高考物理一轮复习 第十三单元 选考部分 133 理想气体状态方程与热力学定律配套课件

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2．热力学第二定律的实质 揭示了自然界中涉及热现象的宏观过程都具有方向性，具体 过程：
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(2017·唐山二模)(多选)根据热力学定律，下列说法正 确的是( )
A．第二类永动机违反能量守恒定律，因此不可能制成 B．效率为 100%的热机是不可能制成的 C．电冰箱的工作过程表明，热量可以从低温物体向高温物 体传递 D．从单一热源吸收热量，使之完全变为功是提高机械效率 的常用手段 E．吸收了热量的物体，其内能也不一定增加
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(2017·课标全国Ⅲ)(多选)如图，一定 质量的理想气体从状态 a 出发，经过等容过程 ab 到达状态 b，再经过等温过程 bc 到达状态 c， 最后经等压过程 ca 回到初态 a.下列说法正确的 是( )
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考点三 热力学第二定律
1．热力学第二定律的涵义 (1)“自发地”的涵义：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：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．
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如图所示，气缸内盛有一定量的理想气 体，气缸壁是导热的，缸外环境保持恒温，活塞与 气缸壁的接触是光滑的，但不漏气，现将活塞杆与外界连接缓慢 地向右移动，这样气体将等温膨胀并通过杆对外做功，若已知理 想气体的内能只与温度有关，则下列说法正确的是( )
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(1)封闭气体初始状态的压强． (2)若缓慢升高气体温度，升高至多少方可将所有水银全部压 入细管内．
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【答案】 (1)80 cmHg (2)96 ℃ 【解析】 (1)初始状态气体体积 V0＝S1L＝44 cm3 根据 p-V 图像，p0＝80 cmHg. (2)再根据 p-V 图像，当水银全部压入细管时， V＝48 cm3，p＝82 cmHg 根据理想气体状态方程 pT0V0 0＝pTV，T0＝57 ℃＝330 K 解得：T＝369 K＝96 ℃.
(2017·安阳模拟)如图甲所示为“⊥”形上端开口的玻 璃管，管内有一部分水银封住密闭气体，管的上部足够长，图中 粗、细部分截面积分别为 S1＝2 cm2、S2＝1 cm2.封闭气体初始温 度为 57 ℃，气体长度为 L＝22 cm，乙图为对封闭气体缓慢加热 过程中气体压强随体积变化的图线．求：
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(2017·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 12 J．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．
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一定量的气体在某一过程中，外界对气体做了 8×104 J 的功，气体的内能减少了 1.2×105 J，则下列各式中正确的是 ()
A．W＝8×104 J，ΔU＝1.2×105 J，Q＝4×104 J B．W＝8×104 J，ΔU＝－1.2×105 J，Q＝－2×105 J C．W＝－8×104 J，ΔU＝1.2×105 J，Q＝2×104 J D．W＝－8×104 J，ΔU＝1.2×105 J，Q＝－4×104 J
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考点二 热力学第一定律
1．对热力学第一定律的理解 (1)反映了做功和热传递这两种改变内能的过程是等效的． (2)明确了内能变化、做功与热传递之间的定量关系． (3)应用时注意功、内能、热量的正负，单位应统一为国际单 位焦耳．
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2．三种特殊情况 (1)若过程是绝热的，即 Q＝0，则 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、末状态内能不变，即ΔU＝0，则 W＋Q＝0， 外界对物体做的功等于物体放出的热量．
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13.3 理想气体(lǐ xiǎnɡ qì tǐ)状态方程与热力 学定律
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知识清单
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一、理想气体状态方程 理想气体
(1)微观上，理想气体的分子间除碰撞外无其他作用力，不计 分子势能，气体内能等于分子动能．
(2)宏观上，实际气体在压强不太大、温度不太低的条件下， 遵守气体实验定律，可视为理想气体．
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(1)求下部分气体的压强多大； (2)现通过加热丝对下部气体进行缓慢加热，使下部气体的温 度变为 127 ℃，求稳定后活塞 M、N 距离底部的高度．
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【答案】 (1)1.5×105 Pa (2)22 cm 16 cm 【解析】 (1)对两个活塞和重物作为整体进行受力分析得： pS＝mg＋p0S 得 p＝p0＋mSg＝1.0×105 Pa＋21××1100－4 Pa＝1.5×105 Pa. (2)对下部气体进行分析，初状态压强为 p0，体积为 h2S，温 度为 T1，末状态压强为 p，体积设为 h3S，温度为 T2 由理想气体状态方程可得：p0Th12S＝pTh32S
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【答案】 B 【解析】 由符号法则可知，外界对气体做功 W 取正，气 体内能减少，ΔU 为负值，代入热力学第一定律表达式得 Q＝－ 2×105 J．故选 B.
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(2017·课标全国Ⅱ)(多选)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( )
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A．气体是从单一热源吸热，全部用来对外做功，因此此过 程违反热力学第二定律
B．气体是从单一热源吸热，但并不全部用来对外做功，所 以此过程不违反热力学第二定律
C．气体是从单一热源吸热，全部用来对外做功，但此过程 不违反热力学第二定律
D．以上说法都不对
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(2)表达式：ΔU＝Q＋W.
(3)符号法则：
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 内能减小
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三、热力学第二定律 表述一：热量不能自发地由低温物体传递到高温物体． 表述二：不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做
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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．在自发扩散过程中，气体对外界做功 D．气体在被压缩的过程中，外界对气体做功 E．气体在被压缩的过程中，气体分子的平均动能不变
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【答案】 ABD 【解析】 A 项，气体在真空中自发扩散，不对外界做功， A 项正确．B 项，气体被压缩时，体积减小，外界对气体做功 W>0.根据ΔU＝Q＋W，则ΔU>0，B 项正确．C 项，气体在真 空自发扩散，不做功，没有受力物体，C 项错误．D 项，被压缩 时，外界对气体做功，D 项正确．E 项，压缩时，ΔU>0，T 增 加，平均动能增加，E 项错．
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2．气态方程与气体实验定律的关系 温度不变：p1V1＝p2V2玻意耳定律
pT1V1 1＝pT2V2 2体压积强不不变变：：VTTp1111＝＝TVpT2222查盖理—定吕律萨克定律
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(2017·北京朝阳区二模)如图所示，有两个 不计质量不计厚度的活塞 M、N 将两部分理想气体 A、 B 封闭在绝热气缸内，温度均是 27 ℃.M 活塞是导热 的，N 活塞是绝热的，均可沿气缸无摩擦地滑动，已 知活塞的横截面积均为 S＝2 cm2，初始时 M 活塞相对于底部的 高度为 h1＝27 cm，N 活塞相对于底部的高度为 h2＝18 cm.现将 一质量为 m＝1 kg 的小物体放在 M 活塞的上表面上，活塞下 降．已知大气压强为 p0＝1.0×105 Pa.(g＝10 m/s2)
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【答案】 (1)EA＞EB (2)12 J 【解析】 (1)AB 过程绝热，Q＝0，体积 V 增大，对外做功， 内能减小．EA＞EB (2)A→B→C 过程中有：ΔU＝WAB＋WBC＋QAB＋QBC AC 温度相等，内能不变ΔU＝0 AB 绝热过程 QAB＝0 BC 等容变化不做功 WBC＝0 在 B→C 的过程中，气体吸收热量为 12 J WAB＝－12 J 气体对外做功 12 J.
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考点讲练
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考点一 理想气体状态方程的应用
1．气态方程及推论 (1)pT1V1 1＝pT2V2 2或pTV＝C. (2)pV＝nRT(R 为常数，n 为气体的摩尔数)
m (3)推导：pV＝nRT＝MmRT⇒p＝MV ·RT＝M1 ρRT 则ρpT＝C(ρ 为气体密度)
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【答案】 BCE 【解析】 第二类永动机不可能制成，是因它违反了热力学 第二定律，故 A 项错误；效率为 100%的热机是不可能制成的， 故 B 项正确；电冰箱的工作过程表明，热量可以从低温物体向高 温物体传递，故 C 项正确；从单一热源吸收热量，使之完全变为 功是不可能实现的，故 D 项错误；改变内能的方式有做功和热传 递，吸收了热量的物体，其内能也不一定增加，E 项正确．
理想气体状态方程 pT1V1 1＝pT2V2 2或pTV＝C.
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二、热力学第一定律 改变内能的两种方式：做功和热传递
(1)两种方式对改变内能是等效的． (2)做功是其他形式的能与内能之间的转化，热传递是物体之 间内能的转移．
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．
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得：h3＝pp0TT12h2＝11.5××11005×5×430000×18 cm＝16 cm 对上部气体进行分析，根据玻意耳定律可得： p0(h1－h2)S＝pLS 得：L＝6 cm 故此时活塞 M 距离底端的距离为 h4＝16 cm＋6 cm＝22 cm.
功，而不产生其他影响．
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两类永动机 (1)第一类永动机：不消耗任何能量，却不断地对外做功的机 器，违背能量守恒定律． (2)第二类永动机：没有冷凝器，只从单一热源吸收热量并把 它全部用来对外做功，而不引起其他变化的机器，违背了热力学 第二定律．
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方法提炼 (1)对上部气体，M 活塞是“导热”的，N 活塞是“绝热” 的，加热是“缓慢”的，保证上部气体温度不变． (2)对下部气体，放上小物体 m，再加热的过程中，下部气体 温度、压强、体积均变化，应用理想气体状态方程求解．
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【答案】 C 【解析】 气体是从单一热源吸热，保持内能不变，全部用 来做功，但对外界产生了其他影响，要保持外部环境温度不变， 需要有别的变化来维持，另外，外界必须发生某种变化，才能拉 动杆．故此过程不违反热力学第二定律．
12/13/2021Fra bibliotek第三十四页，共五十二页。
考点四 气体定律与热力学定律的综合