2024高考物理一轮复习第69讲热力学定律与能量守恒定律(讲义)(学生版+解析)

第69讲热力学定律与能量守恒定律目录复习目标网络构建考点一热力学第一定律【夯基·必备基础知识梳理】知识点热力学第一定律【提升·必考题型归纳】考向热力学第一定律的应用考点二热力学第二定律【夯基·必备基础知识梳理】知识点1热力学第二定律知识点2热力学第一、第二定律的比较【提升·必考题型归纳】考向热力学第二定律的应用考点三与气体图像的综合应用【夯基·必备基础知识梳理】知识点处理与气体图像的综合问题的思路【提升·必考题型归纳】考向与气体图像的综合问题考点四与气体实验定律的综合应用【夯基·必备基础知识梳理】知识点与气体实验定律的综合问题的思路【提升·必考题型归纳】考向与气体实验定律的综合问题真题感悟理解和掌握热力学第一定律和第二定律。能够熟练处理热力学第一定律与气体实验定律相结合的问题。考点要求考题统计考情分析（1）热力学第一定律（2）热力学第二定律2023年广东卷第13题2023年天津卷第2题2023年山东卷第9题高考对热力学定律的考查较为频繁，题目以选择题和计算题出现较多，选择题的难度较为简单，计算题难度相对较高。考点一热力学第一定律知识点热力学第一定律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，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，则W＝0，Q＝ΔU，物体吸收的热量等于物体内能的增加。(3)若过程的始、末状态物体的内能不变，则W＋Q＝0，即物体吸收的热量全部用来对外做功，或外界对物体做的功等于物体放出的热量。3．公式ΔU＝W＋Q中符号法则的理解物理量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考向热力学第一定律的应用1．一定量的气体在某一过程中，外界对气体做了8×104J的功，气体的内能减少了1.2×105J，则下列各式中正确的是（）A．W8×104J，J，B．W＝8×104J，J，C．W－8×104J，J，D．W－8×104J，，2．如图，一开口向上的导热汽缸内。用活塞封闭了一定质量的理想气体，活塞与汽缸壁间无摩擦。现用外力作用在活塞上。使其缓慢下降。环境温度保持不变，系统始终处于平衡状态。在活塞下降过程中（）A．气体体积逐渐减小，内能增加 B．气体压强逐渐增大，内能变大C．气体压强逐渐增大，吸收热量 D．外界对气体做功，气体内能不变考点二热力学第二定律知识点1热力学第二定律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，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。知识点2热力学第一、第二定律的比较1.热力学第一、第二定律的比较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自然界中出现的宏观过程是有方向性的机械能和内能的转化当摩擦力做功时，机械能可以全部转化为内能内能不可能在不引起其他变化的情况下完全变成机械能热量的传递热量可以从高温物体自发传向低温物体说明热量不能自发地从低温物体传向高温物体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2.两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考向热力学第二定律的应用1．下列关于热力学第二定律的说法正确的是（）A．所有符合能量守恒定律的宏观过程都能发生B．一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的C．机械能可以全部转化为内能，在不产生其他影响的情况下，内能无法全部用来做功而转化成机械能D．气体向真空的自由膨胀是可逆的E．热运动的宏观过程有一定的方向性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。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．电冰箱的工作原理违背热力学第一定律D．电冰箱除了将热量从低温热库传到高温热库外，工作过程中所产生的其他一切影响，无论用任何办法都不可能加以消除考点三与气体图像的综合应用知识点处理与气体图像的综合问题的思路处理热力学第一定律与气体图像的综合问题的思路：(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p­V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。考向与气体图像的综合问题1．如图所示p—V图中，一定质量的理想气体在a→b→c的过程中吸收热量500J，已知a状态气体温度为27℃。则下列说法不正确的是（）

A．气体在a→b→c过程中内能增加了100JB．气体在c→a过程中放出热量600JC．气体在c状态时的温度为400KD．气体在c→a过程中单位时间内撞击单位面积器壁上的气体分子个数变少2．一定质量的理想气体从状态a开始，经历如图所示的状态变化过程回到原状态，已知气体在b、d状态时的温度相等。则该气体（）

A．在a状态时的内能大于在c状态时的内能B．在b状态时单位时间内碰撞器壁单位面积的分子数多于d状态时C．在bc过程中外界对气体做的功大于在da过程中气体对外界做的功D．一次循环过程中吸收的热量大于放出的热量考点四与气体实验定律的综合应用知识点与气体实验定律的综合问题的思路求解热力学定律与气体实验定律的综合问题的思路：考向与气体实验定律的综合问题1．如图1所示，上端开口的导热汽缸放置在水平面上，质量为m、横截面积为s的活塞密封了一定质量的理想气体。当环境温度为时，活塞静止的位置与汽缸底部距离为h，离缸口的距离为0.5h。已知重力加速度为g，活塞厚度及活塞与汽缸壁之间的摩擦不计，大气压强为。（1）若缓慢升高环境温度，使活塞刚好上移到气缸口，求此时的环境温度；（2）若先在缸内壁紧贴活塞上表面固定一小卡环（与活塞接触但没有作用力），如图2所示，再缓慢升高环境温度到，求升温后卡环对活塞的压力大小；（3）上问中的升温过程相对于（1）问中的升温过程，气体少吸收的热量为多少？

2．在小球时代，可以用热水浸泡将踩瘪后的乒乓球恢复。如图，已知乒乓球导热性能良好，完好时内部气压为大气压强，踩瘪后体积变为原体积的80％，外界温度恒为，把乒乓球全部浸入热水里，当球内气压大于等于时，乒乓球就刚好开始恢复，已知球内气体内能始终只与温度成正比，踩瘪后球内气体内能为E；（1）求乒乓球被踩瘪但没有破裂时的内部压强；（2）求要使乒乓球刚好开始恢复，热水温度至少要多少K；（3）若热水为即为（2）问最小值，乒乓球从放入热水直到恢复形变时总共吸热为Q，则恢复形变过程中球内气体做功多少。

（2023年广东卷高考真题）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图像，气泡内气体先从压强为、体积为、温度为的状态等温膨胀到体积为、压强为的状态，然后从状态绝热收缩到体积为、压强为、温度为的状态到过程中外界对气体做功为．已知和．求：

（1）的表达式；（2）的表达式；（3）到过程，气泡内气体的内能变化了多少？

第69讲热力学定律与能量守恒定律目录复习目标网络构建考点一热力学第一定律【夯基·必备基础知识梳理】知识点热力学第一定律【提升·必考题型归纳】考向热力学第一定律的应用考点二热力学第二定律【夯基·必备基础知识梳理】知识点1热力学第二定律知识点2热力学第一、第二定律的比较【提升·必考题型归纳】考向热力学第二定律的应用考点三与气体图像的综合应用【夯基·必备基础知识梳理】知识点处理与气体图像的综合问题的思路【提升·必考题型归纳】考向与气体图像的综合问题考点四与气体实验定律的综合应用【夯基·必备基础知识梳理】知识点与气体实验定律的综合问题的思路【提升·必考题型归纳】考向与气体实验定律的综合问题真题感悟理解和掌握热力学第一定律和第二定律。能够熟练处理热力学第一定律与气体实验定律相结合的问题。考点要求考题统计考情分析（1）热力学第一定律（2）热力学第二定律2023年广东卷第13题2023年天津卷第2题2023年山东卷第9题高考对热力学定律的考查较为频繁，题目以选择题和计算题出现较多，选择题的难度较为简单，计算题难度相对较高。考点一热力学第一定律知识点热力学第一定律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，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，则W＝0，Q＝ΔU，物体吸收的热量等于物体内能的增加。(3)若过程的始、末状态物体的内能不变，则W＋Q＝0，即物体吸收的热量全部用来对外做功，或外界对物体做的功等于物体放出的热量。3．公式ΔU＝W＋Q中符号法则的理解物理量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考向热力学第一定律的应用1．一定量的气体在某一过程中，外界对气体做了8×104J的功，气体的内能减少了1.2×105J，则下列各式中正确的是（）A．W8×104J，J，B．W＝8×104J，J，C．W－8×104J，J，D．W－8×104J，，【答案】B【详解】外界对气体做了8×104J的功，则气体内能减少了1.2×105J，则由热力学第一定律可得故B正确，ACD错误。故选B。2．如图，一开口向上的导热汽缸内。用活塞封闭了一定质量的理想气体，活塞与汽缸壁间无摩擦。现用外力作用在活塞上。使其缓慢下降。环境温度保持不变，系统始终处于平衡状态。在活塞下降过程中（）A．气体体积逐渐减小，内能增加 B．气体压强逐渐增大，内能变大C．气体压强逐渐增大，吸收热量 D．外界对气体做功，气体内能不变【答案】D【详解】外力使活塞缓慢下降的过程中，由于温度保持不变，则气体的内能保持不变，气体的体积逐渐减小，外界对气体做功，由热力学第一定律可知，气体向外界放出热量，又由玻意耳定律可知，气体体积减小，气体的压强增大，由以上分析可知D正确ABC错误。故选D。考点二热力学第二定律知识点1热力学第二定律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，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。知识点2热力学第一、第二定律的比较1.热力学第一、第二定律的比较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自然界中出现的宏观过程是有方向性的机械能和内能的转化当摩擦力做功时，机械能可以全部转化为内能内能不可能在不引起其他变化的情况下完全变成机械能热量的传递热量可以从高温物体自发传向低温物体说明热量不能自发地从低温物体传向高温物体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2.两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考向热力学第二定律的应用1．下列关于热力学第二定律的说法正确的是（）A．所有符合能量守恒定律的宏观过程都能发生B．一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的C．机械能可以全部转化为内能，在不产生其他影响的情况下，内能无法全部用来做功而转化成机械能D．气体向真空的自由膨胀是可逆的E．热运动的宏观过程有一定的方向性【答案】BCE【详解】A．符合能量守恒定律，但违背热力学第二定律的宏观过程不能发生，故A错误；B．一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的，故B正确；C．机械能可以全部转化为内能，在不产生其他影响的情况下，但内能无法全部用来做功而转化成机械能，故C正确；D．气体向真空的自由膨胀是不可逆的，故D错误；E．热运动的宏观过程有一定的方向性，故E正确。故选BCE。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。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．电冰箱的工作原理违背热力学第一定律D．电冰箱除了将热量从低温热库传到高温热库外，工作过程中所产生的其他一切影响，无论用任何办法都不可能加以消除【答案】BD【详解】C．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错误；AB．根据热力学第二定律，热量不能自发地从低温物体传到高温物体，必须借助于其他系统做功，故A错误，B正确；D．压缩机工作时会发热，将一部分电能转化为内能消耗掉，这种影响没法消除，故D正确。故选BD。考点三与气体图像的综合应用知识点处理与气体图像的综合问题的思路处理热力学第一定律与气体图像的综合问题的思路：(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p­V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。考向与气体图像的综合问题1．如图所示p—V图中，一定质量的理想气体在a→b→c的过程中吸收热量500J，已知a状态气体温度为27℃。则下列说法不正确的是（）

A．气体在a→b→c过程中内能增加了100JB．气体在c→a过程中放出热量600JC．气体在c状态时的温度为400KD．气体在c→a过程中单位时间内撞击单位面积器壁上的气体分子个数变少【答案】D【详解】A．理想气体在a→b→c过程中，气体体积增大，则气体对外界做功，外界对气体做的功根据热力学第一定律有即气体的内能增加了100J，故A正确；B．气体在c→a过程中，气体体积减小，则外界对气体做的功从状态a至状态c过程中气体的内能增加了100J，状态c至状态a过程中气体的内能减少了100J，即根据热力学第一定律有则，，表示系统放热，这一过程中气体放出的热量为600J，故B正确；C．根据理想气体状态方程对a、c两状态结合图像，可求得气体在c状态时的温度故C正确；D．气体在c→a过程中，气体压强增大、温度降低，体积变小，则单位时间内撞击单位面积器壁上的气体分子个数变多，故D错误。本题选错误项，故选D。2．一定质量的理想气体从状态a开始，经历如图所示的状态变化过程回到原状态，已知气体在b、d状态时的温度相等。则该气体（）

A．在a状态时的内能大于在c状态时的内能B．在b状态时单位时间内碰撞器壁单位面积的分子数多于d状态时C．在bc过程中外界对气体做的功大于在da过程中气体对外界做的功D．一次循环过程中吸收的热量大于放出的热量【答案】AD【详解】A．在a状态时的pV乘积大于c状态的pV乘积，则a态温度高于c态，则a状态的内能大于在c状态时的内能，故A正确；B．在b状态时与d状态比较，b状态时气体的体积大，压强小，气体数密度较小，而两态温度相同，气体分子平均速率相同，则单位时间内碰撞器壁单位面积的分子数少于d状态，故B错误；C．因bc过程的压强小于da过程的压强，两过程中气体体积变化量相同，根据W=p∆V可知在bc过程中外界对气体做的功小于在da过程中气体对外界做的功，故C错误；D．整个过程只有bc过程和da过程气体体积有变化，根据C选项分析可知，一次循环过程气体对外做功大于外界对气体做功，则整个过程中气体对外做功，而气体内能不变，故气体吸热，即气体吸收的热量大于放出的热量，故D正确。故选AD。考点四与气体实验定律的综合应用知识点与气体实验定律的综合问题的思路求解热力学定律与气体实验定律的综合问题的思路：考向与气体实验定律的综合问题1．如图1所示，上端开口的导热汽缸放置在水平面上，质量为m、横截面积为s的活塞密封了一定质量的理想气体。当环境温度为时，活塞静止的位置与汽缸底部距离为h，离缸口的距离为0.5h。已知重力加速度为g，活塞厚度及活塞与汽缸壁之间的摩擦不计，大气压强为。（1）若缓慢升高环境温度，使活塞刚好上移到气缸口，求此时的环境温度；（2）若先在缸内壁紧贴活塞上表面固定一小卡环（与活塞接触但没有作用力），如图2所示，再缓慢升高环境温度到，求升温后卡环对活塞的压力大小；（3）上问中的升温过