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第3课时热力学定律与能量守恒基础回顾核心探究演练提升基础回顾自主梳理·融会贯通知识梳理一、热力学第一定律1.改变物体内能的两种方式(1):将其他形式的能转化为内能;(2):物体间内能的转移.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:ΔU=.做功热传递Q+W热量二、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:不可能把热量从传递到高温物体而不产生其他影响.(2)开尔文表述:不可能从单一热源吸取热量使之全部变为有用的功而________________.2.用熵的概念表示热力学第二定律孤立系统的熵总是增加的,或者孤立系统的熵总不.低温物体不产生其他影响减小三、能量守恒定律和两类永动机1.能量守恒定律能量既不会凭空产生,也不会凭空消失,它只能从一种形式为另一种形式,或者从一个物体到另一个物体,在转化或转移的过程中其_______不变.2.两类永动机(1)第一类永动机:不需要任何和,却能对外不断做功.违背,因此不可能实现.(2)第二类永动机:从单一热源吸收热量并把它全部用来对外做功,而不引起其他变化的机器.违背,不可能实现.转化转移总量动力燃料能量守恒定律热力学第二定律自主检测1.思考判断(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20J,气体的内能一定减少.()(3)物体吸收热量,同时对外做功,内能可能不变.()(4)在给自行车打气时,会发现打气筒的温度升高,这是因为外界对气体做功.()(5)热机中,燃气的内能可以全部变为机械能而不引起其他变化.()答案:(1)×(2)×(3)√(4)√(5)×2.(2018·云南昆明质检)(多选)二氧化碳是导致“温室效应”的主要原因之一,人类在采取节能减排措施的同时,也在研究控制温室气体的新方法,目前专家们正在研究二氧化碳的深海处理技术.在某次实验中,将一定质量的二氧化碳气体封闭在一可自由压缩的导热容器中,将容器缓慢移到海水某深处,气体体积减小为原来的一半,不计温度变化,则此过程中()A.外界对封闭气体对外界做正功B.封闭气体向外界传递热量C.封闭气体分子的平均动能增大D.封闭气体从外界吸收热量E.封闭气体的压强增为原来的2倍ABE解析:因为气体的温度不变,所以气体分子的平均动能不变,选项C错误;当气体体积减小时,外界对气体做功,选项A正确;由热力学第一定律可得,封闭气体将向外界传递热量,选项D错误,B正确,由玻意耳定律可知,选项E正确.3.(2018·湖北黄冈模拟)(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.可能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.功转变为热的实际宏观过程是不可逆过程ACE解析:改变内能的方法有做功和热传递两种,所以为了增加物体的内能,必须对物体做功或向它传递热量,选项A正确;对物体做功的同时向外界放热,则物体的内能可能不变或减小,选项B错误;根据热力学第二定律可知,在对外界有影响的前提下,可以从单一热源吸收热量,使之完全变为功,选项C正确;在有外界做功的条件下,可以使热量从低温物体传递到高温物体,选项D错误;根据热力学第二定律可知,选项E正确.4.大气压强为p0=1.0×105Pa,水在1个大气压下沸腾时,1g水吸收2263.8J的热量后由液态变成同温度的气态,其体积由1.043cm3变成1676cm3,则体积膨胀时气体对外界做的功为J,该过程中气体的内能变化为J.解析:气体体积膨胀对外做功为W=p0ΔV=105×(1676-1.043)×10-6J≈167.5J.由热力学第一定律得ΔU=Q+W=2263.8J-167.5J=2096.3J.答案:167.5增加2096.3核心探究分类探究·各个击破考点一热力学第一定律1.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.2.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3.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.【典例1】在如图所示的坐标系中,一定质量的某种理想气体先后发生以下两种状态变化过程:第一种变化是从状态A到状态B,外界对该气体做功为6J;第二种变化是从状态A到状态C,该气体从外界吸收的热量为9J.图线AC的反向延长线过坐标原点O,B,C两状态的温度相同,理想气体的分子势能为零.求:(1)从状态A到状态C的过程,该气体对外界做的功W1和其内能的增量ΔU1;〚核心点拨〛(1)A→C过程为等容过程,W=0,则Q=ΔU.解析:(1)由题意知从状态A到状态C的过程,气体发生等容变化,该气体对外界做的功W1=0根据热力学第一定律有ΔU1=W1+Q1内能的增量ΔU1=Q1=9J.答案:(1)09J(2)从状态A到状态B的过程,该气体内能的增量ΔU2及其从外界吸收的热量Q2.〚核心点拨〛(2)利用A→B和A→C过程的初末状态温度相同,则ΔU相同,再利用热力学第一定律求出Q2.解析:(2)从状态A到状态B的过程,体积减小,温度升高该气体内能的增量ΔU2=ΔU1=9J根据热力学第一定律有ΔU2=W2+Q2从外界吸收的热量Q2=ΔU2-W2=3J.答案:(2)9J3J反思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.多维训练1.[热力学第一定律的理解](2015·北京卷,13)下列说法正确的是()A.物体放出热量,其内能一定减小B.物体对外做功,其内能一定减小C.物体吸收热量,同时对外做功,其内能可能增加D.物体放出热量,同时对外做功,其内能可能不变C解析:由热力学第一定律ΔU=W+Q可知,若物体放出热量,但外界对物体做正功,则ΔU不一定为负值,即内能不一定减少,故A项错误;同理可分析出,B项和D项错误,C项正确.2.[热力学第一定律的应用](2017·全国Ⅲ卷,33)(多选)如图,一定质量的理想气体从状态a出发,经过等容过程ab到达状态b,再经过等温过程bc到达状态c,最后经等压过程ca回到初态a.下列说法正确的是()ABDA.在过程ab中气体的内能增加B.在过程ca中外界对气体做功C.在过程ab中气体对外界做功D.在过程bc中气体从外界吸收热量E.在过程ca中气体从外界吸收热量解析:ab过程为等容变化,由aapT=bbpT,pbpa得TbTa,温度升高,气体内能增加,选项A正确.ca过程为等压变化,VcVa,气体体积减小,外界对气体做功,选项B正确.ab过程为等容变化,气体体积不变,气体与外界间不做功,选项C错误.bc过程为等温变化,气体内能不变,即ΔU=0,VcVb,气体体积变大,气体对外界做功,W0,由热力学第一定律ΔU=Q+W得Q0,所以气体吸收热量,选项D正确.ca过程为等压变化,由ccVT=aaVT,VcVa则TcTa,气体温度降低,ΔU0,外界对气体做功W0,由热力学第一定律ΔU=Q+W得Q0,所以气体对外界放出热量,选项E错误.考点二热力学第二定律1.热力学第二定律的理解(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”的涵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【典例2】(2018·辽宁大连模拟)(多选)如图所示为电冰箱的工作原理示意图.压缩机工作时,强迫制冷剂在冰箱内外的管道中不断循环.在蒸发器中制冷剂汽化吸收箱体内的热量,经过冷凝器时制冷剂液化,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.电冰箱的制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.电冰箱的工作原理不违反热力学第一定律D.电冰箱的工作原理违反热力学第二定律E.电冰箱的效率不可能达到100%BCE解析:热力学第一定律是热现象中内能与其他形式能的转化规律,是能量守恒定律的具体表现,适用于所有的热学过程,选项C正确;由热力学第二定律可知,热量不能自发地从低温物体传给高温物体,除非有外界的影响或帮助;电冰箱把热量从低温的内部传到高温的外部,需要压缩机的帮助并消耗电能,选项B正确,A,D错误.电冰箱工作时会产生内能,效率永远不可能达到100%,E正确.误区警示热力学第二定律的应用注意点自然界中进行的涉及热现象的宏观过程均具有方向性.即使符合能量守恒定律的过程,也未必都能发生,如扩散、热传递、摩擦生热等过程均有不可逆性,这里的不可逆性是指要返回到初始状态,必须借助外界的帮助.【针对训练】(多选)下列说法中正确的是()A.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B.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C.科技的进步可以使内燃机成为单一热源的热机D.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”E.第二类永动机不能制成的原因是违反了热力学第二定律ABE解析:热力学第二定律有两种表述:第一是热量不能自发地从低温物体传到高温物体,即自发热传递具有方向性,选项A中热量从低温物体传到高温物体是电冰箱工作的结果,选项A正确;第二是不可能从单一热库吸收热量,使之完全变为功,而不产生其他影响,即第二类永动机不存在,选项B,E正确,C错误;由能量守恒定律知,能量总是守恒的,只是存在的形式不同,选项D错误.考点三热力学定律与气体实验定律的综合气体实验定律与热力学定律综合的分析思路【典例3】(2018·福建厦门质检)如图所示,一根两端开口、横截面积为S=2cm2足够长的玻璃管竖直插入水银槽中并固定(插入水银槽中的部分足够深).管中有一个质量不计的光滑活塞,活塞下封闭着长L=21cm的气柱,气体的温度为t1=7℃,外界大气压取p0=1.0×105Pa(相当于75cm高的汞柱的压强).(1)若在活塞上放一个质量为m=0.1kg的砝码,保持气体的温度t1不变,则平衡后气柱为多长?(g=10m/s2)(2)若保持砝码的质量不变,对气体加热,使其温度升高到t2=77℃,此时气柱为多长?(3)若在(2)过程中,气体吸收的热量为10J,则气体的内能增加多少?〚核心点拨〛(1)被封闭气体的第一个变化过程为等温变化,第二个变化为等压变化.(2)在等压变化中,用W=pΔV计算气体做功.解析:(1)被封闭气体的初状态为p1=p0=1.0×105Pa=75cmHg,V1=LS=21S,T1=280K末态为p2=p0+mgS=1.05×105Pa=78.75cmHg,V2=L2S,T2=T1=280K根据玻意耳定律有p1V1=p2V2即p1L1=p2L2得L2=112pLp=752178.75cm=20cm.(2)对气体加热后,气体的状态变为p3=p2,V3=L3S,T3=350K根据盖吕萨克定律有22VT=33VT,即