高考物理一轮复习-第十三章-第3讲-热力学定律与能量守恒定律

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)

；(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

与外界对它所做的功的和。(2)表达式：ΔU＝

。做功热量Q＋W二、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

为另一种形式，或者是从一个物体

到别的物体，在

或

的过程中，能量的

保持不变。2．条件性能量守恒定律是自然界的

，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

。转化转移转化转移总量普遍规律能量守恒定律三、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

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”。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

。自发地不产生其他影响第二类减小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。4．第二类永动机不可能制成的原因是违背了

。无序性热力学第二定律命题点一热力学第一定律与能量守恒定律

自主探究1．做功和热传递的区别做功与热传递在改变内能的效果上是相同的，但是从运动形式、能量转化的角度上看是不同的。做功是其他形式的运动和热运动的转化，是其他形式的能与内能之间的转化；而热传递则是热运动的转移，是内能的转移。2．对公式ΔU＝Q＋W符号的确定符号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3.三种特殊情况(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)若过程的始末状态物体的内能不变，即ΔU＝0，则W＋Q＝0或W＝－Q。即外界对物体做的功等于物体放出的热量。1．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ABD

解析：气体向真空扩散过程中不对外做功，且又因为汽缸绝热，可知气体自发扩散前后内能相同，A正确，C错误；气体在被压缩的过程中活塞对气体做功，因汽缸绝热，则气体内能增大，B、D正确；气体在被压缩的过程中，因气体内能增加，则温度升高，气体分子的平均动能增加，E错误。2．(2019·高考全国卷Ⅰ)某容器中的空气被光滑活塞封住，容器和活塞绝热性能良好，空气可视为理想气体。初始时容器中空气的温度与外界相同，压强大于外界。现使活塞缓慢移动，直至容器中的空气压强与外界相同。此时，容器中空气的温度________(选填“高于”“低于”或“等于”)外界温度，容器中空气的密度________(选填“大于”“小于”或“等于”)外界空气的密度。解析：由于初始时容器中的空气压强大于外界，活塞光滑、容器绝热，容器内空气推动活塞对外做功，由ΔU＝W＋Q知，气体内能减少，温度降低。气体的压强与温度和单位体积内的分子数有关，由于容器内空气的温度低于外界温度，但压强相同，则容器中空气的密度大于外界空气的密度。低于

大于

3．一定质量的气体，在从状态1变化到状态2的过程中，吸收热量280J，并对外做功120J，试问：(1)这些气体的内能发生了怎样的变化？(2)如果这些气体又返回原来的状态，并放出了240J热量，那么在返回的过程中是气体对外界做功，还是外界对气体做功？做功多少？解析：(1)由热力学第一定律可得ΔU＝W＋Q＝－120J＋280J＝160J，气体的内能增加了160J。(2)由于气体的内能仅与状态有关，所以气体从状态2回到状态1的过程中内能的变化应等于从状态1到状态2的过程中内能的变化，则从状态2到状态1的内能应减少160J，即ΔU′＝－160J，又Q′＝－240J，根据热力学第一定律得ΔU′＝W′＋Q′，所以W′＝ΔU′－Q′＝－160J－(－240J)＝80J，即外界对气体做功80J。答案：(1)增加了160J

(2)外界对气体做功80J方法技巧判定物体内能变化的方法(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。(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，体现在分子动能的变化上，从宏观上看就是温度的变化。命题点二热力学第二定律

自主探究1．对热力学第二定律关键词的理解在热力学第二定律的表述中，“自发地”“不产生其他影响”的含义：(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。3．两类永动机的比较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定律不违背能量守恒定律，但违背热力学第二定律4．下列关于热力学第二定律的说法正确的是(

)A.所有符合能量守恒定律的宏观过程都能真的发生B.一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的C.机械能可以全部转化为内能，内能也可以全部用来做功而转化成机械能D.气体向真空的自由膨胀是可逆的E.热运动的宏观过程有一定的方向性BCE

解析：符合能量守恒定律，但违背热力学第二定律的宏观过程不能发生，选项A错误；一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的，选项B正确；机械能可以全部转化为内能，在外界影响下，内能也可以全部用来做功而转化成机械能，选项C正确；气体向真空的自由膨胀是不可逆的，选项D错误；热运动的宏观过程有一定的方向性，选项E正确。5．关于两类永动机和热力学的两个定律，下列说法不正确的是(

)A.第二类永动机不可能制成是因为违反了热力学第一定律B.第一类永动机不可能制成是因为违反了热力学第二定律C.由热力学第一定律可知做功可以改变内能，热传递也可以改变内能，但同时做功和热传递不一定会改变内能D.由热力学第二定律可知，热量从低温物体传向高温物体是可能的，从单一热源吸收热量，完全变成功也是可能的E.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，第二类永动机可以制造出来ABE

解析：第一类永动机违反能量守恒定律，第二类永动机违反热力学第二定律，两类永动机不可能制造出来，A、B、E错误；由热力学第一定律可知W≠0，Q≠0，但ΔU＝W＋Q可以等于0，C正确；由热力学第二定律可知D中现象是可能的，但会引起其他变化，D正确。规律总结热力学第一、第二定律的比较热力学第一定律热力学第二定律定律揭示的问题它从能量守恒的角度揭示了功、热量和内能改变量三者的定量关系它指出自然界中涉及热现象的宏观过程是有方向性的机械能和内能的转化当摩擦力做功时，机械能可以全部转化为内能内能不可能在不引起其他变化的情况下完全变成机械能表述形式只有一种表述形式有多种表述形式两定律的关系在热力学中，两者既相互独立，又互为补充，共同构成了热力学知识的理论基础命题点三热力学定律与气体实验定律的综合应用

师生互动热力学定律与气体实验定律问题的处理方法(1)气体实验定律的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，如果是等压变化，W＝pΔV；只要温度发生变化，其内能就发生变化。(4)结合热力学第一定律ΔU＝W＋Q求解问题。[答案]

2×105J

热力学第一定律与气体实验定律的综合应用[典例2]

(2021·山东济南模拟)如图所示，绝热汽缸倒扣放置，质量为M的绝热活塞在汽缸内封闭一定质量的理想气体，活塞与汽缸间的摩擦可忽略不计，活塞下部空间与外界连通，汽缸底部连接一U形细管(管内气体的体积忽略不计)。初始时，封闭气体温度为T0，活塞距离汽缸底部为h0，细管内两侧水银柱存在高度差。已知水银密度为ρ，大气压强为p0，汽缸横截面积为S，重力加速度为g。(1)求U形细管内两侧水银柱的高度差；(2)通过加热装置缓慢提升气体温度使活塞下降Δh0，求此时的温度；此加热过程中，若气体吸收的热量为Q，求气体内能的变化。6.如图所示，一定量的理想气体从状态a变化到状态b，其过程如p-V图中从a到b的直线所示。在此过程中(

)A.气体温度一直降低B.气体内能一直增加C.气体一直对外做功D.气体一直从外界吸热E.气体吸收的热量一直全部用于对外做功BCD

7.(2021·湖北宜昌一中龙泉中学高三联考)一定质量的理想气体从状态A变化到状态B，再变化到状态C，其状态变化过程的p

V图像如图所示。则根据图像上所提供的数据可以得到该气体从状态A到状态C的过程中内能的变化量是____；该气体从状态A到状态C的过程中________(选填“吸收”或“放出”)的热量是________J。(大气压强p0＝1.0×105Pa)解析：A、C两个状态的温度相等，所以内能的变化量ΔU＝0。从状态A到状态C的过程中，气体体积增大，对外做功W＝－p0ΔV＝－2000J。根据热力学第一定律得ΔU＝W＋Q，此过程中需要吸收热量，吸收的热量Q＝2000J。答案：

0

吸收200