1、热力学定律与能量守恒定律 -2- 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:U= Q+W 。 -3- 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 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 。
2、 -4- 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 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 一切自发过程总是沿着分子热运动的 无序性 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 热力学第二定律 。 -5- 命题点一 命题点二 命题点三 热力学第一定律与能量守恒定律热力学第一定律与能量守恒定律 1.热力
3、学第一定律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U=Q+W符号的规定 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 -6- 命题点一 命题点二 命题点三 3.几种特殊情况 (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 内能的增加量。 (2)若过程中不做功,即W=0,则Q=U,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。 -7-
4、 命题点一 命题点二 命题点三 例1(2017 全国卷)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 答案 解析 解析 关闭 由于隔板右侧是真空,隔板抽开后,气体自发扩散至整个汽缸,并不做功也 没有热量交换,所以自发
5、扩散前后内能相同,故选项A正确,选项C错误;气 体被压缩过程中,外界对气体做功,没有热量交换,根据U=W+Q,气体的内 能增大,故选项B、D正确;气体被压缩过程中,温度升高,分子平均动能增 大,故选项E错误。 答案 解析 关闭 ABD -8- 命题点一 命题点二 命题点三 思维点拨要知道气体在向真空膨胀时不对外做功;绝热状态时 Q=0;理想气体的内能只与温度有关。 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
6、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。 -9- 命题点一 命题点二 命题点三 即学即练即学即练 1.(2017 北京昌平期末)下列说法正确的是( ) A.物体放出热量,其内能一定减小 B.物体对外做功,其内能一定减小 C.物体吸收热量,同时对外做功,其内能可能增加 D.物体放出热量,同时对外做功,其内能可能不变 答案 解析 解析 关闭 由热力学第一定律U=W+Q可知,物体放热,Q0,但是W未知,则U不一 定小于零,即内能不一定减少,选项A错误。对外做功W0,对外做功W0,则W+Q可为 正也可为零或负,即内能可能增加或不变或减小,选项C正确。放热Q
7、0, 且对外做功W0,则U0,即内能一定减少,选项D错误。故选C。 答案 解析 关闭 C -10- 命题点一 命题点二 命题点三 2.(2016 江苏卷)如图所示,在AB和DA的过程中,气体放出的热 量分别为4 J和20 J。在BC和CD的过程中,气体吸收的热量分 别为20 J和12 J。求气体完成一次循环对外界所做的功。 答案 解析 解析 关闭 完成一次循环气体内能不变,U=0,吸收的热量 Q=(20+12-4-20) J=8 J,由 热力学第一定律U=Q+W得,W=-8 J,气体对外做功为8 J。 答案 解析 关闭 8 J -11- 命题点一 命题点二 命题点三 3.(2017 甘肃临夏期
8、末)在如图所示的坐标系中,一定质量的某种理 想气体先后发生以下两种状态变化过程:第一种变化是从状态A到 状态B,外界对该气体做功为6 J;第二种变化是从状态A到状态C,该 气体从外界吸收的热量为9 J。图线AC的反向延长线过坐标原点 O,B、C两状态的温度相同,理想气体的分子势能为零。求: (1)从状态A到状态C的过程,该气体对外界做的功W1和其内能的增 量U1; (2)从状态A到状态B的过程,该气体内能的增量U2及其从外界吸 收的热量Q2。 -12- 命题点一 命题点二 命题点三 答案:(1)0 9 J (2)9 J 3 J 解析:(1)由题意知从状态A到状态C的过程,气体发生等容变化 该气
9、体对外界做的功W1=0 根据热力学第一定律U1=W1+Q1 内能的增量U1=Q1=9 J。 (2)从状态A到状态B的过程,体积减小,温度升高 该气体内能的增量U2=U1=9 J 根据热力学第一定律有U2=W2+Q2 从外界吸收的热量Q2=U2-W2=3 J。 -13- 命题点一 命题点二 命题点三 热力学第二定律热力学第二定律 1.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。 2.两类永动机的比较 分 类 第一类永动机 第二类永动机 设计 初衷 不需要任何动力或 燃料,却能不断地对
10、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 不违背能量守恒,但违背热力学 第二定律 -14- 命题点一 命题点二 命题点三 例2(多选)(2017 四川广安模拟)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 答案 解析 解析 关闭 内能的改变可以通过做功或热传递进行,故A正确;对某物体做功,若物体 同时向外放热
11、,则物体的内能不一定增加,B错误;在引起其他变化的情况 下,从单一热源吸收热量可以将其全部变为功,也可以将热量从低温物体 传向高温物体,C正确,D错误;涉及热现象的宏观自然过程具有方向性,故E 正确。 答案 解析 关闭 ACE -15- 命题点一 命题点二 命题点三 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 AB -16- 命题点一 命题点二 命题点三 即学即练即学即练 4.(2017 河北廊坊期末)关于两类永动机和热力学的两个定律,下列 说法正确的是( ) A.第二类永动机不可能制成是因为违反了
12、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不一定改变内能,热传递也不一定改 变内能,但同时做功和热传递一定会改变内能 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 答案 解析 解析 关闭 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,A、 B错误;由热力学第一定律可知W0,Q0,但U=W+Q可以等于0,C错误;由 热力学第二定律可知D中描述的现象是可能的,但会引起其他变化,D正确。 答案 解析 关闭 D -17- 命题点一 命题点二 命题点三 5.(多选)以下哪个现
13、象不违背热力学第二定律( ) 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 答案 解析 解析 关闭 热茶自动变凉是热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; 热量不是自发地从低温传到高温物体,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。 答案 解析 关闭
14、ACE -18- 命题点一 命题点二 命题点三 6.(2016 全国卷)关于热力学定律,下列说法正确的是 ( ) 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 答案 解析 解析 关闭 根据热力学第一定律可知,气体吸热如果同时对外做功,其温度不一定升 高,选项A错误;由热力学定律可知选项B、D、E正确;理想气体在等压膨 胀的过程中,温度升高,内能增加,对外做功,由U=W+Q知,气体一定吸热, 选项C错误。 答案
15、解析 关闭 BDE -19- 命题点一 命题点二 命题点三 热力学定律与气体实验定律的综合应用热力学定律与气体实验定律的综合应用 一定质量的理想气体不同图象的比较 图象 图线类别 图象特点 图象示例 等温 过程 p-V pV=CT(其中 C 为恒量),即 pV 之积越大的等温线温度 越高,线离原点越远 p- 1 V p=CT1 V,斜率 k=CT,即斜率 越大,温度越高 -20- 命题点一 命题点二 命题点三 图象 图线类别 图象特点 图象示例 等容 过程 p-T p=C VT,斜率 k= C V,即斜率越 大,体积越小 等压 过程 V-T V=C pT,斜率 k= C p,即斜率越 大,压强
16、越小 -21- 命题点一 命题点二 命题点三 考点1 利用图象比较气体的状态 例3(多选)(2017 江西上高县校级月考)如图所示是一定质量的理 想气体的体积V和摄氏温度t变化关系的V-t图象,气体由状态A变化 到状态B的过程中,下列说法正确的是( ) A.气体的内能增大 B.气体的内能不变 C.气体的压强减小 D.气体的压强不变 答案 解析 解析 关闭 从状态 A 到状态 B,气体的温度升高,则气体的内能增大,故 A正确,B 错误。 作出 A、 B 两状态在 V-T 坐标系中所对应的等压线,如图所示, 过 A 点作 T 轴的垂线,可知温度不变,体积变大,压强减小,所以从 A 到 B,气体压强
17、减小,故 C 正确,D 错误。故选 AC。 答案 解析 关闭 AC -22- 命题点一 命题点二 命题点三 思维点拨理想气体的内能由温度决定,结合温度的变化判断气体 内能变化,根据气体定律,结合V-T图线判断气体压强的变化。 气体状态变化图象的应用技巧 1.明确点、线的物理意义。 2.明确斜率的物理意义。 -23- 命题点一 命题点二 命题点三 考点2 热力学定律与气体实验图象的综合应用 例4(2017 全国卷)如图,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( ) A.在过程ab中气体的内能增加
18、 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 解析 解析 关闭 在过程 ab 中,气体体积不变,压强变大,根据 =C 知,气体温度升高, 则内能增加,A 正确;在过程 ca 中,气体体积减小,外界对气体做功,B 正确;在过程 ab 中,气体体积不变,气体不对外做功,外界也不对气体 做功,C 错;在过程 bc 中,气体进行的是等温变化,U=0,气体体积变 大,对外做功,W0 气体从外 界吸收热量,D 正确;根据 =C 知,在过程 ca 中,气体温度降低,则 U0,故一定有 QTc,一定量的理 想气体
19、的内能只与温度有关,温度越高,内能越大,B选项正确;cd过程中,温 度不变,内能不变,根据热力学第一定律U=Q+W,向外界放出的热量等于 外界对气体做的功,C选项错误;在过程da中,U0即W+Q0,吸收的热量 应大于气体对外界做的功,D选项错误;在过程da中,外界对气体做的功为 W1=pd(Va-Vd)=pdVa-pdVd,d和a压强相等,所以W1=paVa-pdVd,bc过程中气体对 外界做功W2=pc(Vb-Vc),b、c压强相同,所以W2=pbVb-pcVc,c和d,a和b温度相 同,所以paVa=pbVb,pdVd=pcVc,W1=W2,E选项正确。 答案 解析 关闭 ABE -28-
20、 命题点一 命题点二 命题点三 10.(2016 海南卷)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 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 答案 解析 解析 关闭 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,刚开始时,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; 无论是经历 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 E 正确。 答案 解析 关闭 ABE
