第15章 热学-第4节 热力学定律与能量守恒定律 课件—2027届高考物理一轮复习

该高中物理高考复习课件聚焦“热力学定律与能量守恒定律”专题，依据高考评价体系梳理了热力学第一定律、热力学第二定律、能量守恒定律三大核心考点，明确了热力学第一定律与图像综合应用、与气体实验定律综合应用的高频考查方向，归纳了选择、计算等常考题型，体现高考备考的针对性和实用性。 课件亮点在于“真题训练+方法指导+素养培养”的备考策略，如结合2025年安徽、山东等地模拟题，深入解析p-V图像面积求功、汽缸模型受力分析等典型问题，培养学生的模型建构和科学推理素养。通过“确定研究对象-分析过程-应用定律”的思维流程，帮助学生掌握解题技巧，教师可据此开展系统复习，助力学生高效冲刺高考。

第15章 热学 第4节 热力学定律与能量守恒定律 1 考点一 热力学第一定律 热力学第二定律 能量守恒定律 考点二 热力学第一定律与图像的综合应用 考点三 热力学定律与气体实验定律的综合应用 2 考点一 热力学第一定律 热力学第二定律 能量守 恒定律 3 1.改变物体内能的两种方式 （1）______；（2）热传递。 做功 4 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： _______。 （3）表达式中的正、负号法则： 物理量 - ______对______做功 ______对______做功 物体______热量 物体______热量 内能______ 内能______ 热量 外界 物体 物体 外界 吸收 放出 增加 减少 5 （4）热力学第一定律的理解 ①内能的变化常用热力学第一定律进行分析。 ②做功情况看气体的体积：体积增大，气体对外做功， 为负；体积缩小，外界对气 体做功， 为正。 ③与外界绝热，则不发生传热，此时 。 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，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。 6 （5）三种特殊情况 ①若过程是绝热的，则， ，外界（物体）对物体（外界）做的功等于物 体内能的增加（减少）； ②若过程中不做功，即，则 ，物体吸收（放出）的热量等于物体内能的 增加（减少）； ③若在过程的初、末状态，物体的内能不变，即，则或 ，外 界（物体）对物体（外界）做的功等于物体放出（吸收）的热量。 7 3.热力学第二定律 （1）克劳修斯表述：热量不能________从低温物体传到高温物体。 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。或 表述为“________永动机是不可能制成的”。 （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。 自发地 第二类 无序度 8 （3）热力学第二定律的含义 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。 9 （4）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。 ①高温物体 低温物体。 ②功 热。 ③气体体积气体体积 （较大）。 10 4.能量守恒定律 （1）内容 能量既不会凭空______，也不会凭空消失，它只能从一种形式______为其他形式，或 者从一个物体______到别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量__________。 （2）条件性 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 转化 转移 保持不变 11 （3）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 特点 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 12 【视角1】　热力学第一定律 例1 (2025·安徽)在恒温容器内的水中，让一个导热良好的气球缓慢上升。若气球无漏气，球内气体(可视为理想气体)温度不变，则气球上升过程中，球内气体(　　) A.对外做功，内能不变 B.向外放热，内能减少 C.分子的平均动能变小 D.吸收的热量等于内能的增加量 A 13 [解析] 根据题意可知，气球缓慢上升的过程中，气体温度不变，则气体的内能不变，分子的平均动能不变，气体的体积变大，气体对外做功，由热力学第一定律可知，由于气体的内能不变，则吸收的热量与气体对外做的功相等。 14 【视角2】　热力学第二定律 例2 (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 15 [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膨胀，具有方向性，D正确。 16 【视角3】　能量守恒定律 例3 下列关于能量守恒定律的认识，不正确的是(　　) A.某种形式的能量减少，一定存在其他形式的能量增加 B.某个物体的能量减少，必然有其他物体的能量增加 C.对物体做功，物体的内能可能减小 D.石子从空中落下，最后停止在地面上，说明石子的能量消失了 D 17 [解析] 根据能量守恒定律得知，某种形式的能减少，其他形式的能一定增加，故A正确；某个物体的总能量减少，根据能量守恒定律得知，必然有其他物体的能量增加，故B正确；对物体做功，但若物体同时向外界放热，物体的内能可能减小，故C正确；石子在运动和碰撞中机械能转化为物体及周围物体的内能，能量并没有消失；故D错误。 18 考点二 热力学第一定律与图像的综合应用 19 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 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 判断气体是吸热还是放热。 （4）在 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。 20 【视角1】　p−V图像 例1 (2025·陕晋青宁)某种卡车轮胎的标准胎压范围为2.8×105 Pa~3.5×105 Pa。卡车行驶过程中，一般胎内气体的温度会升高，体积及压强也会增大。若某一行驶过程中胎内气体压强p随体积V线性变化如图所示，温度T1为300 K时，体积V1和压强p1分别为0.528 m3、3.0×105 Pa；当胎内气体温度升高到T2为350 K时，体积增大到V2为0.560 m3，气体可视为理想气体。 21 （1）求此时胎内气体的压强p2； [解析] 气体可视为理想气体，根据理想气体状态方程 整理代入数据得p2 = = 3.3×105 Pa 22 （2）若该过程中胎内气体吸收的热量Q为7.608×104 J，求胎内气体的内能增加量ΔU。 [解析] p−V图线与横轴围成的面积代表做功的大小，该过程气体体积增大，则气体对外做功，可得外界对气体做功为 W = −(V2−V1) = −1.008×104 J 由热力学第一定律ΔU = Q+W 代入数据可得ΔU = 6.6×104 J 23 【视角2】　p−T图像 例2 (多选)如图所示。一定质量的理想气体从状态A经A→B、B→C、C→A三个热力学过程后又回到状态A。则下列说法正确的是( ) ABD A.在A→B的过程中，气体体积不变 B.在B→C的过程中，气体内能不变 C.在B→C的过程中，气体既不吸热也不放热 D.在C→A的过程中，单位时间内碰撞器壁单位面积的分子个数变多 24 [解析] 在A→B的过程中，p与T的比值不变，体积不变，选项A正确；在B→C的过程中，温度不变，分子平均动能不变，分子数不变，气体内能不变，选项B正确；在C→A的过程中，温度不变，内能不变，体积变大，对外做功，则气体始终吸热，选项C错误；在C→A的过程中，温度T降低，分子的平均速率变小，而压强不变，则单位时间内碰撞器壁单位面积的分子个数增加，选项D正确。 25 【视角3】　V−T图像 例3 (多选)(2025·甘肃)如图，一定量的理想气体从状态A经等容过程到达状态B，然后经等温过程到达状态C。已知质量一定的某种理想气体的内能只与温度有关，且随温度升高而增大。下列说法正确的是( ) ACD A.A→B过程为吸热过程 B.B→C过程为吸热过程 C.状态A压强比状态B的小 D.状态A内能比状态C的小 26 [解析] A→B过程，体积不变，则W = 0，温度升高，则ΔU>0，根据热力学第一定律ΔU = W+Q，可知Q>0，即该过程吸热，选项A正确；B→C过程，温度不变，则ΔU = 0，体积减小，则W>0，根据热力学第一定律ΔU = W+Q，可知Q<0，即该过程为放热过程，选项B错误；A→B过程，体积不变，温度升高，根据 = C，可知压强变大，即状态A压强比状态B压强小，选项C正确；状态A的温度低于状态C的温度，可知状态A的内能比状态C的小，选项D正确。 27 考点三 热力学定律与气体实验定律的综合应用 28 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 29 【视角1】　热力学定律+汽缸模型 例1 (2025·山东)如图所示，上端开口，下端封闭的足够长玻璃管竖直固定于调温装置内。玻璃管导热性能良好，管内横截面积为S，用轻质活塞封闭一定质量的理想气体。大气压强为p0，活塞与玻璃管之间的滑动摩擦力大小恒为f0 = p0S，等于最大静摩擦力。用调温装置对封闭气体缓慢加热，T1 = 330 K时，气柱高度为h1，活塞开始缓慢上升；继续缓慢加热至T2 = 440 K时停止加热，活塞不再上升；再缓慢降低气体温度，活塞位置保持不变，直到降温至T3 = 400 K时，活塞才开始缓慢下降；温度缓慢降至T4 = 330 K时，保持温度不变，活塞不再下降。求: 30 （1）T2 = 440 K时，气柱高度h2； [解析] 活塞开始缓慢上升，由受力平衡p0S+f0 = p1S 可得封闭的理想气体压强p1 = p0 T1→T2升温过程中，等压膨胀，由盖−吕萨克定律 解得h2 = h1 31 （2）从T1状态到T4状态的过程中，封闭气体吸收的净热量Q(扣除放热后净吸收的热量)。 [解析] T1→T2升温过程中，等压膨胀，外界对气体做功 W1 = −p1(h2−h1)S = − T2→T3降温过程中，等容变化，外界对气体做功W2 = 0 活塞受力平衡有p0S = f0+p3S 解得封闭的理想气体压强p3 = p0 T3→T4降温过程中，等压压缩，由盖−吕萨克定律 解得h4 = h1 32 外界对气体做功W3 = p3(h2−h4)S = 全程中外界对气体做功 W = W1+W2+W3 = 因为T1 = T4，故封闭的理想气体总内能变化ΔU = 0 利用热力学第一定律ΔU = W+Q 解得Q = 故封闭气体吸收的净热量Q = 。 33 【视角2】　热力学定律+液柱模型 例2 (2023·河北)如图，某实验小组为测量一个葫芦的容积，在葫芦开口处竖直插入一根两端开口、内部横截面积为0.1 cm2的均匀透明长塑料管，密封好接口，用氮气排空内部气体，并用一小段水柱封闭氮气。外界温度为300 K时，气柱长度l为10 cm；当外界温度缓慢升高到310 K时，气柱长度变为50 cm。已知外界大气压恒为1.0×105 Pa，水柱长度不计。 34 （1）求温度变化过程中氮气对外界做的功； [解析] 由于水柱的长度不计，故封闭气体的压强始终等于大气压强。设大气压强为p0，塑料管的横截面积为S，初、末态气柱的长度分别为l1、l2，气体对外做的功为W。根据功的定义有W = p0S 解得W = 0.4 J 35 （2）求葫芦的容积； [解析]设葫芦的容积为V，封闭气体的初、末态温度分别为T1、T2，体积分别为V1、V2，根据盖—吕萨克定律有 V1 = V+Sl1，V2 = V+Sl2 联立以上各式并代入题给数据得V = 119 cm3 36 （3）试估算被封闭氮气分子的个数(保留2位有效数字)。已知1 mol氮气在1.0×105 Pa、273 K状态下的体积约为22.4 L，阿伏伽德罗常数NA取6.0×1023 mol−1。 [解析]设在1.0×105 Pa、273 K状态下，1 mol氮气的体积为V0、温度为T0，封闭气体的体积为V3，被封闭氮气的分子个数为n。根据盖一吕萨克定律有 其中n = NA 联立以上各式并代入题给数据得n = 2.9×1021个 37 【视角3】　热力学定律+内能与温度的关系 例3 (2024·湖北)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为已知常数，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: 38 （1）再次平衡时容器内气体的温度。 [解析] 气体进行等压变化，则由盖吕萨克定律得 即 解得T1 = T0 39 （2）此过程中容器内气体吸收的热量。 [解析] 此过程中气体内能增加 ΔU = CΔT = CT0 气体对外做功大小为 W = pSΔh = h(p0S+mg) 由热力学第一定律可得此过程中容器内气体吸收的热量 Q = ΔU+W = h(p0S+mg)+CT0 40 $