第3节热力学定律与能量守恒

第3节热力学定律与能量守恒教材梳理·自主预习考点研析·感悟提升一、热力学第一定律1.改变物体内能的两种方式(1)

:将其他形式的能转化为内能.(2)

:物体间内能的转移.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:ΔU=

.知识梳理教材梳理·自主预习做功热传递热量Q+W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

传到

.(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“第二类永动机不可能制成.”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

.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.低温物体高温物体不产生其他影响减小无序性三、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

为另一种形式,或者从一个物体

到别的物体,在转化或转移的过程中,能量的

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

,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

,不可能实现.转化转移总量能量守恒定律热力学第二定律小题检测1.思考判断(1)做功和热传递的实质是相同的.(

)×(2)外界压缩气体做功20J,气体的内能可能减少.(

)(3)在给自行车打气时,会发现打气筒的温度升高,这是因为外界对气体做功.(

)(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)电冰箱将热量从低温物体向高温物体传递过程违背了热力学第二定律.(

)(6)自由摆动的秋千摆动幅度越来越小,能量正在消失.(

)√√×××2.(多选)关于气体的内能和热力学定律,下列说法正确的是(

)A.对气体做功可以改变其内能B.质量和温度都相同的气体,内能一定相同C.一定量的理想气体在等压膨胀过程中,内能一定增加D.一定量的理想气体,温度越高,气体分子运动越剧烈,气体内能越大ACD解析:做功和热传递都能改变内能,所以对气体做功可以改变其内能,故A正确;质量和温度都相同的气体,内能不一定相同,还和气体的种类有关,故B错误;由盖-吕萨克定律可知,一定量的理想气体在等压膨胀过程中温度升高,内能增加,故C正确;一定量的理想气体温度越高,气体分子运动越剧烈,而理想气体内能只与温度有关,故温度越高,其内能越大,故D正确.3.(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.功转变为热的宏观自然过程是不可逆过程ACE解析:改变内能的方法有做功和热传递两种,所以为了增加物体的内能,必须对物体做功或向它传递热量,选项A正确;对物体做功的同时向外界放热,则物体的内能可能不变或减小,选项B错误;根据热力学第二定律可知,在对外界有影响的前提下,可以从单一热源吸收热量,使之完全变为功,选项C正确;在有外界做功的条件下,可以使热量从低温物体传递到高温物体,选项D错误;根据热力学第二定律可知,选项E正确.4.(2019•安徽宿州质检)(多选)一定量的理想气体的压强p与热力学温度T的变化图象如图所示.下列说法正确的是(

)

A.A→B的过程中,气体对外界做功,气体内能增加B.A→B的过程中,气体从外界吸收的热量等于其内能的增加量C.B→C的过程中,气体体积增大,对外做功D.B→C的过程中,气体对外界放热,内能不变E.B→C的过程中,气体分子与容器壁每秒碰撞的次数增加BDE解析:从A到B的过程,是等容升温过程,气体不对外做功,气体从外界吸收热量,使得气体内能增加,故A错误,B正确;从B到C的过程是等温压缩过程,压强增大,体积减小,外界对气体做功,气体放出热量,内能不变,因体积减小,分子数密度增大,故气体分子与容器壁每秒碰撞的次数增加,故C错误,D,E正确。考点一热力学第一定律考点研析·感悟提升1.对公式ΔU=Q+W符号的规定符号WQΔU+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2.几种特殊情况(1)若过程是绝热的,则Q=0,W=ΔU,外界对物体做的功等于物体内能的增加量.(2)若过程中不做功,即W=0,则Q=ΔU,物体吸收的热量等于物体内能的增加量.(3)若过程的初、末状态物体的内能不变,即ΔU=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](1)若一气泡从湖底上升到湖面的过程中温度保持不变,则在此过程中关于气泡中的气体,下列说法正确的是(

)A.气体分子间的作用力增大B.气体分子的平均速率增大C.气体分子的平均动能减小D.气体组成的系统一定吸热解析:(1)考虑气体分子间作用力时,分子力表现为引力,气泡膨胀,分子间距增大,分子力减小,A错误;气泡上升过程中温度不变,分子的平均动能不变,分子的平均速率也不变,B,C错误;气泡上升过程中体积膨胀,温度不变,而气体对外做功,故气体一定吸收热量,D正确.答案:(1)D(2)若将气泡内的气体视为理想气体,气泡从湖底上升到湖面的过程中,对外界做了0.6J的功,则此过程中的气泡

(选填“吸收”或“放出”)的热量是

J.气泡到达湖面后,温度上升的过程中,又对外界做了0.1J的功,同时吸收了0.3J的热量,则此过程中,气泡内气体内能增加了

J.

解析:(2)将气体视为理想气体时,其内能只与温度有关.气泡上升过程中温度不变,ΔU=0,对外做功,W=-0.6J,由ΔU=Q+W有Q=ΔU-W=0.6J>0,即需从外界吸收0.6J的热量.气泡到达湖面后,由ΔU=Q+W得ΔU′=(0.3-0.1)J=0.2J.答案:(2)吸收0.6

0.2反思总结应用热力学第一定律的三点注意(1)做功看体积: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.气体向真空中自由膨胀,对外界不做功,W=0.(2)与外界绝热,则不发生热传递,此时Q=0.(3)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.[针对训练]

(2017·全国Ⅱ卷,33)(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:气体向真空自由扩散的过程中,对外不做功;又汽缸和活塞都绝热,不吸热也不放热,由热力学第一定律ΔU=Q+W,Q=0,W=0,所以ΔU=0,内能不变,选项A正确,C错误;气体被压缩时,外界对气体做功,又绝热,所以内能增大,选项B,D正确;理想气体分子势能为零,内能表现为分子动能,内能增大,则分子动能增大,分子平均动能也增大,选项E错误.答案:ABD考点二热力学第二定律1.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”的含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.在产生其他影响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.[例2](多选)以下现象不违背热力学第二定律的有(

)A.一杯热茶在打开盖后,茶会自动变凉B.没有漏气、没有摩擦的理想热机,其效率可能是100%C.桶中浑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.热量自发地从低温物体传到高温物体E.在地面上运动的物体逐渐停下来,机械能全部变为内能解析:热茶自动变凉是热量从高温物体传递到低温物体,A正确;任何热机效率都不可能达到100%,B错误;泥水分离是机械能(重力势能)向内能的转化,C正确;热量不能自发地从低温物体传到高温物体,D错误;物体因摩擦力而停下来,是机械能(动能)向内能的转化,是自发过程,E正确.ACE[针对训练](2019·湖南长沙模拟)(多选)下列关于第二类永动机说法正确的是(

)A.第二类永动机是指没有冷凝器,只有单一的热源,能将从单一热源吸收的热量全部用来做功,而不引起其他变化的热机B.第二类永动机违反了能量守恒定律,所以不可能制成C.第二类永动机违背了热力学第二定律,所以不可能制成D.随着科技的发展,第二类永动机有可能制成E.第二类永动机不可能制成,说明机械能可以全部转化为内能,但内能却不能全部转化为机械能,而不引起其他变化ACE解析:由第二类永动机的定义知,A正确;第二类永动机违反了热力学第二定律,B,D错误,C正确;由热力学第二定律知,机械能可以全部转化为内能,但内能却不能全部转化为机械能,而不引起其他变化,E正确.考点三热力学定律与气体实验定律的综合问题气体实验定律与热力学定律综合应用的分析思路(1)拔去容器上端的塞子,求活塞稳定后B气室的体积VB;(2)拔去塞子待活塞稳定后,室温开始缓慢升高,从活塞稳定到其恰好上升到容器顶端的过程中B室气体从外界吸热为Q,求这个过程中B气室气体内能增量ΔU.1.(热力学定律与T-V图象的综合)(2018·全国Ⅰ卷,33)(多选)如图,一定质量的理想气体从状态a开始,经历过程①,②,③,④到达状态e.对此气体,下列说法正确的是(

)A.过程①中气体的压强逐渐减小B.过程②中气体对外界做正功C.过程④中气体从外界吸收了热量D.状态c,d的内能相等E.状态d的压强比状态b的压强小BDE题组训练解析:过程①中,气体由a到b,体积V不变、T升高,则压强增大,A错误;过程②中,气体由b到c,体积V变大,对外界做正功,B正确;过程④中,气体由d到e,温度T降低,内能ΔU减小,体积V不变,气体不做功,根据热力学第一定律ΔU=Q+W得Q<0,即气体放出热量,C错误;状态c,d温度相同,所以内能相同,D正确;由b到c的过程,作过状态b,c的等压线,分析可得pb>pc,由c到d的过程,温度不变,Vc<Vd,pc>pd,故pb>pc>pd,E正确.2.(热力学定律与p-T图象的综合)(多选)一定量的理想气体从状态a开始,经历三个过程ab,bc,ca回到原状态,其p-T图象如图所示.下列判断正确的是(

)A.过程ab中气体一定吸热B.过程bc中气体既不吸热也不放热C.过程ca中外界对气体所做的功等于气体所放的热D.a,b和c三个状态中,状态a分子的平均动能最小E.b和c两个状态中