2024-2025学年高中物理第4章热力学定律与能量守恒1热力学第一定律2能量守恒定律的发现历程精练含解析沪教版选修3-3

热力学第肯定律能量守恒定律的发觉历程

学习

目标1.理解物体跟外界做功和热传递的过程及K0、A的物理意义.2.理解热力学第

肯定律会用分析和计算有关问题.（重点+难点）3.驾驭能量守恒

定律，会用能量守恒的观点分析、解决有关问题.（重点）

预习导学，勘也⑥触梳理知识•夯实基础.

,一、做功和内能的变更

i.系统只通过对外界做功或外界对它做功而与外界交换能量，它不从外界吸热，也不向外

界放热，这样的过程叫做绝热过程.

2.当系统从状态1经过绝热过程达到状态2时，内能的增加量A4-右一△就等于外界对系

统所做的功队即AA-l这就是说在绝热过程中内能的变更用功来量度，外界对物体做多

少功，物体的内能就增加多少；物体对外界做多少功，物体的内能就削减多少.

二、热传递和内能的变更

1.两个暹度不同的物体相互接触时，热量从面温物体传到低温物体，这样的过程叫做热传

递.

2.热量是在单纯的传热过程中系统内能变更的量度.当系统由状态】经过单纯的传热过程

达到状态2,内能的增量△〃=«一6就等于外界向系统传递的热量。，即系统汲取

了多少热量，系统的内能就增加多少;系统放出了多少热量，系统的内能就削减多少.

3.做功和热传递对变更物体I1勺内能在效果上是笠效的.

三、热力学第肯定律

1.当外界既对系统做功又对系统传热时，内能的增量应当

是也：也就是说，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.这个关系叫做热力学笫肯定律.

2.V、。、△〃正负号确定

（1）外界对系统做功，/取正值；系统对外界做功，/取负值.

（2）系统吸热，。取正值，系统放热，0取负值.

⑶系统内能增加，八。‘取正值；系统内能削减，△〃取负值.

四、能量守恒定律

1.能量守恒定律可以表述为：能量既不能凭较生，也不能凭空消逝,它只能从一种形式

转化为另•种形式，或者从•个系统（物体）我整到别的系统（物体），在转化或转移的过程中

其总量不变.

2.能的转化和守恒定律的发觉是科学史上的重大事务.恩格斯把它与细胞学说、生物进化

论一起列为19世纪的三大发觉.能量守恒定律是自然界的普遍规律，是人们相识自然，改

造自然的有力武器，在20世纪30年头初，W•泡利和E•费米依据能量守恒定律预言了史

微子的存在并在后来得到证明.

》多维课堂，俗⑥。⑥突破疑难•讲练提升.

知识点1对内能变更的理解

1.做功和热传递在变更内能上的关系

做功热传递

外界对物体做功，物体的内能

物体汲取热量，内能增加.物

内能变更增加物体对外界做功，物体的

体放出热量，内能削减

内能削减

其他形式的能与内能之间的不同物体间或同•物体不同

物理实质

转化部分之间内能的转移

做肯定量的功或传递肯定量的热在变更内能的效果上是相同

相互联系

的

2.功、热量和内能

(1)功和内能的区分：功是能量转化的量度，是过程量，而内能是状态量，做功过程中，能

量肯定会发生转化而内能不肯定变更，但内能变更时，不肯定有力做功，也可能是由热传递

变更物体的内能.物体内能大，并不意味着做功多，只有内能变更大，才可能做功多.

(2)热量和内能：内能是由系统的状态确定的，状态确定，系统的内能也随之确定，耍使系

统的内能发生变更，可以通过热传递或做功两种方式来完成.而热量是热传递过程中的特征

物理量，和功一样，热量只是反映物体在状态变更过程中所迁移的能量，是用来衡量物体内

能变更的.有过程，才有变更，离开过程，亳无意义.就某一状态而言，只有“内能”，根

本不存在什么“热量”和“功”，因此，不能说一个系统中含有“多少热量”或“多少功”.

［am对于热量、功和内能三者的说法正确的是()

A.热量、功、内能三者的物理意义等同

B.热量、功都可以作为物体内能的量度

C.热量、功、内能的单位不相同

D.热量和功是由过程确定的，而内能是由物体状态确定的

［思路点拨］求解此题应把握以下三点：

(D明确功、热量、内能的物理意义.

(2)明确功、热量、内能分别是过程量还是状态量.

(3)功、热量、内能的单位相同.

［解析］物体的内能是指物体的全部分子动能和分子势能的总和，而要变更物体的内能可以

通过做功和热传递两种途径，这三者的物理意义不同，A项错.热量是表示在热传递过程中

物体内能变更多少的物埋量，而功也是用做功的方式来量度变更物体内能多少的物埋量，B

项错.三者单位都是焦耳，C项错.热量和功是过程量，内能是状态量，D项对.

［答案］I）

G跟踪训练关于温度、热量、功、内能，以下说法正确的是（）

A.同一物体温度高时，含有的热量多

B.物体的内能越大，含有的热量就越多，温度也越高

C.外界对系统做功队内能必定增加

D.在自然过程中，热量总是从温度高的物体传给温度低的物体

解析：选D.同一物体温度高时，内能大，只有热传递过程转移的内能才能称为热量，A错，

B错；在自然过程中，热量总是从温度高的物体传给温度低的物体，D对；只有在绝热过程

中△〃三肌C错.

知识点2对热力学第肯定律的理解

1.热力学第一定律不仅反映了做功和热传递这两种变更内能的效果是等效的，而且给出了

内能的变更量和做功与热传递之间的定量关系.此定律是标量式，应用时热量的单位应统一

为国际单位制中的焦耳.

2.对公式△公什川符号的规定

外界对系统做功，上0,即/为正值；

系统对外界做功，也就是外界对系统做负功，“<0,即/为负值；

外界对系统传递热量，也就是系统从外界汲取热量，00,即Q为正值：

外界从系统汲取热量，也就是系统向外界放出热量，久0,即Q为负值：

系统内能增加，k力0,即△〃为正值；

系统内能削减，A伏0,即△〃为负值.

归纳列表记为:热力学第行定律是能的转化与守恒定律在变更物体内能这一特定过程中的详

细体现.

符号Q

十外界对物体做功物体汲取热量内能增加

—物体对外界做功物体放出热量内能削减

□命题视角1用热力学第肯定律定性分析

傀2密闭有空气的薄塑料瓶因降温而变扁，此过程中瓶内空气（不计分子势能）（）

A.内能减小，外界对其做功

B.内能减小，汲取热量

C.内能增大，对外界做功

【）.内能增大，放出热量

［解析1密闭有空气的薄塑料瓶降温说明气体的内能减小，薄塑料瓶变扁说明外界对气体做

功；由热力学第竹定律nJ知，气体在变更过程中放出热量，所以选项A止确.

［答案］A

。命题视角2用热力学第广定律进行定量计算

例3如图所示是密闭的汽缸，外力推动活塞〃压缩气体，对缸内气体做

功500J.同时气体向外界放热100J.缸内气体的()

A.温度上升，内能增加400J

B.温度上升，内能削减400J

C.温度降低,内能增加600J

D.温度降低，内能削减600J

［解析］由热力学第肯定律可得AC'+g500J+(-100J)=400J,即缸内气体内能增

加400J,气体温度上升，故选项A对，B、C、D错.

［答案］A

商国招回

应用热力学第肯定律解决问题的关犍

(1)要明确探讨的对象是哪个物体或者说是哪个热力学系统.

(2)应用热力学第肯定律计算时，要依照符号法则代入数据，对结果的正、负也同样依照符

号法则来说明其意义.

口命题视角3热力学第肯定串与气体试验定律的

综合应用

如图所不，力、，两点表不肯定质量的某种志向气体的两个状态，当气VB

体从状态力变更到状态〃时()*

A.气体内能肯定增加B.气体压强变大。

C.气体对外界做功D.气体对外界放热

［思路点拨］(1)肯定质量志向气体的内能由温度确定.

⑵由〃推断压强变更.

(3)依据体积变更推断做功状况.

(4)由热力学第肯定律推断吸热还是放热.

［解析］由题图可知，志向气体的变更为等温膨胀，气体压强减小，故气体的内能不变，气

体对外做功；由热力学第肯定律可知，气体肯定从外界汲取热量.综上可知，C对，A、B、

【)错.

［答案］C

【通关综习】

1.下列说法正确的是（）

A.物体放出热量，其内能肯定减小

B.物体对外做功，其内能肯定减小

C.物体汲取热量，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

解析：选C.依据热力学第肯定律（公式△C-0+阶可知，做功和热传递都可以变更物体的内

能.当外界对物体做的功大于物体放出的热量或物体汲取的热量•大于物体对外做的功时.物

体的内能增加，选项A、B错误，选项C正确：物体放出热量同时对外做功，则什族0,内

能减小，选项【）错误.

2.如图，肯定质量的志向气体，由状态a经过数过程到达状态6或者经

过ac过程到达状态c.设气体在状态。和状态c的温度分别为7；,和心在

过程ab和ac中汲取的热量分别为Q”,和Q“，则（）

A.。＞7C9QN＞Q*B.T»Te9OXQ«.

C.Tb=Tc,。皿＞。乂.D.Tb=Tc,QcKQ0：

解析：选c.由志向气体状态方程可知＜=4=4,即安上=丛展得4=%则气

tclbiclb

体在6、。状

态内能相等，因a至U8和a到。的A〃相同：而a到。过程中气体体积不变，"'=0,a到。

过程中气体膨胀对外做功，K0,依据热力学第肯定律：△△=什/可知a至IJ〃的吸热心

大于a到c的吸热Q©即QQQ*.选项C正确.

3.（多选）行定量的志向气体从状态a起先，经验等温或等压过程助、be、cd、而回到原状

杰，箕7图象如图所示，其中对角线ac的延长线过原点0.下列推断正确的是（）

0

0'T

A.气体在爪。两状态的体积相等

B.气体在状态a时的内能大于它在状态c时的内能

C.在过程cd中气体向外界放出的热量大于外界对气体做的功

D.在过程而中气体从外界汲取的热量小于气体对外界做的功

E.在过程A中外界对气体做的功等于在过程力中气体对外界做的功

解析：选ABE.由可知，p-7图象中过原点的一条倾斜的直线是等容线，A项正确：气

体从状态c到状态"的过程温度不变，内能不变，从状态d到状态a的过程温度上升，内能

增加，B项止确；由于过程”中气体的内能不变，依据热力学第仃定律可知，气体向外放

出的热量等于外界对气体做的功，C项错误：在过程由中气体内能增加，气体从外界汲取

的热量大于气体对外界做的功，D项错误；过程be中，外界对气体做的功以=外(/,一匕)

过程血中气体对外界做的功能户口(匕一打)="?一R％,由于必弘=口，匕，p.K

=〃/,因此过程命中外界对气体做的功与过程而中气体对外界做的功相等，E项正确.

知识点3能量守恒定律的理解

1.能量的存在形式及相互转化

各种运动形式都有对应的能：机械运动有机械能，分子的热运动有内能，还有诸如电磁能、

化学能、原子能等.

各种形式的能，通过某种力做功可以相互转化，例如：利用电炉取暖或烧水，电能转化为内

能；煤燃烧，化学能转化为内能；列车刹车后，轮子温度上升，机械能转化为内能.

2.与某种运动形式对应的能是否守恒是有条件的，例如，物体的机械能守恒，必需是只有

重力或系统弹力做功：而能量守恒定律是没有条件的，它是一切自然界现象都遵守的基本规

律.

3.能量守恒定律的重要意义：能量守恒定律比机械能守恒定律更普遍，它是物理学中解决

问题的重要思维方法.能量守恒定律与细胞学说、达尔文的进化论并称19世纪自然科学中

三大发觉，其重要意义由此可见.

«5如图所示，一个质量为20kg的绝热汽缸竖直放置，绝热活塞的质量为5kg,处于

静止状态时被封闭气体的高度为50cm,现在在活塞上方加一15kg的物体，待稳定后，被

封闭气体的高度变为40cm.求在这一过程中气体的内能增加多少？UMX10m/s2,不考虑活

塞的大气压力及摩擦阻力)

，〃瓢嬲物添〃〃

［思路点拨］解答本题可按以下思路进行思索：

绝热过程I一⑼能增加I-丽F能量的削减I

［解析］由能量守恒定律可知，内能的增加等于活塞和物体重力势能的削减，

MJ=\E=(15+5)X10X(50-40)X102J=2OJ.

［答案］20J

网管国囹

(1)绝热过程表示不吸热、也不放热：“导热性能良好且过程缓慢”表示此过程有热传递发

生且刚好充分，保持温度不变.

⑵用“能量”观点解题便利、快捷.

如图所示,从夕是两个完全相同的铁球，力放在绝热板上,8用绝热绳悬挂.现

只让它们汲取热量，当它们上升相同的温度时，它们所汲取的热量分别为Q,、Q,则（）

A.O4=QyB.QXQ

C.Q〉QNI）.无法确定

解析：选C.月、4上升相同的温度，故两球的内能增量相同，由金属球受热后体枳膨胀，B

球重心下降重力做正功、月球重心上升重力做负功，由热力学第肯定律得：NU=HrW,故〃

=△­A；QB=△U-H；Q尸AU+#；明显Q>a

》随堂演练，◎⑥❷可以练促学•朴短扬长.

［随堂检测］

1.（多选）下列关于热量、功和内能三者的说法中正确的是（）

A.三者单位相同，物理意义相同

B.热量和功是内能变更的量度

C.热量和功由物体状态确定，而内能由过程确定

D.系统内能增加了100J,可能是外界采纳绝热方式对系统做功100J,也可能是外界单纯

地对系统传热100J

解析：选BD.热量、功和内能三者尽管单位相同，但物理意义有本质区分，A错.热量和功

由过程确定，内能由物体状态确定，热量和功是内能变更的量度，B对，C错.对一个绝热

过程△〃=«』100J,对一个单纯热传递过程△"=4100J,D对.

2.一木箱静止于水平面上，现在用一个80N的水平推力推动木箱前进10m,木箱受到的

摩擦力为60N,则转化为木箱与地面系统的内能〃和转化为木箱的动能瓦分别是（）

A.£-200J,6=600JB.4=600J,6=200J

C.600J,笈=800JD.〃三800J,E=200J

解析：选B.由于木箱在推动中受到滑动摩擦力，其与相对位移的乘积为物体的内能即：1^=

60X10J=600J.由能量守恒定律可得：£=#%一£80X10J—600J=200J,故B正确.

3.（多选）用密封性好、充溢气体的塑料袋包袱易碎品，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（）

充气袋

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

解析：选AC.实际气体在温度不太低,、压强不太大时可看做志向气体.充气袋被挤压，气体

体积减小，外界对气体做正功，则#〉0,即气体对外界做负功，由于袋内气体与外界无热交

换，即0=0,依据热力学第肯定律△Z/-W+0知，内能增大，温度上升，选项A、C正确：

依据志向气体状态方程用。可推断压强肯定增大，选项B、D错误.

4.如图所示，在竖直放置的圆柱容器内，用活塞密封一部分气体，活塞质量为m,I...|

容器的横截面积为s,活塞与容器壁间无摩擦，平衡时容器内的密闭气体的压强|......1

为小外界大气压恒为必当气体从外界汲取热量。、活塞上升方后再次平衡（可

认为气体压强恒为。不变）.则在此过程中密闭气体增加的内能等于（）」〃〃〃〃〃」

A.QB.Q—mgh

C.Q—mgh—p^Sh1）.Q-mgh+汾Sh

解析：选C.气体前后两个状态用1和2表示，对应内能为〃和火当气体从状态1变更到

状态2时，能流图如图所示.从能流图可以看出：bU=Q-W=Q-mgh-6Sh.

对外做功

《（从外界吸热

5.肯定质量的志向气体，状态从—m的变更过程可用如图

所示的〃一/图描述，图中R、R、h、弘和弘为已知量.

⑴气体状态从力到4是_________过程（填“等容”“等压”或“等

温”）；

⑵状态从“到C的变更过程中，气体的温度________（填“上

升”“不变”或“降低”）；

（3）状态从。到〃的变更过程中，气体________（填“吸热”或“放热”）：

（4）状态从月一丘一〃的变更过程中，气体对外界所做的总功为.

解析：由图像可知，由气体力到8压强不变，体积增大，则温度上升，是等压过程；由A

到。过程体积不变，压强减小，则温度降低：由。到〃过程，体积减小，压强不变，是放热

过程.从/一夕体积增大，气体对外界做正功桥=.（%—〃），从夕一C体积不变，气体不做

功，从〃体枳减小，气体做负功用=一外（4一％3故整个过程中的总功勺的十用=/儿（%

一匕）㈤.

答案：（1）等压（2）降低（3）放热

（4）R（Vs—匕）—pi（%—K）

［课时作业］

一、单项选择题

1.关于物体的内能及其变更，以下说法正确的是（）

A.物体对外做功时,其内能必定变更

B.物体对外做功，其内能不肯定变更，向物体传递热量，其内能也不肯定变更

C.物体对外做功，其内能必定变更.物体向外传出肯定热量其内能必定变更

D.若物体与外界不发生热交换，则物体的内能必定不变更

解析：选B.物体对外做功，其内能可能不变，A错；变更内能有两种方式：做功和热传递，

由热力学第肯定律可知B对，C、D错.

2.下列关于做功和热传递的说法中正确的是（）

A.做功和热传递的实质是相同的

B.做功和热传递在变更物体内能上是等效的

C.做功和热传递是对同一过程的两种说法

D.做功和热传递是不行能同时发生的

解析：选B.做功和热传递在变更物体内能上是等效的，但本质不同，做功是将其他形式的

能量转化为内能或将内能转化为其他形式的能量，热传递是内能的转移，且做功和热传递可

以同时进行，故B选项正确.

3.肯定质量的气体膨胀做功100J,同时吸热30J,则气体内能的增量为（）

A.130JB.70J

C.-70JD.-130J

解析：选C.气体膨胀时外界对气体做功#=-100J,汲取热量＜2=30J,由热力学第肯定

律有：J+30J=-70J.

4.给旱区送水的消防车停于水平地面.在缓慢放水过程中，若车胎不漏气，胎内气体温度

不变，不计分子间势能，则胎内气体（）

A.从外界吸热B.对外界做负功

C.分子平均动能减小D.内能增加

解析：选A.本题考查了热力学第肯定律.由于车胎内温度保持不变，故分子的平均动能不

变，内能不变.放水过程中体积增大对外做功，由热力学第肯定律可知，胎内气体吸热.A

选项正确.

二、多项选择题

5.如图所示，将一空的薄金属圆筒开口向卜压入水中，设水温匀称且

恒定，且筒内空气无泄漏，不计空气分子间的相互作用，则被沉没的

金属筒在缓慢下降过程中，发觉筒内空气体积在不断减小，则下列说

法中正确的是（）

A.筒内空气的压强在增大

B.筒内空气的温度在上升

C.筒内空气向外界放热

I）.筒内空气的内能减小

解析：选AC.金属筒在缓慢下降过程中，压强增大，A正确；由于水温匀称恒定，又不计空

气分子间相互作用，不考虑分子势能，其内能不变，所以B、D均错误，因体积不断减小，

外界对气体做功，则空气向外界放热，C正确.

6.对于打定量的志向气体，下列说法正确的是（）

A.若气体的压强和体积都不变，其内能也肯定不变

B.若气体的内能不变，其状态也肯定不变

C.若气体的温度随时间不断上升，其压强也肯定不断增大

D.气体温度每上升1K所汲取的热量与气体经验的过程有关

解析：选AD.夕、/不变，则/不变，气体的内能不变，故选项A正确；内能不变，温度不变,

小/可能变，选项B错误；气体温度上升，压强不肯定增大，故选项C错误：气体温度每

上升】K汲取的热量与气体对外做功多少有关，即与经验的过程有关，故选项D正确.

7.如图，内壁光滑、导热良好的汽缸中用活塞封闭有肯定质置的志向气|[|]

体.当环境温度上升时，缸内气体（）

A.内能增加

B.对外做功」---------L

C.压强增大

D.分子间的引力和斥力都增大

解析：选AB.当环境温度上升时，压强不变，缸内气体膨胀对外做功，志向气体不考虑分子

力，内能仅由物质的量和温度确定，温度上升，气体的内能增加，正确选项为A、B.

三、非选择题

8.如图所示，肯定质量的志向气体从状态力经等压过程到状态笈此过程中，气体压强?=

1.0X105Pa,汲取的热量＜2=7.0X102J,求此过程中气体内能的增量.

V7（xlO-3m3）

6.0

an40

解析：等压变更9=3,对外做的功才'=〃(％—匕)

依据热力学第肯定律＜2-肌

解得△〃=5.OXIO?工

答案：5.0X102J

9.肯定质量的志向气体从状态月变更到状态且再变更到状态0