第3讲　热力学定律与能量守恒定律

第十五章热学第3讲热力学定律与能量守恒定律判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)．1.做功可以改变系统的内能，但是单纯地对系统传热不能改变系统的内能．()2.做功和热传递的实质是相同的．()3.绝热过程中，外界压缩气体做功20J，气体的内能一定减少20J．()4.物体吸收热量，同时对外做功，内能可能不变．()课前3min×××√5.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．()6.在给自行车打气时，会发现打气筒的高，这是因为打气筒从外界吸热．()7.可以从单一热源吸收热量，使之完全变成功．()8.热量不可能从低传给高．()9.自由摆动的秋千摆动幅度越来越小，说明能量正在消失．()课前3min××√××考点一热力学第一定律能量守恒定律1.改变物体内能的两种方式(1)______.(2)传热．2.热力学第一定律(1)内容：一个热力学系统的内能变化量等于外界向它传递的______与外界对它所做的功的和．(2)表达式：ΔU＝_________.(3)表达式中的正、负号法则符号WQΔU＋______对______做功物体______热量内能______－______对______做功物体______热量内能______做功热量Q＋W外界物体吸收增加物体外界放出减少(4)几种特殊情况①

绝热：____________(___＝0)．②

自由膨胀：气体不对外做功(W___0)．③

等容：______不变，不______(___＝0)．④

等温：分子平均动能______，理想气体内能不变(理想气体______＝0)．⑤

等压，体积变化ΔV：做功W＝_________.没有传热Q＝体积做功W不变ΔUpΔV3.能量守恒定律(1)内容能量既不会凭空________，也不会凭空消失，它只能从一种形式_______为其他形式，或者从一个物体________到别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量____________.(2)第一类永动机是不可能制成的，它违背了___________________.产生转化转移保持不变能量守恒定律典例1

(2024·苏州八校联考)如图所示是一种儿童玩具“吡叭筒”，由竹筒和木棍组成，在竹筒的前后两端分别装上“叭子”(树果子或打湿的小纸团)．叭子密封竹筒里面的空气，迅速推动木棍，前端的叭子便会从筒口射出．则迅速推动木棍过程中(叭子尚未射出)，竹筒中被密封的

气体(

)A.压强增大B.变C.内能不变D.每个分子的动能都变大A【解析】

迅速推动木棍过程中，竹筒中被密封的气体体积减小，则压强变大，外界对气体做正功，W>0，由于“迅速”过程气体与外界无热交换，则Q＝0，根据热力学第一定律可知，气体内能增加，ΔU>0，高，分子平均动能增加，但不是每个分子的动能都增加，故A正确．考点二热力学第二定律1.热力学第二定律的两种表述(1)克劳修斯表述：___________________________________________________.(2)开尔文表述：____________________________________________________________________或表述为“_________永动机是不可能制成的”．(3)说明①

“自发地”指明了传热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”的含义是发生的热力学宏观过程只在本系统内完成，对境不产生热力学方面的影响，如吸热、放热、做功等．在产生其他影响的条件下内能可以全部转化为机械能．热量不能自发地从低传到高不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响第二类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做功的机器从单一热源吸热，全部用来对外做功而不引起其他变化的机器违背能量守恒定律，不可能实现不违背能量守恒定律，但违背热力学第二定律，不可能实现典例2如图所示，两种不同的金属组成一个回路，接触头1置于热水杯中，接触头2置于冷水杯中，此时回路中电流表发生偏转，这是现象．假设此过程电流做功为W，接触头1从热水中吸收的热量为Q1，冷水从接触头2吸收的热量为Q2，根据热力学第二定律可得(

)A.Q1＝W

B.Q1＞WC.Q1＜Q2

D.Q1＋Q2＝WB【解析】

根据热力学第二定律，不可能从单一热源吸收热量使之全部用来做功，而不产生其他影响，所以从热水中吸收的热量Q1应该大于电流做的功W，即Q1>W.根据能量守恒定律和热力学第二定律，从热水中吸收的热量转化成了两部分，一部分电能W，另一部分是冷水吸收的热量Q2，故B正确．考点三热力学第一定律与图像的综合应用2.气体的做功情况、内能变化及吸、放热关系可由热力学第一定律分析．(1)由体积变化分析气体做功的情况：体积膨胀，气体对外做功；气体被压缩，外界对气体做功．(2)由化判断气体内能变化：高，气体内能增大；低，气体内能减小．(3)由热力学第一定律ΔU＝W＋Q判断气体是吸热还是放热．(4)在p－V图像中，图像与横轴所围面积表示气体对外界或外界对气体整个过程中所做的功．典例3

(2024·海南卷改编)一定质量的理想气体从状态a开始经ab、bc、ca三个过程回到原状态，已知ab垂直于T轴，bc延长线过O点．下列说法中正确的是(

)A.bc过程气体对外界做功B.ca过程气体压强不变C.ab过程气体放出热量D.ca过程气体内能减小C典例4

(2025·南京学情调研)如图所示为卡诺循环过程的图像，该循环可以简化为一定质量理想气体由A→B、C→D两个等和B→C、D→A两个绝热过程组成．下列说法中正确的是(

)A.气体在状态A的于状态D的B.在A→B→C→D→A的过程中，气体从外界吸收热量C.B→C过程气体单位体积内分子数增多D.B→C过程气体对外界做的功大于D→A过程外界对气体做的功B【解析】

B→C过程，体积增大，气体对外做功，由于绝热过程，没有热交换，根据热力学第一定律，内能减少，低，所以TB>TC，又因为A→B、C→D都是等，则有TA＝TB>TC＝TD，故A错误；p－V图像封闭区域面积表示全程气体对外做功大小，又内能不变，故气体从外界吸收热量，故B正确；由B→C过程中，气体总分子数不变，体积变大，单位体积内分子数减小，故C错误；从A→B变，内能不变，从B→C低，内能减小，从C→D变，内能不变，从D→A高，内能增大，且此时回到初始状态与初始内能相同，则B→C过程内能减少量等于D→A过程内能增加量，且这两个过程均绝热，故做功数值大小相等，即B→C过程气体对外界做的功等于D→A过程外界对气体做的功，故D错误．考点四热力学第一定律与气体实验定律的综合应用解题的一般思路典例5

(2024·南京、盐城期末调研)如图所示，某实验小组将带刻度的导热容器放在水平地面上，用质量为m的活塞密封一部分气体，活塞能无摩擦滑动，这样就改装成一个“”．当活塞静止在距容器底为h1时，气体的T1.已知容器的横截面积为S，高度为3h1，重力加速度为g，大气压强恒为p0.求：(1)该能测量的最高Tm.(2)当气体从外界吸收热量Q后，活塞由h1位置缓慢上升到容器最高点的过程中，气体内能的变化量ΔU.【答案】

(1)3T1

(2)Q－2(mg＋p0S)h1解得

Tm＝3T1(2)对活塞，由平衡条件得pS＝mg＋p0SΔU＝Q－W＝Q－p·ΔV＝Q－pS·2h1解得ΔU＝Q－2(mg＋p0S)h1典例6

(2025·泰州期初)如图所示，一粗细均匀的直角导热细玻璃管右端封闭，上端开口，水平部分长为2L，竖直部分长为3L，玻璃管内的横截面积为S，管内用一段水银柱封闭了一定质量的理想气体，外界的大气压强为p0.当环境T0时，水平和竖直管中的水银柱长均为L.设高度为L的水银柱产生的压强为np0，理想气体的内能U与T的关系为U＝kT，n、k均为已知常数．

现缓慢加热管内封闭气体，求：(1)水银柱刚好全部进入竖直管中时封闭气体的．(2)从水银柱刚好全部进入竖直管中到水银柱上表面

刚好与管的开口处平齐的过程中，封闭气体从外界吸收的热量．【解析】(1)T0时，封闭气体的压强为p1＝p0＋np0体积为V1＝LS设水银刚好全部进入竖直管中时封闭气体的T1，此时封闭气体的压强为p2＝p0＋2np0

体积为V2＝2LS

(2)设管内水银柱与管的开口处平齐时，封闭气体的T2，此时封闭气体的体积为V3＝3LS在封闭气体T1变至T2的过程中，水银柱上移的距离为L，则该过程中气体对外做功为W＝p2SL由题意可知此过程气体内能的增加量为ΔU＝k(T2－T1)根据热力学第一定律有ΔU＝Q－W联立可得封闭气体从外界吸收的热量为随堂内化1.关于两类永动机和热力学的两个定律，下列说法中正确的是(

)A.第二类永动机不可能制成是因为违反了热力学第一定律B.第一类永动机不可能制成是因为违反了热力学第二定律C.由热力学第一定律可知做功不一定改变内能，热传递也不一定改变内能，但同时做功和热传递一定会改变内能D.由热力学第二定律可知热量从低传向高是可能的，从单一热源吸收热量，完全变成功也是可能的【解析】

第一类永动机违反能量守恒定律，第二类永动机违反热力学第二定律，A、B错误；由热力学第一定律可知，虽然W≠0，Q≠0，但ΔU＝W＋Q可以等于0，C错误；由热力学第二定律可知D中现象是可能的，但会引起其他变化，D正确．D2.(2024·北京卷)一个气泡从恒的底部缓慢上浮，将气泡内的气体视为理想气体，且气体分子个数不变，外界大气压不变．在上浮过程中气泡内气体(

)A.内能变大

B.压强变大C.体积不变

D.从水中吸热【解析】

上浮过程气泡内气体的变，内能不变，故A错误；气泡内气体压强p＝p0＋ρ水gh，故上浮过程气泡内气体的压强减小，故B错误；由玻意耳定律pV＝C知，气体的体积变大，故C错误；上浮过程气体体积变大，气体对外做功，由热力学第一定律ΔU＝Q＋W知，气体从水中吸热，故D正确．D3.(2024·如皋二模)如图所示，一绝热容器被隔板K隔开成A、B两部分．已知A内有一定质量的理想气体，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．则该气体(

)A.内能减小，低 B.内能减小，变C.内能不变，变

D.内能不变，低【解析】

由于B内为真空，当抽开隔板K后，气体扩散，不做功，且由于为绝热系统，根据ΔU＝Q＋W＝0，所以内能不变，因为是理想气体，所以变，故C正确.C4.(2022·江苏卷)如图所示，一定质量的理想气体分别经历a→b和a→c两个过程，其中a→b为等，状态b、c的体积相同，则(

)A.状态a的内能大于状态bB.状态a的于状态cC.a→c过程中气体吸收热量D.a→c过程中外界对气体做正功C配套精练一、

选择题1.

关于热力学定律，下列说法中错误的是(

)A.热量不可能从低传向高B.从单一热源吸收热量，使之完全变为功是可能的C.机械能转化为内能的实际宏观过程是不可逆过程D.为了增加物体的内能，必须对物体做功或向它传递热量【解析】

热量不可能自发地从低传向高，在一定条件下可能使热量由低传递到高，故A错误；在引起其他变化的情况下，从单一热源吸收热量可以将其全部变为功，故B正确；一切与热现象有关的宏观过程不可逆，故C正确；做功和热传递都能改变物体的内能，则为了增加物体的内能，必须对物体做功或向它传递热量，故D正确．A2.(2024·南京第二次模拟考试)常见的气压式水枪玩具原理如图所示．从储水罐充气口充入气体，达到一定压强后，关闭充气口．扣动扳机将阀门M打开，水立即从枪口喷出．若在水不断喷出的过程中，罐内终保持不变，则罐内气体(

)A.压强变大 B.内能减少C.对外做功 D.对外放热C【解析】

喷水过程中，气体体积增大，根据等pV＝C，罐内气体压强减小，A错误；变，内能不变，B错误；气体体积增大，气体对外做功，C正确；根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W，内能不变，气体对外做功，则气体吸收热量，D错误．3.

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为真空，整个系统与外界没有热交换．打开阀门K后，P中的气体进入Q中，最终达到平衡，则(

)A.容器中气体的内能减少B.容器中气体分子的平均动能增加C.容器中气体分子的数密度减小D.Q中的气体能自发地全部退回到P中去C【解析】

气体在真空中膨胀，对外不做功，故由热力学第一定律可得，气体的内能不变，A错误；气体由于分子间距离较大，分子力近似为零，故分子势能为零，所以气体内能只与关，由于内能不变，所以气体变，所以分子平均动能不变，B错误；气体在真空中膨胀，体积增大，容器中气体分子的数密度减小，C正确；由热力学第二定律可知，Q中的气体不可能自发地全部退回到P中，D错误．4.(2024·苏锡常镇调研二)如图所示，密闭导热汽缸被活塞分成左、右两室，起初左室气体压强小于右室．现让活塞缓慢某著名企业直至两室气体压强相等，期间环境终不变，则此过程中(

)A.左室气体吸热，右室气体放热B.左室气体放热，右室气体吸热C.左、右室气体均吸热D.左、右室气体均放热【解析】

左室气体压强小于右室，活塞缓慢向左某著名企业，右侧气体对左侧气体做功，则W左>0，W右<0，汽缸导热，气体变，气体内能不变，ΔU＝0，根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q可知，左室气体放热，右室气体吸热，B正确．B5.(2025·镇江期初)一定质量理想气体经历如图所示的循环过程，a→b过程是等压过程，b→c过程是等，c→a过程中气体与外界无热量交换．下列说法中正确的是(

)A.a→b过程，气体从外界吸收的热量全部用于对外做功B.b→c过程，气体对外做功，内能不变C.a→b→c过程，气体分子平均速率先不变，后变小D.a→b→c→a过程，气体从外界吸收的热量小于放出的热量D【解析】

a→b过程是等压过程，由图可知，气体体积变大，气体对外界做功，根据盖吕—萨克定律可知，气体的高，则气体内能增大，可知，气体从外界吸收的热量一部分用于对外做功，另一部分用于增加内能，故A错误；b→c过程是等，气体内能不变，气体体积减小，外界对气体做功，故B错误；结合A、B分析可知，a→b→c过程，气体升高，后不变，则气体分子平均速率先变大，后不变，故C错误；a→b→c→a过程，气体的内能不变，由图可知，气体状态变化为逆时针，外界对气体做功，由热力学第一定律可得，整个过程气体放热，即气体从外界吸收的热量小于放出的热量，故D正确．6.

某同学用导热性能良好的汽缸和活塞将一定质量的空气(视为理想气体)封闭在汽缸内(活塞与缸壁间的摩擦不计)，待活塞静止后，将小石子缓慢地加在活塞上，如图所示．在此过程中，若大气压强与室内的保持不变，下列说法中正确的是(

)A.由于汽缸导热，故缸内气体的压强保持不变B.缸内气体变，缸内气体对活塞的压力保持不变C.外界对缸内气体做的功大小等于缸内气体向外界释放的热量D.外界对缸内气体做功，缸内气体内能增加C【解析】

将小石子缓慢地加在活塞上，由平衡条件可知活塞对气体的压力变大，则气体压强变大，故A错误；气体压强变大，缸内气体对活塞的压力变大，汽缸导热性能良好，缓慢过程，缸内气体变，故B错误；变时，理想气体内能不变，体积减小，外界对气体做功，由热力学第一定律知，外界对气体做功与气体放出的热量相等，故C正确，D错误．7.

气压式电脑桌的简如图所示．导热性能良好的汽缸与活塞之间封闭一定质量的理想气体，活塞可在汽缸内无摩擦运动．设气体的初始状态为A，将电脑放在桌面上，桌面下降一段距离后达到稳定状态B.打开空调一段时间后，桌面回到初始高度，此时气体状态为C.下列说法中正确的是(

)A.从A到B的过程中，内能减小B.从A到B的过程中，气体会从外界吸热C.从B到C的过程中，气体分子平均动能增大D.从B到C的过程中，气体分子在单位时间内对单位面积的碰撞次数变多C【解析】

由题意可知，封闭气体经历A→B是等，内能不变，将电脑放在桌面上，理想气体体积减小，根据玻意耳定律p1V1＝p2V2，可知气体压强增大；因为压缩气体，所以外界对气体做功，即W>0，根据热力学第一定律可知ΔU＝Q＋W，可知Q<0，即气体向外界放热，A、B错误；封闭气体经历从B→C的过程中，压强不变，体积增大，根据盖－吕萨克定律可知高，气体分子平均动能增大，C正确；又理想气体的压强不变，即pC＝pB，则气体处于状态C时单位时间内对单位面积容器壁的分子数变少，D错误．8.(2024·苏锡常镇调研一)一定质量的理想气体经历a→b→c过程，其中a→b是等，b→c是等压过程，则(

)A.a、b、c三个状态中，气体在c状态分子平均动能最大B.a、b、c三个状态中，气体在b状态分子数密度最大C.a→b过程中，气体既不吸热，也不放热D.b→c过程中，气体放出的热量大于外界对气体做的功D【解析】

a、b、c三个状态中，气体在c状态小，则分子平均动能最小，A错误；a、b、c三个状态中，气体在b状态体积最大，则分子数密度最小，B错误；a→b过程中，变，则内能不变，又气体体积变大，则气体对外做功，根据热力学第一定律可知气体吸热，C错误；b→c过程中，低，内能减小，气体体积变小，则外界对气体做功，根据热力学第一定律可知气体放出的热量大于外界对气体做的功，D正确．9.(2025·高邮期初)如图所示，一定质量的理想气体在状态A时压强为1.5×105Pa，经历A→B→C→A的过程，已知B→C过程中气体做功绝对值是C→A过程中气体做功绝对值的3倍，下列说法中正确的是(

)A.C→A的过程中外界对气体做功600JB.B→C的过程中气体对外界做功600JC.整个过程中气体从外界吸收600J的热量D.整个过程中气体从外界吸收450J的热量C【解析】

在C→A过程中，图线为直线，根据理想气体状态方程可知压强不变，气体体积减小，外界对气体做功，根据WCA＝p·ΔV，解得WCA＝300J，故A错误；由题知B→C过程中气体做功绝对值是C→A过程中气体做功绝对值的3倍，则B→C的过程中气体对外界做功900J，故B错误；A→B→C→A，变，则内能变化量ΔU＝0，A→B过程，气体体积不变，做功为零；B→C的过程中气体对外界做功900J，WBC＝－900J，C→A的过程中外界对气体做功300J，WCA＝300J，故W＝WCA＋WBC＝－600J，Q＝ΔU－W＝600J，则整个过程中气体从外界吸收600J的热量，故C正确，D错误．二、