高中物理总复习之知识讲解 热力学定律及能量守恒(提高)

1、物理总复习：热力学定律及能量守恒【考纲要求】1、理解热力学第一定律、第二定律；2、运用能量守恒定律解决问题。【考点梳理】考点一、改变内能的两种方式1、热传递条件：存在温度差，最终结果是使两物体温度一样。方式：热传导、热对流、热辐射。规律：热量从高温物体传向低温物体。和内能变化的关系：系统在单纯的传热过程中，内能的增量du等于外界向系统传递的热量q，即du=q。2、做功做功改变物体内能的过程是将其他形式的能（如机械能）与内能相互转化的过程，做功使物体内能发生变化时，内能改变了多少用做功的数值来度量。（要点诠释：1）要使物体改变同样的内能，通过做功或者热传递都可以实现，若不知道过程，我们无法分辨出

2、是做功还是热传递实现的这种改变。（2）做功是宏观的机械运动向物体的微观分子热运动的转化。热传递则是通过分子之间的相互作用，使不同物体间分子热运动变化，是内能的转移。前者能的性质发生了变化，后者能的性质不变。（3）物体的内能增加与否，不能单纯地只看做功或热传递，两个过程需要全面考虑。考点二、热力学第一定律1、内容物体内能的增量du等于外界对物体做的功w和物体吸收的热量q的总和。2、公式w+q=du要点诠释：（1）在应用热力学第一定律时，应特别分清w、q的正负号，以便准确地判断du的正、负。热力学第一定律的符号法则：功w0，表示外界对系统做功；w0，表示系统对外界做功。热量q0，表示物体吸热；q0

3、，表示物体放热。内能du0，表示内能增加；du0，表示内能减少。（2）容易出错的几种特殊情况若是绝热过程，则q=0、w=du，即外界对物体做的功等于物体内能的增加；若过程中不做功，即w=0，则q=du，物体吸收的热量等于物体内能的增加；若过程的始末状态物体的内能不变，即du=0，则w+q=0或w=-q，外界对物体做的功等于物体放出的热量。考点三、热力学第二定律1、两种表述（1）按热传递的方向性来表述：热量不能自发地从低温物体传到高温物体。（2）按机械能与内能转化过程的方向性来表述：不可能从单一热源吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响。要点诠释：这里所说“自发地”是指没有任何外界的影响或帮

4、助，电冰箱工作时能将冰箱内（温度较低）的热量，传给外界空气（温度较高），是因为电冰箱消耗了电能，对制冷系统做了功。上述两种表述是等价的，即一个说法是正确的，另一个说法也必然是正确的；如果一个说法是错误的，另一个说法必然也是不成立的。2、热力学第二定律的意义提示了有大量分子参与的宏观过程的方向性，是独立于热力学第一定律的一个重要自然规律。3、热力学第二定律的微观解释（1）一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行。这是热力学第二定律的微观意义。（2）从微观的角度看，热力学第二定律是一个统计规律：一个孤立系统总是从熵小的状态向熵大的状态发展，而熵值较大代表着较为无序，所以自发的宏观过程总

5、是向无序度更大的方向发展。4、两类永动机的比较第一类永动机第二类永动机不消耗能量却可以源源不断地对外做功从单一热源吸热，全部用来对外做功而不引起其他变化的的机器机器违背能量守恒，不可能实现不违背能量守恒，但违背热力学第二定律，不可能实现考点四、能量守恒定律1、能量守恒定律（1）能量既不能凭空产生，也不能凭空消失，它只能从一种形式转化为别的形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中其总量不变，这就是能的转化和守恒定律。（2）能量的转化和守恒定律是自然界最普遍的规律。（3）永动机是永远造不出来的。2、能源、环境（1）常规能源：人们把煤、石油、天然气叫做常规能源。常规能源有限，常规能源

6、带来环境问题：温室效应、酸雨、光化学烟雾等。（2）新能源：风能、水流(河流、潮汐)能、太阳能、热核能、氢能源、反物质能等。风能、水流能、生物质能等是可再生能源，而石油、煤炭、天然气是不可再生能源。要点诠释：对能量守恒定律的理解：1、某种形式的能减少，一定有其他形式的能增加，且减少量与增加量相等。2、某个物体能量的减少，一定存在其他物体能量的增加，且减少量和增加量一定相等。3、在利用能量转化与守恒定律解题时，要注意先搞清过程中有几种形式的能在转化或转移，分析初、末状态确定e、e各为多少，再由e=e列式计算。增减增减【典型例题】类型一、热力学第一定律例1、（2015北京卷）下列说法正确的是（）a.

7、物体放出热量，其内能一定减小b.物体对外做功，其内能一定减小c.物体吸收热量，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【答案】c【解析】物体内能的改变方式有两种：做功和热传递，只说某一种方式我们无法判断内能是否变化，故a、b选项错误；物体放出热量又同时对外做功内能一定减小，故d选项错误。物体吸收热量同时对外做功，内能可能增大、减小或不变，故c选项正确。【考点】热力学第一定律举一反三【变式1】100的水完全变成100的水蒸气，则（）a.水分子的内能增加b水的内能增加c水所增加的内能小于所吸收的热量d水所增加的内能等于所吸收的热量【答案】bc【解析】由于温度不变，

8、水分子的内能不变。体积膨胀，水分子的势能变大，水的内能增加。体积膨胀时要克服外界大气压力做功，由热力学第一定律可知，水所增加的内能要小于吸收的热量。（【变式2】2016全国卷）一定量的理想气体从状态a开始，经历等温或等压过程ab、bc、cd、da回到原状态，其p-t图像如图所示，其中对角线ac的延长线过原点o。下列判断正确的是（）【解析】由pva气体在a、c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da中气体从外界吸收的热量小于气体对外界做的功e在过程bc中外界对气体做的功等于在过程da中气体对外界做的功【答案】a

9、bec=c得p=t(c为常量)，因对角线ac的延长线过原点o，即ptvkt，故体积v不变，即vavc，选项a正确；一定量的理想气体的内能由温度t决定，而tatc，故eaec，选项b正确；cd过程为等温加压过程，外界对系统做正功，但系统内能不变，故系统要对外放热，放出热量qw外，选项c错误；da过程为等压升温过程，体积增加，对外界做功，系统内能增加，故系统要从外界吸热，且吸收热量qw外e内w外，t选项d错误；bc过程为等压降温过程，由v1=t1v2可知，气体体积会减小，wpvct；bc2同理da过程中，wpvctda，因为|tbc|tda|，故|w|w|，选项e正确故选abe。【高清课堂：热力学

10、定律及能量守恒例4】【变式3】a、b两装置，均由一支一端封闭，一端开口且带有玻璃泡的管状容器和水银槽组成，除玻璃泡在管上的位置不同外，其他条件都相同。将两管抽成真空后，开口向下竖直插入水银槽中（插入过程没有空气进入管内），水银柱上升至图示位置停止。假设这一过程水银与外界没有热交换，则下列说法正确的是()a.a中水银的内能增量大于b中水银的内能增量b.b中水银的内能增量大于a中水银的内能增量ca和b中水银体积保持不变，故内能增量相同da和b中水银温度始终相同，故内能增量相同【答案】b【解析】因为a、b两管中水银上升的体积是一样的，所以水银槽中水银面下降的高度相等，外界大气压对a、b管水银做功相等

11、。由于没有热交换，由热力学第一定律有内能增量与外界做功有关。大气压做功一方面使水银上升转变为水银的重力势能，另一方面使a、b中水银内能增加。由于a中水银重心高于b中的，所以a中势能大于b中势能。外界大气压做功又是相等的，所以a中内能增量小于b中内能增量。故选b。类型二、热力学第二定律例2、关于热力学定律和分子动理论，下列说法正确的是（）a一定量气体吸收热量，其内能一定增大b.不可能使热量由低温物体传递到高温物体c.若两分子间距离增大，分子势能一定增大d.若两分子间距离减小，分子间引力和斥力都增大【思路点拨】重温热力学第一定律、第二定律，分子力与分子间距的函数图象和分子势能与分子间距的函数图象。

12、【答案】dac【解析】由热力学第一定律可知，做功和热传递都可以改变物体的内能，一定量的气体吸收热量如果气体同时对外做功，且做功比吸热多，则气体的内能减少，项错误；依据外界做功，可以使热量由低温物体传递到高温物体，b项错误；若两分子间的距离小于平衡时的距离，分子力是斥力，在增大的过程中分子力先做正功，分子势能先减小，项错误；若分子间的距离在减小，分子间的引力和斥力都在增大，只不过斥力增大的快些，d项正确。【总结升华】关键是要准确理解热力学第一定律、热力学第二定律、分子力与分子间距的函数图象和分子势能与分子间距的函数图象。（两个定律、两个图像）举一反三【变式】关于热力学定律，下列说法正确的是（填入

13、正确选项前的字母。选对1个给3分，选对2个给4分，选对3个给6分；每选错1个扣3分，最低得分为0分）。a为了增加物体的内能，必须对物体做功或向它传递热量b对某物体做功，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【答案】ace【解析】由热力学第一定律w+q=du，知a正确，b错误；由热力学第二定律知，c、d这些过程在借助于外界帮助的情况下是可以实现的，所以c正确、d错误；由自然界中一切与热现象有关的过程都是不可逆的，所以e正确。【高清课堂：热力学定律及能量守恒例5】例3、如图为电冰箱的工作原理示意图。

14、压缩机工作时，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，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二定律d电冰箱的工作原理违反热力学第一定律【思路点拨】热力学第二定律，“热量不能自发地从低温物体传到高温物体”，但是做功是可以的，就不是自发的了。电冰箱的工作原理不违反热力学第一定律、第二定律。【答案】bc【解析】根据热力学第二定律，电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界，是因为消耗了电能，也就是对外

15、界产生了影响，它的工作原理不违背能量守恒定律，也就是热力学第一定律，选项b、c正确。“【总结升华】关键是准确理解热力学第二定律，热量不能自发地从低温物体传到高温物体”，电冰箱制冷是通过消耗电能对制冷系统做功来实现的，并不是“自发的”。“不可能从单一热源吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响”，消耗了电能对制冷系统做了功，对外界产生了影响。举一反三【变式1】（1）如图所示，一淙用的“永动机”转轮由5根轻杆和转轴构成，轻杆的末端装有形状记忆合金制成的叶片，轻推转轮后，进入热水的叶片因伸展面“划水”，推动转轮转动。离开热水后，叶片形状迅速恢复，转轮因此能较长时间转动。下列说法正确的是a转轮依靠自

16、身惯性转动，不需要消耗外界能量b转轮转动所需能量来自形状记忆合金自身c转动的叶片不断搅动热水，水温升高d叶片在热水中吸收的热量一定大于在空气中释放的热量（2）如图所示，内壁光滑的气缸水平放置。一定质量的理想气体被密封在气缸内，外界大气压强为p0。现对气缸缓慢加热，气体吸收热量q后，体积由v1增大为v2。则在此过程中，气体分子平均动能_(选增“增大”、“不变”或“减小”)，气体内能变化了_。【答案】（1）d（2）增大；du=q-p(v-v)021【解析】形状记忆合金制成的叶片，在热水中吸收热量而伸长，离开热水后，叶片形状迅速恢复，使轻杆的重心位置发生变化而转动，一部分能量散发空气中，叶片不断搅动

17、热水，对水做功。但叶片吸收的能量大于对水做的功，水的温度逐渐降低，当与环境温度达到平衡，叶片停止转动。故正确的选项为d。（2）气体吸收热量q，温度升高，气体分子平均动能增大。气体吸收热量q为正，对外做功为负，w=-p(v-v)，根据热力学第一定律，w+q=du，021气体内能变化了du=q-p(v-v)。021【高清课堂：热力学定律及能量守恒例6】【变式2】如图所示，两个相通的容器p、q间装有阀门k，p中充满气体，q为真空，整个系统与外界没有热交换，打开阀门k后，p中的气体进入q中，最终达到平衡，则（）a气体体积膨胀，内能增加b气体分子势能减少，内能增加c气体分子势能增加，压强可能不变dq中气

18、体不可能自发地全部退回到p中【答案】d【解析】根据热力学第二定律，自然界涉及热现象的宏观过程都具有方向性，知d正确。容器内气体自由膨胀，气体与外界之间不做功也没有热交换，故气体的内能不变，a项不正确。气体分子间作用力很弱，气体体积变化时，气体分子势能可认为不变，b、c项也不正确。故选d。类型三、能量守恒定律例4、现代典型的燃煤发电厂，总效率一般为40%，有一座大型燃煤发电厂，如果发出1.09j的电力，可供一个大城市使用。下图表示这座发电厂的能量流向，请回答：（1）燃煤提供的能量应等于哪几项能量之和？（2）图中烟囱废气所带走的能量及涡轮机损耗没有标出，请你算出来，并在图上标出；（3）算出这座发电

19、厂的总效率；（4）根据如图所示的电厂能量流向，你认为在哪些地方进行改进可以提高发电厂的总效率？【思路点拨】抓住能量守恒定律，读懂图的意思，进行基本计算。【答案】见解析。【解析】仔细分析发电过程的能量流向图，搞清各项能量或功之间的关系，根据能量转化与守恒定律可求解。(1)燃煤提供的能量等于进入涡轮机的能量和通过烟囱排出的能量。(2)根据(1)中的解析可得通过烟囱废气所带走的能量为：e2.51092.2109j3108j标图略。涡轮机从外界吸热2.2109j，对外做功w1.0109j所以涡轮机损耗为2.2109j-1.0109j1.2109j。标图略。（3）由能量流向图可知该发电厂产生的电能为1.0109j，消耗的总能量为2.5109j，所以其总效率为1.01092.5109100%40%(4)从能量流向图中可以看出，该发电厂的损耗共达到了1.5109j，即达到了60%，最主要的损耗是涡轮机的损耗，由冷凝器排出，所以这个地方应作为改造的重点