【物理】2019届一轮复习人教版热力学第一定律能量守恒定律学案

【物理】2019届一轮复习人教版热力学第一定律能量守恒定律学案

第51讲　热力学第一定律　能量守恒定律 考情剖析 考查内容 考纲要求 考查年份 考查详情 能力要求 热力学第一定律、能源与可持续发展 Ⅰ ‎14年 T12A(2)—填空，考查了热力学第一定律公式ΔU＝Q＋W的应用 理解 ‎15年 T12A(2)—填空，考查了热力学第一定律和内能 理解 ‎16年 T12A(3)—计算，考查气体实验定律 分析综合 ‎17年 T12A(1)—选择，考查了热力学第一定律和气体状态变化图 理解 弱项清单,等温过程认为是热传递为零的过程，热力学第一定律中各量的意义及正负号的规定混乱，表达式出现不规范表述，对PV的含义不理解，对理想气体内能的概念不理解．将循环过程割裂为若干个小过程增加错误．‎ 知识整合 ‎1．改变物体内能的方式：________和________．从效果上看，两种方式是等效的．但是有本质的区别：________是其他形式的能向内能转化，________是内能在不同物体(或物体的不同部分)间内能的转移．‎ ‎　　　　　　　　　　　　　　　　　　　‎ ‎2．热力学第一定律 ‎(1)内容：一个热力学系统的内能增量等于外界向它 ‎________和外界对它________的和．‎ ‎(2)表达式：__________________．其中ΔU是________，Q是________________，W是________________．‎ ‎3．能量守恒定律 ‎(1)内容：能量既不会________，也不会________，它只能从一种形式____________为其他形式，或者从一个物体____________另一个物体，在____________的过程中其总量不变．‎ ‎(2)对能量守恒定律的理解及应用 ‎①自然界中能量的存在形式：物体运动具有动能、分子运动具有分子动能、电荷运动具有电能、原子核内部的运动具有原子能等，可见，在自然界中不同的能量形式与不同的运动形式相对应．‎ ‎②不同形式的能量之间可以相互转化，且这一转化过程是通过做功来完成的．‎ ‎③某种形式的能减少，一定有其他形式的能增加，且减少量和增加量一定相等．‎ ‎④某个物体的能量减少，一定存在其他物体的能量增加，且减少量和增加量一定相等．‎ ‎⑤在利用能量守恒定律解题时，要注意先搞清楚过程中有几种形式的能在转化或转移，分析初、末状态，确定ΔE增、ΔE减各为多少，再由ΔE增＝ΔE减列式计算．‎ ‎⑥第一类永动机不可能制成，因为第一类永动机的思想违背了____________定律．‎ ‎4．能源和可持续发展 ‎(1)能源：能源就是向自然界提供能量转化的物质(矿物质能源、核物理能源、大气环流能源、地理性能源)．能源是人类活动的物质基础．从某种意义上讲，人类社会的发展离不开优质能源的出现和先进能源技术的使用．在当今世界，能源的发展、能源和环境，是全世界、全人类共同关心的问题，也是我国社会经济发展的重要问题．‎ ‎(2)煤、石油等能源在使用后，最终都转化为内能，流散在周围的环境中．分散在周围环境中的内能不管数量有多么巨大，却再也不能驱动机器做功了，这样转化的过程叫做____________．‎ ‎(3)能源是社会存在与发展永远不可或缺的必需品，要重视利用能源时对环境的影响，要重视开发新能源(如太阳能、生物质能、风能、水流能等)，减少不可再生能源的应用．‎ ‎(4)能量守恒，但我们仍要节能，从而减少能源的消耗，尤其是不可再生能源的消耗．‎ 方法技巧考点1　热力学第一定律 ‎1．内容：一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和．‎ ‎　　　　　　　　　　　　　　　　　　　‎ ‎2．表达式：ΔU＝W＋Q.‎ ‎3．W、Q、ΔU的“＋、－”号法则 物理量意义符号 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 ‎　　4.判定物体内能变化的方法 ‎(1)当做功和热传递两种过程同时发生时，内能的变化就要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．在等压变化时，气体对外做功或外界对气体做功均可以通过压强和体积变化的乘积来求解．‎ ‎(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．‎ ‎【典型例题1】　(17年常州一模)(1)如图所示，理想气体作图示的循环，其中2→3过程是绝热过程，3→1过程是等温过程，则2→3过程中气体内能________(选填“增加”、“减小”或“不变”)，3→1过程中气体________(选填“吸热”或“放热”)．‎ ‎(2)理想气体变化过程如图(1)问，若2→3过程中气体对外界做功150 J，3→1过程中外界对气体做功100 J，试问：‎ ‎①全过程气体对外做功为多少？‎ ‎②1→2过程中气体吸收的热量为多少？‎ ‎【学习建议】　理解等温过程绝热过程的区别，正确表达热力学第一定律公式及理解各量的意义，理想气体内能由什么决定．‎ ‎　1.(17年南京一模)如图所示，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图象如图所示，图中虚线为等温线．在B→C的过程中，气体吸收热量为12 J．则：‎ ‎(1)比较气体在A和B状态的内能UA、UB的大小；‎ ‎(2)气体从A→B过程中气体对外界做的功．‎ 考点2　气体状态变化与热力学第一定律 ‎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．若过程的始、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．‎ ‎4．若过程为等压变化 ‎(1)若气体的温度增加、体积增大(膨胀)，则内能增加ΔU>0，气体对外做功W<0，由ΔU＝W＋Q可判定出Q>0，并且Q>|W|.‎ ‎(2)若温度降低、体积缩小(压缩)．则ΔU<0，外界对气体做功W>0，由ΔU＝W＋Q可判定出Q<0，并且|Q|>W.‎ ‎【典型例题2】　(17年南通泰州一模)‎ 如图所示，在开口向上、竖直放置的薄壁圆柱形容器内用质量m＝2.0 kg的活塞密封一部分气体，活塞在容器内能自由滑动且保持水平，容器的底面积S＝100 cm2，开始时气体的温度T1＝280 K，活塞到容器底的距离h1＝20.0 cm.在气体从外界吸收Q＝40 J热量的过程中，活塞缓慢上升的距离Δh＝1.0 cm.已知大气压强p0＝1.0×105，重力加速度g＝10 m/s2.求：‎ ‎(1)活塞停止上升时容器内气体的温度T2；‎ ‎(2)密闭气体内能的增加量ΔU.‎ ‎【典型例题3】　(17年扬州期末)如图所示，一定质量的理想气体从状态A变化到状态B，再由状态B变化到状态C.已知状态A的温度为300 K.‎ ‎(1)求气体在状态B的温度；‎ ‎(2)由状态B变化到状态C的过程中，气体是吸热还是放热？简要说明理由．‎ ‎　2.(17年苏北六市联考)(多选)一定质量的理想气体经历了如图ABCDA的循环过程，其中A→B、C→D是两个等压过程，B→C、D→A是两个绝热过程．关于气体状态及其能量变化，下列说法中正确的有(　　)‎ ‎ A．A→B过程，气体对外做功，内能增大 ‎ B．B→C过程，气体分子平均动能增大 ‎ C．ABCDA循环过程中，气体吸热，对外做功 ‎ D．ABCDA循环过程中，A状态气体温度最低 ‎【学习建议】　一个循环过程中PV所围面积的物理意义是气体对外做功或外界对气体做功．‎ 当堂检测　　1.某驾驶员发现中午时车胎内的气压高于清晨时的，且车胎体积增大．若这段时间胎内气体质量不变且可视为理想气体，那么(　　)‎ ‎　　　　　　　　　　　　　　　　　　　‎ ‎ A．外界对胎内气体做功，气体内能减小 ‎ B．外界对胎内气体做功，气体内能增大 ‎ C．胎内气体对外界做功，内能减小 ‎ D．胎内气体对外界做功，内能增大 ‎2．(15年江苏高考)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”)．‎ ‎3．(14年江苏高考)一种海浪发电机的气室如图所示．工作时，活塞随海浪上升或下降，改变气室中空气的压强，从而驱动进气阀门和出气阀门打开或关闭．气室先后经历吸入、压缩和排出空气的过程，推动出气口处的装置发电．气室中的空气可视为理想气体．压缩过程中，两个阀门均关闭．若此过程中，气室中的气体与外界无热量交换，内能增加了3.4×104 J，则该气体的分子平均动能________(选填“增大”、“减小”或“不变”)，活塞对该气体所做的功________(选填“大于”、“小于”或“等于”)3.4×104 J.‎ 第3题图 ‎4．(16年江苏高考)(1)如图所示，在斯特林循环的p V图象中，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象如图2所示，则状态A对应的是________(选填“①”或“②”)．‎ ‎(2)如图所示，在A→B和D→A的过程中，气体放出的热量分别为4 J和20 J．在B→C和C→D的过程中，气体吸收的热量分别为20 J和12 J．求气体完成一次循环对外界所做的功．‎ ‎　　 图1　　　　　　　　　　　　图2‎ 第4题图 ‎5．(16年南京模拟)如图所示，在导热性能良好、开口向上的气缸内，用活塞封闭一定质量的理想气体，气体的体积V1＝8.0×10－3 m3.现使外界环境温度缓慢降低，此过程中气体放出热量700 J，内能减少了500 J．不计活塞的质量及活塞与气缸间的摩擦，外界大气压强p0＝1.0×105 Pa.求：‎ ‎(1)外界对气体所做的功W；‎ ‎(2)末状态气体的体积V2.‎ 第5题图 第51讲　热力学第一定律 能量守恒定律知识整合 基础自测 ‎1．做功　热传递　做功　热传递 ‎2．(1)传递的热量　所做的功　(2)ΔU＝W＋Q　外界向系统传递的热量　外界对系统做的功 ‎3．(1)凭空产生　凭空消失　转化　转移到　转化或转移　(2)⑥能量守恒 ‎4．(2)能量的耗散 方法技巧 ‎·典型例题1·减小　放热　(2)①50 J ‎②150 J　【解析】　(1) 2→3过程是绝热过程， 体积增大，气体对外界做功，内能减小；3→1过程是等温过程，内能不变，体积减小，外界对气体做功，气体向外放热．(2)①1到2过程是等容过程，气体不对外界做功，外界也不对气体做功；全过程只有2到3过程和3到1过程做功， W＝W1＋W2＝－150＋100＝－50 J．②2→3过程是绝热过程， 气体对外界做功150 J，内能减小150 J；3→1过程是等温过程，内能不变，外界对气体做功100 J，气体向外放热100 J；1→2过程，内能要恢复原来的内能，需要吸收的热量150 J.‎ ‎·变式训练1·(1)UA>UB　(2)12 J　【解析】　气体在A和B状态的内能UA、UB的大小为UA>UB；气体从A→B过程中气体对外界做的功为12 J.‎ ‎·典型例题2·294 K　29.8 J　【解析】　(1)活塞上升过程中，由盖·吕萨克定律有：＝；则有T2＝T1＝T1＝×280＝294 K；(2)活塞上升的过程，外界对系统做的功为： W＝－(mg＋p0S)Δh由热力学第一定律有： ΔU＝W＋Q计算得出： ΔU＝29.8 J.‎ ‎·典型例题3·1200 K　 气体要放热 ‎【解析】　(1)由理想气体的状态方程 ＝；得气体在状态B的温度TB＝TA＝1200 K．(2)由状态B到状态C气体做等容变化，由查理定律可知＝，则TC＝TB＝600 K，气体由状态B到状态C为等容变化，不做功，但温度降低，内能减小，根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，ΔU<0，W＝0，故Q＜0，可知气体要放热．‎ ‎·变式训练2·AC　【解析】　A→B过程，等压变化，体积增大，气体对外界做功，根据等压变化规律可知体积增大，温度升高，内能增大，A正确； B→C是绝热过程，体积增大，气体对外界做功，W<0，绝热Q＝0，根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，可知内能减小，温度降低，气体分子的平均动能减小， B错； ABCDA循环过程中，从A→B→C气体对外做功，C→D→A外界对气体做功，气体对外做功大于外界对气体做功，所以一个循环中表现为气体对外做功，W<0；经过一个循环，气体回到初状态A，内能不变ΔU＝0，根据热力学第一定律知Q>0，气体吸热，C是正确的； ABCDA循环过程中，从D→A，体积减小，外界对气体做功W>0，绝热过程Q＝0，根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q知ΔU>0，内能增加，温度升高，D状态温度比A状态温度低，即A状态温度不是最低，D错； ‎ 当堂检测 ‎1．D　【解析】　对车胎内的理想气体分析知，体积增大为气体对外做功，内能只有分子动能，而分子动能的标志为温度，故中午温度升高，内能增大，故选D.‎ ‎2．增大　不变　【解析】　因为测试时，对包装缓慢的施加压力，气体的温度不变，理想气体的内能不变，所以外界对气体所做的功等于气体对外放出的热量．玻意耳定律可知：气体体积变小，所以压强变大，压强变化是由于单位体积内的分子数增大，气体分子对器壁的更频繁碰撞产生的，所以袋内壁单位面积上所受气体分子撞击的作用力增大．‎ ‎3．增大　等于　【解析】　由题意内能增加，理想气体的内能只与温度有关，故温度升高，则气体的分子平均动能增大；根据热力学第一定律：ΔU＝Q＋W，3.4×104 J＝0＋W，即3.4×104 J.‎ ‎4．(1)不变　①　(2)8 J　【解析】　(1)由题图知B →C的过程中气体的体积不变，所以密度不变，即单位体积中的气体分子数目不变；因当温度升高，分子热运动加剧，速率较大的分子所占百分比增高，分布曲线的峰值向速率大的方向移动，即向高速区扩展，峰值变低，曲线变宽，变平坦，由题中图知状态A的温度低，所以对应的是①；(2)完成一次循环气体内能不变，ΔU＝0，吸收的热量Q＝(－4＋20＋12－20)＝8 J，由热力学第一定律ΔU＝Q＋W，得W＝－8 J，所以外界对气体做功8 J，即气体对外做功为－8 J.‎ ‎5．(1)200 J　(2)6×10－3 m3　【解析】　(1)由热力学第一定律得ΔU＝Q＋W，代入数据解得外界对气体所做的功W＝200 J．(2)由于活塞的质量不计，则气缸内封闭气体的压强等于外界大气压．外界对气体所做的功为W＝p0(V1－V2)，代入数据解得V2＝6×10－3 m3.‎