1、第三节 热力学定律与能量守恒定律(对应学生用书第 234 页)教材知识速填知识点 1 热力学第一定律1改变物体内能的两种方式(1)做功；(2)热传递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传递的热量与外界对它所做的功的和(2)表达式：UQW.3UW Q 中正、负号法则物理量 W Q U 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 内能减少易错判断(1)做功和热传递 的实质是相同的()(2)外界压缩气体做功 20 J，气体的内能可能不 变()(3)给自行车打气 时，发现打气筒的温度升高，这是因为打气筒从外界吸热()知识点 2 热力学第二定律及微观
2、意义1热力学第二定律的两种表述(1)克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传到高温物体(2)开尔文表述：不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响或表述为“第二类永动机是不可能制成的 ”2用熵的概念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(选填“增大”或“减小”)3热力学第二定律的微观意义一切自发过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行易错判断(1)可以从单一 热源吸收热量，使之完全变成功()(2)热量不能从低温物体 传给高温物体()(3)热机中，燃气的内能可以全部变为机械能而不引起其他变化()知识点 3 能量守恒定律和两类永动机1能量守恒定律能量既不
3、会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变2两类永动机(1)第一类永动机：不消耗任何能量，却源源不断地对外做功的机器违背能量守恒定律，因此不可能实现(2)第二类永动机：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热力学第二定律，不可能实现易错判断(1)自由摆动的秋千 摆动幅度越来越小，能量正在消失()(2)利用河水的能量使船逆水航行的设想，符合能量守恒定律()(对应学生用书第 235 页)热力学第一定律的理解和应用1UQ W 的三种特殊情况过程名称 公式 内能变化 物理意义绝热 Q
4、0 UW 外界对物体做的功等于物体内能的增加等容 W0 Q U 物体吸收的热量等于物体内能的增加等温 U0 WQ 外界对物体做的功，等于物体放出的热量2.改变内能的两种方式的比较两种方式 做 功 热传递内能变化情况外界对物体做功，物体的内能增加；物体对外界做功，物体的内能减少物体吸收热量，内能增加；物体放出热量，内能减少从运动形式上看 做功是宏观的机械运动向物体的微观分子热运动的转化热传递则是通过分子之间的相互作用，使同一物体的不同部分或不同物体间的分子热运动发生变化，是内能的转移从能量的角度看 做功是其他形式的能与内能相互转化的过程不同物体间或同一物体不同部分之间内能的转移区别能的性质变化情
5、况 能的性质发生了变化 能的性质不变联系做一定量的功或传递一定量的热量在改变内能的效果上是相同的题组通关1(2017全国 卷)如图 1331所示，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( )图 1331A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ABD 气体向真空膨胀时不受阻碍，气体不 对外做功，由于
6、汽缸是绝热的，没有热交换，所以气体扩散后内能不变， 选项 A 正确气体被压缩的过程中，外界对气体做功，且没有热交换，根据热力学第一定律，气体的内能增大，选项 B、D 正确气体在真空中自发扩散的过程中气体不对外做功，选项 C 错误气体在 压缩过 程中，内能增大，由于一定质量的理想气体的内能完全由温度决定，温度越高，内能越大，气体分子的平均动能越大，选项 E 错误2(2018桂林模拟 )一定质量的理想气体从状态 a 开始，经历三个过程ab、bc 、ca 回到原状态，其 VT 图象如图 1332所示， pa、p b、p c分别表示状态 a、b、c 的压强，下列判断正确的是 ( )图 1332A过程
7、ab 中气体一定吸热Bp cp bpaC过程 bc 中分子势能不断增大D过程 bc 中每一个分子的速率都减小E过程 ca 中气体吸收的热量等于对外界做的功ABE 由题图知，该理想气体从 a 到 b 为等容变化，外界对气体做功为零，温度升高，内能增大，根据 UQW，可知气体一定吸热，选项 A正确；从 b 到 c 为等压变化，故 pcp b，而从 a 到 b 为等容变化，根据查理定律 pCT，可知温度升高，压强变大，故 pbpa，选项 B 正确；理想气体没有分子势能，选项 C 错误 ；从 b 到 c，温度降低，分子的平均动能降低，平均速率减小，但不是每一个分子的速率都减小，选项 D 错误；从 c
8、到 a，气体发生等温变化，内能不变，气体 对外界做功，吸收热量，根据UQW，气体吸收的热量等于对外界做的功，选项 E 正确 3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CDE 温度决定分子的平均动能，质量相同的不同理想气体的物质的量不一定相同，内能不一定相同，选项 A 错误；物体内能与物体宏观运动速度无关，选项 B 错误；气体的内能是否 变化由做功和 热传递两方面决定，气体被压缩，外界对气体做正功
9、W，若气体同 时向外界放 热 Q，当 WQ时气体的内能不变，选项 C 正确；一定质量的理想气体的内能 仅由温度决定，选项 D 正确；根据理想气体状态方程可知等压膨胀过程中温度升高，一定质量的理想气体的内能仅由温度决定，可知内能必增加，选项 E 正确一定质量的气体，在从状态 1 变化到状态 2 的过程中，吸收热量 280 J，并对外做功 120 J，试问：(1)这些气体的内能发生了怎样的变化？(2)如果这些气体又返回原来的状态，并放出了 240 J 热量，那么在返回的过程中是气体对外界做功，还是外界对气体做功？做功多少？解析(1)由热力学第一定律可得 UWQ120 J280 J160 J，气体的
10、内能增加了 160 J.(2)由于气体的内能仅与状态有关，所以气体从状态 2 回到状态 1 的过程中内能的变化应等于从状态 1 到状态 2 的过程中内能的变化，则从状态2 到状态 1 的内能应减少 160 J，即 U160 J，又 Q240 J，根据热力学第一定律得：UWQ，所以W UQ160 J(240 J)80 J，即外界对气体做功 80 J.答案(1)增加了 160 J (2)外界对气体做功 80 J反思总结 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.热力学第二定律的理解及应用1在热力学第二定律的
11、表述中， “自发地” 、 “不产生其他影响”的含义(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热力学第二定律的每一种表述，都揭示了大量分子参与宏观过程的方向性，进而使人们认识到自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性3热力学过程方向性实例4两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 从单一热源吸收热量，使之完全变能不断地对外做功的机器 成功，而不产生其他影响的机器不
12、可能制成的原因 违背能量守恒定律不违背能量守恒定律，违背热力学第二定律题组通关1下列说法中正确的是( )A热量可以从低温物体传递到高温物体B科技的进步可以使内燃机成为单一热源的热机C能源危机指能量的过度消耗导致自然界的能量不断减少D功可以全部转化为热量，热量也可以全部转化为功E第一类永动机违背能量守恒定律，第二类永动机不违背能量守恒定律ADE 空调可以使热量从低温物体向高温物体传递，A 对；由热力学第二定律知不可能有单一热源的热机，B 错；能量是守恒的， C 错；功可以全部转化为热量，根据热力学第二定律可知，在外界的影响下，热量也可以全部转化为功，D 对；第一类 永动机违背能量守恒定律，第二类
13、永动机违背热力学第二定律，但不违背能量守恒定律，E 对2(2017东北三省四市模拟)下列说法中正确的是( )A相互间达到热平衡的两物体的内能一定相等B民间常用“拔火罐”来治疗某些疾病，方法是将点燃的纸片放入火罐内，当纸片燃烧完时，迅速将火罐开口端紧压在皮肤上，火罐就会紧紧地“吸”在皮肤上其原因是火罐内的气体体积不变时，温度降低，压强减小C空调既能制热又能制冷，说明在不自发的条件下，热传递可以逆向D自发的热传递过程是向着分子热运动无序性增大的方向进行的E随着科学技术的发展，人类终会制造出效率为 100%的热机BCD 相互间达到热平衡的两物体的温度相同，内能不一定相等，故 A错误；火罐内气体压强小
14、于大气压强，所以火罐能“吸”在皮肤上，故 B正确；根据热力学第二定律可知，热量能够自发地从高温物体传递到低温物体，但不能自发地从低温物体传递到高温物体，故 C 正确；根据热力学第二定律可知，自然发生的热传递过程是向着分子热运动无序性增大的方向进行的，故 D 正确；根据 热力学第二定律可知，人类不可能制造出效率为 100%的热机，故 E 错误 3(2018唐山二模 )根据热力学定律，下列说法正确的是( ) 【导学号：84370513】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
15、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BCE 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错误；效率为 100%的热机是不可能制成的，故 B 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 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 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 正确气体实验定律与热力学定律的综合母题 (2018潍坊模拟)如图 1333所示在绝热汽缸内，有一绝热轻活塞封闭一定质量的气体，开始时缸内气体温度为 27 ，封闭气柱长 9 cm，活塞横截面积 S5
16、0 cm2.现通过汽缸底部电阻丝给气体加热一段时间，此过程中气体吸热 22 J，稳定后气体温度变为 127 .已知大气压强等于 105 Pa，求：图 1333(1)加热后活塞到汽缸底端的距离；(2)此过程中气体内能改变了多少解析(1)取被封闭的气体 为研究的对象，开始时气体的体积为 L1S，温度为：T 1(27327)K300 K，末状态的体积为：L 2S，温度为：T 2 (273127)K400 K气体做等压变化，则： L1ST1 L2ST2代入数据得：L 212 cm.(2)在该过程中，气体对外做功：WFLp 0S(L2L 1) 10550104 (129) 102 J15 J，由热力学第
17、一定律：U QW22 J15 J7 J.答案(1)12 cm (2)7 J母题迁移 迁移 1 气体图象结合类1如图 1334所示，一定质量的理想气体从状态 a 变化到状态 b，在这一过程中，下列说法正确的是( )图 1334A气体体积变大B气体温度升高C气体从外界吸收热量D气体的内能不变E气体放出热量ABC ab，p T 图线的斜率反映 的变化， ab，p T 图线的斜率减小，1VV 增大，T 升高，内能增加，根据 UW Q， U 0，W0，故 Q0，气体吸热，A 、B、C 正确，D、E 错误 迁移 2 水平两部分气体结合类2将如图 1335所示的装置的右端部分汽缸 B 置于温度始终保持不变的
18、环境中，绝热汽缸 A 和导热汽缸 B 均固定在地面上，由刚性杆连接的绝热活塞与两汽缸间均无摩擦，开始时两形状相同的长方体汽缸内装有理想气体，压强均为 p0、体积均为 V0、温度均为 T0，缓慢加热 A 中气体，使汽缸 A 的温度升高到 1.5T0，稳定后，求：图 1335(1)汽缸 A 中气体的压强 pA以及汽缸 B 中气体的体积 VB；(2)此过程中 B 中气体吸热还是放热？试分析说明解析(1)因为此时活塞处 于平衡状态，根据平衡条件可知：p Ap B，选汽缸 A 中气体为研究对象，根据理想气体状 态方程得：p0V0 p AVA ，选汽缸 B 中气体为研究对象，根据玻意耳定律得：1T0 11
19、.5T0p0V0p BVB，又因为：2V 0V AV B，联立得：p Ap B1.25p 0，VB0.8V 0.(2)因为 B 中气体温度不变 ，所以内能不 变，活塞对 B 中气体做正功，由热力学第一定律可知气体放热答案(1)1.25p 0 0.8V 0 (2)见解析 迁移 3 竖直两部分气体结合类3如图 1336所示，一个绝热的汽缸(汽缸足够高)竖直放置，内有一个绝热且光滑的活塞，中间有一个固定的导热性良好的隔板，隔板将汽缸分成两部分，分别密封着两部分理想气体 A 和 B.活塞的质量 m8 kg，横截面积 S10 cm2，与隔板相距 h25 cm，现通过电热丝缓慢加热气体，当 A 气体吸收热
20、量 Q200 J 时，活塞上升了 h10 cm，此时气体的温度为 t127 ，已知大气压强 p0110 5Pa，重力加速度 g 取 10 m/s2.图 1336(1)加热过程中，若 A 气体的内能增加了 U155 J，求 B 气体的内能增加量 U2；(2)现在停止对气体加热，同时在活塞上缓慢添加砂粒，当活塞恰好回到原来的位置时，A 气体的温度为 t230 ，求添加砂粒的总质量 M. 【导学号：84370514】解析(1)B 气体 对外做功 W(p 0Smg)h18 J，由热力学第一定律得 U1 U2QW ，U2Q WU 1127 J.(2)B 气体的初状态 p1p 0 1.810 5 Pa，m
21、gSV1(hh)S3.510 4m3，T1(27273) K300 K，B 气体的末状态 p2p 0 ，V2hS2.5 104 m3，m MgST2(30273) K303 K，由理想气体状态方程 ，代入数据得：M7.452 kg.p1V1T1 p2V2T2答案(1)127 J (2)7.452 kg如图所示，汽缸 A、B 的长度均为 60 cm，截面积均为 40 cm2，C 是可在汽缸内无摩擦滑动的、体积不计的活塞，D 为阀门整个装置均由导热材料制成原来阀门关闭，A 内有压强 pA2.410 5 Pa 的氧气B 内有压强 pB1.2 105 Pa 的氢气阀门打开后，活塞 C 向右移动，最后达到平衡求：(1)活塞 C 移动的距离及平衡后 B 中气体的压强；(2)活塞 C 移动过程中 B 中气体是吸热还是放热 (简要说明理由 )(假定氧气和氢气均视为理想气体，连接汽缸的管道体积可忽略)解析(1)根据玻意耳定律，对 A 部分气体有pALSp(Lx )S对 B 部分气体有 pBLSp (Lx )S代入相关数据解得 x20 cm，p1.810 5 Pa.(2)活塞 C 向右移动的过程中活塞对 B 中气体做功，而气体发生等温变化，内能不变，故 B 中气体向外界放 热答案(1)20 cm 1.810 5 Pa (2) 活塞 C 移动过程中 B 中气体放热，理由见解析
