2026高考物理复习课件 第十五章第4讲 热力学定律与能量守恒定律

第十五章热学第4讲热力学定律与能量守恒定律 目录123教材阅读指导考点一热力学第一定律　能量守恒定律考点二热力学第二定律考点三　热力学第一定律与气体实验定律的综合应用考点四　热力学第一定律在图像问题中的应用课时作业456 教材阅读指导(对应人教版选择性必修第三册相关内容及问题) 第三章第1节[练习与应用]T3。第三章第2节[思考与讨论]。提示：温度降低；温度升高。因为气体在绝热膨胀时，虽然与外界无热量交换，但气体对外界做功，气体内能减小，温度降低；而气体在绝热压缩时，虽然与外界无热量交换，但外界对气体做功，气体内能增大，温度升高。提示：膨胀过程中是气体对外界做功；－220J；减少了。对热力学第一定律ΔU＝Q＋W，系统内能增加时ΔU为正值，内能减小时ΔU为负值；系统吸热时Q为正值，系统放热时Q为负值；外界对系统做功时W取正值，系统对外界做功时W取负值。 第三章第2节[练习与应用]T2。第三章第4节阅读“热力学第二定律”这一部分内容。第三章第4节[练习与应用]T3。提示：(1)Q1<Q2；(2)因为定压时，气体吸热时还会对外做功，故气体在定容下的比热容小于在定压下的比热容。提示：不可行。温度反而会升高，因为有电能转化为内能。 考点一　热力学第一定律　能量守恒定律 一、热力学第一定律1．改变物体内能的两种方式(1)做功：当只有做功使物体的内能发生改变时，外界对物体做了多少功，物体内能就增加多少；物体对外界做了多少功，物体内能就减少多少。(2)传热：当只有传热使物体的内能发生改变时，物体吸收了多少热量，物体内能就增加多少；物体放出了多少热量，物体内能就减少多少。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_____与外界对它所做的功的和。(2)表达式：ΔU＝________。Q＋W热量 WQΔU＋外界对系统做功系统____热量内能______－系统对外界做功系统____热量内能_____吸收物理量意义符号增加放出减少 二、能量守恒定律1．能量守恒定律的内容：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式_____为其他形式，或者从一个物体_____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．能量守恒定律的普遍性：能量守恒定律是自然界的普遍规律，某一种形式的能是否守恒是有条件的，例如，机械能守恒定律具有适用条件，而能量守恒定律是无条件的，是一切自然现象都遵守的基本规律。3．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。违背______________，因此不可能实现。转化转移能量守恒定律 1．做功和传热的实质是相同的。()2．绝热过程中，外界压缩气体做功20J，气体的内能一定减少20J。()3．在给自行车打气时，会发现打气筒的温度升高，这是因为外界对气体做功。()4．自由摆动的秋千摆动幅度越来越小，能量正在消失。()5．利用河水的能量使船逆水航行的设想，符合能量守恒定律。()××√×√ 改变内能的两种方式的比较方式名称比较项目做功传热区别做功是其他形式的能与内能相互转化的过程，能的性质发生了变化不同系统间或同一系统不同部分之间内能的转移，能的性质不变相互联系做一定量的功或传递一定量的热量在改变内能的效果上是相同的 例1(人教版选择性必修第三册·第三章第2节[练习与应用]T1改编)用活塞压缩汽缸里的空气，对空气做了900J的功，同时汽缸向外散热210J，汽缸里空气的内能()A．增加了1110JB．减少了1110JC．增加了690JD．减少了690J解析由热力学第一定律ΔU＝W＋Q，得ΔU＝900J－210J＝690J，即内能增加690J，C正确。 例2(2025·天津市河西区高三上模拟)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 解析密闭于汽缸内的压缩气体膨胀对外做正功，即外界对缸内气体做负功，可知W<0，且缸内气体与外界无热交换，可知Q＝0，根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，可知缸内气体的内能增加量ΔU＜0，即内能减小，又忽略气体分子间相互作用，则气体分子势能可忽略，气体内能等于气体分子的动能，可知分子的平均动能减小，故A正确，B、C、D错误。 应用热力学第一定律的三点注意(1)做功情况看气体的体积：体积增大，气体对外做功，W为负；体积减小，外界对气体做功，W为正。(2)与外界绝热，则不与外界发生传热，此时Q＝0。(3)如果研究对象是理想气体，由于理想气体没有分子势能，所以当它的内能变化时，体现为分子平均动能的变化，从宏观上看就是温度发生了变化。 考点二　热力学第二定律 1．克劳修斯表述热量不能________从低温物体传到高温物体。2．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________________。或表述为“________永动机是不可能制成的。”3．用熵的概念表示热力学第二定律在自发过程中，系统总是自发地向______方向发展，即一个孤立系统的熵值总是________的。(熵增加原理)自发地不产生其他影响第二类无序不减少 4．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，而不产生其他影响的机器。违背__________________，不可能实现。5．能源是有限的(1)每天我们使用的能源最后都转化成了内能，能源消耗使得周围环境升温。根据热力学第二定律，分散在环境中的内能不能自动聚集起来驱动机器做功了。这样的转化过程叫作“_________”。(2)所谓能源，其实是指具有高品质的容易利用的________，例如石油、天然气、煤等。能源的使用过程中虽然能的总量保持守恒，但能量的_____下降了。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。热力学第二定律能量耗散储能物质品质 1．根据热力学第二定律可知，凡与热现象有关的宏观过程都具有方向性，在热传导中热量只能自发地从高温物体传递给低温物体，而不能自发地从低温物体传递给高温物体。()2．随着技术不断进步，热机的效率可能达到100%。()3．对能源的过度消耗将使自然界的能量不断减少，形成能源危机。()4．热机中，燃气的内能可以全部变为机械能而不引起其他变化。()√××× 热力学第一、第二定律的比较定律名称比较项目热力学第一定律热力学第二定律定律揭示的问题从能量守恒的角度揭示了功、热量和内能改变量三者的定量关系指出一切与热现象有关的宏观自然过程都有特定的方向性机械能和内能的转化通过做功机械能与内能互相转化内能不可能在不引起其他变化的情况下完全转化为机械能 热量的传递内能的变化量等于外界做的功与吸收的热量之和说明热量不能自发地从低温物体传向高温物体表述形式只有一种表述形式有多种表述形式两定律的关系在热力学中，两者既相互独立，又互为补充，共同构成了热力学知识的理论基础 例3(人教版选择性必修第三册·第三章第4节[练习与应用]T2改编)(多选)下列现象中能够发生的是()A．一杯热茶在打开杯盖后，茶会自动变得更热B．蒸汽机把蒸汽的内能全部转化成机械能C．桶中混浊的泥水在静置一段时间后，泥沙下沉，上面的水变清，泥、水自动分离D．电冰箱通电后把箱内低温物体的热量传到箱外高温物体 解析热量只会自发地从高温物体传到低温物体，而不会自发地从低温物体传到高温物体，故A错误；机械能可以完全转化为内能，而内能却不能完全转化为机械能，故B错误；桶中混浊的泥水在静置一段时间后，泥沙下沉，上面的水变清，泥、水自动分离是因为泥沙的密度大于水，故可以分离，C正确；电冰箱通电后由于压缩机做功从而将箱内低温物体的热量传到箱外的高温物体，故D正确。 对热力学第二定律的理解(1)在热力学第二定律的表述中，“自发地”“不产生其他影响”的含义：①“自发地”指不需要借助外界提供能量的帮助，指明了传热等热力学宏观现象的方向性；②“不产生其他影响”的含义是发生的热力学宏观过程只在本系统内完成，对周围环境不产生热力学方面的影响，如吸热、放热、做功等。 考点三　热力学第一定律与气体实验定律的综合应用 解答此类问题的基本流程 例4(2024·重庆高考)某救生手环主要由高压气囊密闭一部分气体组成。气囊内气体视为理想气体。密闭气囊与人一起上浮的过程中，若气囊内气体温度不变，体积增大，则()A．外界对气囊内气体做正功B．气囊内气体压强增大C．气囊内气体内能增大D．气囊内气体从外界吸热解析密闭气囊与人一起上浮的过程中，气囊内气体体积变大，则外界对气囊内气体做负功，W<0，A错误；气囊内气体温度不变，体积变大，由玻意耳定律可知，气囊内气体压强变小，故B错误；气囊内气体温度不变，则内能不变，ΔU＝0，根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W，可知Q>0，即气囊内气体从外界吸热，故C错误，D正确。 处理热力学第一定律与气体实验定律的综合问题的注意事项(1)解决具体问题时，分清气体的变化过程是求解问题的关键，根据不同的变化，找出相关的气体状态参量，利用相关规律解决。(2)对理想气体，压强不变时，外界对气体(或气体对外界)做功W＝pΔV。 考点四　热力学第一定律在图像问题中的应用 例6(2022·辽宁高考)一定质量的理想气体从状态a变化到状态b，其体积V和热力学温度T的关系图像如图所示，此过程中该系统()A．对外界做正功B．压强保持不变C．向外界放热D．内能减少 例7(2024·山东省泰安市高三下二模)一定质量的理想气体由状态a变为状态c，其过程如pV图中a→c直线段所示，状态b对应该线段的中点。下列说法正确的是()A．a→c是等温过程B．a→c过程中气体吸收的热量为8p0V0C．a→c过程中气体吸收的热量为4p0V0D．a→c过程中气体的温度先降低再升高 课时作业 [A组　基础巩固练]1．(多选)根据热力学定律，下列说法正确的是()A．一切符合能量守恒定律的宏观过程都能发生B．科技的不断进步使得人类有可能生产出单一热源的热机C．尽管科技不断进步，热机的效率仍不能达到100%D．能量耗散是从能量转化的角度反映出自然界中的宏观过程具有方向性 解析：热运动的宏观过程具有一定的方向性，符合能量守恒定律的宏观过程并不一定能够发生，故A错误；根据热力学第二定律的开尔文表述，热机从一个热库吸热，一定会向另一个热库放热，即不可能生产出单一热源的热机，故B错误；根据热力学第二定律，即使没有漏气、摩擦、不必要的散热等损失，热机也不可能把燃料产生的内能全部转化为机械能，即效率达不到100%，故C正确；能量耗散是从能量转化的角度反映出自然界中的宏观过程具有方向性，故D正确。 2．(2025·四川省内江市高三上零模)如图，健身球是一个充满气体的大皮球，当人压向健身球时，假设球内气体为理想气体且温度不变，则在这个过程中()A．气体分子的平均速率增大B．外界对气体做功C．气体从外界吸收热量D．气体的压强不变 3．(2024·北京高考)一个气泡从恒温水槽的底部缓慢上浮，将气泡内的气体视为理想气体，且气体分子个数不变，外界大气压不变。在上浮过程中气泡内气体()A．内能变大B．压强变大C．体积不变D．从水中吸热解析：气泡内的气体可视为理想气体，则其内能只与温度有关，在上浮过程中气泡内气体的温度不变，则其内能不变，故A错误；气泡内气体压强p＝p0＋ρ水gh，在上浮过程中，气泡距离水面的高度h减小，且外界大气压p0不变，则气泡内气体压强减小，故B错误；在上浮过程中气泡内气体的温度不变，压强减小，由玻意耳定律pV＝C知，气泡内气体体积变大，故C错误；在上浮过程中气泡内气体体积变大，则气体对外做功，W<0，又由A项分析知ΔU＝0，由热力学第一定律ΔU＝Q＋W知，Q>0，即气泡内气体从水中吸热，故D正确。 4．(2022·天津高考)(多选)采用涡轮增压技术可提高汽车发动机效率。将涡轮增压简化为以下两个过程，一定质量的理想气体首先经过绝热过程被压缩，然后经过等压过程回到初始温度，则()A．绝热过程中，气体分子平均动能增加B．绝热过程中，外界对气体做负功C．等压过程中，外界对气体做正功D．等压过程中，气体内能不变 解析：该理想气体经过绝热过程被压缩，气体体积减小，外界对气体做正功，即Q＝0，W>0，根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q可知，气体内能增加，则气体温度升高，气体分子平均动能增加，故A正确，B错误；该理想气体经过等压过程回到初始温度，结合A、B两项中分析可知，该过程气体温度降低，气体内能减少，根据盖—吕萨克定律可知，气体体积减小，则外界对气体做正功，故C正确，D错误。 5．(2024·江苏省苏锡常镇高三下三模)如图所示，一用锁钉锁定的导热活塞将导热汽缸分成体积相等的左、右两室，开始时气体压强之比为5∶3，拔出锁钉后，活塞移动并最终保持稳定状态，外界温度恒定，汽缸内气体均可视为理想气体。则下列说法正确的是()A．右室气体吸热B．左室气体吸热C．右室气体对左室气体做正功D．左室气体分子平均速率变大 解析：因为左室气体的压强大，右室气体的压强小，拔出锁钉后，活塞向右移动，左室气体体积增大，右室气体体积减小，左室气体对右室气体做正功，而汽缸导热且外界温度恒定，故缸内气体的温度保持不变，即左、右两室气体的内能均不变，根据热力学第一定律可知，左室气体吸收热量，右室气体放出热量，故B正确，A、C错误；左室气体温度不变，故分子的平均动能不变，分子平均速率不变，D错误。 7．如图甲所示，在竖直放置的圆柱形容器内用横截面积S＝100cm2的质量不计且光滑的活塞密封一定质量的气体，活塞上静止一质量为m的重物。图乙是密闭气体从状态A变化到状态B的VT图像，密闭气体在A点的压强pA＝1．03×105Pa，从状态A变化到状态B的过程中吸收热量Q＝500J。已知外界大气压强p0＝1．01×105Pa，下列说法正确的是()A．重物质量m＝1kgB．气体在状态B时的体积为8．0×10－2m3C．从状态A变化到状态B的过程，气体对外界做功202JD．从状态A变化到状态B的过程，气体的内能增加294J 8．(2024·新课标卷)(多选)如图，一定量理想气体的循环由下面4个过程组成：1→2为绝热过程(过程中气体不与外界交换热量)，2→3为等压过程，3→4为绝热过程，4→1为等容过程。上述四个过程是四冲程柴油机工作循环的主要过程。下列说法正确的是()A．1→2过程中，气体内能增加B．2→3过程中，气体向外放热C．3→4过程中，气体内能不变D．4→1过程中，气体向外放热 [B组　综合提升练]9．(2025·八省联考陕西卷)(多选)如图，用绝热材料制成的密闭容器被隔板K分成Ⅰ、Ⅱ两部分，一定量的某理想气体处于Ⅰ中，Ⅱ内为真空。抽取隔板K，气体进入Ⅱ中，最终整个容器均匀地分布了这种气体。则此过程，该气体系统()A．对外做功，体积膨胀B．对外不做功，最终压强减小C．内能减少，最终温度降低D．无序度变大 10．(2024·河北高考)(多选)如图，水平放置的密闭绝热汽缸被导热活塞分成左右两部分，左侧封闭一定质量的理想气体，右侧为真空，活塞与汽缸右壁中央用一根轻质弹簧水平连接。汽缸内壁光滑且水平长度大于弹簧自然长度，弹簧的形变始终在弹性限度内且体积忽略不计。活塞初始时静止在汽缸正中间，后因活塞密封不严发生缓慢移动，活塞重新静止后()A．弹簧恢复至自然长度B．活塞两侧气体质量相等C．与初始时相比，汽缸内气体的内能增加D．与初始时相比，活塞左侧单位体积内气体分子数减少 解析：初始状态活塞受到左侧气体向右的压力和弹簧向左的弹力处于平衡状态，弹簧处于压缩状态，因活塞密封不严，左侧气体向右侧真空漏出，左侧气体对活塞向右的压力变小，右侧有气体漏入，对活塞产生向左的压力且逐渐增大，则活塞逐渐向左移动，弹簧弹力减小，直到左、右两侧气体压强相等时，弹簧弹力减小到0，活塞重新静止，这时弹簧恢复原长，故A正确；由题知，初始时活塞静止在汽缸正中间，由于活塞向左移动，则最终两侧气体压强相等时，左侧气体体积小于右侧气体体积，又因为两部分气体的密度相同，则活塞重新静止后左侧气体质量小于右侧气体质量，故B错误；密闭的汽缸绝热，与外界没有能量交换，弹簧弹性势能减少，由能量守恒定律可知，汽缸内气体内能增加，故C正确；初始时气体全部在活塞左侧，体积为汽缸容积的一半，最终气体充满整个汽缸，则与初始时相比，活塞左侧单位体积内气体分子数减少，故D正确。 12．(2024·贵州高考)制作水火箭是青少年科技活动的常见项目之一。某研究小组为了探究水火箭在充气与喷水过程中气体的热学规律，把水火箭的塑料容器竖直固定，其中A、C分别是塑料容器的充气口、喷水口，B是气压计，如图a所示。在室温环境下，容器内装入一定质量的水，此时容器内的气体体积为V0，压强为p0，现缓慢充气后压强变为4p0，不计容器的容积变化。 (1)设充气过程中气体温度不变，求充入的气体在该室温环境下压强为p0时的体积。(2)打开喷水口阀门，喷出一部分水后关闭阀门，容器内气体从状态M变化到状态N，其压强p与体积V的变化关系如图b中实线所示，已知气体在状态N时的体积为V1，压强为p1，求气体在状态N与状态M时的热力学温度之比。(3)图b中虚线MN′是容器内气体在绝热(既不吸热也不放热)条件下压强p与体积V的变化关系图线，试判断气体在图b中沿实线从M到N的过程是吸热还是放热。(不需要说明理由) [C组　拔尖培优练]13．(2023·新课标卷)(多选)如图，一封闭着理想气体的绝热汽缸置于水平地面上，用轻弹簧连接的两绝热活塞将汽缸分为f、g、h三部分，活塞与汽缸壁间没有摩擦。初始时弹簧处于原长，三部分中气体的温度、体积、压强均相等。现通过电阻丝对f中的气体缓慢加热，停止加热并达到稳定后()A．h中的气体内能增加B．f与g中的气体温度相等C．f与h中的气体温度相等D．f与h中的气体压强相等