物理總復習：熱力學定律及能量守恒

編稿：李傳安審稿：

【考綱要求】

1、理解熱力學第一定律、第二定律；

2、運用能量守恒定律解決問題。

【考點梳理】

考點一、改變內能的兩種方式

L熱傳遞

①條件：存在溫度差，最終結果是使兩物體溫度一樣。

②方式：熱傳導、熱對流、熱輻射。

③規(guī)律：熱量從高溫物體傳向低溫物體。

④和內能變化的關系：系統(tǒng)在單純的傳熱過程中，內能的增量等于外界

向系統(tǒng)傳遞的熱量Q,即AU=。。

2、做功

做功改變物體內能的過程是將其他形式的能〔如機械能)與內能相互轉化的

過程，做功使物體內能發(fā)生變化時，內能改變了多少用做功的數(shù)值來度量。

要點詮釋：(1)要使物體改變同樣的內能,通過做功或者熱傳遞都可以實現(xiàn)，若

不知道過程，我們無法分辨出是做功還是熱傳遞實現(xiàn)的這種改變。

(2)做功是宏觀的機械運動向物體的微觀分子熱運動的轉化。熱傳遞則是

通過分子之間的相互作用，使不同物體間分子熱運動變化,是內能的轉移。前者

能的性質發(fā)生了變化，后者能的性質不變。

(3)物體的內能增加與否，不能單純地只看做功或樹專遞，兩個過程需要

全面考慮。

考點二、熱力學第一定律

1、內容

物體內能的增量等于外界對物體做的功W和物體吸收的熱量Q的總和。

2、公式

W+Q=\U

要點詮釋：

(1)在應用熱力學第一定律時，應特別分清W、Q的正負號，以便準確地

判斷AU的正、負。熱力學第一定律的符號法則：

①功W>0,表示外界對系統(tǒng)做功；W<0,表示系統(tǒng)對外界做功。

②熱量Q>0,表示物體吸熱；Q<0,表示物體放熱。

③內能AU>0,表示內能增加；<0,表示內能減少。

(2)容易出錯的幾種特殊情況

①若是絕熱過程，則Q=O、W=AU,即外界對物體做的功等于物體內

能的增加；

②若過程中不做功,即W=0,則Q=AU,物體吸收的熱量等于物體

內能的增加；

③若過程的始末狀態(tài)物體的內能不變，即AU=0,則W+Q=O或

W=-Q,外界對物體做的功等于物體放出的熱量。

考點三、熱力學第二定律

1、兩種表述

(1)按熱傳遞的方向性來表述：熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體。

(2)按機械能與內能轉化過程的方向性來表述：不可能從單一熱源吸收熱量,

使之完全變成功,而不產生其他影響。

要點詮釋：

這里所說"自發(fā)地"是指沒有任］可外界的影響或幫助，電冰箱工作時能將冰

箱內(溫度較低)的熱量，傳給外界空氣(溫度較高)，是因為電冰箱消耗了電

能，對制冷系統(tǒng)做了功。

上述兩種表述是等價的，即一個說法是正確的，另一個說法也必然是正

確的；如果一個說法是錯誤的，另一個說法必然也是不成立的。

2、熱力學第二定律的意義

提示了有大量分子參與的宏觀過程的方向性，是獨立于熱力學第一定律

的一個重要自然規(guī)律。

3、熱力學第二定律的微觀解釋

(1)一切自然過程總是沿著分子熱運動的無序性增大的方向進行。這

是熱力學第二定律的微觀意義。

(2)從微觀的角度看，熱力學第二定律是一個統(tǒng)計規(guī)律：一個孤立系

統(tǒng)總是從嫡小的狀態(tài)向燧大的狀態(tài)發(fā)展，而燧值較大代表著較為無序，所以自發(fā)

的宏觀過程總是向無序度更大的方向發(fā)展。

4、兩類永動機的比較

第一類永動機第二類永動機

不消耗能量卻可以源源不斷地對外從單一熱源吸熱，全部用來對外做功而不引起其他

做功的機器變化的機器

不違背能量守恒，但違背熱力學第一定律,不可能

違背能量守恒，不可能實現(xiàn)

實現(xiàn)

考點四、能量守恒定律

L能量守恒定律

(1)能量既不能憑空產生，也不能憑空消失，它只能從一種形式轉化為別

的形式，或者從一個物體轉移到別的物體，在轉化或轉移的過程中其總量不變,

這就是能的轉化和守恒定律。

(2)能量的轉化和守恒定律是自然界最普遍的規(guī)律。

(3)永動機是永無造不出來的。

2、能源、環(huán)境

(1)常規(guī)能源：人們把煤、石油、天然氣叫做常規(guī)能源。常規(guī)能源有限，

常規(guī)能源帶來環(huán)境問題：溫室效應、酸雨、光化學煙霧等。

因氣體從外界吸收熱量，所以Q=+4.2x1（）5,，氣體對外做功6x10〃，

則外界對氣體做功W=-6x10〃,由熱力學第一定律W+Q=AU，得

△U=-6x1（萬+4.2X105J=-1.8X105J

所以物體內能減少了1.8x10V。

（2）因為氣體對夕M故功，體積膨脹，分子間距離增大了，分子力做負功，

氣體的分子勢能增加了。

（3）因為氣體內能減少了，而分子勢能增加了，所以分子平均動能必然減

少了，且分子平均動能的減少量一定大于分子勢能的增加量。

【總結升華】（1）做功和熱傳遞兩種過程同時發(fā)生時，內能的變化就要用熱力學

第一定律進行綜合分析。（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。若與外界絕熱，則不發(fā)生熱傳

遞，此時Q=0。

舉一反三

【變式1】100＜的水完全變成10CTC的水蒸氣，則（）

A.水分子的內能增加

B.水的內能增加

C.水所增加的內能小于所吸收的熱量

D.水所增加的內能等于所吸收的熱量

【答案】BC

【解析】由于溫度不變，水分子的內能不變。體積膨脹，水分子的勢能變大，水

的內能增加。體積膨脹時要克服外界大氣壓力做功，由熱力學第一定律可知，水

所增加的內能要小于吸收的熱量。

【變式2】關于一定量的氣體，下列敘述正確的是（）

A.氣體吸收的熱量可以完全轉化為功

B.氣體體積增大時，其內能一定減少

C.氣體從外界吸收熱量，其內能一定增加

D.外界對氣體做功，氣體內能可能減少

【答案】AD

【解析】根據(jù)熱力學第二定律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。即氣體吸收熱量在引起了其他變化的情況下，可以完全轉化

為功，A對；BCD考察熱力學第一定律，卬+Q二AU,做功和熱傳遞都可以改

變內能。氣體體積增大時，對外做功，可以同時吸收熱量，如果吸收的熱量大于

對夕M故的功,則內能增加，B錯。氣體從外界吸收熱量,可以同時對外做功,如

果吸收的熱量大于對外做的功，則內能增加，反之，內能減少，C錯。外界對氣

體做功，可以同時放出熱量，如果放出的熱量大于外界對它做的功，氣體內能可

能減少，D對，故選AD。

【高清課堂：熱力學定律及能量守恒例4】

【變式3]A、B兩裝置，均由一支一端封閉，一端開口且?guī)в胁Ａ莸墓軤钊?/p>

器和水銀槽組成，除玻璃泡在管上的位置不同外，其他條件都相同。將兩管抽成

U直插入水銀槽中（插入過程沒有空氣進入管內），水銀柱上

假設這一過程水銀與外界沒有熱交換，則下列說法正確的是

AB

A.A中水銀的內能增量大于B中水銀的內能增量

B.B中水銀的內能增量大于A中水銀的內能增量

C,A和B中水銀體積保持不變，故內能增量相同

D.A和B中水銀溫度始終相同,故內能增量相同

【答案】B

【解析】因為A、B兩管中水銀上升的體積是一樣的，所以水銀槽中水銀面下降

的高度相等，外界大氣壓對A、B管水銀做功相等。由于沒有熱交換，由熱力學

第一定律有內能增量與外界做功有關。大氣壓做功一方面使水銀上升轉變?yōu)樗y

的重力勢能，另一方面使A、B中水銀內能增加。由于A中水銀重心高于B中

的，所以A中勢能大于B中勢能。外界大氣壓做功又是相等的，所以A中內能

增量小于B中內能增量。故選B。

類型二、熱力學第二定律

例2、關于熱力學定律和分子動理論,下列說法正確的是（）

A.一定量氣體吸收熱量，其內能一定增大

B.不可能使熱量由低溫物體傳遞到高溫物體

C.若兩分子間距離增大，分子勢能一定增大

D.若兩分子間距離減小，分子間引力和斥力都增大

【思路點撥】重溫熱力學第一定律、第二定律，分子力與分子間距的函數(shù)圖象和

分子勢能與分子間距的函數(shù)圖象。

【答案】D

【解析】由熱力學第一定律可知，做功和熱傳遞都可以改變物體的內能，一定量

的氣體吸收熱量如果氣體同時對夕M故功，且做功比吸熱多，則氣體的內能減少，

A項錯誤；依據(jù)外界做功，可以使熱量由低溫物體傳遞到高溫物體，B項錯誤；

若兩分子間的距離小于平衡時的距離，分子力是斥力，在增大的過程中分子力先

做正功，分子勢能先減小，C項錯誤；若分子間的距離在減小，分子間的弓I力和

斥力都在增大，只不過斥力增大的快些，D項正確。

【總結升華】關鍵是要準確理解熱力學第一定律、熱力學第二定律、分子力與分

子間距的函數(shù)圖象和分子勢能與分子間距的函數(shù)圖象。（兩個定律、兩個圖像）

舉一反三

【變式】關于熱力學定律，下列說法正確的是______（填入正確選項前的字母。

選對1個給3分，選對2個給4分，選對3個給6分；每選錯1個扣3分，最

低得分為0分\

A.為了增加物體的內能，必須對物體做功或向它傳遞熱量

B.對某物體做功，必定會使該物體的內能增加

C.可以從單一熱源吸收熱量，使之完全變?yōu)楣?/p>

D.不可能使熱量從低溫物體傳向高溫物體

E.功轉變?yōu)闊岬膶嶋H宏觀過程是不可逆過程

【答案】ACE

【解析】由熱力學第一定律W+Q=,知A正確，B錯誤；由熱力學第二定

律知，C、D這些過程在借助于外界幫助的情況下是可以實現(xiàn)的，所以C正確、

D錯誤；由自然界中一切與熱現(xiàn)象有關的過程都是不可逆的,所以E正確。

【高清課堂：熱力學定律及能量守恒例5】

例3、如圖為電冰箱的工作原理示意圖。后縮機工作時，強迫制冷劑在冰

箱內々卜的替1

道口氣化吸收箱體內的熱量，經過冷凝器時制冷劑

液(法正確的是()

樂蝠機

A.熱量可以自發(fā)地從冰箱內傳到冰箱外

B.電冰箱的制冷系統(tǒng)能夠不斷地把冰箱內的熱量

傳到外界，是因為其消耗了電能

C.電冰箱的工作原理不違反熱力學第二定律

D.電冰箱的工作原理違反熱力學第一定律

【思路點撥】熱力學第二定律，"熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體"，

但是做功是可以的，就不是自發(fā)的了。電冰箱的工作原理不違反熱力學第一定律、

第二定律。

【答案】BC

【解析】根據(jù)熱力學第二定律，電冰箱的制冷系統(tǒng)能夠不斷地把冰箱內的熱量傳

到外界，是因為消耗了電能，也就是對外界產生了影響，它的工作原理不違背能

量守恒定律，也就是熱力學第一定律，選項B、C正確。

【總結升華】關鍵是準確理解熱力學第二定律，〃熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳

到高溫物體"，電冰箱制冷是通過消耗電能對制冷系統(tǒng)做功來實現(xiàn)的，并不是

"自發(fā)的"。"不可能從單一熱源吸收熱量，使之完全變成功，而不產生其他影

響"，消耗了電能對制冷系統(tǒng)做了功，對外界產生了影響。

舉一反三

【變式1】（1）如圖所示，一淙用的“永動機"轉輪由5根輕桿和轉軸構成，輕

桿的末端裝有形狀記憶合金制成的葉片，輕推轉輪后，進入熱水的葉片因伸展面

A.轉輪依靠自身慣性轉動，不需要消耗外界能量

B.轉輪轉動所需能量來自形狀記憶合金自身

C.轉動的葉片不斷攪動熱水，水溫升高

D.葉片在熱水中吸收的熱量一定大于在空氣中釋放的熱量

（2）如圖所示，內壁光滑的氣缸水平放置。一定質量的理想氣體被密封在氣缸

內，外界大氣壓強為Poo現(xiàn)對氣缸緩慢加熱，氣體吸收熱量Q后，體積由

V血—d'二g"”比過程中，氣體分子平均動能_____（選增"增大“、

mP.）,氣體內能變化了

【答案】（1）D（2）增大；△。=2-〃。（％-匕）

【解析】形狀記憶合金制成的葉片，在熱水中吸收熱量而伸長，離開熱水后，葉

片形狀迅速恢復，使輕桿的重心位置發(fā)生變化而轉動，一部分能量散發(fā)空氣中，

葉片不斷攪動熱水，對水做功。但葉片吸收的能量大于對水做的功，水的溫度逐

漸降低，當與環(huán)境溫度達到平衡，葉片停止轉動。故正確的選項為Do

（2）氣體吸收熱量Q,溫度升高，氣體分子平均動能增大。氣體吸收熱量Q為

正，對夕M故功為負,卬二-〃。（匕-匕），根據(jù)熱力學第一定律，W+Q=\U,

氣體內能變化了。-匕-匕）。

【高清課堂：熱力學定律及能量守恒例6]

【變式2]如圖所示，兩個相通的容器P、Q間裝有閥門K,P中充滿氣體，Q

為真一?人1r一熱交換，打開閥門K后，P中的氣體進入Q中，

1八X/

A.氣體體積膨脹，內能增加

B.氣體分子勢能減少，內能增加

C.氣體分子勢能增加，壓強可能不變

D.Q中氣體不可能自發(fā)地全部退回到P中

【答案】D

【解析】根據(jù)熱力學第二定律，自然界涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性，知

D正確。容器內氣體自由膨脹，氣體與外界之間不做功也沒有熱交換，故氣體的

內能不變，A項不正確。氣體分子間作用力很弱，氣體體積變化時，氣體分子勢

能可認為不變，B、C項也不正確。故選D。

類型三、能量守恒定律

例4、現(xiàn)代典型的燃煤發(fā)電廠，總效率一般為40%,有一座大型燃煤發(fā)電

廠，如果發(fā)出LOx109J的電力，可供一個大城市使用。下圖表示這座發(fā)電廠的

能量流向，請回答:

(1)燃煤提供的能量應等于哪幾項能量之和？

(2：地囪排出,請你算出來,并在圖

笳

款

上標1

一渦輪機損耗.

6

,r由燃煤提供進入渦輪機.(山冷凝器排出)X

W

(3.2.5xlO，J?2"10?0相U

傳輸損耗LOxlOW

I___

(4：電能1.0x10?！猒進行改進可以提高發(fā)電

_

_________I9.0x1網_

廠的_

有用功9.0<10打一

燃煤發(fā)電廠中的能坦流向圖

【思路點撥】抓住能量守恒定律，讀懂圖的意思，進行基本計算。

【答案】見解析。

【解析】仔細分析發(fā)電過程的能量流向圖,搞清各項能量或功之間的關系，根據(jù)

能量轉化與守恒定律可求解。

Q)燃煤提供的能量等于進入渦輪機的能量和通過煙囪排出的能量。

(2)根據(jù)(1)中的解析可得通過煙囪廢氣所帶走的能量為：

E=2.5xl()9-2.2x109J=3X1()8J標圖略。

渦輪機從外界吸熱2.2x10。,對外做功WrOxiO。，

999

所以渦輪機損耗為2.2X10J-1.0X10J=1.2X10JO標圖略。

(3)由能量流向圖可知該發(fā)電廠產生的電能為1.0x103,消耗的總能量為

2.5xIO。J,所以其總效率為11=1°X1°"x100%=40%

2.5x10

(4)從能量流向圖中可以看出，該發(fā)電廠的損耗共達到了1.5x103,即達到了

60%,最主要的損耗是渦輪機的損耗，由冷凝器排出，所以這個地方應作為改造

的重點，降低通過