热力学第一定律
改变内能的两种方式的比较
名称
比较
项目
做功
热传递
内能变化
在绝热过程中，外界对物体做功，物体的内能增加；物体对外界做功，物体的内能减少
在单纯的热传递过程中，物体吸收热量，内能增加；物体放出热量，内能减少
物理实质
其他形式的能与内能之间的转化
不同物体间或同一物体的不同部分之间内能的转移
相互联系
做一定量的功或传递一定量的热在改变内能的效果上是相同的
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＝W＋Q。
(3)符号法则
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
内能减小
1．温度、内能、热量、功的比较
概念
温度
内能(热能)
热量
功
含 义
表示物体的冷热程度，是物体分子平均动能大小的标志，它是大量分子热运动的集体表现，对个别分子来说，温度没有意义
物体内所有分子动能和势能的总和，它是由大量分子的热运动和分子的相对位置所决定的能
是热传递过程中内能的改变量，热量是用来量度热传递过程中内能转移的多少
做功过程是机械能或其他形式的能和内能之间的转化过程
关系
温度和内能是状态量，热量和功则是过程量。热传递的前提条件是存在温差，传递的是热量而不是温度，实质上是内能的转移
2.对热力学第一定律的理解
(1)热力学第一定律不仅反映了做功和热传递这两种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。此定律是标量式，应用时功、内能、热量的单位应统一为国际单位焦耳。
(2)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。
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。
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。
1．图11－3－1是密闭的汽缸，外力推动活塞P压缩气体，对缸内气体做功800 J，同时气体向外界放热200 J，缸内气体的( )
图11－3－1
A．温度升高，内能增加600 J
B．温度升高，内能减少200 J
C．温度降低，内能增加600 J
D．温度降低，内能减少200 J
解析：选A 对一定质量的气体，由热力学第一定律ΔU＝W＋Q可知，ΔU＝800 J＋(－200 J)＝600 J，ΔU为正表示内能增加了600 J，对气体来说，分子间距离较大，分子势能为零，内能等于所有分子动能的和，内能增加，气体分子的平均动能增加，温度升高，选项A正确。
热力学第二定律、能量守恒定律
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．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，能量的总和保持不变。
3．能源的利用
(1)存在能量耗散和品质降低。
(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)
1．两类永动机的比较
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
从单一热库吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响的机器
违背能量守恒，不可能制成
不违背能量守恒，违背热力学第二定律，不可能制成
2．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。
(3)热力学过程方向性实例：
①高温物体低温物体
②功热
③气体体积V1气体体积V2(较大)
④不同气体A和B混合气体AB
⑤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。
2．地球上有很多的海水，它的总质量约为1.4×1018吨，如果这些海水的温度降低0.1℃，将要放出5.8×1023焦耳的热量，有人曾设想利用海水放出的热量使它完全变成机械能来解决能源危机，但这种机器是不能制成的，其原因是( )
A．内能不能转化成机械能
B．内能转化成机械能不满足热力学第一定律
C．只从单一热源吸收热量并完全转化成机械能的机器不满足热力学第二定律
D．上述三种原因都不正确
解析：选C 内能可以转化成机械能，如热机，A错误；内能转化成机械能的过程满足热力学第一定律，即能量守恒定律，B错误；热力学第二定律告诉我们：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，C正确。
热力学第一定律的应用
[命题分析] 本考点为高考热点，主要考查对热力学第一定律的理解，以选择题呈现。
[例1] (2012·广东高考)景颇族的祖先发明的点火器如图11－3－2所示，用牛角做套筒，木制推杆前端粘着艾绒，猛推推杆，艾绒即可点燃。对筒内封闭的气体，在此压缩过程中( )
图11－3－2
A．气体温度升高，压强不变
B．气体温度升高，压强变大
C．气体对外界做正功，气体内能增加
D．外界对气体做正功，气体内能减少
[解析] 猛推推杆，封闭在套筒中的气体被压缩，外界对气体做功，套筒由牛角做成，导热能力很差，且压缩过程用时极短，故压缩过程可看做绝热过程。由ΔU＝W可知气体的内能增加，温度升高，根据＝C可知因T增大，V减小，故p增大，选项B正确。
[答案] B
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?1?极短过程可视为绝热过程，此时Q＝0。
?2?气体做功情况的判定方法：
①若气体体积增大，则气体对外做功，W＜0?气体向真空膨胀除外?。
②若气体体积缩小，则外界对气体做功，W＞0。,③若气体体积不变，即等容过程W＝0。
?3?对一定质量的理想气体，由于无分子势能，其内能只包含分子无规则热运动的动能，这时内能只与温度有关，故判定一定质量的理想气体内能是否变化，应看温度是否发生了变化，与体积无关，这与一般物体不同。
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[变式训练]
1．(2011·重庆理综)某汽车后备箱内安装有撑起箱盖的装置，它主要由汽缸和活塞组成。开箱时，密闭于汽缸内的压缩气体膨胀，将箱盖顶起，如图11－3－3所示。在此过程中，若缸内气体与外界无热交换，忽略气体分子间相互作用，则缸内气体( )
图11－3－3
A．对外做正功，分子的平均动能减小
B．对外做正功，内能增大
C．对外做负功，分子的平均动能增大
D．对外做负功，内能减少
解析：选A 汽缸内气体膨胀时其向外推动活塞做正功，C、D两项均错；因缸内气体与外界无热交换，根据热力学第一定律可知气体内能减小，故B项错误；忽略气体分子间作用力时，气体的内能就是所有分子的动能之和，密闭气体的状态变化时分子的总数不变，所以气体的内能减小时分子的平均动能减小，答案为A。
热力学第二定律的理解
[命题分析] 本考点为高考热点，主要考查对热力学第二定律两种表述的理解，以选择题呈现。
[例2] (2012·新课标全国卷)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们传递热量
B．对某物体的做功，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] 由ΔU＝W＋Q可知做功和热传递是改变内能的两种途径，它们具有等效性，故A正确，B错误；由热力学第二定律可知，可以从单一热源吸收热量，使之全部变为功，但会产生其他影响，故C正确；同样热量只是不能自发的从低温物体传向高温物体，则D项错；一切与热现象有关的宏观过程不可逆，则E正确。
[答案] ACE
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?1?从单一热库吸收热量，可以完全变成功，但会产生其他影响，如气体的等温膨胀。
?2?热量可以从低温物体传向高温物体，但需要外界的帮助，消耗外界的能量，如电冰箱制冷。
?3?自然界中涉及热现象的宏观过程都具有方向性。
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[变式训练]
2．如图11－3－4所示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。
图11－3－4
(1)下列说法正确的是________
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
(2)电冰箱的制冷系统从冰箱内吸收的热量与释放到外界的热量相比，有怎样的关系？
解析：(1)热力学第一定律是热现象中内能与其他形式能的转化规律，是能的转化和守恒定律的具体表现，适用于所有的热学过程，故C正确，D错误；由热力学第二定律可知，热量不能自发地从低温物体传到高温物体，除非有外界的影响或帮助，电冰箱把热量从低温的内部传到高温的外部，需要压缩机的帮助并消耗电能，故B正确，A错误。
(2)由热力学第一定律可知，电冰箱制冷系统从冰箱内吸收了热量，同时消耗了电能，释放到外界的热量比从冰箱内吸收的热量多。
答案：(1)BC (2)见解析
气体定律与热力学定律的综合应用
[命题分析] 本考点为高考热点，主要考查气体实验三定律的计算与热力学第一定律的综合应用，以计算题呈现。
[例3] (2012·江苏高考)如图11－3－5所示，一定质量的理想气体从状态A经等压过程到状态B。此过程中，气体压强p＝1.0×105 Pa，吸收的热量Q＝7.0×102 J，求此过程中气体内能的增量。
图11－3－5
[思维流程]
第一步：抓信息关键点
关键点
信息获取
(1)由A→B等压变化
由盖—吕萨克定律可求出VB
(2)等压变化吸热Q
可求气体做功W进而求ΔU
第二步：找解题突破口
已知由A→B气体做等压变化，可由盖-吕萨克定律求出VB，再由W＝Fl＝pΔV求出气体对外所做的功，最后由热力学第一定律求出内能变化ΔU。
第三步：条理作答
[解析] 等压变化由盖-吕萨克定律得：
＝①
气体对外做功W＝p(VB－VA)②
根据热力学第一定律：
ΔU＝Q－W③
将已知数值代入①②③得ΔU＝5.0×102 J
[答案] 5.0×102 J
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气体实验定律与热力学第一定律的结合量是气体的体积和温度，当温度变化时，气体的内能变化，当体积变化时，气体将伴随着做功，解题时要掌握气体变化过程的特点：
?1?等温过程：内能不变ΔU＝0。
?2?等容过程：W＝0。
?3?绝热过程：Q＝0。
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[变式训练]
3．如图11－3－6所示，粗细均匀、导热良好、装有适量水银的U型管竖直放置，右端与大气相通，左端封闭气柱长l1＝20 cm(可视为理想气体)，两管中水银面等高。现将右端与一低压舱(未画出)接通，稳定后右管水银面高出左管水银面h＝10 cm。(环境温度不变，大气压强p0＝75 cmHg)
图11－3－6
(1)求稳定后低压舱内的压强(用“cmHg”作单位)；
(2)此过程中左管内的气体对外界________(填“做正功”“做负功”或“不做功”)，气体将________(填“吸热”或“放热”)。
解析：(1)设U型管横截面积为S，右端与大气相通时左管中封闭气体压强为p1，右端与一低压舱接通后左管中封闭气体压强为p2，气柱长度为l2，稳定后低压舱内的压强为p。
左管中封闭气体发生等温变化，根据玻意耳定律得
p1V1＝p2V2 ①
p1＝p0 ②
p2＝p＋ph ③
V1＝l1S ④
V2＝l2S ⑤
由几何关系得
h＝2(l2－l1) ⑥
联立①②③④⑤⑥式，代入数据得
p＝50 cmHg ⑦
(2)左管中气体体积变大，对外界做正功，外界对气体做负功；管内气体温度不变，内能不变，由热力学第一定律ΔU＝W＋Q得Q为正值，表示气体要吸热。
答案：(1)50 cmHg (2)正功 吸热
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