第三章 3-4. 能量守恒定律 热力学第二定律-【精讲精练】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册同步学习方案（人教版2019）

©物理·选择性必修第三册（配RJ版） 4.(多选)(2022·全国乙卷)一T1 的高度为h。当容器内气体从外界吸收一 定量的理想气体从状态a经 定热量后，活塞缓慢上升卡h再次平衡。 状态b变化到状态c,其过程 如TV图上的两条线段所 已知容器内气体内能变化量△U与温度变 示，则气体在 化量△T的关系式为△U=C△T,C为已知 A.状态a处的压强大于状态c处的压强 常量，大气压强恒为p。,重力加速度大小 B.由a变化到b的过程中，气体对外做功 为g,所有温度为热力学温度。求： C.由b变化到c的过程中，气体的压强 (1)再次平衡时容器内气体的温度； (2)此过程中容器内气体吸收的热量。 不变 D.由a变化到b的过程中，气体从外界 吸热 E.由a变化到b的过程中，从外界吸收的 热量等于其增加的内能 5.(2024·湖北卷)如图所 示，在竖直放置、开口向上 的圆柱形容器内用质量为 m的活塞密封一部分理想 7 气体，活塞横截面积为S,能无摩擦地滑 温馨 动。初始时容器内气体的温度为T。,气柱 请完成[知能达标训练】作业（十） 3 能量守恒定律 4 热力学第二定律 [学业要求] 1.了解能量守恒定律，会用能量守恒的观点分析、解决有关问题。 2.知道第一类永动机是不可能制成的。 3.知道传热的方向性及任何热现象的宏观过程都是不可逆的」 4.了解热力学第二定律，运用热力学第二定律解决一些实际问题。 5.认识能源和环境与人类生存的关系。 预习案必备知识·问题导学 /通教材·理知识·素养初成 一、能量守恒定律 2.意义 1.内容 (1)各种形式的能可以 (2)各种物理现象可以用 能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它 联系在一起。 只能从一种形式 为其他形式，或 二、永动机不可能制成 者从一个物体 到别的物体，在转化 永动机的思想违背了能量守恒，所以是不 或转移的过程中能量的总量 可能制成的。 66 第三章热力学定律© 三、热力学第二定律 五、能源是有限的 1.热传导的方向性 能源的使用过程中虽然能的总量保持守恒， 一切与热现象有关的宏观自然过程都是 但能的品质下降了，虽然能量总量不会减少， 但有些能量变成了不可再用的能量。能源会 2.热力学第二定律的克劳修斯表述 逐步减少，因此能源是有限的资源。 德国物理学家克劳修斯在1850年提出： [自我诊断] 热量不能自发地从 物体传到 1.(多选)下列说法正确的是 物体。热力学第二定律的克劳 A.一切与热现象有关的宏观自然过程都是不 修斯表述，阐述的是传热的 可逆的 四、热力学第二定律的开尔文表述 B.热量不会从低温物体传给高温物体 1.开尔文表述 不可能从单一热库吸收热量，使之 C.机械能可以完全转化为内能 ,而不产生其他影响。（该表述阐述 D.内能不可能完全转化为机械能 了机械能与内能转化的方向性) 2.热量总是自发地从高温物体传递给低温物 2.意义：开尔文表述阐述了机械能与内能转 体，这说明热传递过程具有 。冰 化的方向性。机械能可以全部转化为内 箱工作时，能把冰箱内的热量传递到冰箱 能，而内能无法全部用来做功以转化成机 外，这 (选填“违反”或“不违反”) 械能。 热力学第二定律。 探究案关键能力·互动探究 /析考点·悟规律·素养提开 探究点一 能量守恒定律的理解和应用 1.能量的存在形式及相互转化 定律是没有条件的，它是一切自然现象 (1)各种运动形式都有对应的能：机械运动 都遵守的基本规律。 有机械能，分子的热运动有内能，还有电磁 3.第一类永动机失败的原因分析 能、化学能、原子能等。 如果没有外界热源供给热量，则有U2一 (2)各种形式的能，通过某种力做功可以相 U=W,就是说，如果系统内能减少，即 互转化。例如，利用电炉取暖或烧水，电能 U2<U1,则W<0,系统对外做功是要以内 转化为内能；煤燃烧，化学能转化为内能； 能减少为代价的。若想源源不断地做功， 列车刹车后，轮子温度升高，机械能转化为 就必须使系统不断回到初始状态，这在无 内能。 外界能量供给的情况下是不可能的。 2.与某种运动形式对应的能是否守恒是有条 件的 例1质量为1000kg的气锤从2.5m 例如，物体的机械能守恒，必须是只有 高处落下，打在质量为200kg的铁块 重力或系统内的弹力做功；而能量守恒 上，设气锤撞击铁块时做的功有60% 67 ©物理·选择性必修第三册（配RJ版） 用来升高铁块的温度，那么要使铁块的 ©核心素养·思维升华 温度升高40℃以上，气锤至少应落下 利用能量守恒定律解决问题时，首先应明确 多少次？[g取10m/s2,铁的比热容 题目中涉及哪几种形式的能量，其次分析哪种能 c=0.11cal/(g·℃)] 量增加了，哪种能量减少了，确定研究的系统后， [思路点拨]本题是一道力热综合题。气 用能量守恒观点求解。 锤对铁块做的功，等于气锤的动能减少量， 。针对训练 且有60%转化为铁块的内能，用来升高温 1.如图所示，上端开口、粗细均匀的U形管的 度。由能的转化和守恒定律，先求气锤下 底部中间有一阀门，开始阀门关闭，两管中的 落一次对铁块做功使铁块温度升高的值， 水面高度差为五，现将阀门打开，最终两管水 再由使铁块升高40℃气锤所做的总功，就 面相平，则这一过程中 可求出气锤的下落次数。 A.大气压做正功，重力做负功，水的内能 不变 B.大气压不做功，重力做正功，水的内能 增大 C.大气压不做功，重力做负功，水的内能 增大 D.大气压做负功，重力做正功，水的内能 不变 探究点二对热力学第二定律的两种理解 1.自然过程的方向性 (3)机械能和内能的转化过程具有方向性 (1)热传导具有方向性 物体在水平面上运动，因摩擦而逐渐停止 两个温度不同的物体相互接触时，热量会 下来，但绝不可能出现物体吸收原来传递 自发地从高温物体传给低温物体，而低温 出去的热量后，在地面上重新运动起来。 物体不可能自发地将热量传给高温物体， (4)气体向真空膨胀具有方向性 要实现低温物体向高温物体传递热量，必 气体可自发地向真空容器内膨胀，但绝不 须借助外界的帮助，因而产生其他影响或 可能出现气体自发地从容器中流出，使容 引起其他变化。 器内变为真空。 (2)气体的扩散现象具有方向性 2.在热力学第二定律的表述中，“自发地”“不 两种不同的气体可以自发地进人对方， 产生其他影响”“单一热库”“不可能”的 最后成为均匀的混合气体，但这种均匀 涵义 的混合气体，绝不会自发地分开，成为 (1)“自发地”是指热量从高温物体“自发 两种不同的气体。 地”传给低温物体的方向性。在传递过程 68 第三章热力学定律© 中不会对其他物体产生影响或借助其他物 C.机械能可以全部转化为内能，但变化的 体提供能量等。 内能不可以全部转化为机械能 (2)“不产生其他影响”的含义是发生的热 D.机械能可以全部转化为内能，变化的内 力学宏观过程只在本系统内完成，对周围 能也可以全部转化为机械能 环境不产生热力学方向的影响，如吸热、放 ©核心素养·思维升华 热、做功等。 (3)“单一热库”：指温度均匀并且恒定不变 (1)一切物理过程均遵守能量守恒定律，但遵守 的系统。若一系统各部分温度不相同或者 能量守恒定律的物理过程不一定均能实现。 (2)热力学第二定律的两种表述分别对应着一种 温度不稳定，则构成机器的工作物质可以 “不可能”，但都有一个前提条件“自发地”或“不 在不同温度的两部分之间工作，从而可以 产生其他影响”，如果去掉这种前提条件，就都是 对外做功。 有可能的，例如电冰箱的作用就是使热量从低温 (4)“不可能”：实际上热机或制冷机系统循 物体传到高温物体，等温膨胀就是从单一热库吸 环终了时，除了从单一热库吸收热量对外 收热量，使之完全用来做功。但不是自发地或是 做功，以及热量从低温热库传到高温热库 产生了其他影响。 以外，过程所产生的其他一切影响，用任何 办法都不可能加以消除。 。针对训练 【特别提醒】 2.(多选)根据热力学第二定律，下列判断正 (1)热力学第二定律的两种表述是等 确的有 ( 效的。 A.热机中燃气的内能不可能全部变成机 (2)热力学第二定律的实质：热力学第二定 械能 律的每一种表述，都揭示了大量分子参与宏观 B.电流的能不可能全部变成内能 过程的方向性，使人们认识到自然界中进行的 C.在火力发电机中，燃气的内能不可能全 涉及热现象的宏观过程都具有方向性。 部变成电能 例2（多选）电冰箱能够不断地把热量从 D.在热传导中，热量不可能自发地从低温 温度较低的冰箱内部传给温度较高的外界 物体传递给高温物体 空气，这说明了 3.关于热力学第一定律和热力学第二定律， A.热量能自发地从低温物体传到高温 下列论述中正确的是 物体 A.热力学第一定律指出内能可以与其他 B.在一定条件下，热量可以从低温物体传 形式的能相互转化，而热力学第二定律 到高温物体 则指出内能不可能完全转化为其他形 C.热量的传递过程不具有方向性 式的能，故这两条定律是相互矛盾的 D.在自发的条件下热量的传递过程具有 B.内能可以全部转化为其他形式的能，只 方向性 是会产生其他影响，故两条定律并不 例3（多选）根据热力学第二定律分析， 矛盾 下列说法中正确的是 ( ) C.两条定律都是有关能量的转化规律，它 A.热量能够从高温物体传到低温物体，但 们不但不矛盾，而且没有本质区别 不能从低温物体传到高温物体 D.能量守恒定律包含了热力学第一定律 B.热量能够从高温物体传到低温物体，也 和热力学第二定律 可以从低温物体传到高温物体 69 O物理·选择性必修第三册（配RJ版） 探究点三 能源是有限的 1.能源的分类 C.能源的开发和利用，必须要同时考虑其 能源分类方法 按形成或转换特点 对环境的影响 能源分类 一次能源 二次能源 D.通过核聚变和平利用核能是目前开发 由一次能源经 新能源的一种新途径 自然形成，未经 特点 过加工转换 加工 ©核心素养·思维升华 而成 能量与能源的区别 太阳能、风能、 焦炭、木炭、蒸 (1)能量是守恒的，既不会增加也不会减少； 举例 地热能、核能、 汽、液化气、酒 (2)能源是能够提供可利用能量的物质； 潮汐能 精、汽油、电能 (3)能量耗散，能量总量不变，但能量品质会下降 2.能源开发和利用 即能源减少，故我们要节约能源。 加强开发新能源，特别是清洁能源的开发 和利用，控制化石能源开采，提高能源的利 。针对训练 用率，降低对环境的污染。 4.（多选)下列对能量耗散理解正确的是 例4关于能源的开发和节约，你认为下 列哪些观点是错误的 ( ) A.能量耗散说明能量在不断减少 A.常规能源是有限的，无节制地利用常规 B.能量耗散遵守能量守恒定律 能源，如石油之类，是一种盲目的短期 C.能量耗散说明能量不能凭空产生，但可以 行为 凭空消失 B.根据能量守恒定律，担心能源枯竭是一 D.能量耗散从能量角度反映出自然界的 种杞人忧天的表现 宏观过程具有方向性 提升案随堂演练·基础落实 /夯基础·提技能·素养达成 1.汽车关闭发动机后恰能沿斜坡匀速运动， 在这一过程中 A.汽车的机械能守恒 B.汽车的动能和势能相互转化 777777777777777777777777777777777777777777777777777 C.机械能逐渐转化为内能，总能量逐渐 减少 A.气体做等温膨胀，气体分子单位时间对 D.机械能逐渐转化为内能，总能量不变 汽缸壁单位面积碰撞的次数将变少 2.如图所示，固定在地面上的水平汽缸内由 B.气体做等温膨胀，分子的平均动能不 活塞封闭着一定量的气体，气体分子之间 变，气体的压强不变 的相互作用力可以忽略。假设汽缸壁的导热 C.气体从外界吸收热量，内能变大 性能很好，环境的温度保持不变，若用外力F 将活塞缓慢地水平向右拉动，则在拉动活塞 D.气体是从单一热源吸收，全部用来对外 的过程中，下列说法正确的是 做功，此过程违反热力学第二定律 70 第三章热力学定律© 3.如图所示，绝热的汽缸被一个绝热的活塞 A.气体在向真空膨胀的过程中对外做功， 分成左、右两部分，活塞质量不计，活塞用 气体内能减少 销钉锁住，活塞与汽缸之间没有摩擦，汽缸 B.气体在向真空膨胀的过程中，分子平均 左边装有一定质量的理想气体，右边为真 动能变小 空，现在拔去销钉，抽去活塞，让气体向右 C.气体在向真空膨胀的过程中，气体内能 边的真空做绝热自由膨胀，下列说法正确 增加 的是 ( D.若无外界的干预，气体分子不可能自发 地退回到左边，使右边重新成为真空 气体 真空 温馨 提示 请完成[知能达标训练]作业（十一） 章末整合提升 体系构建 功和内能：在绝热情况下， 是内能变化的量度 内能 热量和内能：只发生热传递时，热量是 变化的量度 做功和热传递在改变内能上是 的 热 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 表达式：△U 热力学第一定律 能量守恒定律 律 永动机不能制成的原因：违背 克劳修斯表述： 热力学第二定律 开尔文表述： 能源是有限的 分项提升 说明：(1)温度、内能、热量和功是热学中相 互关联的四个物理量。当物体的内能改变 一、对温度、内能、热量、功的理解[科学思维] 时，温度不一定改变，只有当通过热传递改 概念 温度 内能（热能） 热量 多 变物体内能时才会有热量传递，能量的形 表示物体的冷 式没有发生变化。 物体内所有 热程度，是物 分子动能和 做功过 是热传递过 (2)热量是热传递过程中的特征物理量，离 体分子平均动 势能的总 程是机 程中内能的 开过程谈热量毫无意义。就某一状态而 能大小的标 和，它是由 改变量，热 械能或 志，它是大量 其他形 言，只有“内能”，根本不存在“热量”和 含义 大量分子的 量用来度量 分子热运动的 “功”，因此不能说一个系统中含有多少“热 热运动和分 热传递过程 式能和 整体表现，对 子的相对位中内能转移 内能之 量”或多少“功”。 个别分子来 间的转 置所决定的多少 说，温度没有 化过程 例①下列关于温度、内能、热量和做功的 的能 意义 说法正确的是 () 温度和内能是状态量，热量和功则是过程量，热 A.同一物体温度越高，内能越大 关系 传递的前提条件是存在温差，传递的是热量而不 B.要使物体的内能增加，一定要吸收 是温度，实质上是内能的转移 热量 71Le 对外做功，故B正确：理想气体由a变化到b的过程中， [例3][解析]根据传热的规律可知，热量可以自发地 温度升高，则内能增大，由热力学第一定律有△U一Q十 从高温物体传到低温物体，但不能自发地（不需要外界 W,而△U>0,W<0,则有△U=Q-|W|,可得Q>0, 帮助)从低温物体传到高温物体。但是如果借助外界的 Q>△U,即气体从外界吸热，且从外界吸收的热量大于 帮助，热量可以从低温物体传到高温物体，故A错误， 其增加的内能，故D正确，E错误：故选ABD。 B正确：机械能可以全部转化为内能（如一个运动物体 5.解析(1)设容器内气体初、末状态体积分别为V。、V 克服摩擦力做功且最终停止运动时，机械能全部转化为 末状态温度为T,由盖-吕萨克定律得-V 内能)，在一定条件下，变化的内能也可以全部转化为机 T。-T 械能，如理想气体在等温膨胀过程中，将吸收来的热量 其中V。=Sh.V=s(h+名) 全部用来做功，故C错误，D正确。 [答案]BD 联立解得T-号T。 针对训练 2.ACD几是与热现象有关的宏观热现象都具有方向性。 (2)设此过程中容器内气体吸收的热量为Q,外界对气 无论采用任何设备和手段进行能量转化，总是遵循“机 体做的功为W,由热力学第一定律得 械能可全部转化为内能，而内能不能全部转化为机械 △U=Q+W 能”，故A正确：由电流热效应中的焦耳定律可知，电流 其中△U=C(T-T。) 的能可以全部转化为内能，故B错误：火力发电机发电 W=-(mg+pS)号b 时，能量转化的过程为内能→机械能→电能，因为内 能·机械能的转化过程中会对外放出热量，故燃气的内 联立解得Q=号(CT,十mgh+p,Sh)。 能必然不能全部变为电能，C正确：热量从低温物体传 递到高温物体不能自发进行，必须借助外界的帮助，会 答案)号T(2)号(CT,+mgh+p,SM 带来其他影响，这正是热力学第二定律第一种表迷的主 3能量守恒定律 要思想，故D正确。 3.B热力学第一定律揭示了内能与其他形式能量之间 4 热力学第二定律 的转化关系，是能量守恒定律在热力学中的具体体现。 预习案 必备知识·问题导学 热力学第二定律则进一步阐明了内能与其他形式能量 一、1.转化转移保持不变 转化时的方向性，二者表述的角度不同，本质不同，相互 2.(1)相互转化(2)能量守恒定律 补充，并不矛盾，故B正确。 三、1.不可逆的2.低温高温方向性 探究点三 四、1.完全变成功 [例4][解析]能量虽然守恒，但能量耗散导致能量的品 [自我诊断] 质降低即不可再利用，也往往对环境产生破坏，从而应开 1.AC 发新型的清洁型的能源，故B选项错。 2.方向性不违反 T答案]B 探究案 关键能力·互动探究 [针对训练 探究点一 4.BD在发生能量转化的宏观过程中，其他形式的能量 [例1门[解析]由机械能守恒得气锤下落到刚撞击铁 最终转化为流散到周围环境的内能，无法再回收利用， 块时刻的动能E=mgh=10°×10×2.5J=2.5×103J,由 这种现象叫能量耗散，能量耗散并不违反能量守恒定 动能定理，得气锤撞击铁块一次所做的功W一E一0 律，宇宙中的能量既没有减少，也没有消失，它从能量角 2.5×104」，使铁块温度升高40℃所需的热量Q 度反映出自然界的宏观过程具有方向性，故A、C错，B cm△=0.11×200×103×40al=8.8×105cal=8.8× D对 105×4.2J=3.696×105J。设气锤应下落n次，才能使 提升案随堂演练·基础落实 铁块温度升高40℃，则由能的转化和守恒定律得n· 1,D汽车在关闭发动机后能匀速运动，说明汽车和斜坡之 W7=Q,所以n= 3.696×109 W0.6×2.5×10=246.4,故气锤 间一定有摩擦力作用，所以汽车的机械能不守恒，一部分 机械能转化为内能，但能的总量保持不变，故选D。 至少应下落247次。 2.A因汽缸导热，气体的温度不变，气体体积变大，则压 [答案]247次 强减小，气体的体积增大，单位体积内的分子数减小，则 [针对训练] 气体分子单位时间对汽缸壁单位面积碰撞的次数将变 1.B由于两管粗细相同，作用在液体上的大气压力的合 少，选项A正确，B错误：由于气体压迫活塞，故气体对 力为零，故大气压力不做功：水流动过程中重心下降，重 外做功，则由热力学第一定律可知，因温度不变，内能不 力做正功，水的重力势能减少，减少的重力势能最终转 变，则气体应吸热，且吸收的热量等于对外做功，选项C 化为内能，故水的内能增大，选项B对，A、C、D错。 错误：气体是从单一热源吸收，全部用来对外做功，但要 探究点二 引起气体的变化，此过程不违反热力学第二定律，选项 [例2][解析]一切自发过程都有方向性，如热传导， D错误。 热量总是由高温物体自发地传向低温物体：又如扩散， ：3.D气体在向右边的真空膨胀的过程中没有力的作用， 气体总是自发地由密度大的地方向密度小的地方扩散。 所以气体不做功，即W=0,绝热过程，Q=0,根据热力 在外界帮助下气体可以由密度小的地方向密度大的地 学第一定律△U=Q十W,可知△U=0,所以气体内能不 方扩散，热量可以从低温物体传向高温物体，电冰箱就 变，温度不变，分子的平均动能不变，故A、B、C错误：无 是借助外界做功把热量从低温物体—冷冻食品传向 外界的干预，根据热力学第二定律可知，涉及热现象的 高温物体—周固的大气，故本题答案为B、D。 宏观过程具有方向性，因此，气体分子不可能自发地退 [答案]BD 回到左边，使右边重新成为真空，故D正确。