第3講　熱力學定律、能量守恒

(本講對應學生用書P311)第3講熱力學定律、能量守恒目錄1核心知識·優(yōu)化增分2高分能力·突破瓶頸3課后提能演練一、熱力學第一定律和能量守恒定律1.改變物體內(nèi)能的兩種方式.（1）

；（2）

.

2.熱力學第一定律.（1）內(nèi)容：一個熱力學系統(tǒng)內(nèi)能的增量等于外界向它傳遞的熱量與外界對它所做的功之和.（2）表達式：ΔU=Q+W.做功傳熱3.能的轉(zhuǎn)化和守恒定律.（1）內(nèi)容：能量既不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或者從一個物體轉(zhuǎn)移到別的物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中，能量的總量保持不變.（2）第一類永動機：違背能量守恒定律的機器被稱為第一類永動機.它是不可能制成的.二、熱力學第二定律1.常見的兩種表述.（1）克勞修斯表述：熱量不能自發(fā)地從

物體傳到

物體.

（2）開爾文表述：不可能從

吸收熱量，使之完全變成功，而不產(chǎn)生其他影響.

2.第二類永動機.違背宏觀熱現(xiàn)象方向性的機器被稱為第二類永動機.這類永動機不違背

，但它違背了

，也是不可能制成的.

低溫高溫單一熱庫能量守恒定律熱力學第二定律（1）做功和傳熱對改變物體的內(nèi)能具有等效性.（2）功W的正負可以根據(jù)系統(tǒng)的體積變化判斷：①體積增大→系統(tǒng)對外做功→W<0；②體積減小→外界對系統(tǒng)做功→W>0.（3）可以從單一熱源吸收熱量，使之完全變成功，但要引起其他變化.1.［能量守恒］（多選）關(guān)于能量和能量守恒，下列表述正確的是

（）A.能量可以從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式B.能量可以從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體C.能量是守恒的，所以能源永不枯竭D.滿足能量守恒定律的物理過程一定能自發(fā)進行AB2.［永動機］（多選）關(guān)于第二類永動機，下列說法正確的是

（）A.第二類永動機是指沒有冷凝器，只有單一的熱源，能將從單一熱源吸收的熱量全部用來做功，而不引起其他變化的熱機B.第二類永動機違背了能量守恒定律，所以不可能制成C.第二類永動機違背了熱力學第二定律，所以不可能制成D.第二類永動機不可能制成，說明機械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，內(nèi)能卻不能全部轉(zhuǎn)化為機械能AC3.［熱力學定律］（多選）對于熱力學第一定律和熱力學第二定律的理解，下列說法正確的是

（）A.熱現(xiàn)象過程中不可避免地出現(xiàn)能量耗散現(xiàn)象，能量耗散符合熱力學第二定律B.物體從外界吸收熱量，其內(nèi)能一定增加；物體對外界做功，其內(nèi)能一定減少C.凡與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過程都具有方向性，在傳熱中，熱量只能從高溫物體傳遞給低溫物體，而不能從低溫物體傳遞給高溫物體D.第一類永動機違背能量守恒定律，第二類永動機不違背能量守恒定律AD【解析】能量耗散過程體現(xiàn)了宏觀自然過程的方向性，符合熱力學第二定律，故A正確；根據(jù)熱力學第一定律ΔU=W+Q，可知物體從外界吸收熱量，其內(nèi)能不一定增加，物體對外界做功，其內(nèi)能不一定減少，B錯誤；做功可以讓熱量從低溫物體傳遞給高溫物體，如電冰箱，C錯誤；第二類永動機沒有違反能量守恒定律，熱力學第一定律是能量轉(zhuǎn)化和守恒定律在熱學中的反映，因此第二類永動機沒有違反熱力學第一定律，不能制成是因為它違反了熱力學第二定律，故D正確.考點1熱力學第一定律的理解與應用［基礎(chǔ)考點］1.熱力學第一定律的理解不僅反映了做功和傳熱這兩種方式改變內(nèi)能的過程是等效的，而且給出了內(nèi)能的變化量和做功與傳熱之間的定量關(guān)系.此定律是標量式，應用時熱量的單位應統(tǒng)一為國際單位制中的焦耳.2.對公式ΔU=Q+W符號的規(guī)定符號WQΔU+外界對物體做功物體吸收熱量內(nèi)能增加-物體對外界做功物體放出熱量內(nèi)能減少3.三種特殊情況（1）若過程是絕熱的，則Q=0，W=ΔU，外界對物體做的功等于物體內(nèi)能的增加.（2）若過程中不做功，即W=0，則Q=ΔU，物體吸收的熱量等于物體內(nèi)能的增加.（3）若過程的初末狀態(tài)物體的內(nèi)能不變，即ΔU=0，則W+Q=0或W=-Q，外界對物體做的功等于物體放出的熱量.1.（2023年全國甲卷）（多選）在一汽缸中用活塞封閉著一定量的理想氣體，發(fā)生下列緩慢變化過程，氣體一定與外界有熱量交換的過程是

（）A.氣體的體積不變，溫度升高B.氣體的體積減小，溫度降低C.氣體的體積減小，溫度升高D.氣體的體積增大，溫度不變E.氣體的體積增大，溫度降低ABD【解析】氣體的體積不變，溫度升高，則氣體的內(nèi)能升高，體積不變氣體做功為零，因此氣體吸收熱量，A正確；氣體的體積減小溫度降低，則氣體的內(nèi)能降低，體積減小外界對氣體做功，由熱力學第一定律ΔU=W+Q，可知氣體對外放熱，B正確；氣體的體積減小，溫度升高，則氣體的內(nèi)能升高，體積減小外界對氣體做功，由熱力學第一定律ΔU=W+Q，可知Q可能等于零，即沒有熱量交換過程，C錯誤；氣體的體積增大溫度不變則氣體的內(nèi)能不變，體積增大氣體對外界做功，由熱力學第一定律ΔU=W+Q，可知Q>0，即氣體吸收熱量，D正確；氣體的體積增大，溫度降低則氣體的內(nèi)能降低，體積增大氣體對外界做功，由熱力學第一定律ΔU=W+Q，可知Q可能等于零，即沒有熱量交換過程，E錯誤.2.（2024年茂名聯(lián)考）用氣壓式開瓶器開紅酒瓶，如圖所示，通過針頭向瓶內(nèi)打幾次氣，然后便能輕松拔出瓶塞，則

（）A.打氣后瓶塞未拔出前，氣體壓強減小B.打氣后瓶塞未拔出前，氣體分子的數(shù)密度增大C.快速拔出瓶塞的過程中，氣體吸熱，內(nèi)能增大D.快速拔出瓶塞的過程中，氣體放熱，內(nèi)能減小B【解析】打氣后瓶塞未拔出前，氣體壓強增大，A錯誤；打氣后瓶塞未拔出前，單位體積內(nèi)的分子數(shù)增加，即氣體分子的數(shù)密度增大，B正確；快速拔出瓶塞的過程中，氣體體積變大，對外做功，由于是快速拔出瓶塞，可認為該過程沒有發(fā)生傳熱，根據(jù)熱力學第一定律可知，氣體內(nèi)能減少，C、D錯誤.3.如圖，某同學將空的玻璃瓶開口向下緩緩壓入水中，設(shè)水溫均勻且恒定，瓶內(nèi)空氣無泄漏，不計氣體分子間的相互作用，則被淹沒的玻璃瓶在下降過程中，瓶內(nèi)氣體（）A.內(nèi)能增加B.向外界放熱C.對外界做正功D.分子平均動能減小B【解析】被淹沒的玻璃瓶在下降過程中，瓶內(nèi)氣體溫度不變，壓強變大，可知氣體體積減小，外界對氣體做正功；由于氣體溫度不變，氣體分子平均動能不變，氣體內(nèi)能不變，根據(jù)熱力學第一定律可知，氣體向外界放熱.B正確.4.某汽車的四沖程內(nèi)燃機利用奧托循環(huán)進行工作，該循環(huán)由兩個絕熱過程和兩個等容過程組成.如圖所示為一定質(zhì)量的理想氣體所經(jīng)歷的奧托循環(huán)，則該氣體（）A.在狀態(tài)a和c時的內(nèi)能可能相等B.在a→b過程中，外界對其做的功全部用于增加內(nèi)能C.b→c過程中增加的內(nèi)能小于d→a過程中減少的內(nèi)能D.在一次循環(huán)過程中吸收的熱量小于放出的熱量B【解析】從c到d為絕熱膨脹，則Q=0，W<0，則內(nèi)能減小，ΔU<0，溫度降低；從d到a，體積不變，壓強減小，則溫度降低，則狀態(tài)c的溫度高于a狀態(tài)溫度，故A錯誤.在a→b過程為絕熱壓縮，外界對氣體做功W>0，Q=0，則ΔU=W，即外界對其做的功全部用于增加內(nèi)能，故B正確.從b→c過程系統(tǒng)從外界吸收熱量，從c→d系統(tǒng)對外做功，從d→a系統(tǒng)放出熱量，從a→b外界對系統(tǒng)做功，根據(jù)p-V圖像下面積即為氣體做功大小，可知c到d過程氣體對外做功.圖像中b→c→d→a圍成的圖形的面積為氣體對外做的功，整個過程氣體內(nèi)能變化量為零，則ΔW=ΔQ，即Q吸-Q放=ΔW>0，即在一次循環(huán)過程中吸收的熱量大于放出的熱量，則b→c過程中增加的內(nèi)能大于d→a過程中減少的內(nèi)能，故C、D錯誤.考點2熱力學第二定律［能力考點］1.熱力學第二定律的實質(zhì)熱力學第二定律的每一種表述，都揭示了大量分子參與宏觀過程的方向性，進而使人們認識到自然界中進行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性.2.兩類永動機的比較（1）第一類永動機：不需要任何動力或燃料，能不斷地對外做功的機器，違背能量守恒定律，不可能制成.（2）第二類永動機：從單一熱源吸收熱量，使之完全變成功，而不產(chǎn)生其他影響的機器，不違背能量守恒定律，但違背熱力學第二定律，不可能制成.3.熱力學過程方向性實例（1）高溫物體

低溫物體.（2）功

熱.（3）氣體體積V1氣體體積V2（較大）.（4）不同氣體A和B混合氣體AB.例1

（多選）利用“渦流效應”可實現(xiàn)冷熱氣體的分離.如圖，一冷熱氣體分離裝置由噴嘴、渦流室、環(huán)形管、分離擋板和冷熱兩端管等構(gòu)成.高壓氮氣由噴嘴切向流入渦流室中，然后以螺旋方式在環(huán)形管中向右旋轉(zhuǎn)前進，分子熱運動速率較小的氣體分子將聚集到環(huán)形管中心部位，而分子熱運動速率較大的氣體分子將聚集到環(huán)形管邊緣部位.氣流到達分離擋板處時，中心部位氣流與分離擋板碰撞后反向，從A端流出，邊緣部位氣流從B端流出.下列說法正確的是

（）ABA.A端為冷端，B端為熱端B.A端流出的氣體分子熱運動平均速率一定小于B端流出的C.A端流出的氣體內(nèi)能一定大于B端流出的D.該裝置氣體進出的過程滿足能量守恒定律，但違背了熱力學第二定律【解析】依題意，中心部位為熱運動速率較低的氣體，與擋板相互作用后反彈，從A端流出，而邊緣部位熱運動速率較高的氣體從B端流出；同種氣體分子平均熱運動速率較大、其對應的溫度也就較高，所以A端為冷端、B端為熱端，故A正確；依題意，A端流出的氣體分子熱運動速率較小，B端流出的氣體分子熱運動速率較大，所以從A端流出的氣體分子熱運動平均速率小于從B端流出的，故B正確；A端流出的氣體分子熱運動速率較小，B端流出的氣體分子熱運動速率較大，則從A端流出的氣體分子平均動能小于從B端流出的氣體分子平均動能，內(nèi)能的多少還與分子數(shù)有關(guān)；依題意，不能得出從A端流出的氣體內(nèi)能一定大于從B端流出的氣體內(nèi)能，故C錯誤；該裝置將冷熱不均氣體的進行分離，噴嘴處有高壓，即通過外界做功而實現(xiàn)的，并非是自發(fā)進行的，沒有違背熱力學第二定律；溫度較低的從A端出、較高的從B端出，也符合能量守恒定律，故D錯誤.1.（多選）下列說法正確的有

（）A.熱量能夠從高溫物體傳到低溫物體，但不能從低溫物體傳到高溫物體B.熱量能夠從高溫物體傳到低溫物體，也可能從低溫物體傳到高溫物體C.機械功可以全部轉(zhuǎn)化為熱量，但熱量不可能全部轉(zhuǎn)化為功D.機械功可以全部轉(zhuǎn)化為熱量，熱量也可能全部轉(zhuǎn)化為功BD2.（多選）如圖所示，導熱的汽缸固定在水平地面上，用活塞把一定質(zhì)量的理想氣體封閉在汽缸中，汽缸的內(nèi)部光滑，現(xiàn)用水平外力F作用于活塞桿，使活塞緩慢向右移動，由狀態(tài)①變化到狀態(tài)②，在此過程中，如果環(huán)境溫度保持不變，下列說法正確的是

（）A.氣體分子平均動能不變B.氣體內(nèi)能減小C.氣體吸收熱量D.氣體是從單一熱源吸熱，全部用來對外做功，但此過程違反熱力學第二定律AC考點3氣體實驗定律與熱力學第一定律的綜合應用［能力考點］1.處理方法（1）氣體實驗定律研究對象是一定質(zhì)量的理想氣體.（2）對理想氣體，只要體積變化，外界對氣體（或氣體對外界）要做功，如果是等壓變化，W=pΔV；只要溫度發(fā)生變化，其內(nèi)能就發(fā)生變化.（3）結(jié)合熱力學第一定律ΔU=W+Q求解問題.2.氣體幾種典型變化過程分析（1）等容過程：V=恒量，外界對氣體不做功.根據(jù)熱力學第一定律，有ΔU=Q.

3.求解氣體實驗定律與熱力學定律綜合問題的一般思路例2

（2023年廣東卷）在駐波聲場作用下，水中小氣泡周圍液體的壓強會發(fā)生周期性變化，使小氣泡周期性膨脹和收縮，氣泡內(nèi)氣體可視為質(zhì)量不變的理想氣體，其膨脹和收縮過程可簡化為如圖所示的p-V圖像.氣泡內(nèi)氣體先從壓強為p0、體積為V0、溫度為T0的狀態(tài)A等溫膨脹到體積為5V0、壓強為pB的狀態(tài)B；然后從狀態(tài)B絕熱收縮到體積為V0、壓強為1.9p0、溫度為TC的狀態(tài)C，B到C過程中外界對氣體做功為W.已知p0、V0、T0和W.求：（1）pB的表達式；

（2）TC的表達式；（3）B到C過程，氣泡內(nèi)氣體的內(nèi)能變化了多少？

（3）根據(jù)熱力學第一定律可知ΔU=W+Q，其中Q=0，故氣體內(nèi)能增加ΔU=W.

AD

2.某探究小組設(shè)計了一個報警裝置，其原理如圖所示.在豎直放置的圓柱形容器內(nèi)用面積S=100cm2、質(zhì)量m=1kg的活塞密封一定質(zhì)量的理想氣體，活塞能無摩擦滑動.開始時氣體處于溫度TA=300K、活塞與容器底的距離h0=30cm的狀態(tài)A.環(huán)境溫度升高時容器內(nèi)氣體被加熱，活塞緩慢上升d=3cm恰好到達容器內(nèi)的卡口處，此時氣體達到狀態(tài)B.活塞保持不動，氣體被繼續(xù)加熱至溫度TC=363K的狀態(tài)C時觸動報警器.從狀態(tài)A到狀態(tài)C的過程中氣體內(nèi)能增加了ΔU=158J.取大氣壓p0=0.99×105Pa，求氣體：（1）在狀態(tài)B的溫度；

（2）在狀態(tài)C的壓強；

（3）由狀態(tài)A到狀態(tài)C過程中從外界吸收的熱量Q.（3）根據(jù)題意可知，從狀態(tài)A到狀態(tài)C的過程中氣體對外做功為W=-pBΔV=-30

J，由熱力學第一定律有ΔU=W+Q，解得Q=ΔU+W=188

J.知識鞏固練1.（2024年廣東普通高中一模）（多選）為了減少污染，根據(jù)相關(guān)規(guī)定，加油站必須進行“油氣回收”，操作如下：油槍從封閉油罐中吸取體積為V的汽油加到汽車油箱，同時抽取油槍周圍體積為1.2V的油氣（可視為理想氣體），壓入封閉油罐（壓至體積為V）.假設(shè)油罐及加油槍導熱良好且環(huán)境溫度不變，則將油氣壓入油罐的過程中，油氣

（）A.壓強增大

B.對外做正功C.向環(huán)境放熱

D.從環(huán)境吸熱（本欄目對應學生用書P444）AC

【解析】油氣壓入油罐的過程中，體積減小，外界對氣體做功，由于油罐及加油槍導熱良好且環(huán)境溫度不變，則氣體的內(nèi)能不變，根據(jù)熱力學第一定律可知油氣向環(huán)境放熱，C正確，B、D錯誤；油氣壓入油罐的過程中，體積減小，溫度不變，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程可知壓強增大，A正確.2.（2024年華師附中檢測）（多選）一種噴壺示意圖如圖甲所示.儲氣室內(nèi)氣體可視為理想氣體，在噴液過程中儲氣室內(nèi)溫度保持不變，圖乙中A到B是某次噴液過程的儲氣室內(nèi)氣體壓強p隨體積V變化的圖像，則從狀態(tài)A到狀態(tài)B

（）A.室內(nèi)氣體向外界釋放熱量B.圖中△OAC的面積大于△OBD的面積C.氣體吸收的熱量等于氣體對外做的功D.氣體分子撞擊氣室壁單位面積的平均作用力變小CD

3.如圖所示，一定質(zhì)量的理想氣體從狀態(tài)a開始，經(jīng)過兩個狀態(tài)變化過程，先后到達狀態(tài)b和狀態(tài)c.下列說法正確的是（）A.從a到b的過程中，氣體從外界吸熱B.從a到b的過程中，氣體的內(nèi)能增加C.從b到c的過程中，氣體的壓強減小D.從b到c的過程中，氣體對外界做功C【解析】從a到b的過程中，氣體溫度不變，內(nèi)能不變，體積減小，外界對氣體做功.ΔU=0，W>0，由熱力學第一定律ΔU=W+Q，得Q<0，氣體向外界放熱，A、B錯誤；從b到c的過程中，體積不變，氣體對外界不做功.從b到c的過程中，溫度降低，體積不變，由查理定律得，氣體的壓強減小，C正確，D錯誤.綜合提升練4.（2024年山東卷）一定質(zhì)量理想氣體經(jīng)歷如圖所示的循環(huán)過程，a→b過程是等壓過程，b→c過程中氣體與外界無熱量交換，c→a過程是等溫過程.下列說法正確的是

（）A.a→b過程，氣體從外界吸收的熱量全部用于對外做功B.b→c過程，氣體對外做功，內(nèi)能增加C.a→b→c過程，氣體從外界吸收的熱量全部用于對外做功D.a→b過程，氣體從外界吸收的熱量等于c→a過程放出的熱量C【解析】

a→b過程是等壓過程且體積增大，則Wab<0，由蓋?呂薩克定律可知Tb>Ta，則ΔUab>0，根據(jù)熱力學第一定律ΔU=Q+W可知，氣體從外界吸收的熱量一部分用于對外做功，另一部分用于增加內(nèi)能，A錯誤；b