1、第3讲热力学定律与能量守恒定律目标要求1.理解热力学第一定律，知道改变内能的两种方式，并能用热力学第一定律解决相关问题.2.理解热力学第二定律，知道热现象的方向性.3.知道第一类永动机和第二类永动机不可能制成考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变化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：UQW.(3)表达式中的正、负号法则：物理量W外界对物体做功物体对外界做功Q物体吸收热量物体放出热量U内能增加内能减少3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其他形式，或
2、者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1做功和热传递的实质是相同的()2绝热过程中，外界压缩气体做功20 J，气体的内能一定减少20 J()3物体吸收热量，同时对外做功，内能可能不变()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Q0.(4)如果研究对象是理想气体，因理想气体忽略分子
3、势能，所以当它的内能变化时，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Q0，WU，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W0，则QU，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U0，则WQ0或WQ，外界对物体做的功等于物体放出的热量例1(多选)(2021湖南卷15(1)改编)如图，两端开口、下端连通的导热汽缸，用两个轻质绝热活塞(截面积分别为S1和S2)封闭一定质量的理想气体，活塞与汽缸壁间无摩擦在左端活塞上缓慢加细沙，活塞从A下降h高度到B位置时，活塞上细沙的总质量为m.在此过程中，用外力
4、F作用在右端活塞上，使活塞位置始终不变整个过程环境温度和大气压强p0保持不变，系统始终处于平衡状态，重力加速度为g.下列说法正确的是()A整个过程，理想气体的分子平均动能保持不变B整个过程，理想气体的内能增大C整个过程，理想气体向外界释放的热量小于(p0S1hmgh)D左端活塞到达B位置时，外力F等于答案ACD解析根据汽缸导热且环境温度没有变，可知汽缸内的温度也保持不变，则整个过程，理想气体的分子平均动能保持不变，内能不变，A正确，B错误；由内能不变可知理想气体向外界释放的热量等于外界对理想气体做的功：QWp0S1hmgh，C正确；左端活塞到达 B 位置时，根据压强相等可得：p0p0，即：F，
5、D正确考点二热力学第二定律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，而不产生其他影响或表述为“第二类永动机是不可能制成的”2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度增大的方向进行3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1可以从单一热源吸收热量，使之完全变成功()2热机中，燃气的内能可以全部变成机械能而不引起其他变化()3热量不可能从低温物体传给高温物体()1热力学第二定律的含义(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
6、)“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、做功等在产生其他影响的条件下内能可以全部转化为机械能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的宏观过程的方向性，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热力学过程的方向性实例(1)高温物体低温物体(2)功热(3)气体体积V1气体体积V2(较大)例2(多选)下列说法正确的是()A冰箱能使热量从低温物体传递到高温物体，因此不遵循热力学第二定律B自发的热传导是不可逆的C可以通过给物体加热而使它运动起来，但不产生其他影响D气体向真空膨胀
7、具有方向性答案BD解析有外界的帮助和影响，热量可以从低温物体传递到高温物体，仍遵循热力学第二定律，A错误；据热力学第二定律可知，自发的热传导是不可逆的，B正确，不可能通过给物体加热而使它运动起来但不产生其他影响，这违背了热力学第二定律，C错误；气体可自发地向真空容器膨胀，具有方向性，D正确考点三热力学第一定律与图像的综合应用1气体的状态变化可由图像直接判断或结合理想气体状态方程C分析2气体的做功情况、内能变化及吸放热关系可由热力学第一定律分析(1)由体积变化分析气体做功的情况：体积膨胀，气体对外做功；气体被压缩，外界对气体做功(2)由温度变化判断气体内能变化：温度升高，气体内能增大；温度降低，
8、气体内能减小(3)由热力学第一定律UWQ判断气体是吸热还是放热(4)在pV图像中，图像与横轴所围面积表示对外或外界对气体整个过程中所做的功例3(多选)(2021全国乙卷33(1)改编)如图，一定量的理想气体从状态a(p0，V0，T0)经热力学过程ab、bc、ca后又回到状态a.对于ab、bc、ca三个过程，下列说法正确的是()Aab过程中，气体始终吸热Bca过程中，气体始终放热Cca过程中，气体对外界做功Dbc过程中，气体的温度先降低后升高答案AB解析由理想气体的pV图可知，ab过程是等容过程，外界对气体不做功，理想气体的温度升高，则内能增大，由UQW可知，气体始终吸热，故A正确；ca过程为等
9、压压缩，气体体积减小，则外界对气体做正功，但气体温度降低，即内能减小，由UQW可知，QpbVbpcVc，根据理想气体状态方程C，可知bc过程中，气体的温度先升高后降低，故D错误例4(多选)如图所示，一定质量的理想气体在状态A时压强为1.5105 Pa，经历ABCA的过程，已知BC过程中气体做功绝对值是CA过程中气体做功绝对值的3倍，下列说法中正确的是()ACA的过程中外界对气体做功300 JBBC的过程中气体对外界做功600 JC整个过程中气体从外界吸收600 J的热量D整个过程中气体从外界吸收450 J的热量答案AC解析在CA过程中，气体体积减小，外界对气体做功，根据WCApV，得WCA30
10、0 J，A正确；由题知BC过程中气体做功绝对值是CA过程中气体做功绝对值的3倍，则BC的过程中气体对外界做功900 J，B错误；ABCA，温度不变，则内能变化量U 0，AB过程，气体体积不变，做功为零；BC的过程中气体对外界做功900 J；CA的过程中外界对气体做功300 J，故WWCAWBC600 J，QUW600 J，则整个过程中气体从外界吸收600 J的热量，C正确，D错误考点四热力学第一定律与气体实验定律的综合应用解决热力学第一定律与气体实验定律的综合问题的思维流程例5如图所示，水平放置的汽缸内封闭一定质量的理想气体，活塞的质量m10 kg，横截面积S100 cm2，活塞可沿汽缸壁无摩
11、擦滑动且不漏气，活塞到汽缸底部的距离L111 cm，到汽缸口的距离L24 cm.现将汽缸缓慢地转到开口向上的竖直位置，待稳定后对缸内气体逐渐加热，使活塞上表面刚好与汽缸口相平已知g10 m/s2，外界气温为27 ，大气压强为1.0105 Pa，活塞厚度不计，则：(1)活塞上表面刚好与汽缸口相平时缸内气体的温度是多少？(2)在对缸内气体加热的过程中，气体膨胀对外做功，同时吸收Q350 J的热量，则气体增加的内能U多大？答案(1)450 K(或177 )(2)295 J解析(1)当汽缸水平放置时，p01.0105 Pa，V0L1S，T0(27327) K300 K.当汽缸口朝上，活塞上表面刚好与汽
12、缸口相平时，活塞受力分析如图所示，根据平衡条件有p1Sp0SmgV1(L1L2)S由理想气体状态方程得解得T1450 K(或177 )(2)当汽缸口向上稳定后，未加热时，由玻意耳定律得p0L1Sp1LS加热后，气体做等压变化，气体对外界做功则Wp1(L1L2L)S根据热力学第一定律UWQ解得U295 J.例6如图所示，体积为V、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，汽缸内密封有温度为2.4T0、压强为1.2p0的理想气体，p0和T0分别为外界大气的压强和温度已知气体内能U与温度T的关系为UaT，a为正的常量，容器内气体的所有变化过程都是缓慢的，求：(1)缸内气体与大气达到平
13、衡时的体积V1；(2)在活塞下降过程中，汽缸内气体放出的热量答案(1)0.5V(2)p0VaT0解析(1)在气体压强由1.2p0下降到p0的过程中，气体体积不变，温度由2.4T0变为T1，由查理定律得解得T12T0在气体温度由T1变为T0的过程中，气体体积由V减小到V1，气体压强不变，由盖吕萨克定律得，解得V10.5V.(2)活塞下降过程中，外界对气体做的功为Wp0(VV1)在这一过程中，气体内能的变化量为Ua(T0T1)由热力学第一定律得，QUWaT0p0V，故汽缸内气体放出的热量为p0VaT0.课时精练1(多选)下列有关物体内能改变的说法中，正确的是()A外界对物体做功，物体的内能一定增加
14、B外界对物体传递热量，物体的内能一定增加C物体对外界做功，物体的内能可能增加D物体向外界放热，物体的内能可能增加答案CD解析做功和热传递都能改变物体的内能，根据热力学第一定律UQW可知，当外界对物体做功时，物体的内能不一定增加，同理当外界对物体传递热量时，物体的内能也不一定增加，故A、B错误；由UQW可知，若物体对外界做功，物体的内能可能增加，同理物体向外界放热，物体的内能可能增加，故C、D正确2(多选)下列说法正确的是()A第一类永动机不可能制成，是因为违背了热力学第一定律B能量耗散过程中能量不守恒C电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界，违背了热力学第二定律D能量耗散是从能量转化
15、的角度反映出自然界中的宏观过程具有方向性答案AD解析第一类永动机不消耗能量却源源不断对外做功，违背了热力学第一定律，所以不可能制成，A正确；能量耗散过程中能量仍守恒，B错误；电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界，是压缩机做功的结果，不违背热力学第二定律，C错误；能量耗散从能量转化的角度反映出自然界中的宏观过程具有方向性，D正确3(2020全国卷33(1)下列关于能量转换过程的叙述，违背热力学第一定律的有_，不违背热力学第一定律、但违背热力学第二定律的有_(填正确答案标号)A汽车通过燃烧汽油获得动力并向空气中散热B冷水倒入保温杯后，冷水和杯子的温度都变得更低C某新型热机工作时将从高温
16、热源吸收的热量全部转化为功，而不产生其他影响D冰箱的制冷机工作时从箱内低温环境中提取热量散发到温度较高的室内答案BC解析A项符合热力学第一、第二定律冷水和杯子温度不可能都变低，只能是一个升高一个降低，或温度都不变，B项描述违背了热力学第一定律C项描述虽然不违背热力学第一定律，但违背了热力学第二定律D项中冰箱消耗电能从而可以从低温环境中提取热量散发到温度较高的室内，不违背热力学第一、第二定律4.(2020天津卷5)水枪是孩子们喜爱的玩具，常见的气压式水枪储水罐示意图如图从储水罐充气口充入气体，达到一定压强后，关闭充气口扣动扳机将阀门M打开，水即从枪口喷出若水在不断喷出的过程中，罐内气体温度始终保
17、持不变，则气体()A压强变大 B对外界做功C对外界放热 D分子平均动能变大答案B解析储水罐中封闭的气体可看作理想气体，温度不变，体积增大，由pVCT可知，压强变小，故A错误；气体体积增大，对外界做功，故B正确；由于一定质量的某种理想气体的内能只与温度有关，温度不变，故内能也不变，即U0，由于气体对外界做功，即W0，因此气体从外界吸热，故C错误；温度不变，分子平均动能不变，故D错误5(多选)(2021天津卷6)列车运行的平稳性与车厢的振动密切相关，车厢底部安装的空气弹簧可以有效减振，空气弹簧主要由活塞、气缸及内封的一定质量的气体构成上下乘客及剧烈颠簸均能引起车厢振动，上下乘客时气缸内气体的体积变
18、化缓慢，气体与外界有充分的热交换；剧烈颠簸时气缸内气体的体积变化较快，气体与外界来不及热交换若气缸内气体视为理想气体，在气体压缩的过程中()A上下乘客时，气体的内能不变B上下乘客时，气体从外界吸热C剧烈颠簸时，外界对气体做功D剧烈颠簸时，气体的温度不变答案AC6.(2021山东卷2)如图所示，密封的矿泉水瓶中，距瓶口越近水的温度越高一开口向下、导热良好的小瓶置于矿泉水瓶中，小瓶中封闭一段空气挤压矿泉水瓶，小瓶下沉到底部；松开后，小瓶缓慢上浮，上浮过程中，小瓶内气体()A内能减少B对外界做正功C增加的内能大于吸收的热量D增加的内能等于吸收的热量答案B解析由于越接近矿泉水瓶口，水的温度越高，因此小
19、瓶上浮的过程中，小瓶内气体的温度升高，内能增加，A错误；在小瓶上升的过程中，小瓶内气体的温度逐渐升高，压强逐渐减小，根据理想气体状态方程C，气体体积膨胀，对外界做正功，B正确；由A、B分析，小瓶上升时，小瓶内气体内能增加，气体对外做功，根据热力学第一定律UWQ，由于气体对外做功，因此吸收的热量大于增加的内能，C、D错误7(2021河北卷15(1)两个内壁光滑、完全相同的绝热汽缸A、B，汽缸内用轻质绝热活塞封闭完全相同的理想气体，如图甲所示现向活塞上表面缓慢倒入细沙，若A中细沙的质量大于B中细沙的质量，重新平衡后，汽缸A内气体的内能_(填“大于”“小于”或“等于”)汽缸B内气体的内能，图乙为重新
20、平衡后A、B汽缸中气体分子速率分布图像，其中曲线_(填图像中曲线标号)表示汽缸B中气体分子的速率分布规律答案大于解析对活塞受力分析有p因为A中细沙的质量大于B中细沙的质量，故稳定后有pApB；所以在达到平衡过程中外界对封闭气体做的功有WAWB则根据UWQ因为汽缸和活塞都是绝热的，即Q0，故有UAUB即重新平衡后汽缸A内气体的内能大于汽缸B内气体的内能；由题图乙中曲线可知曲线中分子速率大的分子数占总分子数百分比较大，即曲线的温度较高，由前面分析可知汽缸B温度较低，故曲线表示汽缸B中气体分子的速率分布规律8.(2020江苏卷13(3)一定质量的理想气体从状态A经状态B变化到状态C，其p图像如图所示
21、，求该过程中气体吸收的热量Q.答案2105 J解析气体由AB为等压变化过程，则外界对气体做的功W1p(VAVB)气体由BC为等容变化过程，则W20根据热力学第一定律得U(W1W2)QA和C的温度相等U0代入数据解得Q2105 J.9.(多选)一定质量的理想气体，从初始状态A经状态B、C、D再回到状态A，其体积V与温度T的关系如图所示图中TA、VA和TD为已知量，则下列说法正确的是()A从状态A到B，气体经历的是等压过程B从B到C的过程中，气体的内能减小C从C到D的过程中，气体向外放热D气体在状态D时的体积VD答案CD解析从状态A到B，气体经历的是等容过程，所以A错误；从B到C的过程中，温度不变
22、，则气体的内能不变，所以B错误；从C到D的过程中，气体温度降低，气体内能减小，U0 ，根据热力学第一定律UWQ可知，Q0，据UWQ知，Qbc|W|，即QbcQab，故B错误由C知，c状态温度高于a状态温度，则ca过程内能减少，U0，属于放热过程，由UQW知，W|Q|，故C正确由于a、b状态内能相等，故ca过程中内能的减少量等于bc过程中内能的增加量，故D错误11.(2021重庆市1月适应性测试15(2)如图所示，密闭导热容器A、B的体积均为V0，A、B浸在盛水容器中，达到热平衡后，A中压强为p0，温度为T0，B内为真空，将A中的气体视为理想气体打开活栓C，A中部分气体进入B.(1)若再次达到平
23、衡时，水温未发生变化，求此时气体的压强；(2)若密闭气体的内能与温度的关系为Uk(T2T1)(k为大于0的已知常量，T1、T2分别为气体始末状态的温度)，在(1)所述状态的基础上，将水温升至1.2T0，重新达到平衡时，求气体的压强及所吸收的热量答案(1)p0(2)0.6p00.2kT0解析(1)容器内的理想气体从打开C到再次平衡时，发生等温变化，根据玻意耳定律得p0V0p2V0解得此时气体压强pp0.(2)升高温度，理想气体发生等容变化，根据查理定律得解得压强为p1.2p0.6p0温度改变，理想气体的体积不变，则外界既不对理想气体做功，理想气体也不对外界做功，所以W0；升高温度，内能增量为Uk
24、(1.2T0T0)0.2kT0根据热力学第一定律UQW可知气体吸收的热量为QU0.2kT0.12绝热的活塞与汽缸之间封闭一定质量的理想气体，汽缸开口向上置于水平面上，活塞与汽缸壁之间无摩擦，缸内气体的内能UP72 J，如图甲所示已知活塞面积S5104 m2，其质量为m1 kg，大气压强p01.0105 Pa，重力加速度g10 m/s2，如果通过电热丝给封闭气体缓慢加热，活塞由原来的P位置移动到Q位置，此过程封闭气体的VT图像如图乙所示，且知气体内能与热力学温度成正比求：(1)封闭气体最后的体积；(2)封闭气体吸收的热量答案(1)6104 m3(2)60 J解析(1)以气体为研究对象，由于压强不
25、变，根据盖吕萨克定律，有解得VQ6104 m3(2)由气体的内能与热力学温度成正比解得UQ108 J活塞从P位置缓慢移到Q位置，活塞受力平衡，气体为等压变化，以活塞为研究对象有pSp0Smg解得pp01.2105 Pa外界对气体做功Wp(VQVP)24 J由热力学第一定律UQUPQW得气体吸收的总热量为Q60 J.13.如图所示装置中两玻璃泡的容积均为V00.5 L，玻璃管的容积忽略不计，开始时阀门K关闭，将上面玻璃泡抽成真空，下面玻璃泡中有一定质量的理想气体，外界大气压强为p01.0105 Pa，温度为t027 时，玻璃管中水银面高出水银槽内水银面h12 cm，水银密度(假设不随温度改变)为
26、13.6103 kg/m3，重力加速度g10 m/s2.(1)如果外界大气压强保持不变，玻璃管中水银面上升2 cm，则环境温度改变了多少摄氏度；(2)如果在环境温度急剧升高到t40 的过程中，打开阀门，改变外界大气压使玻璃管中的水银面高度几乎不发生变化，则玻璃泡中气体的压强变为多少？在此过程中吸收了200 J热量，则气体的内能增加了多少？答案(1)9.7 (2)4.37104 Pa200 J解析(1)设玻璃泡中气体初态压强为p1，有p0p1水银gh解得p18.37104 Pa温度T1t0273 K300 K设末态压强为p2，则p0p2水银g(hh)故p28.10104 Pa根据查理定律有代入数据解得T2290.3 K则环境温度降低了tT1T29.7 (2)打开阀门前有p18.37104 Pa，V1V00.5 L，T1300 K打开阀门后有V22V01.0 L，T2t273 K313 K根据理想气体状态方程有代入数据解得p24.37104 Pa根据题设条件，由于上部容器原来是真空，气体发生自由膨胀，故气体膨胀过程对外做的功为零，即W0根据热力学第一定律有UWQ故U0200 J200 J.