第3讲 热力学定律与能量守恒
知识一 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＝W＋Q中正、负号法则 物理量 意义 W Q ΔU 符号 ＋ 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
(1)内能的变化与做功和热传递有关，只确定一个因素不能判断内能增加或减少． (2)应用热力学第一定律，一定要弄清各物理量的符号．
知识二 热力学第二定律及微观意义
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(填“增大”或“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．
知识三 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，它只能从一种形式转化为另一种形式，或者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．能源的利用
(1)存在能量耗散和品质下降． (2)重视利用能源时对环境的影响．
(3)要开发新能源(如太阳能、生物质能、风能、水流能等)． 3．两类永动机
(1)第一类永动机：不消耗任何能量，却源源不断地对外做功的机器． 违背能量守恒定律，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．
违背热力学第二定律，不可能实现.
考点一 热力学第一定律的理解和应用
一、在ΔU＝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ΔU＝Q＋W是能量守恒定律的具体体现．
二、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，Q＝ΔU，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．
——————[1个示范例]——————
(2013·北京高考)下列说法正确的是( ) A．液体中悬浮微粒的无规则运动称为布朗运动 B．液体分子的无规则运动称为布朗运动 C．物体从外界吸收热量，其内能一定增加 D．物体对外界做功，其内能一定减少
【解析】 布朗运动是颗粒的无规则运动，反映了液体分子的无规则运动，故A正确，B错误；根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，物体从外界吸收热量，其内能不一定增加，物体对外界做功，其内能也不一定减少，故C、D错误．
【答案】 A [备课记录]
——————[1个预测例]—————— 一定质量的气体，在从状态1变化到状态2的过程中，吸收热量280 J，并对外做功120 J，试问：
(1)这些气体的内能发生了怎样的变化？
(2)如果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)由热力学第一定律可得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的过程中内能的变化应等于从状态1到状态2的过程中内能的变化，则从状态2到状态1的内能应减少160 J，即ΔU′＝－160 J，又Q′＝－240 J，根据热力学第一定律得：
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)增加了160 J (2)外界对气体做功 80 J
考点二 热力学第二定律的理解和应用
一、在热力学第二定律的表述中，“自发地”、“不产生其他影响”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．
二、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．
三、热力学过程方向性实例
热量Q能自发传给
1．高温物体热量Q不能自发传给低温物体．
能自发地完全转化为
2．功不能自发地且不能完全转化为热．
能自发膨胀到
3．气体体积V1不能自发收缩到气体体积V2(较大)．
能自发混合成
4．不同气体A和B不能自发分离成混合气体AB.
——————[1个示范例]——————
如图11－3－1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( )
图11－3－1
A．气体是从单一热源吸热，全用来对外做功，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】 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．
【答案】 C ——————[1个预测例]—————— (多选)(2012·新课标全国高考)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．功转变为热的实际宏观过程是不可逆过程
【解析】 根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W，A正确，B错误．根据热力学第二定律，C、E正确，D错误．
【答案】 ACE
考点三 热力学定律与气体实验定律的综合应用
——————[1个示范例]——————
图11－3－2
(2012·山东高考)如图11－3－2所示，粗细均匀、导热良好、装有适量水银的U型管竖直放置，右端与大气相通，左端封闭气柱长l1＝20 cm(可视为理想气体)，两管中水银面等高．现将右端与一低压舱(未画出)接通，稳定后右管水银面高出左管水银面h＝10 cm.(环境温度不变，大气压强p0＝75 cmHg)
(1)求稳定后低压舱内的压强(用“cmHg”作单位)．
(2)此过程中左管内的气体对外界________(填“做正功”、“做负功”或“不做功”)，气体将________(填“吸热”或“放热”)．
【解析】 (1)设U型管横截面积为S，右端与大气相通时左管中封闭气体压强为p1，右端与一低压舱接通后，左管中封闭气体的压强为p2，气柱长度为l2，稳定后低压舱内的压强为p.左管中封闭气体发生等温变化，根据玻意耳定律得
p1V1＝p2V2① p1＝p0② p2＝p＋ph③ V1＝l1S④ V2＝l2S⑤
由几何关系得h＝2(l2－l1)⑥
联立①②③④⑤⑥式，代入数据得p＝50 cmHg.⑦
(2)左管内气体膨胀，气体对外界做正功，温度不变，ΔU＝0，根据热力学第一定律，ΔU＝Q＋W且W＜0，所以Q＝－W＞0，气体将吸热．
【答案】 (1)50 cmHg (2)做正功 吸热
——————[1个预测例]——————
如图11－3－3，体积为V、内壁光滑的圆柱形导热汽缸顶部有一质量和厚度均可忽略的活塞；汽缸内密封有温度为2.4T0、压强为1.2p0的理想气体，p0和T0
图11－3－3
分别为大气的压强和温度．已知：气体内能U与温度T的关系为U＝αT，α为正的常量；容器内气体的所有变化过程都是缓慢的．求：
(1)汽缸内气体与大气达到平衡时的体积V1；
(2)在活塞下降过程中，汽缸内气体放出的热量Q.
【解析】 (1)在气体由p＝1.2p0下降到p0的过程中，气体体积不变，温度由T＝2.4T0
变为T1，
T1p0Tp在气体温度由T1变为T0的过程中，体积由V减小到V1，气体压强不变，
由查理定律得＝
T1＝2T0??VT1
由盖—吕萨克定律得＝，解得?1
V1T0V1＝V?2?
(2)在活塞下降过程中，活塞对气体做的功为
W＝p0(V－V1)
在这一过程中，气体内能的减少量为 ΔU＝α(T1－T0)
由热力学第一定律得，汽缸内气体放出的热量为 Q＝W＋ΔU，
1
解得Q＝p0V＋αT0
2
11
【答案】 (1)V (2)p0V＋αT0
22
(1)理想气体无分子势能，只有分子动能，一定质量的气体，其内能只取决于温度，而与体积无关．
(2)在气体状态变化过程中，三个状态参量(p、V、T)遵循理想气体状态方程
p1V1p2V2
＝(或T1T2
pV＝C常数)，判断气体的内能的变化只需分析气体的温度，温度升高(或降低)，内能增大(或T减小)．
(3)由气体体积变化情况分析做功情况，气体体积增大，气体对外做功，气体体积减小，外界对气体做功．然后由热力学第一定律ΔU＝Q＋W确定热量Q的正、负，判断出吸热、放热.
1．物体的内能增加了20 J，下列说法中正确的是( ) A．一定是外界对物体做了20 J的功 B．一定是物体吸收了20 J的热量 C．一定是物体分子动能增加了20 J D．物体的分子平均动能可能不变
【解析】 做功和热传递都可以改变物体内能，物体内能改变20 J，其方式是不确定的，因此A、B错误．而物体内能包括所有分子的平均动能和势能，内能由分子数、分子平均动能、势能三者决定，因此答案C错误．物体内能增加20 J温度可能不变，故平均动能可能不变，D正确．
【答案】 D
2．(多选)关于第二类永动机，下列说法正确的是( )
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做第二类永动机
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，内能却不可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，内能却不可能全部转化为机械能，同时不引起其他变化
【解析】 根据第二类永动机的定义可知A选项正确，第二类永动机不违反能量守恒定律，而是违反热力学第二定律，所以B选项错误．机械能可以全部转化为内能，内能在引起其他变化时可能全部转化为机械能，C选项错误，D选项正确．
【答案】 AD 3．若一气泡从湖底上升到湖面的过程中温度保持不变，则在此过程中关于气泡中的气体，下列说法中正确的是( )
A．气体分子间的作用力增大 B．气体分子的平均速率增大 C．气体分子的平均动能减小 D．气体组成的系统的熵增加
【解析】 考虑气体分子间作用力时，若分子力是引力，分子间距从r0增大，则分子力先增大后减小，A错误．气泡上升过程中温度不变，分子平均动能不变，分子平均速率也不变，B、C错误．气泡上升过程中体积膨胀，分子势能增加，内能增大，而对外做功，故气体一定
（新课标）河南省2015高考物理总复习讲义 第11章 第3讲 热力学定律与能量守恒
