第三讲　热力学定律和能量守恒

第三讲热力学定律和能量守恒纲举目张·主干系统[微点判断](1)做功和传热的实质是相同的。

(

)(2)外界压缩气体做功20J，气体的内能可能不变。

(

)(3)给自行车打气时，发现打气筒的温度升高，这是因为打气筒从外界吸热。(

)(4)可以从单一热库吸收热量，使之完全变成功。

(

)(5)热机中，燃气的内能可以全部变为机械能而不引起其他变化。

(

)(6)自由摆动的秋千摆动幅度越来越小，能量正在消失。

(

)(7)利用河水的能量使船逆水航行的设想，符合能量守恒定律。

(

)×√×√××√关键知能·逐点清障提能点(一)热力学第一定律的理解及应用[题点自主盘查]1.

(多选)某汽车后备箱内安装有撑起箱盖的装置，它主要由汽缸和活塞组成，如图所示。开箱时，密闭于汽缸内的压缩气体膨胀，将箱盖顶起。在此过程中，若缸内气体与外界无热交换，忽略气体分子间的相互作用，则缸内气体

(

)A．对外做正功，分子的平均动能减小B．对外做正功，内能增大C．对外做正功，分子的平均动能增大D．对外做正功，内能减小解析：密闭于汽缸内的压缩气体膨胀对外做正功，因而W＜0，缸内气体与外界无热交换说明Q＝0，根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，可知内能增加量ΔU＜0，故内能减小，温度降低，分子平均动能减小，A、D正确，B、C错误。答案：AD2．(2021·天津等级考)(多选)列车运行的平稳性与车厢的振动密切相关，车厢底部安装的空气弹簧可以有效减振，空气弹簧主要由活塞、汽缸及内封的一定质量的气体构成。上下乘客及剧烈颠簸均能引起车厢振动，上下乘客时汽缸内气体的体积变化缓慢，气体与外界有充分的热交换；剧烈颠簸时汽缸内气体的体积变化较快，气体与外界来不及热交换。若汽缸内气体视为理想气体，在气体压缩的过程中

(

)A．上下乘客时，气体的内能不变B．上下乘客时，气体从外界吸热C．剧烈颠簸时，外界对气体做功D．剧烈颠簸时，气体的温度不变解析：上下乘客时汽缸内气体与外界有充分的热交换，即发生等温变化，温度不变，故气体的内能不变，在体积压缩的过程中，外界对气体做功，故气体向外界放热，A正确，B错误；剧烈颠簸时汽缸内气体的体积变化较快，且气体与外界来不及热交换，气体经历绝热过程，外界对气体做功，气体的温度升高，C正确，D错误。答案：AC

3．(2022·河北高考)如图，绝热密闭容器中装有一定质量的某种理想气体和一个充有同种气体的气球。容器内温度处处相同。气球内部压强大于外部压强。气球慢慢漏气后，容器中气球外部气体的压强将________(填“增大”“减小”或“不变”)；温度将________(填“升高”“降低”或“不变”)。答案：增大升高

公式ΔU＝W＋Q中的符号法则4．一定质量的理想气体在某一过程中，外界对气体做功7.0×104J，气体内能减少1.3×105J，则此过程

(

)A．气体从外界吸收热量2.0×105JB．气体向外界放出热量2.0×105JC．气体从外界吸收热量6.0×104JD．气体向外界放出热量6.0×104J解析：由热力学第一定律ΔU＝W＋Q得Q＝ΔU－W＝－1.3×105J－7.0×104J＝－2.0×105J，即气体向外界放出热量2.0×105J，B正确。答案：B5．如图所示，一定质量理想气体经历A→B的等压过程，

B→C的绝热过程(气体与外界无热量交换)，其中B→C

过

程中内能减少900J。求A→B→C过程中气体对外界

做的总功。解析：A→B过程W1＝－p(VB－VA)B→C过程，根据热力学第一定律W2＝ΔU则对外界做的总功W＝－(W1＋W2)代入数据得W＝1500J。答案：1500J[知能自主落实]1．对热力学第一定律的理解(1)做功和传热在改变系统内能上是等效的。(2)做功过程是系统与外界之间的其他形式能量与内能的相互转化。(3)传热过程是系统与外界之间内能的转移。2．ΔU＝W＋Q中正、负号法则物理量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提能点(二)热力学第二定律[题点自主盘查]

热力学第二定律的理解1．(2022·广东高考)利用空调将热量从温度较低的室内传递到温度较高的室外环境，这个过程__________(选填“是”或“不是”)自发过程。该过程空调消耗了电能，空调排放到室外环境的热量_______(选填“大于”“等于”或“小于”)从室内吸收的热量。解析：利用空调将热量从温度较低的室内传递到温度较高的室外环境，需要空调的压缩机工作，不是自发过程；由于该过程消耗了电能，产生了电热的空调排放到室外环境的热量应等于电热加上从室内吸收的热量，即空调排放到室外环境的热量大于从室内吸收的热量。答案：不是大于

热力学第一定律与第二定律的综合应用2.

(选自鲁科版新教材)如图所示，两个相通的容器P、Q间装有阀门K。P中充满气体，Q内为真空，整个系统与外界没有热交换。打开阀门K后，P中的气体进入Q，最终达到平衡，则

(

)A．气体体积膨胀，内能增加B．气体分子势能减小，内能增加C．气体分子势能增加，压强可能不变D．Q中气体不可能自发地全部退回P中解析：气体自由膨胀，不做功，又因为系统与外界无热交换，则由热力学第一定律得，气体的内能不变，故A、B错误；气体体积增大，压强应减小，故C错误；根据热力学第二定律，自然界涉及热现象的宏观过程都具有方向性，故D正确。答案：D

热力学第一定律与第二定律的区别3．下列关于能量转换过程的叙述，违背热力学第一定律的有________，不违背热力学第一定律、但违背热力学第二定律的有________。(填正确答案标号)A．汽车通过燃烧汽油获得动力并向空气中散热B．冷水倒入保温杯后，冷水和杯子的温度都变得更低C．某新型热机工作时将从高温热源吸收的热量全部转化为功，而不产生其他影响D．冰箱的制冷机工作时从箱内低温环境中提取热量散发到温度较高的室内解析：汽车通过燃烧汽油获得动力并向空气中散热，既不违背热力学第一定律，也不违背热力学第二定律；冷水倒入保温杯后，冷水和杯子的温度都变得更低，B选项违背了热力学第一定律；热机工作时吸收的热量不可能全部用来对外做功，而不产生其他影响，C选项不违背热力学第一定律，但违背了热力学第二定律；冰箱的制冷机工作时，从箱内低温环境中提取热量散发到温度较高的室内，既不违背热力学第一定律，也不违背热力学第二定律，综上所述，第一个空选B，第二个空选C。答案：B

C

两类永动机的比较4．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，传热也不一定改变内能，但同时做功和传热一定会改变内能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，从单一热库吸收热量，完全变成功也是可能的解析：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W≠0，Q≠0，但ΔU＝W＋Q可以等于0，C错误；由热力学第二定律可知D中现象是可能的，但会引起其他变化，D正确。答案：D[知能自主落实]1．热力学第二定律的含义(1)“自发地”指明了传热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”的含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。在产生其他影响的条件下内能可以全部转化为机械能，如气体的等温膨胀过程。2．热力学第一、第二定律的比较

热力学第一定律热力学第二定律揭示的问题从能量守恒的角度揭示了功、热量和内能改变量三者的定量关系自然界中出现的宏观过程是有方向性的机械能和内能的转化当摩擦力做功时，机械能可以全部转化为内能内能不可能在不引起其他变化的情况下完全变成机械能热量的传递热量可以从高温物体自发传向低温物体热量不能自发地从低温物体传向高温物体两定律的关系在热力学中，两者既相互独立，又互为补充，共同构成了热力学知识的理论基础3．两类永动机的比较

第一类永动机第二类永动机设计要求不需要任何动力或燃料，却能不断地对外做功的机器从单一热库吸收热量，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定律不违背能量守恒定律，违背热力学第二定律提能点(三)热力学定律与气体图像的综合[题点自主盘查]

热力学第一定律与p-V图像的综合1．(2021·全国乙卷)(多选)如图，一定质量的理想气体从状态a(p0、V0、T0)经热力学过程ab、bc、ca后又回到状态a。对于ab、bc、ca三个过程，下列说法正确的是

(

)A．ab过程中，气体始终吸热B．ca过程中，气体始终放热C．ca过程中，气体对外界做功D．bc过程中，气体的温度先降低后升高E．bc过程中，气体的温度先升高后降低答案：ABE

热力学第一定律与p-T图像的综合2．(2022·全国甲卷)(多选)一定量理想气体从状态a变化到状态b，其

过程如p-T图上从a到b的线段所示。在此过程中

(

)A．气体一直对外做功B．气体的内能一直增加C．气体一直从外界吸热D．气体吸收的热量等于其对外做的功E．气体吸收的热量等于其内能的增加量答案：BCE

热力学第一定律与V-T图像的综合3．(2022·辽宁高考)一定质量的理想气体从状态a变化到状态b，其

体积V和热力学温度T变化图像如图所示，此过程中该系统

(

)A．对外界做正功B．压强保持不变C．向外界放热D．内能减少解析：根据题意，气体体积增加，因此对外做正功，故A正确；题目中图像延长线没有过原点，因此不是等压线，故B错误；温度升高且对外做功，根据热力学第一定律，该过程需要吸热，故C错误；温度升高，内能增加，故D错误。答案：A[知能自主落实]处理热力学第一定律与气体图像的综合问题的思路(1)根据气体图像的特点判断气体的温度、体积的变化情况，从而判断气体与外界的吸、放热关系及做功关系。(2)在p-V图像中，图线与V轴围成的面积表示气体对外界或外界对气体做的功。(3)结合热力学第一定律判断有关问题。提能点(四)热力学定律与气体实验定律的综合求解热力学定律与气体实验定律的综合问题的思路[典例]

(2023·渭南模拟)如图甲所示，一圆柱形绝热汽缸开口向上竖直放置，通过绝热活塞将一定质量的理想气体密封在汽缸内，活塞质量m＝1kg、横截面积S＝5×10－4m2，原来活塞处于A位置。现通过电热丝缓慢加热气体，直到活塞缓慢到达新的位置B，在此过程中，缸内气体的V-T图像如图乙所示，已知大气压强p0＝1.0×105Pa，忽略活塞与汽缸壁之间的摩擦，重力加速度g取10m/s2。(1)求缸内气体的压强和活塞到达位置B时缸内气体的体积；(2)若缸内气体原来的内能U0＝72J，且气体内能与热力学温度成正比，求缸内气体变化过程中从电热丝吸收的总热量。[答案]

(1)1.2×105Pa

6×10－4m3

(2)60J[针对训练]1．(2022·重庆高考)2022年5月15日，我国自主研发的“极目一号”Ⅲ型浮空艇创造了海拔9032米的大气科学观测世界纪录。若在浮空艇某段上升过程中，艇内气体温度降低，体积和质量视为不变，则艇内气体(视为理想气体)(

)A．吸收热量

B．压强增大C．内能减小 D．对外做负功答案：C

2．(2021·广东高考)在高空飞行的客机上某乘客喝完一瓶矿泉水后，把瓶盖拧紧。下飞机后发现矿泉水瓶变瘪了，机场地面温度与高空客舱内温度相同。由此可判断，高空客舱内的气体压强________(选填“大于”“小于”或“等于”)机场地面大气压强；从高空客舱到机场地面，矿泉水瓶内气体的分子平均动能______(选填“变大”“变小”或“不变”)。答案：小于不变3．如图所示，密闭导热容器A、B的体积均为V0，A、B浸在盛水容器中，达到热平衡后，A中压强为p0，温度为T0，B内为真空，将A中的气体视为理想气体。打开活栓C，A中部分气体进入B。(1)若再次达到平衡时，水温未发生变化，求此时