高中物理教科版3第五章能源与可持续性发展

章末分层突破[自我校对]①Q＋W②不可制成的③方向④克劳修斯⑤开尔文⑥小于⑦不可制成的⑧增⑨高⑩低⑪温室⑫超导⑬太阳⑭风热力学第一定律与能量守恒热力学第一定律是能量守恒定律在热学中的具体表现形式．它给出了做功和热传递在改变物体内能上是等价的．1．热力学第一定律揭示了内能的增量(ΔU)与外界对物体做的功(W)和物体从外界吸收的热量(Q)之间的关系，即ΔU＝W＋Q，正确理解公式的意义及符号的含义是解决本类问题的关键．(1)外界对物体做功，W＞0；物体对外界做功，W＜0；(2)物体从外界吸热，Q＞0；物体向外界放热，Q＜0；(3)ΔU＞0，物体的内能增加；ΔU＜0，物体的内能减少．解题思路：分析题干，确定改变内能的方式(W、Q)→判断W、Q的符号→代入公式ΔU＝W＋Q→得出结论eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(ΔU＞0，则内能增加|ΔU|，,ΔU＜0，则内能减少|ΔU|.))2．注意的问题(1)只有绝热过程时Q＝0，ΔU＝W，用做功可判断内能的变化．(2)只有在气体体积不变时，W＝0，ΔU＝Q，用吸热、放热情况可判断内能的变化．(3)若物体内能不变，即ΔU＝0，W和Q不一定等于零，而是W＋Q＝0，功和热量符号相反，大小相等，因此判断内能变化问题一定要全面考虑．(4)对于气体，做功W的正负一般要看体积变化，气体体积缩小，W＞0；气体体积增加，W＜0.如图5­1所示的圆柱形容器内用活塞密封一定质量的气体，已知容器横截面积为S.活塞重为G，大气压强为p0.若活塞固定，密封气体温度升高1℃，需吸收的热量为Q1；若活塞不固定，且可无摩擦滑动，仍使密封气体温度升高1℃，需吸收的热量为Q2.图5­1问Q1和Q2哪个大些？气体在定容下的比热容与在定压下的比热容为什么会不同？【解析】设密闭气体温度升高1°C，内能的增量为ΔU，则有ΔU＝Q1 ①ΔU＝Q2＋W ②因气体体积膨胀，W＜0，故Q1<Q2由此可见，质量相等的同种气体，在定容和定压两种不同情况下，尽管温度变化相同，但吸收的热量不同，所以同种气体在定容下的比热容与在定压下的比热容是不同的．【答案】Q1＜Q2见解析应用热力学定律和能量守恒时的步骤(1)认清有多少种形式的能(例如动能、势能、内能、电能、化学能、光能等)在相互转化．(2)分别写出减少的能量ΔE减和增加的能量ΔE增的表达式．(3)列出能量守恒方程：ΔE减＝ΔE增．热力学第二定律及其应用1.热力学第二定律的两种表述(1)按照热传递的方向性表述为：热量不能自发地从低温物体传到高温物体．这是热力学第二定律的克劳修斯表述．(2)按照机械能与内能转化的方向性表述为：不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响．这是热力学第二定律的开尔文表述．2．热力学第二定律的微观意义(1)一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行．(2)用熵来表示热力学第二定律：在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小．3．分析问题的方法(1)热力学第二定律的本质是对宏观自然过程进行方向的说明．(2)凡是对这种宏观自然过程进行方向的说明，都可以作为热力学第二定律的表述．(3)对热力学第二定律的各种表述都是等效的．关于热力学定律，下列说法正确的是()A．为了增加物体的内能，必须对物体做功或向它传递热量B．对某物体做功，必定会使该物体的内能增加C．可以从单一热源吸收热量，使之完全变为功D．不可能使热量从低温物体传向高温物体E．功转变为热的实际宏观过程是不可逆过程【解析】改变内能的方法有做功和热传递两种，所以为了增加物体的内能，必须对物体做功或向它传递热量，选项A正确；对物体做功的同时向外界放热，则物体的内能可能不变或减小，选项B错误；根据热力学第二定律可知，在对外界有影响的前提下，可以从单一热源吸收热量，使之完全变为功，选项C正确；在有外界做功的条件下，可以使热量从低温物体传递到高温物体，选项D错误；根据热力学第二定律可知，选项E正确．【答案】ACE能源对环境的影响1.二氧化碳的排放与温室效应大量燃烧石油、煤炭、天然气等产生的二氧化碳气体，增大了大气中二氧化碳的含量，由于二氧化碳对长波的辐射有强烈的吸收作用，且像暖房的玻璃一样，只准太阳光的热辐射进来，不让室内长波热辐射出去，使地球气温上升，这种效应叫“温室效应”．温室效应使两极的冰雪融化，海平面上升，淹没沿海城市，使海水倒流入河流，从而使耕地盐碱化．2．酸雨的成因、危害及防止(1)成因：大气中酸性污染物质，如二氧化硫、氮氧化物等，在降水过程中溶入雨水，使其成为酸雨．(2)危害：酸雨影响人的健康，危害生态系统，使土壤酸化和贫瘠，腐蚀建筑和艺术品等．(3)防止：①健全法规，强化管理，控制排放．②发展清洁煤技术，减少燃烧过程中二氧化硫的排放．③通过改造发动机，安装汽车尾气净化装置，用无铅汽油代替含铅汽油等手段，控制汽车尾气排放．二氧化碳对长波辐射有强烈的吸收作用，行星表面发出的长波辐射到大气以后被二氧化碳截获，最后使大气升温，大气中的二氧化碳像暖房的玻璃一样，只准太阳的辐射进来，却不让室内的长波热辐射出去，大气中的二氧化碳的这种效应叫温室效应．这是目前科学界对地球气候变暖进行分析的一种观点，根据这种观点，以下说法成立的是()A．在地球形成的早期，火山活动频繁，排出大量的二氧化碳，当时地球的气温很高B．经过漫长的年代，地壳的岩石和气体二氧化碳发生化学反应，导致二氧化碳减少，地球上出现了生命C．由于工业的发展和人类的活动，导致二氧化碳在空气中的含量增大，地球上的气温正在升高D．现在地球正在变暖的原因是工业用电和生活用电的急剧增加，使电能和其他形式的能转化为内能E．由于人口剧增，呼出的二氧化碳增多【解析】地球形成的早期，地壳不如现在牢固，地球不如现在稳定，火山活动频繁，符合地质的发展规律．由于火山的喷发，排出大量的二氧化碳，这是必然的现象，进而导致当时地球的气温很高．地球上的岩石由于多种原因，其中包括岩石中的矿物成分与水、氧气、二氧化碳发生化学反应，使岩石进一步分化，最后形成土壤，二氧化碳减少，形成了适合生命生存的条件．由于工业的发展和人类的活动，大量地使用常规能源，导致二氧化碳在空气中的含量增大，地球上的气温正在升高．生活用电和工业用电是电能和其他形式的能的转变，会产生热．故E错误，其他四个选项都很正确，但就温室效应这一观点而言，A、B、C较准确．【答案】ABC1.(2023·全国甲卷)关于热力学定律，下列说法正确的是()A．气体吸热后温度一定升高B．对气体做功可以改变其内能C．理想气体等压膨胀过程一定放热D．热量不可能自发地从低温物体传到高温物体E．如果两个系统分别与状态确定的第三个系统达到热平衡，那么这两个系统彼此之间也必定达到热平衡【解析】根据热力学定律，气体吸热后如果对外做功，则温度不一定升高，说法A错误；改变物体内能的方式有做功和传热，对气体做功可以改变其内能，说法B正确；理想气体等压膨胀对外做功，根据eq\f(pV,T)＝恒量知，膨胀过程一定吸热，说法C错误；根据热力学第二定律，热量不可能自发地从低温物体传到高温物体，说法D正确；两个系统达到热平衡时，温度相等，如果这两个系统分别与状态确定的第三个系统达到热平衡，那么这两个系统彼此之间也必定达到热平衡，说法E正确．故选B、D、E.【答案】BDE2．(2023·全国乙卷)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图像如图5­2所示，其中对角线ac的延长线过原点O.下列判断正确的是()【导学号：74320231】图5­2A．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【解析】由ac的延长线过原点O知，直线Oca为一条等容线，气体在a、c两状态的体积相等，选项A正确；理想气体的内能由其温度决定，故在状态a时的内能大于在状态c时的内能，选项B正确；过程cd是等温变化，气体内能不变，由热力学第一定律知，气体对外放出的热量等于外界对气体做的功，选项C错误；过程da气体内能增大，从外界吸收的热量大于气体对外界做的功，选项D错误；由理想气体状态方程知：eq\f(paVa,Ta)＝eq\f(pbVb,Tb)＝eq\f(pcVc,Tc)＝eq\f(pdVd,Td)＝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p′0＝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＝p′0(Va－Vd)＝C(Ta－Td)，Ta＝Tb，Tc＝Td，故Wbc＝Wda，选项E正确(此选项也可用排除法直接判断更快捷)．【答案】ABE3．(2023·全国丙卷)关于气体的内能，下列说法正确的是()A．质量和温度都相同的气体，内能一定相同B．气体温度不变，整体运动速度越大，其内能越大C．气体被压缩时，内能可能不变D．一定量的某种理想气体的内能只与温度有关E．一定量的某种理想气体在等压膨胀过程中，内能一定增加【解析】气体的内能由物质的量、温度和体积决定，质量和温度都相同的气体，内能可能不同，说法A错误；内能与物体的运动速度无关，说法B错误；气体被压缩时，同时对外传热，根据热力学第一定律知内能可能不变，说法C正确；一定量的某种理想气体的内能只与温度有关，说法D正确；根据理想气体状态方程，一定量的某种理想气体在压强不变的情况下，体积变大，则温度一定升高，内能一定增加，说法E正确．【答案】CDE4．(2023·江苏高考)如图5­3所示，在A→B和D→A的过程中，气体放出的热量分别为4J和20J．在B→C和C→D的过程中，气体吸收的热量分别为20J和12J．求气体完成一次循环对外界所做的功．图5­3【解析】完成一次循环气体内能不变，ΔU＝0，吸收的热量Q＝(20＋12－4－20)J＝8J，由热力学第一定律ΔU＝Q＋W得，W＝－8J，气体对外界所做的功为8J.【答案】8J5．(2023·福建高考改编)如图5­4所示，一定质量的理想气体，由状态a经过ab过程到达状态b或者经过ac过程到达状态c.设气体在状态b和状态c的温度分别为Tb和Tc，在过程ab和ac中吸收的热量分别为Qab和Qac，则它们的大小关系为________．图5­4【解析】由理想气体状态方程可知eq\f(paVa,Ta)＝eq\f(pcVc,Tc)＝eq\f(pbVb,Tb)，即eq\f(2p0·V0,Tc)＝eq\f(p0·2V0,Tb)，得Tc＝Tb，则气体在b、c状态内能相等，因a到b和a到c的ΔU相同；而a到c过程中气体体积不变，W＝0，a到b过程中气体膨胀对外做功，W＜0，根据热力学第一定律：ΔU＝Q＋W可知a到b的吸热Qab大于a到c的吸热Qac，即Qab＞Qac.【答案】Tc＝TbQab>Qac我还有这些不足：(1)