第3節(jié)熱力學定律與能量守恒定律 一 熱力學第一定律1 改變物體內能的兩種方式 1 做功 2 熱傳遞 2 熱力學第一定律 1 內容 一個熱力學系統(tǒng)的內能增量等于外界向它傳遞的熱量與外界對它所做的功的和 2 表達式 U Q W 二 能量守恒定律1 內容能量既不會憑空產(chǎn)生 也不會憑空消失 它只能從一種形式轉化為另一種形式 或者是從一個物體轉移到別的物體 在轉化或轉移的過程中 能量的總量保持不變 2 條件性能量守恒定律是自然界的普遍規(guī)律 某一種形式的能是否守恒是有條件的 3 第一類永動機是不可能制成的 它違背了能量守恒定律 三 熱力學第二定律1 熱力學第二定律的兩種表述 1 克勞修斯表述 熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體 2 開爾文表述 不可能從單一熱庫吸收熱量 使之完全變成功 而不產(chǎn)生其他影響 或表述為 第二類永動機是不可能制成的 2 用熵的概念表示熱力學第二定律在任何自然過程中 一個孤立系統(tǒng)的總熵不會減小 3 熱力學第二定律的微觀意義一切自發(fā)過程總是沿著分子熱運動的無序性增大的方向進行 4 第二類永動機不可能制成的原因是違背了熱力學第二定律 命題點一 命題點二 命題點三 熱力學第一定律與能量守恒定律1 熱力學第一定律不僅反映了做功和熱傳遞這兩種方式改變內能的過程是等效的 而且給出了內能的變化量和做功與熱傳遞之間的定量關系 2 對公式 U Q W符號的規(guī)定 命題點一 命題點二 命題點三 3 幾種特殊情況 1 若過程是絕熱的 則Q 0 W U 外界對物體做的功等于物體內能的增加量 2 若過程中不做功 即W 0 則Q U 物體吸收的熱量等于物體內能的增加量 3 若過程的始末狀態(tài)物體的內能不變 即 U 0 則W Q 0或W Q 外界對物體做的功等于物體放出的熱量 命題點一 命題點二 命題點三 例1 2017 全國卷 如圖 用隔板將一絕熱汽缸分成兩部分 隔板左側充有理想氣體 隔板右側與絕熱活塞之間是真空 現(xiàn)將隔板抽開 氣體會自發(fā)擴散至整個汽缸 待氣體達到穩(wěn)定后 緩慢推壓活塞 將氣體壓回到原來的體積 假設整個系統(tǒng)不漏氣 下列說法正確的是 A 氣體自發(fā)擴散前后內能相同B 氣體在被壓縮的過程中內能增大C 在自發(fā)擴散過程中 氣體對外界做功D 氣體在被壓縮的過程中 外界對氣體做功E 氣體在被壓縮的過程中 氣體分子的平均動能不變 答案 解析 命題點一 命題點二 命題點三 思維點撥要知道氣體在向真空膨脹時不對外做功 絕熱狀態(tài)時Q 0 理想氣體的內能只與溫度有關 應用熱力學第一定律的三點注意1 做功看體積 體積增大 氣體對外做功 W為負 體積縮小 外界對氣體做功 W為正 氣體向真空中自由膨脹 對外界不做功 W 0 2 與外界絕熱 則不發(fā)生熱傳遞 此時Q 0 3 由于理想氣體沒有分子勢能 所以當它的內能變化時 主要體現(xiàn)在分子動能的變化上 從宏觀上看就是溫度發(fā)生了變化 命題點一 命題點二 命題點三 即學即練1 2017 北京昌平期末 下列說法正確的是 A 物體放出熱量 其內能一定減小B 物體對外做功 其內能一定減小C 物體吸收熱量 同時對外做功 其內能可能增加D 物體放出熱量 同時對外做功 其內能可能不變 答案 解析 命題點一 命題點二 命題點三 2 2016 江蘇卷 如圖所示 在A B和D A的過程中 氣體放出的熱量分別為4J和20J 在B C和C D的過程中 氣體吸收的熱量分別為20J和12J 求氣體完成一次循環(huán)對外界所做的功 答案 解析 命題點一 命題點二 命題點三 3 2017 甘肅臨夏期末 在如圖所示的坐標系中 一定質量的某種理想氣體先后發(fā)生以下兩種狀態(tài)變化過程 第一種變化是從狀態(tài)A到狀態(tài)B 外界對該氣體做功為6J 第二種變化是從狀態(tài)A到狀態(tài)C 該氣體從外界吸收的熱量為9J 圖線AC的反向延長線過坐標原點O B C兩狀態(tài)的溫度相同 理想氣體的分子勢能為零 求 1 從狀態(tài)A到狀態(tài)C的過程 該氣體對外界做的功W1和其內能的增量 U1 2 從狀態(tài)A到狀態(tài)B的過程 該氣體內能的增量 U2及其從外界吸收的熱量Q2 命題點一 命題點二 命題點三 答案 1 09J 2 9J3J解析 1 由題意知從狀態(tài)A到狀態(tài)C的過程 氣體發(fā)生等容變化該氣體對外界做的功W1 0根據(jù)熱力學第一定律 U1 W1 Q1內能的增量 U1 Q1 9J 2 從狀態(tài)A到狀態(tài)B的過程 體積減小 溫度升高該氣體內能的增量 U2 U1 9J根據(jù)熱力學第一定律有 U2 W2 Q2從外界吸收的熱量Q2 U2 W2 3J 命題點一 命題點二 命題點三 熱力學第二定律1 熱力學第二定律的實質熱力學第二定律的每一種表述 都揭示了大量分子參與宏觀過程的方向性 進而使人們認識到自然界中進行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性 2 兩類永動機的比較 命題點一 命題點二 命題點三 例2 多選 2017 四川廣安模擬 關于熱力學定律 下列說法正確的是 A 為了增加物體的內能 必須對物體做功或向它傳遞熱量B 對某物體做功 必定會使該物體的內能增加C 可以從單一熱源吸收熱量 使之完全變?yōu)楣 不可能使熱量從低溫物體傳向高溫物體E 功轉變?yōu)闊岬暮暧^自然過程是不可逆過程 答案 解析 命題點一 命題點二 命題點三 熱力學過程方向性實例 命題點一 命題點二 命題點三 即學即練4 2017 河北廊坊期末 關于兩類永動機和熱力學的兩個定律 下列說法正確的是 A 第二類永動機不可能制成是因為違反了熱力學第一定律B 第一類永動機不可能制成是因為違反了熱力學第二定律C 由熱力學第一定律可知做功不一定改變內能 熱傳遞也不一定改變內能 但同時做功和熱傳遞一定會改變內能D 由熱力學第二定律可知熱量從低溫物體傳向高溫物體是可能的 從單一熱源吸收熱量 完全變成功也是可能的 答案 解析 命題點一 命題點二 命題點三 5 多選 以下哪個現(xiàn)象不違背熱力學第二定律 A 一杯熱茶在打開蓋后 茶會自動變涼B 沒有漏氣 沒有摩擦的理想熱機 其效率可能是100 C 桶中渾濁的泥水在靜置一段時間后 泥沙下沉 上面的水變清 泥 水自動分離D 熱量自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體E 在地面上運動的物體逐漸停下來 機械能全部變?yōu)閮饶?答案 解析 命題點一 命題點二 命題點三 6 2016 全國卷 關于熱力學定律 下列說法正確的是 A 氣體吸熱后溫度一定升高B 對氣體做功可以改變其內能C 理想氣體等壓膨脹過程一定放熱D 熱量不可能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體E 如果兩個系統(tǒng)分別與狀態(tài)確定的第三個系統(tǒng)達到熱平衡 那么這兩個系統(tǒng)彼此之間也必定達到熱平衡 答案 解析 命題點一 命題點二 命題點三 熱力學定律與氣體實驗定律的綜合應用一定質量的理想氣體不同圖象的比較 命題點一 命題點二 命題點三 命題點一 命題點二 命題點三 考點1利用圖象比較氣體的狀態(tài)例3 多選 2017 江西上高縣校級月考 如圖所示是一定質量的理想氣體的體積V和攝氏溫度t變化關系的V t圖象 氣體由狀態(tài)A變化到狀態(tài)B的過程中 下列說法正確的是 A 氣體的內能增大B 氣體的內能不變C 氣體的壓強減小D 氣體的壓強不變 答案 解析 命題點一 命題點二 命題點三 思維點撥理想氣體的內能由溫度決定 結合溫度的變化判斷氣體內能變化 根據(jù)氣體定律 結合V T圖線判斷氣體壓強的變化 氣體狀態(tài)變化圖象的應用技巧1 明確點 線的物理意義 2 明確斜率的物理意義 命題點一 命題點二 命題點三 考點2熱力學定律與氣體實驗圖象的綜合應用例4 2017 全國卷 如圖 一定質量的理想氣體從狀態(tài)a出發(fā) 經(jīng)過等容過程ab到達狀態(tài)b 再經(jīng)過等溫過程bc到達狀態(tài)c 最后經(jīng)等壓過程ca回到狀態(tài)a 下列說法正確的是 A 在過程ab中氣體的內能增加B 在過程ca中外界對氣體做功C 在過程ab中氣體對外界做功D 在過程bc中氣體從外界吸收熱量E 在過程ca中氣體從外界吸收熱量 答案 解析 命題點一 命題點二 命題點三 思維點撥本題考查了理想氣體的三種特殊狀態(tài)變化 解題時要分析清楚圖象 根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程與熱力學第一定律解題 方法總結 命題點一 命題點二 命題點三 即學即練7 多選 2017 河北正定縣校級期中 如圖為一定質量的理想氣體由狀態(tài)a變化到狀態(tài)b的p T圖象 圖象為一條過原點的直線 則關于該變化過程 下列判斷正確的是 A 氣體的壓強增大 單位體積內氣體分子數(shù)不變B 氣體對外界做功 其內能增加C 外界對氣體不做功 其內能不變D 氣體從外界吸收熱量 其內能增大 答案 解析 命題點一 命題點二 命題點三 8 2017 江蘇卷 一定質量的理想氣體從狀態(tài)A經(jīng)過狀態(tài)B變化到狀態(tài)C 其V T圖象如圖所示 下列說法正確的有 A A B的過程中 氣體對外界做功B A B的過程中 氣體放出熱量C B C的過程中 氣體壓強不變D A B C的過程中 氣體內能增加 答案 解析 命題點一 命題點二 命題點三 9 2016 全國卷 一定量的理想氣體從狀態(tài)a開始 經(jīng)歷等溫或等壓過程ab bc cd da回到原狀態(tài) 其p T圖象如圖所示 其中對角線ac的延長線過原點O 下列判斷正確的是 A 氣體在a c兩狀態(tài)的體積相等B 氣體在狀態(tài)a時的內能大于它在狀態(tài)c時的內能C 在過程cd中氣體向外界放出的熱量大于外界對氣體做的功D 在過程da中氣體從外界吸收的熱量小于氣體對外界做的功E 在過程bc中外界對氣體做的功等于在過程da中氣體對外界做的功 答案 解析 命題點一 命題點二 命題點三 10 2016 海南卷 一定量的理想氣體從狀態(tài)M可以經(jīng)歷過程1或者過程2到狀態(tài)N 其p V圖象如圖所示 在過程1中 氣體始終與外界無熱量交換 在過程2中 氣體先經(jīng)歷等容變化再經(jīng)歷等壓變化 對于這兩個過程 下列說法正確的是 填正確答案標號 A 氣體經(jīng)歷過程1 其溫度降低B 氣體經(jīng)歷過程1 其內能減小C 氣體在過程2中一直對外放熱D 氣體在過程2中一直對外做功E 氣體經(jīng)歷過程1的內能改變量與經(jīng)歷過程2的相同 答案 解析