最新高考物理一轮复习第2课时热力学定律气体导学案

第二课时热力定律气体
第一关：基础关展望高考
基础知识
一、热力第一定律
知识讲解
(1)内容一个热力系统的内能增量等于外界对它传递的热量与外界对它所做的功的和
(2)公式ΔU=Q+W
说明①热力第一定律的表达式也适用于物体对外做功\,向外界散热和内能减少的情况[]
②对公式ΔU=Q+W符号的规定
外界对系统做功,W>0,即W为正值;
系统对外界做功,也就是外界对系统做负功,W<0,即W为负值;
外界对系统传递热量,也就是系统从外界吸收热量,Q>0,即Q为正值;
外界对系统吸收热量,也就是系统向外界放出热量,Q<0,即为负值;
系统内能增加,ΔU>0,即ΔU为正值;
系统内能减少,ΔU<0,即ΔU为负值
活活用
1下列叙述正确的是()
①想气体膨胀对外做功，物体的内能一定减小
②物体吸收热量，同时对外做功，物体的内能可能不变
③物体放出热量，同时对外做功，物体的内能可能不变
④热量总从内能大的物体传递到内能较小的物体
⑤热量自发地从分子平均动能大的物体传递给分子平均动能小的物体
A②③④B②⑤
②④⑤D①②③
答案B
2如图所示，直立容器内部有被隔板隔开的A、B两部分气体，
A的密度小，B的密度大，抽去隔板加热气体，使两部分气体均匀
混合，设在此过程中，气体吸收的热量为Q，气体内能增加量为Δ
E，则( )
AΔE=Q
BΔE<Q
ΔE>Q
D无法判定
解析开始时A、B气体的合重心在中心线以下，混合均匀后，重心在中心线上，所以系统的重力势能增加，由能量守恒知，气体吸收的一部分热量转为气体的重力势能
答案B
二、热力第二定律
知识讲解
热力第二定律
一种表述是：不可能使热量由低温物体传递到高温物体，而不引起其他变另一种表述是：不可能从单一热吸收热量并把它全部用做功，而不引起其他
变或：第二类永动机是不可能制成的，即热力过程具有方向性
热力过程方向性（过程不可逆性）实例：
①高温物体Q Q −−−−−−→←−−−−−−热量能自发传给
热量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V 1−−−−−→←−−−−−能自由膨胀到不能自发收缩到气体体积V 2（较大） 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AB 活活用
3下列说法中正确的是()
A 通过摩擦，功转变为热是不可逆过程
B 热机的效率最多可以达到100%
在火力发电中燃气的内能不可能全转为电能
D 自然界中涉及的热现象都是不可逆
答案AD 三、能量的转和守恒定律
知识讲解
(1)定律能量既不能凭空产生,也不能凭空消失,它只能从一种形式转为另一种形式,或者从一个物体转移到另一个物体这就是能量的转和守恒定律
(2)解
能量守恒定律是自然界中的最基本规律,任何自然现象必须遵守能量转与守恒定律是没有条件的
在具体物问题中,对某一种形式的能量或某一系统的能量守恒是有条件的
一个物过程,实现了能量的转或能量的转移,与物过程有关的物体或系统的某种形式的能量必定发生变根据能量变的原因可以列出与物过程相关的能量的转与守恒表达式,研究有关物问题
活活用
4行驶中的汽车制动后滑行一段距离，最后停下；流星在夜空中坠落并发出明亮的火焰；降落伞在空中匀速下降；条形磁铁在下落过程中穿过闭合线圈，线圈中产生电流上述不同现象中所包含的相同的物过程是()
A物体克服阻力做功
B物体的动能转为其他形式的能量
物体的势能转为其他形式的能量
D物体的机械能转为其他形式的能量
解析这四个现象中物体运动过程都受到阻力作用，汽车主要是制动阻力，流星、降落伞是空气阻力，条形磁铁下落受磁场阻力因而物体都克服阻力做功，A 项对四个物体运动过程中，汽车是动能转成了其他形式的能，流星、降落伞、条形磁铁是重力势能转成其他形式的能，总之是机械能转成了其他形式的能，D项对[]
答案AD
四、描述气体的状态参量
知识讲解
1温度
①两种意义：宏观上表示物体的冷热程度；微观上标志着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
摄氏温标单位℃在1个标准大气压下，水的冰点是0℃，沸点是100℃
热力温标T：单位把-273℃作为0绝对零度（0）是低温的极限，只能接近不能达到
两种温标的关系：就每1度表示的冷热差别说，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=+273(),ΔT=Δ
2体积
气体分子所占据的空间，也就是气体所充满的容器的容积分子间相互作用力很弱，气体很容易被压缩单位：
1 3=103 L(或d3)=106 L(或c3)
3压强
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：一定质量气体的压强大小，微观上决定于分子的平均动能和分子密度；宏观上决定于气体的温度T、体积V
③单位换算：1 =760 Hg=1013×105 P
4气体的状态及变
（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，至少有两个或三个同时改变
第二关：技法关解读高考
解题技法
一、应用热力第一定律时,必须掌握它的符号法则
技法讲解
应用热力第一定律时，必须掌握它的符号法则
（1）ΔU为内能变量，ΔU=U
末-U
初
，ΔU>0，内能增加；ΔU<0，内能减小
（2）外界对物体做正功W为正值，物体对外界做功W为负值
（3）物体吸收热量Q为正值，物体放出热量Q为负值
（4）做功和热传递在改变物体的内能上是等效的热力第一定律解题的关键是ΔU、Q与W的符号法则
典例剖析
例1一定质量的气体从外界吸收了42×105 J的热量，同时气体对外做了6×105 J功问：
（1）物体的内能增加还是减少？变量是多少？
（2）分子势能是增加还是减少？
（3）气体的温度是升高还是降低？
解析：（1）气体从外界吸热，Q=42×105 J气体对外做功，W=-6×105 J 由热力第一定律得：ΔU=W+Q=（-6×105）+（42×105） J=-18×105 J
ΔU为负，说明气体的内能减少了，减少18×105 J
（2）因为气体对外做功，所以气体的体积膨胀，分子间的距离增大了，考虑此时分子
间相互作用为引力，分子力做负功，气体分子势能增加了
（3）因为气体内能减少，同时气体分子势能增加，说明气体分子的平均动能一定减少了所以气体温度降低
二、关于热力第二定律的方向性
技法讲解
热力第二定律的方向性
（1）热传导的方向性：要热量从低温物体传给高温物体，必须有外界的帮助，即外界对其做功
(2)机械能转为内能过程的方向性：第二类永动机不可能实现[]
典例剖析
例2下列说法正确的是（）
A热量不能由低温物体传递到高温物体
B外界对物体做功，物体的内能必定增加
第二类永动机不可能制成，是因为违反了能量守恒定律
D不可能从单一热吸收热量并把它全部用做功，而不引起其他变
解析：考查对热力第一定律和热力第二定律的解
根据热力第二定律，热量不能自发地由低温物体传递到高温物体，但在一定条件下热量可以由低温物体传向高温物体，例如电冰箱工作过程故选项A错根据热力第一定律，物体内能的变取决于吸收或放出的热量和做功的正负两个因素，所以选项B错第二类永动机不违反能量守恒定律，而违反了热力第二定律，选项不正确选项D是热力第二定律的表述形式之一，是正确的
答案：D
三、关于气体的状态参量
技法讲解[]
关于气体的状态参量
有关气体的问题一般有以下两种题型：
（1）对一定质量的气体，只涉及压强和体积或压强和温度的关系，解决问题的关键是：对气体压强的微观解释的解；
（2）如果问题涉及压强、温度和体积三者的关系，则必须结合热力第一定
律ΔU=W+Q 才能作出正确判别
典例剖析
例3将H 2、N 2、O 2三种气体分别放入不同的容器中，使它们的温度、密度相
同，则其压强（p ）大小的关系，符合（原子质量H1、N14、O16）（）
Ap(H 2)＞p(O 2)＞p(N 2)
Bp(O 2)＞p(N 2)＞p(H 2)
p(H 2)＞p(N 2)＞p(O 2)
Dp(N 2)＞p(O 2)＞p(H 2)
解析：考查气体压强的微观意义
气体压强是气体分子对器壁频繁碰撞产生的，从微观角度考虑，气体压强的大小由两个因素决定：一是气体分子的平均动能，二是分子的密集程度（即单位体积内分子的个）
将H 2、O 2、N 2三种气体分别放入不同的容器中，由于它们的温度相同，所以
它们分子热运动的平均动能相同，那么它们压强大小是由分子的密集程度决定的，分子越密集，气体的压强越大，它们的密度相同，即单位体积内气体的质量相同，由于不同气体的摩尔质量M r 不同，所以单位体积内气体的摩尔也就不相
同由=r
m M 可知，由于M r (O 2)＞M r (N 2)＞M r (H 2),所以有：(O 2)＜(N 2)＜(H 2),故p(O 2)＜p(N 2)＜p(H 2)选项正确
答案：
第三关：训练关笑对高考[**]
随 堂 训 练
1有甲\,乙两种气体,如果甲气体内分子的平均速率大于乙气体内分子的平均速率,则（ ）
A甲的温度一定高于乙的温度
B甲的温度一定低于乙的温度
甲的温度一定等于乙的温度
D甲的温度可能低于乙的温度
解析：温度是分子平均动能的标志,对气体说,温度相同,气体分子的平均动能相同因为分子的平均动能不仅与平均速率有关,而且还与分子质量有关，所以无法判定甲、乙两种气体的温度关系
答案：D
2在失重情况下，关于气体对器壁的压强，下列说法正确的是( )
A完全失重时，气体对器壁没有压强
B不完全失重时，气体对器壁的压强减小
不管怎么失重，气体对器壁的压强都不变
D完全失重时，气体对器壁的压强增大
解析：气体对器壁的压强是由于气体分子的无规则运动产生的，与物体所处的运动状态无关，对
答案：
3在一定温度下，气体分子运动的速率分布应该是()
A每个分子的速率都相等
B每个分子的速率不同，速率很大和速率很小的分子目都很少
每个分子的速率都不等，但在不同速率范围内，分子的分布是均匀的
D每个分子的速率都不等，速率很大和速率很小的分子目很多
解析：在一定温度下，气体分子运动速率的分布遵循统计规律，即速率很大和很小的分子目都很少，中等速率的分子目最多，且分子分布也不一定均匀，显
然本题的正确选项应为B
答案：B
41986年8月在东京举行的国际物教研究会（IPE）上一位代表对“微观过程可逆而宏观过程不可逆”的现象作了一个比喻，一条黑狗生满了跳蚤另一条黄狗是干净的，两条狗站在一起，跳蚤可以从黑狗身上跳到黄狗身上，也可以再从黄狗身上跳回黑狗身上，跳蚤跳跳去相当于微观过程是可逆的；但最后无论黄狗还是黑狗都不可能是干净的，即从宏观上看，跳蚤从黄狗身上完全跳回黑狗身上使黄狗重新干净这一宏观的逆过程是不可能发生的通过上述比喻可知下列选项正确的是( )
A这一比喻形象生动地说明了热力第二定律的方向性
B热量可以从高温物体传到低温物体，也可以从低温物体传到高温物体
功能自发地完全转为热，热也能自发地完全转为功
D不同气体A和B能自发混合成混合气体AB，但不能自发地分离成不同气体A和B
解析：热力第二定律指出了一切变过程的自然发展是不可逆的，除非靠外界影响，即变过程的方向性，A正确热量可以从低温物体传到高温物体，要在有外界影响的条件下，如电冰箱在引起其他变的条件下热量可以从低温物体传到高温物体，B正确热不能自发地完全转为功，错，D正确
答案：ABD
5对于一定质量的气体，下列说法中正确的是（）
A温度升高，压强一定增大[]
B温度升高，分子热运动的平均动能一定增大
压强增大，体积一定减小
D吸收热量，可能使分子热运动加剧、气体体积增大
解析：对气体部分知识点的考查多以选择题形式出现，本题是热部分的常规考题，主要考查了气体的内能、热力第一定律和气态方程温度是气体分子热运动平均动能变的标志，故B对；由想气体状态方程PV=RT可确定描述气体状态的三个参量之间的关系，选项A错再由热力第一定律可知，D对
答案：BD
课时作业三十热力定律气体
1对一定量的气体，下列说法正确的是()
A气体的体积是所有气体分子的体积之和
B气体分子的热运动越剧烈，气体温度就越高
气体对器壁的压强是由大量气体分子对器壁不断碰撞而产生的
D当气体膨胀时，气体分子之间的势能减小，因而气体的内能减少
解析气体的体积指气体分子能到达的空间，气体的体积远大于气体分子的体积之和，故A错；温度是分子平均动能的标志，温度越高，分子运动越剧烈，分子的无规则运动又叫热运动，故B正确；大量分子对器壁的碰撞是形成气体压强的原因，故正确；气体膨胀时，考虑分子间的作用力是引力且减小，所以分子势能是增大的，而且内能的变还与温度有关，故D错
答案B
2地面附近有一正在上升的空气团，它与外界的热交换忽略不计已知大气压强随高度增加而降低，则该气团在此上升过程中（不计气团内分子间的势能）() A体积减小，温度降低
B体积减小，温度不变
体积增大，温度降低
D体积增大，温度不变
解析由于大气压强随高度增加而降低，则该气团上升过程中气体要膨胀对外
做功；又因气团与外界没有热交换（属绝热膨胀），所以气团的体积增大，内能减小（不计分子势能）温度降低故正确，A、B、D错误
答案
3下列说法正确的()
A物体吸收热量，其温度一定升高
B热量只能从高温物体向低温物体传递
遵守热力第一定律的过程一定能实现
D做功和热传递是改变物体内能的两种方式
解析物体吸收热量，如果对外做功，温度可能降低，故A错；热量可以从低温物体向高温物体传递，但要引起其他变，故B错；根据热力第二定律，凡是与热现象有关的宏观过程都具有方向性，故错；改变内能的方式有做功与热传递，两者效果相同，但本质不同，故D正确
答案D
4如图所示，一绝热的内壁光滑的厚壁容器内装
有一个大气压的空气，它的一端通过胶塞插进一支灵
敏温度计和一根打气针；另一端有一可移动的胶塞（用
卡子卡住）用打气筒慢慢向容器内打气，当容器内空
气的压强增大到一定程度时停止打气，读出灵敏温度计的示，则下列说法中可能正确的是()
A打开卡子，胶塞向右移动，气体压强减小，温度计示不变
B打开卡子，胶塞向右移动，气体压强不变，温度计示减小
打开卡子，胶塞向右移动，气体压强减小，温度计示减小[++]
D打开卡子，胶塞向右移动，气体压强不变，温度计示增大
解析打气后，容器内气体压强大于外界大气压强，打开卡子后，胶塞向右移动，移动过程容器内压强减小，直到与外界大气压强相等为止，因为绝热，没有热传递气体对外做功，内能减少，因此温度下降
答案
5如图所示，一带活塞的汽缸内盛有气体，缸外
为恒温环境，汽缸是导热的现将活塞向外移动一段
距离，在此过程中气体吸热，对外做功，此功用W
1
表示然后设法将汽缸及活塞绝热，推动活塞压缩气
体，此过程中外界对气体做功用W
2
表示，则（）
A有可能使气体回到原状态，且W
1＜W
2
B有可能使气体回到原状态，且W
1=W
2[。

]
有可能使气体回到原状态，且W
1＞W
2
D上面A、B、三种说法都不可能实现
解析：由于汽缸及活塞绝热，所以外界对于气体做功，气体内能必然增大，温度升高，即不可能回到原状态D正确
答案：D
6如图所示，质量不计的活塞把一定质量的想气体封闭在上
端开口的直立圆筒形气缸中，活塞上堆放细砂，活塞处于静止状
态现在对气体缓慢加热，同时不断取走细砂，使活塞缓慢上升，
直到细砂全部取走，则在此过程中()
A气体压强增大，内能可能不变
B气体温度可能不变，气体对外做功[]
气体的体积增大，压强减小，对外不做功
D气体对外做功，内能一定增加
解析对气体缓慢加热，使活塞缓慢上升过程中，由于不断取走细砂，气体压强减小，气体对外做功，气体吸收热量若吸收热量大于气体对外做功则内能增加，气体温度升高，若吸收热量小于气体对外做功则内能减小，气体温度降低B正确答案B
7如图所示，一气缸竖直倒放，气缸内有一质量不可忽略的活
塞，将一定质量的想气体封在气缸内，活塞与气缸壁无摩擦，气
体处于平衡状态，现保持温度不变把气缸稍微倾斜一点，在达到
平衡后与原相比，则()
A气体的压强变大
B气体的压强变小
气体的体积变大[。

]
D气体的体积变小
解析以活塞为研究对象，设其质量为M，横截面积为S达到平衡时，活塞受
力平衡，当气缸竖直倒放时，缸内气体压强p
1可由下式求得：p
1
S+Mg=p
S式中
p 0为外界大气压强，由此可得p
1
=p
-Mg/S；同可知，当气缸倾斜一点，缸壁与水
平方向夹角为θ时，缸内气体压强p
2可由下式求得p
2
S+Mgθ=p
S，由此可得
p 2=p
-Mgθ/S,必有p
1
＜p
2
根据气体压强与体积的关系可知，气缸稍微倾斜一点
后，由于缸内气体压强变大，所以缸内气体体积变小正确选项为A、D 答案AD
8如图所示，柱形容器内封有一定质量的空气，光滑活
塞（质量为）与容器用良好的隔热材料制成的另有质量为M
的物体从活塞上方的A点自由下落到活塞上，并随活塞一
起到达最低点B而静止在这一过程中，空气内能的改变量
ΔU、外界对空气所做的功W与物体及活塞的重力势能的变
关系是()
AMg+gΔ=ΔU+W
B ΔU=W,W=Mg+g Δ
ΔU=W,W ＜Mg+g Δ
D ΔU ≠W,W=Mg+g Δ 解析因活塞和容器用良好的隔热材料制成，容器内的空气与外界无热交换，Q=0，所以ΔU=W ；但由于物体和活塞做完全非弹性碰撞（即碰后不分开）时损失一部分机械能，因此有：W ＜Mg+g Δ，故本题选这里，虽然W ＜Mg+g Δ，但仍遵守能的转和守恒定律，只不过减少的机械能不是全部转为空气的内能，而是有一部分在碰撞时转为活塞和物体的内能了，能的总量并未减少
答案
9（1）注意观察的同会发现，用制冷的空调室内机通常持在高处，而用取暖的暖气片却装在较低处，这是由于利用热空气密度较小而冷空气密度较大形成对流的缘故请你解释，为什么热空气密度小而冷空气密度大？
（2）将一氢气球放飞，随着气球高度的不断增大，若高空气压不断降低，气球的体积也不断增大，而温度基本不变，请问在此过程中其能量是怎样转与转移的？
解析（1）根据盖·吕萨克定律可知，对于质量一定的气体，在压强一定的情况下，温度越高，体积越大，故密度越小
（2）气体要不断从外界吸热，将吸取的能量用不断对外做功
10如图所示，一定质量的想气体从状态A 变到状态B ，再从
状态B 变到状态已知状态A 的温度为480 求：
（1）气体在状态时的温度；
（2）试分析从状态A 变到状态B 的整个过程中，气体是从
外界吸收热量还是放出热量
解析（1）A 、两状态体积相等，则有C A A C
p p T T ①
得T=C A A p 0.5480T p 1.5
⨯==160② (2)由想气体状态方程得
A A
B B A B p V p V T T =③ 得T B =B B A A
p V p V T A =0.534801.51⨯⨯⨯=480④ 由此可知A 、B 两状态温度相同，故A 、B 两状态内能相等
答案（1）160 （2）既不能吸收也不放出
11如图所示，在竖直放置圆柱形容器内用质量为的活塞密封一
部分气体，活塞与容器壁间能无摩擦滑动，容器的横截面积为S ，
开始时气体的温度为T 0，活塞与容器底的距离为0现将整个装置放在
大气压恒为p 0的空气中，当气体从外界吸收热量Q 后，活塞缓慢上
升d 后再次平衡，问：
（1）外界空气的温度是多少？
（2）在此过程中密闭气体的内能增加了多少？
解析（1）取密闭气体为研究对象，活塞上升过程中等压变，由盖·吕萨克定律
00
V T V T ≈ 得外界温度T=()0
000000
h d S h d V T T T .V h S h +== （2）取活塞为研究对象，设活塞对密闭气体做功为W ，由动能定得-W-gd-p 0Sd=0
根据热力第一定律W+Q=ΔU
联立上面两式得密闭气体增加的内能ΔU=Q-gd-p 0Sd
答案（1）00
h d h +T 0 (2)Q-gd-p 0Sd 12物家帕平发明了高压锅，高压锅与普通锅不同，锅盖通过几个牙齿似的锅齿与锅体镶嵌旋紧，加上锅盖与锅体之间有橡皮制的密封圈，所以锅盖与锅体之间不会漏气，在锅盖中间有一排气孔，上面再套上类似砝码的限压阀，将排气孔堵住当加热高压锅，锅内气体压强增加到一定程度时，气体就把限压阀顶起，这时蒸气就从排气孔向外排出由于高压锅内的压强大，温度高，食物容易煮烂若已知排气孔的直径为03 c,外界大气压为10×105 P ，温度为20 ℃，要使高压锅
内的温度达到120 ℃，则限压阀的质量应为多少？（g 取10 /2）
解析选锅内气体为研究对象，则
初状态：T 1=293,p 1=10×105P
末状态：T 2=393
由查定律得
p 2=5
211T p 3931.010T 293
⨯⨯= P=134×105 P 对限压阀受力分析可得
g=p 2S-p 1S=(p 2-p 1)S=(p 2-p 1)π·2
d 4
=（134×105-10×105)×314×()
220.3104-⨯N=
024N 所以=0024g
答案0024g。