第3讲 热力学定律与能量守恒\n必备知识·自主排查关键能力·分层突破\n必备知识·自主排查\n一、热力学第一定律1．改变内能的两种方式\n2．热力学第一定律(1)内容：一个热力学系统的内能________等于外界向它传递的________与外界对它所做功的和．(2)表达式：ΔU＝________．(3)ΔU＝________中正、负号法则WQΔU＋外界对物体做功物体________热量内能________－物体对外界做功物体________热量内能________变化量热量Q＋WQ＋W吸收增加放出减少\n二、热力学第二定律1．克劳修斯表述：热量不能________从低温物体传到高温物体．2．开尔文表述：不可能从________热库吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响．三、能量转化和守恒定律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________到别的物体，在转化或________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．4．能源是________的．自发地单一转移转移有限\n【生活情境】1.某驾驶员发现中午时车胎内的气压比清晨时高，且车胎体积增大．若这段时间胎内气体质量不变且可视为理想气体，则(1)外界对胎内气体做功，气体内能减少．()(2)外界对胎内气体做功，气体内能增加．()(3)胎内气体对外界做功，内能减少．()(4)胎内气体对外界做功，内能增加．()×××√\n【教材拓展】2.[人教版选择性必修第三册P57“思考与讨论”改编]17～18世纪，许多人致力于制造一种机器，它不需要任何动力或燃料，却能不断对外做功，史称“第一类永动机”．下图展示了其中的一种设计．\n(1)轮子在转动过程中产生了能量．()(2)轮子转动几下后便会停止，这说明能量在消失．()(3)方案设计者是想机器不消耗任何能量，却不断地对外做功．()(4)方案中的机器称为第一类永动机．()(5)第一类永动机违反了能量守恒定律．()××√√√\n关键能力·分层突破\n考点一 热力学第一定律的理解和应用几种特殊情况(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量．(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量．(3)若过程的始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．\n例1[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\n解析：由于越接近矿泉水瓶口，水的温度越高，因此小瓶上浮的过程中，小瓶内温度升高，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得，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ΔU＝W＋Q可知，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．\n命题分析试题情境属于基础应用性题目，以密封的矿泉水瓶为素材创设学习探索问题情境必备知识考查内能、理想气体状态方程、热力学第一定律等知识关键能力考查理解能力．理解热力学第一定律的吸热放热、做功、内能变化等问题学科素养考查物理观念中的能量观念．热力学第一定律是能量守恒观念的具体体现\n【跟进训练】1.景颇族的祖先发明的点火器如图所示，用牛角做套筒，木质推杆前端粘着艾绒，猛推推杆，可点燃艾绒．在筒内封闭的气体被推杆压缩过程中()A．气体温度升高，压强不变B．气体温度升高，压强变大C．气体对外界做正功，气体内能增加D．外界对气体做正功，气体内能减少答案：B解析：封闭的气体被推杆压缩过程中，外界对气体做功，气体内能增加，温度升高，并且气体体积减小，压强增大，综上知B正确．\n2.如图是密闭的气缸，外力推动活塞P压缩气体，对缸内气体做功800J，同时气体向外界放热200J，缸内气体的()A．温度升高，内能增加600JB．温度升高，内能减少200JC．温度降低，内能增加600JD．温度降低，内能减少200J答案：A解析：据题，外界对气体做功，W＝800J，气体向外散热，则Q＝－200J，根据热力学第一定律得，气体内能的增量ΔU＝W＋Q＝800J－200J＝600J，即内能增加600J；对于一定质量的理想气体，内能增加，温度必然升高．A项正确．\n3．汽缸中气体的压强为4×105Pa，活塞的面积是40cm2，气体等压膨胀，推动活塞移动了20cm，求：(1)气体做了多少功；(2)在做功过程中气体吸热2.1×103J，气体的内能改变了多少．解析：(1)气体体积增大，对外做功，W＝pS·x＝4×105×40×10－4×0.2J＝320J.(2)由热力学第一定律有ΔU＝W＋Q＝－3.2×102J＋2.1×103J＝1.78×103J，即气体的内能增加了1.78×103J.\n考点二 热力学第二定律和能量守恒定律1．对热力学第二定律的理解(1)“自发地”说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．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．\n角度1热力学第二定律的理解例2(多选)根据热力学第二定律，下列说法中正确的是()A．不可能从单一热库吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化B．没有冷凝器，只有单一的热库，能从单一热库吸收热量全部用来做功，而不引起其他变化的热机是可以实现的C．制冷系统将冰箱里的热量传到外界较高温度的空气中而不引起其他变化D．不可能使热量由低温物体传到高温物体，而不引起其他变化答案：AD\n解析：热力学第二定律揭示了与热现象有关的物理过程的方向性．机械能和内能的转化过程具有方向性，机械能可以全部转化为内能，而内能要全部转化为机械能必须借助外界的帮助，因而会引起其他变化，选项A正确，选项B错误；传热过程也具有方向性，热量能自发地从高温物体传到低温物体，但要从低温物体传到高温物体，必然会引起其他变化(外界对系统做功)，选项C错误，选项D正确．\n角度2能量转化和能量守恒定律的应用例3[2021·浙江1月，11]一辆汽车在水平高速公路上以80km/h的速度匀速行驶，其1s内能量分配情况如图所示，则汽车()A．发动机的输出功率为70kWB．每1s消耗的燃料最终转化成的内能是5.7×104JC．每1s消耗的燃料最终转化成的内能是6.9×104JD．每1s消耗的燃料最终转化成的内能是7.0×104J答案：C\n解析：由题图可知，发动机t＝1s内克服转动阻力做功为W＝0.45×104J，则输出功率P＝＝W＝4.5kW，A错误；每1s消耗的燃料最终转化成的内能为7.0×104J－0.1×104J＝6.9×104J，B、D错误，C正确．\n命题分析试题情境属于基础应用性题目，以汽车行驶中能量转化为素材创设生活实践问题情境必备知识考查功率、能的转化和守恒定律关键能力考查物理观念中的能量观念．理解能的转化和守恒定律在生活实际中的应用学科素养考查科学思维、信息加工能力．要求考生从复杂的能量转化中提取有用信息解决实际问题\n【跟进训练】4.(多选)对于热力学定律，下列说法正确的是()A．第一类永动机不可能制成，因为违背了能量守恒定律B．热力学第一定律指出，可能达到绝对零度C．热力学第一定律指出，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功的和D．热力学第二定律指出，不能从单一热源吸热全部用来对外做功而不产生其他影响答案：ACD\n解析：第一类永动机既不消耗能量又能源源不断对外做功，违背了能量守恒定律，所以不可能制成，A正确；绝对零度是无法达到的，故B错误；据热力学第一定律ΔU＝Q＋W可知，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，故C正确；热力学第二定律指出，不能从单一热源吸热全部用来对外做功而不产生其他影响，故D正确．\n5．卡诺循环是由法国工程师卡诺于1824年提出的，它可用于分析热机的工作过程，卡诺循环包括四个步骤：等温膨胀、绝热膨胀、等温压缩、绝热压缩．下列相关说法中正确的是()A．随着设备的改进和技术的提高，热机效率可能达到100%B．绝热膨胀和绝热压缩过程中，汽缸内气体的内能保持不变C．等温压缩过程中，因外界对气体做功，故汽缸内气体内能增大D．等温膨胀过程中，单位时间内在单位面积上碰撞汽缸壁的分子数减少答案：D\n解析：根据热力学第二定律，不可能从单一热库吸热而全部转化为功，故热机效率不可能达到100%，故A错误；根据热力学第一定律，绝热膨胀过程气体对外做功，内能减小，绝热压缩过程外界对气体做功，内能增加，故B错误；等温压缩过程中，温度不变，故内能不变，外界对气体做的功等于气体放出的热量，故C错误；等温膨胀过程中，气体的平均动能不变，而分子数密度减小，故气体压强减小，即单位时间内在单位面积上碰撞汽缸壁的分子数减少，故D正确．\n考点三 气体实验定律与热力学定律综合例4如图所示，一篮球内气体的压强为p0，温度为T0，体积为V0.用打气筒对篮球充入压强为p0，温度为T0的气体，已知打气筒每次压缩气体的体积为V0，一共打气20次，假设篮球体积不变，最终使篮球内气体的压强为4p0.充气过程中气体向外放出的热量为Q，已知气体的内能与温度的关系为U＝kT(k为常数)．求：(1)第一次打入气体后，篮球的压强变为多少？(可认为篮球内气体温度不变)(2)打气筒在篮球充气过程中对气体做的功是多少？\n解析：(1)第一次打入气体后，篮球内气体压强变为p1，根据玻意耳定律有：p0＝p1V0解得p1＝p0(2)设篮球内气体最终温度为T，根据气体实验定律知：＝解得T＝T0篮球内气体内能的增量为ΔU＝kΔT＝kT0根据热力学第一定律可得打气过程中，对气体所做的功为W＝Q＋ΔU＝Q＋kT0.\n【跟进训练】6.(多选)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()A．ab过程中，气体始终吸热B．ca过程中，气体始终放热C．ca过程中，气体对外界做功D．bc过程中，气体的温度先降低后升高答案：AB\n解析：由理想气体的p－V图可知，理想气体经历ab过程，体积不变，则W＝0，而压强增大，由pV＝nRT可知，理想气体的温度升高，则内能增大，由ΔU＝Q＋W可知，气体一直吸热，A正确；理想气体经历ca过程为等压压缩，则外界对气体做功W>0，由pV＝nRT知温度降低，即内能减少ΔU<0，由ΔU＝Q＋W可知，Q<0，即气体放热，B正确，C错误；由pV＝nRT可知，p－V图像的坐标围成的面积反映温度，b状态和c状态的坐标面积相等，而中间状态的坐标面积更大，故bc过程的温度先升高后降低，D错误．\n7．(多选)一定质量的理想气体，经历如图所示的循环，该过程每个状态均视为平衡态，各状态参数如图，已知a状态的体积为2.0×10－3m3，则下列说法正确的是()A．各状态气体体积Va＝Ub>Vc＝VdB．从b→c过程中，气体吸热C．c→d过程中，气体内能增加D．d→a过程中，外界对气体做功200J答案：BD\n解析：根据＝C可知，p＝T，可知过原点的直线为等容线，且斜率越大的等容线对应的气体的体积越小，由图像可知：Va＝Vb<Vc＝Vd，选项A错误；从b→c过程中，气体的体积变大，温度升高，内能增加，对外做功，根据热力学第一定律可知，气体吸热，选项B正确；c→d过程中，气体温度降低，则气体内能减小，选项C错误；d→a过程中，气体体积减小，d态体积等于c态体积，根据气体状态方程可知：＝，即＝，解得Vc＝Vd＝4×10－3m3，外界对气体做功W＝p0ΔV＝1.0×105×(4×10－3－2×10－3)＝200J，选项D正确．故选BD.\n[思维方法]气体实验定律与热力学定律的综合问题求解思路
