《金版教程》届高考人教新课标物理一轮文档113热力学定律与能量守恒.docx
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《金版教程》届高考人教新课标物理一轮文档113热力学定律与能量守恒
第3讲 热力学定律与能量守恒
知识点1 热力学第一定律 Ⅰ
1.改变物体内能的两种方式
（1）做功；
（2）热传递。
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＝Q＋W。
（3）ΔU＝Q＋W中正、负号法则
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
（4）ΔU＝Q＋W的三种特殊情况
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若过程是等容的，即W＝0，Q＝ΔU，物体吸收的热量等于物体内能的增加。
③若过程是等温的，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。
知识点2 热力学第二定律 Ⅰ
1.热力学第二定律的三种表述
（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。
”
（3）用熵的概念表示热力学第二定律。
在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小。
2.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。
知识点3 能量守恒定律 Ⅰ
1.能量守恒定律的内容：
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别的形式，或者是从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中其总量保持不变。
2.条件性：
能量守恒定律是自然界的普遍规律，某一种形式的能是否守恒是有条件的。
例如，机械能守恒定律具有适用条件，而能量守恒定律是无条件的，是一切自然现象都遵守的基本规律。
3.两类永动机
（1）第一类永动机：
不消耗任何能量，却源源不断地对外做功的机器。
违背能量守恒定律，因此不可能实现。
（2）第二类永动机：
从单一热库吸收热量并把它全部用来对外做功，而不引起其他变化的机器。
违背热力学第二定律，不可能实现。
4.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）。
双基夯实
一、思维辨析
1．做功和热传递的实质是相同的。
（ ）
2．绝热过程中，外界压缩气体做功20J，气体的内能一定减少20J。
（ ）
3．物体吸收热量，同时对外做功，内能可能不变。
（ ）
4．在给自行车打气时，会发现打气筒的温度升高，这是因为外界对气体做功。
（ ）
5．自由摆动的秋千摆动幅度越来越小，能量正在消失。
（ ）
6．利用河水的能量使船逆水航行的设想，符合能量守恒定律。
（ ）
7．热机中，燃气的内能可以全部变为机械能而不引起其他变化。
（ ）
答案 1.× 2.× 3.√ 4.√ 5.× 6.√ 7.×
二、对点激活
1．[热力学第一定律]（多选）下列有关物体内能改变的判断中，正确的是（ ）
A．外界对物体做功，物体的内能一定增加
B．外界对物体传递热量，物体的内能一定增加
C．物体对外界做功，物体的内能可能增加
D．物体向外界放热，物体的内能可能增加
答案 CD
解析 做功和热传递都能改变物体的内能，根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W知，当外界对物体做功时，物体的内能不一定增加，同理当外界对物体传递热量时，物体的内能也不一定增加，所以A、B错误；由ΔU＝Q＋W可知，若物体对外界做功，物体的内能可能增加，同理物体向外界放热，物体的内能可能增加，故C、D正确。
2．[热力学第一定律]一定量的理想气体在某一过程中，从外界吸收热量2.5×104J，气体对外界做功1.0×104J，则该理想气体的（ ）
A．温度降低，密度增大B．温度降低，密度减小
C．温度升高，密度增大D．温度升高，密度减小
答案 D
解析 理想气体的内能仅用温度来衡量，由热力学第一定律ΔU＝W＋Q可知，ΔU＝1.5×104J，即气体内能增加，故温度升高。
因对外做功，体积膨胀，故密度减小，选项D正确。
3．[做功改变内能]（多选）用密封性好、充满气体的塑料袋包裹易碎品，如图所示。
充气袋四周被挤压时，假设袋内气体与外界无热交换，则袋内气体（ ）
A．体积减小，内能增大
B．体积减小，压强减小
C．对外界做负功，内能增大
D．对外界做正功，压强减小
答案 AC
解析 挤压充气袋，气体的体积减小，充气袋中气体的压强增大，外界对气体做正功，气体对外界做负功，由于袋内气体与外界没有热交换，根据热力学第一定律可知，气体内能增大，A、C项正确，B、D项错误。
4．[热力学第二定律]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．只从单一热库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
答案 C
解析 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：
不可能从单一热库吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化，C正确。
5．[热现象的理解]关于热现象，下列叙述正确的是（ ）
A．温度降低，物体内所有分子运动的速率都变小
B．分子力随分子间距离的增大而减小
C．凡是不违背能量守恒定律的实验构想，都是能够实现的
D．温度升高，物体的内能不一定增大
答案 D
解析 温度降低时，物体内分子运动的平均速率减小，但并非所有分子的速率都减小，A错误；分子间距离从平衡位置开始增大时，分子力先增大后减小，B错误；由热力学第二定律可知，C错误；温度升高，但同时物体对外做功，其内能有可能减小，D正确。
6．[热力学定律与理想气体状态方程的综合][2014·课标全国卷Ⅰ]（多选）一定量的理想气体从状态a开始，经历三个过程ab、bc、ca回到原状态，其pT图象如图所示，下列判断正确的是（ ）
A．过程ab中气体一定吸热
B．过程bc中气体既不吸热也不放热
C．过程ca中外界对气体所做的功等于气体所放的热
D．a、b和c三个状态中，状态a分子的平均动能最小
E．b和c两个状态中，容器壁单位面积单位时间内受到气体分子撞击的次数不同
答案 ADE
解析 因为
＝常数，从图中看，ab过程
不变，则体积V不变，因此ab过程是温度升高、压强增大、体积不变，根据热力学第一定律可知，过程ab一定是吸热过程，A正确；bc过程温度不变，但是压强减小，体积膨胀对外做功，应该是吸收热量，B错误；ca过程压强不变、温度降低、体积减小，外界对气体做功，但由于温度降低，说明对外放热大于外界对其做的功，故C错误；状态a温度最低，而温度是分子平均动能的标志，所以状态a分子的平均动能最小，D正确；bc过程体积增大了，容器内分子数密度减小，温度不变，分子平均速率不变，因此c状态容器壁单位面积单位时间内受到分子碰撞的次数减少了，E正确。
考点
热力学第一定律 对比分析
1．改变内能的两种方式的比较
方式名称
比较项目
做功
热传递
区别
内能变化情况
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
物体吸收热量，内能增加；物体放出热量，内能减少
从运动形式上看
做功是宏观的机械运动向物体的微观分子热运动的转化
热传递则是通过分子之间的相互作用，使同一物体的不同部分或不同物体间的分子热运动发生变化，是内能的转移
从能量的角度看
做功是其他形式的能与内能相互转化的过程
不同物体间或同一物体不同部分之间内能的转移
能的性质
变化情况
能的性质发生了变化
能的性质不变
相互联系
做一定量的功或传递一定量的热量在改变内能的效果上是相同的
2.温度、内能、热量、功的比较
含义
特点
温度
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
状态量
内能
（热能）
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
热量
是热传递过程中内能的改变量，热量用来量度热传递过程中内能转移的多少
过程量
功
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
例1 在如图所示的坐标系中，一定质量的某种理想气体先后发生以下两种状态变化过程：
第一种变化是从状态A到状态B，外界对该气体做功为6J；第二种变化是从状态A到状态C，该气体从外界吸收的热量为9J。
图线AC的反向延长线过坐标原点O，B、C两状态的温度相同，理想气体的分子势能为零。
求：
（1）从状态A到状态C的过程，该气体对外界做的功W1和其内能的增量ΔU1；
（2）从状态A到状态B的过程，该气体内能的增量ΔU2及其从外界吸收的热量Q2。
（1）从A到C状态发生了什么变化？
提示：
等容变化。
（2）如何判断气体状态变化过程是吸热还是放热？
提示：
根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W，确定热量Q的正负，再判断吸热还是放热。
尝试解答
（1）0__9_J__
（2）9_J__3_J。
（1）由题意知从状态A到状态C的过程，气体发生等容变化
该气体对外界做的功W1＝0
根据热力学第一定律有
ΔU1＝W1＋Q1
内能的增量ΔU1＝Q1＝9J。
（2）从状态A到状态B的过程，体积减小，温度升高
该气体内能的增量ΔU2＝ΔU1＝9J
根据热力学第一定律有
ΔU2＝W2＋Q2
从外界吸收的热量Q2＝ΔU2－W2＝3J。
总结升华
判定物体内能变化的方法
（1）内能的变化都要用热力学第一定律进行综合分析。
（2）做功情况看气体的体积：
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，则不发生热传递，此时Q＝0。
（4）如果研究对象是理想气体，则由于理想气体没有分子势能，所以当它的内能变化时，主要体现在分子动能的变化上，从宏观上看就是温度发生了变化。
1．（多选）如图所示，一绝热容器被隔板K隔开分为a、b两部分。
已知a内有一定量的稀薄气体，b内为真空，抽开隔板K后，a内气体进入b，最终达到平衡状态。
在此过程中（ ）
A.气体对外界做功，内能减少
B.气体不做功，内能不变
C.气体压强变小，温度降低
D.气体压强变小，温度不变
E.气体压强不变，温度减小
答案 BD
解析 气体向真空中膨胀是自由膨胀，虽然体积增大，但气体不对外做功，又由于系统是绝热系统，和外界不发生热交换，所以气体内能不变，温度不变，由玻意耳定律可知气体压强变小，故选项B、D正确。
2.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。
答案 5 放出 29
解析 根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，第一阶段W1＝24kJ，ΔU1＝0，所以Q1＝－24kJ，故放热；第二阶段W2＝0，Q2＝－5kJ，由热力学第一定律知，ΔU2＝－5kJ，故在上述两个过程中，空气的内能共减少ΔU＝ΔU1＋ΔU2＝－5kJ；两过程共放出热量Q＝Q1＋Q2＝29kJ，故空气放出的总热量为29kJ。
考点
热力学第二定律 对比分析
1.热力学第一、第二定律的比较
定律名称
比较项目
热力学第一定律
热力学第二定律
定律揭示
的问题
它从能量守恒的角度揭示了功、热量和内能改变量三者的定量关系
它指出自然界中出现的过程是有方向性的
机械能和
内能的
转化
当摩擦力做功时，机械能可以全部转化为内能
内能不可能在不引起其他变化的情况下完全变成机械能
热量的
传递
热量可以从高温物体自发传向低温物体
说明热量不能自发地从低温物体传向高温物体
表述形式
只有一种表述形式
有多种表述形式
两定律的
关系
在热力学中，两者既相互独立，又互为补充，共同构成了热力学知识的理论基础
2.两类永动机的比较
分类
第一类永动机
第二类永动机
设计要求
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
不可能制成
的原因
违背能量守恒
不违背能量守恒，违背热力学第二定律
例2 （多选）下列说法中正确的是（ ）
A．第一类永动机违反能量守恒定律，是不可能制成的
B．第二类永动机违反能量守恒定律，是不可能制成的
C．能量耗散的说法与能量守恒定律是互相矛盾的
D．热量不可能从低温物体传到高温物体而不引起其他变化
E．热量可能自发地从低温物体传到高温物体而不引起其他变化
（1）热力学第二定律揭示了自然界中的什么规律？
提示：
一切涉及热现象的自然过程都具有方向性。
（2）第二类永动机违反能量守恒定律吗？
第一类永动机呢？
提示：
第二类永动机违反了热力学第二定律，但不违反能量守恒定律，第一类永动机违反了能量守恒定律。
尝试解答 选AD。
第一类永动机是不可能制成的，因为它违背了能量守恒定律，所以A正确；第二类永动机不违反能量守恒定律，但违反了热力学第二定律，所以B错误；能量耗散的过程中，能量向品质低的内能转变，但是总的能量是守恒的，能量不能凭空产生，也不能凭空消失，但有方向性，所以能量耗散与能量守恒不矛盾，C错误；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而不引起其他变化，所以D正确，E错误。
总结升华
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。
1.根据你学过的热学中的有关知识，判断下列说法中正确的是（ ）
A.机械能可以全部转化为内能，内能也可以全部用来做功转化成机械能
B.凡与热现象有关的宏观过程都具有方向性，在热传递中，热量只能从高温物体传递给低温物体，而不能从低温物体传递给高温物体
C.尽管技术不断进步，热机的效率仍不能达到100%，制冷机却可以使温度降到－293℃
D.第一类永动机违背能量守恒定律，第二类永动机不违背能量守恒定律，随着科技的进步和发展，第二类永动机可以制造出来
答案 A
解析 机械能可以全部转化为内能，而内能在引起其他变化时也可以全部转化为机械能，A正确；凡与热现象有关的宏观过程都具有方向性，在热传递中，热量可以自发地从高温物体传递给低温物体，也能从低温物体传递给高温物体，但必须借助外界的帮助，B错误；尽管科技不断进步，热机的效率仍不能达到100%，制冷机也不能使温度降到－293℃，只能无限接近－273.15℃，却永远不能达到，C错误；第一类永动机违背能量守恒定律，第二类永动机不违背能量守恒定律，而是违背了热力学第二定律，第二类永动机不可能制造出来，D错误。
2.（多选）下列有关热学知识的论述正确的是（ ）
A.两个温度不同的物体相互接触时，热量既能自发地从高温物体传给低温物体，也可以自发地从低温物体传给高温物体
B.无论用什么方式都不可能使热量从低温物体向高温物体传递
C.物体由大量分子组成，其单个分子的运动是无规则的，但大量分子的运动遵从统计规律
D.满足能量守恒定律的客观过程并不是都可以自发地进行
答案 CD
解析 根据热力学第二定律，热量自发地传递时具有方向性，但在外界的影响下，热量也能从低温物体向高温物体传递，选项A、B错误，D正确；分子动理论告诉我们，物质是由分子组成的，分子都在做永不停息地无规则运动，但大量分子的运动遵从一定的统计规律，故C正确。
考点
气体实验定律与热力学第一定律的综合 解题技巧
例3 一定质量理想气体的pV图象如图所示，其中a→b为等容过程，b→c为等压过程，c→a为等温过程，已知气体在状态a时的温度Ta＝300K，在状态b时的体积Vb＝22.4L。
求：
（1）气体在状态c时的体积Vc；
（2）试比较气体由状态b到状态c过程从外界吸收的热量Q与对外做功W的大小关系，并简要说明理由。
（1）在pV图象中，如何判断气体状态变化过程中温度升高还是降低？
提示：
根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，如果ΔU>0，则温度升高，ΔU<0，则温度降低。
（2）整个循环过程，气体内能变化吗？
提示：
整个循环过程中，气体又回到了原来的状态，故气体内能不变。
尝试解答
（1）67.2_L__
（2）气体吸收的热量Q大于气体对外做的功W__理由见解析。
（1）气体c→a等温变化，根据玻意耳定律得paVa＝pcVc
又a→b为等容过程，所以Va＝Vb＝22.4L
解得Vc＝
＝
＝67.2L。
（2）气体由状态b到状态c为等压过程，由盖—吕萨克定律可知体积增大时温度升高，所以气体内能增加，ΔU>0，气体对外做功，W<0，由热力学第一定律ΔU＝Q＋W，即气体吸收热量Q大于气体对外做的功W。
总结升华
气体实验定律与热力学定律的综合问题的处理方法
（1）气体实验定律研究对象是一定质量的理想气体。
（2）解决具体问题时，分清气体的变化过程是求解问题的关键，根据不同的变化，找出与之相关的气体状态参量，利用相关规律解决。
（3）对理想气体，只要体积变化，外界对气体（或气体对外界）要做功W＝pΔV；只要温度发生变化，其内能要发生变化。
（4）结合热力学第一定律ΔU＝W＋Q求解问题。
1.（多选）对于一定量的理想气体，下列说法正确的是（ ）
A.若气体的压强和体积都不变，其内能也一定不变
B.若气体的内能不变，其状态也一定不变
C.若气体的温度随时间不断升高，其压强也一定不断增大
D.气体温度每升高1K所吸收的热量与气体经历的过程有关
E.当气体温度升高时，气体的内能一定增大
答案 ADE
解析 理想气体的内能只由温度决定，温度升高，内能则增大，若气体的压强和体积都不变，温度T也不变，所以内能也一定不变，选项A、E正确。
若气体的内能不变，则温度T不变，但气体的压强和体积可以改变，选项B错误。
若气体的温度升高，体积增大，其压强可以不变，选项C错误。
由热力学第一定律ΔU＝Q＋W知，Q＝ΔU－W，即Q还与W有关，选项D正确。
2．如图所示，一圆柱形容器竖直放置，通过活塞封闭着摄氏温度为t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。
现通过电热丝给气体加热一段时间，结果活塞缓慢上升了h，若这段时间内气体吸收的热量为Q，已知大气压强为p0，重力加速度为g，不计器壁向外散失的热量及活塞与器壁间的摩擦，求：
（1）气体的压强；
（2）这段时间内气体的内能增加了多少？
（3）这段时间内气体的温度升高了多少？
答案
（1）p0＋
（2）Q－（p0S＋mg）h （3）273＋t
解析
（1）对活塞，由平衡条件可得
p0S＋mg＝pS，则p＝p0＋
。
（2）由于上升过程气体发生等压变化，则气体对外做功为
W＝pSh＝
Sh＝（p0S＋mg）h
由热力学第一定律得ΔU＝Q－W＝Q－（p0S＋mg）h。
（3）由盖—吕萨克定律得
＝
＝
，解得t′＝273＋2t
Δt＝t′－t＝273＋t。
1.[2015·北京高考]下列说法正确的是（ ）
A.物体放出热量，其内能一定减小
B.物体对外做功，其内能一定减小
C.物体吸收热量，同时对外做功，其内能可能增加
D.物体放出热量，同时对外做功，其内能可能不变
答案 C
解析 由热力学第一定律ΔU＝W＋Q可知，若物体放出热量，但外界对物体做正功，则ΔU不一定为负值，即内能不一定减少，故A项错误；同理可分析出，B项和D项错误，C项正确。
2.[2015·福建高考]如图，一定质量的理想气体，由状态a经过ab过程到达状态b或者经过ac过程到达状态c。
设气体在状态b和状态c的温度分别为Tb和Tc，在过程ab和ac中吸收的热量分别为Qab和Qac。
则（ ）
A.Tb>Tc，Qab>QacB．Tb>Tc，QabC.Tb＝Tc，Qab>QacD．Tb＝Tc，Qab答案 C
解析 由理想气体状态方程知
＝
＝
，故Tc＝Tb；过程ab和ac中内能改变量相同，ac过程气体体积不变，做功为0，W1＝0，ab过程气体体积增大，气体对外做功，W2<0，由热力学第一定律Q＋W＝ΔU知Qac3.[2015·重庆高考]某驾驶员发现中午时车胎内的气压高于清晨时的，且车胎体积增大。
若这段时间胎内气体质量不变且可视为理想气体，那么（ ）
A.外界对胎内气体做功，气体内能减小
B.外界对胎内气体做功，气体内能增大
C.胎内气体对外界做功，内能减小
D.胎内气体对外界做功，内能增大
答案 D
解析 中午比清晨时温度高，所以中午胎内气体分子平均动能增大，理想气体的内能由分子动能决定，因此内能增大；车胎体积增大，则胎内气体对外界做功，所以只有D项正确。
4．[2014·福建高考]如图所示，横坐标v表示分子速率，纵坐标f（v）表示各等间隔速率区间的分子数占总分子数的百分比。
图中曲线能正确表示某一温度下气体分子麦克斯韦速率分布规律的是（ ）
A.曲线①B．曲线②
C.曲线③D．曲线④
答案 D
解析 本题考查气体分子速率分布规律，意在考查考生对气体分子速率分布规律的理解能力。
某一温度下气体分子的麦克斯韦速率呈“中间多，两头少”的分布，故选项D正确。
5.[2014·重庆高考]重庆出租车常以天然气作为燃料。
加气站储气罐中天然气的温度随气温升高的过程中，若储气罐内气体体积及质量均不变，则罐内气体（可视为理想气体）（ ）
A.压强增大，内能减小
B.吸收热量，内能增大
C.压强减小，分子平均动能增大
D.对外做功，分子平均动能减小
答案 B
解析 储气罐中气体体积不变，气体不做功，当温度升高时，气体压强增大，气体内能增大，分子平均动能增大；由热力学第一定律可知，气体一定吸热，故选项B正确。
6.[2013·山东高考]下列关于热现象的描述正确的一项是（ ）
A.根据热力学定律，热机的效率可以达到100%
B.做功和热传递都是通过能量转化的方式改变系统内能的
C.温度是描述热运动的物理量，一个系统与另一个系统达到热平衡时两系统温度相同
D.物体由大量分子组成，其单个分子的运动是无规则的，大量分子的运动也是无规律的
答案 C
解析 热机的效率不可能达到100%，A错误。
做功是能量转化的过程，热传递是能量转移的过程，B错误。
若两系统温度不同，内能将从高温物体传递到低温物
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