热力学定律与能量守恒

第三节热力学定律与能量守恒

一、热力学第一定律和能量守恒定律

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．能的转化和守恒定律

(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)第一类永动机：违背能量守恒定律的机器被称为第一类永动机．它是不可能制成的．

1. (2014·高考广东卷)用密封性好、充满气体的塑料袋包裹易碎品，如图所示，充气袋四周被挤压时，假设袋内气体与外界无热交换，则袋内气体()

A．体积减小，内能增大

B．体积减小，压强减小

C．对外界做负功，内能增大

D．对外界做正功，压强减小

答案：AC

二、热力学第二定律

1．常见的两种表述

(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．

2．第二类永动机：违背宏观热现象方向性的机器被称为第二类永动机．这类永动机不违背能量守恒定律，但它违背了热力学第二定律，也是不可能制成的．

2.对热力学第二定律，下列理解正确的是()

A．自然界进行的一切宏观过程都是可逆的

B．自然界进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性，是不可逆的

C．热量不可能由低温物体传递到高温物体

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：BD

考点一对热力学第一定律的理解及应用

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．

2

3.

(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量．

(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量．

(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．

特别提醒：(1)做功与热传递在改变内能的效果上是相同的，但是从运动形式、能

量转化的角度上看是不同的：做功是其他形式的运动和热运动的转化，是其他形式的能与内能之间的转化；而热传递则是热运动的转移，是内能的转移．

(2)气体向真空中膨胀不做功．

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.

[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.

[答案](1)09 J(2)9 J 3 J

[总结提升](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．

(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．

1.如图所示，一定质量的理想气体由状态a沿abc变化到状态c，吸收了340 J的热量，并对外做功120 J．若该气体由状态a沿adc变化到状态c时，对外做功40 J，则这一过程中气体______(填“吸收”或“放出”)热量________J.

解析：对该理想气体由状态a沿abc变化到状态c，由热力学第一定律可得：ΔU＝Q－W＝340 J－120 J＝220 J，即从a状态到c状态，理想气体的内能增加了220 J；若该气体由状态a沿adc变化到状态c时，对外做功40 J，此过程理想气体的内能增加还是220 J，所以可以判定此过程是吸收热量，再根据热力学第一定律可得：ΔU＝Q′－W′，得Q′＝ΔU －W′＝220 J＋40 J＝260 J.

答案：吸收260

考点二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．

特别提醒：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也可以全部转化为机械能，如气体的等温膨胀过程．

3．两类永动机的比较

第一类永动机第二类永动机

不需要任何动力或燃料，却能不断地对外做功的机器从单一热源吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响的机器

违背能量守恒定律，不可能制

成不违背能量守恒定律，但违背热力学第二定律，不可能制成

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]选项A，内能的改变可以通过做功或热传递进行，故A正确；选项B，对某物体做功，物体的内能不一定增加，B错误；选项C，在引起其他变化的情况下，可以从单一热源吸收热量，将其全部变为功，C正确；选项D，在引起其他变化的情况下，可以使热量从低温物体传向高温物体，D错误；选项E，涉及热现象的宏观过程都具有方向性，故E正确．

[答案]ACE

[规律总结]热力学第一定律说明发生的任何过程中能量必定守恒，热力学第二定律说明并非所有能量守恒的过程都能实现．

(1)高温物体

热量Q能自发传给

热量Q不能自发传给

低温物体

(2)功

能自发地完全转化为

不能自发地完全转化为

热量

(3)气体体积V1

能自发膨胀到

不能自发收缩到

气体体积V2(较大)

(4)不同气体A和B

能自发混合成

不能自发分离成

混合气体AB

2.(2015·广东汕头模拟)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，茶会自动变得更热

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

解析：选C.茶不会自发地变得更热，选项A错误；无论什么样的热机，效率永远不会达到100%，选项B错误；热量不会自发地从低温物体传到高温物体，选项D错误．

方法技巧——气态方程与热力学第一定律的综合应用