热力学定律和能量守恒

热量表示 热传递过程中内 能的改变量，用 来量度热传递过 程中内能转移的 多少
做功过程 是机械能或其他 形式的能和内能 之间的转化过程
义
联
温度和内能是状态量，热量和功则是过程量．发生热传递的前
系 提条件是存在温差，传递的是热量而不是温度，实质上是内能的转移
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(1)远古时代，取火是一件困难的事，火一般产生于雷击或磷的 自燃．随着人类文明的进步，出现了“钻木取火”等方法．“钻木取火” 是通过__________方式改变物体的内能，把__________转变成内能．
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[解析] (1)“钻木”的过程是做功的过程，是把机械能转化为内 能的过程．
(2)烧瓶里的气体吸收热量后，由热力学第一定律知，气体的内能 增加，因而温度升高，体积增大．
[答案] (1)做功 机械能 (2)热量 升高 增大
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要点二 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．对公式ΔU＝Q＋W符号的规定
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问题探究 热量是能量吗？热量跟内能的关系怎样？ [提示] (1)热传递是改变内能的物理方式之一，热传递的过程是 物体间内能转移的过程．(2)内能的变化用热量来量度，热量总是跟热 传递过程相对应的，没有热传递过程就谈不上热量这一概念．因此热量 是一个过程量．(3)热量和功类似，打一比方说，热量和功相当于一种 量度工具，就象米尺可以测量物体的长度一样，米尺并不等于要测量的 物体，如果你不进行测量，根本就谈不上测量工具了．所以说功是不同 形式能量转化的量度，功不是能量；同样，热量是物体内能转移的量 度．热量也不是热能(内能)．
[答案] B
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题型二 热学问题与能量观点的结合 例2 (12分)如右图所示，内壁光滑的圆柱形汽缸竖直固定在水平 地面上，汽缸开口向上，一面积为0.01 m2的活塞密封了一定的空气，在 活塞的上方竖直固定一支架，在支架的O点通过细线系一质量为m＝8 k g的球，球心到O点的距离为L＝2 m．活塞与支架的总质量为M＝12 kg， 已知当地的重力加速度g＝10 m/s2，大气压强p0＝1.0×105 Pa，汽缸和 活塞都是绝热的．现将细线拉直到水平，稳定后由静止释放球，当球第 一次运动到最低点时，活塞下降了h＝0.2 m且恰好速度为零，此时细线 中的拉力为F＝252 N．求球由静止释放到第一次运动到最低点的过程中 汽缸中的气体增加的内能ΔE.
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(对应学生用书P202) 要点一 对改变内能的两种方式的进一步理解 1.对两种方式的理解 (1)“等效”的意义：在改变物体的内能上做功和热传递可以起到 同样的效果，即要使物体改变同样的内能，通过做功或者热传递都可以 实现．若不知道过程，我们无法分辨出是通过做功还是热传递实现的这 种改变．
[答案] D
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(对应学生用书P203)
题型一 用热力学第一定律分析气体内能变化的综合问题 (1)判断外界对气体做功还是气体对外做功，只要抓住气体的体积 变化情况即可确定：体积减小，外界对气体做功，体积增大，则气体对 外界做功． (2)对不计分子势能(或理想气体)的气体，判断内能的增减，只需 看气体的温度升高与降低即可．温度升高，内能增加，反之内能减少． (3)做功和热传递都可以改变物体的内能，决不能只由某一种过程 (做功或热传递)来判断内能的增减．
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例1 (2010·重庆)给旱区送水的消防车停于水平地面，在缓慢放 水过程中，若车胎不漏气，胎内气体温度不变，不计分子势能，则胎内 气体( )
A．从外界吸热 B．对外界做负功 C．分子平均动能减小 D．内能增加 [思路诱导] (1)气体压强的变化及温度的宏观意义． (2)应用理想气体状态方程与热力学第一定律，分析做功及内能变 化情况．
A．外界对气体做功，气体内能增大 B．外界对气体做功，温度计示数不变 C．外界对气体做功，温度计示数减小 D．外界对气体做功，温度计示数增大
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[解析] 题中“导热良好的汽缸”和“细沙缓慢漏出”表明缸内气 体温度不变，等于环境温度，所以温度计示数不变，气体内能不变，细 沙漏出的过程活塞向上移动，外界对气体做功，B正确．
符 号
＋
－
W
外界对物体 做功 物体对外界 做功
Q
物体吸收 热量 物体放出 热量
ΔU
内 能增加
内 能减少
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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． (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． (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．
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二、热力学定律与能量守恒定律 1．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)符号法则
符 号
＋
－
W
外界对物体 做功 物体对外界 做功
Q
物体吸收 热量 物体放出 热量
ΔU
内 能增加
内 能减少
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(4)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． 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． 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． 2．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 中其总量保持不变．
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3．热力学第二定律 (1)表述方式 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开尔文的表述：不可能从单一热源吸收热量，使之完全变成功， 而不产生其他影响． (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．
(2)某同学做了一个小实验：先把空的烧瓶放入冰箱冷冻，一小时 后取出烧瓶，并迅速把一个气球紧密地套在瓶颈上，然后将烧瓶放进盛 满热水的烧杯里，气球逐渐膨胀起来，如右图所示．这是因为烧瓶里的 气体吸收了水的______________，温度______________，体积________ ______．
[答案] A
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一物理爱好者利用如图所示的装置研究气体压强、体积、温度三 者之间的关系．导热良好的汽缸开口向下，内有理想气体，汽缸固定不 动，缸内活塞可自由移动且不漏气．一温度计通过缸底小孔插入缸内， 插口处密封良好，活塞下挂一个沙桶，沙桶装满沙子时活塞恰好静止， 现给沙桶底部钻一个小洞，细沙缓慢漏出，外部温度恒定不变，则 ()
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下列说法中正确的是( ) A．热量不能由低温物体传递到高温物体 B．外界对物体做功，物体的内能必定增加 C．第二类永动机不可能制成，是因为违反了能量守恒定律 D．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
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[解析] 根据热力学第二定律，热量不能自发地由低温物体传递到 高温物体，但在一定条件下，热量可以由低温物体传向高温物体，例如 电冰箱的工作过程，故选项A错误；根据热力学第一定律，物体内能的 变化取决于吸收或放出的热量和做功的正负两个因素，所以选项B错误； 第二类永动机不违反能量守恒定律，而违反了热力学第二定律，选项C 错误；选项D是热力学第二定律的表述形式之一，是正确的．
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一、改变内能的两种方式的比较
(对应学生用书P202)
名称 比较 项目
做功
热传递
在绝热过程中，外界对 内能 物体做功，物体的内能增加； 变化 物体对外界做功，物体的内能
减少
在单纯的热传递过程中 ，物体吸收热量，内能增加； 物体放出热量，内能减少
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(1)应用热力学第一定律时要明确研究的对象是哪个物体或者是哪 个热力学系统．
(2)应用热力学第一定律计算时，要依照符号法则代入数据．对结 果的正、负也同样依照规则来解释其意义．
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一定质量的气体，在从一个状态变化到另一个状态的过程中，吸 收热量280 J，并对外做功120 J．试问：
(2)由于气体的内能仅与状态有关，所以气体从②状态回到①状态 过程中内能的变化应等于从①状态到②状态过程中内能的变化，则从② 状态到①状态的内能应减少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
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要点三
对热力学第二定律的理解
1.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
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2．温度、内能、热量、功的比较
概 念
温度
内能
热量
功
表示物体
义
的冷热程度，是 物体分子平均动 含能它大是小大的量标分志子，热 运动的集体表现 ，对个别分子来 说，温度没有意
物体内所 有分子热运动动 能和分子势能的 总和，它是由大 量分子的热运动 和分子的相互位 置所决定的能
(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 内能增加了160 J
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(2)做功和热传递的本质区别 ①从运动形式上看：做功是宏观的机械运动向物体的微观分子热 运动的转化；热传递则是通过分子之间的相互作用，使同一物体的不同 部分或不同物体间的分子热运动发生变化，是内能的转移． ②从能量的角度看：做功是其他形式的能向内能的转化过程，热 传递是内能之间的转移，前者能的性质发生了变化，后者能的性质不 变．
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[尝试解答] 根据 p＝p0＋MSg可知，当车的载重减小时，胎内气体 的压强减小，而胎内气体温度不变，由于胎内的气体不计分子间的势能， 故可视为理想气体．由一定质量的理想气体状态方程pV＝恒量可知，胎
T 内气体的体积增大，胎内气体对外界做正功，B 错误；由于胎内气体的 温度不变，所以气体的平均分子动能不变，胎内气体的内能不变， C、 D 错误；由热力学第一定律 ΔE＝W＋Q 可知，气体从外界吸热，A 正 确．
物理
其他形式的能与内能之
不同物体间或同一物体
实质 间的转化
的不同部分之间内能的转移
相互
Байду номын сангаас
做一定量的功或传递一定量的热在改变内能的效果上是相
联系 同的
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(1) 当 一 个 系 统 的 内 能 发 生 改 变 时 ， 必 然 伴 随 着 做 功 或 热 传 递 现 象．
(2)当一个系统的内能发生改变时，其原因可能是由做功引起的， 也可能是由热传递引起的，还可能是两种情况同时发生．
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．
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热量不可能自发地从低温物体传到高温物体，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．