1、第3讲热力学定律与能量守恒定律一、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功的和(2)表达式：UQW.(3)UQW中正、负号法则： 物理量意义符号WQU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自测1一定质量的理想气体在某一过程中，外界对气体做功7.0104 J，气体内能减少1.3105 J，则此过程()A气体从外界吸收热量2.0105 JB气体向外界放出热量2.0105 JC气体从外界吸收热量6.0104 JD气体向外界放出热量6.0104 J答案B二、热力
2、学第二定律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4第二类永动机不可能制成的原因是违背了热力学第二定律自测2(多选)下列现象中能够发生的是()A一杯热茶在打开杯盖后，茶会自动变得更热B蒸汽机把蒸汽的内能全部转化成机械能C桶中混浊的泥水在静置一段时间后，泥沙下沉，上面的水变清，泥、水自动分离D电冰箱通电后把箱内低温物体的热量传到箱
3、外高温物体答案CD三、能量守恒定律1内容能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为另一种形式，或者是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条件性能量守恒定律是自然界的普遍规律，某一种形式的能是否守恒是有条件的3第一类永动机是不可能制成的，它违背了能量守恒定律自测3木箱静止于水平地面上，现在用一个80 N的水平推力推动木箱前进10 m，木箱受到地面的摩擦力为60 N，则转化为木箱与地面系统的内能U和转化为木箱的动能Ek分别是(空气阻力不计)()AU200 J，Ek600 J BU600 J，Ek200 JCU600 J，Ek800 J DU800 J
4、，Ek200 J答案B解析UFfx6010 J600 JEkFxU8010 J600 J200 J.1热力学第一定律的理解(1)内能的变化都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(3)与外界绝热，则不发生热传递，此时Q0.(4)如果研究对象是理想气体，因理想气体忽略分子势能，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2三种特殊情况(1)若过程是绝热的，则Q0，WU，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W0，则QU，物体吸收的热量等于物体内能的增加；(3
5、)若过程的初、末状态物体的内能不变，即U0，则WQ0或WQ，外界对物体做的功等于物体放出的热量例1(2019全国卷33(1)某容器中的空气被光滑活塞封住，容器和活塞绝热性能良好，空气可视为理想气体初始时容器中空气的温度与外界相同，压强大于外界现使活塞缓慢移动，直至容器中的空气压强与外界相同此时，容器中空气的温度_(填“高于”“低于”或“等于”)外界温度，容器中空气的密度_(填“大于”“小于”或“等于”)外界空气的密度答案低于大于解析活塞光滑、容器绝热，活塞缓慢移动，容器内空气体积增大，对外做功，由UWQ知，气体内能减少，温度降低气体的压强与温度和单位体积内的分子数有关，由于容器内空气的温度低于
6、外界温度，但压强相同，则容器中空气的密度大于外界空气的密度变式1(多选)(2017全国卷33(1)如图1，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1A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答案ABD解析因为汽缸、活塞都是绝热的，隔板右侧是真空，所以理想气体在自发扩散的过程中，与外界没有热量交换
7、，也不对外界做功根据热力学第一定律可知，气体自发扩散前后，内能不变，选项A正确，C错误；气体在被压缩的过程中，外界对气体做功，气体内能增大，又因为一定质量的理想气体的内能只与温度有关，所以气体温度升高，分子平均动能增大，选项B、D正确，E错误变式2(多选)(2016全国卷33(1)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，内能一定增加答案CDE解析质量和温度都相同的气体，虽然分子平均动能相同，但是不同的气体，其摩
8、尔质量可能不同，则分子个数可能不同，所以分子总动能不一定相同，A错误；宏观运动和微观运动没有关系，所以宏观运动速度大，内能不一定大，B错误；气体被压缩，同时对外传热，根据热力学第一定律知内能可能不变，C正确；理想气体的分子势能为零，所以一定量的某种理想气体的内能与分子平均动能有关，而温度是分子平均动能的标志，D正确；一定质量的某种理想气体等压膨胀，温度增大，内能一定增大，E正确例2(多选)(2018全国卷33(1)如图2，一定质量的理想气体从状态a开始，经历过程、到达状态e.对此气体，下列说法正确的是()图2A过程中气体的压强逐渐减小B过程中气体对外界做正功C过程中气体从外界吸收了热量D状态c
9、、d的内能相等E状态d的压强比状态b的压强小答案BDE解析过程中，气体由a到b，体积V不变、T升高，则由查理定律知压强增大，A项错误；过程中，气体由b到c，体积V变大，对外界做正功，B项正确；过程中，气体由d到e，温度T降低，内能U减小，体积V不变，气体不做功，根据热力学第一定律UQW得Qpd，E项正确变式3(多选)(2017全国卷33(1)如图3，一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回到状态a.下列说法正确的是()图3A在过程ab中气体的内能增加B在过程ca中外界对气体做功C在过程ab中气体对外界做功D在过程bc中气体从
10、外界吸收热量E在过程ca中气体从外界吸收热量答案ABD解析在过程ab中，体积不变，气体对外界不做功，压强增大，温度升高，内能增加，故选项A正确，C错误；在过程ca中，气体的体积减小，外界对气体做功，压强不变，温度降低，内能变小，气体向外界放出热量，故选项B正确，E错误；在过程bc中，温度不变，内能不变，体积增大，气体对外界做功，由热力学第一定律可知，气体要从外界吸收热量，故选项D正确变式4(多选)(2016全国卷33(1)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图象如图4所示，其中对角线ac的延长线过原点O.下列判断正确的是()图4A气体在a、c
11、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答案ABE解析由理想气体状态方程C得，pT，由题图可知，VaVc，选项A正确；理想气体的内能只由温度决定，而TaTc，故气体在状态a时的内能大于在状态c时的内能，选项B正确；由热力学第一定律UQW知，cd过程温度不变，内能不变，则QW，选项C错误；da过程温度升高，即内能增大，则吸收的热量大于对外界做的功，选项D错误；由理想气体状态方程知：C，即paVaCTa，pbV
12、bCTb，pcVcCTc，pdVdCTd.设过程bc中压强为p1pbpc，过程da中压强为p2pdpa.由外界对气体做功WpV知，过程bc中外界对气体做的功Wbcp1(VbVc)C(TbTc)，过程da中气体对外界做的功Wdap2(VaVd)C(TaTd)，TaTb，TcTd，故WbcWda，选项E正确.例3(2019陕西第二次质检)如图5所示，一个长方形汽缸放置于水平地面上，左右侧壁光滑且绝热，底面面积为S20 cm2且导热良好，质量为m2 kg且绝热的活塞下方封闭了一定量的理想气体，稳定时气柱长度为h20 cm.现在在活塞上放一个物块(未画出)，待系统再次稳定后，活塞下方的气柱长度变为h1
13、0 cm，已知大气压强始终为p01105 Pa，重力加速度g10 m/s2，一切摩擦阻力不计、汽缸气密性良好且外界环境温度保持不变求：图5(1)活塞上所放物块的质量M；(2)第一次稳定到第二次稳定过程中从底部发生热交换的情况答案见解析解析(1)初状态，对活塞由平衡知识可知：p0Smgp1S放上物块再次稳定后：p1Shp2Sh此时对活塞：p0SmgMgp2S解得：M22 kg.(2)对活塞的全过程由动能定理得：(p0SmgMg)(hh)W0活塞对气体做功W，根据热力学第一定律：UQ(W)0联立解得：Q44 J，即从底部放出的热量为44 J.变式5(多选)(2019四川成都市第二次诊断)一定量的理
14、想气体从状态a开始，经历三个过程：从a到b，b到c，c到a回到原状态，其中VT图象如图6所示用pa、pb、pc分别表示状态a、b、c的压强，下列说法正确的是()图6ApapcpbB由a到b的过程中，气体一定吸热C由b到c的过程中，气体放出的热量一定等于外界对气体做的功D由b到c的过程中，每一个气体分子的速率都减小E由c到a的过程中，气体分子的平均动能不变答案ABE解析从状态a到状态b，由理想气体状态方程可知，整理得：pb3pa，同理可知：，整理得：pc3pa，所以pcpbpa，故A正确；从状态a到状态b过程中气体的体积不变，没有做功，温度升高，内能增大，所以气体一定吸热，故B正确；由题图可知，
15、b到c过程气体压强不变，温度降低，所以其体积减小，外界对气体做功，W0，内能减小，U0，由热力学第一定律可知，b到c过程中气体放出的热量一定大于外界对气体做的功，故C错误；温度是分子平均动能的标志，是大量分子运动的统计规律，对单个分子没意义，所以b到c过程中气体的温度降低，分子平均动能减小，并不是每一个气体分子的速率都减小，故D错误；由题图可知，c到a过程，理想气体温度不变，所以气体分子的平均动能不变，故E正确1热力学第二定律的含义(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
16、产生热力学方面的影响，如吸热、放热、做功等在产生其他影响的条件下内能可以全部转化为机械能，如气体的等温膨胀过程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的宏观过程的方向性，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热力学过程的方向性实例(1)高温物体低温物体(2)功热(3)气体体积V1气体体积V2(较大)(4)不同气体A和B混合气体AB.4两类永动机的比较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，却能不断地对外做功的机器从单一热源吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响的机器不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
17、热力学第二定律例4如图7所示为电冰箱的工作原理示意图压缩机工作时，强迫制冷剂在冰箱内外的管道中不断循环在蒸发器中制冷剂汽化吸收箱体内的热量，经过冷凝器时制冷剂液化，放出热量到箱体外图7(1)下列说法正确的是_A热量可以自发地从冰箱内传到冰箱外B电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界，是因为其消耗了电能C电冰箱的工作原理不违反热力学第一定律D电冰箱的工作原理违反热力学第一定律(2)电冰箱的制冷系统从冰箱内吸收的热量与释放到外界的热量相比，有怎样的关系？答案(1)BC(2)见解析解析(1)热力学第一定律是热现象中内能与其他形式能的转化规律，是能量守恒定律的具体表现，适用于所有的热学过程，
18、故C项正确，D项错误；由热力学第二定律可知，热量不能自发地从低温物体传到高温物体，除非有外界的影响或帮助，电冰箱把热量从低温的内部传到高温的外部，需要压缩机的帮助并消耗电能，故B项正确，A项错误(2)由热力学第一定律可知，电冰箱制冷系统从冰箱内吸收了热量，同时消耗了电能，释放到外界的热量比从冰箱内吸收的热量多变式6(多选)(2016全国卷33(1)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答案
19、BDE解析由热力学第一定律UQW知，对气体做功可改变气体的内能，B选项正确；气体吸热为Q，但不确定外界做功W的情况，故不能确定气体温度的变化，A选项错误；理想气体等压膨胀，W0，由UQW，知Q0，气体一定吸热，C选项错误；由热力学第二定律知，D选项正确；根据热平衡定律知，E选项正确1(多选)(2019四川绵阳市第三次诊断)关于热现象，下列说法正确的是()A热量不能自发地从低温物体传到高温物体B物体速度增大，则组成物体的分子动能增大C物体的温度或者体积变化，都可能引起物体内能变化D相同质量的两个物体，升高相同温度，内能增加一定相同E绝热密闭容器中一定质量气体的体积增大，其内能一定减少答案ACE解
20、析根据热力学第二定律可知热量不能自发地从低温物体传到高温物体，A正确；物体分子平均动能的标志是温度，与宏观速度无关，B错误；物体内能等于所有分子的动能与所有分子势能的和，分子平均动能与温度有关，而分子势能与体积有关，所以物体内能与温度和体积有关，C正确；根据C选项的分析，升高相同温度，但体积关系未知，所以内能变化无法判断，D错误；根据热力学第一定律UQW，容器绝热，Q0，气体体积增大，所以气体对外做功，W0，所以U0，由热力学第一定律UWQ，气体一定吸热，故A正确；过程bc中温度不变，则内能不变，即U0，但体积增大，气体对外做功，W0，气体吸热，则B错误；过程ca中温度降低即U0，由热力学第一
21、定律UWQ，气体放出的热量大于外界对气体做的功，故C错误；a、b和c三个状态中，状态a的温度最低，故分子的平均动能最小，则D正确；b和c两个状态温度相同，分子平均动能相等，但c状态体积大分子密集程度小，单位时间内容器壁单位面积受到的气体分子撞击次数少，故E正确3(多选)(2019东北三省四市教研联合体模拟)一定质量的理想气体经历如图2所示的循环，图线由两条绝热线和两条等容线组成，其中，ab和cd为绝热过程，bc和da为等容过程下列说法正确的是()图2Aab过程中，外界对气体做功Bab过程中，气体分子的平均动能不变Cbc过程中，单位时间内与器壁单位面积碰撞的分子数增多Dcd过程中，单位体积内气体
22、分子数减少Eda过程中，气体从外界吸收热量答案ACD解析ab过程为绝热过程，Q0，体积变小，外界对气体做功，W0，所以内能U0，温度升高，气体分子的平均动能变大，故A正确，B错误；bc过程中，体积不变 ，由C可知，当压强变大时，温度升高，故单位时间内与器壁单位面积碰撞的分子数增多，故C正确；cd过程为绝热过程，体积变大，单位体积内气体分子数减少，故D正确；da过程中，为等容变化，压强减小，温度降低，可知U0，W0，UWQ，故Q0，气体放热，故E错误4.(多选)(2019福建龙岩市3月质量检查)如图3所示为一定质量的理想气体发生状态变化的pV图象，图线1、2是两条等温线，A、B是等温线1上的两点
23、，C、D是等温线2上的两点，图线AD、BC均与V轴平行，则下列说法正确的是()图3A等温线1对应的气体温度比等温线2对应的气体温度高B从状态A变化到状态B，气体一定吸收热量C从状态B变化到状态C，气体吸收的热量比气体对外界做功多D从状态C变化到状态D，单位体积的气体分子数增大，但气体分子的平均动能不变E从状态D变化到状态A，气体放出的热量比外界对气体做功少答案BCD解析从CB为等压变化，由公式C可知，等温线1对应的气体温度比等温线2对应的气体温度低，故A错误；从状态A到状态B为等温变化，内能不变，体积增大，气体对外做功，由热力学第一定律得：UQW，所以气体一定吸收热量，故B正确；从状态B变化到
24、状态C，气体的温度升高，内能增大，体积增大，气体对外做功，由热力学第一定律得：UQW，所以气体吸收的热量比气体对外界做功多，故C正确；从状态C到状态D为等温变化，所以分子平均动能不变，体积减小，单位体积的气体分子数增大，故D正确；从状态D变化到状态A，温度降低，内能减小，体积减小，外界对气体做功，由热力学第一定律可得：UQW，所以气体放出的热量比外界对气体做功多，故E错误5.如图4所示，曲线为某理想气体在pV图象中的两条等温线，现该气体分别从状态A到达状态B、C，其中AB过程气体内能减少35 J，AC过程气体对外做功20 J.(1)若状态A的温度为900 K，求状态B的温度；(2)定量分析AC
25、过程中吸放热情况图4答案(1)300 K(2)放出热量15 J解析(1)由理想气体状态方程可得：，解得：TB300 K.(2)B、C所在曲线为等温线，则状态B与状态C内能相同，AC过程：UWQ，解得Q15 J，即放出热量15 J.6(2019福建莆田市5月第二次质检)如图5，一定质量的理想气体经历了ABC的状态变化过程，在此过程中气体的内能增加了135 J，外界对气体做了90 J的功已知状态A时气体的体积VA600 cm3.求：图5(1)从状态A到状态C的过程中，气体与外界热交换的热量；(2)状态A时气体的压强pA.答案(1)吸收热量45 J(2)1.5105 Pa解析(1)根据热力学第一定律有UWQ由代入数据得Q45 J即气体从外界吸收热量45 J.(2)从状态A到状态B为等容变化过程，根据查理定律有从状态B到状态C为等压变化过程，根据盖吕萨克定律有从状态A到状态B，外界对气体不做功；从状态B到状态C，外界对气体做功，WpBV又VVBVC，VBVA由式代入数据得：pA1.5105 Pa.