第40讲 热力学定律与能量守恒定律 讲义 -2027届高三物理一轮复习

该高中物理讲义围绕热力学定律与能量守恒定律高考核心考点，以热力学第一定律、能量守恒、热力学第二定律为知识主线，通过知识梳理（含定义、公式、符号意义）、考点分析（特殊过程、注意事项）、方法指导（综合问题思维流程）、真题训练（高考典例）四环节，帮助学生构建系统知识网络，突破应用难点。 资料采用模型建构与情境化教学策略，如将气体状态变化抽象为理想气体模型，结合电冰箱、缓冲气袋等实例分析，培养学生科学思维与物理观念。设置基础理解（符号正负判断）、综合应用（p-V图像与热力学第一定律结合）分层训练，配合即时方法总结，确保高效复习，为教师把控考点节奏、提升学生应考能力提供有力支持。

第40讲 热力学定律与能量守恒定律 讲义 知识梳理： 一.热力学第一定律 1．功、热和内能的改变 (1)内能的热力学定义：在热力学系统的绝热过程中，外界对系统做的功仅由过程的始末两个状态决定，所以热力学系统必定存在一个只依赖于系统自身状态的物理量，这个物理量必定是系统的一种能量，我们把它称为系统的内能。内能用符号U表示。 (2)改变内能的两种方式 ①在热力学系统的绝热过程中，内能的变化量等于外界对系统所做的功W， 即ΔU＝W。 ②在单纯的传热过程中，系统内能的变化量等于外界向系统传递的热量Q， 即ΔU＝Q。 (3)功与热 功 热量 效果 都能引起系统内能的改变，在改变内能的方面是等价的 特点 都是过程量，度量特定过程内能的变化量 区别 内能与其他形式的能发生转化 不同物体(或一个物体的不同部分)之间内能的转移 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热量与外界对它所做的功的和。 (2)表达式：ΔU＝Q＋W。 (3)上式中ΔU、Q、W正、负号的意义 物理量 意义 符号 W Q ΔU ＋ 外界对系统做功 系统吸收热量 内能增加 － 系统对外界做功 系统放出热量 内能减少 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，它只能从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变。 (2)第一类永动机：不需要任何动力或燃料，却能不断地对外做功的机器。违背能量守恒定律，因此不可能实现。 三.热力学第二定律 1．热力学第二定律的本质：反映宏观自然过程的方向性。 2．三种等价表述 (1)克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传到高温物体。 (2)开尔文表述：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。 (3)用熵的概念表示热力学第二定律 在自发过程中，系统总是自发地向无序方向发展，即一个孤立系统的熵值总是不减少的。(熵增加原理) 3．第二类永动机：(从单一热库吸收热量并把它全部用来对外做功，而不产生其他影响的机器)违背热力学第二定律，不可能实现。 4．能量耗散：每天我们使用的能源最后都转化成了内能，能源消耗使得周围环境升温。根据热力学第二定律，分散在环境中的内能不能自动聚集起来驱动机器做功了。这样的转化过程叫作“能量耗散”。 考点一热力学第一定律与能量守恒定律 1.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，W为负;体积缩小，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，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。 2.三种特殊情况 过程 含义 内能变化 物理意义 绝热 Q＝0 ΔU＝W 外界对物体做的功等于物体内能的增加量 等容 W＝0 ΔU＝Q 物体吸收的热量等于物体内能的增加量 等温 ΔU＝0 W＝－Q 外界对物体做的功，等于物体放出的热量 3.应用热力学第一定律的注意事项 (1)根据ΔU＝W＋Q列式时，应弄清研究对象，各个物理量正负号不要写错。 (2)由于不计分子势能，理想气体的内能U仅与温度有关。 (3)理想气体的压强不变时，外界对气体做的功(或气体对外界做的功)W＝pΔV。 (4)气体在真空中自由膨胀的过程，由于没有受力物体，所以不对外做功。 典例１：(2025·江苏卷·6)如图所示，取装有少量水的烧瓶，用装有导管的橡胶塞塞紧瓶口，并向瓶内打气。当橡胶塞跳出时，瓶内出现白雾。橡胶塞跳出后，瓶内气体(　　) A.内能迅速增大 B.温度迅速升高 C.压强迅速增大 D.体积迅速膨胀 答案　D解析　瓶塞跳出的过程中瓶内的气体对外做功，气体体积迅速膨胀，由于该过程的时间比较短，气体来不及与外界交换热量，根据热力学第一定律可知，气体的内能减小，则温度降低，由理想气体状态方程=C可知，气体压强减小。故选D。 典例2：两位小朋友分别画了一条小鱼，妹妹画的小鱼如图甲所示，哥哥画的小鱼如图乙所示，都画出了小鱼在水中吐泡泡的神韵。若气泡内气体可视为理想气体，忽略温度变化，从物理视角分析，则(　　) A.图甲中画的气泡合理，图乙中画的气泡不合理 B.小鱼吐的气泡上升时，泡内气体从外界吸热 C.小鱼吐的气泡上升时，泡内气体压强增大 D.小鱼吐的气泡上升时，水对气泡做正功 答案　B解析　根据液体压强公式p=p0+ρgh(p0为大气压强，ρ为液体密度，h为深度)气泡在上升过程中深度h减小，气泡内压强p减小。由玻意耳定律pV=C可知压强减小则体积增大，所以气泡应该越往上越大，题图乙合理，题图甲不合理，故A、C错误；气泡上升过程中，体积增大，气体对外界做功(即水对气泡做负功)，即W<0 。因为忽略温度变化，内能不变(ΔU=0)，根据热力学第一定律ΔU=Q+W可得Q>0，这表明泡内气体从外界吸热，故B正确，D错误。 典例3：如图所示，地面上某储存舱简化成内壁光滑的汽缸，不计质量的活塞将一定质量的理想气体封闭在缸内。初始状态气体压强p1＝1．0×105 Pa，体积V1＝3．0 m3，温度T1＝300 K。用电热丝加热至温度T2＝400 K，体积增大到V2＝4．0 m3，气体吸收热量Q＝1．5×105 J。求气体内能的变化量。 [答案]　5．0×104 J [解析]　气体发生等压变化，对外做功为W＝pΔV＝p1(V2－V1) 由热力学第一定律，得气体内能的变化量ΔU＝Q－W 代入数据解得ΔU＝5．0×104 J。 考点二 热力学第二定律 1.对热力学第二定律关键词的理解 (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。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。 (3)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。 2.热力学过程的方向性分析 (1)高温物体低温物体 (2)功热 (3)气体体积V1(较小)气体体积V2(较大) (4)不同气体A和B混合气体AB 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 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 　典例4：(2026·宁夏石嘴山市第一中学高三上开学考试)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．热量可以自发地从低温的冰箱内传到高温的冰箱外 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反了热力学第二定律 D．电冰箱的工作效率可达到100% [答案]　B[解析]　电冰箱把热量从低温的内部传到高温的外部，需要压缩机的帮助并消耗电能，不是自发过程，故A错误，B正确；电冰箱在工作过程中，消耗电能，实现了热量从低温物体向高温物体的传递，不违反热力学第二定律，故C错误；任何热机的效率都不能达到100%，电冰箱也不例外，故D错误。 典例5：利用“涡流效应”可实现冷热气体的分离。如图，一冷热气体分离装置由喷嘴、涡流室、环形管、分离挡板和冷热两端管等构成。高压氮气由喷嘴切向流入涡流室中，然后以螺旋方式在环形管中向右旋转前进，分子热运动速率较小的气体分子将聚集到环形管中心部位，而分子热运动速率较大的气体分子将聚集到环形管边缘部位。气流到达分离挡板处时，中心部位气流与分离挡板碰撞后反向，从A端流出，边缘部位气流从B端流出。下列说法正确的是(　　) A.A端流出的气体分子热运动平均速率一定大于B端 B.A端流出的气体内能一定小于B端流出的 C.该装置气体进出的过程满足能量守恒定律，但违背了热力学第二定律 D.该装置气体进出的过程既满足能量守恒定律，也满足热力学第二定律 [答案]　D [解析] 中心部位为分子热运动速率较小的气体，与挡板相互作用后反弹，从A端流出，而边缘部分热运动速率较大的气体从B端流出;同种气体分子平均热运动速率较大，其对应的温度也就较高，所以A端为冷端、B端为热端，所以从A端流出的气体分子热运动平均速率小于从B端流出的，故A错误;A端流出的气体分子热运动速率较小，B端流出的气体分子热运动速率较大，则从A端流出的气体分子平均动能小于从B端流出的气体分子平均动能，内能的多少还与分子数有关;所以不能得出从A端流出的气体内能一定小于从B端流出的气体内能，故B错误;该装置将冷热不均的气体进行分离，喷嘴处有高压，即通过外界做功而实现的，并非是自发进行的，没有违背热力学第二定律，故C错误;温度较低的气体从A端流出、温度较高的气流从B端流出，也符合能量守恒定律，D正确。 考点三 热力学第一定律与气体实验定律的综合应用 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 　 典例6：(2025·重庆卷)易碎物品运输中常采用缓冲气袋减小运输中的冲击。若某次撞击过程中，气袋被压缩(无破损)，不计袋内气体与外界的热交换，则该过程中袋内气体(视为理想气体)(　　) A．分子热运动的平均动能增加 B．内能减小 C．压强减小 D．对外界做正功 [答案]　A[解析]　气体体积减小，则外界对袋内气体做正功，袋内气体对外界做负功，W>0，故D错误；由题意可知，该过程袋内气体与外界无热交换，即Q＝0，由热力学第一定律ΔU＝Q＋W知，ΔU>0，即袋内气体内能增加，温度升高，分子热运动的平均动能增加，故A正确，B错误；根据理想气体状态方程有＝C，体积V减小，温度T升高，可知压强p增大，故C错误。 典例7：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： (1)再次平衡时容器内气体的温度。 (2)此过程中容器内气体吸收的热量。 [答案]　(1)T0　(2)h(p0S＋mg)＋CT0 [解析]　(1)活塞缓慢上升h的过程，容器内气体发生等压变化，容器内气体初状态体积为V0＝hS 末状态体积为V1＝S 设再次平衡时容器内气体的温度为T1，由盖—吕萨克定律得＝ 联立解得T1＝T0。 (2)此过程中容器内气体温度的变化量ΔT＝T1－T0 内能的变化量ΔU＝CΔT 设此过程中容器内气体的压强为p，则此过程中外界对气体做的功W＝－pS·h 对活塞由平衡条件有pS＝p0S＋mg 设此过程中容器内气体吸收的热量为Q，由热力学第一定律有ΔU＝Q＋W 联立解得Q＝h(p0S＋mg)＋CT0。 考点四　热力学第一定律在图像问题中的应用 用热力学第一定律解决图像问题的思路 (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。 (3)在p­V图像中，图像与横轴所围图形的面积表示气体对外界或外界对气体所做的功。 典例8：(2025·甘肃卷)(多选)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(　　) 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 [答案]　ACD[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，即该过程为吸热过程，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，B错误；A、B状态中体积相同，状态A温度较低，由查理定律p＝CT可知，状态A压强比状态B的小，C正确；状态A的温度低于状态C的温度，可知状态A内能比状态C的小，D正确。 典例9：(2025·天津卷，4)如图所示，一定质量的理想气体可经三个不同的过程从状态A变化到状态C，则(　　) A．AC和ADC过程，外界对气体做功相同 B．ABC和ADC过程，气体放出的热量相同 C．在状态A时和在状态C时，气体的内能相同 D．在状态B时和在状态D时，气体分子热运动的平均动能相同 答案：C解析：由题图可知pAVA＝pCVC＝3p0V0，根据理想气体状态方程＝C可知，在状态A时和在状态C时，气体的温度相同，则内能相同，故C正确；同理有pBVB＝9p0V0>pDVD＝p0V0，可知气体在状态B时的温度高于在状态D时的温度，则在状态B时气体分子热运动的平均动能更大，故D错误；从状态A到状态C，气体体积减小，外界对气体做功，又p­V图像中图线与V轴围成的面积表示外界对气体做的功，由题图可知AC、ADC和ABC过程，外界对气体做功的关系为WABC>WAC>WADC，且气体在三个过程的内能变化量均为0，根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W可知，三个过程气体均放热，且ABC过程气体放出的热量最多，故A、B错误。 典例10：(2025·陕晋青宁卷·13)某种卡车轮胎的标准胎压范围为2.8×105~3.5×105 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。 (1)(3分)求此时胎内气体的压强p2； (2)(5分)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。 答案　(1)3.3×105 Pa　(2)6.6×104 J 解析　(1)根据理想气体状态方程= 代入数据得p2==3.3×105 Pa (2)p-V图线与V轴围成的面积表示做功的大小，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。 学科网（北京）股份有限公司 $