暑假培优：专题09 热力学定律 知识清单 -2026-2027学年高二物理人教版选择性必修第三册

暑假培优：专题09 热力学定律 知识清单 第一部分 知识构建 第二部分 知识点梳理 一、焦耳的实验 1.绝热过程 系统不从外界吸热,也不向外界放热的过程。 2.焦耳实验 (1)实验1,重物下落,重力做功改变温度。 ①重物下落时带动叶片转动,搅拌容器中的水,水由于摩擦而温度上升。 ②实验表明,只要重力所做的功相同,容器内水温上升的数值都是相同的,即系统状态的变化是相同的。 (2)实验2,重物带动发电机发电,电流通过浸在液体中的电阻丝改变温度。 ①由电流的热效应给液体加热,使液体温度上升。 ②实验表明,只要所做的电功相等,则系统温度上升的数值是相同的,即系统的状态就发生了同样的变化。 (3)实验结论。 在热力学系统的绝热过程中,外界对系统做的功仅由过程的始末两个状态决定,不依赖于做功的具体过程和方式。 3.系统的内能 任何一个热力学系统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做的功相联系。鉴于功是能量变化的量度,所以这个物理量必定是系统的一种能量,我们把它称为系统的内能。 二、功与内能的改变 1.在热力学系统的绝热过程中,当系统从状态1经过绝热过程达到状态2时,内能的变化量ΔU=U2-U1,等于外界对系统所做的功W,即ΔU=W。 (1)在绝热过程中,外界对系统做功,系统的内能增加;系统对外做功,系统的内能减少。 (2)如果一个热学过程的状态变化发生得极快、经历的时间很短,系统与外界来不及交换热量,可以看成绝热过程。 2.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,做功一定能引起系统内能的变化。 (3)系统的内能大,并不意味着做功多。在绝热过程中,内能变化越大时,对应着做功越多。 3.做功改变内能的实质 做功改变系统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,做功使系统内能发生变化时,内能改变的多少用做功的数值来量度。 三、热与内能的改变 1.传热 (1)条件:两个物体的温度不同。 (2)过程:两个温度不同的物体相互接触时,温度高的物体要降温,温度低的物体要升温,热从高温物体传到了低温物体。 2.热与内能的改变 (1)热量:在单纯的传热过程中系统内能变化的量度。 (2)热与内能的变化量:当系统从状态1经过单纯的传热达到状态2时,内能的变化量ΔU=U2-U1,等于外界向系统传递的热量Q,即ΔU=Q。系统吸热,Q为正,系统内能增加;系统放热,Q为负,系统内能减少。 3.传热与做功在改变系统内能上的异同 (1)做功和传热都能引起系统内能的改变。 (2)做功时,内能与其他形式的能发生转化;而传热只是不同物体(或一个物体的不同部分)之间内能的转移。 4.改变内能的两种方式的比较 项目 做功 传热 内能 变化 绝热过程中,外界对系统做功,系统内能增加;系统对外界做功,系统内能减少 单纯传热在改变内能上,系统吸收热量,内能增加;系统放出热量,内能减少 物理 实质 其他形式的能与内能之间的转化 内能的转移 相互 联系 一定量的功与等量的热量在改变内能的效果上是相同的 四、热力学第一定律 1.改变内能的两种方式 做功和传热,两者在改变系统内能方面是等价的。 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.热力学第一定律的应用 (1)外界对系统做功有助于系统内能的增加,因此,外界对系统做功时,W取正值;而系统对外界做功时,W取负值。 (2)外界对系统传递热量有助于系统内能的增加,因此,外界对系统传递的热量Q取正值;而系统向外界传递的热量Q就取负值。 五、能量守恒定律 1.人类对能量的认识 (1)能量的概念是人类在对物质运动规律进行长期探索中建立起来的。 (2)能量具有不同的形式。 (3)我们可以用能量的观念把热、电、光、磁等都统一起来描述。 2.能量守恒观念的形成 (1)能量守恒思想的萌芽及产生并不是一蹴而就的。 (2)人类对能量的认识过程,体现了科学前辈们对“守恒”这一科学思想的追寻。从18世纪末到19世纪中叶,不同领域的科学家从不同角度都提出过能量守恒的思想。 3.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其他形式,或者从一个物体转移到别的物体,在转化或转移的过程中,能量的总量保持不变。 (2)意义:能量守恒是自然界的普遍规律。根据能量守恒定律,物理学发现和解释了很多科学现象。 (3)地位:能量守恒定律的发现是科学史上的重大事件。它是自然科学长期发展和进步的结果,是普遍、和谐、可靠的自然规律之一。 4.永动机不可能制成 (1)第一类永动机:不需要任何动力或燃料,却能不断地对外做功的机器。 (2)不可能制成的原因:任何动力机械的作用都是把其他形式的能转化为机械能。永动机的思想违背了能量守恒定律。 (3)意义:正是历史上设计永动机的失败,才使后人的思考走上了正确的道路。 六、对热力学第一定律的理解与应用 1.对热力学第一定律的理解 热力学第一定律描述了一个热力学系统在既有做功又有传热的过程中,内能的变化量ΔU、外界对系统做功W及外界向系统传递的热量Q间的关系。 反过来,同样适用于系统对外界做功、向外界散热和内能减少的情况。 2.公式ΔU=Q+W的符号规则 符号 W Q ΔU + 体积减小,外界对系统做功 系统吸收热量 内能增加 - 体积增大,系统对外界做功 系统放出热量 内能减少 3.几种特殊情况 (1)若过程是绝热的,即Q=0,则W=ΔU,外界对系统做的功等于系统内能的变化量。 (2)若过程中不做功,即W=0,则Q=ΔU,系统传递的热量等于系统内能的变化量。 (3)若过程中系统的始末内能不变,即ΔU=0,则W+Q=0或W=-Q,外界对系统做的功等于系统放出的热量,或系统对外界做的功等于系统吸收的热量。 4.判断是否做功的方法:一般情况下外界对气体做功与否,需看气体的体积是否变化。 (1)若气体体积增大,表明气体对外界做功,则 W<0。 (2)若气体体积减小,表明外界对气体做功,则 W>0。 (3)若气体发生等压过程,外界对气体做功为W=-p(V2-V1)。 七、热力学第二定律 1.对热力学第二定律中,“自发地”“单一热库”“不可能”“不产生其他影响”的理解 (1)“自发地”:指热量在传递过程中不需要借助其他物体从高温物体“自发地”传给低温物体。 (2)单一热库:指温度均匀并且恒定不变的系统。 (3)“不可能”:在从单一热库吸收热量对外做功时,不论用任何办法都不可能使之完全变成功。 (4)“不产生其他影响”:发生的热力学宏观过程只在本系统内完成,对周围环境不产生任何方面的影响。 2.对热力学第二定律的理解 内能 转移 阐述了传热的方向性。传热的过程可以自发地由高温物体向低温物体进行,但相反方向却不能自发地进行 能量 转化 阐述了机械能与内能转化的方向性。机械能可以全部转化为内能,而内能无法全部用来做功以转化成机械能,而不产生其他影响 实质 一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的 要点 (1)微观上描述与分子无规则运动有关的现象。 (2)能量角度只涉及内能转移和其他能与内能的转化 举例 (1)传热过程的方向性。 (2)扩散现象的方向性。 (3)机械能和内能转化的方向性。 (4)气体向真空中自由膨胀的方向性。 (5)电能和内能转化的方向性 八、气体实验定律与热力学第一定律综合问题 1.气体实验定律与热力学第一定律的区别和联系 在研究气体状态变化的问题中,气体的实验定律描述了状态参量变化的关系;热力学第一定律描述了状态参量变化的条件。 2.注意三种特殊过程的特点 (1)等温过程:内能不变,ΔU=0; (2)等容过程:体积不变,W=0; (3)绝热过程:Q=0。 3.掌握做功、内能变化情况的判断方法 (1)理想气体内能的变化看温度。气体温度升高,内能增大;气体温度降低,内能减小。 (2)气体做功情况看体积。体积膨胀则对外做功;体积减小则外界对气体做功;理想气体向真空膨胀则不做功。 (3)在等压变化中W=pΔV,其中ΔV为气体体积的变化。 九、气体状态变化关系图像与热力学第一定律综合问题 1.明确气体状态变化关系图像与做功、内能变化的情况。 (1)p-V图像中的等温线(如图甲所示):一定质量的理想气体的不同等温线的温度不同,其中T1>T2。a→b为等温膨胀,内能不变,吸收的热量等于对外做的功。b→c为等容升温,气体不做功,吸收的热量等于内能的增加。c→a为等压压缩,放出的热量等于外界做的功与内能减少量之和。 (2)p-T图像中的等容线(如图乙所示):一定质量的理想气体的不同等容线的体积不同,其中V1>V2。a→b,b→c,c→a的状态变化及对应的传热、内能的变化同(1)中分析。 (3)V-T图像中的等压线(如图丙所示):一定质量的理想气体的不同等压线的压强不同,其中p1>p2。a→b为等温压缩,内能不变,外界做的功等于放出的热量;b→c为等压升温,吸收的热量等于内能增加量和对外做的功之和;c→a为等容降温,内能减少量等于放出的热量。 2.对气体某一过程的初、末状态,能够结合气体实验定律列出对应的方程式。 3.挖掘气体状态参量的变化过程中对应的做功、内能变化及传热情况,运用热力学第一定律ΔU=W+Q求出未知量。 第三部分 知识点应用 1.一定质量的理想气体在某一过程中，外界对气体做了8×104 J的功，气体的内能减少了1.2×105 J，则下列各式正确的是(　　) A．W＝8×104 J，ΔU＝1.2×105 J，Q＝4×104 J B．W＝8×104 J，ΔU＝－1.2×105 J，Q＝－2×105 J C．W＝－8×104 J，ΔU＝1.2×105 J，Q＝2×105 J D．W＝－8×104 J，ΔU＝－1.2×105 J，Q＝－4×104 J 2.一定质量的理想气体,初始温度为300 K,压强为1×105 Pa。经等容过程,该气体吸收400 J的热量后温度上升100 K;若经等压过程,需要吸收600 J的热量才能使气体温度上升100 K。下列说法正确的是(　　) A.初始状态下,气体的体积为6 L B.等压过程中,气体对外做功400 J C.等压过程中,气体体积增加了原体积的 D.两个过程中,气体的内能增加量都为400 J 3.如图所示,内壁光滑的汽缸内用活塞密封一定量理想气体,汽缸和活塞均绝热。用电热丝对密封气体加热,并在活塞上施加一外力F,使气体的热力学温度缓慢增大到初态的2倍,同时其体积缓慢减小。关于此过程,下列说法正确的是(　　) [A] 外力F保持不变 [B] 密封气体内能增加 [C] 密封气体对外做正功 [D] 密封气体的末态压强是初态的2倍 4.如图所示，质量m＝1 kg的导热气缸倒扣在水平地面上，A为一T形活塞，气缸内充有一定质量的理想气体．气缸的横截面积S＝2×10－4 m2，高度h＝40 cm，当外界温度为300 K时，气缸对地面恰好没有压力，此时活塞位于气缸中央．不计气缸壁及活塞厚度，内壁光滑，活塞始终在地面上静止不动，大气压强为p0＝1×105 Pa，g取10 m/s2. (1)求气缸内气体的压强； (2)环境温度升高时，气缸缓慢上升，温度至少升高到多少时，气缸不再上升； (3)已知气缸内气体的内能U与热力学温度T的关系为U＝0.015T(J)，求气缸从图示位置上升到刚好不能再上升的过程中，气缸内气体从外界吸收的热量． 5.如图甲为汽车中使用的氮气减震器,汽缸中充入氮气后,能有效减少车轮遇到冲击时产生的高频振动。它的结构简图如图乙所示,汽缸活塞横截面积S=40 cm2,活塞及支架的质量m=1 kg,汽缸缸体导热性良好。现为了测量减震器的性能参数,将减震器竖直放置,充入氮气后密闭,活塞被卡环卡住,缸体内氮气处于气柱长度L=20 cm、压强pA=4.0×105 Pa的状态A,此时弹簧恰好处于原长。现用外力F向下压活塞,使其缓慢下降h=4 cm,气体达到状态B。从状态A到状态B过程气体放出热量Q=71.4 J。汽缸内的氮气可视为理想气体,不计摩擦和外界温度变化,大气压强p0=1.0×105 Pa,弹簧劲度系数k=1.0× 104 N/m。求: (1)状态B气体的压强pB; (2)气体处于状态B时外力大小F; (3)从状态A到状态B过程外界对气体做的功W。 6.某油田钻井平台钻头在一次事故中断裂在地下某一深处,工程师提出一种新的打捞方式,其简化模型如图所示。打捞装置为一个竖直固定、两端开口、足够长的刚性导热塑料管,钻头可视为一圆柱形活塞。钻头下边缘被挡在距泥浆水平面高度为H的位置,上部塑料管内充满泥浆。若钻头密度为ρ、高度为h,塑料管密封性良好且钻头与塑料管间摩擦力可忽略,横截面积为S,其上边缘没入温度为T=300 K的泥浆中。当从塑料管下部向塑料管内一次性充入压强为p0、体积为V0=102.6 m3,温度T=300 K的气体(可视为理想气体)时,刚好推动钻头缓慢上升。设大气压强p0=1.0×105 Pa,泥浆的密度ρ泥=2.0× 103 kg/m3,ρ=10ρ泥,H=100.0 m,h=1.0 m,S=0.5 m2,g取10 m/s2。 (1)当气体刚好推动钻头上升时,求气体的压强。 (2)当钻头刚要上移时,需继续向塑料管内打气(塑料管不漏气),使钻头缓慢上升。假设下边界泥浆不移动,每次均打入压强为p0,体积为V0、T=300 K的气体,则要使钻头下边缘与泥浆水平面平齐,至少还需打气几次? 知识点应用答案 1.答案　B 解析　因为外界对气体做功，W取正值，即W＝8×104 J；气体内能减少，ΔU取负值，即ΔU＝－1.2×105 J；根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，可知Q＝ΔU－W＝－1.2×105 J－8×104 J＝－2×105 J，B选项正确． 2. AD 解析:设理想气体的初始状态的压强、体积和温度分别为p1=p0,V1=V0,T1=300 K,等容过程为状态二,p2未知,V2=V1=V0,T2=400 K,等压过程为状态三,p3=p0,V3未知,T3=400 K,由理想气体状态方程可得==,解得p2=p0,V3=V0,等压过程中,气体体积增加了原体积的,C错误;等容过程中气体对外做功为零,由热力学第一定律得ΔU=W+Q=400 J,两个过程的初末温度相同即内能变化相同,因此内能增加量都为400 J,D正确;等压过程内能增加了400 J,吸收热量为 600 J,由热力学第一定律可知气体对外做功200 J,即做功的大小为W=p0(V0-V0)=200 J,解得V0=6 L,A正确,B错误。 3.【答案】 B 【解析】 气体温度升高,内能增加,又体积减小,根据理想气体状态方程=C,气体压强变大,对活塞受力分析,有F+mg+p0S=pS,可知外力F增大,A错误,B正确;气体体积减小,气体对外界做负功,C错误;根据=C,热力学温度变为原来的2倍,体积减小,则气体末态压强大于初态的2倍,D错误。 4.答案　(1)1.5×105 Pa　(2)600 K　(3)10.5 J 解析　(1)气缸对地面恰好没有压力，即处于平衡状态时，可得p0S＋mg＝pS 解得气缸内气体的压强为p＝1.5×105 Pa. (2)气体原来的温度T1＝300 K，环境温度升高时，气体发生等压变化，温度升高到T2，气体体积为hS时，气缸不再上升，可得＝ 代入数据解得T2＝600 K. (3)该过程气体对外界做功， 则W＝－p·ΔV＝－p·hS＝－6 J 当气缸不再上升时气体内能增加ΔU＝0.015(T2－T1)＝4.5 J 由热力学第一定律可知，气缸内气体从外界吸收的热量Q＝ΔU－W＝10.5 J. 5.解析:(1)汽缸缸体导热性良好,可知从状态A到状态B,气体发生等温变化,则有pASL=pBS(L-h), 解得状态B气体的压强为pB==5×105 Pa。 (2)状态B时活塞和支架处于平衡状态,则有F+p0S+mg=pBS+kh, 代入数据解得F=1 990 N。 (3)汽缸缸体导热性良好,可知从状态A到状态B,气体发生等温变化,气体内能不变,根据热力学第一定律可得ΔU=W-Q=0, 解得外界对气体做的功为W=Q=71.4 J。 答案:(1)5×105 Pa　(2)1 990 N　(3)71.4 J 6.【答案】 (1)2.28×106 Pa　(2)2次 【解析】 (1)钻头刚被推动时,根据平衡条件对钻头有p1S=p′S+G, 又G=ρShg=1×105 N,p′=p0+ρ泥g(H-h), 解得p1=2.28×106 Pa。 (2)设钻头刚动时气柱长度为l0,根据玻意耳定律对打入的气体有p1l0S=p0V0, 解得l0=9 m。 钻头缓慢移动到管口时,其气体压强p2=p0+, 解得p2=3×105 Pa, 钻头缓慢上升至下边缘与泥浆水平面平齐过程中有p0V0′=p2(H+l0)S, 解得V0′=163.5 m3, 则有N==1.59, 即至少还需打2次气体。 学科网（北京）股份有限公司 $