物理选修3-3热力学定律与能量守恒

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

W Q ΔU

意义

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．

————————————

(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

————————————

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

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

不能自发地且不能完全转化为

热．

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.

————————————

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

————————————

(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