1、第3课时热力学定律一、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的功的和。(2)表达式：UQW。3UWQ中正、负号法则物理量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二、热力学第二定律及微观意义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
2、总熵不会减小(选填“增大”或“减小”)。三、能量守恒定律和两类永动机1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。基础自查1判断正误(1)外界压缩气体做功20 J，气体的内能可能不变。()(2)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。()
3、(3)可以从单一热源吸收热量，使之完全变成功。()(4)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。()(5)自由摆动的秋千摆动幅度越来越小，能量正在消失。()(6)利用河水的能量使船逆水航行的设想，符合能量守恒定律。()2一定量的气体在某一过程中，外界对气体做了8104 J的功，气体的内能减少了1.2105 J，则下列各式中正确的是()AW8104 J，U1.2105 J，Q4104 JBW8104 J，U1.2105 J，Q2105 JCW8104 J，U1.2105 J，Q2104 JDW8104 J，U1.2105 J，Q4104 J解析：选B由题意知W8104 J，U1.2
4、105 J，根据UWQ，得Q2105 J，故B正确。3(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外高温物体解析：选CD由热力学第二定律可知，一切自发进行与热现象有关的宏观过程，都具有方向性，A错误；热机的工作效率不可能达到100%，B错误；泥沙下沉，系统的重力势能减少，没有违背热力学第二定律，C正确；冰箱通过压缩机的工作，把热量从低温物体传到高温物体，该过程消耗了电能，没有违背热力学第二定律，D正确。4(多选)对于热
5、力学第一定律和热力学第二定律的理解，下列说法正确的是()A一定质量的气体膨胀对外做功100 J，同时从外界吸收120 J的热量，则它的内能增大20 JB物体从外界吸收热量，其内能一定增加；物体对外界做功，其内能一定减少C凡与热现象有关的宏观过程都具有方向性，在热传递中，热量只能从高温物体传递给低温物体，而不能从低温物体传递给高温物体D第二类永动机违反了热力学第二定律，没有违反热力学第一定律解析：选AD根据热力学第一定律知UWQ100 J120 J20 J，故选项A正确；根据热力学第一定律UWQ，可知物体从外界吸收热量，其内能不一定增加，物体对外界做功，其内能不一定减少，选项B错误；通过做功的方
6、式可以让热量从低温物体传递给高温物体，如电冰箱，选项C错误；第二类永动机没有违反能量守恒定律，热力学第一定律是能量转化和守恒定律在热学中的反映，因此第二类永动机没有违反热力学第一定律，不能制成是因为它违反了热力学第二定律，故选项D正确。考点一热力学第一定律典例(2017全国卷)(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
7、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解析抽开隔板，气体自发扩散过程中，气体对外界不做功，与外界没有热交换，因此气体的内能不变，A项正确，C项错误；气体在被压缩的过程中，外界对气体做功，D项正确；由于气体与外界没有热交换，根据热力学第一定律可知，气体在被压缩的过程中内能增大，因此气体的温度升高，气体分子的平均动能增大，B项正确，E项错误。答案ABD1对热力学第一定律的理解(1)做功和热传递在改变系统内能上是等效的。(2)外界对系统做功是其他形式能量与内能的转化。(3)热传递是外界与系统之间内能的转移。2热力学第一定律的三种特殊情况(1)若过程是绝热
8、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，则W0，QU，物体吸收的热量等于物体内能的增加。(3)若过程的始、末状态物体的内能不变，则WQ0，即物体吸收的热量全部用来对外做功，或外界对物体做的功等于物体放出的热量。集训冲关1汽缸中一定质量的理想气体内能增加了180 J，下列说法中正确的是()A一定是外界对气体做了180 J的功B一定是气体吸收了180 J的热量C一定是气体分子总动能增加了180 JD气体分子热运动的平均动能可能不变解析：选C做功和热传递都可以改变物体的内能，气体的内能改变180 J，其方式是不确定的，因此A、B两项错误。理想气体的内能是所有分子动
9、能的总和，总动能增加了，分子数没变，平均动能一定增加，故D项错误，C项正确。2如图所示，容器A、B各有一个可以自由移动的轻活塞，活塞下面是水，上面是大气，大气压恒定。A、B的底部由带阀门K的管道相连，整个装置与外界绝热。原先A中水面比B中的高，打开阀门，使A中的水逐渐向B中流动，最后达到平衡。在这个过程中()A大气压对水做正功，水的内能减少B水克服大气压做功，水的内能减少C大气压对水不做功，水的内能不变D大气压对水不做功，水的内能增加解析：选D打开阀门K，使A中的水逐渐流向B中，最后水面持平，A中水面下降hA，B中水面上升hB，相当于A端SAhA体积的水移到B端，且SAhASBhB，这部分水的
10、重心降低，重力对水做正功，重力势能减小了，大气压力做功情况是大气压对A容器中的水做正功，对B容积中的水做负功。所以，大气压力对水做的总功为p0SAhAp0SBhB，由于SAhASBhB，所以大气压对水做的总功为零，又由于系统绝热，与外界没有热交换，只有重力做功，重力势能转化为内能，水的内能增加，故选项D正确。3(多选)下列说法正确的是()A气体扩散现象表明气体分子间存在斥力B对于同一理想气体，温度越高，分子平均动能越大C热量总是自发地从分子平均动能大的物体传递到分子平均动能小的物体D用活塞压缩汽缸内的理想气体，对气体做了3.0105 J的功，同时气体向外界放出1.5105 J的热量，则气体内能
11、增加了1.5105 J解析：选BCD气体扩散现象表明气体分子在做无规则运动，选项A错误；由于温度是分子平均动能的标志，故对于同一理想气体，温度越高，分子平均动能越大，选项B正确；分子的平均动能大，则说明物体的温度高，热量总是自发地从高温物体传递到低温物体，选项C正确；用活塞压缩汽缸内的理想气体，根据热力学第一定律，对气体做了3.0105 J的功，同时气体向外界放出1.5105 J的热量，则气体内能增加了1.5105 J，选项D正确。考点二热力学第二定律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(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
12、)不同气体A和B混合气体AB典例(2020全国卷)下列关于能量转换过程的叙述，违背热力学第一定律的有_，不违背热力学第一定律、但违背热力学第二定律的有_。(填正确答案标号)A汽车通过燃烧汽油获得动力并向空气中散热B冷水倒入保温杯后，冷水和杯子的温度都变得更低C某新型热机工作时将从高温热源吸收的热量全部转化为功，而不产生其他影响D冰箱的制冷机工作时从箱内低温环境中提取热量散发到温度较高的室内解析汽车通过燃烧汽油获得动力并向空气中散热，既不违背热力学第一定律，也不违背热力学第二定律；冷水倒入保温杯后，冷水和杯子的温度都变得更低，B选项违背了热力学第一定律；热机工作时吸收的热量不可能全部用来对外做功
13、，而不产生其他影响，C选项不违背热力学第一定律，但违背了热力学第二定律；冰箱的制冷机工作时，从箱内低温环境中提取热量散发到温度较高的室内，既不违背热力学第一定律，也不违背热力学第二定律，综上所述，第一个空选B，第二个空选C。答案BC热力学第二定律说明即使是符合能量守恒定律的过程，也未必都能发生，如扩散、热传递、摩擦生热等过程均有不可逆性。集训冲关1(多选)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解析：选AD电冰箱可以使热量从低温物体向高温物体
14、传递，A正确；由热力学第二定律知不可能有单一热源的热机，B错误；能量是守恒的，C错误；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正确。2(2021郑州联考)(多选)下列说法正确的是()A一定质量的理想气体放出热量，则分子平均动能一定减少B热力学第二定律是反映宏观自然过程的方向性的定律C根据热力学第二定律可知，热机的效率不可能达到100%D一定质量的理想气体膨胀时对外界做了功，它的内能可能减少解析：选BCD根据热力学第一定律UWQ可知，一定质量的理想气体放出热量，Q为负值，但若外界同时对气体做功，W为正，则其内能不一定减少，分子平均动能不一定减少，选
15、项A错误；一定质量的理想气体膨胀时对外界做功，W为负值，当Q|W|时内能减小，当Q|W|时内能增大，当Q|W|时内能不变，故它的内能可能减少，选项D正确；热力学第二定律就是反映宏观自然过程的方向性的定律，选项B正确；由热力学第二定律的开尔文表述可知不可能从单一热库吸收热量，使之全部变为功，而不产生其他影响，所以热机的效率不可能达到100%，选项C正确。3(2021通化模拟)(多选)根据热学中的有关知识，判断下列说法中正确的是()A机械能可以全部转化为内能，内能也可以全部用来做功转化成机械能B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C尽管技术不断进步，热机的效率仍不能达到100%，
16、制冷机却可以使温度降到293 D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，随着科技的进步和发展，第二类永动机可以被制造出来解析：选AB机械能可以全部转化为内能，而内能也可以全部转化为机械能，只是在这个过程中会引起其他变化，A正确；根据热力学第二定律可知，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，B正确；尽管科技不断进步，热机的效率仍不能达到100%，制冷机也不能使温度降到293 (低于绝对零度)，C错误；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，但违背了热力学第二定律，第二类永动机不可能被制造出来，D错误。考点三气体实验定律与热力学定律的综
17、合求解气体实验定律与热力学定律的综合问题的通用思路典例(2021年1月新高考8省联考辽宁卷)某民航客机在一万米左右高空飞行时，需利用空气压缩机来保持机舱内外气体压强之比为41。机舱内有一导热气缸，活塞质量m2 kg、横截面积S10 cm2，活塞与气缸壁之间密封良好且无摩擦。客机在地面静止时，气缸如图(a)所示竖直放置，平衡时活塞与缸底相距l18 cm；客机在高度h处匀速飞行时，气缸如图(b)所示水平放置，平衡时活塞与缸底相距l210 cm。气缸内气体可视为理想气体，机舱内温度可认为不变。已知大气压强随高度的变化规律如图(c)所示，地面大气压强p01.0105 Pa，地面重力加速度g10 m/s
18、2。(1)判断气缸内气体由图(a)状态到图(b)状态的过程是吸热还是放热，并说明原因；(2)求高度h处的大气压强，并根据图(c)估测出此时客机的飞行高度。解析(1)根据热力学第一定律有UWQ，由于气体体积膨胀，对外做功，而温度不变，则内能保持不变，因此由图(a)状态到图(b)状态吸热。(2)初态封闭气体的压强p1p01.2105 Pa根据玻意耳定律有p1l1Sp2l2S，解得p20.96105 Pa机舱内外气体压强之比为41，因此舱外气体压强p2p20.24105 Pa对应表可知飞行高度约为104 m。答案(1)吸热理由见解析(2)0.24105 Pa104 m集训冲关1(2021山东新高考模
19、拟)如图所示，水平放置的封闭绝热汽缸，被一锁定的绝热活塞分为体积相等的a、b两部分。已知a部分气体为1 mol氧气，b部分气体为2 mol氧气，两部分气体温度相等，均可视为理想气体。解除锁定，活塞滑动一段距离后，两部分气体各自再次达到平衡态时，它们的体积分别为Va、Vb，温度分别为Ta、Tb。下列说法正确的是()AVaVb，TaTbBVaVb，TaTbCVaVb，TaTb DVaTb解析：选D解除锁定前，两部分气体温度相同，体积相同。由pVnRT可知b部分压强大，故活塞左移，平衡时VaTb。2(2020全国卷)(多选)如图，一开口向上的导热汽缸内，用活塞封闭了一定质量的理想气体，活塞与汽缸壁间
20、无摩擦。现用外力作用在活塞上，使其缓慢下降。环境温度保持不变，系统始终处于平衡状态。在活塞下降过程中()A气体体积逐渐减小，内能增加B气体压强逐渐增大，内能不变C气体压强逐渐增大，放出热量D外界对气体做功，气体内能不变E外界对气体做功，气体吸收热量解析：选BCD外力使活塞缓慢下降的过程中，由于温度保持不变，则气体的内能保持不变，气体的体积逐渐减小，外界对气体做功，由热力学第一定律可知，气体向外界放出热量，又由玻意耳定律可知，气体体积减小，气体的压强增大，由以上分析可知B、C、D正确，A、E错误。3. (2020山东等级考)一定质量的理想气体从状态a开始，经ab、bc、ca三个过程后回到初始状态
21、a，其pV图像如图所示。已知三个状态的坐标分别为a(V0,2p0)、b(2V0，p0)、c(3V0,2p0)。以下判断正确的是()A气体在ab过程中对外界做的功小于在bc过程中对外界做的功B气体在ab过程中从外界吸收的热量大于在bc过程中从外界吸收的热量C在ca过程中，外界对气体做的功小于气体向外界放出的热量D气体在ca过程中内能的减少量大于bc过程中内能的增加量解析：选C气体在ab过程中体积增大，气体对外做功，在bc过程中体积增大，气体对外做功，根据pV图像与横轴所围的面积表示做的功可知，在这两个过程中气体对外做的功相等，选项A错误；气体在ab过程中体积增大，气体对外做功，由理想气体状态方程
22、C可知，a、b两个状态温度相等，内能不变，由热力学第一定律可知吸收的热量等于气体对外做的功；气体在bc过程中体积增大，气体对外做功，由理想气体状态方程C可知，c状态的温度高于b状态的温度，内能增加，由热力学第一定律可知吸收的热量等于气体对外做的功与内能增加量之和，即气体在ab过程中吸收的热量小于气体在bc过程中吸收的热量，选项B错误；气体在ca的过程中，体积减小，温度降低，外界对气体做功，内能减小，根据热力学第一定律，外界对气体做的功小于气体放出的热量，选项C正确；由理想气体状态方程C可知，a、b两个状态温度相等，内能相等，所以气体在ca的过程中内能的减少量等于气体在bc过程中内能的增加量，选项D错误。