第十三章 第三节 热力学定律与能量守恒定律-2022高考物理【导学教程】新编大一轮总复习（word）人教版学案

第三节　热力学定律与能量守恒定律　

一、热力学第一定律

1．改变物体内能的两种方式

(1)__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：ΔU＝__Q＋W__。

3．ΔU＝W＋Q中正、负号法则

二、热力学第二定律及微观意义

1．热力学第二定律的两种表述

(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．用熵的概念表示热力学第二定律

在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会__减少__(选填“增大”或“减小”)。

3．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。

三、能量守恒定律和两类永动机

1．能量守恒定律

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。

2．两类永动机

(1)第一类永动机：不消耗任何能量，却源源不断地对外做功的机器。

违背__能量守恒__定律，因此不可能实现。

(2)第二类永动机：从单一热源吸收热量并把它全部用来对外做功，而不引起其他变化的机器。

违背__热力学第二__定律，不可能实现。

[自我诊断]

判断下列说法的正误。

(1)外界压缩气体做功20 J，气体的内能可能不变。(√)

(2)给自行车打气时，发现打气筒的温度升高，这是因为打气筒从外界吸热。(×)

(3)可以从单一热源吸收热量，使之完全变成功。(√)

(4)热机中，燃气的内能可以全部变为机械能而不引起其他变化。(×)

(5)自由摆动的秋千摆动幅度越来越小，能量正在消失。(×)

(6)利用河水的能量使船逆水航行的设想，符合能量守恒定律。(√)

考点一　热力学第一定律与能量守恒定律

1．对热力学第一定律的理解

(1)做功和热传递在改变系统内能上是等效的。

(2)外界对系统做功是其他形式能量与内能的转化。

(3)热传递是外界与系统之间内能的转移。

2．热力学第一定律的三种特殊情况

(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，则W＝0，Q＝ΔU，物体吸收的热量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，则W＋Q＝0，即物体吸收的热量全部用来对外做功，或外界对物体做的功等于物体放出的热量。

[题组突破]

[对气体内能的理解]

1．(多选)(2018·全国卷Ⅱ改编)对于实际的气体，下列说法正确的是(　　)

A．气体的内能包括气体分子的重力势能

B．气体的内能包括分子之间相互作用的势能

C．气体的内能包括气体整体运动的动能

D．气体体积变化时，其内能可能不变

E．气体的内能包括气体分子热运动的动能

[解析]　气体的内能等于所有分子热运动的动能和分子之间势能的总和，故A、C错，B、E对；根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q知道，改变内能的方式有做功和热传递，所以体积发生变化时，内能可能不变，故D对。

[答案]　BDE

[能量守恒定律的理解]

2．(多选)下面设想符合能量守恒定律的是(　　)

A．利用永久磁铁间的作用力，造一台永远转动的机械

B．做一条船，利用流水的能量逆水行舟

C．通过太阳照射飞机，即使飞机不带燃料也能飞行

D．利用核动力驾驶地球离开太阳系

E．有一种全自动机械手表，既不需要上发条，也不用任何电池，却能一直走下去，即使长时间放置，它也不会停下来

[解析]　利用磁场能可以使磁铁所具有的磁场能转化为动能，但由于摩擦力的不可避免性，动能最终转化为内能

使机械转动停止，故A不符合。让船先静止在水中，设计一台水力发电机使船获得足够电能，然后把电能转化为船的动能使船逆水航行；同理可利用光能的可转化性和电能的可收集性，使光能转化为飞机的动能，实现飞机不带燃料也能飞行，故B、C符合。设计一种利用反冲理论，以核动力为能源，使地球获得足够大的能量，挣脱太阳引力的束缚而离开太阳系，故D符合。手表戴在手腕上，通过手臂的运动，机械手表获得能量，供手表指针走动，若将此手表长时间放置不动，它就会停下来，故E不符合。

[答案]　BCD

[热力学第一定律的应用]

3．一定质量的气体，在从状态1变化到状态2的过程中，吸收热量280 J，并对外做功120 J，试问：

(1)这些气体的内能发生了怎样的变化？

(2)如果这些气体又返回原来的状态，并放出了240 J的热量，那么在返回的过程中是气体对外界做功，还是外界对气体做功？做功多少？

[解析]　(1)由热力学第一定律可得ΔU＝W＋Q＝－120 J＋280 J＝160 J，气体的内能增加了160 J。

(2)由于气体的内能仅与状态有关，所以气体从状态2回到状态1的过程中内能的变化量应等于从状态1到状态2的过程中内能的变化量，则从状态2到状态1的内能应减少160 J，即ΔU′＝－160 J，又Q′＝－240 J，根据热力学第一定律得：ΔU′＝W′＋Q′，所以W′＝ΔU′－Q′＝－160 J－(－240 J)＝80 J，即外界对气体做功80 J。

[答案]　(1)增加了160 J　(2)外界对气体做功　80 J

◆规律总结　应用热力学第一定律的三点注意

1．做功看体积：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。气体向真空中自由膨胀，对外界不做功，W＝0。

2．与外界绝热，则不发生热传递，此时Q＝0。

3．由于理想气体没有分子势能，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。

考点二　热力学第二定律

1．对热力学第二定律关键词的理解

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

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)高温物体低温物体。

(2)功热。

(3)气体体积V1气体体积V2(较大)。

(4)不同气体A和B混合气体AB。

3．两类永动机的比较

[题组突破]

[对热力学第二定律的理解]

1．(多选)下列说法中正确的是(　　)

A．热量可以从低温物体传递到高温物体

B．科技的进步可以使内燃机成为单一热源的热机

C．能源危机指能量的过度消耗导致自然界的能量不断减少

D．功可以全部转化为热量，热量也可以全部转化为功

E．第一类永动机违背能量守恒定律，第二类永动机不违背能量守恒定律

[解析]　电冰箱可以使热量从低温物体向高温物体传递，A正确；由热力学第二定律知不可能有单一热源的热机，B错误；能量是守恒的，C错误；功可以全部转化为热量，根据热力学第二定律可知，在外界的影响下，热量也可以全部转化为功，D正确；第一类永动机违背能量守恒定律，第二类永动机违背热力学第二定律，但不违背能量守恒定律，E正确。

[答案]　ADE

[第二类永动机的理解]

2．(多选)关于第二类永动机，下列说法中正确的是(　　)

A．第二类永动机是指没有冷凝器，只有单一的热源，能将从单一热源吸收的热量全部用来做功，而不引起其他变化的热机

B．第二类永动机违背了能量守恒定律，所以不可能制成

C．第二类永动机违背了热力学第二定律，所以不可能制成

D．第二类永动机不可能制成，说明机械能可以全部转化为内能，内能却不能全部转化为机械能

E．第二类永动机不可能制成，说明机械能可以全部转化为内能，但内能却不能全部转化为机械能，而不引起其他变化

[解析]　由第二类永动机的定义知，A正确；第二类永动机没有违背能量守恒定律，而是违背了热力学第二定律，故B错误，C正确；机械能可以全部转化为内能，但内能却不能全部转化为机械能，而不引起其他变化，故E正确，D错误。

[答案]　ACE

[规律总结]

热力学第一、第二定律的比较

考点三　热力学定律与气体实验定律的综合问题

解决热力学定律与气体实验定律的综合问题的思路

[例]　(多选)(2018·全国卷Ⅰ)如图，一定质量的理想气体从状态a开始，经历过程①、②、③、④到达状态e。对此气体，下列说法正确的是(　　)

A．过程①中气体的压强逐渐减小

B．过程②中气体对外界做正功

C．过程④中气体从外界吸收了热量

D．状态c、d的内能相等

E．状态d的压强比状态b的压强小

[审题指导]　图象语言的理解，物理情景的构建清晰理解①②③④过程的规律，明确a、b、c、d、e各状态下气体状态参量关系。物体的内能与物体的质量、物态、温度及体积有关，而一定质量的理想气体的内能只与T有关。

[解析]　本题考查气体实验定律、理想气体状态方程。过程①是等容升温过程，由＝，可知压强逐渐增大，A项错误。过程②中气体膨胀，故气体对外界做正功，B项正确。过程④为等容降温过程，气体向外放出热量，C项错误。一定质量的理想气体的内能只与温度有关，而Tc＝Td，所以状态c、d的内能相等，D项正确。由理想气体状态方程＝C得p＝C，由题图可知＞，则pb＞pd，E项正确。

[答案]　BDE

[跟踪训练]

(2018·江苏卷)如图所示，一定质量的理想气体在状态A时压强为2.0×105 Pa，经历A→B→C→A的过程，整个过程中对外界放出61.4 J热量。求该气体在A→B过程中对外界所做的功。

[解析]　本题考查V­T图象和热力学第一定律：

整个过程中，外界对气体做功

W＝WAB＋WCA，且WCA＝pA(VC－VA)

由热力学第一定律ΔU＝Q＋W得WAB＝－(Q＋WCA)

代入数据得WAB＝－138.6 J，即气体对外界做的功为138.6 J。

[答案]　138.6 J