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第3课时 热力学定律与能量守恒定律
[知 识 梳 理]
学问点一、热力学第肯定律
1．转变物体内能的两种方式
(1)做功；(2)热传递。
2．热力学第肯定律
(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：
W
Q
ΔU
＋
外界对物体做功
物体吸取热量
内能增加
－
物体对外界做功
物体放出热量
内能削减
学问点二、能量守恒定律
1．内容
能量既不会凭空产生，也不会凭空消逝，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．第一类永动机是不行能制成的，它违反了能量守恒定律。
学问点三、热力学其次定律
1．热力学其次定律的两种表述
(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：不行能从单一热库吸取热量，使之完全变成功，而不产生其他影响。或表述为“其次类永动机是不行能制成的”。
2.用熵的概念表示热力学其次定律：在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小。
3．热力学其次定律的微观意义
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．其次类永动机不行能制成的缘由是违反了热力学其次定律。
思维深化
推断正误，正确的画“√”，错误的画“×”。
(1)为了增加物体的内能，必需对物体做功或向它传递热量，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，气体的内能可能不变。( )
(3)在给自行车打气时，会发觉打气筒的温度上升，这是由于打气筒从外界吸热。( )
(4)可以从单一热源吸取热量，使之完全变成功。( )
答案 (1)× (2)× (3)× (4)√
[题 组 自 测]
题组一 对热力学第肯定律及能量守恒定律的理解
1．肯定质量的抱负气体在某一过程中，外界对气体做功7.0×104 J，气体内能削减1.3×105 J，则此过程( )
A．气体从外界吸取热量2.0×105 J
B．气体向外界放出热量2.0×105 J
C．气体从外界吸取热量6.0×104 J
D．气体向外界放出热量6.0×104 J
解析 依据热力学第肯定律，W＋Q＝ΔU，所以Q＝ΔU－W＝－1.3×105J－7.0×104J＝－2.0×105J，即气体向外界放出热量2.0×105J。
答案 B
2．木箱静止于水平地面上，现在用一个80 N的水平推力推动木箱前进10 m，木箱受到的摩擦力为60 N，则转化为木箱与地面系统的内能U和转化为木箱的动能Ek分别是( )
A．U＝200 J，Ek＝600 J B．U＝600 J，Ek＝200 J
C．U＝600 J，Ek＝800 J D．U＝800 J，Ek＝200 J
解析 由于木箱在推动中受到滑动摩擦力，其与相对位移的乘积为系统的内能增量，即U＝60×10 J＝600 J，由能量守恒定律可得Ek＝W总－U＝80×10 J－600 J＝200 J。故正确答案为B。
答案 B
3．如图1所示，肯定质量的抱负气体由状态a沿abc变化到状态c，吸取了340 J的热量，并对外做功120 J。若该气体由状态a沿adc变化到状态c时，对外做功40 J，则这一过程中气体________(填“吸取”或“放出”)________J热量。
图1
解析 由热力学第肯定律可得，该气体由状态a沿abc变化到状态c的过程中内能的变化量ΔU＝W＋Q＝－120 J＋340 J＝220 J，因此该气体由状态a沿adc变化到状态c时，Q1＝ΔU－W1＝220 J－(－40 J)＝260 J，明显此过程中气体从外界吸取热量。
答案 吸取 260
题组二 对热力学其次定律的理解
4．(多选)下列叙述和热力学定律相关，其中正确的是( )
A．第一类永动机不行能制成，是由于违反了能量守恒定律
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，违反了热力学其次定律
D．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
解析 第一类永动机是指不消耗能量却可以不断对外做功的机器，违反了能量守恒定律，A正确；电冰箱在电机做功状况下，不断地把冰箱内的热量传到外界，没有违反热力学其次定律，C错误。
答案 AD
5．依据你所学热学中的有关学问，推断下列说法中正确的是( )
A．机械能可以全部转化为内能，内能也可以全部用来做功以转化成机械能
B．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
C．尽管技术不断进步，热机的效率仍不能达到100%，制冷机却可以使温度降到－293 ℃
D．第一类永动机违反能量守恒定律，其次类永动机不违反能量守恒定律，随着科技的进步和进展，其次类永动机可以制造出来
解析 机械能可以全部转化为内能，而内能在引起其他变化时也可以全部转化为机械能，A正确；凡与热现象有关的宏观过程都具有方向性，在热传递中，热量可以自发地从高温物体传递给低温物体，也能从低温物体传递给高温物体，但必需借助外界的挂念，B错误；尽管技术不断进步，热机的效率仍不能达到100%，制冷机也不能使温度降到－293 ℃，只能无限接近－273 ℃，却永久不能达到，C错误；第一类永动机违反能量守恒定律，其次类永动机不违反能量守恒定律，但违反了热力学其次定律，其次类永动机不行能制造出来，D错误。
答案 A
考点一 对热力学第肯定律的理解
1．热力学第肯定律不仅反映了做功和热传递这两种方式转变内能的过程是等效的，而且给出了内能的变化量和做功与热传递之间的定量关系，即ΔU＝Q＋W。
2．几种特殊状况
(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，物体吸取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。
【例1】 (多选)(2022·广东卷，17)用密封性好、布满气体的塑料袋包裹易碎品，如图2所示，充气袋四周被挤压时， 假设袋内气体与外界无热交换，则袋内气体( )
图2
A．体积减小，内能增大 B．体积减小，压强减小
C．对外界做负功，内能增大 D．对外界做正功，压强减小
解析 充气袋被挤压时，气体体积减小，外界对气体做正功，由于袋内气体与外界无热交换，据热力学第肯定律判知气体内能增加，故A、C正确；袋内气体温度上升，体积减小，由方程＝C判知气体压强变大，故B、D错误。
答案 AC
【变式训练】
1．肯定质量的气体，在从状态1变化到状态2的过程中，吸取热量280 J，并对外做功120 J，试问：
(1)这些气体的内能怎样发生变化？变化了多少？
(2)假如这些气体又返回原来的状态，并放出了240 J热量，那么在返回的过程中是气体对外界做功，还是外界对气体做功？做功多少？
解析 (1)由热力学第肯定律可得ΔU＝W＋Q＝－120 J＋280 J＝160 J，气体的内能增加了160 J。
(2)由于气体的内能仅与状态有关，所以气体从状态2回到状态1的过程中内能应削减，其削减量应等于从状态1到状态2的过程中内能的增加量，则从状态2到状态1的内能应削减160 J，即ΔU′＝－160 J，又Q′＝－240 J，依据热力学第肯定律得：ΔU′＝W′＋Q′，所以W′＝ΔU′－Q′＝－160 J－(－240 J)＝80 J，即外界对气体做功80 J。
答案 (1)增加160 J (2)外界对气体做功 80 J
考点二 对热力学其次定律的理解
1．对热力学其次定律关键词的理解
在热力学其次定律的表述中，“自发地”、“不产生其他影响”的涵义。
(1)“自发地”指明白热传递等热力学宏观现象的方向性，不需要借助外界供应能量的挂念。
(2)“不产生其他影响”的涵义是发生的热力学宏观过程只在本系统内完成，对四周环境不产生热力学方面的影响．如吸热、放热、做功等。
2．热力学其次定律的实质
自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性。如
(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)
(4)不同气体A和B混合气体AB
3．两类永动机的比较
分类
第一类永动机
其次类永动机
设计要求
不需要任何动力或燃料，却能不断地对外做功的机器
从单一热源吸取热量，使之完全变成功，而不产生其他影响的机器
不行能制成的缘由
违反能量守恒
不违反能量守恒，违反热力学其次定律
【例2】 (多选)关于热力学定律，下列说法正确的是( )
A．为了增加物体的内能，必需对物体做功或向它传递热量
B．对某物体做功，必定会使该物体的内能增加
C．可以从单一热源吸取热量，使之完全变为功
D．不行能使热量从低温物体传向高温物体
E．功转变为热的实际宏观过程是不行逆过程
解析 内能的转变可以通过做功或热传递进行，故A对；对某物体做功，若物体向外放热，则物体的内能不肯定增加，B错；在引起其他变化的状况下，从单一热源吸取热量可以将其全部变为功，C对；在引起其他变化的状况下，可以将热量从低温物体传向高温物体，D错；涉及热现象的宏观过程都具有方向性，故E对。
答案 ACE
【变式训练】
2．关于两类永动机和热力学的两个定律，下列说法正确的是( )
A．其次类永动机不行能制成是由于违反了热力学第肯定律
B．第一类永动机不行能制成是由于违反了热力学其次定律
C．由热力学第肯定律可知做功不肯定转变内能，热传递也不肯定转变内能，但同时做功和热传递肯定会转变内能
D．由热力学其次定律可知热量从低温物体传向高温物体是可能的，从单一热源吸取热量，完全变成功也是可能的
解析 第一类永动机违反能量守恒定律，其次类永动机违反热力学其次定律，A、B错；由热力学第肯定律可知W≠0，Q≠0，但ΔU＝W＋Q可以等于0，C错；由热力学其次定律可知D中现象是可能的，但会引起其他变化，D对。
答案 D
考点三 热力学定律与气体试验定律的综合应用
【例3】 肯定质量的抱负气体被活塞封闭在气缸内，如图3所示水平放置。活塞的质量m＝20 kg，横截面积S＝100 cm2，活塞可沿气缸壁无摩擦滑动但不漏气，开头使气缸水平放置，活塞与气缸底的距离L1＝12 cm，离气缸口的距离L2＝3 cm。外界气温为27 ℃，大气压强为1.0×105 Pa，将气缸缓慢地转到开口向上的竖直位置，待稳定后对缸内气体渐渐加热，使活塞上表面刚好与气缸口相平，已知g＝10 m/s2，求：
图3
(1)此时气体的温度为多少？
(2)在对缸内气体加热的过程中，气体膨胀对外做功，同时吸取Q＝370 J的热量，则气体增加的内能ΔU多大？
解析 (1)当气缸水平放置时，p0＝1.0×105 Pa，
V0＝L1S，T0＝(273＋27) K
当气缸口朝上，活塞到达气缸口时，活塞的受力分析图如图所示，有p1S＝p0S＋mg
则p1＝p0＋＝1.0×105 Pa＋ Pa＝1.2×105 Pa
V1＝(L1＋L2)S
由抱负气体状态方程得＝
则T1＝T0＝×300 K＝450 K。
(2)当气缸口向上，未加热稳定时：由玻意耳定律得
p0L1S＝p1LS
则L＝＝ cm＝10 cm
加热后，气体做等压变化，外界对气体做功为
W＝－p0(L1＋L2－L)S－mg(L1＋L2－L)＝－60 J
依据热力学第肯定律ΔU＝W＋Q得ΔU＝310 J。
答案 (1)450 K (2)310 J
【变式训练】
3．(2022·云南师大附中测试)肯定质量的某种抱负气体从状态A开头按图4所示的箭头方向经过状态B达到状态C，已知气体在A状态时的体积为1.5 L，求：
图4
(1)气体在状态C时的体积；
(2)说明A→B、B→C两个变化过程是吸热还是放热，并比较A→B、B→C两个过程中热量的大小。
解析 (1)A至B过程为等压变化，由盖—吕萨克定律得＝①
得VB＝2 L
B至C为等容过程，所以VC＝VB＝2 L②
(2)A→B过程是吸热，B→C过程是放热
A→B过程中气体体积增大，对外做功，B→C过程体积不变，对外不做功，而气体内能变化相同，故A→B过程吸取的热量大于B→C过程放出的热量。
答案 (1)2 L (2)A→B，吸热；B→C，放热
(3)A→B过程吸取的热量大于B→C过程放出的热量
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