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选修3－3热学第3讲热力学定律与能量守恒定律考点1对热力学第一定律理解及应用1．热力学第一定律的理解(1)内能的变化由做功和热传递两个因素决定，用热力学第一定律进行综合分析．(2)做功情况看气体的体积：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．(3)与外界绝热，则不发生热传递，此时Q＝0.(4)如果研究对象是理想气体，则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．2．三种特殊情况(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；(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；(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．(多选)如图所示，绝热容器被绝热隔板K1、卡销锁住的绝热光滑活塞K2隔成a，b，c三部分，a部分为真空，b部分为一定质量的稀薄气体，且压强pbp0，c与大气连通，则下列说法中正确的是()A．只打开隔板K1，b中气体对外做功，内能减少B．只打开隔板K1，b中气体不做功，内能不变C．只打开隔板K1，b中气体压强减小，温度不变D．只打开卡销K2，b中气体对外做功，内能减小E．只打开卡销K2，外界对b中气体做功，b中气体内能增加BCE[审题指导]解答本题应注意以下两点：(1)气体向真空中扩散过程中，气体不做功．(2)由于pbp0，当打开卡销K2后，活塞将向左移动，b中气体体积减小．【解析】只打开隔板K1，b中气体向a中真空扩散，气体不做功，W＝0，绝热容器导致Q＝0，由热力学第一定律知ΔU＝W＋Q＝0，内能不变，A错误，B正确；只打开隔板K1时，b中气体内能不变，温度不变，由玻意耳定律pV＝C知b中气体体积增大，压强减小，C正确；只打开卡销K2时，由于pbp0，活塞将向左移动，b中气体体积减小，外界对b中气体做功，W′0，但Q′＝0，则ΔU′＝W′＋Q′0，内能增加，E正确，D错误．1．(多选)如图所示，将一空的铝制易拉罐开口向下压入恒温游泳池的水中，则金属罐在水中缓慢下降的过程中，罐内空气(可视为理想气体)()A．内能增大B．分子间的平均距离减小C．向外界放热D．外界对气体做正功E．既不吸热，也不放热BCD解析：由于温度不变，故气体内能不变(理想气体内能取决于温度)，A错误；取金属罐中封闭的理想气体为研究对象，金属罐向下压入恒温游泳池中的过程，可视为等温过程，由题意知压强变大，根据玻意耳定律p1V1＝p2V2，可知体积变小，故分子平均间距变小，B正确；恒温内能不变，ΔU＝0，体积变小，W0，根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，可知Q0，即向外放热，故C、D正确，E错误．2．(2019·山东济南一模)如图所示，绝热汽缸倒扣放置，质量为M的绝热活塞在汽缸内封闭一定质量的理想气体，活塞与汽缸间摩擦可忽略不计，活塞下部空间与外界连通，汽缸底部连接一U形细管(管内气体的体积忽略不计)．初始时，封闭气体温度为T，活塞距离汽缸底部为h0，细管内两侧水银柱存在高度差．已知水银密度为ρ，大气压强为p0，汽缸横截面积为S，重力加速度为g.求：(1)U形细管内两侧水银柱的高度差；(2)通过加热装置缓慢提升气体温度使活塞下降Δh0，求此时的温度；此加热过程中，若气体吸收的热量为Q，求气体内能的变化．解析：(1)设封闭气体的压强为p，对活塞分析：p0S＝pS＋Mg用水银柱表达气体的压强p＝p0－ρgΔh解得Δh＝MSρ；(2)加热过程中气体变化是等压变化h0ST0＝h0＋Δh0ST，T＝h0＋Δh0h0T0气体对外做功为W＝pSΔh0＝(p0S－Mg)Δh0根据热力学第一定律：ΔU＝Q＋W可得ΔU＝Q－(p0S－Mg)Δh0.答案：(1)MSρ(2)ΔU＝Q－(p0S－Mg)Δh0与气体相关的热力学问题的分析方法对一定量理想气体的内能变化，吸热还是放热及外界对气体如何做功等问题，可按下面方法判定：(1)做功情况看体积体积V减小→外界对气体做功→W0；体积V增大→气体对外界做功→W0；自由膨胀→W＝0.(2)内能变化看温度(气体的势能可以忽略)温度T升高→内能增加→ΔU0；温度T降低→内能减少→ΔU0.(3)吸热还是放热，一般题目中会告知，或由热力学第一定律ΔU＝Q＋W，知道W和ΔU后确定Q.考点2热力学第一定律和气体图象的综合应用等温变化等容变化等压变化气体图象考向1对pV图象的考查(2018·全国卷Ⅲ)如图，一定量的理想气体从状态a变化到状态b，其过程如pV图中从a到b的直线所示．在此过程中________．A．气体温度一直降低B．气体内能一直增加C．气体一直对外做功D．气体一直从外界吸热E．气体吸收的热量一直全部用于对外做功BCD[审题指导]热力学常见用语的含义(1)理想气体温度升高：内能增大．(2)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)绝热：没有热交换．(4)导热性能良好：表示与外界温度相同．【解析】本题考查热力学第一定律、理想气体状态方程．对于一定量的理想气体有pVT＝恒量．从a到b，p逐渐增大，V逐渐增大，所以p与V的乘积pV增大，可知T增大，则气体的内能一直增加，故A错误、B正确．由于V逐渐增大，可知气体一直对外做功，故C正确．由热力学第一定律ΔU＝Q＋W，因ΔU0，W0，可知Q0，即气体一直从外界吸热，且吸收的热量大于对外做的功，故D正确、E错误．考向2对pT图象的考查(多选)一定量的理想气体从状态a开始，经历等温或等压过程ab、bc、cd、da回到原状态，其pT图象如图所示，其中对角线ac的延长线过原点O.下列判断正确的是()A．气体在a、c两状态的体积相等B．气体在状态a时的内能大于它在状态c时的内能C．在过程cd中气体向外界放出的热量大于外界对气体做的功D．在过程da中气体从外界吸收的热量小于气体对外界做的功E．在过程bc中外界对气体做的功等于在过程da中气体对外界做的功ABE【解析】由理想气体状态方程pVT＝C得，p＝CVT，由题图可知，Va＝Vc，选项A正确；理想气体的内能只由温度决定，而TaTc，故气体在状态a时的内能大于在状态c时的内能，选项B正确；由热力学第一定律ΔU＝Q＋W知，cd过程温度不变，内能不变，则Q＝－W，选项C错误；da过程温度升高，即内能增大，则吸收的热量大于对外界做的功，选项D错误；由理想气体状态方程知：paVaTa＝pbVbTb＝pcVcTc＝pdVdTd＝C，即paVa＝CTa，pbVb＝CTb，pcVc＝CTc，pdVd＝CTd.设过程bc中压强为p0＝pb＝pc，过程da中压强为p0′＝pd＝pa.由外界对气体做功W＝p·ΔV知，过程bc中外界对气体做的功Wbc＝p0(Vb－Vc)＝C(Tb－Tc)，过程da中气体对外界做的功Wda＝p0′(va－vd)＝c(Ta－Td)，因为ΔT＝Tb－Tc＝Ta－Td，所以|Wbc|＝|Wda|，故E正确．考向3对VT图象的考查(2018·全国卷Ⅰ)(多选)如图，一定质量的理想气体从状态a开始，经历过程①、②、③、④到达状态e.对此气体，下列说法正确的是()A．过程①中气体的压强逐渐减小B．过程②中气体对外界做正功C．过程④中气体从外界吸收了热量D．状态c、d的内能相等E．状态d的压强比状态b的压强小BDE[审题指导]清晰理解①②③④过程的规律，明确a、b、c、d、e各状态下气体状态参量关系．物体的内能与物体的质量、物态、温度及体积有关，而一定质量的理想气体的内能只与T有关．【解析】本题考查气体实验定律、理想气体状态方程．过程①是等容升温过程，由paTa＝pbTb，可知压强逐渐增大，A项错误．过程②中气体膨胀，故气体对外界做正功，B项正确．过程④为等容降温过程，气体向外放出热量，C项错误．一定质量的理想气体的内能只与温度有关，而Tc＝Td，所以状态c、d的内能相等，D项正确．由理想气体状态方程pVT＝C得p＝CTV，由题图可知TbVbTdVd，则pbpd，E项正确．1在等温变化中，内能不变，若体积增加，则吸热；反之放热.2在等容变化中，体积不变.没有做功过程，若温度升高，则内能增加，吸收的热量全部增加气体内能.3在等压变化过程中，气体做功可用公式W＝p·ΔV计算.考点3对热力学第二定律的理解1．对热力学第二定律关键词的理解在热力学第二定律的表述中，“自发地”和“不产生其他影响”的含义如下：(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”的含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自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性．如：(1)高温物体热量Q能自发传给热量Q不能自发传给低温物体(2)功能自发地完全转化为不能自发地且不能完全转化为热(3)气体体积V1能自发膨胀到不能自发收缩到气体体积V2(V2V1)(4)不同气体A和B能自发混合成不能自发分离成混合气体AB3．两类永动机的比较分类第一类永动机第二类永动机设计要求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不可能制成的原因违背能量守恒不违背能量守恒，但违背热力学第二定律1．关于两类永动机和热力学的两个定律，下列说法正确的是()A．第二类永动机不可能制成是因为违反了热力学第一定律B．第一类永动机不可能制成是因为违反了热力学第二定律C．由热力学第一定律可知做功不一定改变内能，热传递也不一定改变内能，但同时做功和热传递一定会改变内能D．由热力学第二定律可知热量从低温物体传向高温物体是可能的，从单一热源吸收热量，完全变成功也是可能的D解析：第一类永动机违反能量守恒定律，第二类永动机违反热力学第二定律，A、B错；由热力学第一定律可知W≠0，Q≠0，但ΔU＝W＋Q可以等于0，C错；由热力学第二定律可知D中现象是可能的，但会引起其他变化，D对．2．(多选)下列关于热力学第二定律的说法中正确的是()A．所有符合能量守恒定律的宏观过程都能真的发生B．一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的C．机械能可以全部转化为内能，但内能无法全部转化成机械能而不产生其他影响D．气体向真空的自由膨胀是可逆的E．热运动的宏观过程有一定的方向性BCE解析：符合能量守恒定律，但违背热力学第二定律的宏观过程不能发生，选项A错误；一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的，选项B正确；机械能可以全部转化为内能，但内能无法全部转化成机械能而不产生其他影响，选项C正确；气体向真空的自由膨胀是不可逆的，选项D错误；热运动的宏观过程有一定的方向性，选项E正确．3．(2019·四川凉山二诊)(多选)我国航天员漫步太空已变成现实，已知飞船在航天员出舱前先要“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”．其原理图如图所示，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．若将此气体近似看成为理想气体，则下列说法正确的是()ACEA．气体并没有对外做功，气体内能不变B．B中气体可自发地全部退回到A中C．气体温度不变，体积增大，压强减小D．气体体积膨胀，对外做功，内能减小E．气体体积变大，气体分子单位时间对舱壁单位面积碰撞的次数将变少解析：气体自由扩散，没有对外做功，又因为整个系统与外界没有热交换，根据ΔU＝W＋Q可知内能不变，故A正确，D错误；根据熵增加原理可知一切宏观热现象均具有方向性，故B中气体不可能自发地全部退回到A中，故B错误；因为内能不变，故温度不变，因为气闸舱B内为真空，故扩散后气体体积V增大，根据玻意耳定律得pV＝定值，可知p减小，故C正确；根据气体压强的微观意义可知气体分子单位时间对舱壁单位面积碰