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第3章 熱力學定律與能量守恒
【考綱知識梳理】
一、 溫度、內能、熱量、功的理解
二、改變內能的兩種方式
1、 改變物體的內能通常有兩種方式：做功和熱傳遞。
（1）做功和熱傳遞在改變物體的內能上是等效的，但有本質的區別。
（2）做功涉及到的是內能與其它能間的轉達化；而熱傳遞則只涉及到內能在不同物體間的轉移。
三、 對熱力學第一定律的理解
1、 熱力學第一定律（第一類永動機不能制成）
做功和熱傳遞都能改變物體的內能。也就是說，做功和熱傳遞對改變物體的內能是等效的。但從能量轉化和守恒的觀點看又是有區別的：做功是其他能和內能之間的轉化，功是內能轉化的量度；而熱傳遞是內能間的轉移，熱量是內能轉移的量度。
（1）內容: 外界對物體所做的功W加上物體從外界吸收的熱量Q等于物體內能的增加ΔE，
（2）表達式: ΔE=Q+W 這在物理學中叫做熱力學第一定律。
表達式中符號法則: W為正值，表達外界對物體做功； W為負值，表示物體對外界做功；
Q為正值，表示物體從外界吸熱； Q為負值，表示物體對外界放熱；
ΔE為正值，表示物體內能增加；ΔE為負值，表示物體內能減少.
2、 能的轉化和守恒定律
能量既不會憑空產生，也不會憑空消滅或消失，它只能從一種形式轉化為別的形式，或者從一個物體轉移到別的物體，但總能量保持不變。這就是能的轉化和守恒定律.
(1)能量守恒定律是自然界普遍適用的規律之一，違背該定律的第一類永動機是無法實現的.
(2)物質的不同運動形式對應不同形式的能,各種形式的能在一定的條件下可以轉化或轉移,在轉化或轉移過程中,能的總量守恒.
四、對熱力學第二定律的理解
1、 熱傳導的方向性:熱傳導的過程是有方向性的，這個過程可以向一個方向自發地進行（熱量會自發地從高溫物體傳給低溫物體），但是向相反的方向卻不能自發地進行。
2、 機械能與內能轉化的方向性:機械能可以全部轉化為內能,而內能不可能全部轉化為機械能而不引起其它的變化.
3、 熱力學第二定律
(1)表述：
①不可能使熱量由低溫物體傳遞到高溫物體，而不引起其他變化（按熱傳導的方向性表述）。
②不可能從單一熱源吸收熱量并把它全部用來做功，而不引起其他變化（按機械能和內能轉化過程的方向性表述）。或第二類永動機是不可能制成的。
(2)意義：自然界種進行的涉及熱現象的宏觀過程都具有方向性。它揭示了有大量分子參與的宏觀過程的方向性.
(3)能量耗散:自然界的能量是守恒的，但是有的能量便于利用，有些能量不便于利用。很多事例證明，我們無法把流散的內能重新收集起來加以利用。這種現象叫做能量的耗散。它從能量轉化的角度反映出自然界中的宏觀現象具有方向性。
3、 永動機
（1）第一類永動機不可能制成:不消耗任何能量，卻可以源源不斷地對外做功，這種機器被稱為第一類永動機，這種永動機是不可能制造成的，它違背了能量守恒定律。
（2）第二類永動機：沒有冷凝器，只有單一熱源，并從這個單一熱源吸收的熱量，可以全部用來做功，而不引起其他變化的熱機叫做第二類永動機。第二類永動機不可能制成，它雖然不違背能量守恒定律，但違背了熱力學第二定律。 也是不可能制成的。因為機械能和內能的轉化過程具有方向性，機械能可以全部轉化為內能，但內能不能全部轉化為機械能，而不引起其他變化。熱機的效率不可能達到100%。
4、熱力學第三定律：熱力學零度不可達到｛宇宙溫度下限：－273.15攝氏度（熱力學零度）｝
【要點名師透析】
類型一 熱力學第一定律的應用
【例1】(2010?江蘇高考)(1)為了將空氣裝入氣瓶內，現將一定質量的空氣等溫壓縮，空氣可視為理想氣體.下列圖象能正確表示該過程中空氣的壓強p和體積V關系的是_____.
(2)在將空氣壓縮裝入氣瓶的過程中，溫度保持不變，外界做了24 kJ的功.現潛水員背著該氣瓶緩慢地潛入海底，若在此過程中，瓶中空氣的質量保持不變，且放出了5 kJ的熱量.在上述兩個過程中，空氣的內能共減小__________kJ，空氣_______(選填“吸收”或“放出”)的總熱量為_____kJ.
(3)已知潛水員在岸上和海底吸入空氣的密度分別為
1.3 kg/m3和2.1 kg/m3，空氣的摩爾質量為0.029 kg/mol，阿伏加德羅常數NA=6.02×1023 mol-1.若潛水員呼吸一次吸入2 L的空氣，試估算潛水員在海底比在岸上每呼吸一次多吸入空氣的分子數.(結果保留一位有效數字).
【詳解】 (1)由玻意耳定律知pV=C,p與 成正比，選B.
(2)根據熱力學第一定律ΔU=W+Q，第一階段W1=24 kJ，ΔU1=0,所以Q1=-24 kJ，故放熱；第二階段W2=0，Q2=-5 kJ，由熱力學第一定律知，ΔU2=-5 kJ，故在上述兩個過程中，空氣的內能共減少ΔU=ΔU1+ΔU2=-5 kJ；兩過程共放出熱量Q=Q1+Q2=
-29 kJ，故空氣放出的總熱量為29 kJ.
(3)設空氣的摩爾質量為M，在海底和岸上的密度分別為ρ海和ρ岸，一次吸入空氣的體積為V，則有 代入數據得Δn=3×1022.
類型二　熱力學第二定律的應用
【例2】如圖為電冰箱的工作原理示意圖.壓縮機工作時，強迫制冷劑在冰箱內外的管道中不斷循環.在蒸發器中制冷劑汽化吸收箱體內的熱量，經過冷凝器時制冷劑液化，放出熱量到箱體外.
(1)下列說法正確的是 _______
A.熱量可以自發地從冰箱內傳到冰箱外
B.電冰箱的制冷系統能夠不斷地把冰箱內的熱量傳到外界，是因為其消耗了電能
C.電冰箱的工作原理不違反熱力學第一定律
D.電冰箱的工作原理違反熱力學第一定律
(2)電冰箱的制冷系統從冰箱內吸收的熱量與釋放到外界的熱量相比，有怎樣的關系？
【詳解】(1)選B、C.熱力學第一定律是熱現象中內能與其他形式能的轉化規律，是能的轉化和守恒定律的具體表現，適用于所有的熱學過程，故C正確，D錯誤；
由熱力學第二定律可知，熱量不能自發地從低溫物體傳到高溫物體，除非有外界的影響或幫助.電冰箱把熱量從低溫的內部傳到高溫的外部，需要壓縮機的幫助并消耗電能，故B正確，A錯誤.
(2)由熱力學第一定律可知，電冰箱制冷系統從冰箱內吸收了熱量，同時消耗了電能，釋放到外界的熱量比從冰箱內吸收的熱量多.
類型三 氣體實驗定律與熱力學定律綜合
【例3】(2010?海南高考)如圖，體積為V、內壁光滑的圓柱形導熱汽缸頂部有一質量和厚度均可忽略的活塞；汽缸內密封有溫度為2.4 T0、壓強為1.2 p0的理想氣體，p0和T0分別為大氣的壓強和溫度.已知：氣體內能U與溫度T的關系為U=αT,α為正的常量；容器內氣體的所有變化過程都是緩慢的.求：
(1)汽缸內氣體與大氣達到平衡時的體積V1;
(2)在活塞下降過程中，汽缸內氣體放出的熱量Q.
【詳解】(1)在氣體由p=1.2p0下降到p0的過程中，氣體體積不變，溫度由T=2.4 T0變為T1，由查理定律得 在氣體溫度由T1變為T0的過程中，體積由V減小到V1，氣體壓強不變，由蓋—呂薩克定律得 解得
(2)在活塞下降過程中，活塞對氣體做的功為W=p0(V-V1)在這一過程中，氣體內能的減少為ΔU=α(T1-T0)由熱力學第一定律得，汽缸內氣體放出的熱量為Q=W+ΔU,解得Q= p0V+αT0
【感悟高考真題】
1.（2011?福建理綜?T28（2））一定量的理想氣體在某一過程中，從外界吸收熱量2.5×104J，氣體對外界做功1.0×104J，則該理想氣體的_______。（填選項前的字母）
A.溫度降低，密度增大 B.溫度降低，密度減小
C.溫度升高，密度增大 D.溫度升高，密度減小
【答案】選D.
【詳解】由熱力學第一定律 ，Q=2.5×104J，W=-1.0×104J可知 大于零，氣體內能增加，溫度升高，A、B錯；氣體對外做功，體積增大，密度減小，C錯D對.
2.（2011?大綱版全國?T14）關于一定量的氣體，下列敘述正確的是
A.氣體吸收的熱量可以完全轉化為功
B.氣體體積增大時，其內能一定減少
C．氣體從外界吸收熱量，其內能一定增加
D．外界對氣體做功，氣體內能可能減少
【答案】 選AD
【詳解】如果氣體等溫膨脹，則氣體的內能不變，吸收熱量全部用來對外做功，Ａ正確；當氣體體積增大時，對外做功，若同時吸收熱量，且吸收的熱量大于或等于對外做功的數值時，內能不會增加，所以Ｂ錯誤；若氣體吸收熱量同時對外做功，其內能也不一定增加，C錯誤；若外界對氣體做功同時氣體向外放出熱量， 且放出的熱量多于外界對氣體所做的功，則氣體內能減少，所以D正確．
3.（2011?江蘇物理?T12.A）如題12A-1圖所示，一演示用的“永動機”轉輪由5根輕桿和轉軸構成，輕桿的末端裝有用形狀記憶合金制成的葉片，輕推轉輪后，進入熱水的葉片因伸展而“劃水”，推動轉輪轉動。離開熱水后，葉片形狀迅速恢復，轉輪因此能較長時間轉動。下列說法正確的是
A．轉輪依靠自身慣性轉動，不需要消耗外界能量
B．轉輪轉動所需能量來自形狀記憶合金自身
C．轉動的葉片不斷攪動熱水，水溫升高
D．葉片在熱水中吸收的熱量一定大于在空氣中釋放的熱量
(2)如題12A-2圖所示，內壁光滑的氣缸水平放置。一定質量的理想氣體被活塞密封在氣缸內，外界大氣壓強為P0。現對氣缸緩慢加熱，氣體吸收熱量Q后，體積由V1增大為V2。則在此過程中，氣體分子平均動能_________(選填“增大”、“不變”或“減小”)，氣體內能變化了_____________。
(3)某同學在進行“用油膜法估測分子的大小”的實驗前，查閱數據手冊得知：油酸的摩爾質量M=0.283kg?mol-1，密度ρ=0.895×103kg?m-3.若100滴油酸的體積為1ml，則1滴油酸所能形成的單分子油膜的面積約是多少？(取NA=6.02×1023mol-1.球的體積V與直徑D的關系為 ，結果保留一位有效數字)
【答案】(1)D(2)增大， （3）
【詳解】（1）該永動機葉片進入水中，吸收熱量而伸展劃水，推動轉輪轉動，離開水面后向空氣中放熱，葉片形狀迅速恢復，所以轉動的能量來自熱水，由于不斷向空氣釋放熱量，所以水溫逐漸降低，ABC錯，D對。
（2）氣體做等壓變化，體積變大，溫度升高，平均動能增大，內能的變化為
（3）一個油酸分子的體積
分子直徑為D=
最大面積 帶入數據得：S=
4．（2010?重慶?1５）給旱區送水的消防車停于水平面，在緩緩放水的過程中，若車胎不漏氣，胎內氣體溫度不變，不計分子勢能，則胎內氣體
A．從外界吸熱 B.對外界做負功
B.分子平均動能減少 D.內能增加
【答案】 A
【解析】胎內氣體經歷了一個溫度不變，壓強減小，體積增大的過程。溫度不變，分子平均動能和內能不變。體積增大氣體對外界做正功。根據熱力學第一定律氣體一定從外界吸熱。A正確
【考點模擬演練】
1．關于熱力學定律，下列說法正確的是(　　)
A．在一定條件下物體的溫度可以降到0 K
B．物體從單一熱源吸收的熱量可全部用于做功
C．吸收了熱量的物體，其內能一定增加
D．壓縮氣體總能使氣體的溫度升高
【答案】B
【詳解】根據熱力學第三定律的絕對零度不可能達到可知A錯誤；物體從外界吸收熱量、對外做功，根據熱力學第一定律可知內能可能增加、減小和不變，C錯誤；壓縮氣體，外界對氣體做正功，可能向外界放熱，內能可能減少、溫度降低，D錯誤；物體從單一熱源吸收的熱量可全部用于做功而引起其他變化是可能的，B正確．
2．下面說法正確的是
(　　)
A．如果物體從外界吸收了熱量，則物體的內能一定增加
B．我們可以制造一種熱機，將流散到周圍環境中的內能重新收集起來加以利用而不引起其他變化
C．假設兩個液體分子從緊靠在一起開始相互遠離，直到無窮遠處，在這一過程中分子力先做正功后做負功
D．空調制冷，雖然是人為的使熱量由低溫處傳到高溫處，但這不違背熱力學第二定律
【答案】CD
【詳解】根據熱力學第一定律，物體吸收熱量但同時對外做功時，物體內能有可能減少，A錯；
B選項中描述的現象要實現必須引起其他變化．否則就違背了熱力學第二定律，B錯；
開始分子力表現為斥力，越過r0位置后分子力表現為引力，所以分子力先做正功后做負功，C選項正確；
雖然熱量由低溫處向高溫處傳遞，但這引起了其他變化，就是消耗了電能，所以D選項正確．
3.關于熱力學定律，下列說法正確的是( )
A.在一定條件下物體的溫度可以降到0 K
B.物體從單一熱源吸收的熱量可全部用于做功
C.吸收了熱量的物體，其內能一定增加
D.壓縮氣體總能使氣體的溫度升高
【答案】選B.
【詳解】由熱力學第三定律知，絕對零度不可能達到，A錯；由熱力學第二定律知，物體從單一熱源吸收的熱量可全部用于做功，但是將產生其他影響，B對；物體吸收了熱量，若全部用于對外做功，其內能不變，C錯；壓縮氣體，若氣體對外放熱，氣體的溫度不一定升高，D錯.
4．溫室效應嚴重威脅著人類生態環境的安全，為了減少溫室效應造成的負面影響，有的科學家受到了啤酒在較高壓強下能夠溶解大量的二氧化碳的啟發，設想了一個辦法：可以用壓縮機將二氧化碳送入深海底，永久貯存起來．海底深處，壓強很大，溫度很低，海底深水肯定能夠溶解大量的二氧化碳，這樣就為溫室氣體二氧化碳找到了一個永遠的“家”，從而避免溫室效應．在將二氧化碳送入深海底的過程中，以下說法正確的是
(　　)
A．壓縮機對二氧化碳做功，能夠使其內能增大
B．二氧化碳與海水間的熱傳遞能夠使其內能減少
C．二氧化碳分子平均動能會減少
D．每一個二氧化碳分子的動能都會減少
【答案】ABC
【詳解】考查熱力學第一定律．壓縮機壓縮氣體對氣體做功，氣體溫度升高，內能增大，A對；二氧化碳壓入海底時比海水溫度高，因此將熱量傳遞給海水而內能減小，B是對的．二氧化碳溫度降低，分子平均動能減小，但不是每個分子的動能都減小，C正確，D錯．
5．用兩種不同的金屬絲組成一個回路，接觸點1插在熱水中，接觸點2插在冷水中，如圖所示，電流計指針會發生偏轉，這就是溫差發電現象，這一實驗是否違反熱力學第二定律？熱水和冷水的溫度是否會發生變化？簡述這一過程中能的轉化情況．
【答案】不違反　熱水溫度降低，冷水溫度升高．轉化效率低于100%
【詳解】溫差發電現象中產生了電能是因為熱水中的內能減少，一部分轉化為電能，一部分傳遞給冷水，不違反熱力學第二定律．
6．(2011?淮州月考)如圖所示，將完全相同的A、B兩球，分別浸沒在初始溫度相同的水和水銀的同一深度處，已知A、B兩球用同一種特殊的制成，當溫度稍微升高時，球的體積會明顯地變大．現讓兩種液體的溫度同時緩慢地升高到同一值，發現兩球膨脹后，體積相等。若忽略繩子、水和水銀由于溫度的變化而引起的體積膨脹，則以下判斷正確的是(　　)
A．因為同一深度處水的壓強較小，所以A球膨脹過程中對外做的功較多
B．因為同一濃度處水銀的壓強較大，所以B球膨脹過程中內能增加較多
C．膨脹過程中，A球吸引的熱量較多
D．膨脹過程中，B球吸收的熱量較多
【答案】D
【詳解】本題考查的是熱力學第一定律的主要內容．A、B兩球所處的環境初末狀態一致，故兩球的體積增量和溫度增量均相同，所以內能增量相同，選項B錯誤．但A球位于水中，B球位于水銀中，由于同一深度處水的壓強較小，故A球膨脹過程中對外做功較少，選項A錯誤，由ΔV＝W＋Q的關系可知，B球膨脹過程中對外做功較多，故B球膨脹過程中吸收熱量較多，選項D正確．
7．某一密閉容器中密封著一定質量的某種實際氣體，氣體分子間的相互作用力表現為引力．關于實際氣體的下列說法中正確的是(　　)
A．在完全失重的情況下，密閉容器內的氣體對器壁的頂部沒有作用力
B．若氣體膨脹對外界做功，則分子勢能一定增大
C．若氣體被壓縮，外界對氣體做功，則氣體內能一定增加
D．若氣體從外界吸收的熱量等于膨脹對外界做的功，則氣體分子的動能一定不變
【答案】B
【詳解】在完全失重的情況下，密閉容器內的氣體仍然有壓強，氣體對器壁的頂部有作用力，所以A錯誤；體積膨脹，分子間距離增大，分子力做負功，氣體的分子勢能增加，B正確；外界對氣體做功，但氣體有可能向外界放熱，所以內能的變化情況不能確定，C錯誤；氣體從外界吸收的熱量等于膨脹對外界做的功，所以內能不變，但分子勢能增大了，所以分子動能一定減小，即D錯誤．
8．(2011?通州檢測)把一定的熱量傳給一定量的氣體，則(　　)
A．該氣體的內能一定增加
B．該氣體的內能有可能減小
C．該氣體的壓強一定不會減小
D．該氣體的體積一定不會減小
【答案】B
【詳解】氣體吸收一定的熱量，可能同時對外做功．若氣體吸收的熱量小于氣體對外做的功，則內能將減少，所以A錯誤，B正確．氣體吸收熱量，可能同時對外做功，則氣體體積將增大，氣體分子密集程度變小，所以氣體壓強可能減小，C、D均錯誤．
9．(1)蒸汽機、內燃機等熱機以及電冰箱工作時都利用了氣體狀態變化來實現能量的轉移和轉化，我們把這些氣體稱為工質．某熱機經過一個循環后，工質從高溫熱源吸熱Q1，對外做功W，又對低溫熱源放熱Q2，工質完全恢復初始狀態，內能沒有變化．根據熱力學第一定律，在工質的一個循環中，Q1、Q2、W三者之間滿足的關系是________．熱機的效率η＝WQ1不可能達到100%，從能量轉換的角度，說明________能不能完全轉化為________能．
(2)如圖表示一定質量的某氣體在不同溫度下的兩條等溫線．圖中等溫線Ⅰ對應的溫度比等溫線Ⅱ對應的溫度要________(填“高”或“低”)．在同一等溫線下，如果該氣體的壓強變為原來的2倍，則氣體的體積應變為原來的________倍．
【答案】 (1)Q1－Q2＝W　內　機械　(2)低　1/2
【詳解】(1)本題考查熱力學第一定律．由熱力學第一定律可得，ΔU＝W＋Q，Q1－W－Q2＝0，Q1－Q2＝W.
(2)本題考查氣體定律．在兩等溫線上取體積相等的兩個狀態，可見等溫線Ⅰ的壓強小于等溫線Ⅱ的壓強，由pVT＝C可得，等溫線Ⅰ的溫度低于等溫線Ⅱ的溫度；在等溫條件下，可得如果氣體的壓強變為原來的2倍，則氣體的體積變為原來的1/2倍．
10．內壁光滑的導熱汽缸豎直浸入在盛有冰水混合物的水槽中，用不計質量的活塞封閉壓強為1.0×105 Pa，體積為2.0×10－3 m3的理想氣體，現在活塞上緩慢倒上沙子，使封閉氣體的體積變為原來的一半．
(1)求汽缸內氣體的壓強；
(2)若封閉氣體的內能僅與溫度有關，在上述過程中外界對氣體做功145 J，封閉氣體吸收還是放出熱量？熱量是多少？
【答案】(1)2.0×105 Pa　(2)放出熱量　145 J
【詳解】(1)封閉氣體做等溫變化，由玻意耳定律p1V1＝p2V2，
得氣體的壓強p2＝p1V1V2＝1×105×2×10－31×10－3 Pa＝2.0×105 Pa.
(2)因為氣體做等溫變化，所以內能不變，即ΔU＝0
根據熱力學第一定律ΔU＝W＋Q，
得熱量Q＝－W＝－145 J


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