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1、第3讲 热力学定律与能量守恒,【知识梳理】 知识点1 热力学第一定律 1.改变内能的两种方式: (1)_。 (2)_。,做功,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_与外界对它所做的功的和。 (2)表达式:_。,热量,U=Q+W,(3)U=Q+W中正、负号法则。,吸收,放出,增加,减少,(4)三种特殊的状态变化过程。,如图所示的绝热过程:有Q=_,则W=_,外界对系统 做的功等于系统内能的增加。 不做功过程:即W=0,则Q=_,系统吸收的热量等于 系统内能的增加。 内能不变过程:即U=0,则_或_,外界对系 统做的功等于_。,0,U,U,W+Q=
2、0,W=-Q,系统放出的热量,知识点2 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 _,或者_ _,在转移或转化的过程中,能量的总量保持 不变。,从一种形式转化为另一种形式,从一个物体转移,到别的物体,2.普适性: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_的。例如,机械能守恒定 律具有适用条件,而能量守恒定律是_的,是一切 自然现象都遵守的基本规律。,有条件,无条件,知识点3 热力学第二定律 1.热力学第二定律的三种表述: (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:如图甲所示,不可能从单一热源_ _,使之完
3、全变成功,而不产生其他影响。或表述 为“第二类永动机不可能制成”。,吸收,热量,(3)如图乙所示,用熵的概念表述:在任何自然过程中, 一个孤立系统的总熵_(热力学第二定律又叫 作熵增加原理)。 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_的方向进行。,不会减小,无序性增大,【易错辨析】 (1)做功和热传递的实质是相同的。 ( ) (2)外界压缩气体做功20J,气体的内能可能不变。 ( ) (3)给自行车打气时,发现打气筒的温度升高,这是因为外界对气体做功。 ( ),(4)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。 ( ) (5)科技的进步可以使内燃机成为单一
4、热源的热机。 ( ) (6)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。 ( ),(7)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。 ( ) (8)一定量100的水变成100的水蒸气,其分子之间的势能增加。 ( ),提示:(1)。做功改变内能是其他形式能转化为内能,热传递是内能的转移。 (2)。做功和热传递都可以改变内能,外界压缩气体做功20J,气体可能同时放热,内能可能不变。 (3)。活塞克服摩擦做功,使筒内空气的内能增加,迅速压缩活塞对筒内空气做功,使筒内空气的内能增加。,(4)。热量可以从低温物体向高温物体传递,但要引起其他变化。 (5)。不可能从单一热源吸热全
5、部用来对外做功而不引起其他变化。 (6)。对能源的过度消耗将形成能源危机,但自然界的总能量守恒。,(7)。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,因为电能也部分转化为热能。 (8)。一定量100的水变成100的水蒸气,温度没有变化,分子的平均动能不变,但是在这个过程中要吸热,内能增加,所以分子之间的势能必定增加。,考点1 热力学第一定律 【核心要素精讲】 1.热力学第一定律的表达:在U=Q+W中,W表示做功情况,说明内能和其他形式的能可以相互转化;Q表示吸热或放热的情况,说明内能可以从一个物体转移到另一个物体,而U=Q+W是能量守恒定律的具体体现。,2.三种特殊情况: (1)
6、若过程是绝热的,则Q=0,W=U,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,Q=U,物体吸收的热量等 于物体内能的增加。 (3)若过程的始、末状态物体的内能不变,即U=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。,3.温度、内能、热量、功的比较:,【高考命题探究】 【典例1】如图所示,固定容器及可动活 塞P都是绝热的,中间有一导热的固定隔 板B,B的两边分别盛有气体甲和乙。现将 活塞P缓慢地向B移动一段距离,已知气体的温度随其内能的增加而升高。则在移动P的过程中 ( ) 世纪金榜导学号42722282,A.外力对乙做功;甲的内能不变 B.外力
7、对乙做功;乙的内能不变 C.乙传递热量给甲;乙的内能增加 D.乙的内能增加;甲的内能不变,【解析】选C。隔板B是导热的,说明甲、乙两部分气体间有热传递;容器和活塞是绝热的,说明容器内气体与外界没有热交换。当将活塞P向B移动一段距离时,活塞压缩气体对气体乙做功,根据热力学第一定律分析得知,乙的内能增加,温度升高。由于隔板B是导热的,而升温后的乙气体温度比甲高,故热量由乙传向甲,甲的内能增加。,【强化训练】 1.如图是密闭的汽缸,外力推动活塞P压缩气体,对缸 内气体做功200J,同时气体向外界放热100J,缸内气 体的 ( ),A.温度升高,内能增加100J B.温度升高,内能减少200J C.温
8、度降低,内能增加100J D.温度降低,内能减少200J,【解析】选A。外界对气体做功,W=200J;气体向外散热,则Q=-100J,根据热力学第一定律得,气体内能的增量U=W+Q=200J-100J=100J,即内能增加100J。对于一定质量的理想气体,内能增加,温度必然升高,故A正确。,2.(2017海淀区模拟)如图所示,在一个配有活塞的厚壁有机玻璃筒底放置一小团硝化棉,迅速向下压活塞,筒内气体被压缩后可点燃硝化棉。在筒内封闭的气体被活塞压缩的过程中 ( ),A.气体对外界做正功,气体内能增加 B.外界对气体做正功,气体内能增加 C.气体的温度升高,压强不变 D.气体的体积减小,压强不变,
9、【解析】选B。压缩玻璃筒内的空气,气体的压强变大,机械能转化为筒内空气的内能,空气的内能增加,温度升高,当达到棉花的燃点后,棉花会燃烧,故B正确,A、C、D错误。,【规律总结】判定物体内能变化的方法 (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,气体对外界做功,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,则由于理想气体没有分子势能,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。,【加固训练】 (多选)如图所示,一个封闭的绝热汽缸,被中间的挡
10、板分割成左右相等的两部分。左边充满一定量的某种理想气体,右边真空。现将中间的挡板移去,待气体稳定后,则 ( ),A.气体的温度不发生变化 B.因为气体的体积膨胀了,所以内能降低 C.气体分子的平均动能减小 D.虽然气体的体积膨胀了,但是没有对外做功 E.气体分子在器壁单位面积上单位时间内发生碰撞的平均次数变为原来的一半,【解析】选A、D、E。气体在向真空膨胀的过程中没有力的作用,所以不做功,绝热过程,内能不变,故温度不变,故A正确,B错误,D正确;温度是分子热运动平均动能的标志,温度不变,故分子的平均动能不变,故C错误;气体的温度不变,体积增加为2倍,故分子热运动的平均动能不变,分子数密度减小
11、为一半,故气体分子在器壁单位面积上单位时间内发生碰撞的平均次数变为原来的一半,故E正确。,考点2 热力学第二定律的理解应用 【核心要素精讲】 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)“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。,3.热力学过程方向性实例: (1)高温物体 低温物体。 (
12、2)功 热。 (3)气体体积V1 气体体积V2(V1V2)。 (4)不同气体A和B 混合气体AB。,4.两类永动机的比较:,【高考命题探究】 【典例2】(多选)(2017榆林模拟)关于第二类永动机, 下列说法中正确的是 世纪金榜导学号42722283( ) A.没有冷凝器,只有单一的热源,能将从单一热源吸收 的热量全部用来做功,而不引起其他变化的热机叫作第 二类永动机 B.第二类永动机违反了能量守恒定律,所以不可能制成,C.第二类永动机不可能制成,说明机械能可以全部转化为内能,内能却不能全部转化为机械能 D.第二类永动机不可能制成,说明机械能可以全部转化为内能,内能却不能全部转化为机械能,同时
13、不引起其他变化,【解析】选A、D。没有冷凝器,只有单一的热源,能将从单一热源吸收的热量全部用来做功,而不引起其他变化的热机叫作第二类永动机,故A正确;第二类永动机违反了热力学第二定律,故B错误;机械能可以全部转化为内能,内能却不能全部转化为机械能,同时不引起其他变化,故D正确,C错误。,【强化训练】 1.如图所示中汽缸内盛有定量的理想 气体,汽缸壁是导热的,缸外环境保持 恒温,活塞与汽缸壁的接触是光滑的, 但不漏气。现将活塞杆与外界连接,使其缓慢地向右移 动,这样气体将等温膨胀并通过杆对外做功。若已知理 想气体的内能只与温度有关,则下列说法正确的是( ),A.气体是从单一热源吸热,全用来对外做
14、功,因此此过程违反热力学第二定律 B.气体从单一热源吸热,但并未全用来对外做功,所以此过程不违反热力学第二定律 C.气体是从单一热源吸热,全用来对外做功,但此过程不违反热力学第二定律 D.A、B、C三种说法都不对,【解析】选C。热力学第二定律从机械能与内能转化过程的方向性来描述是:不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功,而不引起其他变化。本题中如果没有外界的帮助,比如外力拉动活塞杆使活塞向右移动,使气体膨胀对外做功,导致气体温度略微降低,是不可能从外界吸收热量的,即这一过程虽然是气体从单一热源吸热,全用来对外做功,但引起了其他变化,所以此过程不违反热力学第二定律。,2.关于两类永动机和热力
15、学的两个定律,下列说法正确的是 ( ) A.第二类永动机不可能制成是因为违反了热力学第一定律 B.第一类永动机不可能制成是因为违反了热力学第二定律,C.由热力学第一定律可知做功不一定改变内能,热传递也不一定改变内能,但同时做功和热传递一定会改变内能 D.由热力学第二定律可知热量从低温物体传向高温物体是可能的,从单一热源吸收热量,完全变成功也是可能的,【解析】选D。第一类永动机违反能量守恒定律,第二类永动机违反热力学第二定律,A、B错;由热力学第一定律可知W0,Q0,但U=W+Q可以等于0,C错;由热力学第二定律可知D中现象是可能的,但会引起其他变化,D对。,【加固训练】 (2017衡水模拟)图为电冰箱的工作原理示意图。压缩机工作时,强迫致冷剂在冰箱内外的管道中不断循环。在蒸发器中致冷剂汽化吸收箱体内的热量,经过冷凝器时致冷剂液化,放出热量到箱体外。下列说法正确的是 ( ),A.热量可以自发地从冰箱内传到冰箱外 B.电冰箱的致冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界,是因为其消耗了电能 C.电冰箱的工作原理违反了热力学第一定律 D.电冰箱的工作原理违反了热力学第二定律,【解析】选B。由热力学第二定律知,热量不能自发地由低温物体传到高温物体,除非施加外部的影响和帮助。电冰箱把热量从低温的内部传到高温外部,需要压缩机的帮助并消耗电能。故
