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第三章 热力学定律——高二物理人教版（2019）期末复习知识大盘点
第一部分：单元学习目标整合
本章概述
本章以两个基本的热力学定律为核心，从能量转化过程中能量的守恒和与热现象有关的宏观过程的方向性两个方面对热学问题作总结。
重点 ①知道焦耳的两个实验 ②知道做功和传热对改变系统内能是等效的 ③认识热力学第一定律，知道引起内能变化的两种方式 ④知道能量守恒定律，体会能量守恒定律是最基本、最普遍的自然规律 ⑤知道热力学第二定律及其对自然现象的解释
难点 ①热力学第一定律的应用 ②能量守恒定律的应用 ③热力学第二定律对自然现象的解释
第二部分：经典例题复盘
例1.如图所示，一定质量的理想气体密封在绝热（即与外界不发生热交换）容器中，容器内装有一可以活动的绝热活塞，今对活塞施以一竖直向下的压力F，使活塞缓慢向下移动一段距离后，气体的体积减小.若忽略活塞与容器壁间的摩擦力，则对被密封的气体，下列说法不正确的是( )
A.温度升高，压强增大，内能减少
B.温度降低，压强增大，内能减少
C.分子的平均动能增加，分子对器壁单位面积碰撞的冲力增大
D.分子的平均动能减小，分子对器壁单位面积碰撞的冲力增大
答案：ABD
解析：用压力F向下压活塞时，外界对气体做功，因为和外界没有热交换，可知气体的内能增加，气体的温度升高，气体分子的平均动能增加，分子对器壁单位面积碰撞的冲力增大；由理想气体状态方程可知，温度升高、气体体积减小，故气体的压强增大，C正确，不符合题意；A、B、D错误，符合题意.
例2.下列有关物体的内能、温度、热量、做功的说法中正确的是( )
A.只要两物体的质量、温度和体积相等，两物体内能一定相等
B.只要温度升高，每个分子的动能就都增加
C.热量是热传递过程中物体内能变化的量度
D.做功和热传递都能改变物体的内能，两过程的本质不同，但改变物体内能的效果相同
答案：CD
解析：物体的内能由物体中的分子数、温度和体积共同决定，两物体的质量相等，而分子数不一定相同，则两物体的内能不一定相等，A错误；温度升高，分子的平均动能增加，但不是每个分子的动能都增加，B错误；热量是热传递过程中物体内能变化的量度，C正确；做功和热传递都能改变物体的内能，做功是能量转化的过程，热传递是能量转移的过程，两过程的本质不同，但改变物体内能的效果相同，D正确.
例3.如图所示，用隔板将一绝热汽缸分成两部分，隔板左侧充有理想气体，隔板右侧与绝热活塞之间是真空.现将隔板抽开，气体会自发扩散至整个汽缸.待气体达到稳定后，缓慢推压活塞，将气体压回到原来的体积.假设整个系统不漏气.下列说法错误的是( )
A.气体自发扩散前后内能相同
B.气体在被压缩的过程中内能增大
C.气体在自发扩散过程中，气体对外界不做功
D.气体在被压缩的过程中，气体对外界做功
答案：D
解析：抽开隔板时，由于右方是真空，气体自由扩散，气体没有对外做功，又没有热传递，则根据可知，气体的内能不变，A、C正确，不符合题意；气体被压缩的过程中，外界对气体做功，又没有热传递，根据可知，气体内能增大，B正确，不符合题意，D错误，符合题意.故选D.
例4.下列对能量守恒定律认识正确的是( )
A.某种形式的能量减少，一定存在其他形式的能量增加
B.某个物体的能量减少，必然有其他物体的能量增加
C.不需要任何外界动力而持续对外做功的机器——永动机是可以制成的
D.石子从空中落下，最后静止在地面上，说明能量消失了
答案：AB
解析：根据能量守恒定律可知，能量不会凭空消失，只能从一种形式转化为另一种形式，或从一个物体转移到另一个物体，故某种形式的能量减少，必然有其他形式的能量增加，某个物体的能量减少，必然有其他物体的能量增加，A、B正确；第一类永动机违反了能量守恒定律，是不可能制成的，C错误；石子从空中落下，最后静止在地面上，石子的机械能转化为了内能，能量并没有消失，D错误.
例5.关于永动机，下列说法正确的是( )
A.随着科技的不断发展，永动机是可以制成的
B.第一类永动机违反了热力学第二定律
C.第二类永动机违反了热力学第二定律
D.永动机指的是在摩擦力趋于零的条件下一直运动的机器，它不需要对外做功
答案：C
解析：第一类永动机指不需要外界输入能量，能够不断向外输出能量的机器，它违反了能量守恒定律，是不可能制成的，B错误；第二类永动机指从单一热源吸收热量全部用来对外做功，不产生其他影响的机器，它违反了热力学第二定律，也是不可能制成的，C正确；无论是哪种永动机，要么违反能量守恒定律，要么违反热力学第二定律，因此都是不可能制成的，A错误；无论哪种永动机都需要对外做功，D错误.
例6.下列关于热力学第二定律微观意义的说法正确的是( )
A.从微观的角度看，热力学第二定律是一个统计规律
B.一切自然过程总是沿着分子热运动无序性减小的方向进行
C.有的自然过程向着分子热运动无序性增大的方向进行，有的自然过程沿着分子热运动无序性减小的方向进行
D.在自然过程中，一个孤立系统的总熵可能减小
答案：A
解析：从微观的角度看，热力学第二定律是一个统计规律，A正确；根据熵增加原理，一切自然过程总是向着分子热运动无序性增大的方向进行，B、C错误；根据热力学第二定律可知，在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵一定不会减小，D错误.
第三部分：重难知识概括
功、热和内能的改变
一、热和内能的改变
1.热传递
(1)概念：两个温度不同的物体互相接触时温度高的物体要降温，温度低的物体要升温，并将持续到系统间达到热平衡，即温度相等为止，这个过程称为热传递。
(2)热传递的实质
热传递实质上传递的是能量，结果是改变了系统的内能。传递能量的多少用热量来量度。
(3)热传递的条件：物体之间或是物体不同部分之间存在温度差。
(4)热传递的三种方式
热传递的三种方式：热传导、热对流、热辐射。
①热传导——热沿着物体传递的热传递方式，不同物质传导热的能力各不相同，容易传导热的物体称为热的良导体，所有金属都是热的良导体，不容易传导热的物体称为热的不良导体，如空气、橡胶、绒毛、棉纱、木头、水、油等。
（4）．传递的热量与内能改变的关系
(1)在单纯热传递中，系统从外界吸收多少热量，系统的内能就增加多少，即Q吸＝ΔU.
(2)在单纯热传递中，系统向外界放出多少热量，系统的内能就减少多少，即Q放＝－ΔU.
（5）.热传递具有方向性
热量自发地从高温物体传递到低温物体，或从物体的高温部分传递到低温部分，不会自发地从低温物体传递到高温物体或从物体的低温部分传递到高温部分．
2．内能
(1)物体的内能是指物体内所有分子的动能和势能之和，因此物体的内能是一个状态量．
(2)当物体温度变化时，分子平均动能变化；物体体积变化时，分子势能发生变化．因此物体的内能变化只由初、末状态决定，与中间过程及方式无关．
3．做功与内能变化的关系
(1)做功改变物体内能的过程是其他形式的能(如机械能)与内能相互转化的过程．
(2)在绝热过程中，外界对物体做多少功，就有多少其他形式的能转化为内能，物体的内能就增加多少．
4．功和内能的区别
(1)功是过程量，内能是状态量．
(2)在绝热过程中，做功一定能引起内能的变化．
(3)物体的内能大，并不意味着做功多．在绝热过程中，只有内能变化越大时，才对应着做功越多．
5．内能与温度
从宏观上看，温度表示的是物体的冷热程度；从微观上看，温度反映了分子热运动的激烈程度，是分子平均动能的标志．物体的温度升高，其内能一定增加，但向物体传递热量，物体的内能却不一定增加(可能同时对外做功)．
6．改变内能的两种方式的比较
比较 项目 做功 热传递
内能 变化 外界对物体做功，物体的内能增加；物体对外界做功，物体的内能减少 物体吸收热量，内能增加；物体放出热量，内能减少
物理 实质 其他形式的能与内能之间的转化 不同物体间或同一物体不同部分之间内能的转移
相互 联系 做一定量的功和传递相同量的热量在改变内能的效果上是相同的
(1)热对流——靠液体或气体的流动来传递热的方式，热对流是液体和气体所特有的热传递方式。
(2)热辐射——热从高温物体向周围以电磁波的形式沿直线射出去的方式，热辐射不依赖媒介质，可在真空中进行，与外界温差越大，表面颜色越深，物体向外的热辐射能力越强。
7.热与内能的改变:在单纯的传热过程中，外界向系统传递多少热量，系统的内能就增加多少;系统向外界传递多少热量,系统的内能就减少多少。
热力学第一定律
一、热力学第一定律
(1)内容：一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和。这个关系叫做热力学第一定律。
(2)数学表达式为：ΔU＝W＋Q
公式中符号的意义：
①W＞0，表示外界对系统做功；W＜0，表示系统对外界做功；
②Q＞0，表示系统吸热；Q＜0，表示系统放热；
③ΔU＞0，表示系统内能增加；ΔU＜0，表示系统内能减少。
特别提示：①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。
②若一根金属丝通过某一物理过程，温度升高了，除非事先知道，否则根本不能判断是通过对它做了功，还是发生了热传递使它的内能增加，因为单纯对系统做功和单纯对系统传热都能改变系统的内能，由于它们在改变系统内能方面是等效的，那么既对系统做功又对系统传热也能改变系统的内能。内能改变了多少就由热力学第一定律来定量分析计算。
二、热力学第一定律的应用
(1)与热力学第一定律相匹配的符号法则
应用热力学第一定律解题的一般步骤：
①根据符号法则写出各已知量(W、Q、ΔU)的正、负；
②根据方程ΔU＝W＋Q求出未知量；
③再根据未知量结果的正、负来确定吸热、放热情况或做功情况。
（2）应用热力学第一定律的几种特殊情况
等容过程：气体等容变化时，由于V＝恒量，所以外界对气体不做功。根据热力学第一定律有ΔU＝Q。在等容过程中，气体吸收的热量全部用于增加内能，温度升高；反之，气体放出的热量是以减小内能为代价的，温度降低。
等压过程：气体在等压过程中，有＝恒量。
根据热力学第一定律可知：气体等压膨胀时，从外界吸收的热量Q，一部分用来增加内能，温度升高，另一部分用于对外做功；气体等压压缩时，外界对气体做的功和气体温度降低所减少的内能都转化为向外放出的热量。
等温过程：气体在等温过程中，有pV＝恒量。理想气体的内能只与温度有关，所以理想气体在等温过程中内能不变，即ΔU＝0，因此有Q＝－W。
绝热过程：气体始终不与外界交换热量的过程称为绝热过程，即Q＝0。理想气体发生绝热变化时，p、V、T三量会同时发生变化，仍遵循＝恒量。根据热力学第一定律，Q＝0表明气体被绝热压缩时，外界所做的功全部用来增加气体内能，体积变小、温度升高、压强增大；气体绝热膨胀时，气体对外做功是以减小内能为代价的，体积变大、温度降低、压强减小。气体绝热膨胀降温是液化气体获得低温的重要方法。
能量守恒定律
一、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，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中其总量不变。这就是能量守恒定律。
(1)能量守恒定律适用于任何物理现象和物理过程。
①在自然界中，不同的能量形式与不同的运动形式相对应：如物体做机械运动具有机械能、分子运动物体具有内能等。
②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。
③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)能量守恒定律的重要意义
第一，能量守恒定律是整个自然界中运动、发展、变化的普遍规律，学习这个定律，不能满足于了解其内容，更重要的是，从能量形式的多样化及其相互联系、互相转化的事实出发，去认识物质世界的多样性及其普遍联系，并树立能量既不会凭空产生，也不会凭空消失的观点，作为以后学习和生产实践中处理一切实际问题的基本指导思想之一。
第二，宣告了第一类永动机的失败。
能量守恒定律
2．能量的存在形式及相互转化
(1)各种运动形式都有对应的能：机械运动有机械能，分子的热运动有内能，还有电磁能、化学能、核能等．
(2)各种形式的能，通过某种力做功可以相互转化．例如：利用电炉取暖或烧水，电能转化为内能；煤燃烧，化学能转化为内能；列车刹车后，轮子温度升高，机械能转化为内能．
3．能量守恒的两种表达
(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．
热力学第二定律
一、热力学第二定律
1．热力学第二定律的克劳修斯表述
(1)内容：热量不能自发地从低温物体传到高温物体。即传热的过程具有方向性。
(2)传热的方向性
①热量可以自发地由高温物体传给低温物体。
②热量不能自发地由低温物体传给高温物体。
③一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的。
说明：在表述中强调“自发”，就是不需要任何第三者介入，就能发生。
2．热力学第二定律的另一种表述
(1)热机
①热机是把内能转化为机械能的装置.其原理是热机从高温热源吸收热量Q1,推动活塞做功W,然后向低温热源释放热量Q2.
由能量守恒定律可得:Q1=W+Q2.
②热机工作的两个阶段：第一个阶段是燃烧燃料，把燃料中的化学能变成工作物质的内能。第二个阶段是工作物质对外做功，把自己的内能变成机械能。
(3)热机的效率：热机输出的机械功W与燃料产生的热量Q的比值。用公式表示：η＝。
(2)开尔文表达
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。(该表述阐述了机械能与内能转化的方向性)
注意：热力学第二定律的克劳修斯和开尔文表述是等价的。
3.能源是有限的
（1）．能量耗散：有序度较高(集中度较高)的能量转化为内能，流散到环境中无法重新收集起来加以利用的现象。
（2）．各种形式的能量向内能的转化，是无序程度较小的状态向无序程度较大的状态的转化，是能够自动发生、全额发生的。
（3）．能量耗散从能量转化的角度反映出自然界中的自发变化过程具有方向性。
（4）．能量耗散虽然不会导致能量总量的减少，却会导致能量品质的降低，它实际上是将能量从高度有用的高品质形式降级为不大可用的低品质形式。
说明：虽然能量总量不会减少，但能源会逐步减少，因此能源是有限的资源。
二、要点归纳
1．热力学两定律的比较
热力学第一定律 热力学第二定律
区别 是能量守恒定律在热力学中的表现，否定了创造能量和消灭能量的可能性，从而否定了第一类永动机 是关于在有限空间和时间内，一切和热现象有关的物理过程、化学过程具有不可逆性的经验总结，从而否定了第二类永动机
联系 两定律分别从不同角度揭示了与热现象有关的物理过程所遵循的规律，二者既相互独立，又相互补充，都是热力学的理论基础
2.两类永动机的比较
项目 第一类永动机 第二类永动机
设计要求 不消耗任何能量，可以不断做功(或只给予很少的能量启动后，可以永远运动下去) 将内能全部转化为机械能，而不引起其他变化(或只有一个 热库，实现内能向机械能的转化)
不可能制 成的原因 违背了能量守恒定律 违背了热力学第二定律
第四部分：掌握核心素养
①物理观念:了解热力学第一定律和热力学第二定律的内容，能理解能量守恒定律，知道自然界宏观过程的方向性;能用能量守恒与能量转化方向性的观点解释自然现象，说明保护环境、珍惜自然的重要性。具有与能量守恒定律相关的比较清晰的能量观念。
②科学思维:知道物理学研究中模型建构的意义，尝试将实际问题中的对象转化为物理模型;能对综合性物理问题进行分析和推理;能用证据说明第一类和第二类永动机是不可能实现的;能有依据地质疑，提出有创意的建议。
③科学探究:能通过调研对本地区能源利用状况提出问题;能通过调研，收集与本地资源开发相关的信息;能处理信息，形成相关结论。
④科学态度与责任:能通过了解热力学定律和能量守恒定律的发现过程，体会科学探索中的挫折和失败对科学发现的意义，知道科学发现需要科学家共同努力;能克服困难、努力学习;能依据道德规范评价物理技术的应用，具有保护环境、节约资源、促进可持续发展的责任感

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