第3课时热力学定律【导学目标】1.理解热力学第一定律，能运用其解释自然界能量的转化、转移问题.2.了解热力学第二定律，能运用其解释第二类永动机不能制成的原因以及自然界能量转移、转化的方向性问题一、热力学第一定律与能量守恒定律基础导引1用活塞压缩汽缸里的空气，对空气做了900 J的功，同时汽缸向外散热210 J，汽缸里空气的内能改变了多少？【答案】内能增加了690 J【解析】活塞对空气做900 J的功，即W900 J，汽缸向外散热210 J，即Q210 J，根据热力学第一定律：UWQ900 J(210 J)690 J，即内能增加了690 J.2如图1，在汽缸内活塞左边封闭着一定量的空气，压强和大气压相同把汽缸和活塞固定，使汽缸内空气升高一定的温度，空气吸收的热量为Q1.如果让活塞可以自由滑动(活塞与汽缸间无摩擦、无漏气)，也使汽缸内空气温度升高相同温度，其吸收的热量为Q2.Q1和Q2哪个大些？图1【答案】Q2Q1【解析】活塞固定时，缸内气体的体积不变，没有做功过程发生，空气吸收的热量Q1全部用于增加气体的内能，即有Q1U1；活塞不固定时，温度升高，气体再次达到平衡时，气体压强仍等于大气压，所以气体体积增大，气体对外做功由于温度升高相同的值，内能的增加量与前一过程相同，也为Q1.根据热力学第一定律UWQ2，由于WQ1.知识梳理1物体内能的改变(1)_是其他形式的能与内能的相互转化过程，内能的改变量可用_的数值来量度(2)_是物体间内能的转移过程，内能转移量用_来量度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_与外界对它所_的和(2)表达式：U_.做功做功做功做功热传递热传递热量热量传递的热量传递的热量做的功做的功QW3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，或者从一个物体转移到别的物体，在转化和转移的过程中其总量不变，这就是能量守恒定律(2)任何违背能量守恒定律的过程都是不可能的，不消耗能量而对外做功的第一类永动机是不可能制成的【答案】做功和热传递都可以改变物体的内能，做功和热传递对改变物体的内能是等效的但是功和热量都不是能量的一种形式，功是能量转化的量度，热量是在热传递过程中内能转移多少的量度功和热量都是过程量，只有在能量转化或转移过程中表现出来二、热力学第二定律基础导引以下哪些现象能够发生？哪些不能发生？不能够发生的现象是否违背热力学第二定律？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【答案】见解析【解析】A.不可能因为是“自动”过程，所以茶变热时的内能增量只能来源于周围环境，即周围环境中的热量会自动地收集到茶中，违背热力学第二定律，所以这是不可能发生的现象B不可能蒸汽的内能转化为机械能必定需要做功，即热蒸汽推动活塞做功这一过程中，一方面由于活塞摩擦汽缸而产生热能，另一方面热蒸汽与周围环境存在温度差，蒸汽机会向周围环境散热所以，蒸汽机把蒸汽的内能全都转化为机械能，违背热力学第二定律，是不可能的C可能浑水变清，泥沙下沉，重心下降，总的重力势能减少，最终转化为内能，而机械能百分百转化成内能是可能的D可能冰箱通电后，消耗电能，将箱内低温物体的热量传到箱外知识梳理1两种表述(1)第一种表述：热量不能自动地从_物体传递到_物体(克劳修斯表述)(2)第二种表述：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(开尔文表述)2第二类永动机是指设想只从单一热源吸收热量，使之完全变为有用的功而不引起其他变化的热机这类永动机不可能制成的原因是违反了_低温低温高温高温热力学第二定律热力学第二定律【考点解读】1热力学第一定律不仅反映了做功和热传递这两种方式改变内能的过程是等效的，而且给出了内能的变化量和做功与热传递之间的定量关系考点一对热力学第一定律的理解与应用考点一对热力学第一定律的理解与应用3.几种特殊情况(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量(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量(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【典例剖析】例1在温度均匀的液体中，一个小气泡由液体的底层缓慢地升到液面，上升过程中气泡的体积不断地增大，如将泡内气体看作理想气体，则气泡在浮起的过程中()A放出热量B吸收热量C不吸热也不放热D无法判断解析本题选择气泡为研究对象一定质量的理想气体，其内能由温度决定在温度均匀的液体中，一个小气泡由液体的底层缓慢地升到液面的过程中，小气泡温度不变，其内能增量U0.上升过程中，由于气泡内的压强不断减小(气泡内的压强等于上部液体产生的压强与外界大气压之和)，所以气泡体积不断增大，气体要对外做功，即W0.所以气泡在浮起过程中，吸收热量选项B正确答案B方法提炼解决有关热力学第一定律问题的思路：分析题干确定内能改变的方式(Q、W)判断W、Q的符号代入公式UQW得出结论跟踪训练1如图2是压力保温瓶的结构简图，活塞a与液面之间封闭了一定质量的气体假设封闭气体为理想气体且与外界没有热交换，则向下压a的过程中，瓶内气体()图2A内能增大B体积增大C压强不变D温度不变【答案】A【解析】本题考查理想气体的状态方程、热力学第一定律，意在考查考生对理想气体的状态方程及热力学第一定律的理解活塞向下压，外界对气体做功，气体又与外界没有热交换，由热力学第一定律知气体内能增大，温度升高，A对、D错活塞向下压，气体体积减小，压强增大，B、C错【考点解读】1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、做功等考点二对热力学第二定律的理解考点二对热力学第二定律的理解2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3热力学过程方向性实例：特别提醒热量不可能自发地从低温物体传到高温物体，但在有外界影响的条件下，热量可以从低温物体传到高温物体，如电冰箱；在引起其他变化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4两类永动机的比较第一第一类永动机类永动机第二第二类永动机类永动机不需要任何动不需要任何动力力或燃料，却或燃料，却能不断地能不断地对对外做功外做功的的机器机器从单从单一热一热源吸收源吸收热热量，使之完全变成量，使之完全变成功，而不产生其他影响功，而不产生其他影响的的机器机器违背能量守恒违背能量守恒定律定律，不可能，不可能制成制成不违背能量守恒不违背能量守恒定律定律，违背，违背热力学第热力学第二定律二定律，不可能制成，不可能制成【典例剖析】例2根据热力学第二定律，下列说法中正确的是()A热量能够从高温物体传到低温物体，但不能从低温物体传到高温物体B热量能够从高温物体传到低温物体，也可能从低温物体传到高温物体C机械能可以全部转化为内能，但内能不可能全部转化为机械能D机械能可以全部转化为内能，内能也可能全部转化为机械能解析根据热传递的规律可知热量能够从高温物体传到低温物体；当外界对系统做功时，可以使系统从低温物体吸取热量传到高温物体上去，制冷机(如冰箱和空调)就是这样的装置但是热量不能自发地从低温物体传到高温物体选项A错误、B正确一个运动的物体，克服摩擦阻力做功，最终停止，在这个过程中机械能全部转化为内能外界条件发生变化时，内能也可以全部转化为机械能，如在等温膨胀过程中，系统吸收的热量全部转化为对外界做的功，选项C错误、D正确综上所述，该题的正确答案是B、D.答案BD跟踪训练2关于第二类永动机，下列说法正确的是()A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作第二类永动机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，内能却不可能在不引起其他变化的同时全部转化为机械能【答案】AD【解析】根据第二类永动机的定义可知A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错误、D正确例3(1)下列说法正确的是_A由阿伏加德罗常数、气体的摩尔质量和密度，可以估算该种气体分子的大小B悬浮在液体中的固体微粒越小，布朗运动就越明显C分子间的引力随分子间距离的增大而增大，分子间斥力随分子间距离的增大而减小D根据热力学第二定律可知，热量不可能从低温物体传到高温物体14.14.热力学定律与理想气体模型热力学定律与理想气体模型(2)如图3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0.2 m，活塞面积10 cm2，大气压强1.0105 Pa，物重50 N，活塞质量及一切摩擦不计，缓慢升高环境温度，使活塞刚好升到缸口，封闭气体吸收了60 J的热量，则封闭气体的压强将_(填“增加”“减小”或“不变”)，气体内能变化量为_ J.图3答案答案(1)B(2)不变不变50方法提炼运用热力学第一定律确定气体内能的变化，既要分析做功又要分析热传递一般情况下，我们可以根据气体体积膨胀还是压缩来确定气体对外界做功还是外界对气体做功，而体积变化往往要根据状态参量之间的关系来确定吸热、放热则不能根据温度的变化来确定对于理想气体，可以直接根据温度的变化来确定内能的变化吸、放热不能直接确定时，则要放在最后，根据热力学第一定律来确定必须指出的是，一般来说系统对外界做功，表现出系统体积膨胀；外界对系统做功，系统体积则被压缩但在某些特定条件下，例如气体自由膨胀(外界为真空)时，气体就没有克服外力做功另外，在判断内能变化时，还必须结合物态变化以及能的转化与守恒来进行跟踪训练3(2013深圳一模)如图4所示，一定质量的理想气体由a状态变化到b状态，则此过程中()A气体的温度升高B气体对外放热C外界对气体做功D气体分子间平均距离变小【答案】A【解析】本题考查了理想气体的性质，意在考查学生对热力学第一定律与盖吕萨克定律的理解和应用理想气体由a状态变化到b状态，由盖吕萨克定律，体积增大，温度升高，气体分子间平均距离变大，则选项A正确，D错误；体积增大，对外做功，内能增大，由热力学第一定律，WQU，气体吸热，则选项B、C错误