第3节热力学定律与能量守恒定律

第十四章热学第3节热力学定律与能量守恒定律目录CONTENT立足“四层”·夯基础着眼“四翼”·探考点锁定“目标”·提素能020301Part01立足“四层”·夯基础⁠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中的正、负号法则物理量WQΔU＋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

减少

⁠做功

热传递

热量

Q＋W

吸收

增加

放出

减少

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。自发地

其他影响

第二类

减小

无序

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。转化

转移

能量守恒

热力学第二

⁠如图，将一空的铝制易拉罐开口向下压入恒温游泳池的水中，则金属罐在水中缓慢下降过程中，罐内空气（可视为理想气体）（1）罐内空气内能增大。

（

×

）（2）分子间的平均距离减小。

（

√

）（3）罐内壁与气体接触处，单位时间内碰撞单位面积的气体分子数不变。

（

×

）（4）罐内气体向外界放热。

（

√

）×√×√Part02着眼“四翼”·探考点⁠考点一

热力学第一定律与能量守恒定律

[素养自修类]1.[热力学第一定律的理解]（2023·江苏姜堰高三月考）如图所示为内燃机的示意图，其原理结构简化模型就是一个汽缸活塞模型，活塞上部封闭一定质量的理想气体。如果活塞向上运动，关于内部气体（忽略与外界热交换）的说法正确的是（

）A.体积减小，压强不变，温度升高B.外界对气体做功，内能增大C.体积减小，压强增大，温度不变D.气体对外界做功，内能增大

2.[能量守恒定律的理解及应用]木箱静止于水平地面上，现在用一个80N的水平推力推动木箱前进10m，木箱受到地面的摩擦力为60N，则转化为木箱与地面系统的内能U和转化为木箱的动能Ek分别是（空气阻力不计）（

）A.U＝200J，Ek＝600JB.U＝600J，Ek＝200JC.U＝600J，Ek＝800JD.U＝800J，Ek＝200J解析：B

U＝Ffx＝60×10

J＝600

J，Ek＝Fx－U＝80×10

J－600

J＝200

J，选项B正确。⁠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）做功过程是系统内能与外界的其他形式能量之间的相互转化。（3）热传递过程是系统内能与外界能量之间的转移。2.热力学第一定律的三种特殊情况（1）绝热过程：Q＝0，W＝ΔU，外界对物体做的功等于物体内能的增加。（2）不做功的过程：W＝0，Q＝ΔU，物体吸收的热量等于物体内能的增加。（3）内能不变的过程：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。考点二

热力学第二定律的理解及应用

[素养自修类]1.[热力学第二定律的理解]（2023·江苏七市二模）如图所示，两种不同的金属组成一个回路，接触头1置于热水杯中，接触头2置于冷水杯中，此时回路中电流计发生偏转，这是温差电现象，假设此过程电流做功为W，接触头1从热水中吸收的热量为Q1，冷水从接触头2吸收的热量为Q2，根据热力学第二定律可得（

）A.Q1＝WB.Q1＞WC.Q1＜Q2D.Q1＋Q2＝W解析：B

根据热力学第二定律，不可能从单一热源吸收热量使之全部用来做功，而不产生其他影响；所以从热水中吸收的热量Q1应该大于电流做的功W，即Q1＞W，根据能量守恒定律和热力学第二定律，从热水中吸收的热量转化成了两部分，一部分是电能W，另一部分是冷水吸收的热量Q2，故选B。2.[两类永动机和热力学两个定律的比较]关于两类永动机和热力学的两个定律，下列说法不正确的是（

）A.第一类永动机不可能制成是因为违反了能量守恒定律B.第二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热量从低温物体传向高温物体是可能的，从单一热源吸收热量，完全变成功也是可能的解析：C

第一类永动机违反能量守恒定律，第二类永动机违反热力学第二定律，A、B正确；由热力学第一定律可知W≠0，Q≠0，但ΔU＝W＋Q可以等于0，C错误；由热力学第二定律可知D中现象是可能的，但会引起其他变化，D正确。⁠1.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。（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。2.两类永动机的比较第二类永动机不需要任何动力或燃料，却能不断地对外做功的机器从单一热源吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响的机器违背能量守恒定律，不可能制成不违背能量守恒定律，但违背热力学第二定律，不可能制成考点三

热力学第一定律与气体图像的综合应用

[素养自修类]1.[热力学第一定律与气体p－V图像的综合应用]（2022·江苏高考）如图所示，一定质量的理想气体分别经历

a→b和a→c两个过程，其中

a→b为等温过程，状态b、c的体积相同，则（

）A.状态a的内能大于状态bB.状态a的温度高于状态cC.a→c过程中气体吸收热量D.a→c过程中外界对气体做正功

2.[热力学第一定律与气体V－T图像的综合应用]（2022·辽宁高考）一定质量的理想气体从状态a变化到状态b，其体积V和热力学温度T变化图像如图所示，此过程中该系统

（

）A.对外界做正功B.压强保持不变C.向外界放热D.内能减少

3.[热力学第一定律与气体p－T图像的综合应用]（2023·江苏镇江高三开学考试）如图所示是一定质量的理想气体从状态N变化到状态M过程的p－T图线，则在此过程中（

）A.气体分子数密度增加B.气体对外做的功为零C.气体的内能保持不变D.气体一直从外界吸热解析：B

由图像可知，p－T图线过坐标原点，则可知理想气体从状态N变化到状态M过程为等容变化，且温度逐渐降低，压强逐渐减小。由于气体的质量不变，体积不变，则气体分子数密度不变，故A错误；气体体积不变，则气体对外做的功为零，故B正确；理想气体从状态N变化到状态M过程，气体温度逐渐降低，则气体内能减小，由于气体对外做功为零，根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W可知，气体一直对外界放热，故C、D错误。⁠处理热力学第一定律与气体图像的综合问题的思路（1）根据气体图像的特点判断气体的温度、体积的变化情况，从而判断气体与外界的吸、放热关系及做功关系。（2）在p－V图像中，图线与V轴围成的面积表示气体对外界或外界对气体做的功。（3）结合热力学第一定律判断有关问题。考点四

气体实验定律与热力学定律的综合应用

[互动共研类]求解气体实验定律与热力学定律的综合问题的一般思路【典例】

（2021·江苏高考）如图所示，一定质量的理想气体被活塞封闭在气缸中，活塞的面积为S，与气缸底部相距L，气缸和活塞绝热性能良好，气体的压强、温度与外界大气相同，分别为p0和T0（K）。现接通电热丝加热气体，一段时间后断开，活塞缓慢向右移动距离L后停止，活塞与气缸间的滑动摩擦力为f，最大静摩擦力等于滑动摩擦力，整个过程中气体吸收的热量为Q，求该过程中（1）内能的增加量ΔU；解析

（1）活塞移动时受力平衡，则p1S＝p0S＋f，气体对外界做功W＝p1SL，根据热力学第一定律ΔU＝Q－W，解得ΔU＝Q－（p0S＋f）L。答案

（1）Q－（p0S＋f）L

（2）最终温度T。

⁠1.[玻意耳定律与热力学第一定律的综合应用]

（1）不规则物体的体积V；

答案：（1）0.2LS

（2）缸内气体向外界放出的热量Q。解析：（2）外界对气体做功为W＝（p0S＋mg）·Δh＝（p0S＋mg）·0.2L＝0.8mgL根据热力学第一定律可得ΔU＝W－Q又ΔU＝0解得气体向外界放出的热量为Q＝0.8mgL。答案：（2）0.8mgL2.[盖—吕萨克定律与热力学第一定律的综合应用]（2023·江苏省丹阳高级中学高三月考）某兴趣小组设计了一温度报警装置，原理图如图。一定质量的理想气体被一上表面涂有导电物质的轻活塞密封在导热汽缸内，活塞厚度不计，横截面积S＝100cm2，开始时活塞距汽缸底部的高度为h＝0.3m，周围环境温度为t0＝27℃，当环境温度上升，活塞上移Δh＝0.01m时，活塞上表面与a、b两触点接触，报警器报警。不计一切摩擦，大气压强恒为p0＝1.0×105Pa，求：（1）该报警装置的报警温度为多少摄氏度；

答案：（1）37℃

（2）若上述过程气体吸收的热量为30J，则此过程气体内能的增加量。解析：（2）气体等压膨胀对外做功W＝－p0·ΔV＝－p0（S·Δh），代入数据得W＝－10

J，由热力学第一定律得ΔU＝W＋Q，代入数据ΔU＝－10

J＋30

J＝20

J。答案：（2）20J3.[热力学第一定律与查理定律的综合应用]如图所示，密闭导热容器A、B的体积均为V0，A、B浸在盛水容器中，达到热平衡后，A中压强为p0，温度为T0，B内为真空，将A中的气体视为理想气体。打开开关C，A中部分气体进入B。（1）若再次达到平衡时，水温未发生变化，求此时气体的压强；

（2）若密闭气体的内能与温度的关系为ΔU＝k（T2－T1）（k为大于0的已知常量，T1、T2分别为气体始末状态的温度），在①所述状态的基础上，将水温升至1.2T0，重新达到平衡时，求气体的压强及所吸收的热量。答案：（2）0.6p0

0.2kT0Part03锁定“目标”·提素能⁠1.（2023·江苏南通模拟）如图所示，野外生存需要取火时，可以用随身携带的取火装置，在铜制活塞上放置少量易燃物，将金属筒套在活塞上迅速下压，即可点燃易燃物。则迅速下压过程中，金属筒内的封闭气体（

）A.分子平均动能变小B.每个气体分子速率都增大C.从外界吸热，气体内能增加D.分子在单位时间内对单位面积器壁的碰撞次数增加解析：D

迅速下压过程中，外界对气体做功，由于气体变化经历时间极短，来不及与外界发生热交换，可近似认为是绝热过程，根据热力学第一定律可知气体内能增大，温度升高，分子平均动能变大，故A、C错误；由于温度是大量分子整体表现出来的性质，并不能说明单个分子的状态，所以并不是每个气体分子速率都增大，故B错误；气体体积减小，单位体积内分子数增多，且分子平均动能增大，所以分子在单位时间内对单位面积器壁的碰撞次数增加，故D正确。2.（2023·江苏盐城二模）一定质量的理想气体状态变化过程如图所示，则气体从A到B的过程中（

）A.体积逐渐增大B.内能逐渐增大C.一定吸收热量D.一定放出热量

3.（2023·江苏泰州中学模拟预测）如图所示，一定质量的理想气体先由状态a变化到状态b，再由状态b变化到状态a，这样经过一系列中间过程又回到原来状态的过程称为循环过程，在整个循环过程中，下列关于一定质量理想气体的说法中正确的是（

）A.内能变化为零B.整个循环过程中，外界对理想气体做的功等于理想气体对外做的功C.整个循环过程中，理想气体吸收的热量等于放出的热量D.在一次循环过程中吸收的热量小于放出的热量解析：A

经过一个循环过程，温度回到原来的状态，ΔT＝0，内能变化为零，A正确。根据W＝pΔV可知，图像与坐标横轴围成的面积等于气体做的功，由图可知从b到a外界对理想气体做的功小于从a到b理想气体对外做的功；整个循环过程W＜0，ΔU＝0，所以Q＞0，Q吸－Q放＞0，即整个循环过程，理想气体吸收的热量大于放出的热量，选项B、C、D错误。4.（2023·苏锡常镇四市高三教学情况调研）一定质量的理想气体内能增大的同时向外放出热量。它的压强、体积和温度分别用p、V、T表示，则该理想气体的（

）A.V减小B.T降低C.p减小

5.（2023·江苏宿迁二模）舰载机尾焰的温度超过1000℃，因此国产航母“山东舰”甲板选用耐高温的钢板。下列说法中正确的是（

）A.钢板是非晶体B.钢板的物理性质是各向同性的C.尾焰喷射到钢板上时，该处所有分子的动能都增大D.发动机燃油燃烧产生的热量可以全部用来对舰载机做功解析：B

钢板耐高温，有固定的熔点，是晶体，故A错误；钢是多晶体，晶粒在空间排列相同，是各向同性，故B正确；温度升高，分子平均动能增大，并不是所有分子的动能都增大，故C错误；自发状态下，热量不可能全部用来做功，故D错误。6.（2023·江苏常州二模）如图所示，一定质量的理想气体从状态A依次经过状态B、C和D后再回到状态A，其中，A→B和C→D为等温过程，B→C和D→A为绝热过程（气体与外界无热量交换）。

这就是著名的“卡诺循环”。则（

）A.A到B过程，气体内能减小B.B到C过程，气体温度不变C.C到D过程，气体对外界做正功D.全过程，气体从外界吸收热量解析：D

A到B过程，温度不变，所以气体内能不变，A错误；B到C过程，绝热膨胀，气体对外做功，即Q＝0，W＜0，根据ΔU＝W＋Q可知ΔU＜0，即内能减小，温度降低，B错误；C到D过程，等温压缩，气体对外界做负功，C错误；全过程，气体内能不变，从A到C过程中气体对外做的功大于从C到A过程中外界对气体做的功，则整个过程中，气体对外做功，则气体吸收热量，D正确。7.（2023·江苏盐城二模）如图所示，一用锁钉锁定的导热活塞将导热汽缸分成体积相等的左右两室，开始时气体压强之比为5∶3；拔出锁钉后，活塞移动并最终保持稳定状态。外界温度恒定。则下列说法正确的是（

）A.右室气体吸热B.左室气体吸热C.右室气体对左室气体做正功D.左室气体分子平均速率变大解析：B

因为右室的压强小，拔出锁钉后，活塞向右移动，右室气体体积减小，外界对气体做功，而气体的温度不变，气体的内能不变，根据热力学第一定律，右室气体放出热量，A错误；因为左室的压强大，拔出锁钉后，活塞向右移动，左室气体体积增大，气体对外做功，而气体的温度不变，气体的内能不变，根据热力学第一定律，左室气体吸收热量，B正确；左室气体体积增大，右室气体体积减小，所以左室气体对右室气体做正功，C错误；左室气体温度不变，分子的平均动能不变，分子平均速率不变，D错误。⁠

（1）求下落前，缸内封闭气体的压强p1；

（2）求整个过程中通过缸壁传递的热量Q。

9.（2023·江苏南京一模）新冠肺炎疫情期间，某班级用于消毒的喷壶示意图如图甲所示。壶的容积为1.5L，内含1.0L的消毒液。闭合阀门K，缓慢向下压压杆A，每次可向瓶内储气室充入0.05L的1.0atm的空气，多次下压后，壶内气体压强变为2.0atm时，按下按柄B，阀门K打开，消毒液从喷嘴处喷出。储气室内气体可视为理想气体，充气和喷液过程中温度保持不变，1.0atm＝1.0×105Pa。（1）求充气过程向下压压杆A的次数和打开阀门K后最多可喷出液体的体