2025新高考方案一轮物理第十四章 热学第4讲　热力学定律与能量守恒定律

2025新高考方案一轮物理第十四章热学第4讲热力学定律与能量守恒定律(综合融通课)一、热力学第一定律1．改变物体内能的两种方式(1)；(2)。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＝。(3)符号法则物理量WQΔU＋气体体积减小外界对系统做功系统热量内能－气体体积增大系统对外界做功系统热量内能二、热力学第二定律1．热力学第二定律的两种表述(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，而不产生其他影响。2．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增大的方向进行。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其他形式，或者从一个物体到别的物体，在转化或的过程中，能量的总量保持不变。2．普适性：能量守恒定律是自然界的普遍规律。注意：(1)某一种形式的能(如：机械能)或几种形式的能(如：动能＋电势能)是否守恒是有条件的。(2)第一类永动机是不可能制成的，它违背了能量守恒定律；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。理解判断(1)做功和热传递的实质是相同的。()(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，这是因为打气筒从外界吸热。()(4)可以从单一热源吸收热量，使之完全变成功。()(5)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。()(6)热机的效率不可能达到100%。()(7)第一类永动机遵守能量守恒定律，违背了热力学第二定律。()逐点清(一)热力学第一定律的理解及应用1．对热力学第一定律的理解(1)做功和热传递在改变系统内能上是等效的。(2)做功过程是系统与外界之间的其他形式能量与内能的相互转化。(3)热传递过程是系统与外界之间内能的转移。2．热力学第一定律的三种特殊情况(1)若过程是绝热的，则Q＝0，W＝ΔU。(2)若过程中不做功，即W＝0，则Q＝ΔU。(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。[考法全训]考法1对热力学第一定律的理解1．(2024年1月·吉林、黑龙江高考适应性演练)某同学取一装有少量水的塑料矿泉水瓶，旋紧瓶盖，双手快速拧搓挤压水瓶。然后迅速拧松瓶盖，瓶盖被顶飞的同时瓶内出现白雾，则()A．挤压水瓶过程中，瓶内气体分子的平均动能减小B．挤压水瓶过程中，瓶内气体内能不变C．瓶盖被顶飞过程中，瓶内气体对外做功D．瓶盖被顶飞过程中，瓶内气体温度升高考法2热力学第一定律的应用2．(鲁科版教材选择性必修3，P62练习T5)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，如图所示。开箱时，密闭于汽缸内的压缩气体膨胀，将箱盖顶起。在此过程中，若缸内气体与外界无热交换，忽略气体分子间的相互作用，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3．(2023·全国甲卷)(多选)在一汽缸中用活塞封闭着一定量的理想气体，发生下列缓慢变化过程，气体一定与外界有热量交换的过程是()A．气体的体积不变，温度升高B．气体的体积减小，温度降低C．气体的体积减小，温度升高D．气体的体积增大，温度不变E．气体的体积增大，温度降低|考|教|衔|接|变化角度考教材对教材知识变化命题角度考查是高考命题的常用手段。以上两题是这方面的典型代表，教材题从给定物理过程中分析气体做功情况和内能的变化情况，高考题则根据内能变化寻找对应的物理过程，高考题是对教材题的逆向命题，体现出高考命题的创新性。逐点清(二)热力学第二定律的理解及应用|题|点|全|练|1．热力学第二定律使人们认识到自然界中进行的涉及热现象的宏观过程，下列说法正确的是()A．只是部分宏观过程具有方向性B．第二类永动机既违背能量守恒定律，又违背热力学第二定律C．热量只能从高温物体传到低温物体，不能从低温物体传到高温物体D．根据热力学定律，热机的效率不可能达到100%2．空调的工作原理如图所示，以下表述正确的是()A．空调制冷的工作原理对应的是热力学第一定律的开尔文表述B．空调的工作原理反映了热传导的方向性C．此原理图中的Q1＝Q2D．此原理图说明热量不能从低温物体传到高温物体3．(2024·南京名校模拟)将一件裙子放进死海，3年后成了一件精美的艺术品(如图)，其形成原因是海水中的盐不断在衣服表面结晶。根据这一现象下列说法不正确的是()A．结晶过程看似是自发的，其实要受到环境的影响B．结晶过程是无序向有序转变的过程C．盐在溶解的过程中熵是增加的D．这件艺术品被精心保存在充满惰性气体的密闭橱窗里，可视为孤立系统，经过很长时间后，该艺术品的熵可能减小|精|要|点|拨|1．热力学第二定律的含义(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。在产生其他影响的条件下内能可以全部转化为机械能。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。逐点清(三)热力学第一定律与气体图像的综合应用热力学第一定律与气体图像综合问题的解题思路(1)根据气体图像的特点判断气体的温度、体积的变化情况，从而判断气体与外界的吸、放热关系及做功关系。(2)在p-V图像中，图线与V轴围成的面积表示气体对外界或外界对气体做的功。(3)结合热力学第一定律判断有关问题。[考法全训]考法1热力学第一定律与气体p-T图像的综合1．如图所示，一定质量的理想气体在状态A时体积为1.0m3，经历A→B→C的过程，则整个过程中气体()A．放出热量0.5×105J B．放出热量1.0×105JC．吸收热量0.5×105J D．吸收热量1.0×105J考法2热力学第一定律与气体V-T图像的综合2．(2024·潍坊模拟)(多选)如图所示，一定质量的某种理想气体在状态a时的压强为p0。从状态a到状态c，该气体从外界吸收的热量为Q，在V-T图像中图线ca反向延长线通过坐标原点O，从状态c到状态b温度不变，则()A．气体在状态c的体积为1.5V0B．气体在状态b的压强为eq\f(2,3)p0C．从状态a到状态c，气体对外界做功为－p0V0D．从状态a到状态b，气体内能的增加量为Q－p0V0考法3热力学第一定律与气体p-V图像的综合3．(2023·广东高考)在驻波声场作用下，水中小气泡周围液体的压强会发生周期性变化，使小气泡周期性膨胀和收缩，气泡内气体可视为质量不变的理想气体，其膨胀和收缩过程可简化为如图所示的p-V图像，气泡内气体先从压强为p0、体积为V0、温度为T0的状态A等温膨胀到体积为5V0、压强为pB的状态B，然后从状态B绝热收缩到体积为V0、压强为1.9p0、温度为TC的状态C，B到C过程中外界对气体做功为W。已知p0、V0、T0和W，求：(1)pB的表达式；(2)TC的表达式；(3)B到C过程，气泡内气体的内能变化了多少？逐点清(四)热力学定律与气体实验定律的综合应用热力学定律与气体实验定律综合问题的思维流程[应用体验]1．(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2．如图甲所示，水平对置发动机的活塞对称分布在曲轴两侧，在水平方向上左右运动，发动机安装在汽车的中心线上，两侧活塞产生的影响相互抵消，可使车辆行驶更加平稳，同时节约能源、减少噪声。图乙为左侧汽缸(圆柱形)简化示意图。某次工厂测试某绝热汽缸的耐压性能，活塞横截面积为S，在距汽缸底部3L处固定两挡片，开始时活塞底部到缸底的距离为L，内部密封一定质量的理想气体，气体温度为27℃。已知大气压强为p0，活塞右侧与连杆相连，连杆对活塞始终有水平向左的恒定推力，大小为3p0S。现缓慢给气体加热后，活塞向右滑动，不计一切摩擦。求：(1)当活塞底部距离缸底L时，气体的压强p1；(2)气体温度达到827℃时，气体的压强p2；(3)在第(2)问条件下，如果此过程中气体吸收的热量为Q，求此过程中气体内能的增加量。3．如图所示，是一个不规则的导热容器，现想测量它的容积，在上方竖直插入一根两端开口、横截面积是S的玻璃管，玻璃管下端与容器口处密封，玻璃管中有一小段水银柱，水银柱高度是h，水银柱下端与容器口之间的距离是L1，此时环境温度是T1、大气压强是p0且不变。当把容器放在温度为T2的热水中，稳定后水银柱下端与容器口之间的距离变为L2，气体内能改变量为ΔU，容器和玻璃管内的气体可以看成理想气体，水银密度为ρ，重力加速度为g。求：(1)这个不规则容器的容积；(2)气体吸收的热量。作业评价：请完成配套卷P460课时跟踪检测(七十)第5讲实验：用油膜法估测油酸分子的大小(基础实验)一、实验知能/系统归纳一、理清原理与操作实验原理操作要领1.利用油酸酒精溶液在平静的水面上形成单分子油膜2.将油酸分子视为球形，测出一定体积油酸酒精溶液在水面上形成的油膜面积3.用d＝eq\f(V,S)计算出油膜的厚度(V为一滴油酸酒精溶液中纯油酸的体积，S为油膜面积)，这个厚度就近似为油酸分子的直径1.配制油酸酒精溶液2.用注射器通过累积法得到1滴油酸酒精溶液的体积，再计算出1滴油酸酒精溶液中纯油酸的体积V3.借助坐标纸测量1滴油酸酒精溶液在水面上形成的油膜面积S二、掌握数据处理方法1．计算一滴溶液中油酸的体积：V＝eq\f(kV0,N)(mL)。V0为N滴油酸酒精溶液的体积，k为油酸的浓度。2．计算油膜的面积S：以边长为1cm的正方形为单位，计算轮廓内正方形的个数，大于半个的算一个，不足半个的舍去。3．计算油酸分子的直径：d＝eq\f(V,S)(注意单位统一)。三、注意实验细节1．注射器针头高出水面的高度应在1cm之内，当针头靠水面很近(溶液滴下之前)时，会发现针头下方的粉层已被排开，这是针头中酒精挥发所致，不影响实验效果。2．待测油酸薄膜扩散后又会收缩，要在油酸薄膜的形状稳定后再画轮廓。扩散后又收缩有两个原因：①水面受溶液液滴冲击凹陷后又恢复；②酒精挥发后液面收缩。3．当重做实验时，将水从浅盘的一侧边缘倒出，在这侧边缘会残留油酸，可用少量酒精清洗，并用脱脂棉擦去，再用清水冲洗，这样做可保持浅盘的清洁。4．本实验只要求估测油酸分子的大小，实验结果的数量级符合要求即可。四、做好误差分析1．纯油酸体积的计算引起误差。2．油膜面积的计算造成误差。3．油膜形状的边界画线造成误差。4．油酸酒精溶液浓度的改变造成误差。二、应用发展/练中融通1．在“用油膜法估测油酸分子的大小”实验中：(1)下列说法正确的是________。A．将油膜看成单分子层油膜是一种理想化假设B．实验中使用到油酸酒精溶液，其中酒精的作用是对油酸进行稀释C．用注射器吸取配制好的油酸酒精溶液，把它一滴一滴地滴入小量筒中，若100滴溶液的体积是1mL，则1滴溶液中含有油酸10－2mLD．在计算油膜面积时，只需要数出完整方格的数目，对不完整的方格均不计数(2)某老师为本实验配制油酸酒精溶液，实验室配备的器材有：面积为0.22m2的蒸发皿、滴管、量筒(50滴溶液滴入量筒体积约为1毫升)、纯油酸和无水酒精若干。已知分子直径数量级为10－10m，则该老师配制的油酸酒精溶液浓度(油酸与油酸酒精溶液的体积比)至多为________‰(保留2位有效数字)。2．(2024·海口模拟)在用“油膜法估测油酸分子的大小”实验中。(1)请选出并补齐必要的实验操作，并将它们按操作先后顺序排列：A、_____________________、F。(用字母表示)(2)实验所用油酸酒精溶液的浓度为每104mL溶液中含有纯油酸6mL，用注射器测得1mL上述溶液为80滴。把1滴该溶液滴入盛水的浅盘里，待水面稳定后，将玻璃板放在浅盘上，用笔在玻璃板上描出油膜的轮廓形状，再把玻璃板放在坐标纸上，其形状和尺寸如图所示，坐标中正方形方格的边长为1cm。①油膜的面积是________cm2。②按以上实验数据估测油酸分子的直径为__________m(保留2位有效数字)。③利用单分子油膜法可以粗测分子的大小和阿伏加德罗常数。如果已知体积为V的一滴油酸在水面上散开形成的单分子油膜的面积为S，这种油酸的密度为ρ，摩尔质量为M，则阿伏加德罗常数的表达式为______________。3．某同学在实验室用油膜法测油酸分子直径，实验主要步骤如下：①向体积V油＝6mL的油酸中加酒精，直至总量达到V总＝104mL；②用注射器吸取①中油酸酒精溶液，把它一滴一滴地滴入小量筒中，当滴入n＝75滴时，测得其体积恰好是V0＝1mL；③先往浅盘里倒入2cm深的水，然后将痱子粉均匀地撒在水面上；④用注射器往水面上滴一滴油酸酒精溶液，待油酸薄膜形状稳定后，将事先准备好的玻璃板放在浅盘上，并在玻璃板上描下油膜的形状；⑤将画有油膜轮廓的玻璃板放在坐标纸上，如图所示，数出轮廓范围内小方格的个数N，小方格的边长为L＝1cm。根据以上信息，回答下列问题：(1)一滴油酸酒精溶液中含有油酸的体积为________m3；油酸分子直径为__________m。(以上结果均保留1位有效数字)(2)若75滴油酸酒精溶液的体积不足1mL，则最终的测量结果将偏______(选填“大”或“小”)。(3)若油酸酒精溶液长时间静置，则最终的测量结果将偏________(选填“大”或“小”)。4．油酸酒精溶液的浓度为每1000mL油酸酒精溶液中有油酸0.5mL，用滴管向量筒内滴100滴上述溶液，量筒中的溶液体积增加1mL。若把一滴这样的溶液滴入盛水的浅盘中，由于酒精溶于水，油酸在水面展开，稳定后形成单分子油膜的形状如图所示(以下计算结果均保留2位有效数字)。(1)若每一小方格的边长为10mm，则油膜的面积为____________m2。(2)每一滴油酸酒精溶液含有纯油酸的体积为____________m3。(3)根据上述数据，估算出油酸分子的直径为____________m。5．(1)在用油膜法估测分子大小的实验中，用移液管量取0.25mL油酸，倒入标注250mL的容量瓶中，再加入酒精后得到250mL的溶液。然后用滴管吸取这种溶液，向小量筒中滴入100滴溶液，溶液的液面达到量筒中1mL的刻度，再用滴管取配好的油酸酒精溶液，向撒有痱子粉的盛水浅盘中滴下2滴溶液，在水面上形成油膜，待油膜稳定后，放在带有正方形坐标格的玻璃板下观察油膜，如图甲所示。坐标格的每个小正方形大小为2cm×2cm。由图可以估算出油膜的面积是__________cm2，由此估算出油酸分子的直径是________m(保留一位有效数字)。(2)为了尽可能准确地估测出油酸分子的大小，下列哪些措施是可行的________。A．油酸浓度适当大一些B．油酸浓度适当小一些C．油酸扩散后立即绘出轮廓图D．油酸扩散并待其收缩稳定后再绘出轮廓图(3)图乙是用扫描隧道显微镜拍下的一个“量子围栏”的照片：48个铁原子在铜的表面排列成圆圈，构成了“量子围栏”。为了估算铁原子直径，查到以下数据：铁的密度ρ＝7.8×103kg/m3，摩尔质量M＝5.6×10－2kg·mol－1，阿伏加德罗常数NA＝6.0×1023mol－1。若将铁原子简化为球体模型，铁原子直径的表达式d＝________，铁原子直径约为__________m(结果保留一位有效数字)。6．“用油膜法估测油酸分子的大小”的实验步骤如下：A．将画有油膜轮廓的玻璃板放在坐标纸上，数出轮廓中的方格数(正方形小方格的边长为2cm)，求油膜面积S(如图所示)B．将一滴油酸酒精溶液滴在水面上，待油膜的形状稳定后，将玻璃板放在盘上，用彩笔将油膜的形状画在玻璃板上C．向浅盘中装入约2cm深的水，并撒上痱子粉或细石膏粉D．用所学公式求出油膜厚度，即油酸分子的直径E．在1mL纯油酸中加入酒精，至油酸酒精溶液总体积为1000mLF．用注射器或滴管将配制好的油酸酒精溶液一滴一滴地滴入量筒，测得60滴溶液体积为1mL(1)上述实验步骤的合理顺序是：E_____________________________________________；(2)根据上述数据，每滴油酸酒精溶液中含有纯油酸的体积是________________________mL；(保留2位有效数字)(3)根据上述数据及图中的面积，估测出油酸分子的直径是_______________________m；(保留2位有效数字)(4)在浅盘中的水面上撒上痱子粉，将1滴油酸酒精溶液滴入水中后，下列现象或判断正确的是________；A．油膜的面积先扩张后又稍微收缩了一些B．油膜的面积先快速扩张后慢慢趋于稳定(5)关于本实验下列说法正确的有________；A．选用油酸酒精溶液而不是纯油酸，目的是让油酸尽可能散开，形成单分子油膜B．若油酸没有充分散开，油酸分子直径的计算结果将偏小C．计算油膜面积时舍去了所有不足一格的方格，油酸分子直径的计算结果将偏大D．在向量筒中滴入1mL油酸酒精溶液时，滴数少记了几滴，油酸分子直径的计算结果将偏小E．结束实验时，需要将水从浅盘的一角倒出，在这个角的边缘会遗留少许油酸。为了保持浅盘的清洁，不影响下次使用，可以用适量清水清洗，并用脱脂棉擦去。(6)该实验体现了理想化模型的思想，实验中我们的理想假设有________。A．把油酸分子视为球形B．油酸在水面上充分散开形成单分子油膜C．油酸分子是紧挨着的没有空隙D．油酸不溶于水第6讲实验：探究气体压强与体积的关系(基础实验)一、实验知能/系统归纳一、理清原理与操作原理装置图保持环境温度不变，缓慢改变活塞位置，读出每次气压计的读数和空气柱的长度(计算出气体体积)操作要领(1)测量注射器活塞的直径d，计算其横截面积S＝eq\f(πd2,4)。(2)按实验原理图安装好仪器。(3)使活塞处于适当的位置，安装好橡胶套，密封一定质量的空气。(4)待活塞稳定时，由气压计读出注射器内空气的压强p，从注射器的刻度上直接读出注射器内空气柱的长度L，计算出空气柱的体积V＝SL，并记录到设计好的表格内。(5)保持温度不变，把柱塞缓慢地向下压或向上拉，读取空气柱的长度(计算出空气柱对应的体积)与压强的几组数据，并记录到设计好的表格内。(6)实验完毕，整理实验仪器二、掌握数据处理方法以压强p为纵坐标、以体积V为横坐标作出p-V图像，如图甲所示，图像呈现为双曲线的一支；再以体积的倒数eq\f(1,V)为横坐标作出p-eq\f(1,V)图像，如图乙所示，把双曲线变为直线，说明p和V成反比。三、注意实验细节1．为保证气体密闭，应在活塞与注射器壁间涂上润滑油。2．为保持气体温度不变，实验过程中不要用手握住注射器有密闭气体的部位；同时，应缓慢改变气体体积。3．注射器内外气体的压强差不宜过大。4．在等温过程中，气体的p-V图像呈现为双曲线，不便确定p与V的关系，要通过坐标变换，画p-eq\f(1,V)图像，把双曲线变为直线，以方便判断p和V成反比。四、做好误差分析1．橡胶套密封不严会使空气柱的质量变化引起误差。2．实验过程环境温度变化、柱塞向下压或向上拉得过快会使空气柱的温度变化引起误差。3．活塞直径的测量、空气柱长度的测量、气压计的读数等引起的误差。二、应用发展/练中融通1．(2023·江苏高考)在“探究气体等温变化的规律”的实验中，实验装置如图所示。利用注射器选取一段空气柱为研究对象。下列改变空气柱体积的操作正确的是()A．把柱塞快速地向下压B．把柱塞缓慢地向上拉C．在橡胶套处接另一注射器，快速推动该注射器柱塞D．在橡胶套处接另一注射器，缓慢推动该注射器柱塞2．(2023·山东高考)利用图甲所示实验装置可探究等温条件下气体压强与体积的关系。将带有刻度的注射器竖直固定在铁架台上，注射器内封闭一定质量的空气，下端通过塑料管与压强传感器相连。活塞上端固定一托盘，托盘中放入砝码，待气体状态稳定后，记录气体压强p和体积V(等于注射器示数V0与塑料管容积ΔV之和)。逐次增加砝码质量，采集多组数据并作出拟合曲线如图乙所示。回答以下问题：(1)在实验误差允许范围内，图乙中的拟合曲线为一条过原点的直线，说明在等温情况下，一定质量的气体________。A．p与V成正比 B．p与eq\f(1,V)成正比(2)若气体被压缩到V＝10.0mL，由图乙可读出封闭气体压强为______Pa(保留3位有效数字)。(3)某组同学进行实验时，一同学在记录数据时漏掉了ΔV，则在计算pV乘积时，他的计算结果与同组正确记录数据同学的计算结果之差的绝对值会随p的增大而_______(填“增大”或“减小”)。3．(2024·宁德模拟)在“探究气体等温变化的规律”实验中，实验装置如图甲所示。用注射器封闭一定质量的空气，连接到气体压强传感器上，用传感器测量封闭气体的压强，用注射器刻度读出气体体积。(1)多次改变封闭气体的体积，测量出不同体积时气体的压强，用电脑记录下来，并生成p-V图像如图乙所示，由图可猜测p与V可能________。(选填“成正比”“成反比”或“不成比例”)(2)实验完成后，某同学作出的图像如图丙所示(其中实线为实验所得，虚线为参考双曲线的一支)，造成这一现象的原因可能是________。A．操作实验时用手握住注射器B．实验时环境温度降低了C．注射器内气体向外泄漏D．有气体进入注射器内4．(2024·石家庄高三调研)某同学利用如图甲所示的装置探究气体等温变化的规律，注射器中密封了一定质量的气体。(1)该同学测得封闭气体的压强p和体积V的多组数据，在坐标系中描点作图，作出的图线如图乙所示，由图可知该同学选用的横轴为______________，图线后半段向上弯曲可能的原因是________。(选填下列选项序号)A．改变气体体积时推拉活塞速度过快B．推拉活塞时，手握住注射器含有气体的部分C．实验中有漏气现象D．环境温度降低(2)该小组改进了实验操作，避免了上述问题，同时为能更准确地测出气体的压强，直接用软管连通注射器和压强传感器，测得多组封闭气体的压强p和体积V的数据后，作出eq\f(1,p)-V图像如图丙所示，图线不过原点的原因可能是__________________________________________________________________________