第11章 第3课时第3课时 热力学定律.docx
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第11章第3课时第3课时热力学定律
第3课时 热力学定律
导学目标
1.理解热力学第一定律，能运用其解释自然界能量的转化、转移问题.2.了解热力学第二定律，能运用其解释第二类永动机不能制成的原因以及自然界能量转移、转化的方向性问题．
一、热力学第一定律与能量守恒定律
[基础导引]
1．用活塞压缩汽缸里的空气，对空气做了900J的功，同时汽缸向外散热210J，汽缸里空气的内能改变了多少？
图1
2．如图1，在汽缸内活塞左边封闭着一定量的空气，压强和大
气压相同．把汽缸和活塞固定，使汽缸内空气升高一定的温
度，空气吸收的热量为Q1.如果让活塞可以自由滑动（活塞与
汽缸间无摩擦、无漏气），也使汽缸内空气温度升高相同温度，其吸收
的热量为Q2.Q1和Q2哪个大些？
[知识梳理]
1．物体内能的改变
（1）________是其他形式的能与内能的相互转化过程，内能的改变量可用________的数值来量度．
（2）________是物体间内能的转移过程，内能转移量用________来量度．
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________________与外界对它所__________的和．
（2）表达式：
ΔU＝________.
3．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，这就是能量守恒定律．
（2）任何违背能量守恒定律的过程都是不可能的，不消耗能量而对外做功的第一类永动机是不可能制成的．
二、热力学第二定律
[基础导引]
以下哪些现象能够发生？
哪些不能发生？
不能够发生的现象是否违背热力学第二定律？
A．一杯热茶在打开杯盖后，茶会自动变得更热．
B．蒸汽机把蒸汽的内能全部转化成机械能．
C．桶中混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．电冰箱通电后把箱内低温物体的热量传到箱外高温物体．
[知识梳理]
1．两种表述
（1）第一种表述：
热量不能自发地从____________物体传到________物体（克劳修斯表
述）．
（2）第二种表述：
不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成____，而不产生其他
影响（开尔文表述）．
2．第二类永动机是指设想只从单一热源吸收热量，使之完全变为有用的功而不引起其他变化的热机．这类永动机不可能制成的原因是违反了________________．
考点一 对热力学第一定律的理解与应用
考点解读
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．对公式ΔU＝Q＋W符号的规定
符号
W
Q
ΔU
＋
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
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．
典例剖析
例1 在温度均匀的液体中，一个小气泡由液体的底层缓慢地升到液面，上升过程中气泡的体积不断地增大，如将泡内气体看作理想气体，则气泡在浮起的过程中（ ）
A．放出热量B．吸收热量
C．不吸热也不放热D．无法判断
方法突破 解决有关热力学第一定律问题的思路：
分析题干确定内能改变的方式（Q、W）→判断W、Q的符号→代入公式ΔU＝Q＋W→得出结论．
跟踪训练1 若一气泡从湖底上升到湖面的过程中温度保持不变，若将气泡内的气体视为理想气体，气泡从湖底上升到湖面的过程中，对外界做了0.6J的功，则此过程中的气泡______（填“吸收”或“放出”）的热量是________J．气泡到达湖面后，温度上升的过程中，又对外界做了0.1J的功，同时吸收了0.3J的热量，则此过程中，气泡内气体内能增加了________J.
考点二 对热力学第二定律的理解
考点解读
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，违背热力学第二定律，不可能制成
典例剖析
例2 根据热力学第二定律，下列说法中正确的是（ ）
A．热量能够从高温物体传到低温物体，但不能从低温物体传到高温物体
B．热量能够从高温物体传到低温物体，也可能从低温物体传到高温物体
C．机械能可以全部转化为内能，但内能不可能全部转化为机械能
D．机械能可以全部转化为内能，内能也可能全部转化为机械能
跟踪训练2 关于第二类永动机，下列说法正确的是（ ）
A．能将从单一热源吸收的热量全部用来做功，而不引起其他变化的热机叫做第二类永动机
B．第二类永动机违反了能量守恒定律，所以不可能制成
C．第二类永动机不可能制成，说明机械能可以全部转化为内能，内能却不可能全部转化为机械能
D．第二类永动机不可能制成，说明机械能可以全部转化为内能，内能却不可能在不引起其他变化的同时全部转化为机械能
13.热力学定律与理想气体模型
例3
（1）下列说法正确的是________．
A．由阿伏加德罗常数、气体的摩尔质量和密度，可以估算该种气体分子的大小
B．悬浮在液体中的固体微粒越小，布朗运动就越明显
C．分子间的引力随分子间距离的增大而增大，分子间斥力随分子间距离的增大而减小
D．根据热力学第二定律可知，热量不可能从低温物体传到高温物体
图2
（2）如图2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0.2m，活塞面积
10cm2，大气压强1.0×105Pa，物重50N，活塞质量及一切摩擦不
计，缓慢升高环境温度，使活塞刚好升到缸口，封闭气体吸收了
60J的热量，则封闭气体的压强将____（选填“增加”、“减小”
或“不变”），气体内能变化量为____J.
建模感悟 运用热力学第一定律确定气体内能的变化，既要分析做功又要分析热传递．一般情况下，我们可以根据气体体积膨胀还是压缩来确定气体对外界做功还是外界对气体做功，而体积变化往往要根据状态参量之间的关系来确定．吸热、放热则不能根据温度的变化来确定．对于理想气体，可以直接根据温度的变化来确定内能的变化．吸、放热不能直接确定时，则要放在最后，根据热力学第一定律来确定．必须指出的是，一般来说系统对外界做功，表现出系统体积膨胀；外界对系统做功，系统体积则被压缩．但在某些特定条件下，例如气体自由膨胀（外界为真空）时，气体就没有克服外力做功．另外，在判断内能变化时，还必须结合物态变化以及能的转化与守恒来进行．
跟踪训练3 （2010·江苏单科·12A）
（1）在将空气压缩装入气瓶的过程中，温度保持不变，外界做了24kJ的功．现潜水员背着该气瓶缓慢地潜入海底，若在此过程中，瓶中空气的质量保持不变，且放出了5kJ的热量．在上述两个过程中，空气的内能共减小________kJ，空气________（选填“吸收”或“放出”）的总热量为________kJ.
（2）已知潜水员在岸上和海底吸入空气的密度分别为1.3kg/m3和2.1kg/m3，空气的摩尔质量为0.029kg/mol，阿伏加德罗常数NA＝6.02×1023mol－1.若潜水员呼吸一次吸入2L空气，试估算潜水员在海底比在岸上每呼吸一次多吸入空气的分子数．（结果保留一位有效数字）
A组 热力学定律理解和应用
1.图3为焦耳实验装置图，用绝热性能良好的材料将容
器包好，重物下落带动叶片搅拌容器里的水，引起水
温升高．关于这个实验，下列说法正确的是（ ）
A．这个装置可测定热功当量
B．做功增加了水的热量
图3
C．做功增加了水的内能
D．功和热量是完全等价的，无区别
2．有以下说法：
A．气体的温度越高，分子的平均动能越大
B．即使气体的温度很高，仍有一些分子的运动速率是非常小的
C．对物体做功不可能使物体的温度升高
D．如果气体分子间的相互作用力小到可以忽略不计，则气体的内能只与温度有关
图4
E.一个由不导热的器壁做成的容器，被不导热的隔板分成甲、
乙两室．甲室中装有一定质量的温度为T的气体，乙室为真
空，如图4所示．提起隔板，让甲室中的气体进入乙室．若
甲室中的气体的内能只与温度有关，则提起隔板后当气体重
新达到平衡时，其温度仍为T.
F．空调机作为制冷机使用时，将热量从温度较低的室内送到温度较高的室外，所以制
冷机的工作是不遵守热力学第二定律的
G．对于一定量的气体，当其温度降低时，速率大的分子数目减少，速率小的分子数目增加
H．从单一热源吸取热量使之全部变成有用的机械功是不可能的
其中正确的是______________．
B组 热力学定律与理想气体组合应用
3．对一定质量的气体，下列说法正确的是（ ）
A．在体积不断增大的过程中，气体一定对外界（外界不为真空）做功
B．在压强不断增大的过程中，外界一定对气体做功
C．在体积不断被压缩的过程中，内能一定增加
D．在与外界没有发生热量交换的过程中，内能一定不变
4．
（1）下列关于气体的描述正确的是（ ）
A．物体的温度越高，分子热运动越剧烈，分子平均动能越大
B．布朗运动就是液体分子的热运动
C．对一定质量的气体加热，其内能一定增加
D．分子间的引力和斥力同时存在
（2）有一传热良好的圆柱形汽缸置于水平地面上，并用一光滑的质量为M的活塞密封一定质量的理想气体，活塞面积为S.开始时汽缸开口向上（如图5甲），已知外界大气压强为p0，被封气体的体积为V0.
①求被封气体的压强；
②现将汽缸倒置（如图乙），待系统重新稳定后，活塞移动的距离是多少？
图5
图6
5．
（1）某学习小组做了如下实验：
先把空的烧瓶放入冰箱冷冻，待冷却
后取出烧瓶．并迅速把一个小气球紧套在烧瓶颈上，封闭了一部分
气体（视为理想气体），然后将烧瓶放进盛有热水的烧杯里，气球逐
渐膨胀起来，如图6所示．在气球膨胀过程中，该密闭气体组成的
系统内能______（选填“增加”、“减少”或“不变”）；大气压力对气体做功为
______功（选填“正”、“负”或“零”）．
（2）在如图7所示的汽缸中封闭着温度为100℃的空气，一重物用
绳索经滑轮与汽缸中活塞相连接，重物和活塞均处于平衡状
态，这时活塞离汽缸底的高度为10cm.如果汽缸内空气变为0
℃，问：
图7
①重物是上升还是下降？
②这时重物将从原处移动多少厘米？
（设活塞与汽缸壁间无摩擦）
课时规范训练
（限时：
45分钟）
一、选择题
1.如图1所示，绝热容器中间用隔板隔开，左侧装有气体，右侧为
真空，现将隔板抽掉，让左侧气体自由膨胀到右侧直至平衡，在
图1
此过程中（ ）
A．气体对外界做功，温度降低，内能减少
B．气体对外界做功，温度不变，内能不变
C．气体不做功，温度不变，内能不变
D．气体不做功，温度不变，内能减少
2．密闭有空气的薄塑料瓶因降温而变扁，此过程中瓶内空气（不计分子势能）（ ）
A．内能增大，放出热量
B．内能减小，吸收热量
C．内能增大，对外界做功
D．内能减小，外界对其做功
3．如图2所示，A、B两点表示一定质量的某种理想气体的两个状态，
当气体从状态A变化到状态B时（ ）
图2
A．体积必然变大
B．有可能经过体积减小的过程
C．外界必然对气体做正功
D．气体必然从外界吸热
4．以下说法中正确的是（ ）
A．熵增加原理说明一切自然过程总是向着分子热运动的无序性减小的方向进行
B．在绝热条件下压缩气体，气体的内能一定增加
C．布朗运动是在显微镜中看到的液体分子的无规则运动
D．水可以浸润玻璃，但是不能浸润石蜡，这个现象表明一种液体是否浸润某种固体与这两种物质的性质都有关系
5．图3为电冰箱的工作原理示意图．压缩机工作时，强迫制冷剂在冰箱内外的管道中不断循环．在蒸发器中制冷剂汽化吸收箱体内的热量，经过冷凝器时制冷剂液化，放出热量到箱体外．下列说法正确的是（ ）
图3
A．热量可以自发地从冰箱内传到冰箱外
B．电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界，是因为其消耗了电能
C．电冰箱的工作原理不违反热力学第一定律
D．电冰箱的工作原理违反热力学第一定律
6．根据热力学定律和分子动理论，可知下列说法正确的是（ ）
A．可以利用高科技手段，将流散到环境中的内能重新收集起来加以利用而不引起其他变化
B．理想气体状态变化时，温度升高，气体分子的平均动能增大，气体的压强可能减小
C．布朗运动是液体分子的运动，温度越高布朗运动越剧烈
D．利用浅层海水和深层海水之间的温度差可以制造一种热机，将海水的一部分内能转化为机械能，这在原理上是可行的
图4
7.固定的水平汽缸内由活塞B封闭着一定量的理想气体，气体分
子之间的相互作用力可以忽略．假设汽缸壁的导热性能很好，
环境的温度保持不变．若用外力F将活塞B缓慢地向右拉动，
如图4所示，则在拉动活塞的过程中，关于汽缸内气体的下列
结论，其中正确的是（ ）
A．气体对外做功，气体内能不变
B．气体对外做功，气体内能减小
C．外界对气体做功，气体内能不变
D．气体从外界吸热，气体内能减小
二、非选择题
8．
（1）根据热力学定律和分子动理论可知，下列说法正确的是________（填入正确选项前的字母）．
A．能量耗散说明能量不守恒
B．0°C的冰融化为0°C的水时，分子平均动能不变
C．空气压缩到一定程度很难再压缩是因为分子间存在斥力的作用
D．理想气体状态变化时，温度升高，气体分子的平均动能增大，气体的压强可能减小
（2）如图5所示，一定质量的理想气体，处在状态A时，温度为tA
＝27℃，求：
①气体在状态B时的温度；
图5
②气体从状态A等容变化到状态M，再等压变化到状态B的过程
中对外所做的功为多少焦耳．（取1atm＝1.0×105Pa）
9．
（1）以下说法正确的是______．
A．当两个分子间的距离为r0（平衡位置）时，分子势能最小
B．布朗运动反映了花粉小颗粒内部分子的无规则运动
C．一滴油酸酒精溶液体积为V，在水面上形成的单分子油膜面积为S，则油酸分子的直径d＝
D．温度、压力、电磁作用等可以改变液晶的光学性质
（2）如图6所示，一直立的汽缸用一质量为m的活塞封闭一定量的理想
气体，活塞横截面积为S，汽缸内壁光滑且缸壁是导热的．开始活塞
被固定，打开固定螺栓K，活塞上升，经过足够长时间后，活塞停在
图6
B点，则活塞停在B点时缸内封闭气体的压强为__________，在该过
程中，缸内气体________（填“吸热”或“放热”）．（设周围环境温度
保持不变，已知AB＝h，大气压强为p0，重力加速度为g）
（3）“水立方”国家游泳中心是北京为2008年夏季奥运会修建的主游泳馆．水立方游泳馆有8条泳道的国际标准比赛用游泳池，游泳池长50m、宽25m、水深3m．设水的摩尔质量为M＝1.8×10－2kg/mol，试估算该游泳池中水分子数．
图7
10．如图7所示，两个壁厚可忽略的圆形金属筒套在一起，底部到顶
部的高度为20cm，两者的横截面积相等，光滑接触且不漏气．将
A系于天花板上，用一块绝热板托住B，使它们内部密封的理想
气体压强与外界压强相等，均为1.1×105Pa，然后缓慢松开绝热
板，让B下沉，当B下沉2cm时，停止下沉并处于静止状态．不
计B筒重力，求：
（1）此时金属筒内气体压强；
（2）若此过程中气体对外做功10J，则气体吸热还是放热？
并求其数值．
11．
（1）下列说法正确的是（ ）
A．布朗运动虽然不是液体分子的运动，但是它可以说明分子在永不停息地做无规则运动
B．只要知道水的摩尔质量和水分子的质量，就可以计算出阿伏加德罗常数
C．在使两个分子间的距离由很远（r>10－9m）减小到很难再靠近的过程中，分子间作用力先减小后增大；分子势能不断增大
D．在温度不变的条件下，增大饱和汽的体积，就可减小饱和汽的压强
图8
（2）如图8所示，一圆柱形绝热汽缸竖直放置，通过绝热活塞封
闭着一定质量的理想气体．活塞的质量为m，横截面积为S，与
容器底部相距h.现通过电热丝缓慢加热气体，当气体吸收热量Q
时，活塞上升了h，此时气体的温度为T1.已知大气压强为p0，
重力加速度为g，不计活塞与汽缸的摩擦．求：
①加热过程中气体的内能增加量；
②现停止对气体加热，同时在活塞上缓慢添加砂粒，当添加砂粒的质量为m0时，活塞恰好回到原来的位置，求此时气体的温度．
复习讲义
基础再现
一、
基础导引 1.内能增加了690J
2．Q2>Q1
知识梳理 1.
（1）做功 做功
（2）热传递
热量 2.
（1）传递的热量 做的功
（2）Q＋W
二、
基础导引 见解析
解析 A．不可能．因为是“自动”过程，所以茶变热时的内能增量只能来源于周围环境，即周围环境中的热量会自动地收集到茶中，违背热力学第二定律，所以这是不可能发生的现象．
B．不可能．蒸汽的内能转化为机械能必定需要做功，即热蒸汽推动活塞做功．这一过程中，一方面由于活塞摩擦汽缸而产生热能，另一方面热蒸汽与周围环境存在温度差，蒸汽机会向周围环境散热．所以，蒸汽机把蒸汽的内能全都转化为机械能，违背热力学第二定律，是不可能的．
C．可能．浑水变清，泥沙下沉，重心下降，总的重力势能减少，最终转化为内能，而机械能百分百转化成内能是可能的．
D．可能．冰箱通电后，消耗电能，将箱内低温物体的热量传到箱外．
知识梳理 1.
（1）低温 高温
（2）功
2．热力学第二定律
课堂探究
例1 B
跟踪训练1 吸收 0.6 0.2
例2 BD
跟踪训练2 AD
例3
（1）B
（2）不变 50
跟踪训练3
（1）5 放出 29 （3）3×1022
分组训练
1．AC
2．ABEG
3．A
4．
（1）AD
（2）①
②
5．
（1）增加 负
（2）①上升 ②2.7cm
课时规范训练
1．C
2．D
3．ABD
4．BD
5．BC
6．BD
7．A
8．
（1）BD
（2）①－33℃ ②300J
9．
（1）AD
（2）p0＋
吸热 （3）1.3×1032个
10．
（1）1×105Pa
（2）吸热 10J
11．
（1）AB
（2）①Q－（p0S＋mg）h
②
（1＋
）T1
升级会员 