第三講　熱力學(xué)定律和能量守恒

第三講熱力學(xué)定律和能量守恒綱舉目張·主干系統(tǒng)[微點(diǎn)判斷](1)做功和傳熱的實(shí)質(zhì)是相同的。

(

)(2)外界壓縮氣體做功20J，氣體的內(nèi)能可能不變。

(

)(3)給自行車打氣時(shí)，發(fā)現(xiàn)打氣筒的溫度升高，這是因?yàn)榇驓馔矎耐饨缥鼰帷?

)(4)可以從單一熱庫(kù)吸收熱量，使之完全變成功。

(

)(5)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。

(

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

(

)(7)利用河水的能量使船逆水航行的設(shè)想，符合能量守恒定律。

(

)×√×√××√關(guān)鍵知能·逐點(diǎn)清障提能點(diǎn)(一)熱力學(xué)第一定律的理解及應(yīng)用[題點(diǎn)自主盤查]1.

(多選)某汽車后備箱內(nèi)安裝有撐起箱蓋的裝置，它主要由汽缸和活塞組成，如圖所示。開(kāi)箱時(shí)，密閉于汽缸內(nèi)的壓縮氣體膨脹，將箱蓋頂起。在此過(guò)程中，若缸內(nèi)氣體與外界無(wú)熱交換，忽略氣體分子間的相互作用，則缸內(nèi)氣體

(

)A．對(duì)外做正功，分子的平均動(dòng)能減小B．對(duì)外做正功，內(nèi)能增大C．對(duì)外做正功，分子的平均動(dòng)能增大D．對(duì)外做正功，內(nèi)能減小解析：密閉于汽缸內(nèi)的壓縮氣體膨脹對(duì)外做正功，因而W＜0，缸內(nèi)氣體與外界無(wú)熱交換說(shuō)明Q＝0，根據(jù)熱力學(xué)第一定律ΔU＝W＋Q，可知內(nèi)能增加量ΔU＜0，故內(nèi)能減小，溫度降低，分子平均動(dòng)能減小，A、D正確，B、C錯(cuò)誤。答案：AD2．(2021·天津等級(jí)考)(多選)列車運(yùn)行的平穩(wěn)性與車廂的振動(dòng)密切相關(guān)，車廂底部安裝的空氣彈簧可以有效減振，空氣彈簧主要由活塞、汽缸及內(nèi)封的一定質(zhì)量的氣體構(gòu)成。上下乘客及劇烈顛簸均能引起車廂振動(dòng)，上下乘客時(shí)汽缸內(nèi)氣體的體積變化緩慢，氣體與外界有充分的熱交換；劇烈顛簸時(shí)汽缸內(nèi)氣體的體積變化較快，氣體與外界來(lái)不及熱交換。若汽缸內(nèi)氣體視為理想氣體，在氣體壓縮的過(guò)程中

(

)A．上下乘客時(shí)，氣體的內(nèi)能不變B．上下乘客時(shí)，氣體從外界吸熱C．劇烈顛簸時(shí)，外界對(duì)氣體做功D．劇烈顛簸時(shí)，氣體的溫度不變解析：上下乘客時(shí)汽缸內(nèi)氣體與外界有充分的熱交換，即發(fā)生等溫變化，溫度不變，故氣體的內(nèi)能不變，在體積壓縮的過(guò)程中，外界對(duì)氣體做功，故氣體向外界放熱，A正確，B錯(cuò)誤；劇烈顛簸時(shí)汽缸內(nèi)氣體的體積變化較快，且氣體與外界來(lái)不及熱交換，氣體經(jīng)歷絕熱過(guò)程，外界對(duì)氣體做功，氣體的溫度升高，C正確，D錯(cuò)誤。答案：AC

3．(2022·河北高考)如圖，絕熱密閉容器中裝有一定質(zhì)量的某種理想氣體和一個(gè)充有同種氣體的氣球。容器內(nèi)溫度處處相同。氣球內(nèi)部壓強(qiáng)大于外部壓強(qiáng)。氣球慢慢漏氣后，容器中氣球外部氣體的壓強(qiáng)將________(填“增大”“減小”或“不變”)；溫度將________(填“升高”“降低”或“不變”)。答案：增大升高

公式ΔU＝W＋Q中的符號(hào)法則4．一定質(zhì)量的理想氣體在某一過(guò)程中，外界對(duì)氣體做功7.0×104J，氣體內(nèi)能減少1.3×105J，則此過(guò)程

(

)A．氣體從外界吸收熱量2.0×105JB．氣體向外界放出熱量2.0×105JC．氣體從外界吸收熱量6.0×104JD．氣體向外界放出熱量6.0×104J解析：由熱力學(xué)第一定律ΔU＝W＋Q得Q＝ΔU－W＝－1.3×105J－7.0×104J＝－2.0×105J，即氣體向外界放出熱量2.0×105J，B正確。答案：B5．如圖所示，一定質(zhì)量理想氣體經(jīng)歷A→B的等壓過(guò)程，

B→C的絕熱過(guò)程(氣體與外界無(wú)熱量交換)，其中B→C

過(guò)

程中內(nèi)能減少900J。求A→B→C過(guò)程中氣體對(duì)外界

做的總功。解析：A→B過(guò)程W1＝－p(VB－VA)B→C過(guò)程，根據(jù)熱力學(xué)第一定律W2＝ΔU則對(duì)外界做的總功W＝－(W1＋W2)代入數(shù)據(jù)得W＝1500J。答案：1500J[知能自主落實(shí)]1．對(duì)熱力學(xué)第一定律的理解(1)做功和傳熱在改變系統(tǒng)內(nèi)能上是等效的。(2)做功過(guò)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)傳熱過(guò)程是系統(tǒng)與外界之間內(nèi)能的轉(zhuǎn)移。2．ΔU＝W＋Q中正、負(fù)號(hào)法則物理量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)能減少提能點(diǎn)(二)熱力學(xué)第二定律[題點(diǎn)自主盤查]

熱力學(xué)第二定律的理解1．(2022·廣東高考)利用空調(diào)將熱量從溫度較低的室內(nèi)傳遞到溫度較高的室外環(huán)境，這個(gè)過(guò)程__________(選填“是”或“不是”)自發(fā)過(guò)程。該過(guò)程空調(diào)消耗了電能，空調(diào)排放到室外環(huán)境的熱量_______(選填“大于”“等于”或“小于”)從室內(nèi)吸收的熱量。解析：利用空調(diào)將熱量從溫度較低的室內(nèi)傳遞到溫度較高的室外環(huán)境，需要空調(diào)的壓縮機(jī)工作，不是自發(fā)過(guò)程；由于該過(guò)程消耗了電能，產(chǎn)生了電熱的空調(diào)排放到室外環(huán)境的熱量應(yīng)等于電熱加上從室內(nèi)吸收的熱量，即空調(diào)排放到室外環(huán)境的熱量大于從室內(nèi)吸收的熱量。答案：不是大于

熱力學(xué)第一定律與第二定律的綜合應(yīng)用2.

(選自魯科版新教材)如圖所示，兩個(gè)相通的容器P、Q間裝有閥門K。P中充滿氣體，Q內(nèi)為真空，整個(gè)系統(tǒng)與外界沒(méi)有熱交換。打開(kāi)閥門K后，P中的氣體進(jìn)入Q，最終達(dá)到平衡，則

(

)A．氣體體積膨脹，內(nèi)能增加B．氣體分子勢(shì)能減小，內(nèi)能增加C．氣體分子勢(shì)能增加，壓強(qiáng)可能不變D．Q中氣體不可能自發(fā)地全部退回P中解析：氣體自由膨脹，不做功，又因?yàn)橄到y(tǒng)與外界無(wú)熱交換，則由熱力學(xué)第一定律得，氣體的內(nèi)能不變，故A、B錯(cuò)誤；氣體體積增大，壓強(qiáng)應(yīng)減小，故C錯(cuò)誤；根據(jù)熱力學(xué)第二定律，自然界涉及熱現(xiàn)象的宏觀過(guò)程都具有方向性，故D正確。答案：D

熱力學(xué)第一定律與第二定律的區(qū)別3．下列關(guān)于能量轉(zhuǎn)換過(guò)程的敘述，違背熱力學(xué)第一定律的有________，不違背熱力學(xué)第一定律、但違背熱力學(xué)第二定律的有________。(填正確答案標(biāo)號(hào))A．汽車通過(guò)燃燒汽油獲得動(dòng)力并向空氣中散熱B．冷水倒入保溫杯后，冷水和杯子的溫度都變得更低C．某新型熱機(jī)工作時(shí)將從高溫?zé)嵩次盏臒崃咳哭D(zhuǎn)化為功，而不產(chǎn)生其他影響D．冰箱的制冷機(jī)工作時(shí)從箱內(nèi)低溫環(huán)境中提取熱量散發(fā)到溫度較高的室內(nèi)解析：汽車通過(guò)燃燒汽油獲得動(dòng)力并向空氣中散熱，既不違背熱力學(xué)第一定律，也不違背熱力學(xué)第二定律；冷水倒入保溫杯后，冷水和杯子的溫度都變得更低，B選項(xiàng)違背了熱力學(xué)第一定律；熱機(jī)工作時(shí)吸收的熱量不可能全部用來(lái)對(duì)外做功，而不產(chǎn)生其他影響，C選項(xiàng)不違背熱力學(xué)第一定律，但違背了熱力學(xué)第二定律；冰箱的制冷機(jī)工作時(shí)，從箱內(nèi)低溫環(huán)境中提取熱量散發(fā)到溫度較高的室內(nèi)，既不違背熱力學(xué)第一定律，也不違背熱力學(xué)第二定律，綜上所述，第一個(gè)空選B，第二個(gè)空選C。答案：B

C

兩類永動(dòng)機(jī)的比較4．關(guān)于兩類永動(dòng)機(jī)和熱力學(xué)的兩個(gè)定律，下列說(shuō)法正確的是

(

)A．第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成是因?yàn)檫`反了熱力學(xué)第一定律B．第一類永動(dòng)機(jī)不可能制成是因?yàn)檫`反了熱力學(xué)第二定律C．由熱力學(xué)第一定律可知做功不一定改變內(nèi)能，傳熱也不一定改變內(nèi)能，但同時(shí)做功和傳熱一定會(huì)改變內(nèi)能D．由熱力學(xué)第二定律可知熱量從低溫物體傳向高溫物體是可能的，從單一熱庫(kù)吸收熱量，完全變成功也是可能的解析：第一類永動(dòng)機(jī)違反能量守恒定律，第二類永動(dòng)機(jī)違反熱力學(xué)第二定律，A、B錯(cuò)誤；由熱力學(xué)第一定律可知W≠0，Q≠0，但ΔU＝W＋Q可以等于0，C錯(cuò)誤；由熱力學(xué)第二定律可知D中現(xiàn)象是可能的，但會(huì)引起其他變化，D正確。答案：D[知能自主落實(shí)]1．熱力學(xué)第二定律的含義(1)“自發(fā)地”指明了傳熱等熱力學(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(guò)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(guò)程。2．熱力學(xué)第一、第二定律的比較

熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第二定律揭示的問(wèn)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(guān)系自然界中出現(xiàn)的宏觀過(guò)程是有方向性的機(jī)械能和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化當(dāng)摩擦力做功時(shí)，機(jī)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(jī)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(guān)系在熱力學(xué)中，兩者既相互獨(dú)立，又互為補(bǔ)充，共同構(gòu)成了熱力學(xué)知識(shí)的理論基礎(chǔ)3．兩類永動(dòng)機(jī)的比較

第一類永動(dòng)機(jī)第二類永動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)要求不需要任何動(dòng)力或燃料，卻能不斷地對(duì)外做功的機(jī)器從單一熱庫(kù)吸收熱量，使之完全變成功，而不產(chǎn)生其他影響的機(jī)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(xué)第二定律提能點(diǎn)(三)熱力學(xué)定律與氣體圖像的綜合[題點(diǎn)自主盤查]

熱力學(xué)第一定律與p-V圖像的綜合1．(2021·全國(guó)乙卷)(多選)如圖，一定質(zhì)量的理想氣體從狀態(tài)a(p0、V0、T0)經(jīng)熱力學(xué)過(guò)程ab、bc、ca后又回到狀態(tài)a。對(duì)于ab、bc、ca三個(gè)過(guò)程，下列說(shuō)法正確的是

(

)A．a(chǎn)b過(guò)程中，氣體始終吸熱B．ca過(guò)程中，氣體始終放熱C．ca過(guò)程中，氣體對(duì)外界做功D．bc過(guò)程中，氣體的溫度先降低后升高E．bc過(guò)程中，氣體的溫度先升高后降低答案：ABE

熱力學(xué)第一定律與p-T圖像的綜合2．(2022·全國(guó)甲卷)(多選)一定量理想氣體從狀態(tài)a變化到狀態(tài)b，其

過(guò)程如p-T圖上從a到b的線段所示。在此過(guò)程中

(

)A．氣體一直對(duì)外做功B．氣體的內(nèi)能一直增加C．氣體一直從外界吸熱D．氣體吸收的熱量等于其對(duì)外做的功E．氣體吸收的熱量等于其內(nèi)能的增加量答案：BCE

熱力學(xué)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(xué)溫度T變化圖像如圖所示，此過(guò)程中該系統(tǒng)

(

)A．對(duì)外界做正功B．壓強(qiáng)保持不變C．向外界放熱D．內(nèi)能減少解析：根據(jù)題意，氣體體積增加，因此對(duì)外做正功，故A正確；題目中圖像延長(zhǎng)線沒(méi)有過(guò)原點(diǎn)，因此不是等壓線，故B錯(cuò)誤；溫度升高且對(duì)外做功，根據(jù)熱力學(xué)第一定律，該過(guò)程需要吸熱，故C錯(cuò)誤；溫度升高，內(nèi)能增加，故D錯(cuò)誤。答案：A[知能自主落實(shí)]處理熱力學(xué)第一定律與氣體圖像的綜合問(wèn)題的思路(1)根據(jù)氣體圖像的特點(diǎn)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(guān)系及做功關(guān)系。(2)在p-V圖像中，圖線與V軸圍成的面積表示氣體對(duì)外界或外界對(duì)氣體做的功。(3)結(jié)合熱力學(xué)第一定律判斷有關(guān)問(wèn)題。提能點(diǎn)(四)熱力學(xué)定律與氣體實(shí)驗(yàn)定律的綜合求解熱力學(xué)定律與氣體實(shí)驗(yàn)定律的綜合問(wèn)題的思路[典例]

(2023·渭南模擬)如圖甲所示，一圓柱形絕熱汽缸開(kāi)口向上豎直放置，通過(guò)絕熱活塞將一定質(zhì)量的理想氣體密封在汽缸內(nèi)，活塞質(zhì)量m＝1kg、橫截面積S＝5×10－4m2，原來(lái)活塞處于A位置。現(xiàn)通過(guò)電熱絲緩慢加熱氣體，直到活塞緩慢到達(dá)新的位置B，在此過(guò)程中，缸內(nèi)氣體的V-T圖像如圖乙所示，已知大氣壓強(qiáng)p0＝1.0×105Pa，忽略活塞與汽缸壁之間的摩擦，重力加速度g取10m/s2。(1)求缸內(nèi)氣體的壓強(qiáng)和活塞到達(dá)位置B時(shí)缸內(nèi)氣體的體積；(2)若缸內(nèi)氣體原來(lái)的內(nèi)能U0＝72J，且氣體內(nèi)能與熱力學(xué)溫度成正比，求缸內(nèi)氣體變化過(guò)程中從電熱絲吸收的總熱量。[答案]

(1)1.2×105Pa

6×10－4m3

(2)60J[針對(duì)訓(xùn)練]1．(2022·重慶高考)2022年5月15日，我國(guó)自主研發(fā)的“極目一號(hào)”Ⅲ型浮空艇創(chuàng)造了海拔9032米的大氣科學(xué)觀測(cè)世界紀(jì)錄。若在浮空艇某段上升過(guò)程中，艇內(nèi)氣體溫度降低，體積和質(zhì)量視為不變，則艇內(nèi)氣體(視為理想氣體)(

)A．吸收熱量

B．壓強(qiáng)增大C．內(nèi)能減小 D．對(duì)外做負(fù)功答案：C

2．(2021·廣東高考)在高空飛行的客機(jī)上某乘客喝完一瓶礦泉水后，把瓶蓋擰緊。下飛機(jī)后發(fā)現(xiàn)礦泉水瓶變癟了，機(jī)場(chǎng)地面溫度與高空客艙內(nèi)溫度相同。由此可判斷，高空客艙內(nèi)的氣體壓強(qiáng)________(選填“大于”“小于”或“等于”)機(jī)場(chǎng)地面大氣壓強(qiáng)；從高空客艙到機(jī)場(chǎng)地面，礦泉水瓶?jī)?nèi)氣體的分子平均動(dòng)能______(選填“變大”“變小”或“不變”)。答案：小于不變3．如圖所示，密閉導(dǎo)熱容器A、B的體積均為V0，A、B浸在盛水容器中，達(dá)到熱平衡后，A中壓強(qiáng)為p0，溫度為T0，B內(nèi)為真空，將A中的氣體視為理想氣體。打開(kāi)活栓C，A中部分氣體進(jìn)入B。(1)若再次達(dá)到平衡時(shí)，水溫未發(fā)生變化，求此時(shí)