2026届高考物理二轮专题复习课件：热力学定律和能量守恒定律

热力学定律和能量守恒定律 热力学第一定律 强基础•固本增分 一、热力学第一定律 1.改变物体内能的两种方式 　　　　　　　物体吸收热量内能不一定增大 (1)　　　　;  (2)　　　　　　。  2.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的功的和。 (2)表达式:ΔU=　　　　。 注意W和Q的正负  做功 热传递 Q+W 二、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　　　　为另一种形式,或者是从一个物体　　　　到别的物体,在　　　　或　　　　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　　　　　　　,某一种形式的能是否守恒是有条件的。  转化 转移 转化 转移 普遍规律 三、热力学第一定律与气体图像的综合 1.利用垂直于坐标轴的线作辅助线去分析同质量、不同温度的两条等温线,同质量、不同体积的两条等容线,同质量、不同压强的两条等压线的关系。 例如在图甲中,V1对应虚线为等容线,A、B分别是虚线与T2、T1两线的交点,可以认为从B状态通过等容升压到A状态,温度必然升高,所以T2>T1。 如图乙所示,A、B两点的温度相等,从B状态到A状态压强增大,体积一定减小,所以V2<V1。 2.一定质量的气体不同图像的比较 研考点•精准突破 1.热力学第一定律不仅反映了做功和热传递这两种方式改变内能的过程是等效的,而且给出了内能的变化量和做功与热传递之间的关系。 2.对公式ΔU=Q+W符号的规定 符号 W Q ΔU + 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 3.几种特殊情况 (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量。 (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量。 (3)若过程的始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。 4.解决热力学第一定律与气体实验定律的综合问题的思维流程 5.热力学定律与气体实验定律问题的处理方法 (1)气体实验定律问题的研究对象是一定质量的理想气体。 (2)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,找出与之相关的气体状态参量,利用相关规律解决。 (3)对理想气体,只要体积变化,外界对气体(或气体对外界)就要做功,如果是等压变化,W=pΔV;只要温度发生变化,其内能就发生变化。 (4)结合热力学第一定律ΔU=W+Q求解问题。 考向一 热力学第一定律的理解 典题1 如图所示,密封的矿泉水瓶中,距瓶口越近水的温度越高。一开口向下、导热良好的小瓶置于矿泉水瓶中,小瓶中封闭一段空气。挤压矿泉水瓶,小瓶下沉到底部,松开后,小瓶缓慢上浮,上浮过程中,小瓶内气体(　　) A.内能减少 B.对外界做正功 C.增加的内能大于吸收的热量 D.增加的内能等于吸收的热量 B 解析 由于越接近矿泉水瓶口,水的温度越高,因此小瓶上浮的过程中,小瓶内气体的温度升高,内能增加,A错误;在小瓶上升的过程中,小瓶内气体的温度逐渐升高,压强逐渐减小,根据理想气体状态方程 ,气体体积膨胀,对外界做正功,B正确;由A、B分析,小瓶上升时,小瓶内气体内能增加,气体对外做功,根据热力学第一定律ΔU=W+Q,由于气体对外做功,因此吸收的热量大于增加的内能,C、D错误。 典题2 水枪是孩子们喜爱的玩具,常见的气压式水枪储水罐示意图如图。从储水罐充气口充入气体,达到一定压强后,关闭充气口。扣动扳机将阀门M打开,水即从枪口喷出。若水在不断喷出的过程中,罐内气体温度始终保持不变,则气体(　　) A.压强变大 B.对外界做功 C.对外界放热 D.分子平均动能变大 B 解析 储水罐中封闭的气体可看作理想气体,温度不变,体积增大,由pV=CT可知,压强变小,故A错误;气体体积增大,对外界做功,故B正确;由于一定质量的某种理想气体的内能只与温度有关,温度不变,故内能也不变,即ΔU=0,由于气体对外界做功,即W<0,由热力学第一定律ΔU=W+Q可知,Q>0,因此气体从外界吸热,故C错误;温度不变,分子平均动能不变,故D错误。 考向二 热力学第一定律与气体实验定律的综合应用 典题3 (多选)一定质量的理想气体,初始温度为300 K,压强为1×105 Pa。经等容过程,该气体吸收400 J的热量后温度上升100 K;若经等压过程,需要吸收600 J的热量才能使气体温度上升100 K。下列说法正确的是(　　) A.初始状态下,气体的体积为6 L B.等压过程中,气体对外做功400 J C.等压过程中,气体体积增加了原体积的 D.两个过程中,气体的内能增加量都为400 J AD 解析 理想气体的内能只和温度有关,等容过程ΔU=400 J,故两个过程内能增加量都为400 J,选项D正确;等压过程Q=600 J,根据ΔU=W+Q,可得 W=-200 J,选项B错误;等压过程中,-W=pΔV,解得ΔV=2×10-3 m3=2 L,根据 ,解得V0=6 L,选项A正确,C错误。 典题4 如图所示,一定质量理想气体被活塞封闭在汽缸中,活塞的面积为S,与汽缸底部相距L,汽缸和活塞绝热性能良好,气体的压强、热力学温度与外界大气相同,分别为p0和T0。现接通电热丝加热气体,一段时间后断开,活塞缓慢向右移动距离L后停止,活塞与汽缸间的滑动摩擦力为Ff,最大静摩擦力等于滑动摩擦力,整个过程中气体吸收的热量为Q,求该过程中。 (1)内能的增加量ΔU; (2)最终温度T。 解析 (1)活塞缓慢移动时受力平衡 由平衡条件得p1S=p0S+Ff 气体对外界做功,W=-p1SL 根据热力学第一定律ΔU=Q+W 解得ΔU=Q-(p0S+Ff)L。 考向三 p-T图像 典题5 如图所示,密闭容器内一定质量的理想气体由状态A变化到状态B。该过程中(　　) A.气体分子的数密度增大 B.气体分子的平均动能增大 C.单位时间内气体分子对单位面积器壁的作用力减小 D.单位时间内与单位面积器壁碰撞的气体分子数减小 B 解析 气体发生等容变化,故气体分子的数密度不变,选项A错误;气体温度升高,故气体分子的平均动能增大,选项B正确;气体压强增大,故单位时间内气体分子对单位面积的作用力增大,选项C错误;由于气体分子的平均动能增大,气体体积不变,故单位时间内与单位面积器壁碰撞的气体分子数增大,选项D错误。 考向四 V-T图像 典题6 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变化图像如图所示,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 A 考向五 p-V图像 典题7 一定质量的理想气体,由状态a经a→b、b→c和c→a回到状态a,其循环过程的p- 图像如图所示;Ta、Tb、Tc分别表示气体在状态a、b、c的温度,则(　　) A.Ta=Tb>Tc B.气体在b→c过程中吸收热量 C.该循环过程中气体对外做负功 D.该循环过程中气体放出热量 B 解析 在a→b过程,根据pV=CT,解得p=CT· ,由于该过程的p- 是一条过原点的倾斜直线,可知该过程是等温过程,即Ta=Tb,b→c过程是等压过程,由于Vb<Vc,可知Tb<Tc,则有Ta=Tb<Tc,A错误;根据上述可知,b→c过程温度升高,体积增大,根据ΔU=W+Q,气体体积增大,气体对外做功,W为负值, 温度升高,气体内能增大,ΔU为正值,即Q为正值,则气体在b→c过程中吸收热量,B正确;根据图像作出p-V图像如图所示,p-V图像中,图线与V轴所围几何图形的面积表示功,b→c过程气体对外做正功,a→b过程气体对外做负功,根据图中所围几何图形的面积可知,b→c过程气体做功大于a→b过程气体做功,即该循环过程中气体对外做正功,C错误;根据ΔU=W+Q,一个完整的循环过程,内能不变,根据上述可知该循环过程中气体对外做正功,W为负值,则Q为正值,即该循环过程中气体吸收热量,D错误。 方法点拨 气体状态变化图像的分析方法 (1)明确点、线的物理意义:求解气体状态变化的图像问题,应当明确图像上的点表示一定质量的理想气体的一个平衡状态,它对应着三个状态参量;图像上的某一条直线段或曲线段表示一定质量的理想气体状态变化的一个过程。 (2)明确图像斜率的物理意义:在V-T图像(p-T图像)中,比较两个状态的压强(或体积)大小,可以比较这两个状态到原点连线的斜率的大小,其规律是:斜率越大,压强(或体积)越小;斜率越小,压强(或体积)越大。 (3)明确图像面积的物理意义:在p-V图像中,p-V图线与V轴所围面积表示气体对外界或外界对气体所做的功。 热力学第二定律 强基础•固本增分 热力学第二定律 1.热力学第二定律的两种表述 (1)按照热传递的方向性可表述为:热量不能　　　　　　从低温物体传到高温物体。这是热力学第二定律的克劳修斯表述。  (2)按照机械能与内能转化的方向性可表述为:　　　　　　从单一热库吸收热量,使之完全变成功,而不产生其他影响。这是热力学第二定律的开尔文表述。  自发地 不可能 2.热力学第二定律的微观意义:一切自然过程总是沿着分子热运动无序性 　　　　的方向进行。  说明:(1)热力学第二定律的上述两种表述是等价的,可以从一种表述推导出另一种表述。 (2)热力学第二定律又叫熵增加原理,即在任何自然过程中,一个孤立系统的总熵不会减少。 增大 3.两类永动机的比较 分类 第一类永动机 第二类永动机 设计初衷 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,但违背热力学第二定律 研考点•精准突破 1.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”指明了热传递现象的方向性,不需要借助外界提供能量。 ②“不产生其他影响”是说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。 (3)热力学过程方向性实例 (4)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。 2.热力学第一、第二定律的比较 定律 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关系 指出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 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 考向一 热力学第二定律理解 典题8 (多选)下列说法正确的是(　　) A.冰箱能使热量从低温物体传递到高温物体,因此不遵循热力学第二定律 B.自发的热传导是不可逆的 C.可以通过给物体加热而使它运动起来,但不产生其他影响 D.气体向真空膨胀具有方向性 BD 解析 有外界的帮助和影响,热量可以从低温物体传递到高温物体,仍遵循热力学第二定律,A错误;据热力学第二定律可知,自发的热传导是不可逆的,B正确;不可能通过给物体加热而使它运动起来但不产生其他影响,这违背了热力学第二定律,C错误;气体可自发地向真空容器膨胀,具有方向性,D正确。 考向二 热力学第一定律与热力学第二定律的比较 典题9 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 B C 解析 B项中,冷水倒入保温杯后,在热传递过程中,保温杯降温,冷水必升温,若都降温,就违背了热力学第一定律;C项中,新型热机的效率也达不到100%,热量不可能全部转化为功,违背了热力学第二定律。 图像类别 特点 举例 p-V图像 pV=CT(其中C为恒量),即pV之积越大的等温线温度越高,图线离原点越远 p-图像 p=CT,斜率k=CT,即斜率越大,温度越高 图像类别 特点 举例 p-T图像 p=T,斜率k=,即斜率越大,体积越小 V-T图像 V=T,斜率k=,即斜率越大,压强越小 =C ,ΔV=V0 答案 (1)Q-(p0S+Ff)L (2)T0 (2)活塞发生移动前,气体发生等容变化,则有 活塞向右移动L,气体发生等压变化,则有 且V2=2V1 解得T=T0。 解析 理想气体从状态a变化到状态b,体积增大,理想气体对外界做正功,A正确;由题图可知V=V0+kT,根据理想气体的状态方程有=C,联立有p=可看出T增大,p增大,B错误;理想气体从状态a变化到状态b,温度升高,内能增大,D错误;理想气体从状态a变化到状态b,由以上分析可知,理想气体对外界做正功且内能增大,则根据热力学第一定律可知气体向外界吸收热量,C错误。 ①高温物体低温物体 ②功内能 ③气体体积V1(较小)气体体积V2(较大) ④不同气体A和BA、B的混合气体 $