第3講熱力學定律與能量守恒定律第十四章熱學1.理解熱力學第一定律，會用熱力學第一定律分析有關問題。

2.理解熱力學第二定律，知道熱現象的方向性。

3.會分析熱力學第一定律與氣體實驗定律的綜合問題。學習目標目

錄CONTENTS夯實必備知識01研透核心考點02提升素養能力03夯實必備知識1做功1.熱量QQ＋W吸收放出增加減小轉化2.轉移轉化轉移不變能量守恒定律自發地3.吸收功熱力學第二定律1.思考判斷(1)為了增加物體的內能，必須對物體做功或向它傳遞熱量，做功和熱傳遞的實質是相同的。(

)(2)絕熱過程中，外界壓縮氣體做功20J，氣體的內能可能不變。(

)(3)在給自行車打氣時，會發現打氣筒的溫度升高，這是因為打氣筒從外界吸熱。(

)(4)可以從單一熱源吸收熱量，使之完全變成功。(

)×××√2.一定質量的理想氣體在某一過程中，外界對氣體做功7.0×104J，氣體內能減少1.3×105J，則此過程(

)A.氣體從外界吸收熱量2.0×105JB.氣體向外界放出熱量2.0×105JC.氣體從外界吸收熱量6.0×104JD.氣體向外界放出熱量6.0×104JB3.(多選)下列現象中能夠發生的是(

)A.一杯熱茶在打開杯蓋后，茶會自動變得更熱B.蒸汽機把蒸汽的內能全部轉化成機械能C.桶中混濁的泥水在靜置一段時間后，泥沙下沉，上面的水變清，泥、水自動分離D.電冰箱通電后把箱內低溫物體的熱量傳到箱外高溫物體CD研透核心考點2考點二熱力學第二定律考點一熱力學第一定律與能量守恒定律考點三熱力學第一定律與氣體實驗定律的綜合1.熱力學第一定律的理解(1)內能的變化常用熱力學第一定律進行分析。(2)做功情況看氣體的體積：體積增大，氣體對外做功，W為負；體積縮小，外界對氣體做功，W為正。(3)與外界絕熱，則不發生傳熱，此時Q＝0。(4)如果研究對象是理想氣體，因理想氣體忽略分子勢能，所以當它的內能變化時，體現在分子動能的變化上，從宏觀上看就是溫度發生了變化。考點一熱力學第一定律與能量守恒定律2.三種特殊情況(1)若過程是絕熱的，則Q＝0，W＝ΔU，外界(物體)對物體(外界)做的功等于物體內能的增加(減少)。(2)若過程中不做功，即W＝0，則Q＝ΔU，物體吸收(放出)的熱量等于物體內能的增加(減少)。(3)若在過程的初、末狀態，物體的內能不變，即ΔU＝0，則W＋Q＝0或W＝－Q，外界(物體)對物體(外界)做的功等于物體放出(吸收)的熱量。B例1

(2023·天津卷，2)如圖1是爬山所帶的氧氣瓶，爬高過程中，氧氣瓶里的氣體體積和質量均不變，溫度降低，則氣體(

)A.對外做功

B.內能減少C.吸收熱量

D.壓強不變解析爬高過程中，氣體的體積保持不變，則氣體對外不做功，A錯誤；爬高過程中，氣體溫度降低，則氣體的內能減少，B正確；根據熱力學第一定律可知ΔU＝W＋Q，又W＝0，ΔU<0，則Q<0，即氣體放出熱量，C錯誤；爬高過程中，氣體的體積不變，溫度降低，根據查理定律p＝CT可知氣體的壓強減小，D錯誤。圖1C1.如圖2所示，內壁光滑導熱汽缸中用活塞封閉住一定質量的理想氣體，現用一外力F將活塞緩慢向上拉動，汽缸始終保持靜止，在此過程中沒有氣體漏出，環境溫度不變，下列說法正確的是(

)A.外力F逐漸變小B.氣體的內能增加C.氣體從外界吸收熱量D.氣體吸收的熱量大于對外做的功圖2解析

根據題意可知，汽缸內壁光滑導熱，且外界環境溫度不變，則封閉氣體做等溫變化，現用一外力F將活塞緩慢向上拉動，汽缸始終保持靜止，氣體體積變大，由玻意耳定律可知，氣體的壓強變小，則內外的壓強差變大，所以所需要的外力F逐漸變大，故A錯誤；由于氣體發生等溫變化，則氣體的內能不變，故B錯誤；由于氣體體積變大，氣體對外界做功，則W<0，氣體內能不變，由熱力學第一定律ΔU＝W＋Q可知，氣體從外界吸熱，故C正確；由于氣體內能不變，可知氣體吸收的熱量等于對外做的功，故D錯誤。1.熱力學第二定律的理解(1)“自發地”指明了熱傳遞等熱力學宏觀現象的方向性，不需要借助外界提供能量的幫助。(2)“不產生其他影響”的含義是發生的熱力學宏觀過程只在本系統內完成，對周圍環境不產生熱力學方面的影響，如吸熱、放熱、做功等。在產生其他影響的條件下內能可以全部轉化為機械能，如氣體的等溫膨脹過程。(3)熱力學第二定律的每一種表述，都揭示了大量分子參與的宏觀過程的方向性，進而使人們認識到自然界中進行的涉及熱現象的宏觀過程都具有方向性。考點二熱力學第二定律D2.根據熱力學定律，判斷下列說法正確的是(

)A.冰箱能使熱量從低溫物體傳遞到高溫物體，因此不遵循熱力學第二定律B.自發的熱傳導是可逆的C.可以通過給物體加熱而使它運動起來，但不產生其他影響D.氣體向真空膨脹具有方向性解析有外界的幫助和影響，熱量可以從低溫物體傳遞到高溫物體，仍遵循熱力學第二定律，A錯誤；據熱力學第二定律可知，自發的熱傳導是不可逆的，B錯誤；不可能通過給物體加熱而使它運動起來但不產生其他影響，這違背了熱力學第二定律，C錯誤；氣體可自發地向真空容器膨脹，具有方向性，D正確。D3.關于兩類永動機和熱力學的兩個定律，下列說法正確的是(

)A.第二類永動機不可能制成是因為違反了熱力學第一定律B.第一類永動機不可能制成是因為違反了熱力學第二定律C.由熱力學第一定律可知做功不一定改變內能，熱傳遞也不一定改變內能，但同時做功和熱傳遞一定會改變內能D.由熱力學第二定律可知熱量從低溫物體傳向高溫物體是可能的，從單一熱源吸收熱量，完全變成功也是可能的解析第一類永動機違反能量守恒定律，第二類永動機違反熱力學第二定律，A、B錯誤；由熱力學第一定律可知W≠0，Q≠0，但ΔU＝W＋Q可以等于0，C錯誤；由熱力學第二定律可知D中現象是可能的，但會引起其他變化，D正確。規律總結

兩類永動機的比較

第一類永動機第二類永動機設計要求不需要任何動力或燃料，卻能不斷地對外做功的機器從單一熱源吸收熱量，使之完全變成功，而不產生其他影響的機器不可能制成的原因違背能量守恒定律不違背能量守恒定律，違背熱力學第二定律例2

(2023·廣東卷，13)在駐波聲場作用下，水中小氣泡周圍液體的壓強會發生周期性變化，使小氣泡周期性膨脹和收縮，氣泡內氣體可視為質量不變的理想氣體，其膨脹和收縮過程可簡化為如圖3所示的p－V圖像，氣泡內氣體先從壓強為p0、體積為V0、溫度為T0的狀態A等溫膨脹到體積為5V0、壓強為pB的狀態B，然后從狀態B絕熱收縮到體積為V0、壓強為1.9p0、溫度為TC的狀態C，B到C過程中外界對氣體做功為W，已知p0、V0、T0和W。求：考點三熱力學第一定律與氣體實驗定律的綜合圖3(1)pB的表達式；解析從狀態A到狀態B氣體等溫變化，根據玻意耳定律可得pAVA＝pBVB(2)TC的表達式；(3)B到C過程，氣泡內氣體的內能變化了多少？解析根據熱力學第一定律可知ΔU＝W＋Q其中Q＝0，故氣體內能增加ΔU＝W。氣體的做功情況、內能變化及吸放熱關系可由熱力學第一定律分析。(1)由體積變化分析氣體做功的情況：體積膨脹，氣體對外做功；氣體被壓縮，外界對氣體做功。(2)由溫度變化判斷氣體內能變化：溫度升高，氣體內能增大；溫度降低，氣體內能減小。(3)由熱力學第一定律ΔU＝W＋Q判斷氣體是吸熱還是放熱。(4)在p－V圖像中，圖像與橫軸所圍面積表示對外或外界對氣體整個過程中所做的功。例3

(2023·6月浙江選考，17)如圖4所示，導熱良好的固定直立圓筒內用面積S＝100cm2、質量m＝1kg的活塞封閉一定質量的理想氣體，活塞能無摩擦滑動。圓筒與溫度300K的熱源接觸，平衡時圓筒內氣體處于狀態A，其體積VA＝600cm3。緩慢推動活塞使氣體達到狀態B，此時體積VB＝500cm3。固定活塞，升高熱源溫度，氣體達到狀態C，此時壓強pC＝1.4×105Pa。已知從狀態A到狀態C，氣體從外界吸收熱量Q＝14J；從狀態B到狀態C，氣體內能增加ΔU＝25J，大氣壓p0＝1.01×105Pa。圖4(1)氣體從狀態A到狀態B，其分子平均動能________(選填“增大”“減小”或“不變”)，圓筒內壁單位面積受到的壓力________(選填“增大”“減小”或“不變”)；解析氣體從狀態A到狀態B發生等溫壓縮變化，內能不變，分子平均動能不變；體積減小，壓強增大，圓筒內壁單位面積受到的壓力增大。答案不變增大(2)求氣體在狀態C的溫度TC；解析氣體處于狀態A時，對活塞受力分析，有pAS＋mg＝p0S解得pA＝1×105Pa氣體從狀態A到狀態B，由玻意耳定律有pAVA＝pBVB解得pB＝1.2pA＝1.2×105Pa解得TC＝350K。(3)求氣體從狀態A到狀態B過程中外界對系統做的功W。解析氣體從狀態B到狀態C，外界對氣體不做功，所以W等于氣體從狀態A到狀態C外界對氣體做的功。由(1)問分析可知，從狀態A到狀態C內能的變化量等于從狀態B到狀態C內能的變化量，從狀態A到狀態C，由熱力學第一定律有ΔU＝W＋Q解得W＝11J。答案11J方法總結

解答該類問題的思維流程AC4.(多選)(2024·海南瓊海市嘉積中學一模)一定質量的理想氣體，其內能與熱力學溫度成正比。該理想氣體從狀態A經一系列變化，最終又回到狀態A，其變化過程的V－T圖像如圖5所示，其中BA的延長線經過坐標原點，BC與橫軸平行，氣體在狀態A時的內能為U。則下列說法中正確的是(

)圖5提升素養能力3A對點練1熱力學第一定律與能量守恒定律1.如圖1是密閉的汽缸，外力推動活塞P壓縮理想氣體，對缸內氣體做功200J，同時氣體向外界放熱100J，缸內氣體的(

)A.溫度升高，內能增加100JB.溫度升高，內能減少200JC.溫度降低，內能增加100JD.溫度降低，內能減少200JA級基礎對點練圖1解析外界對氣體做功W＝200J，氣體向外界放熱，則Q＝－100J，根據熱力學第一定律知，氣體內能的增量ΔU＝W＋Q＝200J－100J＝100J，即內能增加100J。對于一定質量的理想氣體，內能增加，溫度必然升高，故A正確。A2.一個充氣氣球用繩子拴著一塊石頭正在湖水中緩慢下沉，越往下水溫越低，氣球導熱良好，則氣球內氣體(

) A.內能增加

B.對外界做正功 C.減少的內能小于放出的熱量

D.減少的內能大于放出的熱量B3.水槍是孩子們喜愛的玩具，常見的氣壓式水槍儲水罐示意圖如圖2。從儲水罐充氣口充入氣體，達到一定壓強后，關閉充氣口。扣動扳機將閥門M打開，水即從槍口噴出。若在水不斷噴出的過程中，罐內氣體溫度始終保持不變，則氣體(

)A.壓強變大

B.對外界做功C.對外界放熱

D.分子平均動能變化圖2解析打開閥門，水不斷噴出，封閉氣體的體積增大，氣體對外界做功，B正確；由于罐內氣體溫度始終保持不變，由玻意耳定律知，氣體的壓強減小，A錯誤；溫度不變，氣體分子的平均動能不變，內能不變，由熱力學第一定律ΔU＝W＋Q知氣體吸熱，C、D錯誤。AD對點練2熱力學第二定律4.(多選)下面說法中正確的是(

)A.不可能從單一熱源吸熱，使之完全變成功，而不產生其他影響B.熱量只能由高溫物體傳遞給低溫物體C.第二類永動機不違反能量守恒定律，但違反了熱力學第一定律D.利用淺層海水和深層海水之間的溫度差制造一種熱機，將海水的一部分內能轉化為機械能是可能的解析根據熱力學第二定律可知，不可能從單一熱源吸熱，使之完全變成功，而不產生其他影響，故A正確；在外界干預下，熱量可以由低溫物體傳遞給高溫物體，故B錯誤；第二類永動機不違反能量守恒定律，但違反了熱力學第二定律，故C錯誤；利用淺層海水和深層海水之間的溫度差制造一種熱機，將海水的一部分內能轉化為機械能是可能的，故D正確。CD5.(多選)地球上有很多的海水，它的總質量約為1.4×1018t，如果這些海水的溫度降低0.1℃，將要放出5.8×1023J的熱量。有人曾設想利用海水放出的熱量，使它完全變成機械能來解決能源危機，但這種機器是不能制成的，關于其原因，下列說法正確的是(

)A.內能不能轉化成機械能B.內能轉化成機械能不滿足熱力學第一定律C.只從單一熱源吸收熱量并完全轉化成機械能的機械不滿足熱力學第二定律 D.機械能可全部轉化為內能，內能不可能全部轉化為機械能，同時不引起其他變化

解析

內能可以轉化成機械能，如熱機，故A錯誤；內能轉化成機械能的過程滿足熱力學第一定律，也可以說符合能量守恒定律，故B錯誤；根據熱力學第二定律可知，不可能從單一熱源吸收熱量并把它全部用來做功，而不引起其他變化，故C、D正確。C對點練3熱力學第一定律與氣體實驗定律的綜合6.(2024·廣東梅州高三期末)如圖3所示，一定質量的理想氣體，由A狀態經歷兩個不同的變化過程到C狀態(A→C，A→B→C)且A、C處于同一條等溫線上，以下說法正確的是(

)A.A→C過程氣體吸收的熱量大于對外做的功B.A→C的過程中，氣體分子的平均動能一直減小C.氣體在A狀態的內能等于在C狀態的內能D.A→C過程氣體吸收的熱量等于A→B→C過程氣體吸收的熱量圖3解析A→C的過程中，由熱力學第一定律有ΔUAC＝QAC＋WAC，由于A、C處于同一條等溫線上，所以TA＝TC，氣體在A狀態的內能等于在C狀態的內能，即ΔUAC＝0，由氣體體積增大知WAC<0，因此可得QAC>0，QAC＝|WAC|，此過程中氣體吸收的熱量等于對外做的功，故A錯誤，C正確；根據A→C的過程中等溫線的變化可知，氣體溫度先升高后降低，則氣體分子的平均動能先增大后減小，故B錯誤；A→B→C過程，有ΔUABC＝QABC＋WABC，ΔUABC＝0，QABC＝|WABC|，由p－V圖像與橫軸所圍的面積表示氣體對外做的功可知|WABC|>|WAC|，得到QABC>QAC，故D錯誤。D7.一定質量的理想氣體從狀態A依次經過狀態B、C和D后再回到狀態A，V－T圖像如圖4所示。下列說法正確的是(

)A.氣體A狀態的壓強大于C狀態的壓強B.狀態B到狀態C過程中，氣體從外界吸熱C.狀態C到狀態D過程中，氣體內能增大，其中分子動能減小，分子勢能增大D.從狀態A依次經過狀態B、C和D后再回到狀態A過程中氣體從外界吸熱圖4BC8.(多選)如圖5所示，一定質量的理想氣體被質量為m的絕熱活塞封閉在豎直放置的絕熱汽缸中，活塞的面積為S，與汽缸底部相距L，溫度為T0。現接通電熱絲給氣體緩慢加熱，活塞緩慢向上移動距離L后停止加熱，整個過程中，氣體吸收的熱量為Q，大氣壓強為p0，重力加速度為g。則(

)A.初始時，氣體壓強p1＝p0B.停止加熱時，氣體的溫度T＝2T0C.該過程中，氣體內能增加量ΔU＝Q－mgL－p0SLD.該過程中，氣體內能增加量ΔU＝Q－p0SL圖5DB級綜合提升練9.一定質量的理想氣體由狀態a開始，經歷ab、bc、ca三個過程回到原狀態，其p－T圖像如圖6所示，氣體在三個狀態的體積分別為Va、Vb、Vc，壓強分別為pa、pb、pc。已知pb＝p0，pc＝4p0，則下列說法正確的是(

)A.pa＝3p0B.Vb＝3Vc

C.從狀態a到狀態b，氣體對外做功D.從狀態c到狀態a，氣體從外界吸熱圖610.(2024·湖南師大附中月考)一只籃球的體積為V0，球內氣體的壓強為p0，溫度為T0。現用打氣筒對籃球充入壓強為2p0、溫度為T0、體積為V1(大小未知)的氣體，使球內氣體壓強變為3p0，同時溫度升至1.5T0。已知氣體內能