1、第3讲 热力学定律与能量守恒 考点1 热力学第一定律 1.改变物体内能的两种方式 _和热传递.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 _与外界对它所做的功的和.(2)表达式：U=_.做功 热量 Q+W 1.改变内能的两种方式的比较 方式名称 比较项目 做功热 传 递区 别 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 方式名称 比较项目 做功热 传 递区 别 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
2、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 方式名称 比较项目 做功热 传 递区 别 能的性质变化情况 能的性质发生了变化 能的性质不变 相互联系 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 2.U=W+Q中正、负号法则 WQ 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 意义 物理量 符号 3.U=Q+W的三种特殊情况(1)若过程是绝热的，则Q=0,W=U,外界对物体做的功等于物体内能的增加.(2)若过程是等容的，即W=0,Q=U，物体吸收
3、的热量等于物体内能的增加.(3)若过程是等温的，即 U0，则W+Q=0或W=-Q，外界对物体做的功等于物体放出的热量.4.对温度、内能、热量和功的三点说明(1)温度、内能、热量和功是热学中相互关联的四个物理量.当物体的内能改变时，温度不一定改变.只有当通过热传递改变物体内能时才会有热量传递，但能的形式没有发生变化.(2)热量是热传递过程中的特征物理量，和功一样是过程量，离开过程谈热量毫无意义.就某一状态而言，只有“内能”，根本不存在“热量”和“功”，因此不能说一个系统中含有“多少热量”或“多少功”.(3)物体的内能大，并不意味着物体一定会对外做功或向外传递热量.只有物体的内能变化较大时，做的功
4、或传递的热量才会多.1.热力学第二定律的两种表述(1)克劳修斯表述：热量不能_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_.或表述为“_永动机是不可能 制成的.”考点2 热力学第二定律 自发地 不产生其他影响 第二类 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_(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_增大的方向进行.减小 无序性 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(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
5、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.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(1)高温物体 低温物体.(2)功 热.(3)气体体积V1 气体体积V2(V10，下滑过程不与外界发生热交换，Q=0，由热力学第一定律U=W+Q可知内能增大，A正确，B、C、D错误.【总结提升】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
6、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.热力学第二定律的应用【例证2】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.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
7、传到外界，是因为其消耗了电能 C.电冰箱的工作原理违反热力学第一定律 D.电冰箱的工作原理违反热力学第二定律【解题指南】结合热力学第一定律、热力学第二定律的相关知识进行研究分析.【自主解答】选B.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，是能的转化和守恒定律的具体表现，适用于所有的热学过程，故C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正确，A、D错误.【总结提升】解答本题的关键在于理解热力学第一、第二定律，特别是对第二定律应理解“自发地”和“不产生其他影响”的涵义
8、.第(1)问中易错选A.原因是误认为热量可以自发地从冰箱内传到冰箱外，其实热量在从冰箱内传到冰箱外时，需要压缩机的帮助，并消耗电能，并不是“自发地”、“不产生其他影响”气体实验定律与热力学定律综合【例证3】如图，一个固定且导热性能良好的汽缸内密封有一定 质量的理想气体，气体体积为V、压强为p.现用力F缓慢推活塞 使气体体积减小到 ，设环境温度不变，则缸内气体()V3A.内能增大 B.要从外界吸热 C.压强等于3p D.压强大于3p【解题指南】解答本题时可按以下思路分析:【规范解答】选C.由于环境温度不变,汽缸导热性能良好,缓慢 压缩气体,发生等温变化,据玻意耳定律有p1V1=p2V2,由V2=
9、得 p2=3p1,C对D错;温度不变,理想气体内能不变,A错;由热力学第一 定律U=W+Q,U=0,W0,则Q0,即气体放热,B错,故选C.V3【总结提升】气体实验定律与热力学定律的综合问题的处理方法(1)气体实验定律研究对象是一定质量的理想气体.(2)解决具体问题时，分清气体的变化过程是求解问题的关键，根据不同的变化，找出与之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)要做功W=pV；只要温度发生变化，其内能要发生变化.(4)结合热力学第一定律U=W+Q求解问题.1.(2011福建高考)一定量的理想气体在某一过程中，从外界吸收热量2.5104
10、 J，气体对外界做功1.0104 J，则该理想气体的()A.温度降低，密度增大 B.温度降低，密度减小 C.温度升高，密度增大 D.温度升高，密度减小【解析】选D.由热力学第一定律U=W+Q，Q=2.5104 J，W=-1.0104 J，可知U大于零，气体内能增加，温度升高，A、B错；气体对外做功，体积增大，密度减小，C错，D对.2.关于一定量的气体，下列叙述正确的是()A.气体吸收的热量可以完全转化为功 B.气体体积增大时，其内能一定减小 C.气体从外界吸收热量，其内能一定增加 D.外界对气体做功，气体内能一定增加【解析】选A.如果气体等温膨胀，则气体的内能不变，吸收热量全部用来对外做功，A
11、正确；当气体体积增大时，对外做功，若同时吸收热量，且吸收的热量大于或等于对外做功的数值时，内能不会减小，所以B错误；若气体吸收热量同时对外做功，其内能也不一定增加，C错误；若外界对气体做功同时气体向外放出热量，且放出的热量多于外界对气体所做的功，则气体内能减小，所以D错误.3.关于永动机和热力学定律的讨论，下列叙述正确的是()A.第二类永动机违反能量守恒定律 B.如果物体从外界吸收了热量，则物体的内能一定增加 C.外界对物体做功，则物体的内能一定增加 D.做功和热传递都可以改变物体的内能，但从能量转化或转移的观点来看这两种改变方式是有区别的【解析】选D.第二类永动机违反热力学第二定律并不违反能
12、量守恒定律，A错误.由热力学第一定律可知吸收热量物体的内能不一定增加，B错误.同理外界对物体做功，物体的内能也不一定增加，C错误.做功和热传递都可以改变物体的内能，但做功是能量的转化，热传递是能量的转移，D正确.【总结提升】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 不违背能量守恒，违背热力学第二定律4.关于热力学定律，下列说法正确的是()A.在一定条件下物体的温度可以降到0 K B.物体从单一热源吸收的热量可全部用于做功 C.吸收了热
13、量的物体，其内能一定增加 D.压缩气体总能使气体的温度升高【解析】选B.由热力学第三定律知，绝对零度不可能达到，A错；由热力学第二定律知，物体从单一热源吸收的热量可全部用于做功，但是将产生其他影响，B对；物体吸收了热量，若全部用于对外做功，其内能不变，C错；压缩气体，若气体向外放热，气体的温度不一定升高，D错.5.(2012南京模拟)下列说法正确的是()A.机械能和内能的转化具有方向性 B.大颗粒的盐磨成细盐，就变成了非晶体 C.第二类永动机不违反能量守恒定律，它是能制造出来的 D.当温度由20 变为40 时，物体分子的平均动能应变为原来的2倍【解析】选A.机械能和内能的转化具有方向性，A正确
14、.大颗粒的盐磨成细盐还是晶体，B错误.第二类永动机不违反能量守恒定律但违反热力学第二定律，制造不出来，C错误.当温度由20变为40时，物体分子的平均动能增加，但并不是变为原来的2倍，D错误.6.(2011江苏高考)如图所示，一演示用的“永动机”转轮由5根轻杆和转轴构成，轻杆的末端装有用形状记忆合金制成的叶片.轻推转轮后，进入热水的叶片因伸展而“划水”，推动转轮转动.离开热水后，叶片形状迅速恢复，转轮因此能较长时间转动.下列说法正确的是()A.转轮依靠自身惯性转动，不需要消耗外界能量 B.转轮转动所需能量来自形状记忆合金自身 C.转动的叶片不断搅动热水，水温升高 D.叶片在热水中吸收的热量一定大
15、于在空气中释放的热量【解析】选D.该“永动机”叶片进入水中，吸收热量而伸展划水，推动转轮转动，离开水面后向空气中放热，叶片形状迅速恢复，所以转动的能量来自热水，由于不断向空气释放热量，所以水温逐渐降低，A、B、C错，D对.7.(2012静安模拟)开尔文借鉴他人的研究成果，合理外推，建立了热力学温标，他所依据的实验事实是()A.一定质量的气体，体积不变，压强与摄氏温度成线性关系 B.一定质量的气体，压强不变，体积与摄氏温度成线性关系 C.一定质量的气体，温度不变，压强与体积成反比 D.一定质量的气体，压强不变，体积与温度成正比【解析】选A.开尔文是依据等容过程的p-t图象线性关系合理外推，从而建
16、立热力学温标，因此A对，B、C、D错.8.(2012南昌模拟)用力拉活塞，使封闭在汽缸内的气体的体积迅速增大为原来的两倍，若汽缸不漏气，那么此时汽缸内气体压强p2和原来的压强p1相比较有()A.p2=p1/2 B.p2p1/2 C.p2p1/2 D.无法确定【解析】选C.封闭在汽缸内的气体的体积迅速增大为原来的两倍，气体对外做功，温度降低，T1T2，由 得，p2 ，C正确，A、B、D错误.112212p Vp VTT1p29.喷雾器(如图)内有10 L水，上部封闭有1 atm 的空气2 L.关闭喷雾阀门，用打气筒向喷雾器内再充入1 atm的空气3 L(设外界环境温度一定，空气可看做理想气体).
17、则针对喷雾器,下列说法正确的是()A.打气过程中发生的是等压过程 B.打气过程中发生的是等容过程 C.打气过程中发生的是等温过程 D.当打入空气后水面上方空气与外界温度相等时,气体压强为2.5 atm【解析】选D.打气过程中,空气压强增大,体积减小,温度升高,则A、B、C都错误.等水面上方空气与外界温度相等时,根据玻意耳定律p1V1=p2V2解得p2=2.5 atm,故D正确.10.如图所示，导热的汽缸开口向下，缸内活塞封闭了一定质量的理想气体，活塞可自由滑动且不漏气，活塞下挂一个沙桶，沙桶装满沙子时，活塞恰好静止，现将沙桶底部钻一个小洞，让细沙慢慢漏出.汽缸外部温度恒定不变，则下列说法中正确
18、的有()A.缸内的气体压强减小，内能增加 B.缸内的气体压强增大，内能不变 C.缸内的气体压强不变，内能减少 D.外界对缸内气体做功，缸内气体内能增加【解析】选B.设小桶质量为M,沙质量为m,对活塞受力分析得p0S=pS+(m+M)g,细沙慢慢漏出,m减小，p增大，A、C错，导热的汽缸外部温度恒定不变，内能不变，D错.11.(2012泉州模拟)在绝热的汽缸内 封闭着质量、体积和种类都相同的两 部分气体A和B(不计气体分子之间的作 用力)，中间用导热的固定隔板P隔开.若不导热的活塞Q在外力作用下向外移动时，下列论述正确的 是()A.气体A压强减小，内能不变 B.气体B压强减小，内能不变 C.气体
19、B压强减小，内能减小 D.气体A压强不变，内能不变【解题指南】解答本题应注意理解以下两个方面：(1)绝热的汽缸和不导热的活塞说明密闭气体与外界没有进行热 传递,即Q=0.(2)导热的隔板说明A和B两部分气体稳定时温度相等.【解析】选C.设活塞面积为S,则活塞Q在外力作用下，气体B的 压强p=p0-,即压强减小，由于体积增大，气体对外做功W0,据U=W+Q,Q=0因此U0,即气体B内能减小,B错C对.由于导热 隔板P固定，故A体积不变，但A、B内温度相同，由于B内气体对 外界做功，温度降低，故A内气体温度降低，内能减小，由 知A内气体压强减小，故A、D错.FS1212ppTT12.一定质量的理想气体,当它发生如图 所示的状态变化时,哪一个状态变化过程 中,气体吸收热量全部用来对外界做功()A.由A至B状态变化过程 B.由B至C状态变化过程 C.由C至D状态变化过程 D.由D至A状态变化过程【解析】选D.A至B、C至D状态,体积不变,没有对外做功,A、C错;B至C状态,体积减小,外界对气体做功,B错;D至A状态,温度不变,内能不变,体积变大,因此吸收热量全部用来对外做功,D对.