第14章 第3节 热力学定律与能量守恒定律

盘热力学定律与能量守恒定律

［走进教材•务实基础］回顾知识•激:舌技能

◎梳理-必备知识

一、热力学第一定律和能量守恒定律

1.改变物体内能的两种方式

⑴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：AU=O+W。

3.能・转化和守恒定律

(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

为另一种形式,或者从一个物体转移到别的物体,在转化或转移的过程中，能量

的总量保持不变。

(2)第一类永动机：违背能量守恒定律的机器被称为第一类永动机。它是不

可能制成的。

二、热力学第二定律

1.常见的两种表述：

⑴克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传到高温物体。

⑵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。

高温热•高温热库

。Q\

号

［低温热库)［低温热库

热机工作过程示意图制冷机工作过程示意图

2.第二类永动机：违背宏观热现象方向性的机器被称为第二类永动机。这

类永动机不违背能量守恒定律,但它违背了热力学第二定律,也是不可能制成的。

©激活-基本技能

一、易错易误辨析（正确的打“，错误的打“X”）

（1）内能是物体中所有分子热运动所具有的动能的总和。（X）

（2）物体吸收热量，同时对外做功，其内能可能增加。（J）

（3）根据热力学定律，热机的效率可以达到100%。（X）

（4）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。（J）

（5）满足能量守恒定律的物理过程都能自发进行。（X）

二、教材习题衍生

L（人教版选择性必修第三册P53Tl改编）用活塞压缩汽缸里的空气（可看作

理想气体），对空气做了900J的功，气体内能增加了690J,则此过程（）

A.气体从外界吸收热量210J

B.气体向外界放出热量210J

C.气体从外界吸收热量111（）J

D.气体向外界放出热量111（）J

B［由热力学第一定律知NU=W+Q

则W=690J—900J=—21。J,故向外界放热，B项正确。］

2.（人教版选择性必修第三册P63T2改编）（多选）下列现象中能够发生的是

（）

A.一杯热茶在打开杯盖后，茶会自动变得更热

B.蒸汽机把蒸汽的内能全部转化成机械能

C.桶中混浊的泥水在静置一段时间后，泥沙下沉，上面的水变清，泥、水

自动分离

D.电冰箱通电后把箱内低温物体的热量传到箱外高温物体

CD［A选项违背热力学第二定律，不可能发生；B项蒸汽机的能量损失不

可避免，不可能把蒸汽机的内能全部转化为机械能，违背了热力学第二定律，不

能发生；C项泥、水自动分离现象能发生，不违背热力学第二定律，只是系统的

势能减少了；D项中电冰箱消耗了电能，所以不违背热力学第二定律，能发生。

故选CD。］

3.（人教版选择性必修第三册P64T3改编）用隔板将一绝热容器隔成A和5

两部分，A中盛有一定质量的理想气体，B为真空（如图①），现把隔板抽去，A

中的气体自动充满整个容器（如图②），这个过程称为气体的自由膨胀，下列说法

正确的是（）

图①图②

A.自由膨胀过程中，气体分子只做定向运动

B.自由膨胀前后，气体的压强不变

C.自由膨胀前后，气体的温度不变

D.容器中的气体在足够长的时间内，还能全部自动回到A部分

C［分子时刻在做无规则的热运动，故A错误；自由膨胀后，温度不变，

体积变大，由气体状态方程可知，压强变小，故B错误；自由膨胀过程中由于

不受阻力作用，因此气体不做功，由于容器绝热，因此。=0,由AU=W+。可

知，气体内能不变，因此温度也不变，故C正确；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，故D错误。］

［细研考点•突破题型］空难解惑•直击高考

考点1热力学第一定律的理解〈题组通关

1.热力学第一定律AU=Q+W

⑴符号法则。

符号WQAU

+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小

⑵三种特殊情况。

过程含义内能变化物理意义

绝热0=0AU=W外界对物体做的功等于物体内能的增加

等容w=oQ=NU物体吸收的热量等于物体内能的增加

等温AU=0W=_Q外界对物体做的功等于物体放出的热量

2.做功和热传递的区别与联系

两种方式做功热传递

外界对物体做功，

物体的内能增加；物体吸收热量，内能增加；物体

内能变化情况

物体对外界做功，放出热量，内能减少

物体的内能减少

做功是宏观的机

热传递是通过分子之间的相互作

械运动向物体的

区从运动形式上看用，使同一物体的不同部分或不

微观分子热运动

别同物体间的分子热运动发生变化

的转化

做功是其他形式

不同物体间或同一物体不同部分

从能量的角度看的能与内能相互

之间内能的转移

转化的过程

能的性质发生了

能的性质变化情况能的性质不变

变化

做一定量的功或传递一定量的热量在改变内能的效

联系

果上是相同的

［题组突破］

1.（热力学第一定律理解）如图是密闭的汽缸，外力推动活塞产压缩气体,

对缸内气体做功800J,同时气体向外界放热200J,缸内气体的（）

A.温度升高,内能增加600J

B.温度升高,内能减少200J

C.温度降低,内能增加600J

D.温度降低，内能减少200J

A［据题，外界对气体做功，W=800J,气体向外散热，则。=-200J,

根据热力学第一定律得，气体内能的增量AU=W+0=8OOJ-200J=600J,即

内能增加600J;对于一定质量的理想气体，内能增加，温度必然升高，A项正

确。］

2.（热力学第一定律的应用）（2021・山东卷）如图所示，密封的矿泉水瓶中，

距瓶口越近水的温度越高。一开口向下、导热良好的小瓶置于矿泉水瓶中，小瓶

中封闭一段空气。挤压矿泉水瓶，小瓶下沉到底部；松开后，小瓶缓慢上浮，上

浮过程中，小瓶内气体（）

A.内能减少

B.对外界做正功

C.增加的内能大于吸收的热量

D.增加的内能等于吸收的热量

B［由于越接近矿泉水瓶口，水的温度越高，因此小瓶上浮的过程中，小瓶

内温度升高，内能增加，A错误；在小瓶上升的过程中，小瓶内气体的温度逐渐

PV

升高，压强逐渐减小，根据理想气体状态方程T=C,气体体积膨胀，对外界做

正功，B正确；由以上分析，小瓶上升时，小瓶内气体内能增加，气体对外做功，

根据热力学第一定律AU=W+Q,由于气体对外做功，因此吸收的热量大于增

加的内能，C、D错误。故选B。］

考点2热力学第二定律的理解及应用《题组通关

1.热力学第二定律的理解与应用

⑴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”的含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。

（3）热力学第二定律提示了自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方

向性。如：

①高温物体靠‘霍蠹k低温物体。

能自发地完全转化为

匕'不能自发地完全转化为

防体体积匕气体体积型较大）。

小于曰4Xnc能自发混合成、注:1/£/加

④不同气体4和3白份A黄舟混合气体ABa

4、月匕目友外后成

2.两类永动机的理解

第一类永动机第二类永动机

不需要任何动力或燃料，却能不断地对从单一热源吸收热量，使之完全变成

外做功的机器功，而不产生其他影响的机器

不违背能量守恒定律，但违背热力学第

违背能量守恒定律，不可能制成

二定律，不可能制成

［题组突破］

L（热力学第二定律的理解）⑵）20•全国卷Hk3⑴改编）下列关于能量转化过

程的叙述，只违背热力学第二定律的是（）

A.汽车通过燃烧汽油获得动力并向空气中散热

B.冷水倒入保温杯后，冷水和杯子的温度都变得更低

C.某新型热机工作时将从高温热源吸收的热量全部转化为功，而不产生其

他影响

D.冰箱的制冷机工作时从箱内低温环境中提取热量散发到温度较高的室内

C［A项中燃烧汽油产生的内能一方面向机械能转化，同时通过热传递向

空气散热，这既不违背热力学第一定律，也不违背热力学第二定律；B项中冷水

倒入保温杯后，没有对外做功，同时也没有热传递，内能不可能减少，故违背热

力学第一定律；C项中某新型热机工作时将从高温热源吸收的热量全部转化为

功，必然产生其他影响，故违背热力学第二定律；D项中制冷机消耗电能工作时,

从箱内低温环境中提取热量散发到温度较高的室内，发生了内能的转移，同时对

外界产生了影响，这既不违背热力学第一定律，也不违背热力学第二定律。］

2.（两类永动机的理解）关于两类永动机和热力学的两个定律，下列说法正

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从单一热源吸收热量，完全变成功是可能的

D［第一类永动机违反热力学第一定律，第二类永动机违反热力学第二定

律，A、B两项错误；由热力学第一定律可知WHO,QWO,但AU=W+。可以

等于0,C项错误；由热力学第二定律可知D中的现象是可能的，但会引起其他

变化。］

考点3气体实验定律与热力学定律的综合《师生共研

解决热力学定律与气体实验定律的综合问题的基本思路

［典例］（多选）（2021•全国乙卷）如图，一定质量的理想气体从状态a（po、％、

To）经热力学过程。力、be、co后又回到状态°。对于be、co三个过程，下列

说法正确的是（）

012vivo

A.他过程中，气体始终吸热

B.CQ过程中，气体始终放热

C.恒过程中，气体对外界做功

D.从过程中，气体的温度先降低后升高

E.从过程中，气体的温度先升高后降低

ABE［气体从〃到力的过程中，体积V不变，压强p增大，则外界对气体

nV

不做功，根据理想气体状态方程5二C,可知气体的温度T升高，故气体的内能

增加，根据热力学第一定律AU=W+Q,可知气体从外界吸收热量，A正确；

气体从c到a的过程中，体积V减小，压强p不变，则外界对气体做功，根据

理想气体状态方程半=C,可知气体的温度T降低，故气体的内能减少，根据热

力学第一定律AU=W+。，可知气体向外界放出热量，B正确，C错误；气体

在》和。状态时，pbVb=pcVc=2pQV^从〃、。连线上任取一点，该点、的pV）pbVb

nV

=PcVcf根据理想气体状态方程令=C,可知气体从力到C的过程中温度先升高

后降低，D错误，E正确。］

［跟进训练1

1.（2021•全国乙卷T33仿真题）一定质量的理想气体，从状态M开始，经状

态N、。回到原状态M,其p-V图像如图所示，其中。M平行于横轴，N。平行

于纵轴，M、N在同一等温线上。下列说法正确的是（）

A.气体从状态〃到状态N的过程中温度先降低后升高

B.气体从状态N到状态。的过程中温度先升高后降低

C.气体从状态N到状态。的过程中放出热量

D.气体从状态Q到状态M的过程中外界对气体所做的功大于气体从状态

M到状态N的过程中气体对外界所做的功

D［根据p-V图像中等温线的特点可知，气体从状态M到状态N的过程中