1、【 精品教育资源文库 】 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： U Q W. (3) U Q W 中正、负号法则： 物理量 意义 符号 W Q 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 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 7.010 4 J，气体内能减少1.310 5 J，则此过程 ( ) A.气体从外界吸收热量
2、2.010 5 J B.气体向外界放出热量 2.010 5 J C.气体从外界吸收热量 6.010 4 J D.气体向外界放出热量 6.010 4 J 答案 B 二、热力学第二定律 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 .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，一个孤立系统的总熵 不会 减小 . 3.热力学第二定律的微观意义 【 精品教育资源文库 】 一切自发过程总是沿着分子热运动的 无序性 增大
3、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 教材 P61 第 2 题改编 (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，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 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
4、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 )( ) A.U 200 J， Ek 600 J B.U 600 J， Ek 200 J C.U 600 J， Ek 800 J D.U 800 J， Ek 200 J 答案 B 解析 U Ffx 6010 J 600 J Ek F x U 8010 J 600 J 200 J 命题
5、点一 热力学第一定律的理解和应用 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 Q 0. 【 精品教育资源文库 】 (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 . 【 精品教育资源文库 】 2.三种特殊情况 (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)若过程中不做功，即 W
6、0，则 Q U，物体吸收的热量等于物体内能的增加； (3)若过程的初、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 . 例 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 1 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 D.气体在被压缩的过程中
7、，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，既不吸热也不放热，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，选项 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，选项 E 错误 . 变式 1 (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
8、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，其摩尔质量不同，即分子个数不同，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，【 精品教育资源文库 】 所以宏观运动速度大，内能不一定大， B 错误；根据 pVT C 可知，如果等温压缩，则内能不变；等压膨胀，温度增大，内能一定增大， C、 E 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只与分子平均动
9、能有关，而分子平均动能和温度有关， D 正确 . 命题点二 热力学第一定律与图象 的综合应用 例 2 (多选 )(2017 全国卷 33(1) 如图 2，一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 2 A.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
10、高，内能增加，故选项 A 正确， C 错误 ；在过程 ca 中，气体的体积缩小，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 2 (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 3 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 3 A.气体在 a、 c 两状态的体积相等 【
11、 精品教育资源文库 】 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 pVT C 得， p CVT，由题图可知， Va Vc，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 U Q W 知， cd 过程温度不变，内能不 变，则 Q W，选项 C错误； da
12、 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： paVaTa pbVbTb pcVcTc pdVdTd C，即 paVa CTa， pbVb CTb， pcVc CTc， pdVd CTd.设过程 bc 中压强为 p0 pb pc，过程 da 中压强为 p0 pd pa.由外界对气体做功 W p V 知，过程 bc 中外界对气体做的功 Wbc p0(Vb Vc) C(Tb Tc)， 过程 da 中气体对外界做的功 Wda p0( Va Vd) C(Ta Td)， Ta Tb， Tc Td，故 Wbc Wda，选项 E 正确 . 命题点三 热力学
13、第一定律与气体实验定律的综合应用 基本思路 例 3 (2017 河北冀州 2 月模拟 )如图 4 甲所示，横截面积为 S，质量为 M 的活塞在汽缸内封闭着一定质量的理想气体，现对缸内气体缓慢加热，使其温度从 T1升高了 T，气柱的高度增加了 L，吸收的热量为 Q.不计汽缸与活塞的摩擦，外界大气压强为 p0，重力加速度为g.求： 【 精品教育资源文库 】 图 4 (1)此加热过程中气体内能增加了多少 ？ (2)若保持缸内气体温度不变，再在活塞上放一砝码，如图乙所示，使缸内气体的体积又恢复到初始状态，则所放砝码的质量为多少？ 答案 (1)Q (p0S Mg) L (2) p0S Mg TgT1解
14、析 (1)设缸内气体的温度为 T1时压强为 p1，活塞受重力、大气压力和缸内气体的压力作用而平衡，则有 Mg p0S p1S 气体膨胀对外界做功为 W p1S L 根据热力学第一定律有 Q W U 联立可得 U Q (p0S Mg) L (2)设所放砝码的质量为 m，缸内气体的温度为 T2时压强为 p2，活塞和砝码整体受重力、大气压力和缸内气体的压力作用而平衡，则有 (M m)g p0S p2S 根据查理定律有 p1T1 p2T2，又 T2 T1 T 联立可得： m p0S Mg TgT1变式 3 (2017 广东华南三校联考 )如图 5 所示，汽缸内封闭一定质量的某种理想气体，活塞通过滑轮和一重物连接并保持平衡，已知活塞距缸口 h 50 cm，活塞面积 S 10 cm2，封闭气体的体积为 V1 1 500 cm3，温度为 0 ，大气压强 p0 1.01 05 Pa，重物重力 G50 N，活塞重力及一切摩擦不计 .缓慢升高环境温度，封闭气体吸收了 Q 60 J 的热量，使活塞刚好升到缸口 .整个过程重物未触地，求： 【 精品教育资源文库 】 图 5 (1)活塞刚好升到缸口时，气体的温度是多少？ (2)汽缸内气体对外界做多少功？ (
