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第三章 熱力學定律
人教版 選擇性必修第三冊
（復習與提升）
目錄
CONTENTS
1
知識清單
2
重點突破
3
物理模型歸納
4
熱學規律的選用
01
知識清單
知識清單
內能
功和內能：在絕熱情況下， 是內能變化的量度
熱量和內能：只發生傳熱時，熱量是 變化的量度做功和傳熱在改變內能上是 的
熱力學第一定律
內容：一個熱力學系統的內能變化量等于外界向它
傳遞的熱量與外界對它所做的功的和
表達式：ΔU＝ ＋___
功
Q
W
內能
等價
知識清單
能量守恒定律
能量守恒定律
第一類永動機不能制成的原因：違背_____________
熱力學第二定律
克勞修斯表述：_______________________________
_______
開爾文表述：_________________________________
___________________________
第二類永動機不能制成的原因：違背了___________
_____
能源是有限的
能量守恒定律
熱量不能自發地從低溫物體傳到高
溫物體
不可能從單一熱庫吸收熱量，使之完
全變成功，而不產生其他影響
定律
熱力學第二
02
重點突破
熱力學第一定律與能量守恒定律
1.熱力學第一定律的理解
(1)內能的變化常用熱力學第一定律進行分析。
(2)做功情況看氣體的體積：體積增大，氣體對外做功，W為負；體積縮小，外界對氣體做功，W為正。
(3)與外界絕熱，則不發生傳熱，此時Q＝0。
(4)如果研究對象是理想氣體，因理想氣體忽略分子勢能，所以當它的內能變化時，體現在分子動能的變化上，從宏觀上看就是溫度發生了變化。
熱力學第一定律與能量守恒定律
2.三種特殊情況
(1)若過程是絕熱的，則Q＝0，W＝ΔU，外界(物體)對物體(外界)做的功等于物體內能的增加(減少)。
(2)若過程中不做功，即W＝0，則Q＝ΔU，物體吸收(放出)的熱量等于物體內能的增加(減少)。
(3)若在過程的初、末狀態，物體的內能不變，即ΔU＝0，則W＋Q＝0或W＝－Q，外界(物體)對物體(外界)做的功等于物體放出(吸收)的熱量。
【例題】如圖所示，、 是兩個完全相同的球，分別浸沒在水和水銀的同一深度處，、 兩球用同一種材料制成，當溫度稍微升高時，球的體積會明顯變大，如果開始水和水銀的溫度相同，且兩液體溫度同時緩慢升高到同一值，兩球膨脹后，體積相等，仍浸沒在液體中，深度相同。則( )
熱力學第一定律與能量守恒定律
B
A. 球吸收的熱量較多 B. 球吸收的熱量較多
C. 兩球吸收的熱量一樣多 D. 兩球對外做的功一樣多
【例題】 (2023·天津卷，2)如圖是爬山所帶的氧氣瓶，爬高過程中，氧氣瓶里的氣體體積和質量均不變，溫度降低，則氣體(　　)
A.對外做功 B.內能減少
C.吸收熱量 D.壓強不變
熱力學第一定律與能量守恒定律
B
解析：爬高過程中，氣體的體積保持不變，則氣體對外不做功，A錯誤；爬高過程中，氣體溫度降低，則氣體的內能減少，B正確；根據熱力學第一定律可知ΔU＝W＋Q，又W＝0，ΔU<0，則Q<0，即氣體放出熱量，C錯誤；爬高過程中，氣體的體積不變，溫度降低，根據查理定律p＝CT可知氣體的壓強減小，D錯誤。
熱力學第二定律
1.熱力學第二定律的理解
(1)“自發地”指明了熱傳遞等熱力學宏觀現象的方向性，不需要借助外界提供能量的幫助。
(2)“不產生其他影響”的含義是發生的熱力學宏觀過程只在本系統內完成，對周圍環境不產生熱力學方面的影響，如吸熱、放熱、做功等。在產生其他影響的條件下內能可以全部轉化為機械能，如氣體的等溫膨脹過程。
(3)熱力學第二定律的每一種表述，都揭示了大量分子參與的宏觀過程的方向性，進而使人們認識到自然界中進行的涉及熱現象的宏觀過程都具有方向性。
熱力學第二定律
【例題】根據熱力學定律，判斷下列說法正確的是(　　)
A.冰箱能使熱量從低溫物體傳遞到高溫物體，因此不遵循熱力學第二定律
B.自發的熱傳導是可逆的
C.可以通過給物體加熱而使它運動起來，但不產生其他影響
D.氣體向真空膨脹具有方向性
解析：有外界的幫助和影響，熱量可以從低溫物體傳遞到高溫物體，仍遵循熱力學第二定律，A錯誤；據熱力學第二定律可知，自發的熱傳導是不可逆的，B錯誤；不可能通過給物體加熱而使它運動起來但不產生其他影響，這違背了熱力學第二定律，C錯誤；氣體可自發地向真空容器膨脹，具有方向性，D正確。
熱力學第二定律
D
熱力學第二定律
【例題】[多選]對于熱力學第一定律和熱力學第二定律的理解，下列說法正確的是( 　)
A. 某新型熱機工作時將從高溫熱源吸收的熱量全部轉化為功，而不產生其他影響
B. 凡與熱現象有關的宏觀過程都具有方向性，在熱傳遞中，熱量只能從高溫物體傳
遞給低溫物體，而不能從低溫物體傳遞給高溫物體
C. 第二類永動機違反了熱力學第二定律，沒有違反熱力學第一定律
D. 熱現象過程中不可避免地出現能量耗散現象，能量耗散符合熱力學第二定律
熱力學第二定律
解析：某新型熱機工作時將從高溫熱源吸收的熱量全部轉化為功，必然產生其他影響，否則違背熱力學第二定律，選項A錯誤；通過做功的方式可以讓熱量從低溫物體傳遞給高溫物體，如電冰箱，選項B錯誤；第二類永動機沒有違反能量守恒定律，熱力學第一定律是能量守恒定律在熱學中的反映，因此第二類永動機沒有違反熱力學第一定律，不能制成是因為它違反了熱力學第二定律，故選項C正確；能量耗散過程體現了宏觀自然過程的方向性，符合熱力學第二定律，選項D正確.
03
物理模型歸納
熱力學第一定律與氣體實驗定律的綜合應用
1.熱力學定律與氣體實驗定律問題的處理方法
(1)氣體實驗定律研究對象是一定質量的某種理想氣體。
(2)解決具體問題時,分清氣體的變化過程是求解問題的關鍵,根據不同的變化,找出與之相關的氣體狀態參量,利用相關規律解決。
(3)對理想氣體,只要體積變化,外界對氣體(或氣體對外界)就要做功,如果是等壓變化,W=pΔV;只要溫度發生變化,其內能就發生變化。
(4)結合熱力學第一定律ΔU=W+Q求解問題。
熱力學第一定律與氣體實驗定律的綜合應用
2.求解熱力學定律與氣體實驗定律問題的通用思路
熱力學第一定律與氣體實驗定律的綜合應用
【例題】如圖所示是某氣壓式柱形保溫瓶的結構示意簡圖，現倒入熱水，封閉活塞a，其與液面間封閉一定質量的理想氣體，此時瓶內氣體溫度為T1，壓強為p0，經過一段
時間溫度降為T2，忽略這一過程中氣體體積的變化.
(1)求溫度降為T2時瓶內氣體的壓強p；
(2)封閉氣體溫度由T1降為T2過程中，其傳遞的熱量為Q，則氣體的內能如何變化？求此變化量的大小ΔU.
熱力學第一定律與氣體實驗定律的綜合應用
答案：　（1）p0 （2）內能減少　ΔU＝Q
　
解析：　（1）瓶內氣體發生等容變化，由查理定律得＝，解得p＝p0.
（2）封閉氣體溫度由T1下降到T2過程為等容變化過程，
W＝0，溫度降低，則氣體內能減少，由熱力學第一定律得
W＋Q＝ΔU，解得ΔU＝Q.
熱力學第一定律與圖像的綜合應用
1.在某一過程中，氣體的p、V、T的變化可由圖像直接判斷或結合理想氣體狀態方程 ＝C分析。
2.氣體的做功情況、內能變化及吸、放熱關系可由熱力學第一定律分析。
(1)由體積變化分析氣體做功的情況：體積膨脹，氣體對外做功；氣體被壓縮，外界對氣體做功。
(2)由溫度變化判斷氣體內能變化：溫度升高，氣體內能增大；溫度降低，氣體內能減小。
(3)由熱力學第一定律ΔU＝W＋Q判斷氣體是吸熱還是放熱。
(4)在p－V圖像中，圖像與橫軸所圍面積表示氣體對外界或外界對氣體整個過程中所做的功。
熱力學第一定律與圖像的綜合應用
C
熱力學第一定律與圖像的綜合應用
【例題】(2024·廣東梅州高三期末)如圖所示，一定質量的理想氣體，由A狀態經歷兩個不同的變化過程到C狀態(A→C，A→B→C)且A、C處于同一條等溫線上，以下說法正確的是(　　)
A.A→C過程氣體吸收的熱量大于對外做的功
B.A→C的過程中，氣體分子的平均動能一直減小
C.氣體在A狀態的內能等于在C狀態的內能
D.A→C過程氣體吸收的熱量等于A→B→C過程氣體吸收的熱量
熱力學第一定律與圖像的綜合應用
C
熱力學第一定律與圖像的綜合應用
解析　A→C的過程中，由熱力學第一定律有ΔUAC＝QAC＋WAC，由于A、C處于同一條等溫線上，所以TA＝TC，氣體在A狀態的內能等于在C狀態的內能，即ΔUAC＝0，由氣體體積增大知WAC<0，因此可得QAC>0，QAC＝|WAC|，此過程中氣體吸收的熱量等于對外做的功，故A錯誤，C正確；根據A→C的過程中等溫線的變化可知，氣體溫度先升高后降低，則氣體分子的平均動能先增大后減小，故B錯誤；A→B→C過程，有ΔUABC＝QABC＋WABC，ΔUABC＝0，QABC＝|WABC|，由p－V圖像與橫軸所圍的面積表示氣體對外做的功可知|WABC|>|WAC|，得到QABC>QAC，故D錯誤。
04
熱學規律的選用
綜合應用
【例題】(2023·安徽合肥市第二次質檢)蔬菜大棚通常靠通風來調節溫度，某研究小組設計了一款溫控報警裝置，其原理如圖所示。將導熱汽缸豎直懸掛在大棚內，缸內通過活塞封閉了一定質量的空氣。當棚內溫度為7 ℃時，活塞靜止于距汽缸頂部70.0 cm的C處；當棚內溫度緩
慢升高，活塞下移5 cm至D處，此時涂有導電物質的活塞
下表面恰與a、b觸點接觸，蜂鳴器報警。已知活塞質量
m＝0.5 kg、橫截面積S＝25 cm2、厚度不計，活塞與汽缸之
間的摩擦不計，大氣壓強p0＝1.0×105 Pa，g取10 m/s2。求：
(1)蜂鳴器剛報警時棚內溫度；
(2)活塞由C至D過程，若缸內空氣的內能增加了37 J，缸
內空氣吸收的熱量。
綜合應用
答案（1）300 K或27 ℃　（2）
可得TD＝300 K，即27 ℃
49.25 J
（2）汽缸內空氣在等壓膨脹過程中壓強恒為p，活塞受力如圖
由平衡條件得p0S＝mg＋pS
解得p＝9.8×104 Pa，該過程中外界對氣體做功W＝－pΔV
＝－12.25 J，根據熱力學第一定律ΔU＝W＋Q，
可得Q＝49.25 J。
解：
綜合應用
【例題】如圖所示，開口向上豎直放置的內壁光滑的絕熱汽缸中有加熱裝置，汽缸壁內有卡槽，卡槽距缸底的高度H＝2 m。質量M＝10 kg、橫截面積S＝5×10－3 m2的活塞停在卡槽處，其下方封閉有一定質量壓強為p1＝0.8×105 Pa、溫度為t1＝17 ℃的理想氣體，現通過加熱裝置對缸內氣體緩慢加熱。已知外界大氣壓強p0＝1×105 Pa保持不變，熱力學溫度與攝氏溫度的關系T＝t＋273 K，重力加速度g＝10 m/s2。
(1)求活塞剛要離開卡槽時缸內氣體的熱力學溫度T2；
(2)若活塞離開卡槽后繼續上升了h＝0.2 m，該過程中氣體吸收
了Q＝370 J的熱量，求該過程中氣體內能的變化量ΔU。
綜合應用
答案　(1)435 K　(2)250 J
解析　(1)已知p1＝0.8×105 Pa，T1＝290 K
當活塞剛要離開卡槽時，根據受力分析則有p2S＝p0S＋Mg
解得p2＝1.2×105 Pa
聯立解得活塞剛要離開卡槽時，氣體的熱力學溫度T2＝435 K。
(2)活塞離開卡槽上升過程中，是等壓變化，故氣體對外做功，則有
W＝－p2Sh＝－120 J
由熱力學第一定律得ΔU＝W＋Q
代入數據解得此過程中氣體內能的變化量ΔU＝250 J。
謝謝觀看
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