第3讲 热力学定律与能量守恒定律
知识要点
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：如果物体与外界之间同时存在做功和热传递的过程，那么，物体内能的增加量ΔU等于外界对物体所做的功W与物体从外界吸收的热量Q之和。 (2)表达式：ΔU＝Q＋W。 (3)ΔU＝Q＋W中正、负号法则：
物理量意义符号 ＋ － 二、能量守恒定律 1.内容
能量既不会消失，也不会创生，它只能从一种形式转化为另一种形式，或者是从一个物体转移到另一个物体，而能量的总值保持不变。 2.条件性
能量守恒定律是自然界的普遍规律，某一种形式的能是否守恒是有条件的。 3.第一类永动机是不可能制成的，它违背了能量守恒定律。 三、热力学第二定律 1.热力学第二定律的两种表述
(1)克劳修斯表述：不可能使热量从低温物体传向高温物体而不引起其他变化。 (2)开尔文表述：不可能从单一热源吸取热量，使之完全变为有用功而不引起其他变化。或表述为“第二类永动机是不可能制成的”。 2.熵增加原理
W 外界对物体做功 物体对外界做功 Q ΔU 物体吸收热量 内能增加 物体放出热量 内能减少 在孤立系统中，一切不可逆过程必然朝着熵增加的方向进行。 3.热力学第二定律的微观本质
一切不可逆过程总是沿着大量分子热运动无序程度增大的方向进行。 4.第二类永动机不可能制成的原因是违背了热力学第二定律。
基础诊断
1.(多选)下列说法正确的是( )
A.外界压缩气体做功20 J，气体的内能可能不变
B.电冰箱的工作过程表明，热量可以从低温物体向高温物体传递 C.科技的进步可以使内燃机成为单一热源的热机
D.对能源的过度消耗将使自然界的能量不断减少，形成能源危机 E.一定量100 ℃的水变成100 ℃的水蒸气，其分子之间的势能增加 答案 ABE
2.(多选)下列说法正确的是( )
A.分子间距离增大时，分子间的引力减小，斥力增大
B.当分子间的作用力表现为斥力时，随分子间距离的减小分子势能增大 C.一定质量的理想气体发生等温膨胀，一定从外界吸收热量 D.一定质量的理想气体发生等压膨胀，一定向外界放出热量 E.熵的大小可以反映物体内分子运动的无序程度
解析 分子间距离增大时，分子间的引力、斥力都减小，A错误；当分子间的作用力表现为斥力时，随分子间距离的减小，斥力做负功，分子势能增大，B正确；等温膨胀，温度不变，气体内能不变，体积增大，对外做功，要保持内能不变，所以需要从外界吸收热量，C正确；等压膨胀，压强不变，体积增大，根据公式
pV
T
＝C可得温度升高，内能增大，需要吸收热量，故D错误；熵的物理意义反映了宏观过程对应的微观状态的多少，标志着宏观状态的无序程度，即熵是物体内分子运动无序程度的量度，E正确。 答案 BCE
3.(多选)对于热力学第一定律和热力学第二定律的理解，下列说法正确的是( ) A.一定质量的气体膨胀对外做功100 J，同时从外界吸收120 J的热量，则它的内能增大20 J
B.物体从外界吸收热量，其内能一定增加；物体对外界做功，其内能一定减少 C.凡与热现象有关的宏观过程都具有方向性，在热传递中，热量只能从高温物体传递给低温物体，而不能从低温物体传递给高温物体
D.第二类永动机违反了热力学第二定律，没有违反热力学第一定律
E.热现象过程中不可避免地出现能量耗散现象，能量耗散符合热力学第二定律 解析 根据热力学第一定律知ΔU＝W＋Q＝－100 J＋120 J＝20 J，故选项A正确；根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，可知物体从外界吸收热量，其内能不一定增加，物体对外界做功，其内能不一定减少，选项B错误；通过做功的方式可以让热量从低温物体传递给高温物体，如电冰箱，选项C错误；第二类永动机没有违反能量守恒定律，热力学第一定律是能量转化和守恒定律在热学中的反映，因此第二类永动机没有违反热力学第一定律，不能制成是因为它违反了热力学第二定律，故选项D正确；能量耗散过程体现了宏观自然过程的方向性，符合热力学第二定律，选项E正确。 答案 ADE
热力学第一定律的理解和应用
1.热力学第一定律的理解
(1)内能的变化都要用热力学第一定律进行综合分析。
(2)做功情况看气体的体积：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。
(3)与外界绝热，则不发生热传递，此时Q＝0。
(4)如果研究对象是理想气体，因理想气体忽略分子势能，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。
2.三种特殊情况
(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，即W＝0，则Q＝ΔU，物体吸收的热量等于物体内能的增加。 (3)若过程的初、末状态物体的内能不变，即ΔU＝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。
【例1】 (2019·全国Ⅰ卷，33)某容器中的空气被光滑活塞封住，容器和活塞绝热性能良好，空气可视为理想气体。初始时容器中空气的温度与外界相同，压强大于外界。现使活塞缓慢移动，直至容器中的空气压强与外界相同。此时，容器中空气的温度________(填“高于”“低于”或“等于”)外界温度，容器中空气的密度________(填“大于”“小于”或“等于”)外界空气的密度。
解析 活塞光滑、容器绝热，容器内空气体积增大，对外做功，由ΔU＝W＋Q知，气体内能减少，温度降低。
气体的压强与气体温度和单位体积内的分子数有关，由于容器内空气的温度低于外界温度，但压强相同，则容器中空气的密度大于外界空气的密度。 答案 低于 大于
1.(多选)[2017·全国Ⅱ卷，33(1)]如图1，用隔板将一绝热气缸分成两部分，隔板左侧充有理想气体，隔板右侧与绝热活塞之间是真空。现将隔板抽开，气体会自发扩散至整个气缸。待气体达到稳定后，缓慢推压活塞，将气体压回到原来的体积。假设整个系统不漏气。下列说法正确的是( )
图1
A.气体自发扩散前后内能相同 B.气体在被压缩的过程中内能增大 C.在自发扩散过程中，气体对外界做功 D.气体在被压缩的过程中，外界对气体做功
E.气体在被压缩的过程中，气体分子的平均动能不变
解析 因为气缸、活塞都是绝热的，隔板右侧是真空，所以理想气体在自发扩散的过程中，既不吸热也不放热，也不对外界做功。根据热力学第一定律可知，气体自发扩散前后，内能不变，选项A正确，选项C错误；气体被压缩的过程中，外界对气体做功，气体内能增大，又因为一定质量的理想气体的内能只与温度有关，所以气体温度升高，分子平均动能增大 ，选项B、D正确，选项E错误。 答案 ABD
2.如图2所示，用带孔橡皮塞把塑料瓶口塞住，向瓶内迅速打气，在瓶塞弹出前，外界对气体做功15 J，橡皮塞的质量为20 g，橡皮塞被弹出的速度为10 m/s，若橡皮塞增加的动能占气体对外做功的10%，瓶内的气体可视为理想气体。则瓶内气体的内能变化量为________J，瓶内气体的温度________(选填“升高”“不变”或“降低”)。
图2
解析 由题意可知，气体对外做的功
1212mv×0.02×1022
W对外＝η＝ J＝10 J，由题意可知，向瓶内迅速打气，在整个过
0.1程中，可认为气体与外界没有热交换，即Q＝0，则气体内能的变化量ΔU＝W＋Q＝15 J－10 J＋0＝5 J，气体内能增加，温度升高。 答案 5 升高
热力学第一定律与图象的综合应用
【例2】 (多选)[2017·全国Ⅲ卷，33(1)]如图3，一定质量的理想气体从状态a
高三物理一轮复习专题讲义：第13.3讲 热力学定律与能量守恒定律
