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热力学定律1必备知识2关键能力第3讲1热力学第一定律(1)热力学第一定律: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。表达式:ΔU=Q+W。(2)应用热力学第一定律解题的关键就是要熟记、记准符号法则。对理想气体而言,温度只与内能有关,温度升高,内能增加,ΔU0;温度降低,内能减少,ΔU0。从外界吸收热量Q0,有促使内能增加的可能;向外界放出热量Q0,有促使内能减少的可能;若系统与外界绝热,则Q=0,既不吸热,也不放热。外界对气体做功,W0,有促使内能增大的可能;气体对外界做功,W0,有促使内能减少的可能。1热力学第一定律【温馨提示】理想气体内能变化的分析思路①由体积变化分析气体做功情况: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,气体内能减小。③由热力学第一定律ΔU=W+Q判断气体是吸热还是放热。答案1B1.1(2019福建福州1月考试)一定质量的理想气体在某一过程中,外界对气体做功7.0×104J,气体内能减少1.3×105J,则此过程()。A.气体从外界吸收热量2.0×105JB.气体向外界放出热量2.0×105JC.气体从外界吸收热量6.0×104JD.气体向外界放出热量6.0×104J热力学第一定律答案1D1.2(2018浙江绍兴第一中学模拟)一定量的理想气体在某一过程中,从外界吸收热量2.5×104J,气体对外界做功1.0×104J,则该理想气体的()。A.温度降低,密度增大B.温度降低,密度减小C.温度升高,密度增大D.温度升高,密度减小热力学第一定律2能量守恒定律(1)自然界中不同的能量形式与不同的运动形式相对应:物体运动具有机械能,分子运动具有内能,电荷的运动具有电能,原子核内部的运动具有原子能,等等。(2)不同形式的能量之间可以相互转化:摩擦生热是通过克服摩擦力做功将机械能转化为内能;水壶中的水沸腾时水蒸气对壶盖做功将壶盖顶起,表明内能转化为机械能;电流通过电热丝做功可将电能转化为内能,等等。这些实例说明了不同形式的能量之间可以相互转化,且是通过做功来完成的这一转化过程。(3)能量守恒定律: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。条件性:能量守恒定律是自然界的普遍规律,但某一系统或某一种形式的能是否守恒则是有条件的。2ACD答案2.1(2019河南郑州开学自测)(多选)如图所示,电路与一绝热密闭汽缸相连,R为电阻丝,汽缸内有一定质量的理想气体,外界大气压恒定。闭合开关后,绝热活塞K缓慢且无摩擦地向右移动,则下列说法正确的是()。A.气体分子平均动能变大B.电热丝放出的热量等于气体对外所做的功C.气体的压强不变D.气体分子单位时间内对器壁单位面积的撞击次数减少E.气体分子势能增加能量守恒定律2B答案2.2(2019南京第一中学开学考试)木箱静止于水平地面上,现在用一个80N的水平推力推动木箱前进10m,木箱受到的摩擦力为60N,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=200J,Ek=600JB.U=600J,Ek=200JC.U=600J,Ek=800JD.U=800J,Ek=200J能量守恒定律3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)用熵的概念表示热力学第二定律: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性增大的方向进行。3热力学第二定律(4)只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叫作第二类永动机,由于违背了热力学第二定律,第二类永动机不可能制成。【温馨提示】热力学第一定律指出任何热力学过程中能量守恒,而对过程没有其他限制。热力学第二定律指明哪些过程可以发生,哪些不可能发生,例如,第二类永动机不可能实现,热机效率不可能是100%,热现象过程中能量耗散是不可避免的,实际的宏观的热现象过程是不可逆的。3D答案3.1(2018天津十校联考)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.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热力学第二定律3ACE答案3.2(2019安徽合肥第一中学测试)(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,必须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.可以从单一热源吸收热量,使之完全变为功D.不可能使热量从低温物体传向高温物体E.功转变为热的宏观自然过程是不可逆过程热力学第二定律热力学第一定律与能量守恒定律题型一1.内能与热量、内能的改变的区别:内能是物体的状态量,它是物体在某一状态某一时刻所具有的一种能量。热量是过程量,它是在某一段过程中物体之间发生热交换的那一部分能量。热量是物体在热传递的过程中其内能(热能)改变量的量度。在只发生热传递的过程中,物体吸收(放出)多少热量,其内能就增加(减少)多少。热量不属于哪一个物体,它量度的是流通量、交换量。说某一物体具有多少热量,就如同说某一物体具有多少功一样不正确。热传递时,热量一定是由温度高的物体传给温度低的物体,而与其他任何因素无关。内能的改变是过程量,它可以由做功和热传递来量度。热力学第一定律与能量守恒定律题型一2.热力学第一定律不仅反映了做功和热传递这两种改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。此定律是标量式,应用时功、内能、热量的单位应统一为国际单位(焦耳)。3.三种特殊情况:(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。(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。(3)若过程的初、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。热力学第一定律与能量守恒定律题型一【温馨提示】对公式ΔU=Q+W符号的规定符号WQΔU+外界对物体做功物体吸收热量内能增加-物体对外界做功物体放出热量内能减少解析ACE题型一答案【例1】(多选)关于热力学定律,下列说法正确的是()。A.气体吸热后温度可能降低B.对气体做功一定改变其内能C.理想气体等压膨胀过程内能一定增加D.不可能从单一热库吸收热量,使之完全变成功E.如果两个系统分别与状态确定的第三个系统达到热平衡,那么这两个系统彼此之间分子平均动能相同热力学第一定律与能量守恒定律解析题型一物体吸收热量,同时对外做功,如对外做的功大于吸收的热量,则内能减小,所以气体吸热后温度可能降低,故A项正确;做功和热传递都能改变物体的内能,若对物体做的功等于物体向外传递的热量,则物体的内能不变,故B项错误;根据理想气体的状态方程可知,理想气体等压膨胀过程中压强不变,体积增大则气体的温度一定升高,所以气体的内能增大,故C项正确;根据热力学第二定律知,从单一热库吸收热量可以完全变成功,但要引起其他的变化,D项错误;根据热平衡定律可知,如果两个系统分别与状态确定的第三个系统达到热平衡,那么这两个系统彼此之间也必定达到热平衡,即温度相同,分子平均动能相同,故E项正确。热力学第一定律与能量守恒定律方法题型一热力学第一定律不仅反映了做功和热传递这两种方式改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。热力学第一定律与能量守恒定律答案解析C题型一【变式训练1】(2018海南华侨中学一模)如图所示为导热汽缸,其内封有一定质量理想气体,活塞与汽缸壁的接触面光滑,活塞上用弹簧悬挂。当周围环境温度不变,大气压缓慢变大之后,下列说法中正确的是()。A.弹簧长度将改变B.气体内能将增加C.气体向外放出热量D.单位时间内碰撞汽缸单位面积的分子数不变热力学第一定律与能量守恒定律解析题型一以活塞和汽缸整体为研究对象,根据平衡条件可知,两者的重力大小等于弹簧弹力大小,与大气压无关,所以A项错误;周围环境的温度不变,汽缸是导热的,气体的温度不变,所以气体的内能不变,B项错误;由于大气压强增大,封闭气体的压强增大,根据理想气体状态方程可知,温度不变,压强增大,体积减小,外界对气体做功,根据热力学第一定律可知封闭气体一定放出热量,所以C项正确;温度不变,压强增大,体积减小,相等时间内碰撞汽缸单位面积的分子数一定增多,所以D项错误。热力学第一定律与能量守恒定律题型二热力学定律与气体实验定律的综合1.绝热过程和自由膨胀过程的判定方法:首先要清楚理想气体的本质特征,其次要能根据题意准确判断研究对象所经历的热学过程,尤其是做好绝热过程和自由膨胀过程的判定。判定方法如下。(1)绝热特征:其一,题目中明确说明是绝热容器(包括活塞)或直接说明没有热交换;其二,题目中对气体变化过程在时间上的描述凡出现“迅速”“快速”等字眼时,可以理解为被研究气体没有来得及进行热交换,即视为绝热过程。(2)自由膨胀特征:一定量气体所在的空间突然和一定体积的真空相连通,气体充满整个连通空间的瞬时过程。“自由膨胀”的气体不对外做功。题型二热力学定律与气体实验定律的综合2.解题的基本思路题型二热力学定律与气体实验定律的综合【温馨提示】气体状态变化的过程遵循理想气体状态方程,状态变化的同时必伴随着内能的改变、做功、吸放热等现象的发生。因此气体的状态变化问题与热力学第一定律联系密切,分析这类综合问题时应注意:(1)气体的状态变化可由理想气体状态方程𝑝𝑉𝑇=C(C是与P、V、T无关的常量)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。答案解析BC题型二【例2】(多选)如图甲所示,一定质量的氢气(可看作理想气体)由状态A经状态B变化到状态C。设由A到B、由B到C的过程外界对气体做的功分别为W1、W2,气体从外界吸收的热量分别为Q1、Q2,则()。A.W10,W20B.Q10,Q20C.|W1|+|W2||Q1|+|Q2|D.|W1|+|W2||Q1|+|Q2|热力学定律与气体实验定律的综合解析题型二如图乙所示,气体由A经状态B变化到状态C的过程中,图象上的点与原点连线的斜率减小,由气态方程𝑝𝑉𝑇=C知,气体的体积不断增大,气体对外界做功,所以W10,W20,A项错误。在A→B过程中,气体的温度不断升高,同时对外做功,根据热力学第一定律ΔU1=Q1+W1知需要吸热,所以Q10;在B→C过程中,气体的温度不变,内能不变,但同时对外做功,根据热力学第一定律ΔU2=Q2+W2可知要吸热,所以Q20,B项正确;在全过程中,温度升高,内能增大,根据热力学第一定律ΔU=Q+W得知,气体吸收的热量大于气体对外做的功,即|W1|+|W2||Q1|+|Q2|,C项正确,D项错误。热力学定律与气体实验定律的综合方法题型二本题要知道AO、BO、CO连线可表示等容变化,根据斜率分析对应的体积大小,并掌握热力学第一定律,能用来分析能量的变化。较好地考查了热力学第一定律中应用图象解决物理问题的能力。热力学定律与气体实验定律的综合答案解析C题型二【变式训练2】(2019辽宁本溪高级中学考试)如图所示,一定质量的理想气体,由状态a经过ab过程到达状态b或者经过ac过程到达状态c。设气体在状态b和状态c的温度分别为Tb和Tc,在过程ab和ac中吸收的热量分别为Qab和Qac。则()。A.TbTc,QabQacB.TbTc,QabQacC.Tb=Tc,Qab