第3讲 热力学定律与能量守恒定律

第3讲热力学定律与能量守恒定律知识要点一、热力学第一定律1.改变物体内能的两种方式(1)做功；(2)热传递。

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传递的热量与外界对它所做的功的和。

(2)表达式：ΔU＝Q＋W。

(3)ΔU＝Q＋W中正、负号法则：物理量意义W Q ΔU符号＋外界对物体做功物体吸收热量内能增加－物体对外界做功物体放出热量内能减少1.热力学第二定律的两种表述(1)克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传到高温物体。

(2)开尔文表述：不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响。

2.用熵的概念表示热力学第二定律在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小。

3.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无序性增大的方向进行。

4.第二类永动机不可能制成的原因是违背了热力学第二定律。

三、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，或者是从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变。

2.条件性能量守恒定律是自然界的普遍规律，某一种形式的能是否守恒是有条件的。

3.第一类永动机是不可能制成的，它违背了能量守恒定律。

基础诊断1.(多选)下列说法正确的是()A.外界压缩气体做功20 J，气体的内能可能不变B.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C.科技的进步可以使内燃机成为单一热源的热机D.对能源的过度消耗将使自然界的能量不断减少，形成能源危机E.一定量100 ℃的水变成100 ℃的水蒸气，其分子之间的势能增加答案ABE2.(多选)下列说法正确的是()A.分子间距离增大时，分子间的引力减小，斥力增大B.当分子间的作用力表现为斥力时，随分子间距离的减小分子势能增大C.一定质量的理想气体发生等温膨胀，一定从外界吸收热量D.一定质量的理想气体发生等压膨胀，一定向外界放出热量E.熵的大小可以反映物体内分子运动的无序程度解析分子间距离增大时，分子间的引力、斥力都减小，A错误；当分子间的作用力表现为斥力时，随分子间距离的减小，斥力做负功，分子势能增大，B正确；等温膨胀，温度不变，气体内能不变，体积增大，对外做功，要保持内能不变，所以需要从外界吸收热量，C正确；等压膨胀，压强不变，体积增大，根据公式pV＝C可得温度升高，内能增大，需要吸收热量，故D错误；熵的物理意义反T映了宏观过程对应的微观状态的多少，标志着宏观状态的无序程度，即熵是物体内分子运动无序程度的量度，E正确。

答案BCE3.(多选)对于热力学第一定律和热力学第二定律的理解，下列说法正确的是()A.一定质量的气体膨胀对外做功100 J，同时从外界吸收120 J的热量，则它的内能增大20 JB.物体从外界吸收热量，其内能一定增加；物体对外界做功，其内能一定减少C.凡与热现象有关的宏观过程都具有方向性，在热传递中，热量只能从高温物体传递给低温物体，而不能从低温物体传递给高温物体D.第二类永动机违反了热力学第二定律，没有违反热力学第一定律E.热现象过程中不可避免地出现能量耗散现象，能量耗散符合热力学第二定律解析根据热力学第一定律知ΔU＝W＋Q＝－100 J＋120 J＝20 J，故选项A正确；根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，可知物体从外界吸收热量，其内能不一定增加，物体对外界做功，其内能不一定减少，选项B错误；通过做功的方式可以让热量从低温物体传递给高温物体，如电冰箱，选项C错误；第二类永动机没有违反能量守恒定律，热力学第一定律是能量转化和守恒定律在热学中的反映，因此第二类永动机没有违反热力学第一定律，不能制成是因为它违反了热力学第二定律，故选项D正确；能量耗散过程体现了宏观自然过程的方向性，符合热力学第二定律，选项E正确。

答案ADE热力学第一定律的理解和应用1.热力学第一定律的理解(1)内能的变化都要用热力学第一定律进行综合分析。

(2)做功情况看气体的体积：体积增大，气体对外做功，W为负；体积缩小，外界对气体做功，W为正。

(3)与外界绝热，则不发生热传递，此时Q＝0。

(4)如果研究对象是理想气体，因理想气体忽略分子势能，所以当它的内能变化时，主要体现在分子动能的变化上，从宏观上看就是温度发生了变化。

2.三种特殊情况(1)若过程是绝热的，则Q＝0，W＝ΔU，外界对物体做的功等于物体内能的增加。

(2)若过程中不做功，即W＝0，则Q＝ΔU，物体吸收的热量等于物体内能的增加。

(3)若过程的初、末状态物体的内能不变，即ΔU＝0，则W＋Q＝0或W＝－Q，外界对物体做的功等于物体放出的热量。

【例1】(2019·全国Ⅰ卷，33)某容器中的空气被光滑活塞封住，容器和活塞绝热性能良好，空气可视为理想气体。

初始时容器中空气的温度与外界相同，压强大于外界。

现使活塞缓慢移动，直至容器中的空气压强与外界相同。

此时，容器中空气的温度________(填“高于”“低于”或“等于”)外界温度，容器中空气的密度________(填“大于”“小于”或“等于”)外界空气的密度。

解析活塞光滑、容器绝热，容器内空气体积增大，对外做功，由ΔU＝W＋Q 知，气体内能减少，温度降低。

气体的压强与气体温度和单位体积内的分子数有关，由于容器内空气的温度低于外界温度，但压强相同，则容器中空气的密度大于外界空气的密度。

答案低于大于1.(多选)[2017·全国Ⅱ卷，33(1)]如图1，用隔板将一绝热汽缸分成两部分，隔板左侧充有理想气体，隔板右侧与绝热活塞之间是真空。

现将隔板抽开，气体会自发扩散至整个汽缸。

待气体达到稳定后，缓慢推压活塞，将气体压回到原来的体积。

假设整个系统不漏气。

下列说法正确的是()图1A.气体自发扩散前后内能相同B.气体在被压缩的过程中内能增大C.在自发扩散过程中，气体对外界做功D.气体在被压缩的过程中，外界对气体做功E.气体在被压缩的过程中，气体分子的平均动能不变解析因为汽缸、活塞都是绝热的，隔板右侧是真空，所以理想气体在自发扩散的过程中，既不吸热也不放热，也不对外界做功。

根据热力学第一定律可知，气体自发扩散前后，内能不变，选项A正确，选项C错误；气体被压缩的过程中，外界对气体做功，气体内能增大，又因为一定质量的理想气体的内能只与温度有关，所以气体温度升高，分子平均动能增大，选项B、D正确，选项E错误。

答案ABD2.如图2所示，用带孔橡皮塞把塑料瓶口塞住，向瓶内迅速打气，在瓶塞弹出前，外界对气体做功15 J，橡皮塞的质量为20 g，橡皮塞被弹出的速度为10 m/s，若橡皮塞增加的动能占气体对外做功的10%，瓶内的气体可视为理想气体。

则瓶内气体的内能变化量为________J，瓶内气体的温度________(选填“升高”“不变”或“降低”)。

图2解析由题意可知，气体对外做的功W对外＝12m v2η＝12×0.02×1020.1J＝10 J，由题意可知，向瓶内迅速打气，在整个过程中，可认为气体与外界没有热交换，即Q＝0，则气体内能的变化量ΔU＝W＋Q＝15 J－10 J＋0＝5 J，气体内能增加，温度升高。

答案5升高热力学第一定律与图像的综合应用【例2】(多选)[2017·全国Ⅲ卷，33(1)]如图3，一定质量的理想气体从状态a出发，经过等容过程ab到达状态b，再经过等温过程bc到达状态c，最后经等压过程ca回到初态a。

下列说法正确的是________。

图3A.在过程ab中气体的内能增加B.在过程ca中外界对气体做功C.在过程ab中气体对外界做功D.在过程bc中气体从外界吸收热量E.在过程ca中气体从外界吸收热量审题指导p－V图像问题的审题思路解析在过程ab中，体积不变，气体对外界不做功，压强增大，温度升高，内能增加，故选项A正确，C错误；在过程ca中，气体的体积缩小，外界对气体做功，压强不变，温度降低，内能变小，气体向外界放出热量，故选项B正确，E错误；在过程bc中，温度不变，内能不变，体积增大，气体对外界做功，由热力学第一定律可知，气体要从外界吸收热量，故选项D正确。

答案ABD1.(多选)(2020·安徽省宿州市一质检)一定量的理想气体的压强p与热力学温度T 的变化图像如图4所示。

下列说法正确的是________。

图4A.A→B的过程中，气体对外界做功，气体内能增加B.A→B的过程中，气体从外界吸收的热量等于其内能的增加量C.B→C的过程中，气体体积增大，对外做功D.B→C的过程中，气体对外界放热，内能不变E.B→C的过程中，容器壁单位面积单位时间内受到气体分子撞击的次数增加解析从A到B的过程，是等容升温过程，气体不对外做功，气体从外界吸收热量，使得气体内能增加，故A错误，B正确；从B到C的过程是等温压缩过程，压强增大，体积减小，外界对气体做功，气体放出热量，内能不变，因体积减小，分子数密度增大，容器壁单位面积单位时间内受到气体分子撞击的次数增加，故C错误，D、E正确。

答案BDE2.(多选)一定量的理想气体从状态a开始，经历三个过程ab、bc、ca回到原状态，其p－T图像如图5所示。

下列判断正确的是________。

图5A.过程ab中气体一定吸热B.过程bc中气体既不吸热也不放热C.过程ca中外界对气体所做的功等于气体所放的热D.a、b和c三个状态中，状态a分子的平均动能最小E.b和c两个状态中，容器壁单位面积单位时间内受到气体分子撞击的次数不同解析对封闭气体，由题图可知a→b过程，气体体积V不变，没有做功，而温度T升高，内能增大，则为吸热过程，A项正确；b→c过程为等温变化，内能不变，压强减小，体积增大，对外做功，则为吸热过程，B项错误；c→a过程为等压变化，温度T降低，内能减少，体积V减小，外界对气体做功，依据W ＋Q＝ΔU，外界对气体所做的功小于气体所放的热，C项错误；温度是分子平均动能的标志，T a＜T b＝T c，故D项正确；同种气体的压强由气体的分子数密度和温度T决定，由题图可知T b＝T c，p b＞p c，显然E项正确。

答案ADE热力学定律与气体实验定律的综合应用解决热力学定律与气体实验定律的综合问题的思路【例3】(2019·广东省汕头市第二次模拟)如图6甲所示，一圆柱形绝热汽缸开口向上竖直放置，通过绝热活塞将一定质量的理想气体密封在汽缸内，活塞质量m＝1 kg、横截面积S＝5×10－4 m2，原来活塞处于A位置。

现通过电热丝缓慢加热气体，直到活塞缓慢到达新的位置B，在此过程中，缸内气体的V－T图像如图乙所示，已知大气压强p0＝1.0×105 Pa，忽略活塞与汽缸壁之间的摩擦，重力加速度g＝10 m/s2。