2026届高考物理一轮复习讲义：14.12 热力学定律 能量守恒（第2课时）

§14.10 热力学定律 能量守恒定律（第2课时） （三）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别的形式，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的总量保持不变。 【例1】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火焰；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 【例2】如图所示容器中，A，B各有一个可自由移动的轻活塞，活塞下为水，上为空气， 大气压恒定。A、B底部由阀门K隔开，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（ ） A．大气压力对水做功，水的内能增加 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 2．无条件性：总的能量守恒是无条件的，能量守恒是自然界的普遍规律 具体的某一种形式的能量守恒是有条件的。例如：只有重力（弹簧弹力）做功时机械能才守恒。 3．第一类永动机：不消耗任何能量而能够不断地对外做功（输出能量）的装置 第一类永动机不可能制成（原因：违背了能量守恒定律） 任何一种机械，都只能实现能量的转化，而不能创造能量 （四）热力学第二定律 ▲揭示的本质：一切与热现象相关的宏观自然过程都具在方向性，都不可逆 【例3】对热力学第二定律，下列理解正确的是（ ） A．自然界进行的一切宏观过程都是可逆的 B．自然界进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性，是不可逆的 C．热量不可能由低温物体传递到高温物体 D．第二类永动机违背了能量守恒定律，因此不可能制成 1．热力学过程的方向性：一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的（即一个过程可以进行，而它的逆过程不能自发地进行）。 如：热量能从高温物体传给低温物体，但不能自发地从低温物体传给高温物体；气体体积膨胀后不能自发地收缩；扩散开去的物质微粒不能自动地复原；已经混和了的水和酒精不能再自动分开；…… 2．热力学第二定律（用来反映宏观自然过程的方向性的定律） （1）表述一（克劳修斯表述）：热量不能自发地从低温物体传到高温物体。（热传递的方向性） （2）表述二（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。 【例4】如图所示为电冰箱的工作原理示意图。压缩机工作时，强迫制冷剂在冰箱内外 的管道中不断循环，使冰箱内的温度低于冰箱外的温度。在蒸发器中制冷剂汽化吸收箱体内 的热量，经过冷凝器时制冷剂液化，放出热量到箱体外。下列说法正确的是（ ） A．热量可以自发地从冰箱内传到冰箱外 B．电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界，是因为其消耗了电能 C．电冰箱的工作原理违反热力学第一定律 D．电冰箱的工作原理违反热力学第二定律 3．第二类永动机：从单一热库吸收热量并把它全部用来对外做功，而不引起其他变化的机器 第二类永动机不能制成（原因：不违背能量守恒定律，但违背了热力学第二定律） 【例5】在一个标准大气压下，水在沸腾时，1g的水由液态变成同温度的水蒸气，其体积由1.043cm3变为1676cm3。已知水的汽化热为2263.8J/g。求： （1）体积膨胀时气体对外界做的功W；（2）气体吸收的热量Q；（3）体增加的内能ΔU。 （五）能量耗散与熵增原理 1．能量耗散：能量在使用过程中，总会有一部分以内能形式散发到周围环境中去而不能再收集利用 2．能量守恒，但能源有限，需节约能源 3．熵增原理 （1）熵：用来描述一个系统混乱程度的物理量。一个系统越混乱（即：越无序），熵就越大 （2）熵增加原理：在一个孤立系统中，任何自发过程，总是朝着熵增加的方向进行（有序→无序） 【作业】 班次 座次 姓名 1．在一个与外界没有热交换的房间内打开冰箱门，冰箱正常工作，过一段时间房间内的温度将（ ） A．降低 B．升高 C．不变 D．无法确定 2．如图所示，某容器内部有被隔板隔开的A、B两部分气体，A的密度小，B的密度大，抽出隔板 并加热气体，使两气体混合均匀，设在此过程A、B两部分气体吸热为Q，内能的增量为E，则（ ） A．E＜Q B．E＝Q C．E＞Q D．无法比较 3．下列叙述和热力学定律相关，其中正确的是（ ） A．能量耗散过程中能量不守恒 B．第二类永动机违背了热力学第一定律，不可能制成 C．因为能量守恒，无需节约能源 D．一切自发过程总是沿着分子无序性增大的方向进行 4．二氧化碳是导致“温室效应”的主要原因之一，人类在采取节能减排措施的同时，也在研究控制温室气体的新方法，目前专家们正在研究二氧化碳的深海处理技术。在某次实验中，将一定质量的二氧化碳气体封闭在一可自由压缩的导热容器中，将容器缓慢移到海水某深处，气体体积减为原来的一半，不计温度变化，则此过程中（ ） A．封闭气体对外界做正功 B．封闭气体向外界传递热量 C．封闭气体分子的平均动能增大 D．封闭气体从外界吸收热量 5．某偏远山区为了实现供电，自己修建了小型水利发电站。如图所示，若该 发电站蓄水池平均每天蓄水的有效总库容量为786m3，发电过程中上下水库平均 水位差为64m。则下列说法正确的是（ ） A．若每天发电40kW·h，则能源利用效率约为35% B．发电时下水库出水口的水流速度可达到36m/s C．蓄水池中水的重力势能全部转化为电能，则每天能发电约139kW·h D．平均每天所发电能可供10户居民同时用电（每户电功率为1.4kW）约10h 6．如图所示，一演示用的“永动机”转轮由5根轻杆和转轴构成，轻杆的末端装有用形 状记忆合金制成的叶片。轻推转轮后，进入热水的叶片因伸展而“划水”，推动转轮转动。 离开热水后，叶片形状迅速恢复，转轮因此能较长时间转动。下列说法正确的是（ ） A．转轮依靠自身惯性转动，不需要消耗外界能量 B．转轮转动所需能量来自形状记忆合金自身 C．转动的叶片不断搅动热水，水温升高 D．叶片在热水中吸收的热量一定大于在空气中释放的热量 7．如图，气缸内封闭一定质量的理想气体，活塞通过滑轮连接一重物并保持静止。已知活塞距缸口h＝50cm，活塞面积S＝10cm2，封闭气体的体积V1＝1500cm3，温度为0℃，大气压强p0＝1.0×105Pa，物体重力G＝50N，活塞重力及一切摩擦不计。缓慢升高环境温度，封闭气体吸收了Q＝60J的热量，使活塞刚好升到缸口。求： （1）活塞刚好升到缸口时，气缸内气体的温度； （2）气缸内气体对外界做的功； （3）气缸内气体内能的变化量。 1 学科网（北京）股份有限公司 $ §14.10 热力学定律 能量守恒定律 （三）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别的形式，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的总量保持不变。 【例1】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火焰；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 【答案】D 【例2】如图所示容器中，A，B各有一个可自由移动的轻活塞，活塞下为水，上为空气， 大气压恒定。A、B底部由阀门K隔开，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（ ） A．大气压力对水做功，水的内能增加 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 【答案】D 【解析】 2．无条件性：总的能量守恒是无条件的，能量守恒是自然界的普遍规律 具体的某一种形式的能量守恒是有条件的。例如：只有重力（弹簧弹力）做功时机械能才守恒。 3．第一类永动机：不消耗任何能量而能够不断地对外做功（输出能量）的装置 第一类永动机不可能制成（原因：违背了能量守恒定律） 任何一种机械，都只能实现能量的转化，而不能创造能量 （四）热力学第二定律 ▲揭示的本质：一切与热现象相关的宏观自然过程都具在方向性，都不可逆 【例3】对热力学第二定律，下列理解正确的是（ ） A．自然界进行的一切宏观过程都是可逆的 B．自然界进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性，是不可逆的 C．热量不可能由低温物体传递到高温物体 D．第二类永动机违背了能量守恒定律，因此不可能制成 【答案】B 1．热力学过程的方向性：一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的（即一个过程可以进行，而它的逆过程不能自发地进行）。 如：热量能从高温物体传给低温物体，但不能自发地从低温物体传给高温物体；气体体积膨胀后不能自发地收缩；扩散开去的物质微粒不能自动地复原；已经混和了的水和酒精不能再自动分开；…… 2．热力学第二定律（用来反映宏观自然过程的方向性的定律） （1）表述一（克劳修斯表述）：热量不能自发地从低温物体传到高温物体。（热传递的方向性） （2）表述二（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。 【例4】如图所示为电冰箱的工作原理示意图。压缩机工作时，强迫制冷剂在冰箱内外 的管道中不断循环，使冰箱内的温度低于冰箱外的温度。在蒸发器中制冷剂汽化吸收箱体内 的热量，经过冷凝器时制冷剂液化，放出热量到箱体外。下列说法正确的是（ ） A．热量可以自发地从冰箱内传到冰箱外 B．电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界，是因为其消耗了电能 C．电冰箱的工作原理违反热力学第一定律 D．电冰箱的工作原理违反热力学第二定律 【答案】B 3．第二类永动机：从单一热库吸收热量并把它全部用来对外做功，而不引起其他变化的机器 第二类永动机不能制成（原因：不违背能量守恒定律，但违背了热力学第二定律） 【例5】在一个标准大气压下，水在沸腾时，1g的水由液态变成同温度的水蒸气，其体积由1.043cm3变为1676cm3。已知水的汽化热为2263.8J/g。求： （1）体积膨胀时气体对外界做的功W；（2）气体吸收的热量Q；（3）体增加的内能ΔU。 【答案】（1）167.5J；（2）2263.8J；（3）2096.3J 【解析】 已知：m＝1g，V1＝1.043cm3＝1.043×10-6m3，V2＝1676cm3＝1676×10-6m3，L＝2263.8J/g （1）W＝p0·ΔV＝p0（V2−V1）＝（1.013×10-5）（1676−1.043）×10-6＝167.5（J） （2）Q＝Lm＝2263.8×1＝2263.8（J） （3）ΔU＝Q−W＝2263.8−167.5＝2096.3（J） （五）能量耗散与熵增原理 1．能量耗散：能量在使用过程中，总会有一部分以内能形式散发到周围环境中去而不能再收集利用 2．能量守恒，但能源有限，需节约能源 3．熵增原理 （1）熵：用来描述一个系统混乱程度的物理量。一个系统越混乱（即：越无序），熵就越大 （2）熵增加原理：在一个孤立系统中，任何自发过程，总是朝着熵增加的方向进行（有序→无序） 【作业】 班次 座次 姓名 1．在一个与外界没有热交换的房间内打开冰箱门，冰箱正常工作，过一段时间房间内的温度将（ ） A．降低 B．升高 C．不变 D．无法确定 【答案】B 【解析】 因为不断地有电能输进房间内，而房间内并未向外界传递能量，所以房间内的能量将逐渐增大，温度升高，B对 2．如图所示，某容器内部有被隔板隔开的A、B两部分气体，A的密度小，B的密度大，抽出隔板 并加热气体，使两气体混合均匀，设在此过程A、B两部分气体吸热为Q，内能的增量为E，则（ ） A．E＜Q B．E＝Q C．E＞Q D．无法比较 【答案】C 【解析】 上方气体B密度大，下方气体A密度小，它们混合均匀后总重心将下降，总的重力势能将减小，减小的重力势能转化为内能，所以内能的增量大小吸收的热量，即E＞Q，选项C正确 3．下列叙述和热力学定律相关，其中正确的是（ ） A．能量耗散过程中能量不守恒 B．第二类永动机违背了热力学第一定律，不可能制成 C．因为能量守恒，无需节约能源 D．一切自发过程总是沿着分子无序性增大的方向进行 【答案】D 【解析】 A：能量耗散是能量散失到周围环境中去了，包括散失的能量，总能量还是守恒的，选项A错 B：第二类永动机不可能制成，是因为违背了热力学第二定律，选项B错 C：能量守恒，但可利用能源不守恒，比如煤、石油这些能源，用完后就没有了，我们应时刻注意节约能源，选项C错 D：根据熵原理，一切自发过程总是沿着分子无序性增大的方向进行，选项D对 4．二氧化碳是导致“温室效应”的主要原因之一，人类在采取节能减排措施的同时，也在研究控制温室气体的新方法，目前专家们正在研究二氧化碳的深海处理技术。在某次实验中，将一定质量的二氧化碳气体封闭在一可自由压缩的导热容器中，将容器缓慢移到海水某深处，气体体积减为原来的一半，不计温度变化，则此过程中（ ） A．封闭气体对外界做正功 B．封闭气体向外界传递热量 C．封闭气体分子的平均动能增大 D．封闭气体从外界吸收热量 【答案】B 5．某偏远山区为了实现供电，自己修建了小型水利发电站。如图所示，若该 发电站蓄水池平均每天蓄水的有效总库容量为786m3，发电过程中上下水库平均 水位差为64m。则下列说法正确的是（ ） A．若每天发电40kW·h，则能源利用效率约为35% B．发电时下水库出水口的水流速度可达到36m/s C．蓄水池中水的重力势能全部转化为电能，则每天能发电约139kW·h D．平均每天所发电能可供10户居民同时用电（每户电功率为1.4kW）约10h 【答案】C 【解析】 A：蓄水池中能用于发电的水的重力势能为 则能源利用效率，故A错 B：若没有任何阻力，由机械能守恒得 由题知，水流下的过程中受到阻力，所以发电时流入下水库的水流速度小于36m/s，故B错 C：蓄水池中能用于发电的水的重力势能全部转化为电能，则每天能发电约 ，故C对 D：若重力势能全部转化为电能，平均每天所发电能可供10户居民同时用电时间 由于效率不可能达到100%，可供给10户居民用电时间小于10h，故D错 6．如图所示，一演示用的“永动机”转轮由5根轻杆和转轴构成，轻杆的末端装有用 形状记忆合金制成的叶片。轻推转轮后，进入热水的叶片因伸展而“划水”，推动转轮转动。 离开热水后，叶片形状迅速恢复，转轮因此能较长时间转动。下列说法正确的是（ ） A．转轮依靠自身惯性转动，不需要消耗外界能量 B．转轮转动所需能量来自形状记忆合金自身 C．转动的叶片不断搅动热水，水温升高 D．叶片在热水中吸收的热量一定大于在空气中释放的热量 【答案】D 【解析】 AB：转轮转动的能量，来源于热水的内能，记忆合金从热水中吸收热量而伸展，伸展过程中因为划水而转动，A错B错 C：转轮从水中吸热，所以水温降低，C错 D：叶片从热水中吸收的热量，一部分转化为机械能使转轮转动，另一部分以热能的形式释放到空气中，所以吸收的热量大于释放到空气中的热量，D对 7．如图，气缸内封闭一定质量的理想气体，活塞通过滑轮连接一重物并保持静止。已知活塞距缸口h＝50cm，活塞面积S＝10cm2，封闭气体的体积V1＝1500cm3，温度为0℃，大气压强p0＝1.0×105Pa，物体重力G＝50N，活塞重力及一切摩擦不计。缓慢升高环境温度，封闭气体吸收了Q＝60J的热量，使活塞刚好升到缸口。求： （1）活塞刚好升到缸口时，气缸内气体的温度； （2）气缸内气体对外界做的功； （3）气缸内气体内能的变化量。 【答案】（1）364K；（2）25J；（3）35J 【解析】 （1）V1＝1500cm3，T1＝273K；V2＝V1+Sh＝2000cm3，T2＝? 由 （2）缸内气体压强 缸内气体对外做的功 （3）由热力学第一定律，得内能的变化量 1 学科网（北京）股份有限公司 $