選修33第3講熱力學(xué)定律能量守恒

第3講

熱力學(xué)定律、能量守恒【考綱解讀】1.知道改變內(nèi)能的兩種方式，理解熱力學(xué)第一定律；2.知道與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀物理過程的方向性，了解熱力學(xué)第二定律；3.掌握能量守恒定律及其應(yīng)用．考點(diǎn)O

講堂梳理自查一、熱力學(xué)第一定律和能量守恒定律1．改變物體內(nèi)能的兩種方式(1)

做功

熱；傳(遞2)

．2．熱力學(xué)第一定律(1)內(nèi)容：一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)能增量等于外界向它傳遞的熱量與外界對(duì)它所做的功的

和．(2)表達(dá)式：ΔU＝Q＋W3．能的轉(zhuǎn)化和守恒定律(1)內(nèi)容：能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到別的物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中，能量的總量保持不變．(2)第一類永動(dòng)機(jī)：違背能量守恒定律的機(jī)器2．第二類永動(dòng)機(jī)：違背宏觀熱現(xiàn)象方向性二、熱力學(xué)第二定律1．常見的兩種表述(1)克勞修斯表述：熱量低不溫能自發(fā)地高溫從

物體傳到單一熱庫

物體．(2)開爾文表述：不可能從

吸收熱量，使之完全變成功，而不產(chǎn)生其他影響．能量守恒定律熱力學(xué)第二定律的機(jī)器被稱為第二類永動(dòng)機(jī)．這類永動(dòng)機(jī)不違背

，但它違背了

，也是不可能1．[對(duì)做功與內(nèi)能變化的考查]金屬筒內(nèi)裝有與外界溫度相同的壓縮空氣，打開筒的開關(guān)，筒內(nèi)高壓空氣迅速向外逸出，待筒內(nèi)外壓強(qiáng)相等時(shí)，立即關(guān)閉開關(guān)．在外

界保持恒溫的條件下，經(jīng)過一段較長(zhǎng)時(shí)間后，)再次打開開關(guān)，這時(shí)出現(xiàn)的現(xiàn)象是(A．筒外空氣流向筒內(nèi)B．筒內(nèi)空氣流向筒外C．筒內(nèi)外有空氣交換，處于動(dòng)態(tài)平衡，筒內(nèi)空氣質(zhì)量不變【解析】因高壓空氣急劇外逸時(shí)，氣體沒有時(shí)間充分與外界發(fā)生熱交換，可看成絕熱膨脹過程．氣體對(duì)外做功，內(nèi)能減少，所以關(guān)閉開關(guān)時(shí)，筒內(nèi)氣體溫度較外界低，再經(jīng)過較長(zhǎng)時(shí)間后，筒內(nèi)外氣體溫度相同．筒內(nèi)剩余氣體屬于等容升溫過程，其壓強(qiáng)要變大，大于外界氣壓，所以再打開開關(guān)時(shí)，筒內(nèi)氣體要流向筒外．2．[對(duì)熱和內(nèi)能變化的考查]如果鐵絲的溫度升高了，則(

)B．鐵絲一定D．外界一定A．鐵絲一定吸收了熱量放出了熱量C．外界可能對(duì)鐵絲做功對(duì)鐵絲做功【答案】C【解析】做功和熱傳遞對(duì)改變物體的內(nèi)能是等效的，溫度升高可能是做功引起的，也可能是熱傳遞引起的．3．[對(duì)熱力學(xué)第一定律的考查](多選)某物體溫度升高了，這說明(

)B．該物體可D．物體可能A．該物體一定吸收了熱量能放出了熱量C．外界對(duì)物體可能做了功吸收了熱量【答案】BCD【解析】由ΔU＝Q＋W來分析，物體溫度升高了，一定有物體的內(nèi)能增加，ΔU＞0，要滿足ΔU＞0可能有各種情況：①W＞0，Q＝0；②W＝0

Q＞0；③W＞0

Q＞0；④W考點(diǎn)1

熱力學(xué)第一定律的理解應(yīng)用1．熱力學(xué)第一定律不僅反映了做功和熱傳遞這兩種方式改變內(nèi)能的過程是等效的，而且給出了內(nèi)能的變化量和做功與熱傳遞之間的定量關(guān)系．此定律是標(biāo)量式，應(yīng)用時(shí)熱量的單位應(yīng)統(tǒng)一為國(guó)際單位制中的焦耳．號(hào)2．符對(duì)公式ΔWU＝Q＋W符Q號(hào)的規(guī)定ΔU＋外界對(duì)物體做功物體吸收熱量?jī)?nèi)能增加3．三種特殊情況(1)若過程是絕熱的，則Q＝0，W＝ΔU，外界對(duì)物體做的功等于物體內(nèi)能的增加．(2)若過程中不做功，即W＝0，則Q＝ΔU，物體吸收的熱量等于物體內(nèi)能的增加．(3)若過程的始末狀態(tài)物體的內(nèi)能不變，即

ΔU＝0，則W＋Q＝0或W＝－Q，外界對(duì)物體做的功等于物體放出的熱量．例1 (2014年新課標(biāo)Ⅰ卷)一定量的理想氣體從狀態(tài)a開始，經(jīng)歷三個(gè)過程ab，bc，ca回到原狀態(tài)，其p－T圖象如圖所示．下列判斷正確的是(

)A．過程ab中氣體一定吸熱B．過程bc中氣體既不吸熱也不放熱C．過程ca中外界對(duì)氣體所做的功等于氣體所放的熱D．a(chǎn)，b和c三個(gè)狀態(tài)中，狀態(tài)a分子的平均動(dòng)能最小思路剖析：(1)根據(jù)圖象可知ab，bc過程氣體的狀態(tài)是怎樣變化的？(2)如何在本題中利用熱力學(xué)第一定律判斷氣體吸熱還是放熱？【答案】ADE【解析】由p－T圖象可知過程ab是等容變化，溫度升高，內(nèi)能增加，體積不變，由熱力學(xué)第一定律可知過程ab一定吸熱，選項(xiàng)A正確；過程bc溫度不變，即內(nèi)能不變，由于過程bc

體積增大，所以氣體對(duì)外做功，由熱力學(xué)第對(duì)于理想氣體，可以直接根據(jù)溫度的變化來

確定內(nèi)能的變化．吸、放熱不能直接確定時(shí)，則要放在最后，根據(jù)熱力學(xué)第一定律來確定．必須指出的是，一般來說系統(tǒng)對(duì)外界做功，系統(tǒng)體積膨脹；外界對(duì)系統(tǒng)做功，系統(tǒng)體積則被壓縮．但在某些特定條件下，例如氣體自由膨脹(外界為真空)時(shí)，氣體就沒有克服外力做功．另外，在判斷內(nèi)能變化時(shí)，還必須結(jié)合物態(tài)變化以及能的轉(zhuǎn)化與守恒來進(jìn)行．考點(diǎn)2

熱力學(xué)第二定律1．熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)熱力學(xué)第二定律的每一種表述，都揭示了大量分子參與宏觀過程的方向性，進(jìn)而使人們認(rèn)識(shí)到自然界中進(jìn)行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性．溫馨提示：熱量不可能自發(fā)地從低溫物體傳

到高溫物體，但在有外界影響的條件下，熱

量可以從低溫物體傳到高溫物體，如電冰箱；在引起其他變化的條件下，內(nèi)能可以全部轉(zhuǎn)2．兩類永動(dòng)機(jī)的比較第一類永動(dòng)機(jī)：不需要任何動(dòng)力或燃料，能不斷地對(duì)外做功的機(jī)器，違背能量守恒定律，不可能制成．第二類永動(dòng)機(jī)：從單一熱源吸收熱量，使之完全變成功，而不產(chǎn)生其他影響的機(jī)器，不違背能量守恒定律，但違背熱力學(xué)第二定律，不可能制成．3．熱力學(xué)過程方向性實(shí)例熱量Q不能自發(fā)傳給熱量Q能自發(fā)傳給(1)高溫物體

低溫物體；(2)功能自發(fā)地完全轉(zhuǎn)化為不能自發(fā)地且不能完全轉(zhuǎn)化為熱；能自發(fā)膨脹到能自發(fā)混合成氣體體積V1不能自發(fā)收縮到氣體體積V2(較大)；不同氣體A

和B不能自發(fā)分離成混合氣體AB.B．氣體是從單一熱庫吸熱，但并未全用來對(duì)外做功，因此此過程不違反熱力學(xué)第二定律C．氣體是從單一熱庫吸熱，全部用來對(duì)外做功，但此過程不違反熱力學(xué)第二定律D．以上三種說法都不正確思路剖析：熟記熱力學(xué)第二定律的兩種表述并準(zhǔn)確理解其含義是正確處理此類問題的關(guān)鍵．【答案】C【解析】由于氣體始終通過氣缸壁與外界接

觸，外界溫度不變，活塞桿與外界連接并使

其緩慢地向右移動(dòng)過程中，有足夠時(shí)間進(jìn)行

熱交換，所以氣缸內(nèi)的氣體溫度也不變．要

保持其內(nèi)能不變，該過程氣體是從單一熱源

即外部環(huán)境吸收熱量，即全部用來對(duì)外做功

才能保證內(nèi)能不變，但此過程不違反熱力學(xué)

第二定律．此過程由外力對(duì)活塞做功來維持，如果沒有外力F對(duì)活塞做功，此過程不可能發(fā)生．練1 (多選)下列說法中正確的有(

)A．熱量能夠從高溫物體傳到低溫物體但不能從低溫物體傳到高溫物體B．熱量能夠從高溫物體傳到低溫物體，也可能從低溫物體傳到高溫物體C．機(jī)械功可以全部轉(zhuǎn)化為熱量，但熱量不可能全部用來功D．機(jī)械功可以全部轉(zhuǎn)化為熱量，熱量也可能全部用來功【答案】BD【解析】根據(jù)熱傳遞的規(guī)律可知熱量能夠自發(fā)地從高溫物體傳到低溫物體；當(dāng)外界對(duì)系統(tǒng)做功時(shí)，可以使系統(tǒng)從低溫物體吸取熱量傳到高溫物體上去，制冷機(jī)(例如冰箱和空調(diào))就是這樣的裝置．但是熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體，選項(xiàng)A錯(cuò)誤，B正確．一個(gè)運(yùn)動(dòng)的物體，克服摩擦阻力做功，最終停止；在這過程中機(jī)械功全部轉(zhuǎn)化為熱

量．外界條件發(fā)生變化時(shí)，熱量也可以全部

用來做；例如在等溫膨脹過程中，系統(tǒng)吸收

的熱量全部轉(zhuǎn)化為對(duì)外界做的功，選項(xiàng)C錯(cuò)熱力學(xué)第二定律的三性1．“條件性”：這兩種表述中的“不引起其他變化”是熱力學(xué)第二定律的條件．如果沒有這一條件，則熱量可以由低溫物體傳到高溫物體；也可以從單一熱源吸收熱量并把它全部用來做功．2．“方向性”：所謂熱現(xiàn)象的方向性，就是指自然發(fā)生的熱現(xiàn)象有明確的進(jìn)行方向，通常稱為正向過程．正向過程具有“自發(fā)

性”，又叫不可逆性，兩種表述是等效性．1．處理方法(1)氣體實(shí)驗(yàn)定律研究對(duì)象是一定質(zhì)量的理想氣體．(2)對(duì)理想氣體，只要體積變化，外界對(duì)氣體

(或氣體對(duì)外界)要做功，如果是等壓變化，

W＝pΔV；只要溫度發(fā)生變化，其內(nèi)能就發(fā)生變化．(3)結(jié)合熱力學(xué)第一定律ΔU＝W＋Q求解問題考點(diǎn)3氣體實(shí)驗(yàn)定律與熱力學(xué)第一定律的綜合2．氣體幾種典型變化過程分析(1)等容過程：V＝恒量，外界對(duì)氣體不做功．根據(jù)熱力學(xué)第一定律有ΔU＝Q.V等壓過程：T＝恒量．根據(jù)熱力學(xué)第一定律可知：氣體等壓膨脹時(shí)，從外界吸收的熱量Q，一部分用來增加內(nèi)能，溫度升高，另一部分用于對(duì)外做功；氣體等壓壓縮時(shí)，外界對(duì)氣體做的功和氣體溫度降低所減少的內(nèi)能都轉(zhuǎn)化為向外放出的熱量．等溫過程：pV＝恒量．理想氣體的內(nèi)能只與溫度有關(guān)，所以理想氣體在等溫過程中內(nèi)能不變，即ΔU＝0，因此有Q＝－W.絕熱過程：Q＝0，ΔU＝W.膨脹時(shí)，氣體減少的內(nèi)能等于對(duì)外做的功；壓縮時(shí)，外界對(duì)氣體做的功等于氣體內(nèi)能的增量．例3

一種海浪發(fā)電機(jī)的氣室如圖所示．工作時(shí)，活塞隨海浪上升或下降，改變氣室中空氣的壓強(qiáng)，從而驅(qū)動(dòng)進(jìn)氣閥門和出氣閥門打開或關(guān)閉．氣室先后經(jīng)歷吸入、壓縮和排出空氣的過程，推動(dòng)出氣口處的裝置發(fā)電．氣室中的空氣可視為理想氣體．(1)下列對(duì)理想氣體的理解，正確的有

．A．理想氣體實(shí)際上并不存在，只是一種理想模型B．只要?dú)怏w壓強(qiáng)不是很高就可視為理想氣體C．一定質(zhì)量的某種理想氣體的內(nèi)能與溫度、體積都有關(guān)D．在任何溫度、任何壓強(qiáng)下，理想氣體都遵循氣體實(shí)驗(yàn)定律(2)壓縮過程中，兩個(gè)閥門均關(guān)閉．若此過程【解析】(1)理想氣體是一種理想化的模型，實(shí)際并不存在，選項(xiàng)A正確；在溫度不低于零下幾十?dāng)z氏度、壓強(qiáng)不超過標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的幾倍時(shí)，可把實(shí)際氣體當(dāng)成理想氣體來處理，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；一定質(zhì)量的理想氣體的內(nèi)能只與溫度有關(guān)，選項(xiàng)C錯(cuò)誤；在任何溫度、任何壓強(qiáng)下都遵從氣體實(shí)驗(yàn)定律，這樣的氣體是理想氣體，選項(xiàng)D正確．(2)氣室中的氣體與外界無熱交換，內(nèi)能增加，是因?yàn)橥饨鐚?duì)氣體做功，故密閉氣體的溫度

升高，氣體分子的平均動(dòng)能增大．根據(jù)熱力練2

如圖所示，水平放置的密封汽缸內(nèi)的氣體被一豎直隔板分隔為左右兩部分，隔板可在汽缸內(nèi)無摩擦滑動(dòng)，右側(cè)氣體內(nèi)有一電熱絲，汽缸壁和隔板均絕熱．初始時(shí)隔板靜止，左右兩邊氣體溫度相等．現(xiàn)給電熱絲提供一微弱電流，通電一段時(shí)間后切斷電源．當(dāng)缸內(nèi)氣體再次達(dá)到平衡時(shí)，與初始狀態(tài)相比(

)A．右邊氣體溫度升高，左邊氣體溫度不變B．左右兩邊氣體溫度都升高C．左邊氣體壓強(qiáng)減小【解析】當(dāng)電熱絲通電后，右邊氣體溫度緩慢升高氣體膨脹，將隔板向左推動(dòng)對(duì)左邊的氣體做功，根據(jù)熱力學(xué)第一定律可知左邊氣體內(nèi)能增加、溫度升高、壓強(qiáng)增大，選項(xiàng)B正確，A、C錯(cuò)誤；右邊氣體內(nèi)能的增加值應(yīng)為電熱絲發(fā)出的熱量減去左邊氣體內(nèi)能增量，選項(xiàng)D錯(cuò)誤．求解氣體的狀態(tài)變化與熱力學(xué)第一定律問題的方法pV氣體的狀態(tài)變化可由理想氣體狀態(tài)方程T

＝常數(shù)分析．氣體的做功情況、內(nèi)能變化及吸放熱關(guān)系可由熱力學(xué)第一定律分析，具體情況是：由體積確定做功：氣體體積變大說明氣體對(duì)外界做功(W<0)，氣體體積變小說明外界對(duì)氣體做功(W>0)；由溫度確定內(nèi)能的變化：氣體溫度升高說明內(nèi)能增大(ΔU>0)，氣體溫度降低說明內(nèi)能減少(ΔU<0)；由ΔU＝W＋Q

確定熱傳遞：Q>0

說明氣體吸熱，Q<0

說明氣體放熱，Q＝0

說明該過程絕熱．)熱交換，則袋內(nèi)氣體(A．體積減小，內(nèi)能增大B．體積減小，壓強(qiáng)減小C．對(duì)外界做負(fù)功，內(nèi)能增大D．對(duì)外界做正功，壓強(qiáng)減小模擬精選·

組合專練熱點(diǎn)題組一 熱力學(xué)第一定律1．(多選)(2017年肇慶模擬)用密封性好、充滿氣體的塑料袋包裹易碎品，如圖所示．充氣袋四周被擠壓時(shí)，假設(shè)袋內(nèi)氣體與外界無【解析】擠壓充氣袋，氣體的體積減小，充

氣袋中氣體的壓強(qiáng)增大，外界對(duì)氣體做正功，氣體對(duì)外界做負(fù)功，由于袋內(nèi)氣體與外界沒

有熱交換，根據(jù)熱力學(xué)第一定律可知，氣體

內(nèi)能增大，A、C兩項(xiàng)正確，B、D兩項(xiàng)錯(cuò)誤．2．(2017年永春模擬)重慶出租車常以天然氣作為燃料．加氣站儲(chǔ)氣罐中天然氣的溫度隨氣溫升高的過程中，若儲(chǔ)氣罐內(nèi)氣體體積及質(zhì)量均不變，則罐內(nèi)氣體(可視為理想氣體)()A．壓強(qiáng)增大，內(nèi)能減小B．吸收熱量，內(nèi)能增大C．壓強(qiáng)減小，分子平均動(dòng)能增大D．對(duì)外做功，分子平均動(dòng)能減小【答案】