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第3講　熱力學定律、能量守恒
一、熱力學第一定律和能量守恒定律
1.改變物體內能的兩種方式.
（1）　　　　；（2）　　　　.
2.熱力學第一定律.
（1）內容：一個熱力學系統內能的增量等于外界向它傳遞的熱量與外界對它所做的功之和.
（2）表達式：ΔU=Q+W.
做功
傳熱
3.能的轉化和守恒定律.
（1）內容：能量既不會憑空產生，也不會憑空消失，它只能從一種形式轉化為另一種形式，或者從一個物體轉移到別的物體，在轉化或轉移的過程中，能量的總量保持不變.
（2）第一類永動機：違背能量守恒定律的機器被稱為第一類永動機.它是不可能制成的.
二、熱力學第二定律
1.常見的兩種表述.
（1）克勞修斯表述：熱量不能自發地從　　　　物體傳到　　　　物體.
（2）開爾文表述：不可能從　　　　吸收熱量，使之完全變成功，而不產生其他影響.
2.第二類永動機.
違背宏觀熱現象方向性的機器被稱為第二類永動機.這類永動機不違背
，但它違背了　 　　　　，也是不可能制成的.
低溫
高溫
單一熱庫
能量守恒定律
熱力學第二定律
（1）做功和傳熱對改變物體的內能具有等效性.
（2）功W的正負可以根據系統的體積變化判斷：①體積增大→系統對外做功→W<0；②體積減小→外界對系統做功→W>0.
（3）可以從單一熱源吸收熱量，使之完全變成功，但要引起其他變化.
1.［能量守恒］（多選）關于能量和能量守恒，下列表述正確的是 （　　）
A.能量可以從一種形式轉化為另一種形式
B.能量可以從一個物體轉移到另一個物體
C.能量是守恒的，所以能源永不枯竭
D.滿足能量守恒定律的物理過程一定能自發進行
AB
2.［永動機］（多選）關于第二類永動機，下列說法正確的是 （　　）
A.第二類永動機是指沒有冷凝器，只有單一的熱源，能將從單一熱源吸收的熱量全部用來做功，而不引起其他變化的熱機
B.第二類永動機違背了能量守恒定律，所以不可能制成
C.第二類永動機違背了熱力學第二定律，所以不可能制成
D.第二類永動機不可能制成，說明機械能可以全部轉化為內能，內能卻不能全部轉化為機械能
AC
3.［熱力學定律］（多選）對于熱力學第一定律和熱力學第二定律的理解，下列說法正確的是 （　　）
A.熱現象過程中不可避免地出現能量耗散現象，能量耗散符合熱力學第二定律
B.物體從外界吸收熱量，其內能一定增加；物體對外界做功，其內能一定減少
C.凡與熱現象有關的宏觀過程都具有方向性，在傳熱中，熱量只能從高溫物體傳遞給低溫物體，而不能從低溫物體傳遞給高溫物體
D.第一類永動機違背能量守恒定律，第二類永動機不違背能量守恒定律
AD
【解析】能量耗散過程體現了宏觀自然過程的方向性，符合熱力學第二定律，故A正確；根據熱力學第一定律ΔU=W+Q，可知物體從外界吸收熱量，其內能不一定增加，物體對外界做功，其內能不一定減少，B錯誤；做功可以讓熱量從低溫物體傳遞給高溫物體，如電冰箱，C錯誤；第二類永動機沒有違反能量守恒定律，熱力學第一定律是能量轉化和守恒定律在熱學中的反映，因此第二類永動機沒有違反熱力學第一定律，不能制成是因為它違反了熱力學第二定律，故D正確.
考點1　熱力學第一定律的理解與應用　［基礎考點］
1.熱力學第一定律的理解
不僅反映了做功和傳熱這兩種方式改變內能的過程是等效的，而且給出了內能的變化量和做功與傳熱之間的定量關系.此定律是標量式，應用時熱量的單位應統一為國際單位制中的焦耳.
2.對公式ΔU=Q+W符號的規定
符號 W Q ΔU
+ 外界對物體做功 物體吸收熱量 內能增加
- 物體對外界做功 物體放出熱量 內能減少
3.三種特殊情況
（1）若過程是絕熱的，則Q=0，W=ΔU，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=ΔU，物體吸收的熱量等于物體內能的增加.
（3）若過程的初末狀態物體的內能不變，即ΔU=0，則W+Q=0或W=-Q，外界對物體做的功等于物體放出的熱量.
1.（2023年全國甲卷）（多選）在一汽缸中用活塞封閉著一定量的理想氣體，發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
E.氣體的體積增大，溫度降低
ABD
【解析】氣體的體積不變，溫度升高，則氣體的內能升高，體積不變氣體做功為零，因此氣體吸收熱量，A正確；氣體的體積減小溫度降低，則氣體的內能降低，體積減小外界對氣體做功，由熱力學第一定律ΔU=W+Q，可知氣體對外放熱，B正確；氣體的體積減小，溫度升高，則氣體的內能升高，體積減小外界對氣體做功，由熱力學第一定律ΔU=W+Q，可知Q可能等于零，即沒有熱量交換過程，C錯誤；氣體的體積增大溫度不變則氣體的內能不變，體積增大氣體對外界做功，由熱力學第一定律ΔU=W+Q，可知Q>0，即氣體吸收熱量，D正確；氣體的體積增大，溫度降低則氣體的內能降低，體積增大氣體對外界做功，由熱力學第一定律ΔU=W+Q，可知Q可能等于零，即沒有熱量交換過程，E錯誤.
2.（2024年茂名聯考）用氣壓式開瓶器開紅酒瓶，如圖所示，通過針頭向瓶內打幾次氣，然后便能輕松拔出瓶塞，則 （　　）
A.打氣后瓶塞未拔出前，氣體壓強減小
B.打氣后瓶塞未拔出前，氣體分子的數密度增大
C.快速拔出瓶塞的過程中，氣體吸熱，內能增大
D.快速拔出瓶塞的過程中，氣體放熱，內能減小
B
【解析】打氣后瓶塞未拔出前，氣體壓強增大，A錯誤；打氣后瓶塞未拔出前，單位體積內的分子數增加，即氣體分子的數密度增大，B正確；快速拔出瓶塞的過程中，氣體體積變大，對外做功，由于是快速拔出瓶塞，可認為該過程沒有發生傳熱，根據熱力學第一定律可知，氣體內能減少，C、D錯誤.
3.如圖，某同學將空的玻璃瓶開口向下緩緩壓入水中，設水溫均勻且恒定，瓶內空氣無泄漏，不計氣體分子間的相互作用，則被淹沒的玻璃瓶在下降過程中，瓶內氣體 （　　）
A.內能增加　　　　B.向外界放熱
C.對外界做正功　　 D.分子平均動能減小
B
【解析】被淹沒的玻璃瓶在下降過程中，瓶內氣體溫度不變，壓強變大，
可知氣體體積減小，外界對氣體做正功；由于氣體溫度不變，氣體分子平
均動能不變，氣體內能不變，根據熱力學第一定律可知，氣體向外界放熱.
B正確.
4.某汽車的四沖程內燃機利用奧托循環進行工作，該循環由兩個絕熱過程和兩個等容過程組成.如圖所示為一定質量的理想氣體所經歷的奧托循環，則該氣體 （　　）
A.在狀態a和c時的內能可能相等
B.在a→b過程中，外界對其做的功全部用于增加內能
C.b→c過程中增加的內能小于d→a過程中減少的內能
D.在一次循環過程中吸收的熱量小于放出的熱量
B
【解析】從c到d為絕熱膨脹，則Q=0，W<0，則內能減小，ΔU<0，溫度降低；從d到a，體積不變，壓強減小，則溫度降低，則狀態c的溫度高于a狀態溫度，故A錯誤.在a→b過程為絕熱壓縮，外界對氣體做功W>0，Q=0，則ΔU=W，即外界對其做的功全部用于增加內能，故B正確.從b→c過程系統從外界吸收熱量，從c→d系統對外做功，從d→a系統放出熱量，從a→b外界對系統做功，根據p-V圖像下面積即為氣體做功大小，可知c到d過程氣體對外做功.圖像中b→c→d→a圍成的圖形的面積為氣體對外做的功，整個過程氣體內能變化量為零，則ΔW=ΔQ，即Q吸-Q放=ΔW>0，即在一次循環過程中吸收的熱量大于放出的熱量，則b→c過程中增加的內能大于d→a過程中減少的內能，故C、D錯誤.
考點2　熱力學第二定律　［能力考點］
1.熱力學第二定律的實質
熱力學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.
2.兩類永動機的比較
（1）第一類永動機：不需要任何動力或燃料，能不斷地對外做功的機器，違背能量守恒定律，不可能制成.
（2）第二類永動機：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，不違背能量守恒定律，但違背熱力學第二定律，不可能制成.
3.熱力學過程方向性實例
（1）高溫物體 低溫物體.
（2）功 熱.
（3）氣體體積V1 氣體體積V2（較大）.
（4）不同氣體A和B 混合氣體AB.
例1　（多選）利用“渦流效應”可實現冷熱氣體的分離.如圖，一冷熱氣體分離裝置由噴嘴、渦流室、環形管、分離擋板和冷熱兩端管等構成.高壓氮氣由噴嘴切向流入渦流室中，然后以螺旋方式在環形管中向右旋轉前進，分子熱運動速率較小的氣體分子將聚集到環形管中心部位，而分子熱運動速率較大的氣體分子將聚集到環形管邊緣部位.氣流到達分離擋板處時，中心部位氣流與分離擋板碰撞后反向，從A端流出，邊緣部位氣流從B端流出.下列說法正確的是 （　　）
AB
A.A端為冷端，B端為熱端
B.A端流出的氣體分子熱運動平均速率一定小于B端流出的
C.A端流出的氣體內能一定大于B端流出的
D.該裝置氣體進出的過程滿足能量守恒定律，但違背了熱力學第二定律
【解析】依題意，中心部位為熱運動速率較低的氣體，與擋板相互作用后反彈，從A端流出，而邊緣部位熱運動速率較高的氣體從B端流出；同種氣體分子平均熱運動速率較大、其對應的溫度也就較高，所以A端為冷端、B端為熱端，故A正確；依題意，A端流出的氣體分子熱運動速率較小，B端流出的氣體分子熱運動速率較大，所以從A端流出的氣體分子熱運動平均速率小于從B端流出的，故B正確；A端流出的氣體分子熱運動速率較小，B端流出的氣體分子熱運動速率較大，則從A端流出的氣體分子平均動能小于從B端流出的氣體分子平均動能，內能的多少還與分子數有關；依題意，不能得出從A端流出的氣體內能一定大于從B端流出的氣體內能，故C錯誤；該裝置將冷熱不均氣體的進行分離，噴嘴處有高壓，即通過外界做功而實現的，并非是自發進行的，沒有違背熱力學第二定律；溫度較低的從A端出、較高的從B端出，也符合能量守恒定律，故D錯誤.
1.（多選）下列說法正確的有 （　　）
A.熱量能夠從高溫物體傳到低溫物體，但不能從低溫物體傳到高溫物體
B.熱量能夠從高溫物體傳到低溫物體，也可能從低溫物體傳到高溫物體
C.機械功可以全部轉化為熱量，但熱量不可能全部轉化為功
D.機械功可以全部轉化為熱量，熱量也可能全部轉化為功
BD
2.（多選）如圖所示，導熱的汽缸固定在水平地面上，用活塞把一定質量的理想氣體封閉在汽缸中，汽缸的內部光滑，現用水平外力F作用于活塞桿，使活塞緩慢向右移動，由狀態①變化到狀態②，在此過程中，如果環境溫度保持不變，下列說法正確的是 （　　）
A.氣體分子平均動能不變
B.氣體內能減小
C.氣體吸收熱量
D.氣體是從單一熱源吸熱，全部用來對外做功，但此過程違反熱力學第二定律
AC
考點3　氣體實驗定律與熱力學第一定律的綜合應用　［能力考點］
1.處理方法
（1）氣體實驗定律研究對象是一定質量的理想氣體.
（2）對理想氣體，只要體積變化，外界對氣體（或氣體對外界）要做功，如果是等壓變化，W=pΔV；只要溫度發生變化，其內能就發生變化.
（3）結合熱力學第一定律ΔU=W+Q求解問題.
2.氣體幾種典型變化過程分析
（1）等容過程：V=恒量，外界對氣體不做功.根據熱力學第一定律，有ΔU=Q.
3.求解氣體實驗定律與熱力學定律綜合問題的一般思路
例2　（2023年廣東卷）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：
（1）pB的表達式；
（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？
（3）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.
AD
2.某探究小組設計了一個報警裝置，其原理如圖所示.在豎直放置的圓柱形容器內用面積S=100 cm2、質量m=1 kg的活塞密封一定質量的理想氣體，活塞能無摩擦滑動.開始時氣體處于溫度TA=300 K、活塞與容器底的距離h0=30 cm的狀態A.環境溫度升高時容器內氣體被加熱，活塞緩慢上升d=3 cm恰好到達容器內的卡口處，此時氣體達到狀態B.活塞保持不動，氣體被繼續加熱至溫度TC=363 K的狀態C時觸動報警器.從狀態A到狀態C的過程中氣體內能增加了ΔU=158 J.取大氣壓p0=0.99×105 Pa，求氣體：
（1）在狀態B的溫度；
（2）在狀態C的壓強；
（3）由狀態A到狀態C過程中從外界吸收的熱量Q.
（3）根據題意可知，從狀態A到狀態C的過程中氣體對外做功為W=-pBΔV=-30 J，
由熱力學第一定律有ΔU=W+Q，
解得Q=ΔU+W=188 J.
知識鞏固練
1.（2024年廣東普通高中一模）（多選）為了減少污染，根據相關規定，加油站必須進行“油氣回收”，操作如下：油槍從封閉油罐中吸取體積為V的汽油加到汽車油箱，同時抽取油槍周圍體積為1.2V的油氣（可視為理想氣體），壓入封閉油罐（壓至體積為V）.假設油罐及加油槍導熱良好且環境溫度不變，則將油氣壓入油罐的過程中，油氣 （　　）
A.壓強增大 B.對外做正功
C.向環境放熱 D.從環境吸熱
（本欄目對應學生用書P444）
AC　
【解析】油氣壓入油罐的過程中，體積減小，外界對氣體做功，由于油罐及加油槍導熱良好且環境溫度不變，則氣體的內能不變，根據熱力學第一定律可知油氣向環境放熱，C正確，B、D錯誤；油氣壓入油罐的過程中，體積減小，溫度不變，根據理想氣體狀態方程可知壓強增大，A正確.
2.（2024年華師附中檢測）（多選）一種噴壺示意圖如圖甲所示.儲氣室內氣體可視為理想氣體，在噴液過程中儲氣室內溫度保持不變，圖乙中A到B是某次噴液過程的儲氣室內氣體壓強p隨體積V變化的圖像，則從狀態A到狀態B （　　）
A.室內氣體向外界釋放熱量
B.圖中△OAC的面積大于△OBD的面積
C.氣體吸收的熱量等于氣體對外做的功
D.氣體分子撞擊氣室壁單位面積的平均作用力變小
CD
3.如圖所示，一定質量的理想氣體從狀態a開始，經過兩個狀態變化過程，先后到達狀態b和狀態c.下列說法正確的是 （　　）
A.從a到b的過程中，氣體從外界吸熱
B.從a到b的過程中，氣體的內能增加
C.從b到c的過程中，氣體的壓強減小
D.從b到c的過程中，氣體對外界做功
C
【解析】從a到b的過程中，氣體溫度不變，內能不變，體積減小，外界對氣體做功.ΔU=0，W>0，由熱力學第一定律ΔU=W+Q，得Q<0，氣體向外界放熱，A、B錯誤；從b到c的過程中，體積不變，氣體對外界不做功.從b到c的過程中，溫度降低，體積不變，由查理定律得，氣體的壓強減小，C正確，D錯誤.
綜合提升練
4.（2024年山東卷）一定質量理想氣體經歷如圖所示的循環過程，a→b過程是等壓過程，b→c過程中氣體與外界無熱量交換，c→a過程是等溫過程.下列說法正確的是 （　　）
A.a→b過程，氣體從外界吸收的熱量全部用于對外做功
B.b→c過程，氣體對外做功，內能增加
C.a→b→c過程，氣體從外界吸收的熱量全部用于對外做功
D.a→b過程，氣體從外界吸收的熱量等于c→a過程放出的熱量
C
【解析】 a→b過程是等壓過程且體積增大，則Wab<0，由蓋 呂薩克定律可知Tb>Ta，則ΔUab>0，根據熱力學第一定律ΔU=Q+W可知，氣體從外界吸收的熱量一部分用于對外做功，另一部分用于增加內能，A錯誤；b→c過程中氣體與外界無熱量交換，即Qbc=0，由于氣體體積增大，則Wbc<0，由熱力學第一定律ΔU=Q+W可知，ΔUbc<0，即氣體內能減少，B錯誤；c→a過程是等溫過程，即Tc=Ta，則ΔUac=0，根據熱力學第一定律可知a→b→c過程，氣體從外界吸收的熱量全部用于對外做功，C正確；由A項分析可知Qab=ΔUab-Wab，由B項分析可知Wbc=ΔUbc，由C項分析可知0=Wca+Qca，又ΔUab+ΔUbc=0，聯立解得Qab-（-Qca）=（-Wab-Wbc）-Wca，根據p-V圖像與坐標軸所圍圖形的面積表示外界與氣體之間做的功，結合題圖可知
a→b→c過程氣體對外界做的功大于c→a過程外界對氣體做的功，即-Wab-Wbc>Wca，則Qab-（-Qca）>0，即a→b過程氣體從外界吸收的熱量Qab大于c→a過程放出的熱量-Qca，D錯誤.
5.（2024年廣州六校聯考）可以用熱水浸泡將踩癟后的乒乓球恢復.如圖，已知乒乓球導熱性能良好，完好時內部氣壓為大氣壓強p0，踩癟后體積變為原體積80%，外界溫度恒為300 K，把乒乓球全部浸入熱水里，當熱水溫度為360 K時，乒乓球就剛好開始恢復形變，此后水溫保持不變.已知球內氣體內能始終只與溫度成正比，踩癟后球內氣體內能為E.
（1）求乒乓球被踩癟但沒有破裂時的內部壓強；
解：（1）設乒乓球原體積為V，踩癟后壓強為 p1，有p0V=p1·0.8V，
可得p1=1.25p0.
（2）乒乓球從放入熱水直到恢復原狀時總共吸熱為Q，則恢復原狀過程中球內氣體做功多少？

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