜率表示,斜率越大,压强越小,可得pc=pb>pa,故D错误。故选:C。题型4与气体实验定律的综合问题(2024 黄陂区校级一模)如图,水平固定不动的绝热气缸内,用不导热的轻质活塞封闭着一定质量的理想气体。活塞横截面积为S,汽缸底部有一电热丝,其阻值为R,一轻绳左端连接活塞,丝另一端跨过定滑轮后与质量为m的空小桶相连。开始时小桶静止,外界大气压强为p0,活塞距离气缸底部的距离为L0,不计一切摩擦阻力,重力加速度大小为g。(i)若将电热丝通以大小为I的恒定电流缓慢加热气体,经时间t后,活塞缓慢向右移动的距离为L1,求该过程气体内能的增量;(ii)若将小桶内缓慢加入细沙,同时控制电热丝的加热功率,保持气缸内气体温度不变,当加入质量为m的细沙时,求该过程活塞向右缓慢移动的距离L2。【解答】解:(i)电热丝产生的热量为:Q=I2Rt,由于气缸绝热,活塞不导热,所以根据热力学第一定律得:ΔU=Q联立得到:ΔU=Q=I2Rt(ii)活塞缓慢向右移动的距离为L2时,气体的压强为p2,由平衡条件得,初状态压强:p0S=p1S+mg末状态压强:p0S=p2S+mg+mg解得:p1=p0,p2=p0由玻意耳定律得:p1(L0+L1)S=p2(L0+L2)S解得:L2L0答:(i)该过程气体内能的增量是I2Rt;(ii)该过程活塞向右缓慢移动的距离L2为[L0]。(2024 南关区校级模拟)一定质量的理想气体压强p与热力学温度T的关系图象如图所示,气体从状态C变化到状态B,再变化到状态A,CB线段与T轴平行,BA的延长线过原点,已知该气体在状态C时的体积为30m3。(1)求该气体在状态B时的体积;(2)根据上述气体变化过程,画出对应的p﹣V图像(标清各点坐标);(3)该气体从状态C到状态A的过程中,气体是吸热还是放热,气体与外界交换的热量Q为多少?【解答】解:(1)由图可知从C到B气体是等压变化,由盖﹣吕萨克定律有:代入数据可得:(2)P﹣T图像上BA的延长线过原点,可知从B到A是等容变化,所以:,则p﹣V图像如下图所示:(3)由图可知气体在状态A、状态C的温度相等,则气体在状态A、C的内能相等,即从C到A:ΔU=0由上图可知,从C到B气体对外做功:W=pΔV=1×105Pa×(30﹣10)m3=2×106J,气体体积增大,气体对外界做功,所以W应为负值,即W=﹣2×106J,B到A气体体积不变,所以气体不做功,从状态C到状态A的过程中,由热力学第一定律有:ΔU=W+Q,可得Q=2×106J,Q>0,所以气体吸热,气体与外界交换的热量Q为2×106J。答:(1)该气体在状态B时的体积为10m3;(2)根据上述气体变化过程,画出对应的p﹣V图像见解析;(3)该气体从状态C到状态A的过程中,气体是吸热,气体与外界交换的热量Q为2×106J。(2024 乐清市校级三模)学习了热学部分知识后,小智同学受到启发,设计了一个利用气体来测量液体温度的装置。该装置由导热性能良好、厚度不计的圆柱形细管、圆柱形金属块、四个挡条组成。圆柱形金属块质量为20g、厚度为2cm与管壁紧密接触(不漏气),管内用金属块封闭有一定量的理想气体,管内挡条限制金属块只能在管内一定范围内上下移动,以金属块下端位置为基准在上下挡条之间刻上刻度。上、下挡条间距离为40cm,上端挡条距管下端距离为100cm,管的横截面积为5mm2,测温时把温度计竖直插入待测液体中。不考虑固体的热胀冷缩,不计一切摩擦阻力。外界大气压强恒为,当管内气体的温度为27℃时金属块恰好对下方挡条无压力。(1)测量温度时,管内气体和待测液体达到 (选填“平衡态”或者“热平衡”),该温度计的刻度 (选填“均匀”或“不均匀”);(2)该温度计的测温范围;(3)某次测温时示数由57℃上升到157℃,如果该过程气体内能改变量为0.4J,求管内气体吸收的热量。【解答】解:(1)测量温度时,管内气体和待测液体达到热平衡。测温时金属块在上下挡条之间自由移动,封闭气体压强一定,由盖—吕萨克定律:,可得:因圆柱形细管的横截面积S一定,故金属块的高度变化Δh与温度的变化ΔT成正比关系,可知该温度计的刻度是均匀的。(2)已知当管内气体的温度为27℃时金属块恰好对下方挡条无压力,此时封闭气体的体积最小,所测温度最低。此时气体的体积为:V1=Sh1,h1=100cm﹣40cm=60cm温度为:T1=(27+273)K=300K所测温度最高时(设为T2),金属块恰好对上方挡条无压力,此时气体的体积为:V2=Sh2,h2=100cm﹣2cm=98cm根据盖—吕萨克定律可得:解得:T2=490K,即217℃则该温度计的测温范围为:27℃~217℃(3)示数由57℃上升到157℃,温度升高了Δt=100℃,设对应的金属块上升的高度为Δh,由(1)的结论:金属块的高度变化Δh与温度的变化ΔT成正比关系,可得:解得:Δh=20cm=0.2m封闭气体压强为:p=p0此过程外界对气体做功为:W=﹣pSΔh其中:m=20g=0.02kg,S=5mm2=5×10﹣6m2,解得:W=﹣0.14J根据热力学第一定律得:ΔU=W+Q解得:Q=0.54J即气体吸收的热量为0.54J。答:(1)热平衡;均匀;(2)该温度计的测温范围27℃至217℃;(3)管内气体吸收的热量为0.54J。中小学教育资源及组卷应用平台专题33 热力学定律与能量守恒课标要求 知识要点 命题推断1.知道改变内能的两种方式,理解热力学第一定律. 2.知道与热现象有关的宏观物理过程的方向性,了解热力学第二定律. 3.掌握能量守恒定律及其应用. 考点一 热力学第一定律的理解及应用 考点二 热力学第二定律的理解 考点三 热力学定律与气体实验定律综合问题 题型:选择题 计算题 1热力学第一定律的应用 2热力学第二定律的应用 3与气体图像的综合问题 4与气体实验定律的综合问题考点一 热力学第一定律的理解及应用1.热力学第一定律的理解不仅反映了做功和热传递这两种方式改变内能的过程是等效的,而且给出了内能的变化量和做功与热传递之间的定量关系.2.对公式ΔU=Q+W符号的规定符号 W Q ΔU+ 外界对物体做功 物体吸收热量 内能增加- 物体对外界做功 物体放出热量 内能减少3.几种特殊情况(1)若过程是绝热的,则Q=0,W=ΔU,外界对物体做的功等于物体内能的增加量.(2)若过程中不做功,即W=0,则Q=ΔU,物体吸收的热量等于物体内能的增加量.(3)若过程的初、末状态物体的内能不变,即ΔU=0,则W+Q=0或W=-Q.外界对物体做的功等于物体放出的热量.考点二 热力学第二定律的理解1.热力学第二定律的理解(1)“自发地”指明了热传递等热力学宏观现象的方向性,不需要借助外界提供能量的帮助.(2)“不产生其他影响”的涵义是发生的热力学宏观过程只在本系统内完成,对周围环境不产生热力学方面的影响.如吸热、放热、做功等.2.热力学第二定律的实质热力学第二定律的每一种表述,都揭示了大量分子参与宏观过程的方向性,进而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.特别提醒 热量不可能自发地从低温物体传到高温物体,但在有外界影响的条件下,热量可以从低温物体传到高温物体,如电冰箱;在引起其他变化的条件下内能可以全部转化为机械能,如气体的等温膨胀过程.3.热力学过程方向性实例:①高温物体低温物体②功热③气体体积V1气体体积V2(较大)④不同气体A和B混合气体AB4.两类永动机的比较第一类永动机 第二类永动机不需要任何动力或燃料,却能不断地对外做功的机器 从单一热源吸收热量,使之完全变成功,而不产生其他影响的机器违背能量守恒定律,不可能制成 不违背能量守恒定律,但违背热力学第二定律,不可能制成考点三 热力学定律与气体实验定律综合问题(2024 江苏二模)关于热学现象,下列说法正确的是( )A.液体有表面张力,原因是液体表面分子间的平均距离比液体内部大B.物体内热运动速率大的分子数占总分子数比例与温度无关C.不可能从单一热库吸收热量,使之完全变成功D.给庄稼松土有助于将地下的水分引上来(2024 南通三模)如图所示,一定质量的理想气体从状态a依次经过状态b、c和d后再回到状态a,则( )A.a到b过程,气体内能增大B.b到c过程,气体对外界做功C.c到d过程,气体吸收热量D.经过一次循环过程,外界对气体做功(2024 成华区校级模拟)下列说法正确的是( )A.温度相同的两种理想气体的分子平均速率一定相同B.花粉颗粒在液体中的布朗运动,是由于花粉颗粒内部分子无规则热运动引起的C.0℃的冰融化为0℃的水需要吸热,该过程中分子的平均动能增大D.内能不同的物体,它们分子热运动的平均动能可能相同(2024 青羊区校级模拟)一定质量的理想气体封闭在汽缸内,从初始状态A经状态B、C、D再回到状态A,其体积V与热力学温度T的关系如图所示。下列说法正确的是( )A.过程A→B中,气体从外界放出热量B.过程C→D中,气体内能的减少量大于气体向外界放出的热量C.过程B→C中,气体分子在单位时间内对汽缸壁单位面积的碰撞次数增大D.过程D→A与过程A→B→C→D中,气体对外界做功的数值相等(2024 泰州一模)一定质量理想气体的卡诺循环过程p﹣V图线如图所示,状态a、d的温度分别为Ta、Td,ad、bc两条绝热线下的面积分别为S1、S2(图中阴影部分),则( )A.Ta<Td B.Ta=Td C.S1>S2 D.S1=S2(2024 济宁三模)如图所示,一定质量的理想气体,经历a→b→c→a过程,其中a→b是等温过程,b→c是等压过程,c→a是等容过程。下列说法正确的是( )A.完成一次循环,气体向外界放热B.a、b、c三个状态中,气体在c状态分子平均动能最大C.b→c过程中,气体放出的热量大于外界对气体做的功D.a→b过程中,容器壁在单位时间内、单位面积上受到气体分子撞击的次数会增加(2024 市中区校级模拟)某校物理学科周活动中,出现了不少新颖灵巧的作品。如图所示为高二某班同学制作的《液压工程类作业升降机模型》,通过针筒管活塞的伸缩推动针筒内的水,进而推动支撑架的展开与折叠,完成货物平台的升降。在某次实验中,针筒连接管的水中封闭了一段空气柱(空气可视为理想气体),该同学先缓慢推动注射器活塞将针筒内气体进行压缩,若压缩气体过程中针筒内气体温度不变,装置不漏气,则下列说法中正确的是( )A.针筒内气体压强减小B.针筒内气体吸热C.单位时间、单位面积撞击针筒内壁的气体分子数减少D.用国际单位制单位表示的状态参量在图中图线可能如图中a→b(2024 江苏模拟)一定质量的理想气体经历从状态A到状态B的变化,其V﹣T图像如图所示,AB的反向延长线过原点。气体在状态A的压强,从状态A到状态B的过程中吸收的热量Q=8.0×102J,下列说法正确的是( )A.气体在状态B的压强为2.25×105PaB.气体在状态B的体积为2.5×10﹣2m3C.从状态A到状态B的过程,气体对外界做功750JD.从状态A到状态B的过程,气体的内能增加1.55×103J(2024 江苏模拟)如图所示,一粗细均匀的细管开口向上竖直放置,管内有一段高度为4cm的水银柱,水银柱下密封了一定质量的理想气体,水银柱上表面到管口的距离为2cm。若缓慢加热管内被密封的气体,当温度为T时,水银柱的上表面恰好与管口平齐;若保持气体温度不变,将细管倒置,稳定时水银柱下表面恰好位于管口处且无水银滴落。已知开始管内气体温度为297K,大气压强为76cmHg。求:(1)细管的长度;(2)水银柱的上表面恰好与管口平齐时的温度T。(2024 金东区校级模拟)如图所示,在竖直放置的导热性良好的圆柱形容器内用质量为m的活塞密封一部分气体,活塞能无摩擦地滑动,容器的横截面积为S,将整个装置放在大气压恒为p0的空气中,开始时气体的热力学温度为T0,活塞处于A处,它与容器底的距离为h0,当气体从外界吸收热量Q后,活塞缓慢上升d后到达B处再次处于静止状态。(1)外界空气的热力学温度是多少?(2)在此过程中的密闭气体的内能增加了多少?(3)某人在上一问的基础上又接着提了一个问题,说:“有人在活塞上方施加一个竖直向下的外力,使气体从上一问的状态B(活塞在B处)缓慢地回到状态A(活塞在A处),在此过程中外力做功是多少?”他的解答思路如下:设状态A和状态B时的外力分别为FA和FB,外力做功。请你对他的解答思路进行评价:如果你认为正确,请求出结果;如果你认为不正确,请说出错误的原因,不必求出正确结果?题型1热力学第一定律的应用(2024 重庆模拟)一定质量的理想气体从状态A变化到状态B,再变化到状态C,其状态变化过程的p﹣V图像如图所示。已知该气体在状态A时的热力学温度为300K,关于图示热力学过程中,下列说法正确的是( )A.该气体在状态C时的热力学温度为200kB.气体从状态A到状态B其分子平均动能增加C.该气体从状态A到状态C全程均放出热量D.该气体从状态A到状态C与外界交换的热量是200J(多选)(2024 五华区校级模拟)质量相等的同种理想气体分别从平衡态a经绝热过程①和一般过程②变化到平衡态b,b状态时对应的压强与体积的乘积比a状态时对应的压强与体积的乘积大,p﹣V图像如图所示。过程①外界对理想气体做功为W1,过程②外界对理想气体做功为W2,则( )A.状态b的温度比状态a的温度低B.过程①和过程②相比,W1<W2C.过程②内能的增量等于W1D.过程②理想气体向外界吸收热量(2024 龙凤区校级模拟)在学校春季运动会上释放的气球是充有氦气的可降解气球。释放前工作人员用容积为30L、压强为1.0×107Pa的氦气罐给气球充气(充气过程温度不变),要求充气后气球体积为5L、压强为1.0×105Pa;气球释放后飘向高空,当气球体积膨胀到8L时就会爆裂落回地面。已知高度每升高1000m,大气温度下降6℃,高度每升高1m,大气压减小11Pa,庆祝现场地面空气温度为27℃,大气压为1.0×105Pa,不计充气过程的漏气和气球内原有气体,下列说法正确的是( )A.用一个氦气罐可以充出600个符合要求的气球B.当气球发生爆裂时,气球离地面的高度为3846mC.用氮气罐给气球充气过程中,氦气放出热量D.要降低气球发生爆裂时的高度,在地面充气时可使充气后的气球体积适当减小题型2热力学第二定律的应用(2024 荆门三模)关于热力学定律,下列说法错误的是( )A.做功与传热对改变系统的内能是等价的B.热力学第一定律实际上是内能与其他形式能量发生转化时的能量守恒定律C.一切与热现象有关的宏观过程都是不可逆的D.能源的使用过程中虽然能的总量保持守恒,但能量的品质下降(2024 南通模拟)如图所示,两个相通的容器P、Q间装有阀门K,P中充满气体,Q为真空,整个系统与外界没有热交换,打开阀门K后,P中的气体进入Q中,最终达到平衡,则( )A.容器中气体的内能减少B.容器中气体分子的平均动能增加C.容器中气体分子的数密度减小D.Q中的气体能自发地全部退回到P中去(2024 通州区一模)黑洞是广义相对论预言的奇异天体,对于质量为M的球对称简单黑洞,可以定义一个以黑洞中心为球心、半径为r的球面,称为视界。按照经典理论,视界以内所有物质都无法逃离黑洞。按照牛顿力学,如果一个粒子在质量为M的球对称天体表面的逃逸速度恰好等于真空中的光速c,此天体即为黑洞,其半径r的表达式为,其中G为引力常量。由牛顿力学得到的r恰好与广义相对论给出的同质量黑洞的视界半径结果一致。按照贝肯斯坦和霍金的理论,黑洞的熵S正比于其视界面积A,即,其中h、kB均为常量。当两个质量均为M1的简单黑洞塌缩成一个质量为M2(M2<2M1)的简单黑洞时,其系统的熵的变化量为( )A.B.C.D.题型3与气体图像的综合问题(2024 黑龙江三模)一定质量的理想气体从状态A经过状态B和C又回到状态A,其压强p随体积V的变化图线如图所示,其中A到B为绝热过程。C到A为等温过程。下列说法错误的是( )A.A→B过程,气体分子平均动能减小B.B→C过程,气体向外界放热C.C→A过程,气体向外界放热D.A→C过程气体对外界做的功小于C→A过程外界对气体做的功(2024 东西湖区校级模拟)密闭容器内密封一定质量的理想气体,气体从a状态经过一系列变化回到初始状态,变化过程中V﹣T图如图所示。下列分析正确的是( )A.a状态时气体分子在单位时间单位面积上的碰撞次数比b状态时小B.a、b、c三个状态相比,气体内能大小满足Ua<Ub<UcC.a→b过程气体对外做功小于c→a过程外界对气体做的功D.b→c过程气体吸收的热量大于c→a过程气体释放的热量(2024 武昌区二模)一定质量的理想气体从状态a开始,经历三个过程ab、bc、ca回到原状态,其V﹣T图像如图所示,下列说法正确的是( )A.过程ab中气体分子热运动的平均动能保持不变B.过程bc中外界对气体做负功C.过程ca中气体从外界吸热D.气体在状态a的压强最大题型4与气体实验定律的综合问题(2024 黄陂区校级一模)如图,水平固定不动的绝热气缸内,用不导热的轻质活塞封闭着一定质量的理想气体。活塞横截面积为S,汽缸底部有一电热丝,其阻值为R,一轻绳左端连接活塞,丝另一端跨过定滑轮后与质量为m的空小桶相连。开始时小桶静止,外界大气压强为p0,活塞距离气缸底部的距离为L0,不计一切摩擦阻力,重力加速度大小为g。(i)若将电热丝通以大小为I的恒定电流缓慢加热气体,经时间t后,活塞缓慢向右移动的距离为L1,求该过程气体内能的增量;(ii)若将小桶内缓慢加入细沙,同时控制电热丝的加热功率,保持气缸内气体温度不变,当加入质量为m的细沙时,求该过程活塞向右缓慢移动的距离L2。(2024 南关区校级模拟)一定质量的理想气体压强p与热力学温度T的关系图象如图所示,气体从状态C变化到状态B,再变化到状态A,CB线段与T轴平行,BA的延长线过原点,已知该气体在状态C时的体积为30m3。(1)求该气体在状态B时的体积;(2)根据上述气体变化过程,画出对应的p﹣V图像(标清各点坐标);(3)该气体从状态C到状态A的过程中,气体是吸热还是放热,气体与外界交换的热量Q为多少?(2024 乐清市校级三模)学习了热学部分知识后,小智同学受到启发,设计了一个利用气体来测量液体温度的装置。该装置由导热性能良好、厚度不计的圆柱形细管、圆柱形金属块、四个挡条组成。圆柱形金属块质量为20g、厚度为2cm与管壁紧密接触(不漏气),管内用金属块封闭有一定量的理想气体,管内挡条限制金属块只能在管内一定范围内上下移动,以金属块下端位置为基准在上下挡条之间刻上刻度。上、下挡条间距离为40cm,上端挡条距管下端距离为100cm,管的横截面积为5mm2,测温时把温度计竖直插入待测液体中。不考虑固体的热胀冷缩,不计一切摩擦阻力。外界大气压强恒为,当管内气体的温度为27℃时金属块恰好对下方挡条无压力。(1)测量温度时,管内气体和待测液体达到 (选填“平衡态”或者“热平衡”),该温度计的刻度 (选填“均匀”或“不均匀”);(2)该温度计的测温范围;(3)某次测温时示数由57℃上升到157℃,如果该过程气体内能改变量为0.4J,求管内气体吸收的热量。 展开更多...... 收起↑ 资源列表 专题33 热力学定律与能量守恒(原卷版)——【夺分宝典】高考物理一轮精讲精练学案.docx 专题33 热力学定律与能量守恒(解析版)——【夺分宝典】高考物理一轮精讲精练学案.docx