物理一轮复习教案：13-3 热力学定律与能量守恒定律 word版含解析

基础点

知识点1　　热力学第一定律

1．改变物体内能的两种方式：(1)做功；(2)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

(4)ΔU＝Q＋W的三种特殊情况

知识点2　　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：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“第二类永动机不可能制成。”

(3)用熵的概念进行表述：在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小(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无序性增大的方向进行。

知识点3　　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。例如，机械能守恒定律具有适用条件，而能量守恒定律是无条件的，是一切自然现象都遵守的基本规律。

3．数学表达式

(1)E1＝E2。

(2)ΔE增＝ΔE减。

重难点

一、对热力学第一定律的理解

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。此定律是标量式，应用时热量的单位应统一为国际单位制中的焦耳。

2．改变内能的两种方式的比较

3.气体做功情况的判定方法

(1)若气体体积增大，则气体对外做功，W＜0，气体向真空膨胀除外。

(2)若气体体积缩小，则外界对气体做功，W＞0。

(3)若气体体积不变，即等容过程，则W＝0。

特别提醒

ΔU＝W＋Q，使用时注意符号法则(简记为：外界对系统取正，系统对外界取负)。对理想气体，ΔU仅由温度决定，W仅由体积决定，绝热情况下，Q＝0。气体向真空膨胀不做功。

二、热力学第二定律

1．对热力学第二定律关键词的理解

在热力学第二定律的表述中，“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

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

4.热力学第一、第二定律的比较

特别提醒

热量不可能自发地从低温物体传到高温物体，即热传递的过程具有方向性，只能从高温物体自发向低温物体传递。但在有外界影响的条件下，热量可以从低温物体传到高温物体，如电冰箱；在引起其他变化的条件下内能可以全部转化为机械能，如气体的等温膨胀过程。

三、能量守恒定律

(1)自然界中能量的存在形式：物体运动具有动能、分子运动具有分子动能、电荷具有电能、原子核内部粒子的运动具有原子能等，可见，在自然界中不同的能量形式与不同的运动形式相对应。

(2)不同形式的能量之间可以相互转化，且这一转化过程是通过做功来完成的。

(3)某种形式的能量减少，一定有其他形式的能量增加，且减少量和增加量一定相等。

(4)某个物体的能量减少，一定有其他物体的能量增加，且减少量和增加量一定相等。

特别提醒

(1)能量守恒定律是自然界中普遍存在的规律，是无条件的。在能量守恒定律的表述中只存在能量，不存在功。

(2)在利用能量守恒定律解题时，要先搞清楚某过程中有几种形式的能在转化或转移，分析初、末状态，确定ΔE增、ΔE减各为多少，再由ΔE增＝ΔE减列式计算。

四、气体实验定律与热力学定律的综合

1．气体实验定律与热力学定律的综合问题的处理方法

(1)气体实验定律研究对象是一定质量的理想气体。

(2)解决具体问题时，分清气体的变化过程是求解问题的关键，根据不同的变化，找出与之相关的气体状态参量，利用相关规律解决。

(3)对理想气体，只要体积变化，外界对气体(或气体对外界)要做功W＝pΔV；只要温度发生变化，其内能要发生变化。

(4)结合热力学第一定律ΔU＝W＋Q求解问题。

2．处理气体图象与热力学定律综合问题的方法

(1)气体状态变化图象有p­V、p­T、V­T图象，一般在同一图象中有气体几个状态变化，对此应依据图象特点判断其状态变化情况，然后由热力学第一定律对问题进行分析、求解。

(2)对于某图象中描述的气体的一般状态变化可利用其等温线、等容线或等压线，确定其温度、体积或压强的变化，然后由热力学第一定律对问题进行分析、判断。

1．思维辨析

(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20 J，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)自由摆动的秋千摆动幅度越来越小，能量正在消失。(　　)

(6)利用河水的能量使船逆水航行的设想，符合能量守恒定律。(　　)

(7)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)×　(6)√　(7)×

2．(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．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

答案　BE

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错误；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．如图所示，内壁光滑的圆柱形金属容器内有一个质量为m、面积为S的活塞。容器固定放置在倾角为θ的斜面上。一定量的气体被密封在容器内，温度为T0，活塞底面与容器底面平行，距离为h。已知大气压强为p0，重力加速度为g。

(1)容器内气体压强为________；

(2)由于环境温度变化，活塞缓慢下移h/2时气体温度为________；此过程中容器内气体________(填“吸热”或“放热”)，气体分子的平均速率________(填“增大”“减小”或“不变”)。

答案　(1)p0＋　(2)　放热　减小

解析　(1)容器内气体的压强与大气压和活塞的重力有关。活塞对气体产生的压强为p′＝，则容器内气体的压强p＝p0＋p′＝p0＋。

(2)环境温度变化，活塞缓慢下移，可认为是等压变化，则＝，且V0＝2V1，解得T1＝。

在此等压变化过程中，气体温度降低，内能减少；气体体积减小，外界对气体做功，由热力学第一定律ΔU＝W＋Q知气体放出热量，气体分子的平均速率减小。

　[考法综述]　本考点内容在高考中必考，单一命题考查热力学定律，交汇命题考查理想气体状态方程与热力学第一定律，难度中等，通过复习应掌握：

3个定律——热力学第一定律、热力学第二定律、能量守恒定律

2个区别——温度、内能、热量、功之间的区别、第一类永动机和第二类永动机之间的区别

1个公式——公式ΔU＝W＋Q中物理量表示的物理意义

命题法1　热力学第一定律

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6 J；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9 J。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；

(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。

[答案]　(1)0　9 J　(2)9 J　3 J

[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＝9 J。

(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＝9 J

根据热力学第一定律有

ΔU2＝W2＋Q2

从外界吸收的热量Q2＝ΔU2－W2＝3 J。

【解题法】　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。

命题法2　热力学第二定律

典例2　　(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

[答案]　BC

[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，是能的转化和守恒定律的具体表现，适用于所有的热学过程，故选项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。

【解题法】　热力学第二定律的应用技巧

对于热力学第二定律，重点应抓住两种表述的等效性，抓住定律的实质，即自然界中进行的涉及热现象的宏观过程均具有方向性。同时要明确，根据热力学第二定律，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。

命题法3　气体实验定律与热力学定律的综

典例3　　如图所示，一定质量的理想气体从状态A依次经过状态B、C和D后再回到状态A。其中，A→B和C→D为等温过程，B→C和D→A为绝热过程(气体与外界无热量交换)。这就是著名的“卡诺循环”。

(1)该循环过程中，下列说法正确的是________。

A．A→B过程中，外界对气体做功

B．B→C过程中，气体分子的平均动能增大

C．C→D过程中，单位时间内碰撞单位面积器壁的分子数增多

D．D→A过程中，气体分子的速率分布曲线不发生变化

(2)该循环过程中，内能减小的过程是________(选填“A→B”“B→C”“C→D”或“D→A”)。若气体在A→B过程中吸收63 kJ的热量，在C→D过程中放出38 kJ的热量，则气体完成一次循环对外做的功为________kJ。

 (3)若该循环过程中的气体为1 mol，气体在A状态时的体积为10 L，在B状态时压强为A状态时的。求气体在B状态时单位体积内的分子数。(已知阿伏加德罗常数NA＝6.0×1023 mol－1，计算结果保留一位有效数字)

[答案]　(1)C　(2)B→C　25　(3)4×1025 m－3

[解析]　(1)A→B过程中，气体体积变大，对外做功，选项A错；根据热力学第一定律，ΔU＝W＋Q，B→C为绝热过程，气体体积变大，对外做功，Q＝0，W<0，则ΔU<0，理想气体的内能仅由温度决定，故温度降低，分子平均动能减小，选项B错；C→D为等温过程，分子平均动能不变，分子撞击器壁的平均速率不变，因气体压强变大，故单位时间内碰撞单位面积器壁的分子数增多，选项C正确；D→A为绝热过程，气体体积变小，外界对气体做功，Q＝0，W>0，则ΔU>0，温度升高，分子平均动能变大，气体分子的速率分布曲线会发生移动，故选项D错。

(2)分析可知，B→C过程内能减少，C→D过程内能增加。整个循环过程中，ΔU＝0，由热力学第一定律ΔU＝W＋Q，则W＝ΔU－Q＝0－(63 kJ－38 kJ)＝－25 kJ，故对外做的功为25 kJ。

(3)等温过程pAVA＝pBVB，单位体积内的分子数n＝(γ表示摩尔数)。

解得n＝，

代入数据得n＝4×1025 m－3。

【解题法】　气体实验定律与热力学定律综合的分析思路