高三物理一轮复习 热力学定律与能量守恒定律教学一体案

热力学定律与能量守恒定律

】•改变内能的两种方式的比较

名称

比做功热传递

项

在绝热过程中，外界对物体做功，物体的在单纯的热传递过程中，物体

内能变化内能增加:物体对外界做功，物体的内能吸收热量,内能增加：物体放

逊出热量，内能减少

不同物体间成同一物体的不

物理实质其他形式的能与内能之间的转化

同部分之间内能的转移

相互联系做一定量的功或传递一定量的热在改变内向由的效果上是相同的

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：

(3)符号法则

符号Q

+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

1.温度、内能、热量、功的比较

概念温度内能(热能)热量功

表示物体的冷热程度，是物体内所有分子是热传递过程中做功过程是机械

含

物体分子平均动能大小的动能和势能的总内能的改变量，能或其他形式的

义

标志，它是大量分子热运和，它是由大量热量是用来量度能和内能之间的

动的集体表现，对个别分分子的热运动和热传递过程中内转化过程

子来说，温度没有意义分子的相对位置能转移的多少

所决定的能

温度和内能是状态量，热量和功则是过程量。热传递的前提条件是存在温差，传递

关系

的是热量而不是温度，实质上是内能的转移

2.对热力学第一定律的理解

(1)热力学第一定律不仅反映了做功和热传递这两种改变内能的过程是等效的，而且给

出了内能的变化量和做功与热传递之间的定量关系。此定律是标量式，应用时功、内能、热

量的单位应统一为国际单位焦耳。

(2)几种特殊情况

①若过程是绝热的，则0=0,归&U,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/?-0,则gAU,物体吸收的热昼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AZ7=0,则#十40或#'=一。，外界对物体

做的功等于物体放出的热量。

1.图是密闭的汽缸，外力推动活塞夕压缩气体，对缸内气体做功800J,同

时气体向外界放热200J,缸内气体的()

图11-3-1

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

解析：选A对一定质量的气体，由热力学第一定律△仁什。可知，A4-=800J+(-

200J)=600J,△〃为正表示内能增加了600J,对气体来说，分子间距离较大，分子势能

为零，内能等于所有分子动能的和，内能增加，气体分子的平均动能增加，温度升高•，选项

A正确。

热力学第二定律、能量守恒定律

1.热力学第一定律的两种表述

(1)克劳修斯表述：热量不能自发地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。

或表述为“第二类永动机是不可能制成的。”

2.能量守恒定律

能量既不会凭空产牛.，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，能量的总包保持不变。

3.能源的利用

(1)存在能量耗散和品质降低。

(2)重视利用能源时对豆境的影响o

(3)要开发新能源(如木雕、生物质能、风能、水流能等；

1.两类永动机的比较

第一类永动机第二类永动机

不需要任何动力或燃料，却能不断地对外做从单一热库吸收热量，使之完全变成功，而

功的机器不产生其他影响的机器

不违背能量守恒，违背热力学第二定律，不

违背能量守恒，不可能制成

可能制成

2.对热力学第二定律的理解

(1)在热力学第二定律的表述中，“自发地”“不产生其他影响”的涵义：

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”的涵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)热力学过程方向性实例：

小注安恤什热量。花自发传给他安娴心

①E温物体热轨尿能自发传给低温物体

向讨能自发地完全转化为执

②功不能自发地且不能完全转化为B

③气体体积匕盘髓溜］气体体积似较大)

④不同气体,4和〃舞渡号篙戈混合气体第

⑤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。

2.地球上有很多的海水，它的总质量约为1.4X1CT吨，如果这些海水的温度降低0.1C,

将要放出5.8X10*'焦耳的热量，有人曾设想利用海水放出的热量使它完全变成机械能来解

决能源危机，但这种机器是不能制成的，其原因是（）

A.内能不能转化成机械能

B.内能转化成机械能不满足热力学第一定律

C.只从单一热源吸收热量并完全转化成机械能的机器不满足热力学第二定律

D.上述三种原因都不正面

解析：选C内能可以转化成机械能，如热机，A错误：内能转化成机械能的过程满足

热力学第一定律,即能量守恒定律.B错误：热力学第二定律告诉我们：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，C正确。

耀职题型，"

RCOIANTIXINO1—―――

热力学第一定律的应用

［命题分析］本考点为高考热点，主要考查对热力学第一定律的理解，以选择题呈现。

［例1］（2012•广东高考）景颇族的祖先发明的点火器如图1132所示，用牛角做

套筒，木制推杆前端粘着艾绒，猛推推杆，艾绒即可点燃。对筒内封闭的气体，在此压缩过

程中（）

图11-3-2

A.气体温度升高，压强不变

B.气体温度升高，压强变大

C.气体对外界做正功，气体内能增加

D.外界对气体做正功，气体内能减少

［解析］猛推推杆，封闭在套筒中的气体被压缩，外界时气体做功，套筒由牛角做成，

导热能力很差，且压缩过程用时极短，故压缩过程可看做绝热过程。由w.可知气体的

内能增加，温度升高，根据可知因r增大，夕减小，故「增大，选项B正确。

［答案］B

1极短过程可视为绝热过程，此时go。

2气体做功情况的判定方法：

①若气体体积增大，则气体对外做功，//'V0气体向真空膨胀除外。

②若气体体积缩小，则外界对气体做功，砂＞0。，③若气体体积不变，即等容过程用=0。

3对一定质量的理想气体，由于无分子势能，其内能只包含分子无规则热运动的动

能，这时内能只与温度有关，故判定一定质量的埋想气体内能是否变化，应看温度是否发生

了变化，与体积无关，这与一般物体不同。

［变式训练］

1.（2011•重庆理综）某汽车后备箱内安装有撑起箱盖的装置，它主要由汽缸和活塞组

成。开箱时，密闭于汽缸内的压缩气体膨胀，将箱盖顶起，如图11-3—3所示。在此过程

中,若缸内气体与外界无热交换,忽略气体分子间相互作用,则缸内气体（）

图11-3-3

A.对外做正功，分子的平均动能减小

B.对外做正功，内能增大

C.对外做负功，分子的平均动能增大

D.对外做负功，内能减少

解析：选A汽缸内气体膨胀时其向外推动活塞做正功，C、D两项均错；因缸内气体与

外界无热交换，根据热力学第一定律可知气体内能减小，故B项错误；忽略气体分子间作用

力时，气体的内能就是所有分子的动能之和，密闭气体的状态变化时分子的总数不变，所以

气体的内能减小时分子的平均动能减小，答案为A。

热力学第二定律的理解

［命题分析］本考点为高考热点，主要考查对热力学第二定律两种表述的理解，以选择

题呈现。

［例2］（2012•新课标全国卷）关于热力学定律，下列说法正确的是（）

A.为了增加物体的内能，必须对物体做功或向它们传递热量

B.对某物体的做功，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

［解析］由A#'+。可知做功和热传递是改变内能的两种途径，它们具有等效性，故

A正确，B错误：由热力学第二定律可知，可以从单一热源吸收热量，使之全部变为功，但

会产生其他影响，故C正确；同样热量只是不能自发的从低温物体传向高温物体，则D项错;

一切与热现象有关的宏观过程不可逆，则E止确。

［答案］ACE

1从单一热库吸收热量，可以完全变成功，但会产生其他影响，如气体的等温膨胀。

2热量可以从低温物体传向高温物体，但需要外界的帮助，消耗外界的能量，如电

冰箱制冷。

3自然界中涉及热现象的宏观过程都具有方向性。

［变式训练］

2.如图11-3—4所示为电冰箱的I：作原理示意图.乐缩机I：作时,强迫制冷剂在冰箱

内外的管道中不断循环。在蒸发器中制冷剂汽化吸收箱体内的热量，经过冷凝器时制冷剂液

化，放出热量到箱体外。

图11-3-4

(1)下列说法正确的是

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一定律

I).电冰箱的工作原理违反热力学第一定律

(2)电冰箱的制冷系统从冰箱内吸收的热量与释放到外界的热量相比，有怎样的关系？

解析：(1)热力学第一定律是热现象中内能与其他形式能的转化规律，是能的转化和守

恒定律的具体表现，适用于所有的热学过程，故C正确，D错误：由热力学第二定律可知，

热量不能自发地从低温物体传到高温物体，除非有外界的影响或帮助，电冰箱把热量从低温

的内部传到高温的外部，需要压缩机的帮助并消耗电能，故B正确，A错误。

(2)由热力学第一定律可知，电冰箱制冷系统从冰箱内吸收了热量，同时消耗了电能，

释放到外界的热量比从冰箱内吸收的热量多。

答案：(l)BC(2)见解析

气体定律与热力学定律的综合应用

［命题分析］本考点为高考热点，主要考查气体实验三定律的计算与热力学第一定律的

综合应用，以计算题呈现。

［例3］(2012•江苏高考)如图11—3—5所示，一定质量的理想气体从状态力经等压

过程到状态凡此过程中，气体压强p=1.0X10"Pa,吸收的热量g7.OXIO"J,求此过

程中气体内能的增量。

图11—3—5

［思维流程］

第一步：抓信息关键点

关键点信息获取

（1）由等压变化由盖一吕萨克定律可求出V,

（2）等压变化吸热0可求气体做功方.进而求AU

第二步：找解题突破口

已知由.4一片气体做等压变化，可由盖-吕萨克定律求出％再由W=F?=pR，求出气体

对外所做的功，最后由热力学第一定律求出内能变化△儿

第三步：条理作答

［解析］等压变化由盖-吕萨克定律得：

方狗

气体对外做功IpW-匕）②

根据热力学第一定律：

将已知数值代入①②③得A6^5.0X102J

［答案］5.0X102J

气体实验定律与热力学第一定律的结合量是气体的体积和温度，当温度变化时，气体的

内能变化，当体积变化时，气体将伴随着做功，解题时要掌握气体变化过程的特点：

1等温过程：内能不变AA-O。

2等容过程：W=0.

3绝热过程：0=0.

［变式训练］

3.如图11-3—6所示，粗细均匀、导热良好、装有适量水银的U型管竖直放置，右端

与大气相通，左端封闭气柱长，=20cm（可视为理想气体），两管中水银面等高。现将右端

与一低压舱（未画出）接通，稳定后右管水银面高出左管水银面力=10emo（环境