第十五章

熱學(xué)

第80講熱力學(xué)定律與能量守恒定律

基礎(chǔ)梳理·易錯(cuò)辨析

核心考點(diǎn)·重點(diǎn)突破

提能訓(xùn)練練案[80]

返回導(dǎo)航

基礎(chǔ)梳理·易錯(cuò)辨析

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一、改變物體內(nèi)能的兩種方式

1．__做__功____。

2．熱傳遞。

二、熱力學(xué)第一定律

1．內(nèi)容

一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)能增量等于外界向它傳遞的___熱__量___與外界對(duì)

它所做功的和。

第十五章熱學(xué)

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2．表達(dá)式

＋

ΔU＝___Q____W___。

3．ΔU＝Q＋W的三種特殊情況

(1)絕熱過程：Q＝___0___，則___W__＝__Δ_U____，外界對(duì)物體做的功等

于物體內(nèi)能的增加。

(2)等容過程：W＝___0___，則____Q_＝__Δ_U____，物體吸收的熱量等于

物體內(nèi)能的增加。

(3)等溫過程：ΔU＝____0__，則____W__＋__Q_＝__0___或___W__＝__－__Q___，

外界對(duì)物體做的功等于物體放出的熱量。

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三、能量守恒守恒

1．內(nèi)容

能量既不會(huì)憑空__產(chǎn)__生____，也不會(huì)憑空___消__失___，它只能從一種形

式__轉(zhuǎn)__化____為另一種形式，或者從一個(gè)物體___轉(zhuǎn)__移___到另一個(gè)物體，在

轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中能量的總量__保__持__不__變____。

2．第一類永動(dòng)機(jī)是不可能制成的，它違背了__能__量__守__恒__定__律____。

注意：能量守恒定律是自然界的普遍規(guī)律，某一種形式的能是否守

恒是有條件的。(例如：機(jī)械能守恒)

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四、熱力學(xué)第二定律

1．兩種表述

(1)克勞修斯表述(按熱傳導(dǎo)的方向性表述)：熱量不能自發(fā)地從低溫

物體傳到高溫物體。

(2)開爾文表述(按機(jī)械能和內(nèi)能轉(zhuǎn)化過程的方向性表述)：不可能從

單一熱庫(kù)吸收熱量，使之完全變成功，而不___引__起__其__他__影__響___。

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3．熵增加原理

在任何自然過程中，一個(gè)孤立系統(tǒng)的總熵不會(huì)__減__少____。

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1．為了增加物體的內(nèi)能，必須對(duì)物體做功或向它傳遞熱量，做功

和熱傳遞的實(shí)質(zhì)是相同的。(×)

2．絕熱過程中，外界壓縮氣體做功20J，氣體的內(nèi)能可能不變。(

×)

3．在給自行車打氣時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)打氣筒的溫度升高，這是因?yàn)榇驓?/p>

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。(√)

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核心考點(diǎn)·重點(diǎn)突破

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1熱力學(xué)第一定律與能量守恒定律

(基礎(chǔ)考點(diǎn)·自主探究)

1．對(duì)熱力學(xué)第一定律的理解

(1)做功和熱傳遞在改變系統(tǒng)內(nèi)能上是等效的。

(2)做功過程是系統(tǒng)與外界之間的其他形式能量與內(nèi)能的相互轉(zhuǎn)化。

(3)熱傳遞過程是系統(tǒng)與外界之間內(nèi)能的轉(zhuǎn)移。

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2．氣體的做功、內(nèi)能變化及吸、放熱情況的判斷方法：

(1)由體積變化分析氣體做功的情況：體積膨脹，氣體對(duì)外做功；氣

體被壓縮，外界對(duì)氣體做功。

(2)由溫度變化判斷氣體內(nèi)能變化：溫度升高，氣體內(nèi)能增大；溫度

降低，氣體內(nèi)能減小。

(3)由熱力學(xué)第一定律ΔU＝W＋Q判斷氣體是吸熱還是放熱。

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3．對(duì)公式ΔU＝Q＋W的符號(hào)的規(guī)定

符號(hào)WQΔU

＋外界對(duì)物體做功物體吸收熱量?jī)?nèi)能增加

－物體對(duì)外界做功物體放出熱量?jī)?nèi)能減少

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【跟蹤訓(xùn)練】

1(熱力學(xué)第一定律的理解和應(yīng)用)(多選)(2023·全國(guó)甲卷33題改編)在一

汽缸中用活塞封閉著一定量的理想氣體，發(fā)生下列緩慢變化過程，氣體

一定與外界有熱量交換的過程是()

A．氣體的體積不變，溫度升高

B．氣體的體積減小，溫度降低

C．氣體的體積減小，溫度升高

D．氣體的體積增大，溫度不變

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[答案]ABD

[解析]氣體的體積不變，氣體做功為零，溫度升高，則氣體的內(nèi)

能升高，因此氣體吸收熱量，A正確；氣體的體積減小，外界對(duì)氣體做

功，溫度降低，則氣體的內(nèi)能降低，由熱力學(xué)第一定律ΔU＝W＋Q，可

知?dú)怏w對(duì)外放熱，B正確；氣體的體積減小，外界對(duì)氣體做功，溫度升

高，則氣體的內(nèi)能升高，由熱力學(xué)第一定律ΔU＝W＋Q，可知Q可能等

于零，即沒有熱量交換過程，C錯(cuò)誤；氣體的體積增大，氣體對(duì)外界做

功，溫度不變，則氣體的內(nèi)能不變，由熱力學(xué)第一定律ΔU＝W＋Q，可

知Q>0，即氣體吸收熱量，D正確。

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2(熱力學(xué)第一定律的應(yīng)用)自熱米飯因其便于加熱和攜帶越來越受到

“驢友”的歡迎。自熱米飯盒內(nèi)有一個(gè)發(fā)熱包，遇水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)

生大量熱能，不需要明火，溫度可超過100℃，蓋上盒蓋便能在10～15

分鐘內(nèi)迅速加熱食品。自熱米飯的蓋子上有一個(gè)透氣孔，如果透氣孔堵

塞，容易造成小型爆炸。下列說法正確的是()

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A．自熱米飯盒爆炸，是盒內(nèi)氣體溫度升高，氣體分子間斥力急劇

增大的結(jié)果

B．在自熱米飯盒爆炸的瞬間，盒內(nèi)氣體內(nèi)能增加

C．在自熱米飯盒爆炸的瞬間，盒內(nèi)氣體溫度降低

D．自熱米飯盒爆炸前，盒內(nèi)氣體溫度升高，標(biāo)志著每一個(gè)氣體分

子速率都增大了

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[答案]C

[解析]自熱米飯盒爆炸，是盒內(nèi)氣體溫度升高，氣體壓強(qiáng)急劇增

大的結(jié)果，故A錯(cuò)誤；在自熱米飯盒爆炸的瞬間，盒內(nèi)氣體對(duì)外做功，

且來不及與外界進(jìn)行熱量交換，根據(jù)熱力學(xué)第一定律可知盒內(nèi)氣體內(nèi)能

減少，溫度降低，故B錯(cuò)誤，C正確；自熱米飯盒爆炸前，盒內(nèi)氣體溫

度升高，氣體分子平均速率增大，表現(xiàn)的是一種統(tǒng)計(jì)規(guī)律，并不代表每

一個(gè)氣體分子速率都增大了，故D錯(cuò)誤。

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3(能量守恒定律的應(yīng)用)(多選)(2024·河北卷)如圖，水平放置的密閉絕

熱汽缸被導(dǎo)熱活塞分成左右兩部分，左側(cè)封閉一定質(zhì)量的理想氣體，右

側(cè)為真空，活塞與汽缸右壁中央用一根輕質(zhì)彈簧水平連接。汽缸內(nèi)壁光

滑且水平長(zhǎng)度大于彈簧自然長(zhǎng)度，彈簧的形變始終在彈性限度內(nèi)且體積

忽略不計(jì)。活塞初始時(shí)靜止在汽缸正中間，后因活塞密封不嚴(yán)發(fā)生緩慢

移動(dòng)，活塞重新靜止后()

A．彈簧恢復(fù)至自然長(zhǎng)度

B．活塞兩側(cè)氣體質(zhì)量相等

C．與初始時(shí)相比，汽缸內(nèi)氣體的內(nèi)能增加

D．與初始時(shí)相比，活塞左側(cè)單位體積內(nèi)氣體分子數(shù)減少

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[答案]ACD

[解析]初始時(shí)活塞受力平衡，左側(cè)氣體對(duì)其向右的壓力與彈簧對(duì)

其向左的彈力大小相等，彈簧處于壓縮狀態(tài)，因活塞密封不嚴(yán)，左側(cè)氣

體進(jìn)入右側(cè)，左側(cè)氣體壓強(qiáng)減小，右側(cè)出現(xiàn)氣體，對(duì)活塞有向左的壓

力，最終活塞左、右兩側(cè)氣體壓強(qiáng)相等，且彈簧恢復(fù)原長(zhǎng)，A正確；由

于活塞向左移動(dòng)，活塞重新平衡，故其左側(cè)氣體體積小于右側(cè)氣體體

積，又由于活塞左、右兩側(cè)氣體的密度相等，故活塞左側(cè)氣體的質(zhì)量較

小，B錯(cuò)誤；汽缸絕熱，與外界沒有熱交換，但彈簧彈性勢(shì)能減小了，

根據(jù)能量守恒定律可知，汽缸內(nèi)氣體的內(nèi)能增加，C正確；初始時(shí)氣體

在活塞左側(cè)，最終氣體充滿整個(gè)汽缸，則活塞重新平衡后，與初始時(shí)相

比，活塞左側(cè)單位體積內(nèi)的氣體分子數(shù)減少，D正確。

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2對(duì)熱力學(xué)第二定律的理解

(基礎(chǔ)考點(diǎn)·自主探究)

1．熱力學(xué)第二定律的理解

(1)“自發(fā)地”指明了熱傳遞等熱力學(xué)宏觀現(xiàn)象的方向性，不需要借

助外界提供能量的幫助。

(2)“不產(chǎn)生其他影響”的含義是發(fā)生的熱力學(xué)宏觀過程只在本系統(tǒng)

內(nèi)完成，對(duì)周圍環(huán)境不產(chǎn)生熱力學(xué)方面的影響。如吸熱、放熱、做功

等。

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2．熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)

熱力學(xué)第二定律的每一種表述，都揭示了大量分子參與宏觀過程的

方向性，進(jìn)而使人們認(rèn)識(shí)到自然界中進(jìn)行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具

有方向性。

特別提醒：熱量不可能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體，但在有外

界影響的條件下，熱量可以從低溫物體傳到高溫物體，如電冰箱；在引

起其他變化的條件下內(nèi)能可以全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，如氣體的絕熱膨脹過

程。

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3．兩類永動(dòng)機(jī)的比較

第一類永動(dòng)機(jī)第二類永動(dòng)機(jī)

從單一熱源吸收熱量，使之完全

不需要任何動(dòng)力或燃料，卻能不

變成功，而不產(chǎn)生其他影響的機(jī)

斷地對(duì)外做功的機(jī)器

器

不違背能量守恒定律，但違背熱

違背能量守恒定律，不可能制成

力學(xué)第二定律，不可能制成

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【跟蹤訓(xùn)練】

4(熱力學(xué)第二定律的理解和應(yīng)用)日常生活中使用的燃油汽車，其動(dòng)

力來源于發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的汽缸，在汽缸內(nèi)，通過氣體燃燒將氣體的內(nèi)能轉(zhuǎn)

化為機(jī)械能，下列說法正確的是()

A．現(xiàn)代汽車技術(shù)已經(jīng)非常先進(jìn)，能夠使氣體燃燒釋放的熱量全部

轉(zhuǎn)化成機(jī)械能

B．氣體燃燒過程符合熱力學(xué)第二定律，內(nèi)能無法全部用來做功以

轉(zhuǎn)化成機(jī)械能

C．氣體燃燒釋放的熱量沒有全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，故該過程不符合

熱力學(xué)第一定律

D．發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，若沒有漏氣和摩擦，也沒有發(fā)動(dòng)機(jī)的熱量損

失，則燃料產(chǎn)生的熱量能夠完全轉(zhuǎn)化成機(jī)械能

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[答案]B

[解析]根據(jù)熱力學(xué)第二定律可知，熱機(jī)的效率不可能達(dá)到100%，

現(xiàn)代汽車技術(shù)已經(jīng)非常先進(jìn)，但也不能夠使氣體燃燒釋放的熱量全部轉(zhuǎn)

化成機(jī)械能，A錯(cuò)誤；氣體燃燒過程符合熱力學(xué)第二定律，內(nèi)能無法全

部用來做功以轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，B正確；氣體燃燒釋放的熱量沒有全部轉(zhuǎn)

化為機(jī)械能，該過程符合熱力學(xué)第一定律，C錯(cuò)誤；根據(jù)熱力學(xué)第二定

律可知，熱機(jī)的效率不可能達(dá)到100%，發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，就算沒有漏氣

和摩擦，也沒有發(fā)動(dòng)機(jī)的熱量損失，燃料產(chǎn)生的熱量也不能完全轉(zhuǎn)化成

機(jī)械能，D錯(cuò)誤。

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5(對(duì)熵的理解)將一件裙子放進(jìn)死海，3年后成了一件精美的藝術(shù)品

(如圖)。其形成原因是海水中的鹽不斷在衣服表面結(jié)晶。根據(jù)這一現(xiàn)象

下列說法不正確的是()

A．結(jié)晶過程看似是自發(fā)的，其實(shí)要受到環(huán)境的影響

B．結(jié)晶過程是無序向有序轉(zhuǎn)變的過程

C．鹽在溶解的過程中熵是增加的

D．這件藝術(shù)品被精心保存在充滿惰性氣體的密閉櫥窗里，可視為

孤立系統(tǒng)，經(jīng)過很長(zhǎng)時(shí)間后，該藝術(shù)品的熵可能減小

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[答案]D

[解析]結(jié)晶過程不是自發(fā)的，通常是由水溫降低或水的蒸發(fā)引

起，受到環(huán)境的影響，是由無序向有序的轉(zhuǎn)變過程，故A、B正確；鹽

的溶解是由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，是自發(fā)過程，自發(fā)過程是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)的

無序性增大的方向進(jìn)行，即熵增加，故C正確；孤立系統(tǒng)的熵永不減

小，故D錯(cuò)誤，本題選錯(cuò)誤項(xiàng)，故選D。

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3熱力學(xué)第一定律與圖像的綜合應(yīng)用

(能力考點(diǎn)·深度研析)

處理熱力學(xué)第一定律與氣體狀態(tài)變化圖像的綜合問題的思路

(1)根據(jù)氣體狀態(tài)變化圖像的特點(diǎn)判斷氣體的溫度、體積的變化情

況，從而判斷氣體與外界的吸、放熱關(guān)系及做功關(guān)系。

(2)在p－V圖像中，圖線與V軸圍成的面積表示氣體對(duì)外界或外界對(duì)

氣體做的功。

(3)結(jié)合熱力學(xué)第一定律判斷有關(guān)問題。

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[答案]AD

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【跟蹤訓(xùn)練】

6(V－T圖與熱力學(xué)第一定律的綜合應(yīng)用)(多選)如圖所示，一定質(zhì)量

的理想氣體在狀態(tài)A時(shí)壓強(qiáng)為1.5×105Pa，經(jīng)歷A→B→C→A的過程，已

知B→C過程中氣體做功絕對(duì)值是C→A過程中氣體做功絕對(duì)值的3倍，下

列說法中正確的是()

A．C→A的過程中外界對(duì)氣體做功300J

B．B→C的過程中氣體對(duì)外界做功600J

C．整個(gè)過程中氣體從外界吸收600J的熱量

D．整個(gè)過程中氣體從外界吸收450J的熱量

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[答案]AC

[解析]在C→A過程中，壓強(qiáng)不變，氣體體積減小，外界對(duì)氣體做

功，根據(jù)WCA＝p·ΔV，得WCA＝300J，A正確；由題知B→C過程中氣體

做功絕對(duì)值是C→A過程中氣體做功絕對(duì)值的3倍，則B→C的過程中氣體

對(duì)外界做功900J，B錯(cuò)誤；A→B→C→A，溫度不變，則內(nèi)能變化量ΔU

＝0，A→B過程，氣體體積不變，做功為零；B→C的過程中氣體對(duì)外界

做功900J，C→A的過程中外界對(duì)氣體做功300J，故W＝WCA＋WBC＝

－600J，Q＝ΔU－W＝600J，則整個(gè)過程中氣體從外界吸收600J的熱

量，C正確，D錯(cuò)誤。

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7(p－t圖線與熱力學(xué)第一定律的綜合應(yīng)用)(多選)一定質(zhì)量的理想氣體

從a狀態(tài)開始，經(jīng)歷三個(gè)過程ab、bc、ca回到a狀態(tài)，其p－t圖像如圖所示，

圖中ba的延長(zhǎng)線過原點(diǎn)，bc平行于t軸，ca的延長(zhǎng)線過點(diǎn)(－273.15℃，

0)。下列判斷正確的是()

A．過程ab中氣體體積不變

B．過程ca中氣體體積不變

C．過程ca中氣體吸收熱量

D．過程bc中氣體吸收熱量

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[答案]BD

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4熱力學(xué)定律與氣體實(shí)驗(yàn)定律的綜合

(能力考點(diǎn)·深度研析)

解答該類問題的流程：

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