1热力学定律与能量守恒

第3课时热力学定律与能量守恒●知识要点梳理（一）热力学第一定律1、热力学第一定律（1）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。这个关系叫做热力学第一定律。其数学表达式为：ΔU=W+Q（2）与热力学第一定律相匹配的符号法则

做功W热量Q内能的改变ΔU取正值“+”外界对系统做功系统从外界吸收热量系统的内能增加取负值“－”系统对外界做功系统向外界放出热量系统的内能减少（3）热力学第一定律说明了做功和热传递是系统内能改变的量度，没有做功和热传递就不可能实现能量的转化或转移，同时也进一步揭示了能量守恒定律。（4）应用热力学第一定律解题的一般步骤：①根据符号法则写出各已知量（W、Q、ΔU）的正、负；②根据方程ΔU=W+Q求出未知量；③再根据未知量结果的正、负来确定吸热、放热情况或做功情况。2、第一类永动机不可能制成任何机器运动时只能将能量从一种形式转化为另一种形式，而不可能无中生有地创造能量，即第一类永动机是不可能制造出来的。

（二）能量守恒定律（1）自然界存在着多种不同形式的运动，每种运动对应着一种形式的能量。如机械运动对应机械能；分子热运动对应内能；电磁运动对应电磁能。（2）不同形式的能量之间可以相互转化。摩擦可以将机械能转化为内能；炽热电灯发光可以将电能转化为光能。（3）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，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中其总量不变。这就是能量守恒定律。（4）热力学第一定律、机械能守恒定律都是能量守恒定律的具体体现。（5）能量守恒定律适用于任何物理现象和物理过程。（6）能量守恒定律的重要意义第一，能量守恒定律是支配整个自然界运动、发展、变化的普遍规律，学习这个定律，不能满足于一般性的理解其内容，更重要的是，从能量形式的多样化及其相互联系，互相转化的事实出发去认识物质世界的多样性及其普遍联系，并切实树立能量既不会凭空产生，也不会凭空消失的观点，作为以后学习和生产实践中处理一切实际问题的基本指导思想之一。第二，宣告了第一类永动机的失败。

（三）热力学第二定律1、可逆与不可逆过程（1）热传导的方向性热传导的过程可以自发地由高温物体向低温物体进行，但相反方向却不能自发地进行，即热传导具有方向性，是一个不可逆过程。（2）说明：①“自发地”过程就是在不受外来干扰的条件下进行的自然过程。②热量可以自发地从高温物体传向低温物体，热量却不能自发地从低温物体传向高温物体。③要将热量从低温物体传向高温物体，必须有“外界的影响或帮助”，就是要由外界对其做功才能完成。电冰箱、空调就是例子。2、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递到高温物体。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。3、热机热机是把内能转化为机械能的装置。其原理是热机从热源吸收热量Q1，推动活塞做功W，然后向冷凝器释放热量Q2。由能量守恒定律可得：Q1=W+Q2我们把热机做的功和它从热源吸收的热量的比值叫做热机效率，用η表示，即η=4、第二类永动机①设想：只从单一热源吸收热量，使之完全变为有用的功而不引起其他变化的热机。②第二类永动机不可能制成，表示尽管机械能可以全部转化为内能，但内能却不能全部转化成机械能而不引起其他变化；机械能和内能的转化过程具有方向性。

（四）熵——无序程度的量度●重点难点突破一：热力学第一定律的应用及其它问题1．热力学第一定律不仅反映了做功和热传递这两种改变内能过程是等效的，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．此定律是标量式，应用时热量的单位应统一为国际单位制中的焦耳．2．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3.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．(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．(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，外界对物体做的功等于物体放出的热量．【例1】如图1所示，p－V图中，一定质量的理想气体由状态A经过程Ⅰ变至状态B时，从外界吸收热量420J，同时膨胀对外做功300J．当气体从状态B经过程Ⅱ回到状态A时，外界压缩气体做功200J，求此过程中气体吸收或放出的热量是多少？【答案】－320J【解析】：一定质量的理想气体由状态A经过程Ⅰ变至状态B时，从外界吸收的热量Q1大于气体膨胀对外做的功W1，气体内能增加，由热力学第一定律，气体内能增加量为ΔU＝Q1＋W1＝420J＋(－300J)＝120J气体由状态B经过程Ⅱ回到状态A时，气体内能将减少120J，而此过程中外界又压缩气体做了W2＝200J的功，因而气体必向外界放热，放出的热量为Q2＝ΔU－W2＝(－120)J－200J＝－320J.【点拨】应用热力学第一定律时要明确研究的对象是哪个物体或者是哪个热力学系统．应用热力学第一定律计算时，要依照符号法则代入数据，对结果的正、负也同样依照规则来解释其意义．二：对热力学第二定律的理解1．在热力学第二定律的表述中，“自发地”、“不产生其他影响”的涵义．(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”的涵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．2．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．【例2】对热力学第二定律，下列理解正确的是 ()A．自然界进行的一切宏观过程都是可逆的B．自然界进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性，是不可逆的C．热量不可能由低温物体传递到高温物体D．第二类永动机违背了能量守恒定律，因此不可能制成【答案】：B【解析】：由热力学第二定律可知，热量不可能从低温物体传到高温物体，而不引起其他变化，由此说明热量由低温物体传到高温物体是可能的，但要引起其他变化，故C错；第二类永动机并不违反能量守恒，却违背了自然界涉及热现象宏观过程的方向性，故A、D错，B正确．【点拨】热力学第二定律常见的表述有两种．第一种表述：不可能使热量由低温物体传递到高温物体，而不引起其他变化；第二种表述：不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化．三：气体压强的分析与计算一、气体压强的计算1．在气体流通的区域，各处压强相等，如容器与外界相通，容器内外压强相等；用细管相连的容器，平衡时两边气体压强相等．2．液体内深为h处的总压强p＝p0＋ρgh，式中的p0为液面上方的压强，在水银内，用cmHg做单位时可表示为p＝H＋h.3．连通器内静止的液体，同种液体在同一水平面上各处压强相等．4．求用固体(如活塞)或液体(如液柱)封闭在静止的容器内的气体压强，应对固体或液体进行受力分析，然后根据平衡条件求解．5．当封闭气体所在的系统处于力学非平衡状态中时，欲求封闭气体的压强，首先选择恰当的研究对象(如与气体关联的液柱、活塞等)，并对其进行正确地受力分析(特别注意内、外气体的压力)，然后根据牛顿第二定律列方程求解．二、对两种气体压强的理解1．大气压强(1)大气压强是由于空气受重力作用紧紧包围地球而对浸在它里面的物体产生的压强．(2)地面大气压的值与地球表面积的乘积，近似等于地球大气层所受的重力值．2．气体压强(1)因密闭容器中的气体密度一般很小，由气体自身重力产生的压强极小，可忽略不计．(2)气体压强是由气体分子频繁碰撞器壁产生的．(3)气体压强由气体的密度和温度决定．(4)密闭容器中气体对器壁的压强处处相等．【例3】如图1所示，一个横截面积为S的圆管形容器竖直放置，金属圆板A的上表面是水平的，下表面是倾斜的，下表面与水平面的夹角为θ，圆板的质量为M，不计圆板与容器内壁之间的摩擦，若大气压强为p0，求被圆板封闭在容器中的气体的压强p.【答案】：p0＋Mg/S解析：对圆板进行受力分析：重力Mg，大气压的作用力p0S，封闭气体对它的作用力pS/cosθ，容器侧壁的作用力F1和F2，如右图2所示．由于不需要求出侧壁的作用力，所以只考虑竖直方向合外力为零，就可以求被封闭的气体压强．圆板在竖直方向上合外力为零，有p0S＋Mg＝(pS/cosθ)cosθ，p＝p0＋Mg/S.【点拨】：封闭气体压强的计算方法：选与气体接触的液柱(或活塞、汽缸)为研究对象，进行受力分析；再根据运动状态列出相应的平衡方程或牛顿第二定律方程，从而求出压强．四：气体定律的应用1．理想气体(1)宏观上讲，理想气体是指在任何条件下始终遵守气体实验定律的气体，实际气体在压强不太大、温度不太低的条件下，可视为理想气体．(2)微观上讲，理想气体的分子间除碰撞外无其他作用力，分子本身没有体积，即它所占据的空间认为都是可以被压缩的空间．2、状态方程：恒量3、理想气体状态方程的推论（1）密度方程：(2)分态式方程【例4】(2022年上海卷)如图4所示，粗细均匀的弯曲玻璃管A、B两端开口，管内有一段水银柱，右管内气柱长为39cm，中管内水银面与管口A之间气柱长为40cm，先将B端封闭，再将左管竖直插入水银槽，设整个过程温度不变，稳定后右管内水银面比中管内水银面高2cm.求：(1)稳定后右管内的气体压强p；(2)左管A端插入水银槽的深度h.(大气压强p0＝76cmHg)【答案】78cmHg7cm【解析】（1）插入水银槽后右管内气体：由玻意耳定律得：p0l0S＝p（l0－h/2）S所以p＝78cmHg；（2）插入水银槽后左管压强：p’＝p＋gh＝80cmHg，左管内外水银面高度差h1＝EQ\F(p’－p0,g)＝4cm，中、左管内气体p0l＝p’l’，l’＝38cm，左管插入水银槽深度h＝l＋h/2－l’＋h1＝7cm．【点拨】：正确灵活地分析气体初末状态的压强与体积的表达式，再运用气体定律列式求解五：气体实验定律的图像问题1、玻意耳定律：等温变化过程，图像如图图线的特点：（1）等温变化，在P-V图中是双曲线，T越大，PV值越大所以远离远点的等温线的温度越高．即（2）等温变化在图中是过原点的直线，T大斜率大．所以2、查理定律：等容变化，图像如图图线特点：(1)等容变化在P-t图像中是通过t轴上-273直线由于在同一温度下，同一气体的压强大时，体积小，所以(2)等容变化在P-T图像中是通过原点的直线，体积大时斜率小所以3、盖．吕克定律：等压变化，图像如图图线特点：等压变化在V-t图像中是通过t轴上-273的直线，由于在同一温度下，同一气体的体积大时压强小，所以(2)等压变化在V-T图像中是通过原点的直线压强大时斜率小所以【例5】一定质量的理想气体由状态A变为状态D，其有关数据如图甲所示，若状态D的压强是2×104Pa.(1)求状态A的压强．(2)请在乙图中画出该状态变化过程的p－T图象，并分别标出A、B、C、D各个状态，不要求写出计算过程．【答案】：(1)4×104Pa(2)略【解析】：（1）据理想气体状态方程则(2)P-T图像及A、B、C、D各个状态如图所示【点拨】图象上的一个点表示一定质量气体的一个平衡状态，它对应着三个状态参量；图象上的某一条直线或曲线表示一定质量气体状态变化的一个过程●热点题型探究一热力学第一定律的应用【例1】(2022·江苏高考)(1)为了将空气装入气瓶内，现将一定质量的空气等温压缩，空气可视为理想气体.下列图象能正确表示该过程中空气的压强p和体积V关系的是_____.(2)在将空气压缩装入气瓶的过程中，温度保持不变，外界做了24kJ的功.现潜水员背着该气瓶缓慢地潜入海底，若在此过程中，瓶中空气的质量保持不变，且放出了5kJ的热量.在上述两个过程中，空气的内能共减小__________kJ，空气_______(选填“吸收”或“放出”)的总热量为_____kJ.(3)已知潜水员在岸上和海底吸入空气的密度分别为1.3kg/m3和kg/m3，空气的摩尔质量为0.029kg/mol，阿伏加德罗常数NA=×1023mol-1.若潜水员呼吸一次吸入2L的空气，试估算潜水员在海底比在岸上每呼吸一次多吸入空气的分子数.(结果保留一位有效数字).【详解】(1)由玻意耳定律知pV=C,p与成正比，选B.(2)根据热力学第一定律ΔU=W+Q，第一阶段W1=24kJ，ΔU1=0,所以Q1=-24kJ，故放热；第二阶段W2=0，Q2=-5kJ，由热力学第一定律知，ΔU2=-5kJ，故在上述两个过程中，空气的内能共减少ΔU=ΔU1+ΔU2=-5kJ；两过程共放出热量Q=Q1+Q2=-29kJ，故空气放出的总热量为29kJ.(3)设空气的摩尔质量为M，在海底和岸上的密度分别为ρ海和ρ岸，一次吸入空气的体积为V，则有代入数据得Δn=3×1022.二热力学第二定律的应用【例2】如图为电冰箱的工作原理示意图.压缩机工作时，强迫制冷剂在冰箱内外的管道中不断循环.在蒸发器中制冷剂汽化吸收箱体内的热量，经过冷凝器时制冷剂液化，放出热量到箱体外.(1)下列说法正确的是_______A.热量可以自发地从冰箱内传到冰箱外B.电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界，是因为其消耗了电能C.电冰箱的工作原理不违反热力学第一定律D.电冰箱的工作原理违反热力学第一定律(2)电冰箱的制冷系统从冰箱内吸收的热量与释放到外界的热量相比，有怎样的关系？【详解】(1)选B、C.热力学第一定律是热现象中内能与其他形式能的转化规律，是能的转化和守恒定律的具体表现，适用于所有的热学过程，故C正确，D错误；由热力学第二定律可知，热量不能自发地从低温物体传到高温物体，除非有外界的影响或帮助.电冰箱把热量从低温的内部传到高温的外部，需要压缩机的帮助并消耗电能，故B正确，A错误.(2)由热力学第一定律可知，电冰箱制冷系统从冰箱内吸收了热量，同时消耗了电能，释放到外界的热量比从冰箱内吸收的热量多.三气体实验定律与热力学定律综合【例3】(2022·海南高考)如图，体积为V、内壁光滑的圆柱形导热汽缸顶部有一质量和厚度均可忽略的活塞；汽缸内密封有温度为T0、压强为p0的理想气体，p0和T0分别为大气的压强和温度.已知：气体内能U与温度T的关系为U=αT,α为正的常量；容器内气体的所有变化过程都是缓慢的.求：(1)汽缸内气体与大气达到平衡时的体积V1;(2)在活塞下降过程中，汽缸内气体放出的热量Q.【详解】(1)在气体由p=下降到p0的过程中，气体体积不变，温度由T=T0变为T1，由查理定律得在气体温度由T1变为T0的过程中，体积由V减小到V1，气体压强不变，由盖—吕萨克定律得解得(2)在活塞下降过程中，活塞对气体做的功为W=p0(V-V1)在这一过程中，气体内能的减少为ΔU=α(T1-T0)由热力学第一定律得，汽缸内气体放出的热量为Q=W+ΔU,解得Q=p0V+αT0●映射高考真题1.（2022·福建理综·T28（2））一定量的理想气体在某一过程中，从外界吸收热量×104J，气体对外界做功×104J，则该理想气体的_______。（填选项前的字母）A.温度降低，密度增大B.温度降低，密度减小C.温度升高，密度增大D.温度升高，密度减小【答案】选D.【详解】由热力学第一定律，Q=×104J，W=×104J可知大于零，气体内能增加，温度升高，A、B错；气体对外做功，体积增大，密度减小，C错D对.2.（2022·大纲版全国·T14）关于一定量的气体，下列叙述正确的是A.气体吸收的热量可以完全转化为功B.气体体积增大时，其内能一定减少C．气体从外界吸收热量，其内能一定增加D．外界对气体做功，气体内能可能减少【答案】选AD【详解】如果气体等温膨胀，则气体的内能不变，吸收热量全部用来对外做功，Ａ正确；当气体体积增大时，对外做功，若同时吸收热量，且吸收的热量大于或等于对外做功的数值时，内能不会增加，所以Ｂ错误；若气体吸收热量同时对外做功，其内能也不一定增加，C错误；若外界对气体做功同时气体向外放出热量，且放出的热量多于外界对气体所做的功，则气体内能减少，所以D正确．3.（2022·江苏物理·）如题12A-1图所示，一演示用的“永动机”转轮由5根轻杆和转轴构成，轻杆的末端装有用形状记忆合金制成的叶片，轻推转轮后，进入热水的叶片因伸展而“划水”，推动转轮转动。离开热水后，叶片形状迅速恢复，转轮因此能较长时间转动。下列说法正确的是A．转轮依靠自身惯性转动，不需要消耗外界能量B．转轮转动所需能量来自形状记忆合金自身C．转动的叶片不断搅动热水，水温升高D．叶片在热水中吸收的热量一定大于在空气中释放的热量(2)如题12A-2图所示，内壁光滑的气缸水平放置。一定质量的理想气体被活塞密封在气缸内，外界大气压强为P0。现对气缸缓慢加热，气体吸收热量Q后，体积由V1增大为V2。则在此过程中，气体分子平均动能_________(选填“增大”、“不变”或“减小”)，气体内能变化了_____________。(3)某同学在进行“用油膜法估测分子的大小”的实验前，查阅数据手册得知：油酸的摩尔质量M=0.283kg·mol-1，密度ρ=×103kg·m-3.若100滴油酸的体积为1ml，则1滴油酸所能形成的单分子油膜的面积约是多少？(取NA=×1023mol-1.球的体积V与直径D的关系为【答案】(1)D(2)增大，（3）【详解】（1）该永动机叶片进入水中，吸收热量而伸展划水，推动转轮转动，离开水面后向空气中放热，叶片形状迅速恢复，所以转动的能量来自热水，由于不断向空气释放热量，所以水温逐渐降低，ABC错，D对。（2）气体做等压变化，体积变大，温度升高，平均动能增大，内能的变化为（3）一个油酸分子的体积分子直径为D=最大面积带入数据得：S=●同步过关训练1．关于热力学定律，下列说法正确的是()A．在一定条件下物体的温度可以降到0KB．物体从单一热源吸收的热量可全部用于做功C．吸收了热量的物体，其内能一定增加D．压缩气体总能使气体的温度升高【答案】B【详解】根据热力学第三定律的绝对零度不可能达到可知A错误；物体从外界吸收热量、对外做功，根据热力学第一定律可知内能可能增加、减小和不变，C错误；压缩气体，外界对气体做正功，可能向外界放热，内能可能减少、温度降低，D错误；物体从单一热源吸收的热量可全部用于做功而引起其他变化是可能的，B正确．2．下面说法正确的是()A．如果物体从外界吸收了热量，则物体的内能一定增加B．我们可以制造一种热机，将流散到周围环境中的内能重新收集起来加以利用而不引起其他变化C．假设两个液体分子从紧靠在一起开始相互远离，直到无穷远处，在这一过程中分子力先做正功后做负功D．空调制冷，虽然是人为的使热量由低温处传到高温处，但这不违背热力学第二定律【答案】CD【详解】根据热力学第一定律，物体吸收热量但同时对外做功时，物体内能有可能减少，A错；B选项中描述的现象要实现必须引起其他变化．否则就违背了热力学第二定律，B错；开始分子力表现为斥力，越过r0位置后分子力表现为引力，所以分子力先做正功后做负功，C选项正确；虽然热量由低温处向高温处传递，但这引起了其他变化，就是消耗了电能，所以D选项正确．3.关于热力学定律，下列说法正确的是()A.在一定条件下物体的温度可以降到0KB.物体从单一热源吸收的热量可全部用于做功C.吸收了热量的物体，其内能一定增加D.压缩气体总能使气体的温度升高【答案】选B.【详解】由热力学第三定律知，绝对零度不可能达到，A错；由热力学第二定律知，物体从单一热源吸收的热量可全部用于做功，但是将产生其他影响，B对；物体吸收了热量，若全部用于对外做功，其内能不变，C错；压缩气体，若气体对外放热，气体的温度不一定升高，D错.4．温室效应严重威胁着人类生态环境的安全，为了减少温室效应造成的负面影响，有的科学家受到了啤酒在较高压强下能够溶解大量的二氧化碳的启发，设想了一个办法：可以用压缩机将二氧化碳送入深海底，永久贮存起来．海底深处，压强很大，温度很低，海底深水肯定能够溶解大量的二氧化碳，这样就为温室气体二氧化碳找到了一个永远的“家”，从而避免温室效应．在将二氧化碳送入深海底的过程中，以下说法正确的是()A．压缩机对二氧化碳做功，能够使其内能增大B．二氧化碳与海水间的热传递能够使其内能减少C．二氧化碳分子平均动能会减少D．每一个二氧化碳分子的动能都会减少【答案】ABC【详解】考查热力学第一定律．压缩机压缩气体对气体做功，气体温度升高，内能增大，A对；二氧化碳压入海底时比海水温度高，因此将热量传递给海水而内能减小，B是对的．二氧化碳温度降低，分子平均动能减小，但不是每个分子的动能都减小，C正确，D错．5．用两种不同的金属丝组成一个回路，接触点1插在热水中，接触点2插在冷水中，如图所示，电流计指针会发生偏转，这就是温差发电现象，这一实验是否违反热力学第二定律？热水和冷水的温度是否会发生变化？简述这一过程中能的转化情况．【答案】不违反热水温度降低，冷水温度升高．转化效率低于100%【详解】温差发电现象中产生了电能是因为热水中的内能减少，一部分转化为电能，一部分传递给冷水，不违反热力学第二定律．6．(2022·淮州月考)如图所示，将完全相同的A、B两球，分别浸没在初始温度相同的水和水银的同一深度处，已知A、B两球用同一种特殊的材料制成，当温度稍微升高时，球的体积会明显地变大．现让两种液体的温度同时缓慢地升高到同一值，发现两球膨胀后，体积相等。若忽略绳子、水和水银由于温度的变化而引起的体积膨胀，则以下判断正确的是()A．因为同一深度处水的压强较小，所以A球膨胀过程中对外做的功较多B．因为同一浓度处水银的压强较大，所以B球膨胀过程中内能增加较多C．膨胀过程中，A球吸引的热量较多D．膨胀过程中，B球吸收的热量较多【答案】D【详解】本题考查的是热力学第一定律的主要内容．A、B两球所处的环境初末状态一致，故两球的体积增量和温度增量均相同，所以内能增量相同，选项B错误．但A球位于水中，B球位于水银中，由于同一深度处水的压强较小，故A球膨胀过程中对外做功较少，选项A错误，由ΔV＝W＋Q的关系可知，B球膨胀过程中对外做功较多，故B球膨胀过程中吸收热量较多，选项D正确．7．某一密闭容器中密封着一定质量的某种实际气体，气体分子间的相互作用力表现为引力．关于实际气体的下列说法中正确的是()A．在完全失重的情况下，密闭容器内的气体对器壁的顶部没有作用力B．若气体膨胀对外界做功，则分子势能一定增大C．若气体被压缩，外界对气体做功，则气体内能一定增加D．若气体从外界吸收的热量等于膨胀对外界做的功，则气体分子的动能一定不变【答案】B【详解】在完全失重的情况下，密闭容器内的气体仍然有压强，气体对器壁的顶部有作用力，所以A错误；体积膨胀，分子间距离增大，分子力做负功，气体的分子势能增加，B正确；外界对气体做功，但气体有可能向外界放热，所以内能的变化情况不能确定，C错误；气体从外界吸收的热量等于膨胀对外界做的功，所以内能不变，但分子势能增大了，所以分子动能一定减小，即D错