高中物理高考一轮复习一轮复习 2023届高考物理一轮复习学案热力学定律与能量守恒

热力学定律与能量守恒一、热力学定律1.热力学第零定律如果两个系统分别与第三个系统达到热平衡，那么这两个系统也必然处于热平衡状态。2.改变物体内能的两种方式：(1)做功；(2)热传递.3.热力学第一定律(1)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功的和.(2)表达式：ΔU＝Q＋W.(3)ΔU＝Q＋W中正、负号法则：物理量意义符号WQΔU＋外界对物体做功物体吸收热量内能增加－物体对外界做功物体放出热量内能减少4.热力学第二定律（1）热力学第二定律的两种表述克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传到高温物体.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.（2）用熵的概念表示热力学第二定律在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小.（3）热力学第二定律的微观意义一切自发过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行.（4）第二类永动机不可能制成的原因是违背了热力学第二定律.二、能量守恒定律能量守恒定律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另一种形式，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，能量的总量保持不变.2.条件性：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.3.第一类永动机是不可能制成的，它违背了能量守恒定律.

知识拓展一：热力学第一定律的理解和应用1.热力学第一定律的理解(1)内能的变化都要用热力学第一定律进行综合分析.(2)做功情况看气体的体积：体积增大，气体对外做功，W为负；体积缩小，外界对气体做功，W为正.(3)与外界绝热，则不发生热传递，此时Q＝0.(4)如果研究对象是理想气体，因理想气体忽略分子势能，所以当它的内能变化时，主要体现在分子动能的变化上，从宏观上看就是温度发生了变化.2.三种特殊情况(1)若过程是绝热的，则Q＝0，W＝ΔU，外界对物体做的功等于物体内能的增加；(2)若过程中不做功，即W＝0，则Q＝ΔU，物体吸收的热量等于物体内能的增加；(3)若过程的初、末状态物体的内能不变，即ΔU＝0，则W＋Q＝0或W＝－Q，外界对物体做的功等于物体放出的热量.例1、（多选）如图，用隔板将一绝热汽缸分成两部分，隔板左侧充有理想气体，隔板右侧与绝热活塞之间是真空.现将隔板抽开，气体会自发扩散至整个汽缸.待气体达到稳定后，缓慢推压活塞，将气体压回到原来的体积.假设整个系统不漏气.下列说法正确的是()A.气体自发扩散前后内能相同B.气体在被压缩的过程中内能增大C.在自发扩散过程中，气体对外界做功D.气体在被压缩的过程中，外界对气体做功【答案】ABD【解析】因为汽缸、活塞都是绝热的，隔板右侧是真空，所以理想气体在自发扩散的过程中，既不吸热也不放热，也不对外界做功.根据热力学第一定律可知，气体自发扩散前后，内能不变，选项A正确，选项C错误；气体在被压缩的过程中，外界对气体做功，气体内能增大，又因为一定质量的理想气体的内能只与温度有关，所以气体温度升高，分子平均动能增大，选项B、D正确例2、（多选）关于气体的内能，下列说法正确的是()A.质量和温度都相同的气体，内能一定相同B.气体温度不变，整体运动速度越大，其内能越大C.气体被压缩时，内能可能不变D.一定量的某种理想气体的内能只与温度有关E.一定量的某种理想气体在等压膨胀过程中，内能一定增加【答案】CDE【解析】质量和温度都相同的气体，虽然分子平均动能相同，但是不同的气体，其摩尔质量不同，即分子个数不同，所以分子总动能不一定相同，A错误；宏观运动和微观运动没有关系，所以宏观运动速度大，内能不一定大，B错误；根据eq\f(pV,T)＝C可知，如果等温压缩，则内能不变；等压膨胀，温度增大，内能一定增大，C、E正确；理想气体的分子势能为零，所以一定量的某种理想气体的内能只与分子平均动能有关，而分子平均动能和温度有关，D正确.

知识拓展二：热力学第一定律与图象的综合应用例1、（多选）如图，一定质量的理想气体从状态a开始，经历过程①、②、③、④到达状态e.对此气体，下列说法正确的是()A.过程①中气体的压强逐渐减小B.过程②中气体对外界做正功C.过程④中气体从外界吸收了热量D.状态c、d的内能相等E.状态d的压强比状态b的压强小【答案】BDE【解析】过程①中，气体由a到b，体积V不变、T升高，则压强增大，A项错误；过程②中，气体由b到c，体积V变大，对外界做正功，B项正确；过程④中，气体由d到e，温度T降低，内能ΔU减小，体积V不变，气体不做功，根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W得Q<0，即气体放出热量，C项错误；状态c、d温度相同，所以内能相等，D项正确；由b到d的过程，作过状态b、d的等压线，分析可得pb>pd，E项正确.例2、（多选）如图，一定量的理想气体从状态a变化到状态b，其过程如p-V图中从a到b的直线所示．在此过程中()A.气体温度一直降低B.气体内能一直增加C.气体一直对外做功D.气体一直从外界吸热E.气体吸收的热量一直全部用于对外做功【答案】BCD【解析】A．由图知气体的pV一直增大，由，知气体的温度一直升高，故A错误；B．一定量的理想气体内能只跟温度有关，温度一直升高，气体的内能一直增加，故B正确；C．气体的体积增大，则气体一直对外做功，故C正确；D．气体的内能一直增加，并且气体一直对外做功，根据热力学第一定律△U=W+Q可知气体一直从外界吸热，故D正确；E．气体吸收的热量用于对外做功和增加内能，故E错误．例3、（多选）图示描述了一定质量的理想气体状态变化过程中的四个状态，图中ab的延长线过原点，则下列说法正确的是()A.气体从状态a到b的过程，气体体积不变B.气体从状态b到c过程，一定从外界吸收热量C.气体从状态c到d的过程，外界对气体做功D.气体从状态d到a的过程，气体的内能减小E.气体从状态d到a的过程，气体对外界做功【答案】ABD【解析】A.从状态a到b，气体发生的是等容变化，气体的体积不变，故A正确；

B．从状态b到c，温度升高，气压不变，根据理想气体状态方程，体积增加，体积增加说明对外做功，温度升高说明内能增加，根据热力学第一定律公式△U=W+Q，气体吸收热量，故B正确；

C．从状态c到d，各点与原点连线的斜率变小，体积变大，体积变大说明气体对外做功，故C错误；

DE．从状态d到a，各点与原点连线的斜率变大，体积变小，外界对气体做功，温度降低，内能减小，故D正确，E错误；

故选ABD。例4、（多选）如图所示，一定质量的理想气体经历的状态变化为a→b→c→a，其中纵坐标表示气体压强p、横坐标表示气体体积V，a→b是以p轴和V轴为渐近线的双曲线。则下列结论正确的是()A.状态a→b，理想气体的内能减小B.状态b→c，单位时间内对单位面积器壁碰撞的分子数变少C.状态b→c，外界对理想气体做正功D.状态c→a，理想气体的密度不变E.状态a→b，理想气体从外界吸收热量【答案】CDE【解析】AE．状态a→b为等温变化，所以理想气体内能不变，且体积增大，气体对外界做功，由热力学第一定律可知，理想气体从外界吸收热量，故A错误，E正确；BC．状态b→c为等压变化，且体积减小，外界对气体做正功，单位面积上的分子数增大，故B错误，C正确；D．状态c→a为等容变化，所以一定质量的理想气体的密度不变，故D正确。故选CDE。

知识拓展三：热力学第一定律与气体实验定律的综合应用基本思路例1、某民航客机在一万米左右高空飞行时，需利用空气压缩机来保持机舱内外气体压之比为4：1。机舱内有一导热气缸，活塞质量m=2kg、横截面积S=10cm2，活塞与气缸壁之间密封良好且无摩擦。客机在地面静止时，气缸如图（a）所示竖直放置，平衡时活塞与缸底相距=8cm；客机在高度h处匀速飞行时，气缸如图（b）所示水平放置，平衡时活塞与缸底相距=10cm。气缸内气体可视为理想气体，机舱内温度可认为不变。已知大气压强随高度的变化规律如图（c）所示地面大气压强p0=×105Pa，地面重力加速度g=10m/s2。(1)判断气缸内气体由图（a）状态到图（b）状态的过程是吸热还是放热，并说明原因；(2)求高度h处的大气压强，并根据图（c）估测出此时客机的飞行高度。【答案】(1)吸热；(2)，104m【解析】(1)根据热力学第一定律由于气体体积膨胀，对外做功，而内能保持不变，因此吸热。(2)初态封闭气体的压强根据可得机舱内外气体压之比4：1，因此舱外气体压强对应表可知飞行高度为104m例2、如图所示，内壁光滑、足够高的圆柱形汽缸竖直放置，内有一质量为m的活塞封闭一定质量的理想气体.已知活塞横截面积为S，外界大气压强为p0，缸内气体温度为T1.现对汽缸内气体缓慢加热，使气体体积由V1增大到V2，该过程中气体吸收的热量为Q1，停止加热并保持体积V2不变，使其降温到T1，已知重力加速度为g，求：(1)停止加热时缸内气体的温度；(2)降温过程中气体放出的热量.【答案】(1)eq\f(V2,V1)T1(2)Q1－(p0＋eq\f(mg,S))(V2－V1)【解析】(1)加热过程中气体等压膨胀，由eq\f(V1,T1)＝eq\f(V2,T2)，得：T2＝eq\f(V2,V1)T1.(2)设加热过程中，封闭气体内能增加ΔU，因气体体积增大，故此过程中气体对外做功，W<0.由热力学第一定律知：ΔU＝Q1＋W其中W＝－pΔV＝－(p0＋eq\f(mg,S))(V2－V1)由于理想气体内能只与温度有关，故再次降到原温度时气体放出的热量满足Q2＝ΔU整理可得：Q2＝Q1－(p0＋eq\f(mg,S))(V2－V1).例3、如图所示，一竖直放置、内壁光滑的柱形绝热气缸内置加热丝，用质量不计的绝热活塞封闭一定质量的理想气体，开始时气体温度为27℃，活塞距气缸底部的高度为h1=，现给气缸内气体缓慢加热，当气缸内气体吸收了450J的热量时温度升高了。已知活塞的横截面积为S=×10－3m2，外界大气压为p0=×105Pa，求：①温度升高了时活塞距离气缸底部的高度h2；②此加热过程中气缸内气体增加的内能。【答案】①；②300J。【解析】①由题意可知气体吸热的过程是等压过程，由盖·吕萨克定律有而T1＝300K，T2＝(T1＋Δt)＝480K，代入数据得h2＝；②气体克服外界大气压强做的功为W＝p0ΔV而ΔV＝(h2－h1)S＝×10－3m3，代入数据得：W＝150J由热力学第一定律有ΔU＝－W＋Q得：ΔU＝300J。

知识拓展四：热力学第二定律1.热力学第二定律的涵义(1)“自发地”指明了热传递等热力学宏观现象的方向性，不需要借助外界提供能量的帮助.(2)“不产生其他影响”的涵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.在产生其他影响的条件下内能可以全部转化为机械能，如气体的等温膨胀过程.2.热力学第二定律的实质热力学第二定律的每一种表述，都揭示了大量分子参与的宏观过程的方向性，进而使人们认识到自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性.3.热力学过程的方向性实例热量Q不能自发传给热量Q不能自发传给能自发地完全转化为为能自发地完全转化为为不能自发地转化为为(2)功热.不能自发地转化为为能自发膨胀到能自发膨胀到不能自发收缩到(3)气体体积V1气体体积V2(较大).不能自发收缩到能自发混合成能自发混合成不能自发分离成(4)不同气体A和B混合气体AB.不能自发分离成4.两类永动机的比较第一类永动机第二类永动机设计要求不需要任何动力或燃料，却能不断地对外做功的机器从单一热源吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响的机器不可能制成的原因违背能量守恒定律不违背能量守恒定律，违背热力学第二定律例1、（多选）关于第二类永动机，下列说法中正确的是()A．没有冷凝器，只有单一的热源，能将从单一热源吸收的热量全部用来做功，而不引起其他变化的热机叫做第二类永动机B．第二类永动机违反了能量守恒定律，所以不可能制成C．第二类永动机不可能制成，说明机械能可以全部转化为内能，内能却不能全部转化为机械能D．第二类永动机不可能制成，说明机械能可以全部转化为内能，内能却不能全部转化为机械能，同时不引起其他变化【答案】AD【解析】没有冷凝器，只有单一的热源，能将从单一热源吸收的热量全部用来做功，而不引起其他变化的热机叫做第二类永动机，A正确；第二类永动机不违反能量守恒定律，但违反了热力学第二定律，所以不可能制成，B错误；第二类永动机不可能制成，说明机械能可以全部转化为内能，内能却不能全部转化为机械能，同时不引起其他变化，C错误，D正确。例2、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.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.(1)(多选)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.电冰箱的工作原理不违反热力学第一定律D.电冰箱的工作原理违反热力学第一定律(2)电冰箱的制冷系统从冰箱内吸收的热量与释放到外界的热量相比，有怎样的关系？【答案】(1)BC(2)见解析【解析】(1)热力学第一定律是热现象中内能与其他形式能的转化规律，是能量守恒定律的具体表现，适用于所有的热学过程，故C项正确，D项错误；由热力学第二定律可知，热量不能自发地从低温物体传到高温物体，除非有外界的影响或帮助，电冰箱把热量从低温的内部传到高温的外部，需要压缩机的帮助并消耗电能，故B项正确，A项错误.(2)由热力学第一定律可知，电冰箱制冷系统从冰箱内吸收了热量，同时消耗了电能，释放到外界的热量比从冰箱内吸收的热量多.

课堂练习练习1、根据学过的热学中的有关知识，判断下列说法中正确的是()A.机械能可以全部转化为内能，内能也可以全部用来做功转化成机械能B.凡与热现象有关的宏观过程都具有方向性，在热传递中，热量只能从高温物体传递给低温物体，而不能从低温物体传递给高温物体C.尽管科技不断进步，热机的效率仍不能达到100%，制冷机却可以使温度降到－293℃D.第一类永动机违背能量守恒定律，第二类永动机不违背能量守恒定律，随着科技的进步和发展，第二类永动机可以制造出来【答案】A【解析】机械能可以全部转化为内能，而内能在引起其他变化时也可以全部转化为机械能，A正确；凡与热现象有关的宏观过程都具有方向性，在热传递中，热量可以自发地从高温物体传递给低温物体，也能从低温物体传递给高温物体，但必须借助外界的帮助，B错误；尽管科技不断进步，热机的效率仍不能达到100%，制冷机也不能使温度降到－293℃，只能无限接近－℃，C错误；第一类永动机违背能量守恒定律，第二类永动机不违背能量守恒定律，而是违背了热力学第二定律，第二类永动机不可能制造出来，D错误.练习2、关于两类永动机和热力学的两个定律，下列说法正确的是()A.第二类永动机不可能制成是因为违反了热力学第一定律B.第一类永动机不可能制成是因为违反了热力学第二定律C.由热力学第一定律可知做功不一定改变内能，热传递也不一定改变内能，但同时做功和热传递一定会改变内能D.由热力学第二定律可知热量从低温物体传向高温物体是可能的，从单一热源吸收热量，完全变成功也是可能的【答案】D【解析】第一类永动机违反能量守恒定律，第二类永动机违反热力学第二定律，A、B错；由热力学第一定律可知W≠0，Q≠0，但ΔU＝W＋Q可以等于0，C错；由热力学第二定律可知D中现象是可能的，但会引起其他变化，D对.练习3、（多选）一定量的理想气体的压强p与热力学温度T的变化图象如图所示.下列说法正确的是()→B的过程中，气体对外界做功，气体内能增加→B的过程中，气体从外界吸收的热量等于其内能的增加量→C的过程中，气体体积增大，对外做功→C的过程中，气体对外界放热，内能不变→C的过程中，气体分子与容器壁每秒碰撞的次数增加【答案】BDE【解析】从A到B的过程，是等容升温过程，气体不对外做功，气体从外界吸收热量，使得气体内能增加，故A错误，B正确；从B到C的过程是等温压缩过程，压强增大，体积减小，外界对气体做功，气体放出热量，内能不变，因体积减小，分子数密度增大，故气体分子与容器壁每秒碰撞的次数增加，故C错误，D、E正确.练习4、（多选）如图所示，固定在地面上的水平气缸内由活塞封闭着一定量的气体，气体分子之间的相互作用力可以忽略，假设气缸壁的导热性能很好，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，则在拉动活塞的过程中，下列说法正确的是()A．气体做等温膨胀，气体分子单位时间对气缸壁单位面积碰撞的次数将变少B．气体做等温膨胀，分子的平均动能不变，气体的压强不变C．气体从外界吸收热量，内能不变D．气体是从单一热源吸收，全部用来对外做功，此过程违反热力学第二定律【答案】AC【解析】因气缸导热，气体的温度不变，气体体积变大，则压强减小；气体的体积增大，则单位体积内的分子数减小，则气体分子单位时间对气缸壁单位面积碰撞的次数将变少，选项A正确，B错误；由于气体压迫活塞，故气体对外做功，则由热力学第一定律可知，因温度不变，内能不变，则气体应吸热，且吸收的热量等于对外做功，选项C正确；气体是从单一热源吸收，全部用来对外做功，但要引起气体的变化，此过程不违反热力学第二定律，选项D错误。练习5、如图所示，竖直放置的圆柱形绝热气缸内封闭着1mol单原子分子理想气体，气体温度为T0．活塞的质量为m，横截面积为S，与气缸底部相距h，现通过电热丝缓慢加热气体，活塞上升了h，已知1mol单原子分子理想气体内能表达式为，大气压强为P0，重力加速度为g，不计活塞与气缸的摩擦，求：（1）加热过程中气体吸收的热量．（2）现停止对气体加热，同时在活塞上缓慢添加砂粒，当添加砂粒的质量为m1时，活塞恰好回到原来的位置，求此时气体的温度．【答案】（1）；（2）【解析】（1）活塞平衡气体对外做功由理想气体状态方程解得由热力学第一定律根据题干所给条件故（2）末态活塞平衡由理想气体状态方程解得练习6、如图所示，汽缸内封闭一定质量的某种理想气体，活塞通过滑轮和一重物连接并保持平衡，已知活塞距缸口，活塞面积，封闭气体的体积为，温度为，大气压强，物体重力，活塞重力及一切摩擦不计。缓慢升高环境温度，封闭气体吸收了的热量，使活塞刚好升到缸口。求：(1)活塞刚好升到缸口时，气体的温度；(2)气体内能的变化量。【答案】(1)364K；(2)35J【解析】(1)封闭气体初态，末态缓慢升高环境温度，封闭气体做等压变化，则有解得(2)设封闭气体做等压变化的压强为p，对活塞汽缸内气体对外界做功解得由热力学第一定律得，汽缸内气体内能的变化量得故汽缸内的气体内能增加了35J。

课后练习1.（多选）如图，一定量的理想气体从状态a变化到状态b，其过程如p-V图中从a到b的直线所示。在此过程中（）A．气体温度一直降低 B．气体内能一直增加C．气体一直对外做功 D．气体一直从向外放热【答案】BC【解析】A．由图知气体的pV一直增大，由知气体的温度一直升高，故A错误；

B．一定量的理想气体内能只跟温度有关，温度一直升高，气体的内能一直增加，故B正确；

C．气体的体积增大，则气体一直对外做功，故C正确；

D．气体的内能一直增加，并且气体一直对外做功，根据热力学第一定律△U=W+Q可知气体一直从外界吸热，故D错误。

故选BC。2.如图所示，在p—V图象中，直线ab表示一定质量的理想气体由状态a变化到状态b的过程（）A．气体一直对外界做功 B．气体的温度先升高后降低C．气体的内能一直增加 D．气体先向外界放出热量，后从外界吸收热量【答案】AC【解析】A．由于气体体积膨胀，一定对外做功，A正确；BC．由图象可知，p、V的表达式从a到b的过程中，根据理想气体状态方程（恒量）可得可知状态a变化到状态b的过程，气体的温度一直升高，内能一直增加，B错误，C正确；D．根据热力学第一定律，整个过程中，一直对外做功，内能一直增加，因此一直从外界吸热，D错误。故选AC。3.（多选）关于热力学定律，下列说法正确的是（）A．科技的进步使得人类有可能生产出从单一热源吸热全部用来对外做功而不引起其他变化的热机B．物体对外做功，其内能一定减少C．气体向真空膨胀时虽然不对外做功，但系统的熵是增加的D．制冷设备实现从低温热源处吸热，并在高温热源处放热，没有违反热力学第二定律E.第一类永动机不可能制成，是因为它违背了能量守恒定律【答案】CDE【解析】A．根据热力学第二定律，不可能从单一热源吸热全部用来对外做功而不引起其他变化，故A错误；B．根据热力学第一定律，物体对外做功，同时物体吸热，则其内能不一定改变，故B错误；C．熵是物体内分子运动无序程度的量度，气体向真空膨胀时虽然不对外做功，但系统的熵是增加的，故C正确；D．制冷设备可实现从低温热源处吸热，并在高温热源处放热，故D正确；E．第一类永动机不可能制成，是因为它违背了能量守恒定律，故E正确。故选CDE。4.如图所示，水平放置的封闭绝热气缸，被一锁定的绝热活塞分为体积相等的、两部分。已知部分气体为1mol氧气，部分气体为2mol氧气，两部分气体温度相等，均可视为理想气体。解除锁定，活塞滑动一段距离后，两部分气体各自再次达到平衡态时，它们的体积分别为、，温度分别为、。下列说法正确的是（）A．， B．，C．， D．，【答案】D【解析】、两部分的体积相等，温度相等，部分气体为1mol氧气，部分气体为2mol氧气，所以b部分气体分子更加稠密，压强更大。解除锁定后，活塞向a方向移动，所以。根据热力学第一定律：，由于活塞绝热，Q=0，对于部分气体，外界对其做功，内能增加，温度升高。对于b部分的气体，对外做功，内能减少，温度降低。所以。故选项D正确，ABC项错误。5.一定质量的理想气体经历了如图所示的A→B→C→D→A循环，该过程每个状态视为平衡态，各状态参数如图所示.A状态的压强为1×105Pa，求：(1)B状态的温度；(2)完成一次循环，气体与外界热交换的热量.【答案】(1)600K(2)放热150J【解析】(1)理想气体从A状态到B状态的过程中，压强保持不变，根据盖—吕萨克定律有eq\f(VA,TA)＝eq\f(VB,TB)代入数据解得TB＝eq\f(VB,VA)TA＝600K(2)理想气体从A状态到B状态的过程中，外界对气体做功W1＝－pA(VB－VA)解得W1＝－100J气体从B状态到C状态的过程中，体积保持不变，根据查理定律有eq\f(pB,TB)＝eq\f(pC,TC)解得pC＝×105Pa从C状态到D状态的过程中，压强保持不变，外界对气体做功W2＝pC(VC－VD)＝pC(VB－VA)解得W2＝250J一次循环过程中外界对气体所做的总功W＝W1＋W2＝150J理想气体从A状态完成一次循环，回到A状态，始末温度不变，所以内能不变.根据热力学第一定律有ΔU＝W＋Q解得Q＝－150J故完成一次循环，气体向外界放