第四讲 热力学定律与能量守恒定律

开始逐点清(一)热力学第一定律的理解及应用

(基础点速过)010203目录逐点清(二)对热力学第二定律的理解(重难点疏通)逐点清(三)热力学第一定律与气体图像的综合(基础点速过)04逐点清(四)热力学定律与气体实验定律的综合(重难点疏通)第四讲热力学定律与能量守恒定律|纲举目张|·|精要回顾|

[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|·|升维学习|

逐点清(一)热力学第一定律的理解及应用(基础点速过)

对热力学第一定律的理解1．对于一定质量的理想气体，下列说法正确的是

(

)A．该气体放出热量时，其内能一定减少B．该气体膨胀对外做功时，其内能一定减少C．该气体吸收热量同时对外膨胀做功，其内能可能增加D．该气体放出热量同时膨胀对外做功，其内能可能不变答案：C

解析：由ΔU＝W＋Q可知，改变物体内能的方式有两种：做功和传热。该气体放热，Q＜0，但做功W未知，所以内能不一定减少，故选项A错误；该气体对外做功，W＜0，但Q未知，所以内能不一定减少，故选项B错误；该气体吸收热量，Q＞0，同时对外做功，W＜0，ΔU可能是正值也可能是负值，所以内能可能增加，故选项C正确；该气体放出热量，Q＜0，同时对外做功，W＜0，所以ΔU＜0，即气体内能一定减少，故选项D错误。

热力学第一定律的应用2．(2022·山东等级考)如图所示，内壁光滑的绝热汽缸内用绝热活塞封闭一定质量的理想气体，初始时汽缸开口向上放置，活塞处于静止状态，将汽缸缓慢转动90°过程中，缸内气体

(

)A．内能增加，外界对气体做正功B．内能减小，所有分子热运动速率都减小C．温度降低，速率大的分子数占总分子数比例减少D．温度升高，速率大的分子数占总分子数比例增加答案：C

解析：初始时汽缸开口向上，活塞处于平衡状态，汽缸内外气体对活塞的压力差与活塞的重力平衡，则有(p1－p0)S＝mg，汽缸在缓慢转动的过程中，汽缸内外气体对活塞的压力差大于重力沿汽缸壁的分力，故汽缸内气体缓慢地将活塞往外推，最后汽缸水平，缸内气压等于大气压。汽缸、活塞都是绝热的，故缸内气体与外界没有发生热传递，汽缸内气体压强作用将活塞往外推，气体对外做功，根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W得：气体内能减小，故缸内理想气体的温度降低，分子热运动的平均速率减小，并不是所有分子热运动的速率都减小，A、B错误；气体内能减小，缸内理想气体的温度降低，分子热运动的平均速率减小，故速率大的分子数占总分子数的比例减小，C正确，D错误。

热力学第一定律在绝热系统中的应用3．如图是某同学利用汽缸设计的汽车加速度传感器示意图，将汽缸水平固定在汽车上且开口向后，内壁光滑，用活塞封闭一定质量气体，通过活塞的移动判断汽车加速和减速的情况。若汽缸和活塞均绝热，汽车由匀速变为加速前进，汽缸内气体

(

)A．单位体积内的分子数变多B．分子的平均动能变大C．单位时间内分子撞击活塞的次数减少D．内能变大答案：C解析：对活塞进行受力分析，如图所示，当汽车匀速时，由平衡关系可知p0S＝pS，p0＝p，当汽车加速前进时，由平衡关系变为加速运动，且加速度a方向向左，由牛顿第二定律可得p0S－pS＝ma，故可知p0>p，压强变小，即体积变大。故单位体积内的分子数变少；单位时间内分子撞击活塞的次数减少，故A错误，C正确；由热力学第一定律可知ΔU＝Q＋W，题中汽缸和活塞均绝热，故可知Q等于0，体积变大，W为负值，故内能减小，分子平均动能也减小，故B、D错误。1．对热力学第一定律的理解(1)做功和热传递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)热传递过程是系统与外界之间内能的转移。2．热力学第一定律的三种特殊情况(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，则W＝0，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，则W＋Q＝0，即物体吸收的热量全部用来对外做功，或外界对物体做的功等于物体放出的热量。逐点清(二)对热力学第二定律的理解(重难点疏通)1．热力学第二定律的含义(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的宏观过程的方向性，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。3．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由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续表4．两类永动机的比较

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源吸收热量，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题点1对热力学第二定律的理解1．下列关于热力学第二定律的说法正确的是

(

)A．所有符合能量守恒定律的宏观过程都能发生B．一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的C．机械能可以全部转化为内能，在不产生其他影响的情况下，内能可以全部用来做功而转化成机械能D．气体向真空的自由膨胀是可逆的答案：B

解析：符合能量守恒定律，但违背热力学第二定律的宏观过程不能发生，A错误；一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的，B正确；机械能可以全部转化为内能，在不产生其他影响的情况下，内能无法全部用来做功而转化成机械能，C错误；气体向真空的自由膨胀是不可逆的，D错误。题点2热力学第二定律的应用2．如图所示，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。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．电冰箱除了将热量从低温热库传到高温热库外，工作过程中所产生的其他一切影响，有可能加以消除C．电冰箱的工作原理违背热力学第一定律D．电冰箱除了将热量从低温热库传到高温热库外，工作过程中所产生的其他一切影响，有可能加以消除答案：B解析：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，是能量守恒定律的具体表现，适用于所有的热学过程，故C项错误；根据热力学第二定律，热量不能自发地从低温物体传到高温物体，必须借助于其他系统做功，A项错误，B项正确；压缩机工作时会发热，将一部分电能转化为内能消耗掉，这种影响无法消除，D项错误。题点3两类永动机的比较3．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，热传递也不一定改变内能，但同时做功和热传递一定会改变内能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，从单一热源吸收热量，完全变成功也是可能的答案：D

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项中现象是可能的，但会引起其他变化，D正确。逐点清(三)热力学第一定律与气体图像的综合(基础点速过)

热力学第一定律与p-V图像的综合1．(2022·湖北高考)一定质量的理想气体由状态a变为状态c，其过程如p-V图中a→c直线段所示，状态b对应该线段的中点。下列说法正确的是

(

)A．a→b是等温过程B．a→b过程中气体吸热C．a→c过程中状态b的温度最低D．a→c过程中外界对气体做正功答案：B

热力学第一定律与p-T图像的综合2.一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．气体一直从外界吸热C．气体吸收的热量等于其对外做的功D．气体吸收的热量大于其内能的增加量答案：B

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．内能减少答案：A

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。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。逐点清(四)热力学定律与气体实验定律的综合(重难点疏通)[典例]

(2023·连云港调研)绝热的活塞与汽缸之间封闭一定质量的理想气体，汽缸开口向上置于水平面上，活塞与汽缸壁之间无摩擦，缸内气体的内能UP＝72J，如图甲所示。已知活塞面积S＝5×10－4m2，其质量为m＝1kg，大气压强p0＝1.0×105Pa，重力加速度g＝10m/s2。如果通过电热丝给封闭气体缓慢加热，活塞由原来的P位置移动到Q位置，此过程封闭气体的V-T图像如图乙所示，且知气体内能与热力学温度成正比。求：(1)封闭气体最后的体积；(2)封闭气体吸收的热量。[答案]

(1)6×10－4m3

(2)60J[规律方法]热力学定律与气体实验定律综合问题的解题思路[针对训练]

查理定律与热力学第一定律的综合1.如图