1、第3讲热力学定律与能量守恒定律主干梳理 对点激活知识点热力学第一定律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。(3)UQW中正、负号法则(4)UQW的三种特殊情况若过程是绝热的，则Q0，WU，外界对物体做的功等于物体内能的增加。若外界对系统做功为0，即W0，则QU，物体吸收的热量等于物体内能的增加。此处的W包含机械功、电流功等一切功。对于不涉及其他力做功的气体的等容过程，W0，QU。对于理想气体，若过程是等温的，即U0，则WQ0或WQ，外界对物体做的功等于物体放出的热量
2、。知识点热力学第二定律1热力学第二定律的三种表述(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。”(3)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。(熵增加原理)2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。 知识点能量守恒定律1能量守恒定律的内容：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
3、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。例如，机械能守恒定律具有适用条件，而能量守恒定律是无条件的，是一切自然现象都遵守的基本规律。3两类永动机(1)第一类永动机：不需要任何动力或燃料，却能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：从单一热库吸收热量并把它全部用来对外做功，而不产生其他影响的机器。违背热力学第二定律，不可能实现。4能源的利用(1)存在能量耗散和品质降低。(2)重视利用能源时对环境的影响。(3)要开发新能源(如太阳能、生物质能、风能、水能等)。一 堵点疏通1做功和热传递的实质是相同的。()2绝热过程中，外界压缩气体做功20 J，气体
4、的内能一定减少20 J。()3根据热力学第二定律可知，凡与热现象有关的宏观过程都具有方向性，在热传导中热量只能自发地从高温物体传递给低温物体，而不能自发地从低温物体传递给高温物体。()4熵增加原理说明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。()5尽管技术不断进步，热机的效率仍不能达到100%，制冷机却可以使温度降到283 。()6对能源的过度消耗将使自然界的能量不断减少，形成能源危机。()7在给自行车打气时，会发现打气筒的温度升高，这是因为外界对气体做功。()8自由摆动的秋千摆动幅度越来越小，能量正在消失。()9利用河水的能量使船逆水航行的设想，符合能量守恒定律。()10热机中，
5、燃气的内能可以全部变为机械能而不引起其他变化。()答案1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.二 对点激活1(人教版选修33P56T1改编)用活塞压缩汽缸里的空气，对空气做了900 J的功，同时汽缸向外散热210 J，汽缸里空气的内能()A增加了1100 J B.减少了1100 JC增加了690 J D.减少了690 J答案C解析由热力学第一定律UWQ，得U900 J210 J690 J，内能增加690 J，C正确。2(人教版选修33P61T2改编)(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，
6、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外高温物体答案CD解析热量只会自发地从高温物体传到低温物体，而不会自发地从低温物体传到高温物体，故A错误；机械能可以完全转化为内能，而内能却不能完全转化为机械能，故B错误；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、水自动分离是因为泥沙的密度大于水，故可以分离，C正确；电冰箱通电后由于压缩机做功从而将低温物体的热量传到箱外的高温物体，故D正确。3.(多选)一定质量的理想气体从状态a开始，经历三个过程(a到b、b到c、c到a)回到原状态，其VT图象如图所示，pa、pb、pc分别表示状态a、b、c时气体的
7、压强，下列说法正确的是()A由a到b的过程中，气体一定吸热BpcpbpaC由b到c的过程中，气体放出的热量一定大于外界对气体做的功D由c到a的过程中，气体分子的平均动能不变答案ACD解析由a到b的过程中，气体温度升高，根据一定量的理想气体内能只与温度有关可知，气体内能增大，又因为气体体积不变，外界对气体不做功，由热力学第一定律可知，气体一定吸热，A正确；根据理想气体状态方程可知，paTa，则pbpa，即过程中气体的压强逐渐增大，A错误；由于过程中气体体积增大，所以过程中气体对外做功，B正确；过程中气体体积不变，对外做功为零，温度降低，内能减小，根据热力学第一定律，过程中气体放出热量，C错误；由
8、于状态c、d的温度相等，根据理想气体的内能只与温度有关，可知状态c、d的内能相等，D正确。变式12(2019四川南充二诊改编)(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()A气体自发扩散前后内能减少B气体在被压缩的过程中内能增大C气体在被压缩的过程中，外界对气体做负功D气体在被压缩过程中，气体分子的平均动能变大答案BD解析气体向真空自发扩散，对外界不做功，且没有热传递，气体的内能不会改变，则A错误；气体在被压缩的
9、过程中，外界对气体做正功，因汽缸绝热，故气体内能增大，故B正确，C错误；气体在被压缩的过程中内能增加，而理想气体无分子势能，故气体分子的平均动能增加，D正确。考点2热力学第二定律1.热力学第一、第二定律的比较 定律名称比较项目 热力学第一定律热力学第二定律定律揭示的问题它从能量守恒的角度揭示了功、热量和内能改变量三者的定量关系它指出涉及热现象的过程是有方向性的机械能和内能的转化通过做功机械能与内能互相转化内能不可能在不引起其他变化的情况下完全转化为机械能热量的传递内能的变化等于外界做的功与吸收的热量之和说明热量不能自发地从低温物体传向高温物体表述形式只有一种表述形式有多种表述形式两定律的关系在
10、热力学中，两者既相互独立，又互为补充，共同构成了热力学知识的理论基础2两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，却能不断地对外做功的机器从单一热库吸收热量，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，违背热力学第二定律例2(2019广东汕头二模改编)(多选)下列说法正确的是()A一定质量的理想气体等温膨胀时，该理想气体吸收的热量全部用于对外做功B利用新科技手段对内燃机进行不断的改进，可以使内燃机获得的内能全部转化为机械能而不引起其他变化C夏天开空调可以使房间的温度比室外低，说明热量可以自发地从低温物体传向高温物体D第
11、二类永动机不可能制成是因为违背了热力学第二定律(1)热量可以自发地从低温物体传向高温物体吗？提示：不能。(2)第二类永动机不可能制成是违反了能量守恒定律还是热力学第二定律？提示：热力学第二定律。尝试解答选AD。一定质量的理想气体等温膨胀时，根据热力学第一定律，温度不变(U0)，体积增大(W0)，气体吸收热量(Q0)，该理想气体吸收的热量全部用于对外做功，故A正确；根据热力学第二定律，随着科技的进步，热机的效率也不能达到100%，不能使内燃机获得的内能全部转化为机械能而不引起其他变化，故B错误；夏天开空调可以使房间的温度比室外低，说明热量可以从低温物体传向高温物体，但必须有电对其做功，而不是自发
12、的过程，故C错误；第二类永动机不可能制成是因为违背了热力学第二定律，故D正确。对热力学第二定律的理解(1)在热力学第二定律的表述中，“自发地”“不产生其他影响”的涵义：“自发地”指不需要借助外界提供能量的帮助，指明了热传递等热力学宏观现象的方向性；“不产生其他影响”的涵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：自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性。如：高温物体低温物体。功热。气体体积V1气体体积V2(较大)。不同气体A和B混合气体AB。变式21(2019四川高三毕业班第二次诊断改编)下列叙述，正确的是
13、()A气体吸热后温度一定升高B热量不可能从低温物体传到高温物体C能量耗散是从能量转化的角度反映出自然界中的宏观过程具有方向性D物体从单一热源吸收的热量在不引起外界变化的情况下可全部用于做功答案C解析根据热力学第一定律UQW，气体吸热后如果对外做功，则温度不一定升高，A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，但在引起外界变化的情形下，可以从低温物体传到高温物体，B错误；能量耗散是从能量转化的角度反映出自然界中的宏观现象的发生具有方向性，C正确；物体从单一热源吸收的热量可以全部用于做功，但一定会引起外界变化，D错误。变式22(2019河南名校第四次联考改编)(多选)关于热
14、现象，下列说法中正确的是()A如果某个系统与另一个系统达到热平衡，那么这两个系统彼此之间分子平均动能相同B一定量的某种理想气体在等压膨胀过程中，内能一定增加C气体被压缩时，内能一定增加D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答案ABD解析根据热平衡定律可知，如果两个系统达到热平衡，则温度相同，分子平均动能相同，A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，B正确；气体被压缩时，外界对气体做功(W0)，如果向外界放热(Q0)，根据热力学第一定律UWQ，内能可能增大、不变或减小，C错误；根据热力学第二定律可知，自然
15、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，D正确。考点3气体实验定律与热力学第一定律的综合应用例3(2020广西桂林十八中高三上月考)如图所示，一足球球内气体的压强为p0，体积为V0，温度为T0，用打气筒对足球充入压强为p0，温度为T0的气体，使球内气体压强变为3p0，同时温度升至2T0，充气过程中气体向外放出Q的热量，假设足球体积不变，气体内能U与温度的关系为UkT(k为正的常数)，求：(1)打气筒对足球充入压强为p0、温度为T0的气体的体积；(2)打气筒对足球充气过程中对气体做的功。(1)求解充入气体的体积时，应以什么为研究对象？提示：以足球内气体和充入的气体整体为研究对象。
16、(2)如何求解打气筒对气体做的功？提示：由热力学第一定律求解。尝试解答(1)0.5V0_(2)QkT0(1)设打气筒对足球充入压强为p0、温度为T0的气体的体积为V，以足球内气体与充入的气体整体为研究对象，初状态：p1p0，V1V0V，T1T0末状态：p23p0，V2V0，T22T0根据理想气体状态方程得：代入数据解得：V0.5V0。(2)因为气体内能U与温度的关系为UkT所以打气过程内能变化：Uk(2T0T0)kT0由热力学第一定律得：UW(Q)解得打气筒对气体做的功：WQkT0。气体实验定律与热力学第一定律的综合应用问题的处理方法(1)气体实验定律的研究对象是一定质量的理想气体。(2)解决
17、具体问题时，分清气体的变化过程是求解问题的关键，根据不同的变化，找出相关的气体状态参量，利用相关规律解决。(3)对理想气体，只要体积变化，外界对气体(或气体对外界)做功WpV；只要温度发生变化，其内能就发生变化。(4)结合热力学第一定律UWQ求解问题。变式31绝热的活塞与汽缸之间封闭一定质量的理想气体，汽缸开口向上置于水平面上，活塞与汽缸壁之间无摩擦，缸内气体的内能UP72 J，如图甲所示。已知活塞面积S5104 m2，其质量为m1 kg，大气压强p01.0105 Pa，重力加速度g10 m/s2。如果通过电热丝给封闭气体缓慢加热，活塞由原来的P位置移动到Q位置，此过程封闭气体的VT图象如图乙
18、所示，且知气体内能与热力学温度成正比。求：(1)封闭气体最后的体积；(2)封闭气体吸收的热量。答案(1)6104 m3(2)60 J解析(1)以气体为研究对象，根据盖吕萨克定律，有：解得：VQ6104 m3。(2)由气体的内能与热力学温度成正比：，解得：UQ108 J活塞从P位置缓慢移到Q位置，活塞受力平衡，气体为等压变化，以活塞为研究对象：pSp0Smg解得：pp01.2105 Pa外界对气体做功：Wp(VQVP)24 J由热力学第一定律：UQUPQW得气体变化过程吸收的总热量为Q60 J。变式32(2020武汉高三质量监测)一定质量的某种理想气体由状态A变化到状态C，其有关数据如图所示，且
19、状态A的温度为T0。已知理想气体的内能U与温度T的关系为UT，其中为正的常量。求：(1)状态C时的温度TC；(2)气体由状态B变化到状态C的过程中，放出的热量。答案(1)0.3T0(2)0.3T00.3p0V0解析(1)一定质量的理想气体由状态A变化到状态C，由理想气体状态方程有解得TC0.3T0。(2)气体由状态A变化到状态B，体积不变，由查理定律有解得TB0.6T0气体由状态B变化到状态C，体积变小，外界对气体做功W0.6p0(V00.5V0)0.3p0V0内能的变化U(TCTB)0.3T0由热力学第一定律有UWQ解得Q0.3T00.3p0V0故气体由状态B变化到状态C，放出的热量为03T
20、00.3p0V0。高考模拟 随堂集训1(2018海南高考)(多选)如图，一定量的理想气体，由状态a等压变化到状态b，再从b等容变化到状态c。a、c两状态温度相等。下列说法正确的是()A从状态b到状态c的过程中气体吸热B气体在状态a的内能等于在状态c的内能C气体在状态b的温度小于在状态a的温度D从状态a到状态b的过程中气体对外做正功答案BD解析从状态b到状态c的过程中，气体的体积不变，压强减小，不对外做功，由理想气体状态方程C知气体温度降低，内能减少，由热力学第一定律知气体对外放热，A错误；理想气体的内能只与温度有关，a、c两状态温度相等，所以内能相等，B正确；从状态a到状态b的过程中，气体的压
21、强不变，体积增大，由理想气体状态方程C可知，气体的温度升高，C错误；从状态a到状态b的过程中，体积增大，气体对外做正功，D正确。2(2018全国卷节选)(多选)如图，一定质量的理想气体从状态a变化到状态b，其过程如pV图中从a到b的直线所示。在此过程中()A气体内能一直增加B气体一直对外做功C气体一直从外界吸热D气体吸收的热量一直全部用于对外做功答案ABC解析一定质量的理想气体从a到b的过程，由理想气体状态方程可知，TbTa，即气体的温度一直升高，根据理想气体的内能只与温度有关，可知气体的内能一直增加，A正确；由于从a到b的过程中气体的体积增大，所以气体一直对外做功，B正确；根据热力学第一定律
22、，从a到b的过程中，气体一直从外界吸热，C正确；气体吸收的热量一部分增加内能，一部分对外做功，D错误。3(2017全国卷节选)(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回到状态a。下列说法正确的是()A在过程ab中气体的内能增加B在过程ab中气体对外界做功C在过程bc中气体从外界吸收热量D在过程ca中气体从外界吸收热量答案AC解析ab过程是等容变化，ab过程压强增大，温度升高，气体内能增大，A正确。而由于体积不变，气体对外界不做功，B错误。ca过程是等压变化，体积减小，外界对气体做功。体积减小过程中，温度降低，内能
23、减小，气体要放出热量，D错误。bc过程是等温变化，内能不变，体积增大，气体对外界做功，则需要吸收热量，C正确。4(2017江苏高考)(多选)一定质量的理想气体从状态A经过状态B变化到状态C，其VT图象如图所示。下列说法正确的是()AAB的过程中，气体对外界做功BAB的过程中，气体放出热量CBC的过程中，气体压强不变DABC的过程中，气体内能增加答案BC解析AB过程是等温变化，气体内能不变，体积减小，外界对气体做功，由热力学第一定律知，气体要放出热量，A错误，B正确。BC过程中，是一个常数，为等压变化，C正确。ABC整个过程，温度降低，气体内能减少，D错误。5(2019江苏高考)如图所示，一定质
24、量理想气体经历AB的等压过程，BC的绝热过程(气体与外界无热量交换)，其中BC过程中内能减少900 J。求ABC过程中气体对外界做的总功。答案1500 J解析AB过程，外界对气体做的功W1p(VBVA)BC过程，根据热力学第一定律，外界对气体做的功W2U则ABC过程中气体对外界做的总功W(W1W2)代入数据得W1500 J。6(2018江苏高考)如图所示，一定质量的理想气体在状态A时压强为2.0105 Pa，经历ABCA的过程，整个过程中对外界放出61.4 J热量。求该气体在AB过程中对外界所做的功。答案138.6 J解析整个过程中，外界对气体做功WWABWCA，且WCApA(VCVA)，由热
25、力学第一定律UQW，以及U0，得WAB(QWCA)，代入数据得WAB138.6 J，即气体对外界做的功为138.6 J。7(2018全国卷)如图，一竖直放置的汽缸上端开口，汽缸壁内有卡口a和b，a、b间距为h，a距缸底的高度为H；活塞只能在a、b间移动，其下方密封有一定质量的理想气体。已知活塞质量为m，面积为S，厚度可忽略；活塞和汽缸壁均绝热，不计它们之间的摩擦。开始时活塞处于静止状态，上、下方气体压强均为p0，温度均为T0。现用电热丝缓慢加热汽缸中的气体，直至活塞刚好到达b处。求此时汽缸内气体的温度以及在此过程中气体对外所做的功。重力加速度大小为g。答案T0(p0Smg)h解析开始时活塞位于
26、a处，加热后，汽缸中的气体先经历等容过程，直至活塞开始运动。设此时汽缸中气体的温度为T1，压强为p1，根据查理定律有根据力的平衡条件有p1Sp0Smg联立式可得T1T0此后，汽缸中的气体经历等压过程，直至活塞刚好到达b处，设此时汽缸中气体的温度为T2；活塞位于a处和b处时气体的体积分别为V1和V2。根据盖吕萨克定律有式中V1SHV2S(Hh)联立式解得T2T0从开始加热到活塞到达b处的过程中，汽缸中的气体对外做的功为W(p0Smg)h。8(2019山东济宁一模)如图所示，用质量为m1 kg、横截面积为S10 cm2的活塞在汽缸内封闭一定质量的理想气体，活塞与汽缸壁之间的摩擦忽略不计。开始时活塞距汽缸底的高度为h10 cm且汽缸足够高，气体温度为t27 ，外界大气压强为p01.0105 Pa，取g10 m/s2，绝对零度取273 。求：(1)此时封闭气体的压强；(2)给汽缸缓慢加热，当缸内气体吸收4.5 J的热量时，内能的增加量为2.3 J，求此时缸内气体的温度。答案(1)1.1105 Pa(2)87 解析(1)以活塞为研究对象，由平衡条件得：mgp0SpS解得：封闭气体压强为p1.1105 Pa。(2)由热力学第一定律得：UWQ给汽缸缓慢加热过程中，活塞始终处于平衡状态，缸内气体的压强不变外界对气体做功为WpSx对气体由盖吕萨克定律得：解得：缸内气体的温度为t87 。