2026届高三物理一轮复习课件：热力学定律与能量守恒定律

　高三一轮复习： 热力学定律与能量守恒定律 课 时 作 业 题库 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 一、热力学第一定律 1．改变物体内能的两种方式 必备知识 自主学习 3．ΔU＝Q＋W中正、负号法则 必备知识 自主学习 必备知识 自主学习 三、能量守恒定律和两类永动机 1．能量守恒定律 必备知识 自主学习 1．判断正误。 (1)外界压缩气体做功20 J，气体的内能可能不变。( √ ) (2)给自行车打气时，发现打气筒的温度升高，这是因为打气筒从外界吸热。( × ) (3)可以从单一热源吸收热量，使之完全变成功。( √ ) (4)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。( × ) (5)自由摆动的秋千摆动幅度越来越小，能量正在消失。( × ) 必备知识 自主学习 2．(2023·天津卷)如图是爬山所带的氧气瓶，爬高过程中，氧气瓶里的气体体积和质量均不变，温度降低，则气体( B ) A．对外做功 B．内能减少 C．吸收热量 D．压强不变 B 必备知识 自主学习 考点一　热力学第一定律 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；体积减小，外界对气体做功，W为正。 (3)与外界绝热，则不发生传热，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。 关键能力 阶梯突破 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)若过程的初、末状态物体的内能不变，即ΔU＝0，则W＋Q＝0，外界(物体)对物体(外界)做的功等于物体放出(吸收)的热量。 关键能力 阶梯突破 【例1】　(多选)(2023·全国甲卷改编)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( ABD ) 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 解析　气体的体积不变，外界对气体做功为零，温度升高，则气体的内能升高，由热力学第一定律ΔU＝W＋Q可知气体从外界吸收热量，A正确；气体的体积减小，外界对气体做功，温度降低，则气体的内能降低，由热力学第一定律ΔU＝W＋Q，可知气体对外放热，B正确；气体的体积减小，外界对气体做功，温度升高，则气体的内能升高，由热力学第一定律ΔU＝W＋Q，可知Q可能等于零，即气体可能与外界没有热量交换，C错误；气体的体积增大，气体对外界做功，温度不变，则气体的内能不变，由热力学第一定律ΔU＝W＋Q，可知Q>0，即气体从外界吸收热量，D正确。 ABD 关键能力 阶梯突破 【例2】　(多选)如图，两端开口、下端连通的导热汽缸，用两个轻质绝热活塞(横截面积分别为S1和S2)封闭一定质量的理想气体，活塞与汽缸壁间无摩擦。在左端活塞上缓慢加细沙，活塞从A下降h高度到B位置时，活塞上细沙的总质量为m。在此过程中，用外力F作用在右端活塞上，使活塞位置始终不变。整个过程环境温度和大气压强p0保持不变，系统始终处于平衡状态，重力加速度为g。下列说法正确的是( ACD ) ACD 关键能力 阶梯突破 关键能力 阶梯突破 考点二　热力学第二定律 1．热力学第二定律关键词的含义 (1)“自发地”指明了传热等热力学宏观现象的方向性，不需要外界提供能量。 (2)“不产生其他影响”指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。 关键能力 阶梯突破 关键能力 阶梯突破 【例3】　(多选)下列说法正确的是( BD ) 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 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；由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，其过程具有方向性，D正确。 BD 关键能力 阶梯突破 【例4】　日常生活中使用的燃油汽车，其动力来源于发动机内部的汽缸，在汽缸内，通过气体燃烧将气体的内能转化为机械能，下列说法正确的是( B ) A．现代汽车技术已经非常先进，能够使气体燃烧释放的热量全部转化成机械能 B．气体燃烧过程符合热力学第二定律，内能无法全部用来做功以转化成机械能 C．气体燃烧释放的热量没有全部转化为机械能，故该过程不符合热力学第一定律 D．发动机工作时，若没有漏气和摩擦，也没有发动机的热量损失，则燃料产生的热量能够完全转化成机械能 B 关键能力 阶梯突破 解析　根据热力学第二定律可知，热机的效率不可能达到100%，现代汽车技术已经非常先进，但也不能够使气体燃烧释放的热量全部转化成机械能，A错误；气体燃烧过程符合热力学第二定律，内能无法全部用来做功以转化成机械能，B正确；气体燃烧释放的热量没有全部转化为机械能，但该过程符合热力学第一定律，C错误；根据热力学第二定律可知，热机的效率不可能达到100%，发动机工作时，就算没有漏气和摩擦，也没有发动机的热量损失，燃料产生的热量也不能完全转化成机械能，D错误。 关键能力 阶梯突破 考点三　热力学第一定律与气体实验定律的综合 1．气体的状态变化可由图像直接判断或结合理想气体状态方程 ＝C分析。 2．气体的做功情况、内能变化及吸放热关系可由热力学第一定律分析。 (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。 (4)在p-V图像中，图像与横轴所围面积表示气体对外界或外界对气体整个过程中所做的功。 关键能力 阶梯突破 【例5】　(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( B ) 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 关键能力 阶梯突破 关键能力 阶梯突破 【例6】　(多选)(2023·山东卷)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( AD ) 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 关键能力 阶梯突破 关键能力 阶梯突破 【例7】　(2024·浙江1月选考)如图所示，一个固定在水平面上的绝热容器被隔板A分成体积均为V1＝750 cm3的左右两部分。面积为S＝100 cm2的绝热活塞B被锁定，隔板A的左侧为真空，右侧中一定质量的理想气体处于温度T1＝300 K、压强p1＝2.04×105 Pa的状态1。抽取隔板A，右侧中的气体就会扩散到左侧中，最终达到状态2。然后解锁活塞B，同时施加水平恒力F，仍使其保持静止，当电阻丝C加热时，活塞B能缓慢滑动(无摩擦)，使气体达到温度T3＝350 K的状态3，气体内能增加ΔU＝63.8 J。已知大气压强p0＝1.01×105 Pa，隔板厚度不计。 关键能力 阶梯突破 (1)气体从状态1到状态2是 不可逆 (选填“可逆”或“不可逆”)过程，分子平均动能 不变 (选填“增大”“减小”或“不变”)； 解析　根据热力学第二定律可知，气体从状态1到状态2是不可逆过程，由于隔板A的左侧为真空，可知气体从状态1到状态2，气体不做功，又没有发生传热，所以气体的内能不变，气体的温度不变，分子平均动能不变。 不可逆 不变 关键能力 阶梯突破 (2)求水平恒力F的大小； 答案　10 N 关键能力 阶梯突破 (3)求电阻丝C放出的热量Q。 答案　89.3 J 关键能力 阶梯突破 微点突破　24 　循环气体图像 常见气体循环 关键能力 阶梯突破 关键能力 阶梯突破 【例证1】　(多选)(2024·新课标卷)如图，一定量理想气体的循环由下面4个过程组成：1→2为绝热过程(过程中气体不与外界交换热量)，2→3为等压过程，3→4为绝热过程，4→1为等容过程。上述四个过程是四冲程柴油机工作循环的主要过程。下列说法正确的是( AD ) A．1→2过程中，气体内能增加 B．2→3过程中，气体向外放热 C．3→4过程中，气体内能不变 D．4→1过程中，气体向外放热 AD 关键能力 阶梯突破 解析　1→2为绝热过程，Q＝0，气体体积减小，外界对气体做功，W>0，根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W可知ΔU>0，故气体内能增加，故A正确；2→3为等压过程，根据盖—吕萨克定律可知气体体积增大时温度增加，内能增大，此时气体体积增大，气体对外界做功，W<0，故气体吸收热量，故B错误；3→4为绝热过程，Q＝0，此时气体体积增大，气体对外界做功W<0，根据热力学第一定律可知气体内能减小，故C错误；4→1为等容过程，根据查理定律可知压强减小时温度减小，故内能减小，由于体积不变，W＝0，故可知气体向外放热，故D正确。 关键能力 阶梯突破 考教衔接► 本题以四冲程柴油机工作循环的过程为素材，创设了科学探究问题情境，主要考查气体实验定律、热力学第一定律和气体图像。与人教版选择性必修第三册第三章“复习与提高”B组第4 题在对热力学第一定律的应用和处理p-V图像的方法上类似。 关键能力 阶梯突破 【例证2】　(2024·山东卷)一定质量理想气体经历如图所示的循环过程，a→b过程是等压过程，b→c过程中气体与外界无热量交换，c→a过程是等温过程。下列说法正确的是( C ) A．a→b过程，气体从外界吸收的热量全部用于对外做功 B．b→c过程，气体对外做功，内能增加 C．a→b→c过程，气体从外界吸收的热量全部用于对外做功 D．a→b过程，气体从外界吸收的热量等于c→a过程放出的热量 C 关键能力 阶梯突破 解析　a→b过程压强不变，是等压变化且体积增大，气体对外做功，Wab<0，由盖—吕萨克定律可知Tb>Ta，即内能增大，ΔUab>0，根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W可知a→b过程，气体从外界吸收的热量一部分用于对外做功，另一部分用于增加内能，A错误；b→c过程中气体与外界无热量交换，即Qbc＝0，又由气体体积增大可知Wbc<0，由热力学第一定律ΔU＝Q＋W可知气体内能减少，故B错误；c→a过程为等温过程，可知Tc＝Ta，ΔUac＝0，根据热力学第一定律可知a→b→c过程，气体从外界吸收的热量全部用于对外做功，C正确；根据热力学第一定律结合上述分析可知，a→b→c→a一整个热力学循环过程ΔU′＝0，整个过程气体对外做功，W′<0，因此由热力学第一定律可得 ΔU′＝Qab－(－Qca)＋W′＝0，故a→b过程气体从外界吸收的热量Qab不等于c→a过程放出的热量－Qca，D错误。 关键能力 阶梯突破 1．一定质量的理想气体在某一过程中，外界对气体做功7.0×104 J，气体内能减少1.3×105 J，则此过程( B ) A．气体从外界吸收热量2.0×105 J B．气体向外界放出热量2.0×105 J C．气体从外界吸收热量6.0×104 J D．气体向外界放出热量6.0×104 J 解析　由热力学第一定律ΔU＝W＋Q得Q＝ΔU－W＝－1.3×105 J－7.0×104 J＝－2.0×105 J，即气体向外界放出热量2.0×105 J，B正确。 B 课 时 作 业 题库 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 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( D ) 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，传热也不一定改变内能，但同时做功和传热一定会改变内能 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，使之完全变成功也是可能的 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错误；由热力学第一定律可知W≠0，Q≠0，但ΔU＝W＋Q可以等于0，C错误；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正确。 D 课 时 作 业 题库 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 3．(2022·江苏卷)如图所示，一定质量的理想气体分别经历a→b和a→c两个过程，其中a→b为等温过程，状态b、c的体积相同。则( C ) A．状态a的内能大于状态b B．状态a的温度高于状态c C．a→c过程中气体吸收热量 D．a→c过程中外界对气体做正功 C 课 时 作 业 题库 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 4．一定量的理想气体的压强p与热力学温度T的变化图像如图所示。下列说法正确的是( B ) A．A→B的过程中，气体对外界做功，气体内能增加 B．A→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．B→C的过程中，气体体积增大，对外做功 D．B→C的过程中，气体对外界放热，内能减小 解析　从A到B的过程，是等容升温过程，气体不对外做功，气体从外界吸收的热量，等于气体内能的增加量，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，故C、D错误。 B 课 时 作 业 题库 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 5．(多选)(2022·全国乙卷改编)一定量的理想气体从状态a经状态b变化到状态c，其过程如T-V图上的两条线段所示，则气体在( AB ) A．状态a处的压强大于状态c处的压强 B．由a变化到b的过程中，气体对外做功 C．由b变化到c的过程中，气体的压强不变 D．由a变化到b的过程中，从外界吸收的热量等于其增加的内能 AB 课 时 作 业 题库 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 课 时 作 业 题库 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 6．(2024·湖北卷)如图所示，在竖直放置、开口向上的圆柱形容器内用质量为m的活塞密封一部分理想气体，活塞横截面积为S，能无摩擦地滑动。初始时容器内气体的温度为T0，气柱的高度为h。当容器内气体从外界吸收一定热量后，活塞缓慢上升 h再次平衡。已知容器内气体内能变化量ΔU与温度变化量ΔT的关系式为ΔU＝CΔT，C为已知常量，大气压强恒为p0，重力加速度大小为g，所有温度为热力学温度。求： 课 时 作 业 题库 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 (1)再次平衡时容器内气体的温度； 课 时 作 业 题库 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 (2)此过程中容器内气体吸收的热量。 课 时 作 业 题库 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 [能力提升] 7．(多选)如图，一定量的理想气体从状态a(p0，V0，T0)经热力学过程ab、bc、ca后又回到状态a。对于ab、bc、ca三个过程，下列说法正确的是( AB ) A．ab过程中，气体始终吸热 B．ca过程中，气体始终放热 C．ca过程中，气体对外界做功 D．bc过程中，气体的温度先降低后升高 AB 课 时 作 业 题库 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 课 时 作 业 题库 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 8．(多选)(2024·河北卷)如图，水平放置的密闭绝热汽缸被导热活塞分成左右两部分，左侧封闭一定质量的理想气体，右侧为真空，活塞与汽缸右壁中央用一根轻质弹簧水平连接。汽缸内壁光滑且水平长度大于弹簧自然长度，弹簧的形变始终在弹性限度内且体积忽略不计。活塞初始时静止在汽缸正中间，后因活塞密封不严发生缓慢移动，活塞重新静止后( ACD ) A．弹簧恢复至自然长度 B．活塞两侧气体质量相等 C．与初始时相比，汽缸内气体的内能增加 D．与初始时相比，活塞左侧单位体积内气体分子数减少 ACD 课 时 作 业 题库 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 解析　活塞密封不严，左侧封闭气体向右侧真空扩散，当活塞重新静止时，活塞左右两侧气体压强相等，对活塞受力分析可知，其不受弹簧弹力，即弹簧恢复至自然长度，A正确；由于初始时活塞左侧有气体、右侧真空且活塞静止，则初始时弹簧处于压缩状态，又此时活塞静止在汽缸正中间，则当活塞重新静止时，有V左<V右，又活塞左右两侧气体为同种气体且压强和温度都相等，则活塞左右两侧气体的密度相等，由m＝ρV可知，活塞左侧气体的质量小于右侧气体的质量，B错误；气体与弹簧组成的系统能量守恒，与初始时相比，活塞重新静止时弹簧的弹性势能减少，则气体的内能增加，C正确；结合A项分析可知，与初始时相比，气体的体积增大，总分子数不变，所以活塞左侧单位体积内气体分子数减少，D正确。 课 时 作 业 题库 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 9．(多选)(2024·海南嘉积中学一模)一定质量的理想气体，其内能与热力学温度成正比。该理想气体从状态A经一系列变化，最终又回到状态A，其变化过程的V-T图像如图所示，其中BA的延长线经过坐标原点，BC与横轴平行，气体在状态A时的内能为U。则下列说法正确的是( AC ) AC 课 时 作 业 题库 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 课 时 作 业 题库 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 [素养培优] 10．(2023·浙江1月选考)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＝100 cm2、质量m＝1 kg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＝300 K、活塞与容器底的距离h0＝30 cm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＝3 cm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＝363 K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＝158 J。取大气压p0＝0.99×105 Pa，重力加速度g取10 m/s2，求气体 课 时 作 业 题库 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 (1)在状态B的温度； 答案　330 K 课 时 作 业 题库 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 (2)在状态C的压强； 答案　1.1×105 Pa 课 时 作 业 题库 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 (3)由状态A到状态C过程中从外界吸收的热量Q。 答案　188 J 解析　根据题意可知，从状态A到状态C的过程中外界对气体做的功为 W＝－pBSd＝－30 J 由热力学第一定律有ΔU＝W＋Q 解得Q＝ΔU－W＝188 J。 课 时 作 业 题库 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 奥托循环，燃烧汽油的四冲程内燃机中进行的循环过程 $