第3節(jié)熱力學(xué)定律與能量守恒

第3節(jié)熱力學(xué)定律與能量守恒教材梳理·自主預(yù)習(xí)考點(diǎn)研析·感悟提升一、熱力學(xué)第一定律1.改變物體內(nèi)能的兩種方式(1)

:將其他形式的能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能.(2)

:物體間內(nèi)能的轉(zhuǎn)移.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

與外界對(duì)它所做的功的和.(2)表達(dá)式:ΔU=

.知識(shí)梳理教材梳理·自主預(yù)習(xí)做功熱傳遞熱量Q+W二、熱力學(xué)第二定律及微觀意義1.熱力學(xué)第二定律的兩種表述(1)克勞修斯表述:熱量不能自發(fā)地從

傳到

.(2)開爾文表述:不可能從單一熱庫吸收熱量,使之完全變成功,而

.或表述為“第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成.”2.用熵的概念表示熱力學(xué)第二定律在任何自然過程中,一個(gè)孤立系統(tǒng)的總熵不會(huì)

.3.熱力學(xué)第二定律的微觀意義一切自發(fā)過程總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)的

增大的方向進(jìn)行.低溫物體高溫物體不產(chǎn)生其他影響減小無序性三、能量守恒定律和兩類永動(dòng)機(jī)1.能量守恒定律能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生,也不會(huì)憑空消失,它只能從一種形式

為另一種形式,或者從一個(gè)物體

到別的物體,在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中,能量的

保持不變.2.兩類永動(dòng)機(jī)(1)第一類永動(dòng)機(jī):不消耗任何能量,卻源源不斷地對(duì)外做功的機(jī)器.違背

,因此不可能實(shí)現(xiàn).(2)第二類永動(dòng)機(jī):從單一熱源吸收熱量并把它全部用來對(duì)外做功,而不引起其他變化的機(jī)器.違背

,不可能實(shí)現(xiàn).轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)移總量能量守恒定律熱力學(xué)第二定律小題檢測(cè)1.思考判斷(1)做功和熱傳遞的實(shí)質(zhì)是相同的.(

)×(2)外界壓縮氣體做功20J,氣體的內(nèi)能可能減少.(

)(3)在給自行車打氣時(shí),會(huì)發(fā)現(xiàn)打氣筒的溫度升高,這是因?yàn)橥饨鐚?duì)氣體做功.(

)(4)熱機(jī)中,燃?xì)獾膬?nèi)能可以全部變?yōu)闄C(jī)械能而不引起其他變化.(

)(5)電冰箱將熱量從低溫物體向高溫物體傳遞過程違背了熱力學(xué)第二定律.(

)(6)自由擺動(dòng)的秋千擺動(dòng)幅度越來越小,能量正在消失.(

)√√×××2.(多選)關(guān)于氣體的內(nèi)能和熱力學(xué)定律,下列說法正確的是(

)A.對(duì)氣體做功可以改變其內(nèi)能B.質(zhì)量和溫度都相同的氣體,內(nèi)能一定相同C.一定量的理想氣體在等壓膨脹過程中,內(nèi)能一定增加D.一定量的理想氣體,溫度越高,氣體分子運(yùn)動(dòng)越劇烈,氣體內(nèi)能越大ACD解析:做功和熱傳遞都能改變內(nèi)能,所以對(duì)氣體做功可以改變其內(nèi)能,故A正確;質(zhì)量和溫度都相同的氣體,內(nèi)能不一定相同,還和氣體的種類有關(guān),故B錯(cuò)誤;由蓋-呂薩克定律可知,一定量的理想氣體在等壓膨脹過程中溫度升高,內(nèi)能增加,故C正確;一定量的理想氣體溫度越高,氣體分子運(yùn)動(dòng)越劇烈,而理想氣體內(nèi)能只與溫度有關(guān),故溫度越高,其內(nèi)能越大,故D正確.3.(多選)關(guān)于熱力學(xué)定律,下列說法正確的是(

)A.為了增加物體的內(nèi)能,必須對(duì)物體做功或向它傳遞熱量B.對(duì)某物體做功,必定會(huì)使該物體的內(nèi)能增加C.可以從單一熱源吸收熱量,使之完全變?yōu)楣.不可能使熱量從低溫物體傳向高溫物體E.功轉(zhuǎn)變?yōu)闊岬暮暧^自然過程是不可逆過程ACE解析:改變內(nèi)能的方法有做功和熱傳遞兩種,所以為了增加物體的內(nèi)能,必須對(duì)物體做功或向它傳遞熱量,選項(xiàng)A正確;對(duì)物體做功的同時(shí)向外界放熱,則物體的內(nèi)能可能不變或減小,選項(xiàng)B錯(cuò)誤;根據(jù)熱力學(xué)第二定律可知,在對(duì)外界有影響的前提下,可以從單一熱源吸收熱量,使之完全變?yōu)楣?選項(xiàng)C正確;在有外界做功的條件下,可以使熱量從低溫物體傳遞到高溫物體,選項(xiàng)D錯(cuò)誤;根據(jù)熱力學(xué)第二定律可知,選項(xiàng)E正確.4.(2019?安徽宿州質(zhì)檢)(多選)一定量的理想氣體的壓強(qiáng)p與熱力學(xué)溫度T的變化圖象如圖所示.下列說法正確的是(

)

A.A→B的過程中,氣體對(duì)外界做功,氣體內(nèi)能增加B.A→B的過程中,氣體從外界吸收的熱量等于其內(nèi)能的增加量C.B→C的過程中,氣體體積增大,對(duì)外做功D.B→C的過程中,氣體對(duì)外界放熱,內(nèi)能不變E.B→C的過程中,氣體分子與容器壁每秒碰撞的次數(shù)增加BDE解析:從A到B的過程,是等容升溫過程,氣體不對(duì)外做功,氣體從外界吸收熱量,使得氣體內(nèi)能增加,故A錯(cuò)誤,B正確;從B到C的過程是等溫壓縮過程,壓強(qiáng)增大,體積減小,外界對(duì)氣體做功,氣體放出熱量,內(nèi)能不變,因體積減小,分子數(shù)密度增大,故氣體分子與容器壁每秒碰撞的次數(shù)增加,故C錯(cuò)誤,D,E正確。考點(diǎn)一熱力學(xué)第一定律考點(diǎn)研析·感悟提升1.對(duì)公式ΔU=Q+W符號(hào)的規(guī)定符號(hào)WQΔU+外界對(duì)物體做功物體吸收熱量?jī)?nèi)能增加-物體對(duì)外界做功物體放出熱量?jī)?nèi)能減少2.幾種特殊情況(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)能的增加量.(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)能的增加量.(3)若過程的初、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](1)若一氣泡從湖底上升到湖面的過程中溫度保持不變,則在此過程中關(guān)于氣泡中的氣體,下列說法正確的是(

)A.氣體分子間的作用力增大B.氣體分子的平均速率增大C.氣體分子的平均動(dòng)能減小D.氣體組成的系統(tǒng)一定吸熱解析:(1)考慮氣體分子間作用力時(shí),分子力表現(xiàn)為引力,氣泡膨脹,分子間距增大,分子力減小,A錯(cuò)誤;氣泡上升過程中溫度不變,分子的平均動(dòng)能不變,分子的平均速率也不變,B,C錯(cuò)誤;氣泡上升過程中體積膨脹,溫度不變,而氣體對(duì)外做功,故氣體一定吸收熱量,D正確.答案:(1)D(2)若將氣泡內(nèi)的氣體視為理想氣體,氣泡從湖底上升到湖面的過程中,對(duì)外界做了0.6J的功,則此過程中的氣泡

(選填“吸收”或“放出”)的熱量是

J.氣泡到達(dá)湖面后,溫度上升的過程中,又對(duì)外界做了0.1J的功,同時(shí)吸收了0.3J的熱量,則此過程中,氣泡內(nèi)氣體內(nèi)能增加了

J.

解析:(2)將氣體視為理想氣體時(shí),其內(nèi)能只與溫度有關(guān).氣泡上升過程中溫度不變,ΔU=0,對(duì)外做功,W=-0.6J,由ΔU=Q+W有Q=ΔU-W=0.6J>0,即需從外界吸收0.6J的熱量.氣泡到達(dá)湖面后,由ΔU=Q+W得ΔU′=(0.3-0.1)J=0.2J.答案:(2)吸收0.6

0.2反思總結(jié)應(yīng)用熱力學(xué)第一定律的三點(diǎn)注意(1)做功看體積:體積增大,氣體對(duì)外做功,W為負(fù);體積縮小,外界對(duì)氣體做功,W為正.氣體向真空中自由膨脹,對(duì)外界不做功,W=0.(2)與外界絕熱,則不發(fā)生熱傳遞,此時(shí)Q=0.(3)由于理想氣體沒有分子勢(shì)能,所以當(dāng)它的內(nèi)能變化時(shí),主要體現(xiàn)在分子動(dòng)能的變化上,從宏觀上看就是溫度發(fā)生了變化.[針對(duì)訓(xùn)練]

(2017·全國(guó)Ⅱ卷,33)(多選)如圖,用隔板將一絕熱汽缸分成兩部分,隔板左側(cè)充有理想氣體,隔板右側(cè)與絕熱活塞之間是真空.現(xiàn)將隔板抽開,氣體會(huì)自發(fā)擴(kuò)散至整個(gè)汽缸.待氣體達(dá)到穩(wěn)定后,緩慢推壓活塞,將氣體壓回到原來的體積.假設(shè)整個(gè)系統(tǒng)不漏氣.下列說法正確的是

.

A.氣體自發(fā)擴(kuò)散前后內(nèi)能相同B.氣體在被壓縮的過程中內(nèi)能增大C.在自發(fā)擴(kuò)散過程中,氣體對(duì)外界做功D.氣體在被壓縮的過程中,外界對(duì)氣體做功E.氣體在被壓縮的過程中,氣體分子的平均動(dòng)能不變解析:氣體向真空自由擴(kuò)散的過程中,對(duì)外不做功;又汽缸和活塞都絕熱,不吸熱也不放熱,由熱力學(xué)第一定律ΔU=Q+W,Q=0,W=0,所以ΔU=0,內(nèi)能不變,選項(xiàng)A正確,C錯(cuò)誤;氣體被壓縮時(shí),外界對(duì)氣體做功,又絕熱,所以內(nèi)能增大,選項(xiàng)B,D正確;理想氣體分子勢(shì)能為零,內(nèi)能表現(xiàn)為分子動(dòng)能,內(nèi)能增大,則分子動(dòng)能增大,分子平均動(dòng)能也增大,選項(xiàng)E錯(cuò)誤.答案:ABD考點(diǎn)二熱力學(xué)第二定律1.熱力學(xué)第二定律的理解(1)“自發(fā)地”指明了熱傳遞等熱力學(xué)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(xué)宏觀過程只在本系統(tǒng)內(nèi)完成,對(duì)周圍環(huán)境不產(chǎn)生熱力學(xué)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(jī)械能,如氣體的等溫膨脹過程.[例2](多選)以下現(xiàn)象不違背熱力學(xué)第二定律的有(

)A.一杯熱茶在打開蓋后,茶會(huì)自動(dòng)變涼B.沒有漏氣、沒有摩擦的理想熱機(jī),其效率可能是100%C.桶中渾濁的泥水在靜置一段時(shí)間后,泥沙下沉,上面的水變清,泥、水自動(dòng)分離D.熱量自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體E.在地面上運(yùn)動(dòng)的物體逐漸停下來,機(jī)械能全部變?yōu)閮?nèi)能解析:熱茶自動(dòng)變涼是熱量從高溫物體傳遞到低溫物體,A正確;任何熱機(jī)效率都不可能達(dá)到100%,B錯(cuò)誤;泥水分離是機(jī)械能(重力勢(shì)能)向內(nèi)能的轉(zhuǎn)化,C正確;熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體,D錯(cuò)誤;物體因摩擦力而停下來,是機(jī)械能(動(dòng)能)向內(nèi)能的轉(zhuǎn)化,是自發(fā)過程,E正確.ACE[針對(duì)訓(xùn)練](2019·湖南長(zhǎng)沙模擬)(多選)下列關(guān)于第二類永動(dòng)機(jī)說法正確的是(

)A.第二類永動(dòng)機(jī)是指沒有冷凝器,只有單一的熱源,能將從單一熱源吸收的熱量全部用來做功,而不引起其他變化的熱機(jī)B.第二類永動(dòng)機(jī)違反了能量守恒定律,所以不可能制成C.第二類永動(dòng)機(jī)違背了熱力學(xué)第二定律,所以不可能制成D.隨著科技的發(fā)展,第二類永動(dòng)機(jī)有可能制成E.第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成,說明機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,但內(nèi)能卻不能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,而不引起其他變化ACE解析:由第二類永動(dòng)機(jī)的定義知,A正確;第二類永動(dòng)機(jī)違反了熱力學(xué)第二定律,B,D錯(cuò)誤,C正確;由熱力學(xué)第二定律知,機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,但內(nèi)能卻不能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,而不引起其他變化,E正確.考點(diǎn)三熱力學(xué)定律與氣體實(shí)驗(yàn)定律的綜合問題氣體實(shí)驗(yàn)定律與熱力學(xué)定律綜合應(yīng)用的分析思路(1)拔去容器上端的塞子,求活塞穩(wěn)定后B氣室的體積VB;(2)拔去塞子待活塞穩(wěn)定后,室溫開始緩慢升高,從活塞穩(wěn)定到其恰好上升到容器頂端的過程中B室氣體從外界吸熱為Q,求這個(gè)過程中B氣室氣體內(nèi)能增量ΔU.1.(熱力學(xué)定律與T-V圖象的綜合)(2018·全國(guó)Ⅰ卷,33)(多選)如圖,一定質(zhì)量的理想氣體從狀態(tài)a開始,經(jīng)歷過程①,②,③,④到達(dá)狀態(tài)e.對(duì)此氣體,下列說法正確的是(

)A.過程①中氣體的壓強(qiáng)逐漸減小B.過程②中氣體對(duì)外界做正功C.過程④中氣體從外界吸收了熱量D.狀態(tài)c,d的內(nèi)能相等E.狀態(tài)d的壓強(qiáng)比狀態(tài)b的壓強(qiáng)小BDE題組訓(xùn)練解析:過程①中,氣體由a到b,體積V不變、T升高,則壓強(qiáng)增大,A錯(cuò)誤;過程②中,氣體由b到c,體積V變大,對(duì)外界做正功,B正確;過程④中,氣體由d到e,溫度T降低,內(nèi)能ΔU減小,體積V不變,氣體不做功,根據(jù)熱力學(xué)第一定律ΔU=Q+W得Q<0,即氣體放出熱量,C錯(cuò)誤;狀態(tài)c,d溫度相同,所以內(nèi)能相同,D正確;由b到c的過程,作過狀態(tài)b,c的等壓線,分析可得pb>pc,由c到d的過程,溫度不變,Vc<Vd,pc>pd,故pb>pc>pd,E正確.2.(熱力學(xué)定律與p-T圖象的綜合)(多選)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,b和c三個(gè)狀態(tài)中,狀態(tài)a分子的平均動(dòng)能最小E.b和c兩個(gè)狀態(tài)中