第第3 3节热力学定律与能量守恒节热力学定律与能量守恒基础过关基础过关考点研析考点研析基础知识基础知识一、热力学第一定律一、热力学第一定律1.1.改变物体内能的两种方式改变物体内能的两种方式(1)(1) : :将其他形式的能转化为内能将其他形式的能转化为内能; ;(2)(2) : :物体间内能的转移物体间内能的转移. .2.2.热力学第一定律热力学第一定律(1)(1)内容内容: :一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的 与外界对它所与外界对它所做的功的和做的功的和. .(2)(2)表达式表达式:U=:U= . .基础过关基础过关 紧扣教材紧扣教材自主落实自主落实做功做功热传递热传递热量热量Q+WQ+W二、热力学第二定律及微观意义二、热力学第二定律及微观意义1.1.热力学第二定律的两种表述热力学第二定律的两种表述(1)(1)克劳修斯表述克劳修斯表述: :热量不能自发地从热量不能自发地从 传到传到 . .( (2 2) )开开 尔尔 文文 表表 述述: :不不可可能能从从单单一一热热库库吸吸收收热热量量使使之之完完全全变变成成功功, ,而而 . .2.2.用熵的概念表示热力学第二定律用熵的概念表示热力学第二定律在任何自然过程中在任何自然过程中, ,一个孤立系统的总熵不会一个孤立系统的总熵不会 . .3.3.热力学第二定律的微观意义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一切自发过程总是沿着分子热运动的 增大的方向进行增大的方向进行. .低温物体低温物体高温物体高温物体不产生其他影响不产生其他影响减小减小无序性无序性三、能量守恒定律和两类永动机三、能量守恒定律和两类永动机1.1.能量守恒定律能量守恒定律能量既不会凭空产生能量既不会凭空产生, ,也不会凭空消失也不会凭空消失, ,它只能从一种形式它只能从一种形式 为另一种形式为另一种形式, ,或者从一个物体或者从一个物体 到另一个物体到另一个物体, ,在转化或转移的过程中其在转化或转移的过程中其 保持不变保持不变. .2.2.两类永动机两类永动机( (1 1) )第第一一类类永永动动机机: :不不消消耗耗任任何何能能量量, ,却却源源源源不不断断地地对对外外做做功功的的机机器器. .违违背背 , ,因此不可能实现因此不可能实现. .(2)(2)第二类永动机第二类永动机: :从单一热源吸收热量并把它全部用来对外做功从单一热源吸收热量并把它全部用来对外做功, ,而不引起而不引起其他变化的机器其他变化的机器. .违背违背 , ,不可能实现不可能实现. .转化转化转移转移总量总量能量守恒定律能量守恒定律热力学第二定律热力学第二定律(1)(1)做功和热传递的实质是相同的做功和热传递的实质是相同的.(.( ) )(2)(2)绝热过程中绝热过程中, ,外界压缩气体做功外界压缩气体做功20 J,20 J,气体的内能一定减少气体的内能一定减少.(.( ) )(3)(3)物体吸收热量物体吸收热量, ,同时对外做功同时对外做功, ,内能可能不变内能可能不变.(.( ) )(4)(4)在给自行车打气时在给自行车打气时, ,会发现打气筒的温度升高会发现打气筒的温度升高, ,这是因为外界对气体做功这是因为外界对气体做功.(.( ) )(5)(5)热机中热机中, ,燃气的内能可以全部变为机械能而不引起其他变化燃气的内能可以全部变为机械能而不引起其他变化.(.( ) )过关巧练过关巧练1.1.思考判断思考判断2.2.(2018(2018云南昆明质检云南昆明质检)()(多选多选) )二氧化碳是导致二氧化碳是导致“温室效应温室效应”的主要原因之的主要原因之一一, ,人类在采取节能减排措施的同时人类在采取节能减排措施的同时, ,也在研究控制温室气体的新方法也在研究控制温室气体的新方法, ,目前目前专家们正在研究二氧化碳的深海处理技术专家们正在研究二氧化碳的深海处理技术. .在某次实验中在某次实验中, ,将一定质量的二氧将一定质量的二氧化碳气体封闭在一可自由压缩的导热容器中化碳气体封闭在一可自由压缩的导热容器中, ,将容器缓慢移到海水某深处将容器缓慢移到海水某深处, ,气气体体积减小为原来的一半体体积减小为原来的一半, ,不计温度变化不计温度变化, ,则此过程中则此过程中( ( ) )A.A.外界对封闭气体做正功外界对封闭气体做正功B.B.封闭气体向外界传递热量封闭气体向外界传递热量C.C.封闭气体分子的平均动能增大封闭气体分子的平均动能增大D.D.封闭气体从外界吸收热量封闭气体从外界吸收热量ABAB解析解析: :因为气体的温度不变因为气体的温度不变, ,所以气体分子的平均动能不变所以气体分子的平均动能不变, ,选项选项C C错误错误; ;当气当气体体积减小时体体积减小时, ,外界对气体做正功外界对气体做正功, ,选项选项A A正确正确; ;由热力学第一定律可得由热力学第一定律可得, ,封闭封闭气体将向外界传递热量气体将向外界传递热量, ,选项选项D D错误错误,B,B正确正确. .3.3.大气压强为大气压强为p p0 0=1.010=1.0105 5 Pa, Pa,水在水在1 1个大气压下沸腾时个大气压下沸腾时,1 g,1 g水吸收水吸收2 263.8 J2 263.8 J的热量后由液态变成同温度的气态的热量后由液态变成同温度的气态, ,其体积由其体积由1.043 cm1.043 cm3 3变成变成1 676 cm1 676 cm3 3, ,则体积则体积膨胀时气体对外界做的功为膨胀时气体对外界做的功为J,J,该过程中气体的内能变化为该过程中气体的内能变化为J.J.解析解析: :气体体积膨胀对外做功为气体体积膨胀对外做功为W=pW=p0 0V=1.0V=1.010105 5(1 676-1.043)(1 676-1.043)1010-6-6 J J167.5 J.167.5 J.由热力学第一定律得由热力学第一定律得U=Q+W=2 263.8 J-167.5 J=2 096.3 J.U=Q+W=2 263.8 J-167.5 J=2 096.3 J.答案答案: :167.5167.52 096.32 096.3考点一热力学第一定律考点一热力学第一定律考点研析考点研析 核心探究核心探究重难突破重难突破1.1.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. .2.2.对公式对公式U=Q+WU=Q+W符号的规定符号的规定符号符号W WQ QUU+ +外界对物体做功外界对物体做功物体吸收热量物体吸收热量内能增加内能增加- -物体对外界做功物体对外界做功物体放出热量物体放出热量内能减少内能减少3.3.几种特殊情况几种特殊情况(1)(1)若过程是绝热的若过程是绝热的, ,则则Q=0,W=U,Q=0,W=U,外界对物体做的功等于物体内能的增加量外界对物体做的功等于物体内能的增加量. .(2)(2)若过程中不做功若过程中不做功, ,即即W=0,W=0,则则Q=U,Q=U,物体吸收的热量等于物体内能的增加量物体吸收的热量等于物体内能的增加量. .(3)(3)若过程的初、末状态物体的内能不变若过程的初、末状态物体的内能不变, ,即即U=0,U=0,则则 W+Q=0 W+Q=0或或W=-Q.W=-Q.外界对物外界对物体做的功等于物体放出的热量体做的功等于物体放出的热量. .【典例【典例1 1】 在如图所示的坐标系中在如图所示的坐标系中, ,一定质量的某种理想气体先后发生以下两种一定质量的某种理想气体先后发生以下两种状态变化过程状态变化过程: :第一种变化是从状态第一种变化是从状态A A到状态到状态C,C,该气体从外界吸收的热量为该气体从外界吸收的热量为9J;9J;第第二种变化是从状态二种变化是从状态A A到状态到状态B,B,外界对该气体做功为外界对该气体做功为6 J.6 J.图线图线ACAC的反向延长线过坐的反向延长线过坐标原点标原点O,B,CO,B,C两状态的温度相同两状态的温度相同, ,理想气体的分子势能为零理想气体的分子势能为零. .求求: :(1)(1)从状态从状态A A到状态到状态C C的过程的过程, ,该气体对外界做的功该气体对外界做的功W W1 1和其内能的增量和其内能的增量UU1 1; ;(2)(2)从状态从状态A A到状态到状态B B的过程的过程, ,该气体内能的增量该气体内能的增量UU2 2及其从外界吸收的热量及其从外界吸收的热量Q Q2 2. .解析解析: :(1)(1)由题意知从状态由题意知从状态A A到状态到状态C C的过程的过程, ,气体发生等容变化气体发生等容变化, ,该气体对外界做该气体对外界做的功的功W W1 1=0=0根据热力学第一定律有根据热力学第一定律有UU1 1=W=W1 1+Q+Q1 1内能的增量内能的增量UU1 1=Q=Q1 1=9 J.=9 J.(2)(2)从状态从状态A A到状态到状态B B的过程的过程, ,体积减小体积减小, ,温度升高温度升高该气体内能的增量该气体内能的增量UU2 2=U=U1 1=9 J=9 J根据热力学第一定律有根据热力学第一定律有UU2 2=W=W2 2+Q+Q2 2从外界吸收的热量从外界吸收的热量Q Q2 2=U=U2 2-W-W2 2=3 J.=3 J.答案答案: :(1)0(1)09 J (2)9 J9 J (2)9 J3 J 3 J 判定物体内能变化的方法判定物体内能变化的方法反思总结反思总结(1)(1)内能的变化都要用热力学第一定律进行综合分析内能的变化都要用热力学第一定律进行综合分析. .(2)(2)做功情况看气体的体积做功情况看气体的体积: :体积增大体积增大, ,气体对外做功气体对外做功,W,W为负为负; ;体积缩小体积缩小, ,外界对气体做功外界对气体做功,W,W为正为正. .(3)(3)与外界绝热与外界绝热, ,则不发生热传递则不发生热传递, ,此时此时Q=0.Q=0.(4)(4)如果研究对象是理想气体如果研究对象是理想气体, ,则由于理想气体没有分子势能则由于理想气体没有分子势能, ,所以当它所以当它的内能变化时的内能变化时, ,主要体现在分子动能的变化上主要体现在分子动能的变化上, ,从宏观上看就是温度发生从宏观上看就是温度发生了变化了变化. .1.1. 热力学第一定律的理解热力学第一定律的理解 (2015(2015北京卷北京卷,13),13)下列说法正确的是下列说法正确的是( ( ) )A.A.物体放出热量物体放出热量, ,其内能一定减小其内能一定减小B.B.物体对外做功物体对外做功, ,其内能一定减小其内能一定减小C.C.物体吸收热量物体吸收热量, ,同时对外做功同时对外做功, ,其内能可能增加其内能可能增加D.D.物体放出热量物体放出热量, ,同时对外做功同时对外做功, ,其内能可能不变其内能可能不变题组训练题组训练C C解析解析: :由热力学第一定律由热力学第一定律U=W+QU=W+Q可知可知, ,若物体放出热量若物体放出热量, ,但外界对物体做正但外界对物体做正功功, ,则则UU不一定为负值不一定为负值, ,即内能不一定减少即内能不一定减少, ,故故A A项错误项错误; ;同理可分析出同理可分析出,B,B项项和和D D项错误项错误,C,C项正确项正确. .2.2. 热力学第一定律的应用热力学第一定律的应用 ( (多选多选) )如图如图, ,一定质量的理想气体从状态一定质量的理想气体从状态a a出发出发, ,经经过等容过程过等容过程abab到达状态到达状态b,b,再经过等温过程再经过等温过程bcbc到达状态到达状态c,c,最后经等压过程最后经等压过程caca回回到初态到初态a.a.下列说法正确的是下列说法正确的是( ( ) )A.A.在过程在过程abab中气体的内能增加中气体的内能增加B.B.在过程在过程caca中外界对气体做功中外界对气体做功C.C.在过程在过程abab中气体对外界做功中气体对外界做功D.D.在过程在过程bcbc中气体从外界吸收热量中气体从外界吸收热量ABDABD考点二热力学第二定律考点二热力学第二定律1.1.热力学第二定律的理解热力学第二定律的理解(1)(1)“自发地自发地”指明了热传递等热力学宏观现象的方向性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不需要借助外界提供能量的帮助能量的帮助. .(2)(2)“不产生其他影响不产生其他影响”的含义是发生的热力学宏观过程只在本系统内完成的含义是发生的热力学宏观过程只在本系统内完成, ,对对周围环境不产生热力学方面的影响周围环境不产生热力学方面的影响. .如吸热、放热、做功等如吸热、放热、做功等. .2.2.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都揭示了大量分子参与宏观过程的方向性, ,进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. .【典例【典例2 2】 (2019 (2019辽宁大连模拟辽宁大连模拟)()(多选多选) )如图所示为电冰箱的工作原理示意如图所示为电冰箱的工作原理示意图图. .压缩机工作时压缩机工作时, ,强迫制冷剂在冰箱内外的管道中不断循环强迫制冷剂在冰箱内外的管道中不断循环. .在蒸发器中制在蒸发器中制冷剂汽化吸收箱体内的热量冷剂汽化吸收箱体内的热量, ,经过冷凝器时制冷剂液化经过冷凝器时制冷剂液化, ,放出热量放出热量到箱体外到箱体外. .下列说法正确的是下列说法正确的是( ( ) )A.A.热量可以自发地从冰箱内传到冰箱外热量可以自发地从冰箱内传到冰箱外B.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, ,是因为其消耗了是因为其消耗了电能电能C.C.电冰箱的工作原理不违反热力学第一定律电冰箱的工作原理不违反热力学第一定律D.D.电冰箱的工作原理违反热力学第二定律电冰箱的工作原理违反热力学第二定律BCBC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, ,是能量守是能量守恒定律的具体表现恒定律的具体表现, ,适用于所有的热学过程适用于所有的热学过程, ,选项选项C C正确正确; ;由热力学第二定律由热力学第二定律可知可知, ,热量不能自发地从低温物体传给高温物体热量不能自发地从低温物体传给高温物体, ,除非有外界的影响或帮助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需要压缩机的帮助并消耗电能能, ,选项选项B B正确正确,A,D,A,D错误错误. .【针对训练】【针对训练】 ( (多选多选) )下列说法中正确的是下列说法中正确的是( ( ) )A.A.电冰箱的工作过程表明电冰箱的工作过程表明, ,热量可以从低温物体向高温物体传递热量可以从低温物体向高温物体传递B.B.空调机在制冷过程中空调机在制冷过程中, ,从室内吸收的热量少于向室外放出的热量从室内吸收的热量少于向室外放出的热量C.C.科技的进步可以使内燃机成为单一热源的热机科技的进步可以使内燃机成为单一热源的热机D.D.对能源的过度消耗将使自然界的能量不断减少对能源的过度消耗将使自然界的能量不断减少, ,形成形成“能源危机能源危机”ABAB解析解析: :热力学第二定律有两种表述热力学第二定律有两种表述: :第一是热量不能自发地从低温物体传到高第一是热量不能自发地从低温物体传到高温物体温物体, ,即自发热传递具有方向性即自发热传递具有方向性, ,选项选项A A中热量从低温物体传到高温物体是电中热量从低温物体传到高温物体是电冰箱工作的结果冰箱工作的结果, ,选项选项A A正确正确; ;第二是不可能从单一热库吸收热量第二是不可能从单一热库吸收热量, ,使之完全变使之完全变为功为功, ,而不产生其他影响而不产生其他影响, ,即第二类永动机不存在即第二类永动机不存在,C,C错误错误; ;空调把室内的热量转空调把室内的热量转移到室外还需要制冷设备的工作移到室外还需要制冷设备的工作, ,消耗电能转化成热量排放到室外消耗电能转化成热量排放到室外, ,故室内的故室内的热量小热量小,B,B正确正确; ;由能量守恒定律知由能量守恒定律知, ,能量总是守恒的能量总是守恒的, ,只是存在的形式不同只是存在的形式不同, ,选选项项D D错误错误. .考点三热力学定律与气体实验定律的综合考点三热力学定律与气体实验定律的综合气体实验定律与热力学定律综合的分析思路气体实验定律与热力学定律综合的分析思路【典例典例3 3】 (2019(2019福建厦门质检福建厦门质检) )如图所示如图所示, ,一根两端开口、横截面积为一根两端开口、横截面积为S=2cmS=2cm2 2足够长的玻璃管竖直插入水银槽中并固定足够长的玻璃管竖直插入水银槽中并固定( (插入水银槽中的部分足够深插入水银槽中的部分足够深).).管中有一个质量不计的光滑活塞管中有一个质量不计的光滑活塞, ,活塞下封闭着长活塞下封闭着长L L1 1=21 cm=21 cm的气柱的气柱, ,气体的温度气体的温度为为t t1 1=7 ,=7 ,外界大气压取外界大气压取p p0 0=1.010=1.0105 5 Pa( Pa(相当于相当于75 cm75 cm高的汞柱产生的压强高的汞柱产生的压强).).(1)(1)若在活塞上放一个质量为若在活塞上放一个质量为m=0.1 kgm=0.1 kg的砝码的砝码, ,保持气体的温度保持气体的温度t t1 1不变不变, ,则平衡则平衡后气柱为多长后气柱为多长?(g=10 m/s?(g=10 m/s2 2) )答案答案: :(1)20 cm(1)20 cm(2)(2)若保持砝码的质量不变若保持砝码的质量不变, ,对气体加热对气体加热, ,使其温度升高到使其温度升高到t2=77 ,t2=77 ,此时气柱此时气柱为多长为多长? ?答案答案: :(2)25 cm(2)25 cm(3)(3)若在若在(2)(2)过程中过程中, ,气体吸收的热量为气体吸收的热量为10 J,10 J,则气体的内能增加多少则气体的内能增加多少? ?答案答案: :(3)8.95 J(3)8.95 J解析解析: :(3)(3)由于气体膨胀由于气体膨胀, ,则外界对气体做功则外界对气体做功W=-pW=-p2 2V=-pV=-p2 2S(LS(L3 3-L-L2 2)=-1.05)=-1.0510105 52 21010-4-4(0.25-0.20) J=-1.05 J,(0.25-0.20) J=-1.05 J,根据热力学第一定律有根据热力学第一定律有U=W+Q=(-1.05+10)J=8.95 J.U=W+Q=(-1.05+10)J=8.95 J.【针对训练】【针对训练】 (2019(2019河南开封模拟河南开封模拟) )如图如图, ,体积为体积为V V、内壁光滑的圆柱形导热、内壁光滑的圆柱形导热汽缸顶部有一质量和厚度均可忽略的活塞汽缸顶部有一质量和厚度均可忽略的活塞; ;汽缸内密封有温度为汽缸内密封有温度为2.4T2.4T0 0、压强、压强为为1.2p1.2p0 0的理想气体的理想气体.p.p0 0和和T T0 0分别为大气的压强和温度分别为大气的压强和温度. .已知气体内能已知气体内能U U与温度与温度T T的关系为的关系为U=T,U=T,为正的常量为正的常量; ;容器内气体的所有变化过程都是缓慢的容器内气体的所有变化过程都是缓慢的. .求求: :(1)(1)汽缸内气体与大气达到平衡时的体积汽缸内气体与大气达到平衡时的体积V V1 1; ;(2)(2)在活塞下降过程中在活塞下降过程中, ,汽缸内气体放出的热量汽缸内气体放出的热量Q.Q.点击进入点击进入课时训练课时训练点击进入点击进入综合检测综合检测