人教版高中物理总复习[知识点整理及重点题型梳理] 热力学定律及能量守恒(提高)

第三章热力学定律1．功、热和内能的改变................................................................................................ - 1 -2. 热力学第一定律......................................................................................................... - 6 -3. 能量守恒定律............................................................................................................. - 6 -4. 热力学第二定律....................................................................................................... - 12 -章末复习提高................................................................................................................ - 17 -1．功、热和内能的改变一、功和内能1．焦耳的实验(1)绝热过程：系统只由于外界对它做功而与外界交换能量，它不从外界吸热，也不向外界放热。

(2)代表性实验①重物下落带动叶片搅拌容器中的水，引起水温上升；②通过电流的热效应给水加热。

(3)实验结论：要使系统状态通过绝热过程发生变化，做功的数量只由过程始末两个状态决定，而与做功的方式无关。

2．功和内能(1)内能：任何一个热力学系统都必定存在一个只依赖于系统自身状态的物理量，这个物理量在两个状态间的差别与外界在绝热过程中对系统所做的功相联系。

（人教版高中物理总复习知识点梳理重点题型（常考知识点）巩固练习物理总复习：热力学定律及能量守恒【考纲要求】1、理解热力学第一定律、第二定律；2、运用能量守恒定律解决问题。

【考点梳理】考点一、改变内能的两种方式1、热传递①条件：存在温度差，最终结果是使两物体温度一样。

②方式：热传导、热对流、热辐射。

③规律：热量从高温物体传向低温物体。

④和内能变化的关系：系统在单纯的传热过程中，内能的增量∆U等于外界向系统传递的热量Q，即∆U=Q。

2、做功做功改变物体内能的过程是将其他形式的能（如机械能）与内能相互转化的过程，做功使物体内能发生变化时，内能改变了多少用做功的数值来度量。

要点诠释：1）要使物体改变同样的内能，通过做功或者热传递都可以实现，若不知道过程，我们无法分辨出是做功还是热传递实现的这种改变。

（2）做功是宏观的机械运动向物体的微观分子热运动的转化。

热传递则是通过分子之间的相互作用，使不同物体间分子热运动变化，是内能的转移。

前者能的性质发生了变化，后者能的性质不变。

（3）物体的内能增加与否，不能单纯地只看做功或热传递，两个过程需要全面考虑。

考点二、热力学第一定律1、内容物体内能的增量∆U等于外界对物体做的功W和物体吸收的热量Q的总和。

2、公式W+Q=∆U要点诠释：（1）在应用热力学第一定律时，应特别分清W、Q的正负号，以便准确地判断∆U的正、负。

热力学第一定律的符号法则：①功W＞0，表示外界对系统做功；W＜0，表示系统对外界做功。

②热量Q＞0，表示物体吸热；Q＜0，表示物体放热。

③内能∆U＞0，表示内能增加；∆U＜0，表示内能减少。

（2）容易出错的几种特殊情况①若是绝热过程，则Q=0、W=∆U，即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=∆U，物体吸收的热量等于物体内能的增加；③若过程的始末状态物体的内能不变，即∆U=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。

第3讲热力学定律与能量守恒定律一、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：一个热力学系统的内能变化量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和。

(2)表达式：ΔU＝Q＋W。

(3)ΔU＝Q＋W中正、负号法则：物理量W Q ΔU意义符号＋外界对物体做功物体吸收热量内能增加－物体对外界做功物体放出热量内能减少【自测1一定质量的理想气体在某一过程中，外界对气体做功7.0×104 J，气体内能减少1.3×105 J，则此过程()A．气体从外界吸收热量2.0×105 JB．气体向外界放出热量2.0×105 JC．气体从外界吸收热量6.0×104 JD．气体向外界放出热量6.0×104 J答案 B二、能量守恒定律1．内容能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，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别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变。

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：热量不能自发地从低温物体传到高温物体。

(2)开尔文表述：不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响。

2．能量耗散：分散在环境中的内能不管数量多么巨大，它只不过能使地球大气稍稍变暖一点，却再也不能自动聚集起来驱动机器做功了。

3．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。

【自测2(多选)下列现象中能够发生的是()A．一杯热茶在打开杯盖后，茶会自动变得更热B．蒸汽机把蒸汽的内能全部转化成机械能C．桶中混浊的泥水在静置一段时间后，泥沙下沉，上面的水变清，泥、水自动分离D．电冰箱通电后把箱内低温物体的热量传到箱外高温物体答案CD命题点一热力学第一定律的理解和应用1．热力学第一定律不仅反映了做功和热传递这两种方式改变内能的过程是等效的，而且给出了内能的变化量和做功与热传递之间的定量关系。

3 热力学第一定律能量守恒定律庖丁巧解牛知识·巧学一、热力学第一定律1.热力学第一定律的研究对象研究功、热量跟内能的变化之间的定量关系.2.热力学第一定律的表达式我们知道，做功和热传递都可以改变物体的内能.在一般情况下，如果物体跟外界同时发生做功和热传递的过程，那么，外界对物体所做的功W加上物体从外界吸收的热量Q等于物体内能的增加ΔU=Q+W.上式所表示的功、热量跟内能改变之间的关系，叫做热力学第一定律.深化升华热力学第一定律的数学表达式也适用于物体对外做功、向外界散热和内能减少的情况.3.对公式ΔU=Q+W符号的规定外界对系统做功，W＞0，即W为正值；系统对外界做功，也就是外界对系统做负功，W＜0，即W为负值；外界对系统传递热量，也就是系统从外界吸收热量，Q＞0，即Q为正值；外界对系统吸收热量，也就是系统向外界放出热量，Q＜0，即Q为负值；系统内能增加，ΔU＞0，即ΔU为正值；系统内能减少，ΔU＜0，即ΔU为负值.联想发散（1）物体与外界没有热交换时（绝热过程）：外界对物体做多少功，它的内能就增加多少，反之物体对外界做功多少，它的内能就减少多少.ΔU=W，其中ΔU表示内能的增量，内能增加，ΔU取正，内能减少，ΔU取负；W表示功，外界对物体做功，W取正，物体对外界做功，W取负，做功的过程，物体的体积必发生变化. （2）物体与外界间没有做功时，物体从外界吸收多少热量，它的内能就增加多少；物体向外界放出多少热量，它的内能就减少多少，ΔU=Q，其中Q表示热量，物体从外界吸热，Q 取正，物体向外界放热，Q取负.二、能量守恒定律1.不同形式的能量之间可以相互转化（1）自然界中能量的存在形式：物体运动具有机械能、分子运动具有内能、电荷在电场中具有电势能、原子核内部的运动具有原子能等等，可见，在自然界中，不同的能量形式与不同的运动形式相对应.（2）不同形式能量之间的转化：“摩擦生热”是通过克服摩擦做功将机械能转化为内能；水壶中的水沸腾时，水蒸气对壶盖做功将壶盖顶起，表明内能转化为机械能；电流通过电热丝做功可将电能转化为内能等等.这些实例说明了不同形式的能量之间可以相互转化，且这一转化过程是通过做功来完成的.深化升华（1）某种形式的能减少，一定有其他形式的能增加，且减少量和增加量一定相等；（2）某个物体的能量减少，一定存在其他物体的能量增加，且减少量和增加量一定相等.2.能的转化和守恒定律（1）人类通过对大量的实践经验进行总结得知，要获得一种能量，一定需要利用另一种能量通过做功的方式进行转化，能量不能被创生，即不可能设计、创造出一种不消耗任何能量而能源源不断地对外做功的永动机.（2）能的转化和守恒定律：能量既不能凭空产生，也不能凭空消失，它只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体，这就是能的转化和守恒定律.辨析比较热力学第一定律是包括内能和机械能在内的能量守恒定律，公式ΔU=Q+W本身很简单，关键是要正确使用规定的符号，对于实际问题，应从能量守恒的角度去理解问题中各个量之间的关系，特别是对于气体做功问题一定要清楚，若压缩气体，则外界对气体做功；若气体膨胀，则气体对外界做功，对于吸、放热问题应是比较直观的.3.能量守恒定律的重要意义能的转化和守恒是分析解决问题的一个极为重要的方法，它比机械能守恒定律更普遍，例如物体在空中下落受到阻力时，物体的机械能不守恒，但包括内能在内的总能量总是守恒的.能的转化和守恒定律是19世纪自然科学中三大发现之一，也庄严宣告了永动机幻想的彻底破灭.能量的守恒定律是认识自然、改造自然的有力武器，这个定律将广泛的自然科学技术领域联系起来，使不同领域的科学工作者具有了一系列的共同语言.三、永动机不可能制成1.第一类永动机概念：不消耗能量的机器.结果：无一例外地归于失败.原因：违背能量守恒原理.2.永动机给我们的启示人类利用和改造自然时，必须遵循自然规律.典题·热题知识点一热力学第一定律例1 某物体温度升高了，这说明（）A.该物体一定吸收了热量B.该物体可能放出了热量C.外界对物体可能做了功D.物体可能吸收了热量解析：由ΔU=Q+W来分析，物体温度升高了，一定有物体的内能增加，ΔU＞0，要满足ΔU ＞0可能有各种情况：①W＞0，Q=0；②W=0,Q＞0；③W＞0，Q＞0；④W＞0，Q＜0，W＞|Q|；⑤W＜0，Q＞0,Q＞|W|.由①否定选A；④与选项B一致；①③④与选项C一致；②③⑤与选项D一致，故选项B、C、D正确.答案：BCD方法归纳应用热力学第一定律解题，先要明确研究对象，其次要根据符号的法则判断符号的正负.例2 气体膨胀对外做功100 J，同时从外界吸收了120 J的热量，它的内能的变化可能是（）A.减小20 JB.增大20 JC.减小220 JD.增大220 J解析：研究对象为气体.依符号规则，对外做功W=-100 J，吸收热量Q=+120 J，由热力学第一定律有ΔU=W+Q=-100 J+120 J=20 J.ΔU＞0，说明气体的内能增加，故选项B正确.方法归纳（1）要明确研究的对象是哪个物体或者说是哪个热力学系统；（2）应用热力学第一定律计算时，要依照符号规则代入数据，对结果的正、负，也同样依照符号规则来解释其意义.例3 一定量的气体从外界吸收热量2.66×105 J，内能增加4.25×105 J，是气体对外界做功还是外界对气体做功？做了多少功？解析：题目中已经知道气体从外界吸收的热量以及内能的增加量，根据热力学第一定律的公式就可以求出外界对气体（或气体对外界）所做的功，在计算时，要特别注意符号法则.根据规定，吸热时Q取正号，内能增加时ΔU取正号，由ΔU=Q+W，得W=ΔU-Q=4.25×105 J-2.66×105J=1.59×105 JW为正值，表示是外界对气体做功，做功的大小是1.59×105 J.巧妙变式该题可接着问气体的密度会怎样变化（变小）.如果该气体为理想气体，其温度会怎样变化.知识点二能量守恒定律例4 行驶中的汽车制动后滑行一段距离，最后停下；流星在夜空中坠落并发出明亮的光焰；降落伞在空中匀速下降；条形磁铁在下落过程中穿过闭合线圈，线圈中产生电流.上述不同现象中所包含的相同的物理过程是（）A.物体克服阻力做功B.物体的动能转化为其他形式的能量C.物体的势能转化为其他形式的能量D.物体的机械能转化为其他形式的能量解析：这四个现象中物体运动过程都受到阻力作用，汽车主要是制动阻力，流星、降落伞是空气阻力，条形磁铁下落受磁场阻力，因而物体都克服阻力做功，A项对.四个物体运动过程中，汽车是动能转化成了其他形式的能，流星、降落伞、条形磁铁是重力势能转化成其他形式的能，总之是机械能转化成了其他形式的能，D项对.答案：AD方法归纳本题立意新颖，以生活学习中常见的现象为背景，考查分析、归纳、总结能力，而涉及的物理原理并不难，重要考查能力，这正是高考命题的趋向.例5 水能不产生污染物，是一种清洁能源，位于美国和加拿大交界处的尼亚加拉瀑布流量可达每秒6 000 m3，而且是一年四季流量稳定，瀑布落差50 m，若利用这一资源发电，设其效率为50%，估算发电机的输出功率.（g取10 m/s2）解析：水力发电的基本原理是水的机械能转化为电能.每秒钟流下的水的质量为：M=ρV=1×103×6 000 kg=6×106 kg每秒钟水减少的机械能为：E=mgh=6×106×10×50 J=3×109 J设发电机的输出功率为P，则由能量守恒定律可得：Eη=P解得：P=3×109×50% W=1.5×109 W.知识点三有关热力学第一定律和能量守恒定律的综合应用例6 如图10-3-2所示的容器中，A、B各有一个可自由移动的轻活塞，活塞下面是水，上面是空气，大气压恒定，A、B底部由带有阀门K的管道相连，整个装置与外界绝热，原先A 中水面比B中高，打开阀门，使A中的水逐渐向B中流，最后达到平衡.在这个过程中，下面说法正确的是（）图10-3-2A.大气压力对水做功，水的内能不变B.水克服大气压力做功，水的内能减少C.大气压力对水不做功，水的内能不变D.大气压力对水不做功，水的内能增加解析：首先考虑大气压力对水是否做功，打开阀门K后，根据连通器原理，最后A、B两管中的水面将相平，即A中的水面下降，B中的水面上升，设A管的横截面积为S1，水面下降的距离为h1，B管的横截面积为S2，水面上升的距离为h2，由于水的总体积保持不变，所以A管中下降的水的体积等于B管中上升的水的体积，即S1h1=S2h2.A管中的水受到向下的大气压力，与水面下降的方向相同，所以大气压力对水做正功，设大气压强为p0，对水做的功为W1，有W1=F1h1=p0S1h1B管中的水也受到向下的大气压力，与水面上升的方向相反，所以大气压力对水做负功，用W2表示大气压力做的功，有W2=-F2h2=-p0S2h2大气压力对水做的总功为：W=W1+W2=p0S2h1-p0S2h2因为S1h1=S2h2，所以W=0，即大气压力对水不做功.再来考虑水的内能是否改变的问题，打开阀门K后，A中的水逐渐向B中流，即A中的水的重力做正功，B中的水的重力做负功，但从最后的效果看，是A管中高度为h1的水移至B管中的高度为h2的地方，如图10-3-3所示，即水从高处流向低处，所以在这个过程中水的重力做正功，同时，整个装置是绝热的，与外界没有热量交换.由能量的转化和守恒定律可知，一种形式的能的减少，必定产生等量的其他形式的能量，即水减少的机械能完全转化为水的内能.图10-3-3答案：D误区警示往往犯这样的错误：认为物体的内能与宏观的动能、势能无关，其实内能与机械能之间可以发生相互转化，如重力势能与内能之间的转化，而摩擦生热则是动能与内能之间的转化，符合能量守恒定律.例7 如图10-3-4所示，A、B是两个完全相同的铁球，A放在绝热板上，B用绝热绳悬挂，现只让它们吸收热量，当它们升高相同的温度时，它们所吸收热量分别为Q A、Q B，则（）A.Q A=Q BB.Q A＜Q BC.Q A＞Q BD.无法确定Q A、Q B的大小解析：当A、B两球升高相同的温度时，根据热胀冷缩原理可知，A、B球重心发生变化，A 球重心升高的高度等于B球重心降低的高度，且在此过程中A球克服重力做功，B球受到重力对其做正功，且由题意分析在吸热过程中，它们升高相同的温度，内能增量ΔU相同，由热力学第一定律ΔU=Q+W知，Q A=ΔU-W A，Q B=ΔU-W B，由于W A＜0，W B＞0，所以Q A＞Q B.答案：C方法归纳做功和热传递在改变物体内能上是等效的，当两者同时在一个系统中进行时，我们要会借助于热力学第一定律灵活分析处理问题.问题·探究材料信息探究材料：一位同学设计了一个自动工作的机器方案：把一根毛细管直立在水里，然后水能从低处上升到高处.把毛细管弯曲，在管口下方安装一个叶轮，利用从毛细管中滴出的水冲击叶轮，使叶轮不停地转动（图10-3-5）.图10-3-5问题试评价论证这个设计方案.探究过程：对机械设计方案的可行性评价与论证，可以从是否符合物理原理出发.这个方案从表面上看似乎可行，实际上违背了能的转化和守恒定律，是不可能实现的.因为这个方案如果能实现，就构成了可以不消耗能量而永远运动的机械（永动机）.大量的科学事实已证明，永动机是不可能制成的.从力学原理作进一步的论证：液体在毛细管内的上升高度，由表面张力的拉引作用与液柱重力相平衡的条件决定.在低于液柱上升高度h处把毛细管弯曲，根据液体能传递压强的特性，表面张力的合力仍会对液柱产生向上的拉力，由于这个拉力大于管内竖直部分（h′）水柱的重力，因此水能越过弯管顶流到管口，如图10-3-6甲所示.为了考查水能否从管口流出，可取管口处一平截面PP′（如图10-3-6甲）.在截面PP′上方，两边水柱的压强相平衡，而在PP′截面下方高h″的水柱产生的压强，则需由管口处水的表面张力合力的压强来平衡.因此，水流到管口处必然形成向上凹进去的弯月面（如图10-3-6乙）.所以，在毛细管中的水，虽然能越过弯曲的管顶，但不会从管口流出.探究结论：从能量守恒定律作出的判决与从力学原理的分析是一致的，所以，这位同学的设计方案不可行.。