《高考物理新编大一轮总复习》第十三章 第三节 热力学定律与能量守恒定律

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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
物理量 W Q ΔU
＋ 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__
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。(×)
1
(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
2
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
3
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