1、第 3 单元 热力学定律与能量守恒定律基础自主梳理 一、改变内能的两种方式1.功和内能做功可以使物体的内能发生改变,内能的改变量是用功的数值来量度的.外界对物体做了多少功,物体的内能就增加多少;物体对外界做了多少功物体的内能就减少多少.绝热过程:系统只由于外界对它做功而与外界交换能量,它不从外界吸热,也不向外界放热,这样的过程叫做绝热过程.2.热传递和内能热传递也可以使物体的内能发生改变,内能的改变量是用热量来量度的.物体吸收了多少热量,物体的内能就增加多少;物体放出了多少热量,物体的内能就减少多少.热传递有三种方式:热传递、热传导、热辐射.基础自主梳理 二、热力学定律1.热力学第一定律与能量
2、守恒定律(1)热力学第一定律如果物体跟外界同时发生做功和热传递的过程,外界对物体所做的功W 加上物体从外界吸收的热量 Q 等于物体内能的增加 U,即 U=W+Q.(2)热力学第一定律的符号法则功 W0,表示系统对外界做功;W0,表示物体吸热;Q0,表示内能增加;U0,表示内能减少.(3)能量守恒定律: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别的形式,或者从一个物体转移到别的物体,在转化和转移的过程中其总量保持不变.(4)第一类永动机:违背能量守恒定律的机器被称为第一类永动机.它是不可能制成的.基础自主梳理 2.热力学第二定律及其微观解释(1)克劳修斯表述(按热传递的方向性来表
3、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(按机械能与内能转化过程的方向性来表述):不可能从单一热源吸收热量,使之完全变成功,而不产生其他影响.(3)热力学第二定律的意义:揭示了有大量分子参与的宏观过程的方向性,是独立于热力学第一定律的一个重要自然规律.(4)热力学第二定律的微观解释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,这是热力学第二定律的微观意义.从微观的角度看,热力学第二定律是一个统计规律:一个孤立系统总是从熵小的状态向熵大的状态发展,所以热力学第二定律也叫熵增加原理.(5)第二类永动机:违背宏观热现象方向性的机器被称为第二类永动机.这类永动机不违背能量守
4、恒定律,但它违背了热力学第二定律,也是不可能制成的.基础自主梳理 有同学根据热力学第二定律得出,热量不可能从低温物体传到高温物体,对不对?为什么?提示:在有外界影响的条件下,热量可以从低温物体传到高温物体,如电冰箱;在引起其他变化的条件下,内能可以全部转化为机械能,如气体的等温膨胀过程.要点研析突破 热力学第一定律1.温度、内能、热量、功的比较温度内能(热能)热量功含义表示物体的冷热程度,是物体分子平均动能大小的标志,它是大量分子热运动的集体表现,对个别分子来说,温度没有意义物体内所有分子动能和势能的总和,它是由大量分子的热运动和分子的相对位置决定的能表示热传递过程中内能的改变量,用来量度热传
5、递过程中内能转移的多少做功过程是机械能或其他形式的能和内能之间的转化过程关系温度和内能是状态量,热量和功则是过程量.发生热传递的前提条件是存在温差,传递的是热量而不是温度,实质上是内能的转移要点一要点研析突破 2.热力学第一定律(1)在应用热力学第一定律时,应特别分清 W、Q 的正负号,以便准确地判断 U 的正、负.(2)容易出错的几种特殊情况:若是绝热过程,是 Q=0,W=U,即外界对物体做的功等于物体内能的增加;若过程中不做功,即W=0,则Q=U,物体吸收的热量等于物体内能的增加;若过程的始末状态物体的内能不变,即 U=0,则 W+Q=0 或 W=-Q,外界对物体做的功等于物体放出的热量.
6、(3)该要点在高考中主要以简答题的方式考查.要点研析突破 例1(2015启东中学三模)如图所示,一定质量的理想气体从状态A依次经过状态B、C和D后再回到状态A.其中,AB和CD为等温过程,BC和DA为绝热过程(气体与外界无热量交换).这就是著名的“卡诺循环”.(1)该循环过程中,下列说法正确的是.A.AB过程中,外界对气体做功 B.BC过程中,气体分子的平均动能增大 C.CD过程中,单位时间内碰撞单位面积器壁的分子数增多 D.DA过程中,气体分子的速率分布曲线不发生变化(2)该循环过程中,内能减小的过程是(选填“AB”“BC”“CD”或“DA”).若气体在AB过程中吸收63 kJ的热量,在CD
7、过程中放出38 kJ的热量,则气体完成一次循环对外做的功为kJ.思维导引:在p|V图象中，AB和CD的过程，发生等温变化，BC和DA的过程，为绝热过程.由各过程的特点及p、V的变化判断做功情况.经过一个完整循环而回到原状态时，内能变化总量为多少？解析：(1)AB过程中，气体体积变大，气体对外做功，A项错误；由理想气体状态方程可知，BC为绝热过程，气体体积变大，气体对外界做功，内能减小，温度降低，因此BC温度降低，气体分子的平均动能减小，B项错误；CD过程中气体压强增大，又CD为等温过程，且气体体积变小，则单位时间内碰撞单位面积器壁的分子数增多，C项正确；DA过程中，气体体积减小，外界对气体做功
8、，内能增大，温度升高，因此气体分子的速率分布曲线的最大值向速率大的方向偏移，D项错误(2)该循环过程中，BC温度降低，内能减少，由于一个循环中气体的内能不变，BC、DA是绝热过程，气体与外界无热量交换，因此整个过程中吸收的热量63 kJ38 kJ25 kJ，根据热力学第一定律可知，气体对外做的功为25 kJ.答案：(1)C(2)BC 25 要点研析突破 感悟提升:判定物体内能变化的方法(1)当做功和热传递两种过程同时发生时,内能的变化就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
9、递,此时 Q=0.(4)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.要点研析突破 1.(2015北京卷)下列说法正确的是()A.物体放出热量，其内能一定减小 B.物体对外做功，其内能一定减小 C.物体吸收热量，同时对外做功，其内能可能增加 D.物体放出热量，同时对外做功，其内能可能不变 解析：根据热力学第一定律知改变物体内能的两种方式为做功和热传递，只知做功或热传递而不知另一个无法判断内能的变化,A、B两项错；物体吸热并对外做功时，若吸热大于对外做功，则内能增加，C项正确；物体放热并对外做功内能一定减小，D
10、项错.答案：C 要点研析突破 2.在如图所示的坐标系中，一定质量的某种理想气体先后发生以下两种状态变化过程：第一种变化是从状态 A 到状态 B，外界对该气体做功为 6 J；第二种变化是从状态 A 到状态C，该气体从外界吸收的热量为 9 J.图线AC 的反向延长线通过坐标原点O，B、C 两状态的温度相同，理想气体的分子势能为零.求：(1)从状态 A 到状态 C 的过程，该气体对外界做的功 W1 和其内能的增量U1；(2)从状态 A 到状态 B 的过程，该气体内能的增量U2 及其从外界吸收的热量Q2.解析：(1)由题意知从状态 A 到状态 C 的过程，气体发生等容变化该气体对外界做的功 W10根据
11、热力学第一定律有U1W1Q1内能的增量U1Q19 J.(2)从状态 A 到状态 B 的过程，体积减小，温度升高该气体内能的增量U2U19 J根据热力学第一定律有U2W2Q2从外界吸收的热量Q2U2-W23 J.答案：(1)09 J(2)9 J3 J要点研析突破 3.某汽车后备箱内安装有撑起箱盖的装置,它主要由汽缸和活塞组成.开箱时,密闭于汽缸内的压缩气体膨胀,将箱盖顶起,如图所示.在此过程中,若缸内气体与外界无热交换,忽略气体分子间相互作用,则汽缸内气体()A.对外做正功,分子的平均动能减小B.对外做正功,内能增大C.对外做负功,分子的平均动能增大D.对外做负功,内能减小解析:气体膨胀,体积增
12、大对外做功;由热力学第一定律 U=W+Q,由于是绝热过程,故气体内能减少,气体温度降低,分子的平均动能减小.答案:A要点研析突破 要点二热力学第二定律1.热力学过程方向性实例(1)高温物体低温物体(2)功热量(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 AB2.热力学第一定律和热力学第二定律的关系热力学第一定律是和热现象有关的物理过程中能量守恒的特殊表达形式及热量与内能改变的定量关系.而第二定律指明了能量转化与守恒能否实现的条件和过程进行的方向,指出了一切变化过程的自然发展是不可逆的,除非靠外界影响.所以二者相互联系,又相互补充.要点二要点研析突破 3.两类永动
13、机的比较 第一类永动机第二类永动机不消耗能量却可以源源不断地对外做功的机器从单一热源吸热,全部用来对外做功而不引起其他变化的机器违背能量守恒,不可能实现不违背能量守恒,违背热力学第二定律,不可能实现 要点研析突破(2013全国大纲卷)根据热力学定律,下列说法中正确的是()A.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B.空调机在制冷过程中,从室内吸收的热量少于向室外放出的热量C.科技的进步可以使内燃机成为单一热源的热机D.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”思维导引回忆热力学第二定律常见的两种表述.克劳修斯表述:热量不能自发地从低温物体传到高温物体.开尔文表述
14、: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.答案试解:AB要点研析突破 解析:在一定条件下,热量可以从低温物体传给高温物体,A 项正确;空调机工作过程中,电流做功产生热,所以向室外放热多,从室内吸热少,B 项正确;C项中的说法违反热力学第二定律,C 项错;对能源的过度消耗会造成可以利用的能量减少,而总的能量是守恒的,D 项错.感悟提升:解答热力学第二定律问题的注意事项(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.要
15、点研析突破 4.(2016江苏模块验收测试)如图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.(1)(多选)下列说法正确的是BC 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?解析：对封闭气体，由题图可知ab过程，气体体积V不变，没有做功，而温度T升高，则为吸
16、热过程，A项正确bc过程为等温变化，压强减小，体积增大，对外做功，则为吸热过程，B项错误；ca过程为等压变化，温度T降低，内能减少，体积V减小，外界对对气体做功，依据WQE，外界对气体所做的功小于气体所放的热，C项错误；温度是分子平均动能的标志，Tapc，显然E项正确 答案：ADE 要点研析突破 5.用隔板将一容器隔成 A 和 B 两部分，A 中盛有一定量的气体，B 为真空(如图甲所示)，现把隔板抽去，A 中的气体将自动充满整个容器(如图乙所示)，这个过程称为气体的自由膨胀.则关于气体的自由膨胀下列说法中正确的是（）A.在自由膨胀过程中，所有气体分子的运动方向相同B.在自由膨胀过程中，只要把握
17、好隔板插入的时机，全部气体就能到达B部分C.气体充满整个容器后，只要时间足够长，还能全部自动回到A 部分D.气体充满整个容器后，B 部分中的某些气体分子有可能再回到A 部分解析：气体分子在永不停息地做无规则运动，在自由膨胀过程中也不例外，选项 A 错误；在自由膨胀过程中，气体分子将充满所能达到的空间，即整个容器，选项 B 错误；热力学第二定律指出具有大量分子参与的宏观过程都具有方向性，所以选项 C 错误；气体充满整个容器后，气体分子朝各个方向运动的机会均等，所以 B 部分中的某些气体分子有可能再回到 A 部分，选项 D 正确.答案：D速效提升训练 1.(2014广东卷)用密封性好、充满气体的塑
18、料袋包裹易碎品，如图所示，充气袋四周被挤压时，假设袋内气体与外界无热交换，则袋内气体（）A.体积减小，压强增大B.体积减小，压强减小C.对外界做负功，内能增大D.对外界做正功，压强减小解析：充气袋被挤压时，气体体积减小，外界对气体做功，由于袋内气体与外界无热交换，故由热力学第一定律知，气体内能增加，故选项 C 正确，选项D 错误；体积减小，内能增加，由理想气体状态方程可知压强变大，故选项 A 正确，选项 B 错误.答案：AC速效提升训练 2.(2015重庆卷)某驾驶员发现中午时车胎内的气压高于清晨时的，且车胎体积增大.若这段时间胎内气体质量不变且可视为理想气体，那么()A.外界对胎内气体做功，
19、气体内能减小 B.外界对胎内气体做功，气体内能增大 C.胎内气体对外界做功，内能减小 D.胎内气体对外界做功，内能增大 解析：理想气体的内能只与温度有关，温度增加，气体的内能增大，气体体积增加，气体对外界做功，故D项正确.失分警示：误以为气体体积增加，对外做功而内能减少，忽略了中午温度高于清晨这一条件，而理想气体的内能只与温度有关.答案：D 速效提升训练 3.下列说法中正确的是()A.气体向真空的自由膨胀是不可逆的B.一切自然过程总是沿着分子热运动的有序性增大的方向进行C.在任何自然过程中,一个孤立系统的总熵不会减小D.如果一个“宏观态”对应的“微观态”比较多,就说明这个“宏观态”是比较无序的
20、解析:向真空中膨胀的气体不会自发地聚集起来,A 项对;热现象的有向性决定了自然过程会向分子热运动无序性增大的方向进行,B 项错;由熵增加原理知 C 项对;一个“宏观态”对应的“微观态”越多,说明这个“宏观态”越无序,D 项对.答案:ACD速效提升训练 4.(2015黄冈中学三模)一定质量的理想气体压强p与热力学温度T的关系图象如图所示，AB、BC分别与p轴和T轴平行，气体在状态A时的压强为p0、体积为V0，在状态B时的压强为2p0，则气体在状态B时的体积为_；气体从状态A经状态B变化到状态C的过程中，对外做的功为W，内能增加了U，则此过程气体_(选填“吸收”或“放出”)的热量为_.导学号36280173 解析：对AB过程，温度不变，由玻意耳定律可知，气体在状态B时的体积为V=V0/2；气体从状态A经状态B变化到状态C的过程中，对外做的功为W，内能增加了U，由热力学第一定律，知此过程气体吸收的热量为U+W.答案：V0/2 吸收 U+W
