高中物理总复习之知识讲解 热力学定律及能量守恒(提高)

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①条件：存在温度差，最终结果是使两物体温度一样。

②方式：热传导、热对流、热辐射。

③规律：热量从高温物体传向低温物体。

④和内能变化的关系：系统在单纯的传热过程中，内能的增量U ∆等于外界向系统传递的热量Q ，即U 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U ∆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 U +=∆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U ∆的正、负。

热力学第一定律的符号法则：① 功W ＞0，表示外界对系统做功；W ＜0，表示系统对外界做功。

② 热量Q ＞0，表示物体吸热；Q ＜0，表示物体放热。

③ 内能U ∆＞0，表示内能增加；U ∆＜0，表示内能减少。

（2）容易出错的几种特殊情况① 若是绝热过程，则Q=0、W=U ∆，即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W=0，则Q=U ∆，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，即U ∆=0，则0W Q +=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是向无序度更大的方向发展。

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 ∆增、E ∆减各为多少，再由E ∆增=E ∆减列式计算。

【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.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，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Ⅱ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（）A ．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】ABE【解析】由pV C T =得C p T V=⋅(C 为常量)，因对角线ac 的延长线过原点O ，即p ＝kT ，故体积V 不变，即V a ＝V c ，选项A 正确；一定量的理想气体的内能由温度T 决定，而T a >T c ，故E a >E c ，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Q ＝W 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Q ＝W 外＋ΔE 内>W 外，选项D 错误；bc 过程为等压降温过程，由1212V V T T =可知，气体体积会减小，W ＝p ΔV ＝C ΔT bc ；同理da 过程中，W ′＝p ′ΔV ′＝C ΔT da ，因为|ΔT bc |＝|ΔT da |，故|W |＝|W ′|，选项E 正确．故选ABE 。

【高清课堂：热力学定律及能量守恒例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C．A和B中水银体积保持不变，故内能增量相同D．A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。

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。

【答案】D【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，A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，C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+=∆，知A正确，B错误；由热力学第二定律知，C、【解析】由热力学第一定律W Q UD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。

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”。