物理选修3-3热力学定律与能量守恒

第 3 讲热力学定律与能量守恒知识一热力学第一定律1改变物体内能的两种方式(1)做功；(2)热传递2热力学第一定律(1) 内容：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(2)表达式：UQW.3UWQ 中正、负号法则物理量意义 W QU符号外界对物体做功 物体对外界做功物体吸收热量 物体放出热量内能增加内能减少(1)内能的变化与做功和热传递有关，只确定一个因素不能判断内能增加或减少 (2)应用热力学第一定律，一定要弄清各物理量的符号知识二热力学第二定律及微观意义1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，而不产生其他影响或 表述为“第二类永动机是不可能制成的”2用熵的概念表示热力学第二定律在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小(填“增大”或“减小”)3热力学第二定律的微观意义一切自发过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行知识三能量守恒定律和两类永动机1能量守恒定律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，能量的总量保持不变2能源的利用(1)存在能量耗散和品质下降- 1 - / 8(2)重视利用能源时对环境的影响(3)要开发新能源(如太阳能、生物质能、风能、水流能等)3两类永动机(1)第一类永动机：不消耗任何能量，却源源不断地对外做功的机器违背能量守恒定律，因此不可能实现(2)第二类永动机：从单一热源吸收热量并把它全部用来对外做功，而不引起其他变化的 机器违背热力学第二定律，不可能实现.考点一热力学第一定律的理解和应用一、在 UQW 中，W 表示做功情况，说明内能和其他形式的能可以相互转化；Q 表 示吸热或放热的情况，说明内能可以从一个物体转移到另一个物体，而 UQW 是能量守 恒定律的具体体现二、三种特殊情况1若过程是绝热的，则 Q0，WU，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 W0，QU，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 U0，则 WQ0 或 WQ，外界对 物体做的功等于物体放出的热量(2013 北京高考)下列说法正确的是( )A液体中悬浮微粒的无规则运动称为布朗运动B液体分子的无规则运动称为布朗运动C物体从外界吸收热量，其内能一定增加D物体对外界做功，其内能一定减少【解析】 布朗运动是颗粒的无规则运动，反映了液体分子的无规则运动，故 A 正确， B 错误；根据热力学第一定律 UWQ，物体从外界吸收热量，其内能不一定增加，物体 对外界做功，其内能也不一定减少，故 C、D 错误【答案】 A一定质量的气体，在从状态 1 变化到状态 2 的过程中，吸收热量 280 J，并对外 做功 120 J，试问：(1)这些气体的内能发生了怎样的变化？(2)如果这些气体又返回原来的状态，并放出了 240 J 热量，那么在返回的过程中是气体 对外界做功，还是外界对气体做功？做功多少？【解析】 (1)由热力学第一定律可得 UWQ120 J 280 J 160 J，气体的内能 增加了 160 J.(2)由于气体的内能仅与状态有关，所以气体从状态 2 回到状态 1 的过程中内能的变化应 等于从状态 1 到状态 2 的过程中内能的变化，则从状态 2 到状态 1 的内能应减少 160 J，即 U160 J，又 Q240 J，根据热力学第一定律得：UWQ，所以 WUQ160 J (240 J)80 J，即外界对气体 做功 80 J.【答案】 (1)增加了 160 J (2)外界对气体做功 80 J- 2 - / 82 考点二热力学第二定律的理解和应用一、在热力学第二定律的表述中，“自发地”、“不产生其他影响”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、做功等二、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三、热力学过程方向性实例1高温物体热量Q能自发传给 热量Q不能自发传给低温物体2功能自发地完全转化为热不能自发地且不能完全转化为3气体体积 V1能自发膨胀到 不能自发收缩到气体体积 V (较大)4不同气体 A 和 B能自发混合成 不能自发分离成混合气体 AB.如图 1131 所示中汽缸内盛有定量的理想气体，汽缸壁是导热的，缸外环境 保持恒温，活塞与汽缸壁的接触是光滑的，但不漏气现将活塞杆与外界连接，使其缓慢地 向右移动，这样气体将等温膨胀并通过杆对外做功若已知理想气体的内能只与温度有关， 则下列说法正确的是( )图 1131A气体是从单一热源吸热，全用来对外做功，因此此过程违反热力学第二定律B气体从单一热源吸热，但并未全用来对外做功，所以此过程不违反热力学第二定律 C气体是从单一热源吸热，全用来对外做功，但此过程不违反热力学第二定律DA、B、C 三种说法都不对【解析】 热力学第二定律从机械能与内能转化过程的方向性来描述是：不可能从单一 热源吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化本题中如果没有外界的帮助，比如 外力拉动活塞杆使活塞向右移动，使气体膨胀对外做功，导致气体温度略微降低，是不可能 从外界吸收热量的，即这一过程虽然是气体从单一热源吸热，全用来对外做功，但引起了其 他变化，所以此过程不违反热力学第二定律【答案】 C(多选)(2012 新课标全国高考)关于热力学定律，下列说法正确的是( )A为了增加物体的内能，必须对物体做功或向它传递热量B对某物体做功，必定会使该物体的内能增加C可以从单一热源吸收热量，使之完全变为功D不可能使热量从低温物体传向高温物体E功转变为热的实际宏观过程是不可逆过程【解析】 根据热力学第一定律 UQW，A 正确，B 错误根据热力学第二定律， C、E 正确，D 错误【答案】 ACE- 3 - / 81 0 1 2 2 1 1 2 21 02 h 1 12 22 10 0 0 01 0 0 0 1 1 01 0 1 考点三热力学定律与气体实验定律的综合应用 图 1132(2012 山东高考)如图 1132 所示，粗细均匀、导热良好、装有适量水银的 U 型管竖 直放置，右端与大气相通，左端封闭气柱长 l 20 cm(可视为理想气体 )，两管中水银面等 高现将右端与一低压舱(未画出)接通，稳定后右管水银面高出左管水银面 h10 cm.(环境温 度不变，大气压强 p 75 cmHg)(1)求稳定后低压舱内的压强(用“cmHg”作单位)(2) 此过程中左管内的气体对外界 _(填“做正功”、“做负功”或“不做功” )， 气体将_(填“吸热”或“放热”)【解析】 (1)设 U 型管横截面积为 S，右端与大气相通时左管中封闭气体压强为 p ，右 端与一低压舱接通后，左管中封闭气体的压强为 p ，气柱长度为 l ，稳定后低压舱内的压强 为 p.左管中封闭气体发生等温变化，根据玻意耳定律得p V p V p p p pp V l SV l S由几何关系得 h2(l l )联立式，代入数据得 p50 cmHg.(2)左管内气体膨胀，气体对外界做正功，温度不变，U0，根据热力学第一定律，U QW 且 W0，所以 QW0，气体将吸热【答案】 (1)50 cmHg (2)做正功 吸热如图 1133，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 2.4T 、压强为 1.2p 的理想气体，p 和 T图 1133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 UT， 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 V ；(2)在活塞下降过程中，汽缸内气体放出的热量 Q.【解析】 (1)在气体由 p1.2p 下降到 p 的过程中，气体体积不变，温度由 T2.4T 变 为 T ，T p由查理定律得 T p在气体温度由 T 变为 T 的过程中，体积由 V 减小到 V ，气体压强不变，- 4 - / 8 V T1 V T 12 0 1 1 02 0 2 20 0 1 1 2 21 2T12T0由盖吕萨克定律得 ，解得 11 0 V V(2)在活塞下降过程中，活塞对气体做的功为Wp (VV )在这一过程中，气体内能的减少量为U(T T )由热力学第一定律得，汽缸内气体放出的热量为 QWU，1解得 Q p VT01 1【答案】 (1) V (2) p VT(1)理想气体无分子势能，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p V p V(2)在气体状态变化过程中，三个状态参量(p、V、T)遵循理想气体状态方程 (或T TpVC 常数)，判断气体的内能的变化只需分析气体的温度，温度升高(或降低)，内能增大(或 T减小)(3)由气体体积变化情况分析做功情况，气体体积增大，气体对外做功，气体体积减小， 外界对气体做功然后由热力学第一定律 UQW 确定热量 Q 的正、负，判断出吸热、 放热.1物体的内能增加了 20 J，下列说法中正确的是( )A一定是外界对物体做了 20 J 的功B一定是物体吸收了 20 J 的热量C一定是物体分子动能增加了 20 JD物体的分子平均动能可能不变【解析】 做功和热传递都可以改变物体内能，物体内能改变 20 J ，其方式是不确定 的，因此 A、B 错误而物体内能包括所有分子的平均动能和势能，内能由分子数、分子平 均动能、势能三者决定，因此答案 C 错误物体内能增加 20 J 温度可能不变，故平均动能可 能不变，D 正确【答案】 D2(多选)关于第二类永动机，下列说法正确的是( )A没有冷凝器，只有单一的热源，能将从单一热源吸收的热量全部用来做功，而不引 起其他变化的热机叫做第二类永动机B第二类永动机违反了能量守恒定律，所以不可能制成C第二类永动机不可能制成，说明机械能可以全部转化为内能，内能却不可能全部转 化为机械能D 第二类永动机不可能制成，说明机械能可以全部转化为内能，内能却不可能全部转 化为机械能，同时不引起其他变化【解析】 根据第二类永动机的定义可知 A 选项正确，第二类永动机不违反能量守恒定 律，而是违反热力学第二定律，所以 B 选项错误机械能可以全部转化为内能，内能在引起 其他变化时可能全部转化为机械能，C 选项错误，D 选项正确- 5 - / 80 【答案】 AD3 若一气泡从湖底上升到湖面的过程中温度保持不变，则在此过程中关于气泡中的气 体，下列说法中正确的是( )A气体分子间的作用力增大B气体分子的平均速率增大C气体分子的平均动能减小D气体组成的系统的熵增加【解析】 考虑气体分子间作用力时，若分子力是引力，分子间距从 r 增大，则分子力 先增大后减小，A 错误气泡上升过程中温度不变，分子平均动能不变，分子平均速率也不 变， B 、C 错误气泡上升过程中体积膨胀，分子势能增加，内能增大，而对外做功，故气 体一定吸收热量，又因为温度不变，故其熵必增加，D 正确【答案】 D4(2011 福建高考)一定量的理想气体在某一过程中，从外界吸收热量 2.5104 J，气体对外界做功 1.0104J，则该理想气体的( )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【解析】 由 U W Q 可得理想气体内能变化 U 1.0104J 2.5104J 1.5104J0，故温度升高，A、B 两项均错因为气体对外做功，所以气体一定膨胀，体积m变大，由 可知密度变小，故 C 项错误，D 项正确V【答案】 D5如图 1134 是密闭的汽缸，外力推动活塞 P 压缩气体，对缸内气体做功 800 J ，若 同时气体向外界放热 200 J，缸内气体的( )图 1134A温度升高，内能增加 600 JB温度升高，内能减少 200 JC温度降低，内能增加 600 JD温度降低，内能减少 200 J【解析】 对一定质量的气体，由热力学第一定律 U W Q 可知，U 800 J( 200 J) 600 J ，U 为正表示内能增加了 600 J ，对气体来说，分子间距较大，分子势能为 零，内能等于所有分子动能的和，内能增加，气体分子的平均动能增加，温度升高，选项 A 正确【答案】 A6(多选)(2011 大纲全国高考)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【解析】 由热力学第二定律知吸收的热不能自发地全部转化为功，但通过其他方法可 以全部转化为功，故 A 正确；气体体积增大，对外做功，若同时伴随有吸热，其内能不一定 减少，B 错误；气体从外界吸热，若同时伴随有做功，其内能不一定增加， C 错误；外界对 气体做功，同时气体放热，其内能可能减少，D 正确【答案】 AD7(2013 山东高考)下列关于热现象的描述正确的一项是( )A根据热力学定律，热机的效率可以达到 100%B做功和热传递都是通过能量转化的方式改变系统内能的- 6 - / 8B B B B C温度是描述热运动的物理量，一个系统与另一个系统达到热平衡时两系统温度相同 D 物体由大量分子组成，其单个分子的运动是无规则的，大量分子的运动也是无规律的【解析】 根据热力学第二定律可知，热机不可能从单一热源吸收热量全部用来做功而 不引起其他变化，因此，热机的效率不可能达到 100%，选项 A 错误；做功是通过能量的转 化改变系统的内能，热传递是通过能量转移改变系统的内能，选项 B 错误；温度是表示热运 动的物理量，热传递过程中达到热平衡时，温度相同，选项 C 正确；单个分子的运动是无规 则的，大量分子的运动表现出统计规律，选项 D 错误【答案】 C8(2012 广东高考)景颇族的祖先发明的点火器如图 1135 所示，用牛角做套筒，木 制推杆前端粘着艾绒，猛推推杆，艾绒即可点燃对筒内封闭的气体，在此压缩过程中( )图 1135A气体温度升高，压强不变B气体温度升高，压强变大C气体对外界做正功，气体内能增加D外界对气体做正功，气体内能减少【解析】 筒内封闭气体被压缩过程中，外界对气体做正功由热力学第一定律 UWpVQ 知，气体内能增加，温度升高由理想气体状态方程 C 知，气体压强增大选项TA、C、D 错误，选项 B 正确【答案】 B9(多选)(2013 新课标全国卷)关于一定量的气体，下列说法正确的是( )A气体的体积指的是该气体的分子所能到达的空间的体积，而不是该气体所有分子体 积之和B只要能减弱气体分子热运动的剧烈程度，气体的温度就可以降低C在完全失重的情况下，气体对容器壁的压强为零D气体从外界吸收热量，其内能一定增加E气体在等压膨胀过程中温度一定升高【解析】 气体的体积指的是该气体的分子所能到达的空间的体积，因为气体分子之间 有很大的空隙，不是所有分子体积之和，选项 A 正确；温度是大量气体分子平均动能的标 志，反映了物体内分子热运动的剧烈程度，选项 B 正确；气体压强是大量分子无规则热运动 对器壁的碰撞产生的，与失重无关，选项 C 错误；气体从外界吸收热量，如果气体对外做 功，其内能可能减小，选项 D 错误；根据 pV/T常量可知，在等压膨胀过程中，温度一定升 高，选项 E 正确【答案】 ABE10如图 1136 所示，A、B 两个汽缸中装有体积均为 10 L、压强均为 1 atm(标准大 气压)、温度均为 27 的空气，中间用细管连接，细管容积不计细管中有一绝热活塞，现 将 B 汽缸中的气体升温到 127 ，若要使细管中的活塞仍停在原位置(不计摩擦，A 汽缸中 的气体温度保持不变，A 汽缸截面积为 500 cm2)图 1136(1)求 A 中活塞应向右移动的距离；(2)A 中气体是吸热还是放热，为什么？p p【解析】 (1)对 B：由 得T T- 7 - / 8B B A Ap ST 400 4p p p pB T B 300 B 3 Bp V对 A：由 p V p V 得 V A A A A AA4且：p P ，p p 解得：V VA B A B A 3 A1V4 A所以 l 5 cm.(2)放热，在向右推活塞过程中，A 中气体温度不变，气体内能不变；体积减小，外界对 气体做功，由热力学第一定律 UWQ 可知气体应放热【答案】 (1)5 cm (2)见解析- 8 - / 8