2025年高考物理一轮总复习课件 第15章 第38讲 热力学定律与能量守恒定律

第十五章热学第38讲热力学定律与能量守恒定律知识梳理·易错辨析核心考点·重点突破提能训练练案[76]知识梳理·易错辨析一、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________与外界对它所做功的和。2．表达式ΔU＝__________。热量Q＋W3．ΔU＝Q＋W的三种特殊情况(1)绝热过程：Q＝______，则____________，外界对物体做的功等于物体内能的增加。(2)等容过程：W＝______，则____________，物体吸收的热量等于物体内能的增加。(3)等温过程：ΔU＝______，则______________或____________，外界对物体做的功等于物体放出的热量。0W＝ΔU0Q＝ΔU0W＋Q＝0W＝－Q二、能量守恒守恒1．内容能量既不会凭空________，也不会凭空________，它只能从一种形式________为另一种形式，或者从一个物体________到另一个物体，在转化或转移的过程中能量的总量____________。2．第一类永动机是不可能制成的，它违背了________________。注意：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)产生消失转化转移保持不变能量守恒定律三、热力学第二定律1．两种表述(1)克劳修斯表述(按热传导的方向性表述)：热量不能自发地从低温物体传到高温物体。(2)开尔文表述(按机械能和内能转化过程的方向性表述)：不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功，而不________________。引起其他影响2．热力学过程方向性实例3．熵增加原理在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会________。减少1．为了增加物体的内能，必须对物体做功或向它传递热量，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，气体的内能可能不变。()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。()×××√核心考点·重点突破1热力学第一定律与能量守恒定律(基础考点·自主探究)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．气体的做功、内能变化及吸、放热情况的判断方法：(1)由体积变化分析气体做功的情况：体积膨胀，气体对外做功；气体被压缩，外界对气体做功。(2)由温度变化判断气体内能变化：温度升高，气体内能增大；温度降低，气体内能减小。(3)由热力学第一定律ΔU＝W＋Q判断气体是吸热还是放热。3．对公式ΔU＝Q＋W的符号的规定符号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【跟踪训练】(热力学第一定律的应用)自热米饭因其便于加热和携带越来越受到“驴友”的欢迎。自热米饭盒内有一个发热包，遇水发生化学反应而产生大量热能，不需要明火，温度可超过100℃，盖上盒盖便能在10～15分钟内迅速加热食品。自热米饭的盖子上有一个透气孔，如果透气孔堵塞，容易造成小型爆炸。下列说法正确的是()A．自热米饭盒爆炸，是盒内气体温度升高，气体分子间斥力急剧增大的结果B．在自热米饭盒爆炸的瞬间，盒内气体内能增加C．在自热米饭盒爆炸的瞬间，盒内气体温度降低D．自热米饭盒爆炸前，盒内气体温度升高，标志着每一个气体分子速率都增大了C[解析]

自热米饭盒爆炸，是盒内气体温度升高，气体压强急剧增大的结果，故A错误；在自热米饭盒爆炸的瞬间，盒内气体对外做功，且来不及与外界进行热量交换，根据热力学第一定律可知盒内气体内能减少，温度降低，故B错误，C正确；自热米饭盒爆炸前，盒内气体温度升高，气体分子平均速率增大，表现的是一种统计规律，并不代表每一个气体分子速率都增大了，故D错误。(能量守恒定律的应用)如图所示，直立容器的内部有被隔板隔开的A、B两部分气体，A气体的密度小，B气体的密度大。抽去隔板，加热气体，使两部分气体均匀混合。设在此过程中气体吸收热量Q，气体内能的增加量为ΔE，则()A．ΔE＝Q B．ΔE<QC．ΔE>Q D．ΔE＝0B[解析]

抽去隔板，加热气体，使两部分气体均匀分布，由于上部分气体密度较小，因此混合后气体重心升高，重力势能增加。由能量守恒定律知，气体吸收的热量除增加内能外，还增加重力势能，因此ΔE<Q，故选项B正确。2对热力学第二定律的理解(基础考点·自主探究)1．热力学第二定律的理解(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。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。特别提醒：热量不可能自发地从低温物体传到高温物体，但在有外界影响的条件下，热量可以从低温物体传到高温物体，如电冰箱；在引起其他变化的条件下内能可以全部转化为机械能，如气体的绝热膨胀过程。3．两类永动机的比较第一类永动机第二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违背能量守恒定律，不可能制成不违背能量守恒定律，但违背热力学第二定律，不可能制成【跟踪训练】(热力学第二定律的理解和应用)(多选)根据热力学第二定律，下列说法正确的是()A．热机中燃气的内能不可能全部变成机械能B．电能不可能全部转变成内能C．在火力发电机中，燃气的内能不可能全部转变成电能D．在热传导中，热量不可能自发地从低温物体传递给高温物体ACD[解析]

热力学第二定律指明了一切与热现象有关的宏观自然过程都具有方向性。无论采用任何设备和手段进行能量转化，根据热机工作原理，热机工作时从高温热库吸热，一部分对外做功，一部分产生热量排出，热机的机械效率总小于100%，故A正确；火力发电机发电时，能量转化的过程为内能→机械能→电能，因为内能→机械能的转化过程中会对外放出热量，故燃气的内能必然不能全部变为电能，故C正确；热量从低温物体传递到高温物体不能自发进行，必须借助外界的帮助，结果会带来其他影响，这正是热力学第二定律克劳修斯表述的主要思想，故D正确；由电流热效应中的焦耳定律可知，电能可以全部转化为内能，故B错误。(热力学第一定律和热力学第二定律的比较)下列关于能量转换过程的叙述，违背热力学第一定律的有______，不违背热力学第一定律、但违背热力学第二定律的有______。(填正确答案标号)A．汽车通过燃烧汽油获得动力并向空气中散热B．冷水倒入保温杯后，冷水和杯子的温度都变得更低C．某新型热机工作时将从高温热源吸收的热量全部转化为功，而不产生其他影响D．冰箱的制冷机工作时从箱内低温环境中提取热量散发到温度较高的室内BC[解析]

燃烧汽油产生的内能一方面向机械能转化，同时热传递向空气转移，既不违背热力学第一定律，也不违背热力学第二定律；冷水倒入保温杯后，没有对外做功，同时也没有热传递，内能不可能减少，故违背热力学第一定律；某新型热机工作时将从高温热源吸收的热量全部转化为功，其过程必然产生其他影响，故违背热力学第二定律；制冷机消耗电能工作时，从箱内低温环境中提取热量散发到温度较高的室内，发生了内能的转移，同时对外界产生了影响，既不违背热力学第一定律，也不违背热力学第二定律。3热力学第一定律与图像的综合应用(能力考点·深度研析)处理热力学第一定律与气体状态变化图像的综合问题的思路(1)根据气体状态变化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。(2022·湖北卷)一定质量的理想气体由状态a变为状态c，其过程如p－V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→b是等温过程B．a→b过程中气体吸热C．a→c过程中状态b的温度最低D．a→c过程中外界对气体做正功B【跟踪训练】(V－T图与热力学第一定律的综合应用)(多选)如图所示，一定质量的理想气体在状态A时压强为1.5×105Pa，经历A→B→C→A的过程，已知B→C过程中气体做功绝对值是C→A过程中气体做功绝对值的3倍，下列说法中正确的是()A．C→A的过程中外界对气体做功300JB．B→C的过程中气体对外界做功600JC．整个过程中气体从外界吸收600J的热量D．整个过程中气体从外界吸收450J的热量AC[解析]

在C→A过程中，压强不变，气体体积减小，外界对气体做功，根据WCA＝p·ΔV，得WCA＝300J，A正确；由题知B→C过程中气体做功绝对值是C→A过程中气体做功绝对值的3倍，则B→C的过程中气体对外界做功900J，B错误；A→B→C→A，温度不变，则内能变化量ΔU＝0，A→B过程，气体体积不变，做功为零；B→C的过程中气体对外界做功900J，C→A的过程中外界对气体做功300J，故W＝WCA＋WBC＝－600J，Q＝ΔU－W＝600J，则整个过程中气体从外界吸收600J的热量，C正确，D错误。(P－T图与热力学第一定律的综合应用)(多选)一定量的理想气体从状态a变化到状态b，其过程如p－T图上从a到b的线段所示。在此过程中()A．气体一直对外做功B．气体的内能一直增加C．气体一直从外界吸热D．气体吸收的热量等于其对外做的功BC4热力学定律与气体实验定律的综合(能力考点·深度研析)解答该类问题的流程：[解析]

(1)当汽缸水平放置时，p0＝1.0×105Pa，V0＝L1S，T0＝(273＋27)K＝300K。当汽缸口朝上，活塞上表面刚好与汽缸口相平时，对活塞受力分析如图所示，根据平衡条件有p1S＝p0S＋mgV1＝(L1＋L2)S(2)当汽缸口向上稳定后，未加热时，由玻意耳定律得p0L1S＝p1LS加热后，气体做等压变化，气体对外界做功则W＝－p1(L1＋L2－L)S根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q解得ΔU＝295J。[答案]

(1)450K(或177℃)

(2)295J【跟踪训练】

某探究小组设计了一个报警装置，其原理如图所示。在竖直放置的圆柱形容器内用面积S＝100cm2、质量m＝1kg的活塞密封一定质量的理想气体，活塞能无摩擦滑动。开始时气体处于温度TA＝300K、活塞与容器底的距离h0＝30cm的状态A。环境温度升高时容器内气体被加热，活塞缓慢上升d＝3cm恰好到达容器内的卡口处，此时气体达到状态B。活塞保持不动，气体被继续加热至温度Tc＝363K的状态C时触动报警器。从状态A到状态C的过程中气体内能增加了ΔU＝158J。取大气压p0＝0.99×105Pa，求气体：(1)在