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热力学定律

I-'-'基础知识归纳

一、功和内能

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、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.

二、内能

1、内能概念：

任何一个热力学系统都存在一个依赖系统自身状态的物理量，这个物理量在两个状态间的差值等于外界在绝热过程中对系统所做的功，我们把这个物理量称为系统的内能.

2、在绝热过程中做功与内能的变化关系：

AU=W

、热和内能

1、热传递：

热量从高温物体传到低温物体的过程.

2、关系描述：

热量是在单纯的传热过程中系统内能变化的量度.

3、公式表达：

AU=Q

四、功和内能的关系

1、内能与内能的变化的关系

（1）物体的内能是指物体内所有分子的平均动能和势能之和•在微观上由分子数和分

子热运动激烈程度及相互作用力决定，宏观上体现为物体温度和体积，因此物体的内能是一

个状态量.

（2）当物体温度变化时，分子热运动激烈程度发生改变，分子平均动能变化•物体体

积变化时，分子间距离变化，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.

2、做功与内能的变化的关系

（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；物体对外界做多少功，就有多少内能转化为其他形式的能，物体的内能

就减少多少.

3、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，只有内能变化较大时，对应着做功较多.

五、“温度”、“热量”、“功”、“内能”的辨析

1、内能和温度

从宏观看，温度表示的是物体的冷热程度；从微观看，温度反映了分子热运动的剧烈程

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•但物体吸收热量内能增加时，温度却不一定升高.

2、内能和热量

（1）热量的概念在涉及能量传递时才有意义.我们不能说一个物体具有多少热量，只能说在传热过程中物体吸收或放出了多少热量.

（2）在单纯传热的过程中，物体吸收热量，内能增加，物体放出热量，内能减小，热

量是内能改变的量度.

3、热量和做功

（1）热量和功，都是系统内能变化的量度，都是过程量，一定量的热量还与一定量的

功相当，热量可以通过系统转化为功，功也可以通过系统过程转化为热量，但它们之间有着

本质的区别.

（2）用做功来改变系统的内能，是机械能或其他形式的能和内能之间的转化过程.

（3）用传热来改变系统的内能，是系统间内能转移的过程.

六、热力学第一定律

1、内容：

一个物体，如果跟外界同时发生做功和热传递的过程物体内能的增加为

U=W+Q,即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功的和。

2、定律中各量的正、负号及含义

物理量

符号

意义

符号

意义

外界对系统做功

一

物体对系统做功

系统吸收热量

一

系统放出热量

△U

系统内能增加

一

系统内能减少

3、四个理想热学过程

内能△厂

功册

等温诵旱

増大

不变

等容游

増大

増加

等压聲

不变

碱少

増大

升高

増加

七、能量守恒定律

1、内容：

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，或从一个物体转移到别一个物体，在转化和转移的过程中其总量保持不变。

2、物理意义：

首先是各种形式能量间的转化，其次是转化中的守恒。

3、对能量守恒的理解：

（1）每一种物质运动形式对应一种能量。

（2）当发生能量从一种形式转化为另一种形式时，是通过做功实现的。

这种转化

意味着物质运动可由一种形式转化成其他形式。

大量事实证明，任何形式的能转化为别种形式的能时，总的能量都是守恒的。

在物质运动形式不变时，能量只从物体间发转移，能的形式不会改变。

（3）以焦耳的实验为基础的热力学第一定律，实际上就是内能与其它能量发生转化时

的能量守恒定律

八、热力学第二定律

1、热传导的方向性

热传递的过程是有方向性的，热量会自发地从高温物体传给低温物体，而不会自发地从低温物体传给高温物体•

2、热力学第二定律的两种常见表述

（1）不可能使热量由低温物体传递到高温物体，而不引起其他变化.

（2）不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化

3、永动机不可能制成

（1）第一类永动机不可能制成：

不消耗任何能量，却可以源源不断地对外做功，这种机器被称为第一类永动机，这种永动机是不可能制造成的，它违背了能量守恒定律

（2）第二类永动机不可能制成：

没有冷凝器，只有单一热源，并从这个单一热源吸收的

热量，可以全部用来做功，而不引起其他变化的热机叫做第二类永动机•第二类永动机不可

能制成，它虽然不违背能量守恒定律，但违背了热力学第二定律.

【例1】关于温度、热量、内能，以下说法正确的是（

A•同一物体温度高时，含有的热量多

B.物体的内能越大，含有的热量就越多，温度也越高

C•在传热中，放出热量的物体内能一定大于吸收热量的物体的内能

D•热量总是自发地从温度高的物体传给温度低的物体

解析：

同一物体温度高时，内能大，只有传热过程转移的内能才能称为热量，A、B错;

在传热过程中，热量从温度高的物体传给温度低的物体，温度高的物体内能不一定大，故D对.

答案：

方法总结：

温度、内能是状态量、热量、功是过程量.

【练习1】关于物体的内能和热量，下列说法中正确的有（）

A.热水的内能比冷水的内能多

B.温度高的物体其热量必定多，内能必定大

C.在传热过程中，内能大的物体其内能将减小，内能小的物体其内能将增大，直到两物体的内能相等

D.热量是传热过程中内能转移的量度

答案：

【例2】一定质量的气体经历一缓慢的绝热膨胀过程.设气体分子间的势能可忽略，则

在此过程中（）

A.外界对气体做功，气体分子的平均动能增加

B.外界对气体做功，气体分子的平均动能减少

C.气体对外界做功，气体分子的平均动能增加

D.气体对外界做功，气体分子的平均动能减少

解析：

选D.

【练习2】对于一定质量的理想气体，可能发生的过程是（）

A.等压压缩，温度降低

B.等温吸热，体积不变

C.放出热量，内能增加

D.绝热压缩，内能不变

解析：

PV/T=CC为常数定值；A错，等压压缩P不变，体积V减小，分母温度

T一定减小；B错，等温吸热，T不变，内能不变，那么一定对外做功，体积一定是增大的；C对，由热力学第一定律内能改变AU=W+Q,若放出热量，但是可以外界对气体做功，内能可能增加；D错，绝热压缩，既然绝热，Q=0,压缩说明外界对气体做功，由AU=W+Q,

内能一定增加。

【例3】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，则被密封的气体（）

Q=0，由功和内能的关系知理想

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•温度升高，压强增大，内能增加

D•温度降低，压强减小，内能增加

解析：

由F对密闭的气体做功，容器及活塞绝热，则气体内能增大，T升高，再根据pWT=C,V减小，p增大，故选C

方法总结：

对于一定质量的气体，分析对气体做功情况时，可根据气体的体积变化做出判断：

气体膨胀，气体对外界做功；气体压缩，外界对气体做功，但气体向真空自由膨胀时不做功.

【练习3】如图所示，绝热容器中间用隔板隔开，左侧装有气体，右侧为真空•现将隔

板抽掉，使左侧气体自由膨胀直至达到平衡，则在此过程中（不计气体的分子势能）（）

A•气体对外界做功，温度降低，内能减少

B•气体对外界做功，温度不变，内能减少

C•气体不做功，温度不变，内能不变

D•气体不做功，温度不变，内能减少

解析：

右侧为真空，气体自由膨胀做功没有对象”当然不做功.根据因为是绝热容器,

所以没有热交换U=W，做功W=0，因此内能不变，理想气体，内能由温度决定，所以温

度不变；C正确

答案：

【练习4】如图所示，厚壁容器的一端通过胶塞插进一支灵敏温度计和一根气针，另一

端有个用卡子卡住的可移动胶塞.用打气筒通过气针慢慢向容器内打气，使容器内的压强增

大到一定程度，这时读出温度计示数•打开卡子，胶塞冲出容器口后（）

A•温度计示数变大，实验表明气体对外界做功，内能减少

B.温度计示数变大，实验表明外界对气体做功，内能增加

C.温度计示数变小，实验表明气体对外界做功，内能减少

D.温度计示数变小，实验表明外界对气体做功，内能增加

解析：

胶塞冲出容器口后，气体膨胀，对外做功，WV0.由于没时间进行热交换，由

△U=W可知内能减小.内能等于分子动能与势能之和，由于体积增大，势能增大，由此可知分子平均动能减小，所以温度降低，故C正确.

答案：

【例4】金属筒内装有与外界温度相同的压缩空气，打开筒的开关，筒内高压空气迅速向外溢出，待筒内外压强相等时，立即关闭开关.在外界保持恒温的条件下，经过一段较长的时间后，再次打开开关，这时出现的现象是（）

A.筒外空气流向筒内

B.筒内空气流向筒外

C.筒内外有空气交换，处于动平衡状态，筒内空气质量不变

D.筒内外无空气交换

解析：

筒内气俸内能减少■温度降低.克.到筒内外庄强相竽

答案：

【例5】如图所示，固定容器及可动活塞P都是绝热的，中间有一导热的固定隔板B,B

的两边分别盛有气体甲和乙.现将活塞P缓慢地向B移动一段距离，已知气体的温度随其

内能的增加而升高.则在移动P的过程中（）

A.外力对乙做功；甲的内能不变

B.外力对乙做功；乙的内能不变

C.乙传递热量给甲；乙的内能增加

D.乙的内能增加；甲的内能不变

解析：

气缸整体是绝热的，当移动活塞P时，有外力对系统做功，根据热力学第一定律,

系统的内能要增加，因此从整体上讲，甲、乙的内能都要增加，但外力并没有直接对甲做

功，甲的内能之所以增加是因为吸收了热量，而乙放出热量，所以C正确。

答案：

【练习5】一定质量的理想气体由状态A经状态B变为状态C,其中A、B过程为等压

变化，B-；C过程为等容变化。

已知VA=0.3m3，Ta=Tb=300K、Tb=400K。

（1）求气体在状态B时的体积。

（2）说明B>C过程压强变化的微观原因

（3）没A—；B过程气体吸收热量为Q，B—；C过气体放出热量为Q2,比较Qi、

Q2的大小说明原因。

【解析】

（1）设气体在B状态时的体积为Vb,由盖--吕萨克定律得，Va=Vb，代入数TaTb

据得VB=0.4m3。

（2）微观原因：

气体体积不变，分子密集程度不变，温度变小，气体分子平均动能减小，导致气体压强减小。

⑶Qi大于Q2；因为Ta=Tb，故AtB增加的内能与BtC减小的内能相同，而AtB过

程气体对外做正功，BtC过程气体不做功，由热力学第一定律可知Qi大于Q2

课外作业

1、关于物体内能的变化情况，下列说法中正确的是（）

A•吸热的物体，其内能一定增加B•体积膨胀的物体，其内能一定减少

C•放热的物体，其内能也可能增加D•绝热压缩的物体，其内能一定增加

解析：

改变物体的内能有两种方式，物体吸热，同时对外做功，内能不一定增加，A

错；体积膨胀对外做功，但同时吸热时，内能不一定减小，B错；物体放热同时对物体做功，其内能可能增加，C正确；绝热压缩物体，只对物体做功，不发生热传递，其内能一定增加，故选C、D.

答案：

2、有一铜块和一铁块，质量相等，铜块的温度比铁块的温度高•当它们接触在一起时，

如果不和外界交换热量，则（）

A•从两者开始接触到热平衡的整个过程中，铜块放出的热量等于铁块吸收的热量

B•在两者达到热平衡以前的任意一段时间内，铜块放出的热量不等于铁块吸收的热量

C•达到热平衡时，铜块的温度高

D.达到热平衡时，两者的温度相等

解析：

由于铜块的温度比铁块的温度高，当它们接触在一起时，两者之间必然会发生

热传递.如果不和外界交换热量，则铜块放出的热量与铁块吸收的热量相等.达到热平衡时，两者的温度一定相等.

答案：

3、关于热力学定律，下列说法正确的是

A.在一定条件下物体的温度可以降到0K

B.物体从单一热源吸收的热量可全部用于做功

C.吸收了热量的物体，其内能一定增加

D.压缩气体总能使气体的温度升高

答案：

解析：

根据热力学第三定律的绝对零度不可能达到可知A错；物体从外够外界吸收热

量、对外做功，根据热力学第一定律可知内能可能增加、减小和不变，C错；压缩气体，

外界对气体作正功，可能向外解放热，内能可能减少、温度降低，D错；物体从单一热源

吸收的热量可全部用于做功而引起其他变化是可能的，B对。

4.如图所示，一气缸竖直放置，用一质量为m的活塞在缸内封闭了一定量的理想气体,

在气缸的底部安装有一根电热丝，用导线和外界电源相连，已知气缸壁和活塞都是绝热的，

气缸壁与活塞间光滑接触且不漏气.现接通电源，电热丝对缸内气体缓慢加热.关于气缸内

气体，下列说法中正确的是（）

A.单位时间内气缸单位面积上气体分子撞击次数减少

B.所有分子的速率都增加

C.分子平均动能增大

D.对外做功，内能减少

答案：

5.一定质量的理想气体由状态I（pi,Vi,Ti）被压缩至状态n（P2,V2,T2），已知T2>Ti,

则该过程中（）

A.气体的内能一定是增加的B.气体可能向外界放热

C.气体一定从外界吸收热量D.气体对外界做正功

解析：

理想气体没有分子势能，因此温度升高时，气体的内能增加，故A对；由于不

能确定做功情况，因此气体有可能吸热，也有可能放热，应选A、B.

答案：

6•如图所示，a、b、c、d表示一定质量的理想气体状态变化过程中的四个状态，图中

ad平行于横坐标轴，ab的延长线过原点，以下说法正确的是（）

A.从状态d到c,气体不吸热也不放热

B.从状态c到b,气体放热

C.从状态a到d，气体对外做功

D.从状态b到a，气体吸热

态b是一个降压、降温过程，同时体积减小，外界对气体做功，而气体的内能还要减小（降温）就一定要伴随放热的过程.故答案B对；气体从状态a到状态d是一个等压、升温的过程，同时体积增大，所以气体要对外做功，答案C正确；气体从状态b到状态a是个等容变化过程，随压强的增大，气体的温度升高，内能增大，而在这个过程中气体的体积没有

变化，就没有做功，气体内能的增大是因为气体吸热的结果，故答案D对.

答案：

BCD

7.如图所示的导热气缸内，用活塞封闭一定质量的理想气体，如果迅速向下压活塞时气体的温度会骤然升高（设为甲过程）.如果缓慢地向下压活塞

时，里面的气体温度不变（设为乙过程）.已知甲、乙两个过程中气体初态和末态的体积相同，不考虑活塞与气缸的摩擦，则下列说法正确的是（）

A.甲过程中气体的内能增加，乙过程中气体的内能不变

B.两过程中外界对气体做的功一样多

C.乙过程中气体的压强不变，甲过程中气体的压强不断增大

D.乙过程的末态气体压强比甲过程的末态气体压强小

解析：

温度是理想气体分子平均动能的标志，由题意知甲过程中气体温度升高，乙过

程中气体温度不变，所以A项正确.

外界对气体做功W=7•W，体积变化相同，但甲过程平均压强大于乙过程平均压强,

B项错；乙过程为等温压缩过程，压强变大，C项错.

可以将两过程末态看做一个等容过程，甲过程末态温度较高，压强较大，D项正确.

答案：

&（2011重庆卷15）某汽车后备箱内安装有撑起箱盖的装置，它主要由汽缸和活塞组

成.开箱时，密闭于汽缸内的压缩气体膨胀，将箱盖顶起，如图所示.在此过程中，若缸内气体与外界无热交换，忽略气体分子间相互作用，则缸内气体（）

A•对外做正功，分子的平均动能减小B•对外做正功，内能增大

C•对外做负功，分子的平均动能增大D•对外做负功，内能减小

解析：

气体膨胀，气体对外做正功，又因气体与外界无热交换，由热力学第一定律可

知气体内能减小，因忽略气体分子间相互作用，没有分子势能，所以分子的平均动能减小，选项A正确.

答案：

9.一定质量的理想气体的状态变化过程表示在如图所示的p—V图上，气体先由a状态

沿双曲线经等温过程变化到b状态，再沿与横轴平行的直线变化到c状态，a、c两点位于

与纵轴平行的直线上，以下说法中正确的是（）

A.由a状态至b状态过程中，气体放出热量，内能不变

B•由b状态至c状态过程中，气体对外做功，内能增加，平均每个气体分子在单位时间内与器壁碰撞的次数不变

C•c状态与a状态相比，c状态分子平均距离较大，分子平均动能较大

D•b状态与a状态相比，b状态分子平均距离较小，分子平均动能相等

解析：

由a到b的过程是等温过程，所以内能不发生变化，气体体积减小，所以外界对气体做功，放出热量；由b到c的过程中，是等压变化，体积增大，温度升高，内能增

加，而体积增大，所以气体对外界做功，应该吸收热量，虽然压强不变，但是气体分子热运动变得剧烈，碰撞次数改变.

答案：

10、下列说法正确的是

A•将一块晶体敲碎后，得到的小颗粒是非晶体

B•固体可以分为晶体和非晶体两类，有些晶体在不同的方向上有不同的光学性质

C•由同种元素构成的固体，可能会由于原子的排列方式不同而成为不同的晶体

D•在合适的条件下，某些晶体可以转化为非晶体，某些非晶体也可以转化为晶体

E.在熔化过程中，晶体要吸收热量，但温度保持不变，内能也保持不变

解析：

晶体有固定的熔点，并不会因为颗粒的大小而改变，即使敲碎为小颗粒，仍旧是

晶体，选项A错。

根据是否有固定的熔点，可以把固体分为晶体和非晶体两类，晶体有各

向异性，选项B对。

同种元素构成的可能由于原子的排列方式不同而形成不同的晶体如金

刚石和石墨。

选项C对。

晶体的分子排列结构如果遭到破坏就可能形成非晶体，反之亦然,选项D对。

熔化过程中，晶体要吸热，温度不变，但是内能增大，选项E错。

11.（2011江苏卷12A）

（1）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

（2）如图所示，内壁光滑的气缸水平放置，一定质量的理想气体被活塞密封在气缸内，外界大气压强为Po.现对气缸缓慢加热，气体吸收热量Q后，体积由V1增大为V2.则在此过程

中，气体分子平均动能（选填“增大”、“不变”或“减小”），气体内能变化了

解析：

（1）形状记忆合金进入水后受热形状发生改变而搅动热水，由能量守恒知能量来

源于热水，故A、B、C错；由能量守恒知，叶片吸收的能量一部分转化成叶片的动能，一

部分释放于空气中，故D对.

（2）加热后，气体温度升高，平均动能增大.

△U=Q+W=Q—poSod=Q—po（V2—Vi）

答案：

（1）D

（2）增大Q—Po（V2—Vi）

12、

（1）若一气泡从湖底上升到湖面的过程中温度保持不变，则在此过程中关于气泡中

的气体，下列说法正确的是。

（填写选项前的字母）

A.气体分子间的作用力增大B.气体分子的平均速率增大

C.气体分子的平均动能减小D.气体组成的系统地熵增加

（2）若将气泡内的气体视为理想气体，气泡从湖底上升到湖面的过程中，对外界做了

0.6J的功，则此过程中的气泡（填吸收”或放出”）的热量是J。

气泡到达

湖面后，温度上升的过程中，又对外界做了0.1J的功，同时吸收了0.3J的热量，则此过程

中，气泡内气体内能增加了J

（3）已知气泡内气体的密度为1.29kg/m3，平均摩尔质量为0.29kg/mol。

阿伏加德罗常

数Na=6.02x1023mol-1,取气体分子的平均直径为2x10-10m,若气泡内的气体能完全变为液

体，请估算液体体积与原来气体体积的比值。

（结果保留以为有效数字）

答案：

（1）D

（2）吸收0.60.2

（3）设气体体积为V，液体体积为V1

气体分子数n=史0Na,V]=n—匸（或V|=nd3）

贝VV_=—兀d‘NA（或出=一d3Na）

V06mV0m

解得V^=v<10"4（9^10*〜2^10/都算对）

【解析】

（1）掌握分子动理论和热力学定律才能准确处理本题。

气泡的上升过程气泡内

的压强减小，温度不变，由玻意尔定律知，上升过程中体积增大，微观上体现为分子间距增大，分子间引力减小，温度不变所以气体分子的平均动能、平均速率不变，此过程为自发过程，故熵增大。

D项正确。

（2）本题从热力学第一定律入手，抓住理想气内能只与温度有关的特点进行处理。

理

想气体等温过程中内能不变，由热力学第一定律U=QW，物体对外做功0.6J,则一定

0.2J。

同时从外界吸收热量0.6J，才能保证内能不变。

而温度上升的过程，内能增加了

（3）微观量的运算，注意从单位制检查运算结论，最终结果只要保证数量级正确即可。

设气体体积为V0，液体体积为V1

-\/d3

气体分子数n=—-NA,y=n—（或V|=nd3）

则Vl二'蔥d3NA（或Vl二：

d3NA）

V06mV0m

解得\l=ixio4（9>d0上〜2工10鼻都算对）

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