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1、第3节 热力学定律与能量守恒定律,-2-,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:U=Q+W,-3-,二、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。 3.第一类永动机是不可能制成的,它违背了能量守恒定律 。,-4-,三、热力
2、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。 4.第二类永动机不可能制成的原因是违背了热力学第二定律 。,-5-,1.在热力学第二定律中“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。在借助外界提供能量的帮助下,热
3、量可以由低温物体传到高温物体吗?请举例。 提示：可以。如冰箱、空调。 2.在热力学第二定律中“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。在引起其他变化的条件下内能可以全部转化为机械能吗?请举例。 提示：可以。如气体的等温膨胀过程。,-6-,考点一,考点二,考点三,热力学第一定律与能量守恒定律(自主悟透) 1.热力学第一定律的意义 不仅反映了做功和热传递这两种改变内能的方式是等效的,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U=Q+W符号的规定,-7-,考点一,考点二,考点三,3.几种特殊情况 (1
4、)若过程是绝热的,则Q=0,W=U,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=U,物体吸收的热量等于物体内能的增加量。 (3)若过程的始末状态物体的内能不变,即U=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。,-8-,考点一,考点二,考点三,突破训练 1.(多选)(2017全国卷)如图所示,用隔板将一绝热汽缸分成两部分,隔板左侧充有理想气体,隔板右侧与绝热活塞之间是真空。现将隔板抽开,气体会自发扩散至整个汽缸。待气体达到稳定后,缓慢推压活塞,将气体压回到原来的体积。假设整个系统不漏气。下列说法正确的是( ) A.气体自发扩散前后内能相同
5、B.气体在被压缩的过程中内能增大 C.在自发扩散过程中,气体对外界做功 D.气体在被压缩的过程中,外界对气体做功 E.气体在被压缩的过程中,气体分子的平均动能不变,答案,解析,-9-,考点一,考点二,考点三,2.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U1; (2)从状态A到状态B的过程,该气
6、体内能的增量U2及其从外界吸收的热量Q2。,答案,解析,-10-,考点一,考点二,考点三,特别提醒应用热力学第一定律的三点注意 1.做功看体积: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。气体向真空中自由膨胀,对外界不做功,W=0。 2.与外界绝热,则不发生热传递,此时Q=0。 3.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。,-11-,考点一,考点二,考点三,热力学第二定律(师生共研) 1.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
7、及热现象的宏观过程都具有方向性。 2.两类永动机的比较,-12-,考点一,考点二,考点三,例1(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,答案,解析,-13-,考点一,考点二,考点三,例2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
8、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,答案,解析,-14-,考点一,考点二,考点三,规律总结热力学过程方向性实例,-15-,考点一,考点二,考点三,突破训练 3.(多选)以下哪个现象不违背热力学第二定律( ) A.一杯热茶在打开盖后,茶会自动变凉 B.没有漏气、没有摩擦的理想热机,其效率可能是100% C.桶中浑浊的泥水在静置一段时间后,泥沙下沉,上面的水变清,泥、水自动分离 D.热量自发地从低温物体传到高温物体 E.在地面上运动的物体逐渐停下来,
9、机械能全部变为内能,答案,解析,-16-,考点一,考点二,考点三,热力学定律与气体实验定律的综合应用(师生共研),-17-,考点一,考点二,考点三,例3一定质量的理想气体,状态从ABCDA的变化过程可用如图所示的p-V图描述,图中p1、p2、V1、V2和V3为已知量。 (1)气体状态从A到B是 (选填“等容”“等压”或“等温”)过程; (2)状态从B到C的变化过程中,气体的温度 (选填“升高”“不变”或“降低”); (3)状态从C到D的变化过程中,气体 (选填“吸热”或“放热”); (4)状态从ABCD的变化过程中,气体对外界所做的总功为 。,答案,解析,-18-,考点一,考点二,考点三,思维
10、点拨(1)根据p-V图像分析各过程中气体的p、V的变化情况,由 =C分析T的变化情况。 (2)根据V、T的变化情况分析做功W和气体内能的变化U,由U=W+Q分析吸、放热情况。 方法归纳对于一定质量的理想气体,状态发生变化时,必然要涉及做功、热传递、内能的变化,利用气体状态方程(或实验定律)与热力学第一定律解决这类问题的一般思路如下:,-19-,考点一,考点二,考点三,突破训练 4.(多选)(2018全国卷)如图,一定量的理想气体从状态a变化到状态b,其过程如p-V图中从a到b的直线所示。在此过程中( ) A.气体温度一直降低 B.气体内能一直增加 C.气体一直对外做功 D.气体一直从外界吸热
11、E.气体吸收的热量一直全部用于对外做功,答案,解析,-20-,考点一,考点二,考点三,5.如图所示,汽缸内封闭一定质量的某种理想气体,活塞通过滑轮和一重物连接并保持平衡,已知活塞距缸口h=50 cm,活塞面积S=10 cm2,封闭气体的体积为V1=1 500 cm3,温度为0 ,大气压强p0=1.0105 Pa,重物重力G=50 N,活塞重力及一切摩擦不计。缓慢升高环境温度,封闭气体吸收了Q=60 J的热量,使活塞刚好升到缸口,整个过程重物未触地。求: (1)活塞刚好升到缸口时,气体的温度; (2)汽缸内气体对外界做的功; (3)气体内能的变化量。,-21-,考点一,考点二,考点三,解析：(1)封闭气体的初态:V1=1 500 cm3,T1=273 K 末态:V2=1 500 cm3+5010 cm3=2 000 cm3,解得T2=364 K。 (2)设封闭气体做等压变化时的压强为p 对活塞:p0S=pS+G 汽缸内气体对外界做功W=pSh 解得W=25 J。 (3)由热力学第一定律得,汽缸内气体内能的变化量U=Q-W 得U=35 J 故汽缸内气体的内能增加了35 J。 答案：(1)364 K (2)25 J (3)35 J,