第二讲热力学定律气体

第二讲热力学定律气体第一页，共五十一页，编辑于2023年，星期一第二页，共五十一页，编辑于2023年，星期一一、热力学定律1．热力学第一定律(1)内容：一般情况下，如果物体跟外界同时发生做功和热传递的过程，那么，外界对物体所做的功W加上物体从外界吸收的热量Q等于物体

的增加ΔU.(2)表达式：ΔU＝

.(3)W、Q、ΔU的“＋、－”号法则内能W＋Q第三页，共五十一页，编辑于2023年，星期一符号WQΔU＋外界对

做功物体吸收热量内能－物体对外界做功物体

热量内能物体放出增加减少2．热力学第二定律(1)两种表述①不可能使热量由低温物体传递到高温物体，而

．②不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而

．不引起其他变化不引起其他变化第四页，共五十一页，编辑于2023年，星期一(2)意义：热力学第二定律使人们认识到，自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性．3．热力学第三定律(1)内容：热力学零度不可达到．(2)热力学温度T与摄氏温度t的关系：T＝t＋

K.273.15第五页，共五十一页，编辑于2023年，星期一[特别提醒]热力学第一定律说明发生的任何过程中能量必定守恒，因此，第一类永动机不可能制成．热力学第二定律说明并非所有能量守恒的过程都能实现，因此，第二类永动机也不可能制成．第六页，共五十一页，编辑于2023年，星期一二、气体的状态参量1．温度(1)宏观上：表示物体的

程度．(2)微观上：表示物体分子热运动的

程度，是分子

的标志．(3)温标：常用的温标有热力学温标(绝对温标)和摄氏温标，二者关系T＝

K，ΔT＝Δt.冷热激烈平均动能(t＋273.15)第七页，共五十一页，编辑于2023年，星期一2．体积(1)宏观上：气体所充满的容器的

．(2)微观上：气体分子所能达到的

．3．压强(1)宏观上：器壁单位面积上受到的

．(2)微观上：大量气体分子单位时间内作用在单位面积上的

．(3)决定因素：微观上决定于单位体积内的分子数和分子的平均动能；宏观上决定于气体的物质的量、

和

．容积空间压力总冲量温度体积第八页，共五十一页，编辑于2023年，星期一三、气体分子动理论1．气体分子运动的特点由于气体分子间距大，气体分子的大小可以忽略，分子间的作用力很小，也可以忽略．因此，除分子间及分子与器壁间碰撞外，分子间无相互作用力，所以不计

，气体的内能只与气体的物质的量和

有关．分子势能温度第九页，共五十一页，编辑于2023年，星期一2．气体分子运动的统计规律(1)气体分子沿各个方向运动的机会(几率)

．(2)大量气体分子的速率分布呈现

(中等速率的分子数目多)、

(速率大或小的分子数目少)的规律．(3)当温度升高时，“中间多”的这一“高峰”向

的一方移动，即速率大的分子数目增多，速率小的分子数目减小，分子的平均速率

，但不是每个气体分子的速率均增大．相等中间大两头小速率大增大第十页，共五十一页，编辑于2023年，星期一[特别提醒]理想气体是实际气体在一定条件下的近似，无分子势能，内能只由温度和气体物质的量决定．四、气体状态参量间的关系一定质量的气体，如果三个状态参量都不变，则该气体处于一定的状态中．三个状态参量可以同时变化，也可以是其中一个参量保持不变，其他两个参量发生变化，只有一个状态参量发生变化是不可能的．当一个参量不变时，另两个参量的关系为：第十一页，共五十一页，编辑于2023年，星期一1．温度不变：分子的平均动能

，若体积减小，单位体积内分子数目

，气体的压强

．2．体积不变：单位体积内的分子数目

，温度升高，分子的平均动能

，气体的压强

．3．压强不变：温度升高，气体分子的平均动能

，只有气体的体积

，单位体积内的分子数

，才可保持气体的压强

．不变增多增加不变增加增加增加减少不变增大第十二页，共五十一页，编辑于2023年，星期一1.关于气体分子运动的特点，正确的说法是(

)A．气体分子的运动速率可由牛顿运动定律求得B．当温度升高时，气体分子的速率分布不再是“中间

多，两头少”C．气体分子运动的平均速率与温度有关D．气体分子的平均速度随温度升高而增大第十三页，共五十一页，编辑于2023年，星期一答案：C解析：气体分子的运动与温度有关，当温度升高时，平均速率变大，但仍然遵循“中间多，两头少”的统计规律，由于分子运动的无规则性，对于某个分子的运动，不能由牛顿运动定律求得．至于平均速度，可以认为分子向各个方向运动的速率相等．稳定时，平均速度几乎等于零．当温度升高时，平均速度不一定增大．第十四页，共五十一页，编辑于2023年，星期一2．(2010·广东高考)如图8－2－1是密闭的气缸，外力推动活塞P压缩气体，对缸内气体做功800J，同时气体向外界放热200J，缸内气体的(

)A．温度升高，内能增加600JB．温度升高，内能减少200JC．温度降低，内能增加600JD．温度降低，内能减少200J图8－2－1第十五页，共五十一页，编辑于2023年，星期一解析：对气体做功800J，同时气体放出热量200J，由热力学第一定律得ΔU＝W＋Q＝800J－200J＝600J，即气体温度升高，内能增加600J，故A项正确．答案：A第十六页，共五十一页，编辑于2023年，星期一3．装有半瓶开水的热水瓶，经过一晚，瓶塞不易拔出，主要原因是(

)A．瓶内气体因温度降低而压强减小B．瓶外因气温高而大气压强变大C．瓶内气体因体积减小而压强增大D．瓶内气体因体积增大而压强减小解析：瓶内气体体积不会变化，但温度降低，压强减小，瓶塞内外压力差增大，故瓶塞不易拔出，A对，B、C、D错．答案：A第十七页，共五十一页，编辑于2023年，星期一4．热现象过程中不可避免地出现能量耗散的现象．所谓能量耗散是指在能量转化的过程中无法把流散的能量重新收集、利用．下列关于能量耗散的说法中正确的是(

)A．能量耗散说明能量不守恒B．能量耗散不符合热力学第二定律C．能量耗散过程中能量仍守恒D．能量耗散是从能量转化的角度反映出自然界中宏观过程具有的方向性第十八页，共五十一页，编辑于2023年，星期一解析：能量耗散是指能量转化的过程中能量的散失，说明自然界中的宏观热现象的发展过程是有方向性的，符合热力学第二定律，且不违背能量守恒定律，故C、D正确．答案：CD第十九页，共五十一页，编辑于2023年，星期一5．有一个排气口直径为2.0mm的压力锅，如图8－2－2甲所示，排气口上用的限压阀G的质量为34.5g，根据图乙所示的水的饱和蒸汽压跟温度关系的曲线，求当压力锅煮食物限压阀放气时(即限压阀被向上顶起时)锅内能达到的最高温度．8－2－2第二十页，共五十一页，编辑于2023年，星期一答案：122℃第二十一页，共五十一页，编辑于2023年，星期一第二十二页，共五十一页，编辑于2023年，星期一[典例启迪]

[例1]如图8－2－3所示，导热性能良好的气缸内用活塞封闭着一定质量、常温常压的气体，气缸固定不动．一条细线一端连接在活塞上，另一端跨过两个光滑的定滑轮后连接在一个小桶上，开始时活塞静止．现不断向小桶中添加细沙，使活塞缓慢向上移动(活塞始终未被拉出气缸、周围环境温度不变)．则在活塞移动的过程中，下列说法正确的是(

)图8－2－3第二十三页，共五十一页，编辑于2023年，星期一A．气缸内气体的分子平均动能变小B．气缸内气体的内能变小C．气缸内气体的压强变小D．气缸内气体向外界放热[审题指导]活塞缓慢向上移动是指活塞始终处于平衡状态，导热性能良好的气缸内外温度始终相同．第二十四页，共五十一页，编辑于2023年，星期一[解析]

先分析活塞的受力，活塞受力如图所示，在不断向小桶中添加细砂时，细线的拉力要不断增大，由于大气压与活塞重力不变，所以气缸内气体压强要减小，所以C对；而由于气缸导热性能良好，在活塞缓慢移动过程中，气缸内温度与外界一样不变，所以分子平均动能不变，内能不变，A、B错；活塞缓慢向上移动过程中，气体对外界做功，由热力学第一定律ΔU＝Q＋W可知，气缸内气体要吸热，所以D错．[答案]

C第二十五页，共五十一页，编辑于2023年，星期一[归纳领悟]理想气体只有分子动能，一定质量的气体，其内能只取决于温度，而与体积无关．气体的内能只需分析气体的温度，温度升高(或降低)，内能增大(或减小)．做功情况分析气体体积，气体体积增大，气体对外做功，气体体积减小，外界对气体做功．热量Q则由热力学第一定律W＋Q＝ΔU确定．第二十六页，共五十一页，编辑于2023年，星期一[题组突破]

1.一个内壁光滑、绝热的气缸固定在地面上，绝热的活塞下方封闭着空气，若突然用竖直向上的力F将活塞向上拉一些，如图8－2－4所示．则缸内封闭着的气体(

)A．每个分子对缸壁的冲力都会减小B．单位时间内缸壁单位面积上受到的气体分子碰撞的次数减少图8－2－4第二十七页，共五十一页，编辑于2023年，星期一C．分子平均动能不变D．若活塞重力不计，拉力F对活塞做的功等于缸内气体内能的改变量解析：把活塞向上拉起体积增大，气体对活塞做功，气体内能减小，温度降低，分子的平均冲力变小，碰撞次数减少，故A、C错B对；气体内能的减小量等于气体对大气做的功减去F做的功，故D错．答案：B第二十八页，共五十一页，编辑于2023年，星期一2.(2010·全国卷Ⅱ)如图8－2－5所示，一绝热容器被隔板K隔开成a、b两部分，已知a内有一定量的稀薄气体，b内为真空．抽开隔板K后，a内气体进入b，最终达到平衡状态．在此过程中，(

)A．气体对外界做功，内能减少B．气体不做功，内能不变图8－2－5第二十九页，共五十一页，编辑于2023年，星期一C．气体压强变小，温度降低D．气体压强变小，温度不变解析：b室为真空，则a气体体积膨胀对外不做功，由热力学第一定律ΔU＝W＋Q知，在绝热时，气体的内能不变，A项错，B项对．又气体是稀薄气体，则只有动能，因此气体的温度不变，分子的平均动能不变，分子的密集程度变小，则压强减小，C项错，D项对．答案：BD第三十页，共五十一页，编辑于2023年，星期一[典例启迪][例2]

根据热力学第二定律分析，下列说法中正确的是(

)A．热量能够从高温物体传到低温物体，但不能从低温物体传到高温物体B．热量能够从高温物体传到低温物体，也可以从低温物体传到高温物体第三十一页，共五十一页，编辑于2023年，星期一C．机械能可以全部转化为内能，但变化的内能不可以全部转化为机械能

D．机械能可以全部转化为内能，变化的内能也可以全部转化为机械能[思路点拨]从热力学第二定律的两种表述出发解答本题．第三十二页，共五十一页，编辑于2023年，星期一[解析]

根据热传递的规律可知，热量可以自发地从高温物体传到低温物体，但不能自发地(不需要外界帮助)从低温物体传到高温物体．借助外界的帮助，热量可以从低温物体传到高温物体，故选项A错误，B正确．机械能可以全部转化为内能(如一个运动物体克服摩擦力做功而最终停止运动时，机械能全部转化为内能)，在一定条件下，变化的内能也可以全部转化为机械能，如理想气体在等温膨胀过程中，将吸收来的热量全部用来做功，因此选项C错误，选项D正确．[答案]

BD第三十三页，共五十一页，编辑于2023年，星期一[归纳领悟]热力学第二定律揭示了大量分子参与的宏观过程具有方向性，常见的热力学过程的方向性实例有：第三十四页，共五十一页，编辑于2023年，星期一[题组突破]3.地球上有很多的海水，它的总质量约为1.4×1018吨，如果这些海水的温度降低0.1℃，将要放出5.8×1023焦耳的热量，有人曾设想利用海水放出的热量使它完全变成机械能来解决能源危机，但这种机器是不能制成的，其原因是(

)A．内能不能转化成机械能B．内能转化成机械能不满足热力学第一定律C．只从单一热源吸收热量并完全转化成机械能的机器不满足热力学第二定律D．上述三种原因都不正确第三十五页，共五十一页，编辑于2023年，星期一解析：内能可以转化成机械能，如热机，A错误；内能转化成机械能的过程满足热力学第一定律，即能量守恒定律，B错误；热力学第二定律告诉我们：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，C正确．答案：C第三十六页，共五十一页，编辑于2023年，星期一图8－2－6第三十七页，共五十一页，编辑于2023年，星期一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二定律D．电冰箱的工作原理违反热力学第二定律解析：电冰箱能够从低温物体吸收热量，是因为电流做了功，消耗了电能，它不违背热力学第二定律．答案：BC第三十八页，共五十一页，编辑于2023年，星期一[典例启迪]

[例3]A、B两装置，均由一支一端封闭、一端开口且带有玻璃泡的管状容器和水银槽组成，除玻璃泡在管上的位置不同外，其他条件都相同．将两管抽成真空后，开口向下插入水银槽中(插入过程没有空气进入管内)，水银柱上升至如图8－2－7所示位置停止．假设这一过程水银与外界没有热交换，则下列说法正确的是(

)图8－2－7第三十九页，共五十一页，编辑于2023年，星期一A．A中水银的内能增量大于B中水银的内能增量B．B中水银的内能增量大于A中水银的内能增量C．A和B中水银体积保持不变，故内能增量相同D．A和B中水银温度始终相同，故内能增量相同[审题指导]

水银上升的原因是由于大气压力的作用，通过大气压力做功把大气的能量转化到系统中．第四十页，共五十一页，编辑于2023年，星期一[解析]在水银进入管中的过程中，大气压力对水银做功，把大气的能量转化为水银的内能和重力势能，在一定的大气压下，静止时，A、B管中水银柱的高度是相同的，则进入管中的水银体积相同，所以大气压力做功相同．但两装置中水银重力势能的增量不同，所以两者内能的改变也不同，由图可知B管水银的重力势能较小，所以B管中水银的内能增量较多．故选项B正确．[答案]

B第四十一页，共五十一页，编辑于2023年，星期一[归纳领悟]1．用能量转化和守恒定律解题，只要知道物理过程初末状态的能量和过程中的能量转化情况，不必考虑过程的变化细节，这可以使问题的解决过程大大简化．2．解题时，要注意搞清过程中有几种形式的能在转化或转移，分析初末状态，确定ΔE增和ΔE减，利用ΔE增＝ΔE减分析或计算要解决的问题．第四十二页，共五十一页，编辑于2023年，星期一[题组突破]5.如图8－2－8所示，直立容器内部有被隔板隔开的A、B两部分气体，A的密度较小，B的密度较大，抽去隔板，加热气体，使两部分气体均匀混合，设在此过程气体吸热Q，气体内能增量为ΔU，则(

)A．ΔU＝Q

B．ΔU<QC．ΔU>QD．无法比较图8－2－8第四十三页，共五十一页，编辑于2023年，星期一解析：A、B气体开始时合重心在中线下，混合均匀后重心在中线，所以系统重力势能增加．由能量守恒定律可知，吸收的热量一部分增加气体内能，另一部分增加气体的重力势能，故ΔU<Q.答案：B第四十四页，共五十一页，编辑于2023年，星期一6.如图8－2－9所示，容器A、B中各有一个可以自由移动的轻活塞，活塞下面是水，上面是大气，大气压恒定．A、B的底部由带有阀门K的管道相连，整个装置与外界绝热，原先，A水面比B高．打开阀门K，最后达到平衡，在这个过程中(

)A．大气压力对水做功，水的内能增加B．水克服大气压力做功，水的内能减少C．大气压力对水不做功，水的内能不变D．大气压力对水不做功，水的内能增加图8－2－9第四十五页，共五十一页，编辑于2023年，星期一答案：D解析：打开K后，水将从A向B流