第3讲热力学定律与能量守恒

1、第3讲热力学定律与能量守恒考点一热力学第一定律的理解及应用1热力学第一定律的理解不仅反映了做功和热传递这两种方式改变内能的过程是等效的，而且给出了内能的变化量和做功与热传递之间的定量关系。2对公式UQW符号的规定符号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3.三种特殊的状态变化过程(1)如图所示的绝热过程：有Q0，则WU，外界对系统做的功等于系统内能的增加。(2)不做功过程：即W0，则QU，系统吸收的热量等于系统内能的增加。(3)内能不变过程：即U0，则WQ0或WQ，外界对系统做的功等于系统放出的热量。思维诊断(1)物体吸收热量，同时对外做功，内能可能不变。(

2、)(2)绝热过程中，外界压缩气体，对气体做功，气体的内能可能减少。()(3)自由摆动的秋千摆动幅度越来越小，能量并没有消失。()(4)热传递和做功的实质不相同。()答案：(1)(2)×(3)(4)题组训练1热力学第一定律与热学知识的组合(多选)下列说法中正确的是()A尽管技术不断进步，但热机的效率仍不能达到100%，而制冷机却可以使温度降到热力学零度B雨水没有透过布雨伞是液体表面张力的作用导致的C气体温度每升高1 K所吸收的热量与气体经历的过程有关D空气的相对湿度定义为水的饱和蒸汽压与相同温度时空气中所含水蒸气压强的比值E悬浮在液体中的微粒越大，在某一瞬间撞击它的液体分子数越多，布朗

3、运动越不明显 解析：热力学零度只能接近而不能达到，A错误；雨水没有透过布雨伞是液体表面张力的作用导致的，B正确；由热力学第一定律UQW知，温度每升高1 K，内能增加，但既可能是吸收热量，也可能是对气体做功使气体的内能增加，C正确；空气的相对湿度是指空气中所含水蒸气的压强与同温度下的饱和蒸汽压的比值，故D错误；微粒越大，某一瞬间撞击它的分子数越多，受力越容易平衡，布朗运动越不显著，E正确。答案：BCE2应用热力学第一定律定量计算如图所示，一定质量的理想气体由状态a沿abc变化到状态c时，吸收了340 J的热量，并对外做功120 J。若该气体由状态a沿adc变化到状态c时，对外做功40 J，则这一

4、过程中气体_(填“吸收”或“放出”)_J热量。解析：一定质量的理想气体由状态a沿abc变化到状态c，吸收了340 J的热量，并对外做功120 J，由热力学第一定律有UQ1W1340 J120 J220 J，即从状态a到状态c，理想气体的内能增加了220 J；若该气体由状态a沿adc变化到状态c时，对外做功40 J，此过程理想气体的内能增加还是220 J，所以可以判定此过程是吸收热量，由热力学第一定律有UQ2W2，得Q2UW2220 J40 J260 J答案：吸热260 J3热力学第一定律与气体实验定律的综合应用一定质量的理想气体经历如图ABCDA所示循环过程，该过程每个状态视为平衡态。已知A态

5、的温度为27 。求：(1)B态的温度TB。(2)一次循环过程气体与外界的热交换Q为多少？是吸热还是放热？解析：(1)由图象得VA3 L，TAt273 K300 KVB4 LA到B等压变化，由盖­吕萨克定律得：，代入数据解得：TB400 K，即t127 (2)从A态又回到A态的过程温度不变，所以内能不变。A到B气体对外做功W1pA·V100 JC到D外界对气体做功W2pC·V75 J外界对气体做的总功WW2W125 J由热力学第一定律UWQ解得：Q25 J，Q为正，表示吸热答案：(1)127 (2)25 J吸热考点二热力学第二定律的理解1热力学第二定律的三种表述(1

6、)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：如图甲所示，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。或表述为“第二类永动机不可能制成”。(3)如图乙所示，用熵的概念表述：在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小(热力学第二定律又叫作熵增加原理)。2热力学第二定律的理解(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。3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

7、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。特别提醒热量不可能自发地从低温物体传到高温物体，但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。4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(较大)(4)不同气体A和B混合气体AB5两类永动机的比较第一类永动机第二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违背能量守恒定律，不可能制成不违背能量守恒定律，但违背热力学第二定律

8、，不可能制成思维诊断(1)第二类永动机和第一类永动机一样，都违背了能量守恒定律()(2)热机的效率从原理上讲可以达到100%()(3)自然界中的能量尽管是守恒的，但有的能量便于利用，有的不便于利用，故要节约能源()(4)因为能量守恒，所以不存在“能源危机”()(5)热量不可能从低温物体传到高温物体。()(6)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。()答案：(1)×(2)×(3)(4)×(5)×(6)×题组训练1热力学第二定律的理解(多选)下列叙述和热力学定律相关，其中正确的是()A第一类永动机不可能制成，是因为违背了能量守恒定律

9、B能量耗散过程中能量不守恒C电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界，违背了热力学第二定律D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 E物体从单一热源吸收的热量可全部用于做功解析：第一类永动机不可能制成，是因为违背了能量守恒定律，选项A正确。能量耗散过程中能量仍然守恒，只是将能量从高度有用的形式降级为不大可用的形式，选项B错误。电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界，是利用压缩机做功，引起了其他变化，不违背热力学第二定律，选项C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过程具有方向性，选项D正确。物体从单一热源吸收的热量可全部用于做功，引起了其他

10、变化，选项E正确。答案：ADE2热力学定律的理解(多选)关于热力学定律，下列说法正确的是()A为了增加物体的内能，必须对物体做功或向它传递热量B对某物体做功，必定会使该物体的内能增加C可以从单一热源吸收热量，使之完全变为功D不可能使热量从低温物体传向高温物体E机械能转化为内能的实际宏观过程是不可逆过程解析：由UWQ可知做功和热传递是改变内能的两种途径，它们是等效的，故A正确、B错误。由热力学第二定律可知，可以从单一热源吸收热量，使之全部变为功，但会产生其他影响，故C正确。由热力学第二定律知，热量只是不能自发地从低温物体传向高温物体，则D项错。一切与热现象有关的宏观过程不可逆，则E正确。答案：A

11、CE考点三气体实验定律与热力学第一定律的综合应用题组训练12016·全国甲卷·33(1)(多选)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p ­T图象如图所示，其中对角线ac的延长线过原点O。下列判断正确的是_。(填正确答案标号)A气体在a、c两状态的体积相等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解析：由理想气体状态方程C得， pT，由图象可知，Va

12、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UQW知，cd过程温度不变，内能不变，则QW，选项C错误；da过程温度升高，即内能增大，则吸收的热量大于对外做的功，选项D错误；bc过程和da过程互逆，则做功相同，选项E正确。答案：ABE2.如图所示，一根两端开口、横截面积为S2 cm2足够长的玻璃管竖直插入水银槽中并固定(插入水银槽中的部分足够深)。管中有一个质量不计的光滑活塞，活塞下封闭着长L21 cm的气柱，气体的温度为t17 ，外界大气压取p01.0×105 Pa(相当于75 cm高的汞柱的压强)

13、。(1)若在活塞上放一个质量为m0.1 kg的砝码，保持气体的温度t1不变，则平衡后气柱为多长？(g10 m/s2)(2)若保持砝码的质量不变，对气体加热，使其温度升高到t277 ，此时气柱为多长？(3)若在(2)过程中，气体吸收的热量为10 J，则气体的内能增加多少？解析：(1)被封闭气体的初状态为p1p01.0×105 PaV1LS42 cm3，T1280 K末状态压强p2p01.05×105 PaV2L2S，T2T1280 K根据玻意耳定律，有p1V1p2V2，即p1Lp2L2得L2L20 cm。(2)对气体加热后，气体的压强不变，p3p2，V3L3S，T3350 K

14、根据盖·吕萨克定律，有，即得L3L225 cm。(3)气体对外做的功Wp2Shp2S(L3L2)1.05 J根据热力学第一定律得UWQ1.05 J10 J8.95 J即气体的内能增加8.95 J。答案：(1)20 cm(2)25 cm(3)8.95 J1(2016·全国乙卷·33)(多选)关于热力学定律，下列说法正确的是_。(填正确答案标号)A气体吸热后温度一定升高B对气体做功可以改变其内能C理想气体等压膨胀过程一定放热D热量不可能自发地从低温物体传到高温物体E如果两个系统分别与状态确定的第三个系统达到热平衡，那么这两个系统彼此之间也必定达到热平衡解析：根据热力学

15、定律，气体吸热后如果对外做功，则温度不一定升高，说法A错误。改变物体内能的方式有做功和传热，对气体做功可以改变其内能，说法B正确。理想气体等压膨胀对外做功，根据恒量知，膨胀过程一定吸热，说法C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，说法D正确。两个系统达到热平衡时，温度相等，如果这两个系统分别与状态确定的第三个系统达到热平衡，那么这两个系统彼此之间也必定达到热平衡，说法E正确。故选B、D、E。答案：BDE2.(2016·海南单科·15)(多选)一定量的理想气体从状态M可以经历过程1或者过程2到状态N，其p V图象如图所示。在过程1中，气体始终与外界

16、无热量交换；在过程2中，气体先经历等容变化再经历等压变化。对于这两个过程，下列说法正确的是_。(填正确答案标号)A气体经历过程1，其温度降低B气体经历过程1，其内能减小C气体在过程2中一直对外放热D气体在过程2中一直对外做功E气体经历过程1的内能改变量与经历过程2的相同解析：气体经历过程1，压强减小，体积变大，膨胀对外做功，内能减小，故温度降低，故选项A、B正确；气体在过程2中，根据理想气体状态方程C。则开始时，体积不变，压强减小，则温度降低，对外放热，然后压强不变，体积变大，膨胀对外做功，则温度升高，吸热，故选项C、D错误；无论是经过1过程还是2过程，初、末状态相同，故内能改变量相同，故选项

17、E正确。答案：ABE3(多选)下列说法正确的是_。(填正确答案标号)A布朗运动是指液体或气体中悬浮微粒的无规则运动B将大颗粒的盐磨成细盐，就变成了非晶体C一定量100 的水变成100 的水蒸气，其分子之间的势能增加D只要能减弱气体分子热运动的剧烈程度，气体的温度就可以降低E空调机作为制冷机使用时，将热量从温度较低的室内送到温度较高的室外，所以制冷机的工作不遵守热力学第二定律解析：布朗运动是指液体或气体中悬浮微粒的无规则运动，间接地反映了液体或气体分子的无规则运动，选项A正确；大颗粒的盐磨成细盐，不改变盐的晶体结构，选项B错误；一定量100 的水变成100 的水蒸气，温度没有变化，分子的平均动能

18、不变，但是在这个过程中要吸热，内能增加，所以分子之间的势能必定增加，选项C正确；温度是分子平均动能的标志，只要能减弱气体分子热运动的剧烈程度，气体的温度就可以降低，选项D正确；将热量从温度较低的室内送到温度较高的室外，产生了其他影响，即消耗了电能，所以不违背热力学第二定律，选项E错误。答案：ACD4.(多选)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，A、B和C、D为等温过程，B、C为等压过程，D、A为等容过程，则在该循环过程中，下列说法正确的是_。(填正确答案标号)AA、B过程中，气体放出热量BB、C过程中，气体分子的平均动能增大CC、D过程中，单位时间内

19、碰撞单位面积器壁的分子数增多DD、A过程中，气体分子的速率分布曲线不发生变化E若气体在B、C过程中内能变化量的数值为2 kJ，与外界交换的热量为7 kJ，则在此过程中气体对外做的功为5 kJ解析：因为A、B为等温过程，压强变大，体积变小，故外界对气体做功，根据热力学第一定律有EWQ，温度不变，则内能不变，故气体一定放出热量，选项A正确；B、C为等压过程，因为体积增大，由理想气体状态方程C可知，气体温度升高，内能增加，故气体分子的平均动能增大，选项B正确；C、D为等温过程，压强变小，体积增大，因为温度不变，故气体分子的平均动能不变，压强变小说明单位时间内碰撞单位面积器壁的分子数减少，选项C错误；

20、D、A为等容过程，体积不变，压强变小，由C可知，温度降低，气体分子的平均动能减小，故气体分子的速率分布曲线会发生变化，选项D错误；B、C为等压过程，体积增大，气体对外做功，该过程中气体的温度升高，则气体的内能增加2 kJ，气体从外界吸收的热量为7 kJ，气体对外界做功为5 kJ，故选项E正确。答案：ABE5(多选)(1)下列说法正确的是_。(填正确答案标号)A当分子间距离增大时，分子间作用力减小，分子势能增大B在绕地球飞行的宇宙飞船中，自由飘浮的水滴呈球形，这是表面张力作用的结果C热量能够自发地从高温物体传到低温物体，但不能自发地从低温物体传到高温物体D液晶显示屏是应用液晶的光学各向异性的特点

21、制成的E自然界发生的一切过程能量都守恒，符合能量守恒定律的宏观过程都能自然发生(2)某次科学实验中，从高温环境中取出一个如图所示的圆柱形导热汽缸，把它放在大气压强为P01 atm、温度为t027 的环境中自然冷却。该汽缸内壁光滑，容积为V1 m3，开口端有一厚度可忽略的活塞。开始时，汽缸内密封有温度为t447 、压强为p1.2 atm的理想气体，将汽缸开口向右固定在水平面上，假设汽缸内气体的所有变化过程都是缓慢的。()求活塞刚要向左移动时，汽缸内气体的温度t1；()求最终汽缸内气体的体积V1；()在整个过程中，汽缸内气体对外界做功还是外界对气体做功？汽缸内气体与外界传递的热量和气体内能的减少量

22、的大小关系是怎样的？解析：(2)()气体做等容变化，由查理定律得：，而T(447273) K得T1600 K，故t1327 。()由理想气体状态方程得：所以V10.5 m3()气体体积减小，外界对气体做的功W>0；理想气体温度降低，其内能减小，内能的增量U<0，根据热力学第一定律UWQ得QUW，即汽缸内气体放出的热量大于气体内能的减少量。答案：(1)BCD(2)()327 ()0.5 m3()外界对气体做功气体放出的热量大于气体内能的减少量课时训练一、多项选择题1对于一定量的理想气体，下列说法正确的是()A气体的体积指的不是该气体的所有气体分子体积之和，而是指该气体所有分子所能到达

23、的空间的体积B只要气体的温度降低，气体分子热运动的剧烈程度一定减弱C在完全失重的情况下，气体对容器壁的压强为零D外界对气体做功，气体的内能一定增加E气体在等温膨胀的过程中一定从外界吸收热量解析：气体的体积是指该气体所有分子所能到达的空间的体积，故A对；温度是气体分子热运动的剧烈程度的标志，故B对；由气体压强的微观定义可知C错；做功和热传递都能改变气体的内能，故D错；气体在等温膨胀的过程中，对外界做功，而内能没变，则气体一定吸收热量，故E对。答案：ABE2下列有关热现象的叙述中正确的是()A布朗运动是液体分子的运动，它说明了液体分子在永不停息地做无规则运动B物体的温度越高，分子运动速率越大C不违

24、背能量守恒定律的实验构想也不一定能够实现D晶体和非晶体在适当条件下是可以相互转化的E用活塞压缩汽缸里的空气，对空气做功2.0×105 J，若空气向外界放出1.5×105 J的热量，则空气内能增加5×104 J解析：布朗运动是液体中固体颗粒的运动，不是液体分子的运动，A错误；物体的温度越高，分子运动的平均速率越大，B错误；热力学第二定律表明第二类永动机虽不违背能量守恒定律，但仍不能实现，选项C正确；晶体和非晶体在适当条件下是可以相互转化的，D正确；根据热力学第一定律可知选项E正确。答案：CDE3夏天，小明同学把自行车轮胎上的气门芯拔出的时候，会觉得从轮胎里喷出的气体

25、凉，如果把轮胎里的气体视为理想气体、则关于气体喷出的过程，下列说法正确的是()A气体的内能减少B气体的内能不变C气体来不及与外界发生热交换，对外做功，温度降低D气体膨胀时，热量散得太快，使气体温度降低了E气体分子的平均动能减小解析：气体喷出时，来不及与外界交换热量，发生绝热膨胀，Q0，对外做功，热力学第一定律的表达式为WE，内能减少，温度降低，温度是分子平均动能的标志，则A、C、E正确。答案：ACE4下列说法正确的是()A对于一定量的气体，在完全失重的情况下，气体对容器壁的压强为零B如果没有漏气、没有摩擦，也没有机体热量的损失，热机的效率可以达到100%C在各种晶体中，原子(或分子、离子)都是

26、按照一定的规则排列的，具有空间上的周期性D在围绕地球做匀速圆周运动的宇宙飞船中，自由悬浮的水滴呈球形，这是液体表面张力作用的结果E一定量的理想气体等压膨胀对外做功，气体一定吸热解析：根据气体压强的产生原因，在完全失重的情况下，气体的压强不为零，选项A错误；根据热力学第二定律，热机的效率不可能达到100%，选项B错误；在各种晶体中，原子(或分子、离子)都是按照一定的规则排列的，具有空间上的周期性，选项C正确；宇宙飞船中自由悬浮的水滴处于完全失重状态，由于重力引起的液体内部的压力为零，故液滴呈球形是液体表面张力作用的结果，选项D正确；一定量的理想气体等压膨胀，温度一定升高，内能一定增加，U>

27、0，膨胀对外做功，W<0，由热力学第一定律WQU可知，Q>0，说明气体一定吸热，故选项E正确。答案：CDE5下列说法正确的有()A1 g水中所含的分子数目和地球的总人口数差不多B气体对容器壁的压强，是由气体分子对容器壁的频繁碰撞造成的C物体内能增加，温度不一定升高D一定质量的密闭气体从外界吸收热量，内能不一定增加E能量在转化过程中守恒，所以我们可以将失去的能量全部转化回我们可以利用的能量，以解决能源需求问题解析：1 g水物质的量为 mol，含分子数目为×6.02×1023个，远多于地球上总人口数，所以A错误；气体对容器壁的压强，是由气体分子对容器壁的频繁碰撞造成

28、的，选项B正确；当物体内能增加时，温度可能不变，比如晶体的熔化过程温度没有升高，选项C正确；一定质量的密闭气体从外界吸收热量，若同时气体对外界做功，其内能不一定增加，选项D正确；根据能量耗散原理可知，有的能量不可回收，选项E错误。答案：BCD6下列说法正确的是()A气体从外界吸收热量，其内能不一定增加B液体的表面层的分子距离比液体内部要大些，分子力表现为引力C当分子间的引力和斥力平衡时，分子势能为零D第二类永动机虽然不违反能量守恒定律，但它是制造不出来的E空气相对湿度越大时，空气中水蒸气压强越远离饱和汽压，水蒸发越慢 解析：根据热力学第一定律，做功和热传递都可以改变内能，所以气体从外界吸收热量

29、，其内能不一定增加，选项A正确；液体的表面层的分子间距较大，分子间距离比液体内部要大些，分子力表现为引力，选项B正确；当分子间的引力和斥力平衡时，分子势能最小但不为零，选项C错误；第二类永动机虽然不违反能量守恒定律，但它违背了热力学第二定律，也是制造不出来的，选项D正确；空气相对湿度越大时，空气中水蒸气压强越接近饱和汽压，水蒸发越慢，选项E错误。答案：ABD二、非选择题7.如图所示，一定质量的理想气体经历AB、BC、CA三个变化过程，则：(1)符合查理定律的变化过程是_；CA过程中气体_(选填“吸收”或“放出”)热量 ，_(选填“外界对气体”或“气体对外界”)做功，气体的内能_。(选填“增加”

30、、“减少”或“不变”)(2)已知理想气体在状态A时的温度是27 ，求气体在状态C时的温度。解析：(1)BC过程中，体积不变，为等容变化过程，符合查理定律；CA过程为等压变化，随着温度升高，气体内能增加，气体膨胀对外界做功，根据热力学第一定律可知：气体吸收热量。(2)CA过程中气体压强不变，由盖·吕萨克定律可知：，可得TC150 K。答案：(1)BC吸收气体对外界增加(2)150 K8.如图所示，一竖直放置的圆柱形绝热汽缸，通过绝热活塞封闭着一定质量的理想气体。活塞的质量为m，横截面积为S。初始时，汽缸内理想气体的温度为T0，活塞与容器底部相距h。现通过电热丝缓慢加热汽缸内理想气体，当

31、汽缸内理想气体吸收热量Q时活塞下降了h，已知大气压强为p0，重力加速度为g，不计活塞与汽缸的摩擦，求此时汽缸内理想气体的温度和加热过程中内能的增加量。(题中各物理量单位均采用国际单位制)解析：由盖 ­吕萨克定律得：解得T12T0气体在等压变化过程中，对活塞受力分析，如图所示由平衡条件：pSp0Smg则气体对活塞做功WpSh(p0Smg)h由热力学第一定律：UQW所以气体内能的增加量为UQ(p0Smg)h答案：Q(p0Smg)h9(1)汽车是一种将内能转化为机械能来工作的机器。有人总想将汽车发动机的工作效率提升到100%，根据我们所学的热学知识可知，这是不可能的，这种想法违背了_(填“热力学第一定