第5讲 热力学定律与能量守恒定律 情境导思 如图所示,快速推动活塞对汽缸内气体做功10 J,气体内能改变了多少 若保持气体体积不变,汽缸向外界传递10 J的热量,气体内能改变了多少 若推动活塞对汽缸内气体做功10 J的同时,汽缸向外界传递10 J的热量,气体的内能改变了多少 【答案】 做功 热量 Q+W 转化 转移 转化 转移 不变 能量守恒定律 自发地 吸收 功 热力学第二定律 考点一 对热力学第一定律的理解和应用 1.对热力学第一定律的理解 (1)ΔU=W+Q中的正、负号法则。 项目 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 (2)做功情况看气体的体积变化: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。 (3)与外界绝热,则不发生传热,此时Q=0。 (4)如果研究对象是理想气体,因理想气体忽略分子势能,所以当它的内能变化时,体现在分子动能的变化上,从宏观上看就是气体温度发生了变化。 2.三种特殊情况 过程 含义 表达式 物理意义 绝热 Q=0 ΔU=W 外界对物体做的功等于物体内能的增加量 等容 W=0 ΔU=Q 物体吸收的热量等于物体内能的增加量 等温 ΔU=0 W=-Q 外界对物体做的功等于物体放出的热量 [例1] 【对热力学第一定律的理解】 (2024·安徽马鞍山期末)根据热力学定律,下列说法正确的是( ) [A] 气体被缓慢压缩时,内能可能不变 [B] 对能源的过度消耗使自然界的能量不断减少,形成“能源危机” [C] 一定质量的理想气体,在压强减小、体积增大时,一定从外界吸收热量 [D] 一定质量的理想气体,在温度降低、体积增大时,一定从外界吸收热量 【答案】 A 【解析】 由热力学第一定律知,改变内能的方法有热传递和做功,气体被缓慢压缩时,如果同时对外放热,气体内能可能不变,故A正确;能源有可利用能源和不可利用能源之分,总能量保持不变,我们应该节约使用的是可利用能源,故B错误;由理想气体状态方程=C可知,一定质量的理想气体,在压强减小、体积增大时,气体温度的变化无法判断,则无法判断气体内能的变化,无法确定气体与外界的热传递情况,故C错误;一定质量的理想气体,在温度降低、体积增大时,气体对外做功,气体内能减小,根据热力学第一定律ΔU=Q+W,Q的正负未知,气体吸热放热情况未知,故D错误。 [例2] 【热力学第一定律的应用】 (2024·河北石家庄阶段练习)压缩空气储能(CAES)是一种利用压缩空气来储存能量的新型储能技术,储能时利用多余电能将空气压缩并储存。需要发电的时候让压缩空气推动发电机工作,这种方式能够将压缩空气储能的效率提升。对于上述过程的理解,下列说法正确的是( ) [A] 绝热压缩空气,分子平均动能不变 [B] 绝热压缩空气,温度升高,气体内能一定增大 [C] 该方式能够将压缩空气储能的效率提升到100% [D] 压缩空气推动发电机工作,是气体对外做功,内能增大 【答案】 B 【解析】 绝热压缩空气前、后,外界对气体做功,根据热力学第一定律,内能增大,温度升高,分子平均动能增大,选项A错误,B正确;压缩空气储能的过程涉及能量转化过程,任何转化过程效率都不可能达到100%,选项C错误;压缩空气膨胀推动发电机工作,是气体体积增大对外做功,根据热力学第一定律可知,内能减少,选项D错误。 考点二 对热力学第二定律的理解和应用 1.对热力学第二定律关键词的理解 (1)“自发地”指明了传热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”是指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的宏观过程的方向性,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。 3.两类永动机的比较 项目 第一类 ... ...
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