4第三讲　热力学定律与能量守恒定律

第三讲热力学定律与能量守恒定律知识梳理辨析PART01第一部分一、热力学第一定律1．功、热和内能的改变(1)绝热过程：系统不从外界吸热，也不向外界放热的过程。(2)功与内能的改变：在____________过程，系统内能的变化量ΔU等于外界对系统所做的功W。(3)热与内能的改变：在单纯的____________过程，系统内能的变化量ΔU等于外界向系统传递的热量Q。(4)做功时，内能与其他形式的能发生__________，而传热只是不同物体(或一个物体的不同部分)之间内能的__________。绝热传热转化转移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__________。(2)表达式：ΔU＝__________。(3)ΔU＝__________中正、负号法则。热量和Q＋WQ＋W物理量WQΔU＋外界对物体做功物体____________热量内能_________－物体对外界做功物体____________热量内能___________吸收增加放出减少【正误判断】1．(1)做功和传热的实质是相同的。(

)(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。(

)×√×二、能量守恒定律1．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其他形式，或者从一个物体__________到别的物体，在转化或____________的过程中，能量的总量保持不变。2．条件性能量守恒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。3．第一类永动机是不可能制成的，它违背了____________________。转移转移能量守恒定律三、热力学第二定律1．克劳修斯表述：热量不能________________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。自发地【正误判断】2．(1)可以从单一热源吸收热量，使之完全变成功。(

)(2)热机中，燃气的内能可以全部变成机械能而不引起其他变化。(

)(3)热量不可能从低温物体传给高温物体。(

)(4)自由摆动的秋千摆动幅度越来越小，能量正在消失。(

)(5)利用河水的能量使船逆水航行的设想，符合能量守恒定律。(

)×√××√考点深度探究PART02第二部分1．对热力学第一定律的理解(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。(气体向真空自发扩散过程中，气体对外界不做功)(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，因理想气体忽略分子势能，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。考点一热力学第一定律2．三种特殊情况(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)若过程的初、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。(2024·广东广州市二模)如图所示，某同学将空的玻璃瓶开口向下缓缓压入水中，设水温均匀且恒定，瓶内空气无遗漏，不计气体分子间的相互作用，则被淹没的玻璃瓶在下降过程中，瓶内气体(

)A.内能增加 B．向外界放热C．对外界做正功 D．分子平均动能减小√[解析]

被淹没的玻璃瓶在下降过程中，瓶内气体温度不变，压强变大，可知气体体积减小，外界对气体做正功；由于气体温度不变，气体分子平均动能不变，气体内能不变，根据热力学第一定律可知，气体向外界放热。(2024·山东青岛市一模)如图所示，某汽车机舱盖的支撑杆由汽缸和活塞组成。打开机舱盖时，汽缸内密闭压缩气体膨胀，将机舱盖顶起。在此过程中，汽缸内气体可视为理想气体，忽略缸内气体与外界的热交换。对于汽缸内的气体，下列说法正确的是(

)A．对外做正功，内能增大B．对外做负功，内能减小C．对外做正功，分子平均动能增大D．对外做正功，分子平均动能减小√[解析]

根据题意，忽略缸内气体与外界的热交换，由热力学第一定律可知，此过程气体对外界做功，内能减小，温度降低，分子平均动能减小，故D正确。考点二热力学第二定律1．热力学第二定律的理解在热力学第二定律的表述中“自发地”“不产生其他影响”的含义(1)“自发地”指明了传热等热力学宏观现象的方向性，不需要外界提供能量。(2)“不产生其他影响”是说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。4．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。(2022·高考广东卷，T15)利用空调将热量从温度较低的室内传递到温度较高的室外环境，这个过程________(选填“是”或“不是”)自发过程。该过程空调消耗了电能，空调排放到室外环境的热量__________(选填“大于”“等于”或“小于”)从室内吸收的热量。不是大于[解析]

利用空调将热量从温度较低的室内传递到温度较高的室外环境，通过压缩机做功，消耗了能量，因此这个过程不是自发过程；根据热力学第二定律，不可能从单一热源取热，使之完全转化为有用的功，而不产生其他影响，因此空调把热量从温度较低的室内传递到温度较高的室外需要消耗电能，即空调排放到室外环境的热量大于从室内吸收的热量。(2024·陕西榆林市三模)有一种新式高压锅，它的主体是用排气阀将一绝热容器隔成A和B两部分，A中有一定质量的气体(视为理想气体)，B为真空。现把排气阀打开，A中的气体自动充满整个容器，这个过程可以认为是气体的自由膨胀。气体膨胀后的压强________(选填“大于”“小于”或“等于”)膨胀前的压强，气体膨胀后的温度________(选填“大于”“小于”或“等于”)膨胀前的温度，经足够长的时间，容器中的气体________(选填“能”或“不能”)全部自动回到A部分。小于等于不能[解析]

气体自由膨胀的过程中由于不受阻力作用，因此气体不做功，由于容器绝热，则Q＝0，由ΔU＝W＋Q可知气体内能不变，则温度也不变。等温膨胀过程，体积变大，由理想气体状态方程可知，压强会减小。根据热力学第二定律可知，气体向真空的自由膨胀是不可逆的，容器中的气体不能全部自动回到A部分。考点三热力学第一定律与气体实验定律的结合1．做功情况看体积体积V减小→外界对气体做功→W>0；体积V增大→气体对外界做功→W<0；无阻碍地自由膨胀→W＝0。2．内能变化看温度温度T升高→内能增加→ΔU>0；温度T降低→内能减少→ΔU<0。3．吸热和放热吸热还是放热，一般题目中会告知，或由热力学第一定律ΔU＝Q＋W，知道W和ΔU后确定Q。√√(2024·广东茂名市第一次综合考试)如图所示的是气压升降椅，可升降部分由坐凳和当活塞用的不锈钢圆柱组成，圆柱光滑、横截面积S＝10cm2，圆柱封闭着体积V＝120cm3的理想气体。当小明坐上升降椅后，气体被压缩，椅子缓慢下降10cm后静止。小明离开椅子后，椅子又缓缓上升到原来的位置。已知大气压p0＝1.0×105Pa，椅子可移动部分质量m＝2kg，设环境温度不变，重力加速度g取10m/s2。求：(1)小明坐上椅子前封闭气体的压强及小明的质量；[答案]

1.2×105Pa

60kg(2)在小明坐上椅子到椅子恢复最初状态过程中，封闭气体放出的热量。[解析]

环境温度不变，则气体内能不变，根据热力学第一定律可知W1－W2＝Q其中W1＝p2Sh

，W2＝p1Sh解得Q＝60J。[答案]

60J【跟踪训练1】(2024·江苏盐城市三模)如图所示，一定质量的理想气体由状态A经过状态B变为状态C的V－T图像。已知气体在状态A时的压强为pA，相关物理量如图中所示，气体由状态A变为状态B的过程中，吸收的热量为Q。求：(1)气体在状态C时的压强pC

；(2)气体状态从A变到B的过程中内能的变化量ΔU。解析：根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q又因为W＝－pA(VB－VA)解得ΔU＝Q－pA(VB－VA)。答案：Q－pA(VB－VA)(2022·高考江苏卷，T7)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为等温过程，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的温度高于状态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√[解析]

由于a→b的过程为等温过程，即状态a和状态b温度相同，分子平均动能相同，对于理想气体，状态a的内能等于状态b的内能，故A错误；因为a→c过程气体体积增大，气体对外界做正功，而气体温度升高，内能增加，根据ΔU＝W＋Q可知气体吸收热量，故C正确，D错误。(2023·高考广东卷，T13)在驻波声场作用下，水中小气泡周围液体的压强会发生周期性变化，使小气泡周期性膨胀和收缩，气泡内气体可视为质量不变的理想气体，其膨胀和收缩过程可简化为如图所示的p－V图像，气泡内气体先从压强为p0、体积为V0、温度为T0的状态A等温膨胀到体积为5V0、压强为pB的状态B，然后从状态B绝热收缩到体积为V0、压强为1.9p0、温度为TC的状态C，B到C过程中外界对气体做功为W。已知p0、V0、T0和W。求：(1)pB的表达式；(2)TC的表达式；[答案]

TC＝1.9T0

(3)B到C过程，气泡内气体的内能变化了多少？[解析]

根据热力学第一定律可知ΔU＝W＋Q其中Q＝0，故气体内能增加ΔU＝W。[答案]

W命题特点：热力学图像和热力学第一定律的综合应用是高考命题的热点之一，主要考查热力学第一定律的理解、图像物理意义的理解、气体实验定律的应用等知识。复习建议：复习中要形成分过程确定气体的状态变化过程的习惯，特别要注意做功看体积的变化，热量看温度的变化。

【跟踪训练2】(2022·高考辽宁卷，T6)一定质量的理想气体从状态a变化到状态b，其体积V和热力学温度T变化图像如图所示，此过程中该系统(

)A．对外界做正功 B．压强保持不变C．向外界放热 D．内能减少√解析：理想气体从状态a变化到状态b，体积增大，理想气体对外界做正功，A正确；理想气体从状态a变化到状态b，温度升