高考物理冲刺：知识讲解-热力学定律及能量守恒（提高）

物理总复习：热力学定律及能量守恒

编稿：李传安审稿：

【考纲要求】

1、理解热力学第一定律、第二定律；

2、运用能量守恒定律解决问题。

【考点梳理】

考点一、改变内能的两种方式

L热传递

①条件：存在温度差，最终结果是使两物体温度一样。

②方式：热传导、热对流、热辐射。

③规律：热量从高温物体传向低温物体。

④和内能变化的关系：系统在单纯的传热过程中，内能的增量等于外界

向系统传递的热量Q,即AU=。。

2、做功

做功改变物体内能的过程是将其他形式的能〔如机械能)与内能相互转化的

过程，做功使物体内能发生变化时，内能改变了多少用做功的数值来度量。

要点诠释：(1)要使物体改变同样的内能,通过做功或者热传递都可以实现，若

不知道过程，我们无法分辨出是做功还是热传递实现的这种改变。

(2)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，使不同物体间分子热运动变化,是内能的转移。前者

能的性质发生了变化，后者能的性质不变。

(3)物体的内能增加与否，不能单纯地只看做功或树专递，两个过程需要

全面考虑。

考点二、热力学第一定律

1、内容

物体内能的增量等于外界对物体做的功W和物体吸收的热量Q的总和。

2、公式

W+Q=\U

要点诠释：

(1)在应用热力学第一定律时，应特别分清W、Q的正负号，以便准确地

判断AU的正、负。热力学第一定律的符号法则：

①功W>0,表示外界对系统做功；W<0,表示系统对外界做功。

②热量Q>0,表示物体吸热；Q<0,表示物体放热。

③内能AU>0,表示内能增加；<0,表示内能减少。

(2)容易出错的几种特殊情况

①若是绝热过程，则Q=O、W=AU,即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=AU,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AU=0,则W+Q=O或

W=-Q,外界对物体做的功等于物体放出的热量。

考点三、热力学第二定律

1、两种表述

(1)按热传递的方向性来表述：热量不能自发地从低温物体传到高温物体。

(2)按机械能与内能转化过程的方向性来表述：不可能从单一热源吸收热量,

使之完全变成功,而不产生其他影响。

要点诠释：

这里所说"自发地"是指没有任］可外界的影响或帮助，电冰箱工作时能将冰

箱内(温度较低)的热量，传给外界空气(温度较高)，是因为电冰箱消耗了电

能，对制冷系统做了功。

上述两种表述是等价的，即一个说法是正确的，另一个说法也必然是正

确的；如果一个说法是错误的，另一个说法必然也是不成立的。

2、热力学第二定律的意义

提示了有大量分子参与的宏观过程的方向性，是独立于热力学第一定律

的一个重要自然规律。

3、热力学第二定律的微观解释

(1)一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行。这

是热力学第二定律的微观意义。

(2)从微观的角度看，热力学第二定律是一个统计规律：一个孤立系

统总是从嫡小的状态向燧大的状态发展，而燧值较大代表着较为无序，所以自发

的宏观过程总是向无序度更大的方向发展。

4、两类永动机的比较

第一类永动机第二类永动机

不消耗能量却可以源源不断地对外从单一热源吸热，全部用来对外做功而不引起其他

做功的机器变化的机器

不违背能量守恒，但违背热力学第一定律,不可能

违背能量守恒，不可能实现

实现

考点四、能量守恒定律

L能量守恒定律

(1)能量既不能凭空产生，也不能凭空消失，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，在转化或转移的过程中其总量不变,

这就是能的转化和守恒定律。

(2)能量的转化和守恒定律是自然界最普遍的规律。

(3)永动机是永无造不出来的。

2、能源、环境

(1)常规能源：人们把煤、石油、天然气叫做常规能源。常规能源有限，

常规能源带来环境问题：温室效应、酸雨、光化学烟雾等。

因气体从外界吸收热量，所以Q=+4.2x1（）5,，气体对外做功6x10〃，

则外界对气体做功W=-6x10〃,由热力学第一定律W+Q=AU，得

△U=-6x1（万+4.2X105J=-1.8X105J

所以物体内能减少了1.8x10V。

（2）因为气体对夕M故功，体积膨胀，分子间距离增大了，分子力做负功，

气体的分子势能增加了。

（3）因为气体内能减少了，而分子势能增加了，所以分子平均动能必然减

少了，且分子平均动能的减少量一定大于分子势能的增加量。

【总结升华】（1）做功和热传递两种过程同时发生时，内能的变化就要用热力学

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。若与外界绝热，则不发生热传

递，此时Q=0。

举一反三

【变式1】100＜的水完全变成10CTC的水蒸气，则（）

A.水分子的内能增加

B.水的内能增加

C.水所增加的内能小于所吸收的热量

D.水所增加的内能等于所吸收的热量

【答案】BC

【解析】由于温度不变，水分子的内能不变。体积膨胀，水分子的势能变大，水

的内能增加。体积膨胀时要克服外界大气压力做功，由热力学第一定律可知，水

所增加的内能要小于吸收的热量。

【变式2】关于一定量的气体，下列叙述正确的是（）

A.气体吸收的热量可以完全转化为功

B.气体体积增大时，其内能一定减少

C.气体从外界吸收热量，其内能一定增加

D.外界对气体做功，气体内能可能减少

【答案】AD

【解析】根据热力学第二定律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。即气体吸收热量在引起了其他变化的情况下，可以完全转化

为功，A对；BCD考察热力学第一定律，卬+Q二AU,做功和热传递都可以改

变内能。气体体积增大时，对外做功，可以同时吸收热量，如果吸收的热量大于

对夕M故的功,则内能增加，B错。气体从外界吸收热量,可以同时对外做功,如

果吸收的热量大于对外做的功，则内能增加，反之，内能减少，C错。外界对气

体做功，可以同时放出热量，如果放出的热量大于外界对它做的功，气体内能可

能减少，D对，故选AD。

【高清课堂：热力学定律及能量守恒例4】

【变式3]A、B两装置，均由一支一端封闭，一端开口且带有玻璃泡的管状容

器和水银槽组成，除玻璃泡在管上的位置不同外，其他条件都相同。将两管抽成

U直插入水银槽中（插入过程没有空气进入管内），水银柱上

假设这一过程水银与外界没有热交换，则下列说法正确的是

AB

A.A中水银的内能增量大于B中水银的内能增量

B.B中水银的内能增量大于A中水银的内能增量

C,A和B中水银体积保持不变，故内能增量相同

D.A和B中水银温度始终相同,故内能增量相同

【答案】B

【解析】因为A、B两管中水银上升的体积是一样的，所以水银槽中水银面下降

的高度相等，外界大气压对A、B管水银做功相等。由于没有热交换，由热力学

第一定律有内能增量与外界做功有关。大气压做功一方面使水银上升转变为水银

的重力势能，另一方面使A、B中水银内能增加。由于A中水银重心高于B中

的，所以A中势能大于B中势能。外界大气压做功又是相等的，所以A中内能

增量小于B中内能增量。故选B。

类型二、热力学第二定律

例2、关于热力学定律和分子动理论,下列说法正确的是（）

A.一定量气体吸收热量，其内能一定增大

B.不可能使热量由低温物体传递到高温物体

C.若两分子间距离增大，分子势能一定增大

D.若两分子间距离减小，分子间引力和斥力都增大

【思路点拨】重温热力学第一定律、第二定律，分子力与分子间距的函数图象和

分子势能与分子间距的函数图象。

【答案】D

【解析】由热力学第一定律可知，做功和热传递都可以改变物体的内能，一定量

的气体吸收热量如果气体同时对夕M故功，且做功比吸热多，则气体的内能减少，

A项错误；依据外界做功，可以使热量由低温物体传递到高温物体，B项错误；

若两分子间的距离小于平衡时的距离，分子力是斥力，在增大的过程中分子力先

做正功，分子势能先减小，C项错误；若分子间的距离在减小，分子间的弓I力和

斥力都在增大，只不过斥力增大的快些，D项正确。

【总结升华】关键是要准确理解热力学第一定律、热力学第二定律、分子力与分

子间距的函数图象和分子势能与分子间距的函数图象。（两个定律、两个图像）

举一反三

【变式】关于热力学定律，下列说法正确的是______（填入正确选项前的字母。

选对1个给3分，选对2个给4分，选对3个给6分；每选错1个扣3分，最

低得分为0分\

A.为了增加物体的内能，必须对物体做功或向它传递热量

B.对某物体做功，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

【答案】ACE

【解析】由热力学第一定律W+Q=,知A正确，B错误；由热力学第二定

律知，C、D这些过程在借助于外界帮助的情况下是可以实现的，所以C正确、

D错误；由自然界中一切与热现象有关的过程都是不可逆的,所以E正确。

【高清课堂：热力学定律及能量守恒例5】

例3、如图为电冰箱的工作原理示意图。后缩机工作时，强迫制冷剂在冰

箱内々卜的替1

道口气化吸收箱体内的热量，经过冷凝器时制冷剂

液(法正确的是()

乐蝠机

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二定律

D.电冰箱的工作原理违反热力学第一定律

【思路点拨】热力学第二定律，"热量不能自发地从低温物体传到高温物体"，

但是做功是可以的，就不是自发的了。电冰箱的工作原理不违反热力学第一定律、

第二定律。

【答案】BC

【解析】根据热力学第二定律，电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传

到外界，是因为消耗了电能，也就是对外界产生了影响，它的工作原理不违背能

量守恒定律，也就是热力学第一定律，选项B、C正确。

【总结升华】关键是准确理解热力学第二定律，〃热量不能自发地从低温物体传

到高温物体"，电冰箱制冷是通过消耗电能对制冷系统做功来实现的，并不是

"自发的"。"不可能从单一热源吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影

响"，消耗了电能对制冷系统做了功，对外界产生了影响。

举一反三

【变式1】（1）如图所示，一淙用的“永动机"转轮由5根轻杆和转轴构成，轻

杆的末端装有形状记忆合金制成的叶片，轻推转轮后，进入热水的叶片因伸展面

A.转轮依靠自身惯性转动，不需要消耗外界能量

B.转轮转动所需能量来自形状记忆合金自身

C.转动的叶片不断搅动热水，水温升高

D.叶片在热水中吸收的热量一定大于在空气中释放的热量

（2）如图所示，内壁光滑的气缸水平放置。一定质量的理想气体被密封在气缸

内，外界大气压强为Poo现对气缸缓慢加热，气体吸收热量Q后，体积由

V血—d'二g"”比过程中，气体分子平均动能_____（选增"增大“、

mP.）,气体内能变化了

【答案】（1）D（2）增大；△。=2-〃。（％-匕）

【解析】形状记忆合金制成的叶片，在热水中吸收热量而伸长，离开热水后，叶

片形状迅速恢复，使轻杆的重心位置发生变化而转动，一部分能量散发空气中，

叶片不断搅动热水，对水做功。但叶片吸收的能量大于对水做的功，水的温度逐

渐降低，当与环境温度达到平衡，叶片停止转动。故正确的选项为Do

（2）气体吸收热量Q,温度升高，气体分子平均动能增大。气体吸收热量Q为

正，对夕M故功为负,卬二-〃。（匕-匕），根据热力学第一定律，W+Q=\U,

气体内能变化了。-匕-匕）。

【高清课堂：热力学定律及能量守恒例6]

【变式2]如图所示，两个相通的容器P、Q间装有阀门K,P中充满气体，Q

为真一»人1r一热交换，打开阀门K后，P中的气体进入Q中，

1八X/

A.气体体积膨胀，内能增加

B.气体分子势能减少，内能增加

C.气体分子势能增加，压强可能不变

D.Q中气体不可能自发地全部退回到P中

【答案】D

【解析】根据热力学第二定律，自然界涉及热现象的宏观过程都具有方向性，知

D正确。容器内气体自由膨胀，气体与外界之间不做功也没有热交换，故气体的

内能不变，A项不正确。气体分子间作用力很弱，气体体积变化时，气体分子势

能可认为不变，B、C项也不正确。故选D。

类型三、能量守恒定律

例4、现代典型的燃煤发电厂，总效率一般为40%,有一座大型燃煤发电

厂，如果发出LOx109J的电力，可供一个大城市使用。下图表示这座发电厂的

能量流向，请回答:

(1)燃煤提供的能量应等于哪几项能量之和？

(2：地囱排出,请你算出来,并在图

笳

款

上标1

一涡轮机损耗.

6

,r由燃煤提供进入涡轮机.(山冷凝器排出)X

W

(3.2.5xlO，J»2"10?0相U

传输损耗LOxlOW

I___

(4：电能1.0x10。—_进行改进可以提高发电

_

_________I9.0x1网_

厂的_

有用功9.0<10打一

燃煤发电厂中的能坦流向图

【思路点拨】抓住能量守恒定律，读懂图的意思，进行基本计算。

【答案】见解析。

【解析】仔细分析发电过程的能量流向图,搞清各项能量或功之间的关系，根据

能量转化与守恒定律可求解。

Q)燃煤提供的能量等于进入涡轮机的能量和通过烟囱排出的能量。

(2)根据(1)中的解析可得通过烟囱废气所带走的能量为：

E=2.5xl()9-2.2x109J=3X1()8J标图略。

涡轮机从外界吸热2.2x10。,对外做功WrOxiO。，

999

所以涡轮机损耗为2.2X10J-1.0X10J=1.2X10JO标图略。

(3)由能量流向图可知该发电厂产生的电能为1.0x103,消耗的总能量为

2.5xIO。J,所以其总效率为11=1°X1°"x100%=40%

2.5x10

(4)从能量流向图中可以看出，该发电厂的损耗共达到了1.5x103,即达到了

60%,最主要的损耗是涡轮机的损耗，由冷凝器排出，所以这个地方应作为改造

的重点，降低通过