基礎(chǔ)課3熱力學(xué)定律與能量守恒定律 熱力學(xué)第一定律 1 改變物體內(nèi)能的兩種方式 1 2 熱傳遞 2 熱力學(xué)第一定律 1 內(nèi)容 一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)能增量等于外界向它傳遞的與外界對(duì)它所做的功的和 2 表達(dá)式 U 知識(shí)排查 做功 熱量 Q W 3 U 中正 負(fù)號(hào)法則 Q W 吸收 增加 放出 減少 能量守恒定律 1 內(nèi)容能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生 也不會(huì)憑空消失 它只能從一種形式為另一種形式 或者是從一個(gè)物體到另一個(gè)物體 在或的過(guò)程中 能量的保持不變 2 條件性能量守恒定律是自然界的 某一種形式的能是否守恒是有條件的 3 第一類永動(dòng)機(jī)是不可能制成的 它違背了 熱力學(xué)第二定律 1 熱力學(xué)第二定律的兩種表述 1 克勞修斯表述 熱量不能從低溫物體傳到高溫物體 2 開爾文表述 不可能從單一熱庫(kù)吸收熱量 使之完全變成功 而 或表述為 永動(dòng)機(jī)是不可能制成的 2 用熵的概念表示熱力學(xué)第二定律在任何自然過(guò)程中 一個(gè)孤立系統(tǒng)的總熵不會(huì) 3 熱力學(xué)第二定律的微觀意義一切自發(fā)過(guò)程總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)的增大的方向進(jìn)行 4 第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成的原因是違背了 小題速練 1 思考判斷 1 外界壓縮氣體做功20J 氣體的內(nèi)能可能不變 2 電冰箱的工作過(guò)程表明 熱量可以從低溫物體向高溫物體傳遞 3 科技的進(jìn)步可以使內(nèi)燃機(jī)成為單一熱源的熱機(jī) 4 對(duì)能源的過(guò)度消耗將使自然界的能量不斷減少 形成能源危機(jī) 5 一定量100 的水變成100 的水蒸氣 其分子之間的勢(shì)能增加 答案 1 2 3 4 5 2 多選 對(duì)于熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律的理解 下列說(shuō)法正確的是 A 一定質(zhì)量的氣體膨脹對(duì)外做功100J 同時(shí)從外界吸收120J的熱量 則它的內(nèi)能增大20JB 物體從外界吸收熱量 其內(nèi)能一定增加 物體對(duì)外界做功 其內(nèi)能一定減少C 凡與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過(guò)程都具有方向性 在熱傳遞中 熱量只能從高溫物體傳遞給低溫物體 而不能從低溫物體傳遞給高溫物體D 第二類永動(dòng)機(jī)違反了熱力學(xué)第二定律 沒有違反熱力學(xué)第一定律E 熱現(xiàn)象過(guò)程中不可避免地出現(xiàn)能量耗散現(xiàn)象 能量耗散符合熱力學(xué)第二定律 解析根據(jù)熱力學(xué)第一定律知 U W Q 100J 120J 20J 故選項(xiàng)A正確 根據(jù)熱力學(xué)第一定律 U W Q 可知物體從外界吸收熱量 其內(nèi)能不一定增加 物體對(duì)外界做功 其內(nèi)能不一定減少 選項(xiàng)B錯(cuò)誤 通過(guò)做功的方式可以讓熱量從低溫物體傳遞給高溫物體 如電冰箱 選項(xiàng)C錯(cuò)誤 第二類永動(dòng)機(jī)沒有違反能量守恒定律 熱力學(xué)第一定律是能量轉(zhuǎn)化和守恒定律在熱學(xué)中的反映 因此第二類永動(dòng)機(jī)沒有違反熱力學(xué)第一定律 不能制成是因?yàn)樗`反了熱力學(xué)第二定律 故選項(xiàng)D正確 能量耗散過(guò)程體現(xiàn)了宏觀自然過(guò)程的方向性 符合熱力學(xué)第二定律 選項(xiàng)E正確 答案ADE 熱力學(xué)第一定律與能量守恒定律 1 做功和熱傳遞的區(qū)別做功與熱傳遞在改變內(nèi)能的效果上是相同的 但是從運(yùn)動(dòng)形式 能量轉(zhuǎn)化的角度上看是不同的 做功是其他形式的運(yùn)動(dòng)和熱運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)化 是其他形式的能與內(nèi)能之間的轉(zhuǎn)化 而熱傳遞則是熱運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)移 是內(nèi)能的轉(zhuǎn)移 2 三種特殊情況 1 若過(guò)程是絕熱的 則Q 0 W U 外界對(duì)物體做的功等于物體內(nèi)能的增加量 2 若過(guò)程中不做功 則W 0 Q U 物體吸收的熱量等于物體內(nèi)能的增加量 3 若過(guò)程的始末狀態(tài)物體的內(nèi)能不變 即 U 0 則W Q 0或W Q 外界對(duì)物體做的功等于物體放出的熱量 1 2018 襄陽(yáng)模擬 多選 下列對(duì)熱力學(xué)定律的理解正確的是 A 可以從單一熱源吸收熱量 使之完全變?yōu)楣 由熱力學(xué)第一定律可知做功不一定改變內(nèi)能 熱傳遞也不一定改變內(nèi)能 但同時(shí)做功和熱傳遞一定會(huì)改變內(nèi)能C 空調(diào)機(jī)在制冷過(guò)程中 從室內(nèi)吸收的熱量少于向室外放出的熱量D 熱量不可能由低溫物體傳給高溫物體E 如果物體從外界吸收了熱量 物體的內(nèi)能也可能減少 解析在引起其他變化的情況下 從單一熱源吸收熱量可以將其全部變?yōu)楣?選項(xiàng)A正確 由熱力學(xué)第一定律可知 當(dāng)W 0 Q 0時(shí) U W Q可以等于0 選項(xiàng)B錯(cuò)誤 空調(diào)機(jī)在制冷過(guò)程中消耗了電能 總體上是放出熱量 選項(xiàng)C正確 熱量可以由低溫物體傳給高溫物體 選項(xiàng)D錯(cuò)誤 物體從外界吸收熱量 可能同時(shí)對(duì)外做功 如果對(duì)外做的功大于從外界吸收的熱量 則物體的內(nèi)能減少 選項(xiàng)E正確 答案ACE 2 2018 吉林長(zhǎng)春質(zhì)檢 多選 下列各說(shuō)法正確的是 A 氣體擴(kuò)散現(xiàn)象表明氣體分子間存在斥力B 對(duì)于同一理想氣體 溫度越高 分子平均動(dòng)能越大C 熱量總是自發(fā)地從分子平均動(dòng)能大的物體傳遞到分子平均動(dòng)能小的物體D 用活塞壓縮汽缸內(nèi)的理想氣體 對(duì)氣體做了3 0 105J的功 同時(shí)氣體向外界放出1 5 105J的熱量 則氣體內(nèi)能增加了1 5 105JE 飽和汽壓與分子密度有關(guān) 與溫度無(wú)關(guān) 解析氣體擴(kuò)散現(xiàn)象表明氣體分子在做無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng) 選項(xiàng)A錯(cuò)誤 由于溫度是分子平均動(dòng)能的標(biāo)志 故對(duì)于同一理想氣體 溫度越高 分子平均動(dòng)能越大 選項(xiàng)B正確 分子的平均動(dòng)能大 則說(shuō)明物體的溫度高 熱量總是自發(fā)地從高溫物體傳遞到低溫物體 選項(xiàng)C正確 用活塞壓縮汽缸內(nèi)的理想氣體 根據(jù)熱力學(xué)第一定律 對(duì)氣體做了3 0 105J的功 同時(shí)氣體向外界放出1 5 105J的熱量 則氣體內(nèi)能增加了1 5 105J 選項(xiàng)D正確 飽和汽壓與溫度有關(guān) 且隨著溫度的升高而增大 選項(xiàng)E錯(cuò)誤 答案BCD 3 2017 全國(guó)卷 33 1 多選 如圖1 一定質(zhì)量的理想氣體從狀態(tài)a出發(fā) 經(jīng)過(guò)等容過(guò)程ab到達(dá)狀態(tài)b 再經(jīng)過(guò)等溫過(guò)程bc到達(dá)狀態(tài)c 最后經(jīng)等壓過(guò)程ca回到初態(tài)a 下列說(shuō)法正確的是 A 在過(guò)程ab中氣體的內(nèi)能增加B 在過(guò)程ca中外界對(duì)氣體做功C 在過(guò)程ab中氣體對(duì)外界做功D 在過(guò)程bc中氣體從外界吸收熱量E 在過(guò)程ca中氣體從外界吸收熱量 圖1 解析在過(guò)程ab中 體積不變 氣體對(duì)外界不做功 壓強(qiáng)增大 溫度升高 內(nèi)能增加 故選項(xiàng)A正確 C錯(cuò)誤 在過(guò)程ca中 氣體的體積縮小 外界對(duì)氣體做功 壓強(qiáng)不變 溫度降低 內(nèi)能變小 氣體向外界放出熱量 故選項(xiàng)B正確 E錯(cuò)誤 在過(guò)程bc中 溫度不變 內(nèi)能不變 體積增大 氣體對(duì)外界做功 由熱力學(xué)第一定律可知 氣體要從外界吸收熱量 故選項(xiàng)D正確 答案ABD 4 2017 全國(guó)卷 33 1 多選 如圖2 用隔板將一絕熱汽缸分成兩部分 隔板左側(cè)充有理想氣體 隔板右側(cè)與絕熱活塞之間是真空 現(xiàn)將隔板抽開 氣體會(huì)自發(fā)擴(kuò)散至整個(gè)汽缸 待氣體達(dá)到穩(wěn)定后 緩慢推壓活塞 將氣體壓回到原來(lái)的體積 假設(shè)整個(gè)系統(tǒng)不漏氣 下列說(shuō)法正確的是 A 氣體自發(fā)擴(kuò)散前后內(nèi)能相同B 氣體在被壓縮的過(guò)程中內(nèi)能增大C 在自發(fā)擴(kuò)散過(guò)程中 氣體對(duì)外界做功D 氣體在被壓縮的過(guò)程中 外界對(duì)氣體做功E 氣體在被壓縮的過(guò)程中 氣體分子的平均動(dòng)能不變 圖2 解析因?yàn)槠?活塞都是絕熱的 隔板右側(cè)是真空 所以理想氣體在自發(fā)擴(kuò)散的過(guò)程中 既不吸熱也不放熱 也不對(duì)外界做功 根據(jù)熱力學(xué)第一定律可知 氣體自發(fā)擴(kuò)散前后 內(nèi)能不變 選項(xiàng)A正確 選項(xiàng)C錯(cuò)誤 氣體被壓縮的過(guò)程中 外界對(duì)氣體做功 氣體內(nèi)能增大 又因?yàn)橐欢ㄙ|(zhì)量的理想氣體的內(nèi)能只與溫度有關(guān) 所以氣體溫度升高 分子平均動(dòng)能增大 選項(xiàng)B D正確 選項(xiàng)E錯(cuò)誤 答案ABD 應(yīng)用熱力學(xué)第一定律的三點(diǎn)注意 1 做功看體積 體積增大 氣體對(duì)外做功 W為負(fù) 體積縮小 外界對(duì)氣體做功 W為正 氣體向真空中自由膨脹 對(duì)外界不做功 W 0 2 與外界絕熱 則不發(fā)生熱傳遞 此時(shí)Q 0 3 由于理想氣體沒有分子勢(shì)能 所以當(dāng)它的內(nèi)能變化時(shí) 主要體現(xiàn)在分子動(dòng)能的變化上 從宏觀上看就是溫度發(fā)生了變化 對(duì)熱力學(xué)第二定律的理解 在熱力學(xué)第二定律的表述中 自發(fā)地 不產(chǎn)生其他影響 的涵義 1 自發(fā)地 指明了熱傳遞等熱力學(xué)宏觀現(xiàn)象的方向性 不需要借助外界提供能量的幫助 2 不產(chǎn)生其他影響 的涵義是發(fā)生的熱力學(xué)宏觀過(guò)程只在本系統(tǒng)內(nèi)完成 對(duì)周圍環(huán)境不產(chǎn)生熱力學(xué)方面的影響 如吸熱 放熱 做功等 1 對(duì)熱力學(xué)第二定律關(guān)鍵詞的理解 2 熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì) 自然界中進(jìn)行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過(guò)程都具有方向性 如 3 兩類永動(dòng)機(jī)的比較 1 多選 下列關(guān)于熱力學(xué)第二定律的說(shuō)法正確的是 A 所有符合能量守恒定律的宏觀過(guò)程都能發(fā)生B 一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀自然過(guò)程都是不可逆的C 機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能 但內(nèi)能無(wú)法全部用來(lái)做功而轉(zhuǎn)化成機(jī)械能D 氣體向真空的自由膨脹是可逆的E 熱運(yùn)動(dòng)的宏觀過(guò)程有一定的方向性 解析符合能量守恒定律 但違背熱力學(xué)第二定律的宏觀過(guò)程不能發(fā)生 選項(xiàng)A錯(cuò)誤 一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀自然過(guò)程都是不可逆的 選項(xiàng)B正確 機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能 但內(nèi)能無(wú)法全部用來(lái)做功而轉(zhuǎn)化成機(jī)械能 選項(xiàng)C正確 氣體向真空的自由膨脹是不可逆的 選項(xiàng)D錯(cuò)誤 熱運(yùn)動(dòng)的宏觀過(guò)程有一定的方向性 選項(xiàng)E正確 答案BCE 2 2016 全國(guó)卷 33 1 多選 關(guān)于熱力學(xué)定律 下列說(shuō)法正確的是 A 氣體吸熱后溫度一定升高B 對(duì)氣體做功可以改變其內(nèi)能C 理想氣體等壓膨脹過(guò)程一定放熱D 熱量不可能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體E 如果兩個(gè)系統(tǒng)分別與狀態(tài)確定的第三個(gè)系統(tǒng)達(dá)到熱平衡 那么這兩個(gè)系統(tǒng)彼此之間也必定達(dá)到熱平衡 答案BDE 3 多選 根據(jù)熱力學(xué)定律 下列說(shuō)法正確的是 A 電冰箱的工作表明 熱量可以從低溫物體向高溫物體傳遞B 空調(diào)機(jī)在制冷過(guò)程中 從室內(nèi)吸收的熱量少于向室外放出的熱量C 科技的不斷進(jìn)步使得人類有可能生產(chǎn)出從單一熱源吸熱全部用來(lái)對(duì)外做功而不引起其他變化的熱機(jī)D 即使沒有漏氣 摩擦 不必要的散熱等損失 熱機(jī)也不可以把燃料產(chǎn)生的內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能E 對(duì)能源的過(guò)度消耗使自然界的能量不斷減少 形成 能源危機(jī) 解析熱量可以在外界做功的情況下從低溫物體向高溫物體傳遞 但不能自發(fā)進(jìn)行 選項(xiàng)A正確 空調(diào)機(jī)在制冷過(guò)程中 從室內(nèi)吸收的熱量少于向室外放出的熱量 選項(xiàng)B正確 不可能從單一熱源吸熱全部用來(lái)對(duì)外做功而不引起其他變化 故選項(xiàng)C錯(cuò)誤 根據(jù)熱力學(xué)第二定律 即使沒有漏氣 摩擦 不必要的散熱等損失 熱機(jī)也不可以把燃料產(chǎn)生的內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能 故選項(xiàng)D正確 對(duì)能源的過(guò)度消耗將形成 能源危機(jī) 但自然界的總能量守恒 故選項(xiàng)E錯(cuò)誤 答案ABD 解決熱力學(xué)定律與氣體實(shí)驗(yàn)定律的綜合問(wèn)題的思路 熱力學(xué)定律與氣體實(shí)驗(yàn)定律的綜合應(yīng)用 1 多選 如圖3所示 一定質(zhì)量的理想氣體從狀態(tài)A依次經(jīng)過(guò)狀態(tài)B C和D后再回到狀態(tài)A 其中 A B和C D為等溫過(guò)程 B C和D A為絕熱過(guò)程 氣體與外界無(wú)熱量交換 該循環(huán)過(guò)程中 下列說(shuō)法正確的是 A A B過(guò)程中 氣體的內(nèi)能不變B B C過(guò)程中 氣體分子的平均動(dòng)能增大C C D過(guò)程中 氣體分子數(shù)密度增大 單位時(shí)間內(nèi)碰撞單位面積器壁的分子數(shù)增多D D A過(guò)程中 外界對(duì)氣體做的功小于氣體內(nèi)能的增加量E 若氣體在A B過(guò)程中吸收63kJ的熱量 在C D過(guò)程中放出38kJ的熱量 則氣體完成一次循環(huán)對(duì)外做的功為25kJ 圖3 解析A B為等溫過(guò)程 氣體的內(nèi)能不變 選項(xiàng)A正確 B C為絕熱過(guò)程 氣體沒有與外界熱交換 體積增大 氣體對(duì)外界做功 內(nèi)能減小 所以B C過(guò)程中 氣體分子的平均動(dòng)能減小 選項(xiàng)B錯(cuò)誤 C D為等溫過(guò)程 C D過(guò)程中 氣體體積減小 單位時(shí)間內(nèi)碰撞單位面積器壁的分子數(shù)增多 選項(xiàng)C正確 D A過(guò)程中 氣體與外界無(wú)熱量交換 體積減小 外界對(duì)氣體做功 外界對(duì)氣體做的功等于氣體內(nèi)能的增加量 選項(xiàng)D錯(cuò)誤 氣體完成一次循環(huán) 氣體的內(nèi)能不變 由熱力學(xué)第一定律可如 氣體對(duì)外做的功為63kJ 38kJ 25kJ 選項(xiàng)E正確 答案ACE 2 2018 河南鄭州質(zhì)檢 一定質(zhì)量的理想氣體從狀態(tài)A變化到狀態(tài)B 再變化到狀態(tài)C 其狀態(tài)變化過(guò)程的p V圖象如圖4所示 已知該氣體在狀態(tài)A時(shí)的溫度為27 求 1 該氣體在狀態(tài)B時(shí)的溫度 2 該氣體從狀態(tài)A到狀態(tài)C的過(guò)程中與外界交換的熱量 圖4 解析 1 對(duì)于理想氣體 A B過(guò)程 所以tB TB 273 173 得TC 300K 所以tC TC 273 27 由于狀態(tài)A與狀態(tài)C溫度相同 氣體內(nèi)能相等 而A B過(guò)程是等容變化氣體對(duì)外不做功 B C過(guò)程中氣體體積膨脹對(duì)外做功 即從狀態(tài)A到狀態(tài)C氣體對(duì)外做功 故氣體應(yīng)從外界吸收熱量 即Q p V 1 105 3 10 3 1 10 3 J 200J 答案 1 173 2 200J 3 如圖5所示 豎直放置的汽缸 活塞橫截面積為S 0 10m2 活塞的質(zhì)量忽略不計(jì) 氣缸側(cè)壁有一個(gè)小孔與裝有水銀的U形玻璃管相通 開始活塞被鎖定 汽缸內(nèi)封閉了一段高為80cm的氣柱 U形管內(nèi)的氣體體積不計(jì) 此時(shí)缸內(nèi)氣體溫度為27 U形管內(nèi)水銀面高度差h1 15cm 已知大氣壓強(qiáng)p0 1 0 105Pa 水銀的密度 13 6 103kg m3 重力加速度g取10m s2 1 讓汽缸緩慢降溫 直至U形管內(nèi)兩邊水銀面相平 求這時(shí)封閉氣體的溫度 2 接著解除對(duì)活塞的鎖定 活塞可在汽缸內(nèi)無(wú)摩擦滑動(dòng) 同時(shí)對(duì)汽缸緩慢加熱 直至汽缸內(nèi)封閉的氣柱高度達(dá)到96cm 求整個(gè)過(guò)程中氣體與外界交換的熱量 圖5 解析 1 由題意知 活塞位置不變 汽缸內(nèi)氣體做等容變化 p1 p0 gh1 1 2 105Pa p2 p0 1 0 105Pa T1 300K解得T2 250K 2 接著解除對(duì)活塞的鎖定 活塞可在汽缸內(nèi)無(wú)摩擦滑動(dòng) 即整個(gè)過(guò)程中氣體壓強(qiáng)p0 1 0 105Pa 因?yàn)門3 T1 300K 所以初狀態(tài)與末狀態(tài)氣體內(nèi)能相等 而第一個(gè)變化過(guò)程是等容變化 氣體不對(duì)外做功 第二個(gè)變化過(guò)程中氣體膨脹對(duì)外做功 故氣體應(yīng)從外界吸收熱量 吸收的熱量等于第二個(gè)變化過(guò)程中氣體膨脹對(duì)外做的功 即Q p0 V 1600J 答案 1 250K 2 1600J 審題時(shí)容易漏掉 開始活塞被鎖定 活塞的質(zhì)量忽略不計(jì) 這些重要條件 從而無(wú)法判斷氣體狀態(tài)參量的變化情況