第5单元 热力学定律
新课标对热力学定律这部分内容的要求是：了解做功和热传递与内能的关系、热力学第二定律及能源与可持续发展，理解热力学第一定律和能量守恒定律.
一、物体内能的改变 改变内能有两种方式：做功和热传递
⑴做功是其他形式的能与内能的相互转化过程，内能的改变量可用做功的数值来量度．
⑵热传递是物体间内能的转移过程，内能转移量用热量来量度．
说明：①热量作为物理量，它的意义并不是物体含有热多少，而是在热传递的过程中，物体内能改变的量度，热量是对热传递过程而言的，没有热传递过程就无所谓热量这个概念．
②发生热传递的条件是温度不同，内能只能从高温物体向低温度物体传递，温度相等时达到动态平衡．
③做功和热传递虽有本质区别，但在改变内能上是等效的．
二、热力学第一定律 做功和热传递都可以改变物体的内能，做功和热传递对改变物体的内能是等效的。但是功和热量都不是能量的一种形式。功是能量转化的量度，热量是在热传递过程中内能转移多少的量度。功和热量都是过程量，只有在能量转化或转移过程中表现出来。热力学第一定律是表示功、热量和内能改变之间的定量关系的规律，其表达式是：△Ｕ＝Ｑ＋Ｗ，即一个热力学统，内能的增量△Ｕ，等于系统与外界交换的热量Ｑ和所做的功Ｗ之和．
式中外界对物体做功，W＞0；物体对外做功，W＜0 ；物体吸热，Q＞0 ；物体放热，Q＜0 ；物体内能增加，ΔU＞0 ；物体内能减少，ΔU＜0。
热力学第一定律说明了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的。
三、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别的形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化和转移的过程中其总量不变，这就是能量守恒定律．
说明：①能的转化和守恒定律是自然界的普遍规律，违背该定律的第一类永动机是永远无法实现的．
②物质不同运动形式对应着不同形式的能，各种形式的能可以相互转化或转移．
三、热力学第二定律
1.一种表述：不可能使热量由低温物体传递到高温物体，而不引起其他变化．
2.另一种表述：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．
说明：（1）第一种是按照热传导过程的方向性表述的，第二种则是按照机械能与内能转化过程的方向性来表述的．这两种表述是等价的，都揭示了自然界的基本规律：一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的．
（2）热力学第一定律和热力学第二定律是热力学知识的基础理论．热力学第一定律指出任何热力学过程中能量守恒，而对过程没有限制．热力学第二定律指明哪些过程可以发生，哪些不可以发生．如第二类永动机不可能实现，宏观的实际的热现象过程是不可逆的．
（3）热力学第二定律反映了热传递和能量转化的方向性，表明有大量分子参与的宏观过程都是不可逆的，自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性，宣告了想从单一热源吸取热量，使之全部转化为有用功而不产生其它影响的第二类永动机是不可能制成的。任何热机的效率都不可能达到100％。能量耗散从能量角度揭示了一切与热现象的实际宏观过程都是不可逆的。
四、热力学第一定律、第二定律意义比较 通过摩擦，机械能可以全部变为内能.热力学第二定律却说明，内能不可能在不引起其他变化的情况下完全变成机械能.热量可以从高温物体自动传向低温物体，而热力学第二定律却说明热量不能自动从低温物体传向高温物体.热力学第一定律说明在任何过程中能量必须守恒，热力学第二定律却说明并非所有能量守恒过程均能实现.热力学第二定律是反映自然界过程进行的方向和条件的一个规律，它指出自然界中出现的过程是有方向性的，某些方向的过程可以实现，而另一方向的过程则不能实现.在热力学中，它和第一定律相辅相成，缺一不可.
五、两大定律的应用---永动机问题
1.第一类永动机问题：人们设想中的不消耗能量的机器叫第一类永动机，这种永动机不可能制成的原因是违背了能量守恒定律. 永动机问题在历史上对建立能量守恒定律起了重要作用，人类是经过正反两方面的经验总结出能量守恒定律的.
2.第二类永动机问题：热机没有冷凝器，只有单一热源，它从单一热源吸收的热量可以全部用来做功，而不引起其他变化.这种永动机并不违反能量守恒定律,而第一类永动机是违反了能量守恒定律.
考点例析
一、考查内能的变化情况
例1 一定量的气体吸收热量,体积膨胀并对外做功,则此过程的末态和初态相比（ ）
A.气体内能一定增加 B.气体内能一定减小
C.气体内能一定不变 D.气体内能是增是减不能确定
解析:做功和热传递是改变物体内能的两种方式,物体的内能是否改变,不仅要看做功情况,还要考虑吸热情况.根据符号法则气体吸热Q取正值,气体膨胀对外做功W取负值,Q和W的数值大小不确定,由△U=W+Q知, △U的符号也无法确定,气体内能可能增加也可能减小,也可能不变.故选项D正确.
二、考查吸、放热情况
例2 一定质量的理想气体，从某一状态开始，经过一系列变化后又回到开始状态，用W1表示外界对气体做的功，用W2表示气体对外界做的功，用Q1表示气体吸收的热量，用Q2表示气体放出的热量,则整个过程中一定有 ( )
A. B. C. D.
解析：对一定质量的理想气体，经过一系列的状态变化后又回到原状态，表明整个过程中内能变化为零，即通过做功和热传递引起的内能变化相互抵消，所以A选项正确；当然，若 ，则必有 ；若 ，则必定有 ；若 ，则必定有 。所以，B、C、D都是不可能的，故选A.
点评：本题考查的内容涉及到理想气体的内能、改变物体内能的两种方式及热力学第一定律的指示。解答本题的切入点是，对一定质量的理想气体，在某一状态下其内能是恒定的。
三、考查机械能与内能的转化
例3 如图所示,密闭绝热的具有一定质量的活塞,活塞的上部封闭着气体,下部为真空,活塞与器壁的摩擦忽略不计,置于真空中的轻弹簧的一端固定于容器的底部.另一端固定在活塞上,弹簧被压缩后用绳扎紧,此时弹簧的弹性势能为 (弹簧处于自然长度时的弹性势能为零),现绳突然断开,弹簧推动活塞向上运动,经过多次往复运动后活塞静止,气体达到平衡态,经过此过程（ ）
A. 全部转换为气体的内能
B. 一部分转换成活塞的重力势能,其余部分仍为弹簧的弹性势能
C. 全部转换成活塞的重力势能和气体的内能
D. 一部分转换成活塞的重力势能,一部分转换为气体的内能,其余部分仍为弹簧的弹性势能
解析：以活塞为研究对象，设气体压强为 ，活塞质量为m，截面积为S，末态时的压强为 ，初态： ，由题意可得末态位置必须高于初态位置，否则不能平衡，则由 和 （绝热），W为正， 也必为正，温度升高，内能增加，活塞重力势能增加。末态时，由力的平衡条件知： ，仍然具有一定弹性势能，D正确。
点评：本题考查力学与气体、与热力学第一定律的综合应用，解答本题的关键是中间过程不考虑，只考虑初、末状态。
4.对热力学定律相关知识的理解
例4 下列说法正确的是 ( )
A．物体吸收热量，其温度一定升高 B．热量只能从高温物体向低温物体传递
C．遵守热力学第一定律的过程一定能实现 D．做功和热传递是改变物体内能的两种方式
解析：由热力学第一定律可知，做功与热传递均可以改变物体的内能，故物体吸收热量时，其内能不一定增大，温度也不一定升高，A错D正确；由热力学第二定律可知，宏观的热现象有方向性，但若通过外界做功，热量也可以从低温物体传到高温物体，BC均错. 本题答案为D.
点评：本题很好地体现了高考对热力学定律的考查要求，即了解做功和热传递与内能的关系、热力学第二定律，理解热力学第一定律.
5.气体状态变化规律与热力学第一定律的综合应用
例5 （山东卷）喷雾器内有10 L水，上部封闭有1atm的空气2L。关闭喷雾阀门，用打气筒向喷雾器内再充入1atm的空气3L（设外界环境温度一定，空气可看作理想气体）。
（1）当水面上方气体温度与外界温度相等时，求气体压强，并从微观上解释气体压强变化的原因。
（2）打开喷雾阀门，喷雾过程中封闭气体可以看成等温膨胀，此过程气体是吸热还是放热？简要说明理由。
解析：（1）设气体初态压强为p1,体积为V1；末态压强为p2,体积为V2，由玻意耳定律p1V1= p1V1
代入数据得p2=2.5 atm。
微观察解释：温度不变，分子平均动能不变，单位体积内分子数增加，所以压强增加。
（2）吸热。气体对外做功而内能不变，根据热力学第一定律可知气体吸热。
点评：气体变化规律和热力学第一定律是分析气体的两大规律体系，在新高考模式题量减少的形势下，两大规律相结合出题是必然的。