第四講 熱力學定律與能量守恒定律

開始逐點清(一)熱力學第一定律的理解及應用

(基礎點速過)010203目錄逐點清(二)對熱力學第二定律的理解(重難點疏通)逐點清(三)熱力學第一定律與氣體圖像的綜合(基礎點速過)04逐點清(四)熱力學定律與氣體實驗定律的綜合(重難點疏通)第四講熱力學定律與能量守恒定律|綱舉目張|·|精要回顧|

[微點判斷](1)做功和傳熱的實質(zhì)是相同的。

()(2)外界壓縮氣體做功20J，氣體的內(nèi)能可能不變。

()(3)給自行車打氣時，發(fā)現(xiàn)打氣筒的溫度升高，這是因為打氣筒從外界吸熱。()(4)可以從單一熱庫吸收熱量，使之完全變成功。

()(5)熱機中，燃氣的內(nèi)能可以全部變?yōu)闄C械能而不引起其他變化。

()(6)自由擺動的秋千擺動幅度越來越小，能量正在消失。

()(7)利用河水的能量使船逆水航行的設想，符合能量守恒定律。

()×√×√××√|關鍵知能|·|升維學習|

逐點清(一)熱力學第一定律的理解及應用(基礎點速過)

對熱力學第一定律的理解1．對于一定質(zhì)量的理想氣體，下列說法正確的是

(

)A．該氣體放出熱量時，其內(nèi)能一定減少B．該氣體膨脹對外做功時，其內(nèi)能一定減少C．該氣體吸收熱量同時對外膨脹做功，其內(nèi)能可能增加D．該氣體放出熱量同時膨脹對外做功，其內(nèi)能可能不變答案：C

解析：由ΔU＝W＋Q可知，改變物體內(nèi)能的方式有兩種：做功和傳熱。該氣體放熱，Q＜0，但做功W未知，所以內(nèi)能不一定減少，故選項A錯誤；該氣體對外做功，W＜0，但Q未知，所以內(nèi)能不一定減少，故選項B錯誤；該氣體吸收熱量，Q＞0，同時對外做功，W＜0，ΔU可能是正值也可能是負值，所以內(nèi)能可能增加，故選項C正確；該氣體放出熱量，Q＜0，同時對外做功，W＜0，所以ΔU＜0，即氣體內(nèi)能一定減少，故選項D錯誤。

熱力學第一定律的應用2．(2022·山東等級考)如圖所示，內(nèi)壁光滑的絕熱汽缸內(nèi)用絕熱活塞封閉一定質(zhì)量的理想氣體，初始時汽缸開口向上放置，活塞處于靜止狀態(tài)，將汽缸緩慢轉(zhuǎn)動90°過程中，缸內(nèi)氣體

(

)A．內(nèi)能增加，外界對氣體做正功B．內(nèi)能減小，所有分子熱運動速率都減小C．溫度降低，速率大的分子數(shù)占總分子數(shù)比例減少D．溫度升高，速率大的分子數(shù)占總分子數(shù)比例增加答案：C

解析：初始時汽缸開口向上，活塞處于平衡狀態(tài)，汽缸內(nèi)外氣體對活塞的壓力差與活塞的重力平衡，則有(p1－p0)S＝mg，汽缸在緩慢轉(zhuǎn)動的過程中，汽缸內(nèi)外氣體對活塞的壓力差大于重力沿汽缸壁的分力，故汽缸內(nèi)氣體緩慢地將活塞往外推，最后汽缸水平，缸內(nèi)氣壓等于大氣壓。汽缸、活塞都是絕熱的，故缸內(nèi)氣體與外界沒有發(fā)生熱傳遞，汽缸內(nèi)氣體壓強作用將活塞往外推，氣體對外做功，根據(jù)熱力學第一定律ΔU＝Q＋W得：氣體內(nèi)能減小，故缸內(nèi)理想氣體的溫度降低，分子熱運動的平均速率減小，并不是所有分子熱運動的速率都減小，A、B錯誤；氣體內(nèi)能減小，缸內(nèi)理想氣體的溫度降低，分子熱運動的平均速率減小，故速率大的分子數(shù)占總分子數(shù)的比例減小，C正確，D錯誤。

熱力學第一定律在絕熱系統(tǒng)中的應用3．如圖是某同學利用汽缸設計的汽車加速度傳感器示意圖，將汽缸水平固定在汽車上且開口向后，內(nèi)壁光滑，用活塞封閉一定質(zhì)量氣體，通過活塞的移動判斷汽車加速和減速的情況。若汽缸和活塞均絕熱，汽車由勻速變?yōu)榧铀偾斑M，汽缸內(nèi)氣體

(

)A．單位體積內(nèi)的分子數(shù)變多B．分子的平均動能變大C．單位時間內(nèi)分子撞擊活塞的次數(shù)減少D．內(nèi)能變大答案：C解析：對活塞進行受力分析，如圖所示，當汽車勻速時，由平衡關系可知p0S＝pS，p0＝p，當汽車加速前進時，由平衡關系變?yōu)榧铀龠\動，且加速度a方向向左，由牛頓第二定律可得p0S－pS＝ma，故可知p0>p，壓強變小，即體積變大。故單位體積內(nèi)的分子數(shù)變少；單位時間內(nèi)分子撞擊活塞的次數(shù)減少，故A錯誤，C正確；由熱力學第一定律可知ΔU＝Q＋W，題中汽缸和活塞均絕熱，故可知Q等于0，體積變大，W為負值，故內(nèi)能減小，分子平均動能也減小，故B、D錯誤。1．對熱力學第一定律的理解(1)做功和熱傳遞在改變系統(tǒng)內(nèi)能上是等效的。(2)做功過程是系統(tǒng)與外界之間的其他形式能量與內(nèi)能的相互轉(zhuǎn)化。(3)熱傳遞過程是系統(tǒng)與外界之間內(nèi)能的轉(zhuǎn)移。2．熱力學第一定律的三種特殊情況(1)若過程是絕熱的，則Q＝0，W＝ΔU，外界對物體做的功等于物體內(nèi)能的增加。(2)若過程中不做功，則W＝0，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，則W＋Q＝0，即物體吸收的熱量全部用來對外做功，或外界對物體做的功等于物體放出的熱量。逐點清(二)對熱力學第二定律的理解(重難點疏通)1．熱力學第二定律的含義(1)“自發(fā)地”指明了熱傳遞等熱力學宏觀現(xiàn)象的方向性，不需要借助外界提供能量的幫助。(2)“不產(chǎn)生其他影響”的含義是發(fā)生的熱力學宏觀過程只在本系統(tǒng)內(nèi)完成，對周圍環(huán)境不產(chǎn)生熱力學方面的影響，如吸熱、放熱、做功等。在產(chǎn)生其他影響的條件下內(nèi)能可以全部轉(zhuǎn)化為機械能，如氣體的等溫膨脹過程。2．熱力學第二定律的實質(zhì)熱力學第二定律的每一種表述，都揭示了大量分子參與的宏觀過程的方向性，進而使人們認識到自然界中進行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性。3．熱力學第一、第二定律的比較

熱力學第一定律熱力學第二定律由定律揭示的問題從能量守恒的角度揭示了功、熱量和內(nèi)能改變量三者的定量關系自然界中出現(xiàn)的宏觀過程是有方向性的機械能和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化當摩擦力做功時，機械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能內(nèi)能不可能在不引起其他變化的情況下完全變成機械能熱量的傳遞熱量可以從高溫物體自發(fā)傳向低溫物體熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳向高溫物體兩定律的關系在熱力學中，兩者既相互獨立，又互為補充，共同構(gòu)成了熱力學知識的理論基礎續(xù)表4．兩類永動機的比較

第一類永動機第二類永動機設計要求不需要任何動力或燃料，卻能不斷地對外做功的機器從單一熱源吸收熱量，使之完全變成功，而不產(chǎn)生其他影響的機器不可能制成的原因違背能量守恒定律不違背能量守恒定律，違背熱力學第二定律題點1對熱力學第二定律的理解1．下列關于熱力學第二定律的說法正確的是

(

)A．所有符合能量守恒定律的宏觀過程都能發(fā)生B．一切與熱現(xiàn)象有關的宏觀自然過程都是不可逆的C．機械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，在不產(chǎn)生其他影響的情況下，內(nèi)能可以全部用來做功而轉(zhuǎn)化成機械能D．氣體向真空的自由膨脹是可逆的答案：B

解析：符合能量守恒定律，但違背熱力學第二定律的宏觀過程不能發(fā)生，A錯誤；一切與熱現(xiàn)象有關的宏觀自然過程都是不可逆的，B正確；機械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，在不產(chǎn)生其他影響的情況下，內(nèi)能無法全部用來做功而轉(zhuǎn)化成機械能，C錯誤；氣體向真空的自由膨脹是不可逆的，D錯誤。題點2熱力學第二定律的應用2．如圖所示，為電冰箱的工作原理示意圖。壓縮機工作時，強迫制冷劑在冰箱內(nèi)外的管道中不斷循環(huán)，在蒸發(fā)器中制冷劑汽化吸收箱體內(nèi)的熱量，經(jīng)過冷凝器時制冷劑液化，放出熱量到箱體外。下列說法正確的是

(

)A．熱量可以自發(fā)地從冰箱內(nèi)傳到冰箱外B．電冰箱除了將熱量從低溫熱庫傳到高溫熱庫外，工作過程中所產(chǎn)生的其他一切影響，有可能加以消除C．電冰箱的工作原理違背熱力學第一定律D．電冰箱除了將熱量從低溫熱庫傳到高溫熱庫外，工作過程中所產(chǎn)生的其他一切影響，有可能加以消除答案：B解析：熱力學第一定律是熱現(xiàn)象中內(nèi)能與其他形式能的轉(zhuǎn)化規(guī)律，是能量守恒定律的具體表現(xiàn)，適用于所有的熱學過程，故C項錯誤；根據(jù)熱力學第二定律，熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體，必須借助于其他系統(tǒng)做功，A項錯誤，B項正確；壓縮機工作時會發(fā)熱，將一部分電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能消耗掉，這種影響無法消除，D項錯誤。題點3兩類永動機的比較3．關于兩類永動機和熱力學的兩個定律，下列說法正確的是

(

)A．第二類永動機不可能制成是因為違反了熱力學第一定律B．第一類永動機不可能制成是因為違反了熱力學第二定律C．由熱力學第一定律可知做功不一定改變內(nèi)能，熱傳遞也不一定改變內(nèi)能，但同時做功和熱傳遞一定會改變內(nèi)能D．由熱力學第二定律可知熱量從低溫物體傳向高溫物體是可能的，從單一熱源吸收熱量，完全變成功也是可能的答案：D

解析：第一類永動機違反能量守恒定律，第二類永動機違反熱力學第二定律，A、B錯誤；由熱力學第一定律可知W≠0，Q≠0，但ΔU＝W＋Q可以等于0，C錯誤；由熱力學第二定律可知D項中現(xiàn)象是可能的，但會引起其他變化，D正確。逐點清(三)熱力學第一定律與氣體圖像的綜合(基礎點速過)

熱力學第一定律與p-V圖像的綜合1．(2022·湖北高考)一定質(zhì)量的理想氣體由狀態(tài)a變?yōu)闋顟B(tài)c，其過程如p-V圖中a→c直線段所示，狀態(tài)b對應該線段的中點。下列說法正確的是

(

)A．a(chǎn)→b是等溫過程B．a(chǎn)→b過程中氣體吸熱C．a(chǎn)→c過程中狀態(tài)b的溫度最低D．a(chǎn)→c過程中外界對氣體做正功答案：B

熱力學第一定律與p-T圖像的綜合2.一定量理想氣體從狀態(tài)a變化到狀態(tài)b，其過程如p-T

圖上從a到b的線段所示。在此過程中 (

)A．氣體一直對外做功B．氣體一直從外界吸熱C．氣體吸收的熱量等于其對外做的功D．氣體吸收的熱量大于其內(nèi)能的增加量答案：B

熱力學第一定律與V-T圖像的綜合3．(2022·遼寧高考)一定質(zhì)量的理想氣體從狀態(tài)a變化到狀態(tài)b，其體積V和熱力學溫度T變化圖像如圖所示，此過程中該系統(tǒng)

(

)A．對外界做正功 B．壓強保持不變C．向外界放熱 D．內(nèi)能減少答案：A

解析：根據(jù)題意，氣體體積增加，因此對外做正功，故A正確；題目中圖像延長線沒有過原點，因此不是等壓線，故B錯誤；溫度升高且對外做功，根據(jù)熱力學第一定律，該過程需要吸熱，故C錯誤；溫度升高，內(nèi)能增加，故D錯誤。處理熱力學第一定律與氣體圖像的綜合問題的思路(1)根據(jù)氣體圖像的特點判斷氣體的溫度、體積的變化情況，從而判斷氣體與外界的吸、放熱關系及做功關系。(2)在p-V圖像中，圖線與V軸圍成的面積表示氣體對外界或外界對氣體做的功。(3)結(jié)合熱力學第一定律判斷有關問題。逐點清(四)熱力學定律與氣體實驗定律的綜合(重難點疏通)[典例]

(2023·連云港調(diào)研)絕熱的活塞與汽缸之間封閉一定質(zhì)量的理想氣體，汽缸開口向上置于水平面上，活塞與汽缸壁之間無摩擦，缸內(nèi)氣體的內(nèi)能UP＝72J，如圖甲所示。已知活塞面積S＝5×10－4m2，其質(zhì)量為m＝1kg，大氣壓強p0＝1.0×105Pa，重力加速度g＝10m/s2。如果通過電熱絲給封閉氣體緩慢加熱，活塞由原來的P位置移動到Q位置，此過程封閉氣體的V-T圖像如圖乙所示，且知氣體內(nèi)能與熱力學溫度成正比。求：(1)封閉氣體最后的體積；(2)封閉氣體吸收的熱量。[答案]

(1)6×10－4m3

(2)60J[規(guī)律方法]熱力學定律與氣體實驗定律綜合問題的解題思路[針對訓練]

查理定律與熱力學第一定律的綜合1.如圖