物理第十三章 热学 第3讲 热力学定律与能量守恒定律

第十三章第十三章 热热 学学第第3 3讲热力学定律与能量守恒定律讲热力学定律与能量守恒定律过好双基关一、热力学第一定律一、热力学第一定律1.改变物体内能的两种方式(1) ；(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 与外界对它所做功的和.(2)表达式：U .做功热量QW(3)U 中正、负号法则：QW物理量意义符号WQU外界对物体做功物体 热量内能_物体对外界做功物体 热量内能_吸收放出增加减少答案自测自测1一定质量的理想气体在某一过程中，外界对气体做功7.0104 J，气体内能减少1.3105 J，则此过程A.气体从外界吸收热量2.0105 JB.气体向外界放出热量2.0105 JC.气体从外界吸收热量6.0104 JD.气体向外界放出热量6.0104 J二、热力学第二定律二、热力学第二定律1.热力学第二定律的两种表述(1)克劳修斯表述：热量不能 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“ 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 .自发地第二类减小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 增大的方向进行.4.第二类永动机不可能制成的原因是违背了 .无序性热力学第二定律答案自测自测2教材P61第2题改编(多选)下列现象中能够发生的是A.一杯热茶在打开杯盖后，茶会自动变得更热B.蒸汽机把蒸汽的内能全部转化成机械能C.桶中混浊的泥水在静置一段时间后，泥沙下沉，上面的水变清，泥、 水自动分离D.电冰箱通电后把箱内低温物体的热量传到箱外高温物体三、能量守恒定律三、能量守恒定律1.内容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，或者是从一个物体 到别的物体，在转化或 的过程中，能量的总量保持不变.2.条件性能量守恒定律是自然界的普遍规律，某一种形式的能是否守恒是有条件的.3.第一类永动机是不可能制成的，它违背了 .转移转移能量守恒定律答案自测自测3木箱静止于水平地面上，现在用一个80 N的水平推力推动木箱前进10 m，木箱受到地面的摩擦力为60 N，则转化为木箱与地面系统的内能U和转化为木箱的动能Ek分别是(空气阻力不计)A.U200 J，Ek600 J B.U600 J，Ek200 JC.U600 J，Ek800 J D.U800 J，Ek200 J解析解析UFfx6010 J600 JEkFxU8010 J600 J200 J解析研透命题点 命题点一热力学第一定律的理解和应用基础考点自主悟透基础考点自主悟透1.热力学第一定律的理解热力学第一定律的理解(1)内能的变化都要用热力学第一定律进行综合分析.(2)做功情况看气体的体积：体积增大，气体对外做功，W为负；体积缩小，外界对气体做功，W为正.(3)与外界绝热，则不发生热传递，此时Q0.(4)如果研究对象是理想气体，则由于理想气体没有分子势能，所以当它的内能变化时，主要体现在分子动能的变化上，从宏观上看就是温度发生了变化.2.三种特殊情况三种特殊情况(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，则QU，物体吸收的热量等于物体内能的增加；(3)若过程的初、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.例例1(多选)(2017全国卷33(1)如图1，用隔板将一绝热汽缸分成两部分，隔板左侧充有理想气体，隔板右侧与绝热活塞之间是真空.现将隔板抽开，气体会自发扩散至整个汽缸.待气体达到稳定后，缓慢推压活塞，将气体压回到原来的体积.假设整个系统不漏气.下列说法正确的是A.气体自发扩散前后内能相同B.气体在被压缩的过程中内能增大C.在自发扩散过程中，气体对外界做功D.气体在被压缩的过程中，外界对气体做功E.气体在被压缩的过程中，气体分子的平均动能不变答案解析图1解析解析因为汽缸、活塞都是绝热的，隔板右侧是真空，所以理想气体在自发扩散的过程中，既不吸热也不放热，也不对外界做功.根据热力学第一定律可知，气体自发扩散前后，内能不变，选项A正确，选项C错误；气体在被压缩的过程中，外界对气体做功，气体内能增大，又因为一定质量的理想气体的内能只与温度有关，所以气体温度升高，分子平均动能增大，选项B、D正确，选项E错误.变式变式1(多选)(2016全国卷33(1)关于气体的内能，下列说法正确的是A.质量和温度都相同的气体，内能一定相同B.气体温度不变，整体运动速度越大，其内能越大C.气体被压缩时，内能可能不变D.一定量的某种理想气体的内能只与温度有关E.一定量的某种理想气体在等压膨胀过程中，内能一定增加答案解析解析解析质量和温度都相同的气体，虽然分子平均动能相同，但是不同的气体，其摩尔质量不同，即分子个数不同，所以分子总动能不一定相同，A错误；宏观运动和微观运动没有关系，所以宏观运动速度大，内能不一定大，B错误；根据 C可知，如果等温压缩，则内能不变；等压膨胀，温度增大，内能一定增大，C、E正确；理想气体的分子势能为零，所以一定量的某种理想气体的内能只与分子平均动能有关，而分子平均动能和温度有关，D正确.例例2(多选)(2017全国卷33(1)如图2，一定质量的理想气体从状态a出发，经过等容过程ab到达状态b，再经过等温过程bc到达状态c，最后经等压过程ca回到状态a.下列说法正确的是A.在过程ab中气体的内能增加B.在过程ca中外界对气体做功C.在过程ab中气体对外界做功D.在过程bc中气体从外界吸收热量E.在过程ca中气体从外界吸收热量 命题点二热力学第一定律与图象的综合应用基础考点自主悟透基础考点自主悟透图2答案解析解析解析在过程ab中，体积不变，气体对外界不做功，压强增大，温度升高，内能增加，故选项A正确，C错误；在过程ca中，气体的体积缩小，外界对气体做功，压强不变，温度降低，内能变小，气体向外界放出热量，故选项B正确，E错误；在过程bc中，温度不变，内能不变，体积增大，气体对外界做功，由热力学第一定律可知，气体要从外界吸收热量，故选项D正确.变式变式2(多选)(2016全国卷33(1)一定量的理想气体从状态a开始，经历等温或等压过程ab、bc、cd、da回到原状态，其p-T图象如图3所示，其中对角线ac的延长线过原点O.下列判断正确的是A.气体在a、c两状态的体积相等B.气体在状态a时的内能大于它在状态c时的内能C.在过程cd中气体向外界放出的热量大于外界对气体 做的功D.在过程da中气体从外界吸收的热量小于气体对外界做的功E.在过程bc中外界对气体做的功等于在过程da中气体对外界做的功答案解析图3理想气体的内能只由温度决定，而TaTc，故气体在状态a时的内能大于在状态c时的内能，选项B正确；由热力学第一定律UQW知，cd过程温度不变，内能不变，则QW，选项C错误；da过程温度升高，即内能增大，则吸收的热量大于对外界做的功，选项D错误；基本思路基本思路 命题点三热力学第一定律与气体实验定律的综合应用能力考点师生共研能力考点师生共研例例3(2017河北冀州2月模拟)如图4甲所示，横截面积为S，质量为M的活塞在汽缸内封闭着一定质量的理想气体，现对缸内气体缓慢加热，使其温度从T1升高了T，气柱的高度增加了L，吸收的热量为Q.不计汽缸与活塞的摩擦，外界大气压强为p0，重力加速度为g.求：(1)此加热过程中气体内能增加了多少？图4答案答案Q(p0SMg)L答案解析解析解析设缸内气体的温度为T1时压强为p1，活塞受重力、大气压力和缸内气体的压力作用而平衡，则有Mgp0Sp1S气体膨胀对外界做功为Wp1SL根据热力学第一定律有QWU联立可得UQ(p0SMg)L(2)若保持缸内气体温度不变，再在活塞上放一砝码，如图乙所示，使缸内气体的体积又恢复到初始状态，则所放砝码的质量为多少？答案解析解析解析设所放砝码的质量为m，缸内气体的温度为T2时压强为p2，活塞和砝码整体受重力、大气压力和缸内气体的压力作用而平衡，则有(Mm)gp0Sp2S变式变式3(2017广东华南三校联考)如图5所示，汽缸内封闭一定质量的某种理想气体，活塞通过滑轮和一重物连接并保持平衡，已知活塞距缸口h50 cm，活塞面积S10 cm2，封闭气体的体积为V11 500 cm3，温度为0 ，大气压强p01.0105 Pa，重物重力G50 N，活塞重力及一切摩擦不计.缓慢升高环境温度，封闭气体吸收了Q60 J的热量，使活塞刚好升到缸口.整个过程重物未触地，求：(1)活塞刚好升到缸口时，气体的温度是多少？答案解析图5答案答案364 K解析解析封闭气体的初态：V11 500 cm3，T1273 K末态：V21 500 cm35010 cm32 000 cm3缓慢升高环境温度，封闭气体做等压变化解得T2364 K(2)汽缸内气体对外界做多少功？答案解析答案答案25 J解析解析设封闭气体做等压变化时的压强为p对活塞：p0SpSG汽缸内气体对外界做功WpSh解得W25 J(3)气体内能的变化量为多少？答案解析答案答案35 J解析解析由热力学第一定律得，汽缸内气体内能的变化量UQW得U35 J故汽缸内的气体内能增加了35 J1.热力学第二定律的涵义热力学第二定律的涵义(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.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.命题点四热力学第二定律基础考点自主悟透基础考点自主悟透2.热力学第二定律的实质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.热力学过程的方向性实例热力学过程的方向性实例4.两类永动机的比较两类永动机的比较 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例例4如图6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.图6答案解析(1)(多选)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解析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项正确，D项错误；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项正确，A项错误.(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？答案解析解析解析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.答案答案见解析变式变式4(多选)(2016全国卷33(1)关于热力学定律，下列说法正确的是A.气体吸热后温度一定升高B.对气体做功可以改变其内能C.理想气体等压膨胀过程一定放热D.热量不可能自发地从低温物体传到高温物体E.如果两个系统分别与状态确定的第三个系统达到热平衡，那么这两个系 统彼此之间也必定达到热平衡答案解析解析解析气体内能的改变UQW，故对气体做功可改变气体的内能，B选项正确；气体吸热为Q，但不确定外界做功W的情况，故不能确定气体温度的变化，A选项错误；由热力学第二定律，D选项正确；根据热平衡性质，E选项正确.课时作业1.(多选)关于热力学定律，下列说法正确的是A.热量能够自发地从高温物体传到低温物体B.不可能使热量从低温物体传向高温物体C.第二类永动机违反了热力学第二定律D.气体向真空膨胀的过程是不可逆过程E.功转变为热的实际宏观过程是可逆过程答案双基巩固练双基巩固练1234567891011122.(多选)在装有食品的包装袋中充入氮气，然后密封进行加压测试，测试时，对包装袋缓慢施加压力，将袋内的氮气视为理想气体，在加压测试过程中，下列说法中正确的是A.包装袋内氮气的压强增大B.包装袋内氮气的内能不变C.包装袋内氮气对外做功D.包装袋内氮气放出热量E.包装袋内氮气的所有分子运动速率都保持不变答案1234567891011123.(多选)下列说法中正确的是A.物体速度增大，则分子动能增大，内能也增大B.一定质量气体的体积增大，但既不吸热也不放热，内能减小C.相同质量的两种物体，提高相同的温度，内能的增量一定相同D.物体的内能与物体的温度和体积都有关系E.凡是与热现象有关的宏观过程都具有方向性答案解析123456789101112解析解析速度增大，不会改变物体的分子的动能，故A错误；体积增大时，气体对外做功，不吸热也不放热时，内能减小，故B正确；质量相同，但物体的物质的量不同，故温度提高相同的温度时，内能的增量不一定相同，故C错误；物体的内能取决于物体的温度和体积，故D正确；由热力学第二定律可知，凡是与热现象有关的宏观过程都具有方向性，故E正确.1234567891011124.(2018青海格尔木调研)根据你学过的热学中的有关知识，判断下列说法中正确的是A.机械能可以全部转化为内能，内能也可以全部用来做功转化成机械能B.凡与热现象有关的宏观过程都具有方向性，在热传递中，热量只能从 高温物体传递给低温物体，而不能从低温物体传递给高温物体C.尽管科技不断进步，热机的效率仍不能达到100%，制冷机却可以使温 度降到293 D.第一类永动机违背能量守恒定律，第二类永动机不违背能量守恒定律， 随着科技的进步和发展，第二类永动机可以制造出来答案1234567891011解析12解析解析机械能可以全部转化为内能，而内能在引起其他变化时也可以全部转化为机械能，A正确；凡与热现象有关的宏观过程都具有方向性，在热传递中，热量可以自发地从高温物体传递给低温物体，也能从低温物体传递给高温物体，但必须借助外界的帮助，B错误；尽管科技不断进步，热机的效率仍不能达到100%，制冷机也不能使温度降到293 ，只能无限接近273.15 ，C错误；第一类永动机违背能量守恒定律，第二类永动机不违背能量守恒定律，而是违背了热力学第二定律，第二类永动机不可能制造出来，D错误.1234567891011125.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解析123456789101112解析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；由热力学第一定律可知W0，Q0，但UWQ可以等于0，C错；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对.1234567891011126.景颇族的祖先发明的点火器如图1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A.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，气体内能减少答案1234567891011图1127.(2015福建理综29(2)如图2，一定质量的理想气体，由状态a经过ab过程到达状态b或者经过ac过程到达状态c.设气体在状态b和状态c的温度分别为Tb和Tc，在过程ab和ac中吸收的热量分别为Qab和Qac，则A.TbTc，QabQacB.TbTc，QabQacC.TbTc，QabQacD.TbTc，QabQac答案1234567891011图2解析121234567891011由热力学第一定律，ab：WabQabUabac：WacQacUac又Wab0，Wac0，UabUac0，则有QabQac，故C项正确.128.如图3所示，一定质量的理想气体从状态A依次经过状态B、C和D后再回到状态A.其中，AB和CD为等温过程，BC和DA为绝热过程(气体与外界无热量交换)，这就是著名的“卡诺循环”.(1)该循环过程中，下列说法正确的是_.A.AB过程中，外界对气体做功B.BC过程中，气体分子的平均动能增大C.CD过程中，单位时间内碰撞单位面积器壁的分子 数增多D.DA过程中，气体分子的速率分布曲线不发生变化答案解析1234567891011图312解析解析由理想气体状态方程和热力学第一定律分析，AB为等温过程，内能不变，气体的体积增大，气体对外做功，A错；BC过程为绝热过程，气体体积增大，气体对外做功，因此内能减小，气体分子的平均动能减小，B错；CD为等温过程，气体体积减小，单位体积内的分子数增多，单位时间内碰撞单位面积器壁的分子数增多，C正确；DA为绝热过程，气体体积减小，外界对气体做功，内能增大，温度升高，因此气体分子的速率分布曲线变化，D错.123456789101112(2)该循环过程中，内能减小的过程是_(选填“AB”“BC”“CD”或“DA”).若气体在AB过程中吸收63 kJ的热量，在CD过程中放出38 kJ的热量，则气体完成一次循环对外做的功为_kJ.答案解析1234567891011BC25解析解析在以上循环过程中，内能减小的过程是BC.由热力学第一定律UQW得W25 kJ.129.如图4所示，用轻质活塞在汽缸内封闭一定质量的理想气体，活塞与汽缸壁间摩擦忽略不计，开始时活塞距离汽缸底部高度H10.60 m，气体的温度T1300 K；现给汽缸缓慢加热至T2480 K，活塞缓慢上升到距离汽缸底部某一高度H2处，此过程中缸内气体增加的内能U300 J.已知大气压强p01.0105 Pa，活塞横截面积S5.0103 m2.求：(1)活塞距离汽缸底部的高度H2；答案解析1234567891011综合提升练综合提升练图4答案答案0.96 m121234567891011解得H20.96 m12(2)此过程中缸内气体吸收的热量Q.答案解析1234567891011答案答案480 J解析解析在气体膨胀的过程中， 气体对外做功为：W0p0V1.0105(0.960.60)5.0103 J180 J根据热力学第一定律可得气体内能的变化量为UW0Q，得QUW0480 J.1210.如图5所示，竖直放置的汽缸内壁光滑，横截面积为S103 m2，活塞的质量为m2 kg，厚度不计.在A、B两处设有限制装置，使活塞只能在A、B之间运动，B下方汽缸的容积为1.0103 m3，A、B之间的容积为2.0104 m3，外界大气压强p01.0105 Pa，开始时活塞停在B处，缸内气体的压强为0.9p0，温度为27 ，现缓慢加热缸内气体，直至327 .g10 m/s2，求：(1)活塞刚离开B处时气体的温度t2；答案解析1234567891011图5答案答案127 121234567891011解得p21.2105 Pa12(2)缸内气体最后的压强.答案解析1234567891011答案答案1.5105 Pa因为p3p2，故活塞最终移动到A处的假设成立.1211.一定质量的理想气体被活塞封闭在导热汽缸内，如图6所示水平放置.活塞的质量m20 kg，横截面积S100 cm2，活塞可沿汽缸壁无摩擦滑动但不漏气，开始时汽缸水平放置，活塞与汽缸底的距离L112 cm，离汽缸口的距离L23 cm.外界气温为27 ，大气压强为1.0105 Pa，将汽缸缓慢地转到开口向上的竖直位置，待稳定后对缸内气体逐渐加热，使活塞上表面刚好与汽缸口相平，已知g10 m/s2，求：(1)此时气体的温度为多少？答案解析答案答案450 K1234567891011图612解析解析当汽缸水平放置时，p01.0105 Pa，V0L1S，T0(27327) K300 K当汽缸口朝上且活塞到达汽缸口时，活塞的受力分析如图所示，有p1Sp0SmgV1(L1L2)S123456789101112(2)在对缸内气体加热的过程中，气体膨胀对外做功，同时吸收Q370 J的热量，则气体增加的内能U多大？答案解析答案答案310 J123456789101112解析解析当汽缸口向上且未稳定时：气体发生等温变化，由玻意耳定律得p0L1Sp1LS1234567891011稳定后加热气体，气体做等压变化，外界对气体做功为Wp0(L1L2L)Smg(L1L2L)60 J根据热力学第一定律UWQ得U310 J.1212.一定质量的理想气体经历了如图7所示的ABCDA循环，该过程每个状态视为平衡态，各状态参数如图所示.A状态的压强为1105 Pa，求：(1)B状态的温度；图7答案答案600 K解析解析理想气体从A状态到B状态的过程中，压强保持不变，根据盖吕萨克定律有1234567891011答案解析12(2)完成一次循环，气体与外界热交换的热量.答案答案放热150 J答案解析123456789101112解析解析理想气体从A状态到B状态的过程中，外界对气体做功W1pA(VBVA)解得W1100 J气体从B状态到C状态的过程中，体积保持不变，根据查理定律有解得pC2.5105 Pa从C状态到D状态的过程中，压强保持不变，外界对气体做功W2pC(VCVD)pC(VBVA)解得W2250 J123456789101112一次循环过程中外界对气体所做的总功WW1W2150 J理想气体从A状态完成一次循环，回到A状态，始末温度不变，所以内能不变.根据热力学第一定律有UWQ解得Q150 J故完成一次循环，气体向外界放热150 J.123456789101112