高考物理一輪復習熱點題型35熱力學定律與能量守恒定律、氣體實驗定律的綜合應用(原卷版)

2020屆高考物理一輪復習熱點題型歸納與變式演練

專題35熱力學定律與能量守恒定律、氣體實驗定律的綜合應用

【專題導航】

目錄

熱點題型一熱力學第一定律與能量守恒定律.....................................................

熱點題型二熱力學第二定律的理解..............................................................3

熱點題型三封閉氣體多過程的問題..............................................................5

汽缸封閉氣體問題...........................................................................5

活塞封閉氣體問題...........................................................................6

熱點四關聯(lián)氣體的狀態(tài)變化問題................................................................8

活塞封閉氣體的問題.........................................................................8

水銀柱封閉氣體的問題.......................................................................9

熱點題型五變質(zhì)量問題.........................................................................9

夯氣問撅...................................................................................9

抽氣問題...................................................................................10

灌氣問題...................................................................................10

漏氣問題...................................................................................||

熱點題型六熱力學第一定律與圖象的綜合應用...................................................11

熱點題型七熱力學第一定律與氣體實驗定律的綜合應用...........................................12

【題型演練】...................................................................................13

【題型歸納】

熱點題型一熱力學第一定律與能量守恒定律

1.熱力學第一定律不僅反映了做功和熱傳遞這兩種改變內(nèi)能的過程是等效的，而且給出了

內(nèi)能的變化量和

做功與熱傳遞之間的定量關系.此定律是標量式，應用時功、內(nèi)能、熱量的單位應統(tǒng)一為國

際單位焦耳.

2.三種特殊情況

(1)若過程是絕熱的，即。=0,則卬=此，外界對物體做的功等于物體內(nèi)能的增加量；

(2)若過程中不做功，即W=0,則。=AU,物體吸收的熱量等于物體內(nèi)能的增加量；

(3)若過程的初、末狀態(tài)物體的內(nèi)能不變，即AU=O,則W+Q=O或卬=-0,外界對物體

做的功等于物體放出的熱量.

3.改變內(nèi)能的兩種方式的比較

做功熱傳遞

內(nèi)能變化外界對物體做功，物體的內(nèi)能增加；物體吸收熱量，內(nèi)能增加；物體放

情況物體對外界做功，物體的內(nèi)能減少出熱量，內(nèi)能減少

熱傳遞是通過分子之間的相互作

區(qū)從運動形做功是宏觀的機械運動向物體的微

用，使同一物體的不同部分或不同

別式看觀分子熱運動的轉(zhuǎn)化

物體間的分子熱運動發(fā)生變化

從能量角做功是其他形式的能與內(nèi)能相互轉(zhuǎn)不同物體間或同一物體不同部分之

度看化的過程，能的性質(zhì)發(fā)生了變化間內(nèi)能的轉(zhuǎn)移，能的性質(zhì)不變

聯(lián)系做一定量的功或傳遞一定量的熱量在改變內(nèi)能的效果上是相同的

4.溫度、內(nèi)能、熱量、功的比較

含義特點

表示物體的冷熱程度，是物體分子平均動能大

溫度小的標志，它是大量分子熱運動的集體表現(xiàn)，

對個別分子來說，溫度沒有意義狀態(tài)量

內(nèi)能(熱物體內(nèi)所有分子動能和勢能的總和，它是由大

能)量分子的熱運動和分子的相對位置所決定的能

是熱傳遞過程中內(nèi)能的改變量，熱量用來度量

熱量

熱傳遞過程中內(nèi)能轉(zhuǎn)移的多少

過程量

做功過程是機械能或其他形式的能和內(nèi)能之間

功

的轉(zhuǎn)化過程

【例1】如圖，用隔板將一絕熱汽缸分成兩部分，隔板左側(cè)充有理想氣體，隔板右側(cè)與絕熱

活塞之間是真空.現(xiàn)將隔板抽開，氣體會自發(fā)擴散至整個汽缸.待氣體達到穩(wěn)定后，緩慢推

壓活塞，將氣體壓回到原來的體積.假設整個系統(tǒng)不漏氣.下列說法正確的是()

A.氣體自發(fā)擴散前后內(nèi)能相同

B.氣體在被壓縮的過程中內(nèi)能增大

C.在自發(fā)擴散過程中，氣體對外界做功

D.氣體在被壓縮的過程中，外界對氣體做功

E.氣體在被壓縮的過程中，氣體分子的平均動能不變

【變式11關于熱力學定律，下列說法正確的是（）

A.氣體吸熱后溫度一定升高

B.對氣體做功可以改變其內(nèi)能

C.理想氣體等壓膨脹過程一定放熱

D.熱量不可能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體

E.如果兩個系統(tǒng)分別與狀態(tài)確定的第三個系統(tǒng)達到熱平衡，那么這兩個系統(tǒng)彼此之間也必

定達到熱平衡

【變式2】關于內(nèi)能的概念，下列說法中正確的是（）

A.若把氫氣和氧氣看作理想氣體，則具有相同體積、相同質(zhì)量和相同溫度的氫氣和氧氣具

有的內(nèi)能不相等

B.一定質(zhì)量水的分子勢能比冰的分子勢能大

C.物體吸收熱量后，內(nèi)能一定增加

D.一定質(zhì)量的100C的水吸收熱量后變成100°C的水蒸氣，則吸收的熱量大于增加的內(nèi)能

E.做功和熱傳遞是不等價的

熱點題型二熱力學第二定律的理解

1.對熱力學第二定律關鍵詞的理解

在熱力學第二定律的表述中，，，自發(fā)地，，“不產(chǎn)生其他影響，，的涵義.

（1）“自發(fā)地”指明了熱傳遞等熱力學宏觀現(xiàn)象的方向性，不需要借助外界提供能量的幫助.

（2）“不產(chǎn)生其他影響，，的涵義是發(fā)生的熱力學宏觀過程只在本系統(tǒng)內(nèi)完成，對周圍環(huán)境不產(chǎn)生

熱力學方面的影響.如吸熱、放熱、做功等.

2.熱力學第二定律的實質(zhì)

自然界中進行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性.如

熱量Q能自發(fā)傳給

(1)高溫物體熱量Q不能自發(fā)傳給低溫物體.

能自發(fā)地完全轉(zhuǎn)化為

(2)功不能自發(fā)地且不能完全轉(zhuǎn)化為熱.

能自發(fā)地膨脹到

(3)氣體體積匕不能自發(fā)地收縮到氣體體積匕(較大).

_能自發(fā)地混合成

(4)不同氣體A和B不能自發(fā)地分離成混合氣體AA

3.兩類永動機的比較

分類第一類永動機第二類永動機

不需要任何動力或燃料，卻能不斷地從單一熱源吸收熱量，使之完全變成

設計要求

對外做功的機器功，而不產(chǎn)生其他影響的機器

不可能制不違背能量守恒定律，但違背熱力學

違背能量守恒定律

成的原因第二定律

【例2】下列關于熱現(xiàn)象的描述不正確的是()

A.根據(jù)熱力學定律，熱機的效率不可能達到100%

B.做功和熱傳遞都是通過能量轉(zhuǎn)化的方式改變系統(tǒng)內(nèi)能的

C.溫度是描述熱運動的物理量，一個系統(tǒng)與另一個系統(tǒng)達到熱平衡時兩系統(tǒng)溫度相同

D.物體由大量分子組成，其單個分子的運動是無規(guī)則的，大量分子的運動也是無規(guī)則的

E.空調(diào)機作為制冷機使用時，將熱量從溫度較低的室內(nèi)送到溫度較高的室外，所以制冷機

的工作不遵守熱力學第二定律

【變式1】關于熱力學定律，下列說法正確的是()

A.為了增加物體的內(nèi)能，必須對物體做功或向它傳遞熱量

B.對某物體做功，必定會使該物體的內(nèi)能增加

C.可以從單一熱源吸收熱量，使之完全變?yōu)楣?/p>

D.不可能使熱量從低溫物體傳向高溫物體

E.功轉(zhuǎn)變?yōu)闊岬膶嶋H宏觀過程是不可逆過程

【變式2].下列說法正確的是()

A.壓縮氣體總能使氣體的溫度升高

B.能量耗散過程中能量是守恒的

C.第一類永動機不可能制成，是因為違背了能量守恒定律

D.第二類永動機不違背能量守恒定律，但違背了熱力學第一定律

E,能量耗散過程從能量轉(zhuǎn)化的角度反映了自然界中的宏觀過程具有方向性

熱點題型三封閉氣體多過程的問題

多過程問題的處理技巧

研究對象（一定質(zhì)量的氣體）發(fā)生了多種不同性質(zhì)的變化，表現(xiàn)出"多過程''現(xiàn)象.對于“多過程”

現(xiàn)象，則要確定每個有效的“子過程''及其性質(zhì)，選用合適的實驗定律，并充分應用各“子過

程''間的有效關聯(lián).解答時，特別注意變化過程可能的“臨界點”，找出臨界點對應的狀態(tài)參

量，在“臨界點”的前、后可以形成不同的“子過程

汽缸封閉氣體問題

【例3】（2018?高考全國卷H）如圖，一豎直放置的汽缸上端開口，汽缸壁內(nèi)有卡口。和小a、

b間距為h,a

距缸底的高度為，；活塞只能在〃、b間移動，其下方密封有一定質(zhì)量的理想氣體.已知活

塞質(zhì)量為"?，面

積為S,厚度可忽略；活塞和汽缸壁均絕熱，不計它們之間的摩擦.開始時活塞處于靜止狀

態(tài)，上、下方氣

體壓強均為p0,溫度均為7。?現(xiàn)用電熱絲緩慢加熱汽缸中的氣體，直至活塞剛好到達6處.求

此時汽缸內(nèi)氣

體的溫度以及在此過程中氣體對外所做的功.重力加速度大小為g.

【變式】.(2019?河南南陽一中模擬)如圖所示，兩個壁厚可忽略的導熱良好的圓柱形金屬筒A

和B套在一起，

底部到頂部的高度為20cm,兩者橫截面積相等，光滑接觸且不漏氣.將A系于天花板上，

用手托住8,使

它們內(nèi)部密封的氣體強與外界大氣壓相同，均為1.1x105Pa,然后緩慢松手，讓B下沉，當

8下沉了2cm

時，停止下沉并處于靜止狀態(tài).求：

(1)此時金屬筒內(nèi)氣體的壓強；

(2)若當時的溫度為24欲使下沉后的套筒恢復到下沉前的位置，應將溫度變?yōu)閹讛z氏度？

【例4】如圖所示為一豎直放置的導熱性能良好的玻璃管，玻璃管下端封閉，上端開口.現(xiàn)

在管口下方某位

置放一密封性良好質(zhì)量和厚度均可忽略不計的薄板，封閉一定質(zhì)量的理想氣體，此時封閉氣

體的溫度為70，

封閉氣柱長度為/°=10cm.現(xiàn)在薄板上放置3個質(zhì)量為m的物體，系統(tǒng)平衡時，封閉氣柱的

長度變?yōu)?]=5cm,

現(xiàn)使封閉氣體的溫度緩慢升高60C,系統(tǒng)再次平衡時封閉氣柱的長度為4=6cm；然后取

走2個質(zhì)量為m

的物體，再次使封閉氣體的溫度緩慢升高40°C,系統(tǒng)第三次平衡時，封閉氣柱的長度為0(已

知上述過程

中薄板沒有離開玻璃管)求:

X-Z

(1)開始時封閉氣體的溫度r應為多少？

(2)系統(tǒng)第三次平衡時，封閉氣柱的長度4為多少？

【變式】(2019?寧夏五中聯(lián)考)一足夠高的內(nèi)壁光滑的導熱汽缸豎直地浸放在盛有冰水混合物

的水槽中，用

不計質(zhì)量的活塞封閉了一定質(zhì)量的理想氣體，活塞的面積為1.5x10-3m2,如圖所示，開始

時氣體的體積為

3.0x10-3m3,現(xiàn)緩慢地在活塞上倒上一定質(zhì)量的細沙，最后活塞靜止時氣體的體積恰好變?yōu)?/p>

原來的三分之

—.設大氣壓強為1.0x105Pa,重力加速度g取10m/32,求：

熱點四關聯(lián)氣體的狀態(tài)變化問題

多系統(tǒng)問題的處理技巧

多個系統(tǒng)相互聯(lián)系的一定質(zhì)量氣體問題，往往以壓強建立起系統(tǒng)間的關系，各系統(tǒng)獨立進行

狀態(tài)分析，要確定每個研究對象的變化性質(zhì)，分別應用相應的實驗定律，并充分應用各研究

對象之間的壓強、體積、溫度等量的有效關聯(lián).若活塞可自由移動，一般要根據(jù)活塞平衡確

定兩部分氣體的壓強關系.

活塞封閉氣體的問題

【例5】（2018?高考全國卷?）如圖，容積為K的汽缸由導熱材料制成，面積為S的活塞將汽

缸分成容積相等

的上下兩部分，汽缸上部通過細管與裝有某種液體的容器相連，細管上有一閥門K.開始時，

K關閉，汽缸

內(nèi)上下兩部分氣體的壓強均為PO現(xiàn)將K打開，容器內(nèi)的液體緩慢地流入汽缸，當流入的液

V

體體積為不時，

O

V

將K關閉，活塞平衡時其下方氣體的體積減小了親不計活塞的質(zhì)量和體積，外界溫度保持

不變，重力加速

度大小為g.求流入汽缸內(nèi)液體的質(zhì)量.

水銀柱封閉氣體的問題

【例6】（2018?高考全國卷？）在兩端封閉、粗細均勻的U形細玻璃管內(nèi)有一段水銀柱，水銀

柱的兩端各封

閉有一段空氣.當U形管兩端豎直朝上時，左、右兩邊空氣柱的長度分別為4=18.0cm和

（=12.0cm,左

邊氣體的壓強為12.0cmHg.現(xiàn)將U形管緩慢平放在水平桌面上，沒有氣體從管的一邊通過

水銀逸入另一

邊.求U形管平放時兩邊空氣柱的長度.在整個過程中，氣體溫度不變.

熱點題型五變質(zhì)量問題

分析氣體變質(zhì)量問題時，可以通過巧妙地選擇合適的研究對象，使變質(zhì)量問題轉(zhuǎn)化為氣體質(zhì)

量一定的問題，然后利用理想氣體狀態(tài)方程求解.

充氣問題

設想將充進容器內(nèi)的氣體用一個無形的彈性口袋收集起來，那么，當我們?nèi)∪萜骱涂诖鼉?nèi)的

全部氣體為研究對象時，這些氣體的狀態(tài)不管怎樣變化，其質(zhì)量總是不變的，這樣我們就將

變質(zhì)量的問題轉(zhuǎn)化成質(zhì)量一定的問題了.

【例7】一個籃球的容積是2.5L,用打氣筒給籃球打氣時，每次把105Pa的空氣打進去125

cm3.

如果在打氣前籃球內(nèi)的空氣壓強也是105Pa,那么打30次以后籃球內(nèi)的空氣壓強是多少？

（設

打氣過程中氣體溫度不變）

抽氣問題

在用抽氣筒對容器抽氣的過程中，對每一次抽氣而言，氣體質(zhì)量發(fā)生變化，解決該類變質(zhì)量

問題的方法與充氣問題類似：假設把每次抽出的氣體包含在氣體變化的始末狀態(tài)中，即用等

效法把變質(zhì)量問題轉(zhuǎn)化為恒定質(zhì)量的問題.

【例8】用容積為AV的活塞式抽氣機對容積為％的容器中的氣體抽氣，如圖所示.設容器

中原來的氣體壓強為p0,抽氣過程中氣體溫度不變.求抽氣機的活塞抽氣"次后，容器中

剩余氣體的壓強%為多少？

灌氣問題

將一個大容器里的氣體分裝到多個小容器中的問題也是一種典型的變質(zhì)量問題，分析這類問

題時，可以把大容器中的氣體和多個小容器中的氣體作為一個整體來進行研究，即可將變質(zhì)

量問題轉(zhuǎn)化為質(zhì)量一定的問題.

【例9】某容積為20L的氧氣瓶裝有30atm的氧氣，現(xiàn)把氧氣分裝到容積為5L的小鋼瓶

中，

使每個小鋼瓶中氧氣的壓強為5atm,若每個小鋼瓶中原有氧氣壓強為1atm,問能分裝多少

瓶？（設分裝過程中無漏氣，且溫度不變）

漏氣問題

容器漏氣過程中容器內(nèi)的氣體的質(zhì)量不斷發(fā)生變化，屬于變質(zhì)量問題，不能直接用理想氣體

狀態(tài)方程求解.如果選容器內(nèi)原有氣體為研究對象，便可使問題變成質(zhì)量一定的氣體狀態(tài)變

化問題，這時可用理想氣體狀態(tài)方程求解.

【例10］某個容器的容積是10L,所裝氣體的壓強是2.0x106Pa.如果溫度保持不變，把容

器的開關打開以后，容器里剩下的氣體是原來的百分之幾？（設大氣壓是1.0x105Pa）

熱點題型六熱力學第一定律與圖象的綜合應用

判斷理想氣體內(nèi)能變化的兩種方法

（1）一定質(zhì)量的理想氣體，內(nèi)能的變化完全由溫度變化決定，溫度升高，內(nèi)能增大.

（2）若吸、放熱和做功情況已知，可由熱力學第一定律儀/=W+。來確定.

【例11】（2018?高考全國卷?）如圖，一定質(zhì)量的理想氣體從狀態(tài)a開始，經(jīng)歷過程①、②、

③、④到達狀態(tài)e.對此氣體，下列說法正確的是（）

A.過程①中氣體的壓強逐漸減小

B.過程②中氣體對外界做正功

C.過程④中氣體從外界吸收了熱量

D.狀態(tài)c、d的內(nèi)能相等

E.狀態(tài)d的壓強比狀態(tài)b的壓強小

【變式】（2018?高考全國卷?）如圖，一定量的理想氣體從狀態(tài)。變化到狀態(tài)匕，其過程如p-V

圖中從a到h

的直線所示.在此過程中（）

a

0V

A.氣體溫度一直降低B.氣體內(nèi)能一直增加

C.氣體一直對外做功D.氣體一直從外界吸熱

E.氣體吸收的熱量一直全部用于對外做功

熱點題型七熱力學第一定律與氣體實驗定律的綜合應用

解決熱力學定律與氣體實驗定律綜合問題的思路

【例12】(2019?河北保定模擬)一定質(zhì)量的理想氣體，其內(nèi)能跟溫度成正比.在初始狀態(tài)A

時，

體積為1,壓強為p0,溫度為"，已知此時其內(nèi)能為該理想氣體從狀態(tài)A經(jīng)由一系列

變化，

最終還回到原來狀態(tài)4,其變化過程的p-7圖線如圖所示，其中CA延長線過坐標原點，

BA

(1)狀態(tài)B的體積;

(2)狀態(tài)C的體積;

（3）從狀態(tài)8經(jīng)由狀態(tài)C,最終回到狀態(tài)4的過程中，氣體與外界交換的熱量是多少？

【變式】我國“蛟龍”號深海探測船載人下潛超過七千米，再創(chuàng)載人深潛新紀錄.在某次深潛

實驗中，“蛟龍”

號探測到990m深處的海水溫度為280K.某同學利用該數(shù)據(jù)來研究氣體狀態(tài)隨海水深度的

變化.如圖所示，

導熱良好的汽缸內(nèi)封閉一定質(zhì)量的氣體，不計活塞的質(zhì)量和摩擦，汽缸所處海平面的溫度

To=3OOK,壓強

p°=latm,封閉氣體的體積為=3m3,如果將該汽缸下潛至990m深處，此過程中封閉氣

體可視為理想氣

體.

（1）下潛過程中封閉氣體（填“吸熱”或“放熱”），傳遞的熱量_____（填“大于”或“小于”）

外界對氣體所做的功.

（2）求990m深處封閉氣體的體積（1atm相當于10m深的海水產(chǎn)生的壓強）.

【題型演練】

1.（2019?四川達州模擬）下列說法正確的是（）

A.布朗運動就是分子的無規(guī)則運動

B.熱力學溫度是國際單位制中7個基本物理量之一

C.熱量能夠自發(fā)地從高溫物體傳到低溫物體，但不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體

D.做功和熱傳遞都是通過能量轉(zhuǎn)化的方式改變系統(tǒng)內(nèi)能的

E.溫度是描述熱運動的物理量，一個系統(tǒng)與另一個系統(tǒng)達到熱平衡時兩系統(tǒng)溫度相同

2.（2019?河南開封高三沖刺）如圖所示，一絕熱容器被隔板K隔開成a、b兩部分.已知。內(nèi)

有一定量的稀薄

氣體，b內(nèi)為真空，抽開隔板K后，。內(nèi)氣體進入8,最終達到平衡狀態(tài).在此過程中

Q

A.氣體對外界做功，內(nèi)能減少B.氣體不做功，內(nèi)能不變

C.氣體壓強變小，溫度不變D.氣體壓強變大，溫度不變

E.單位時間內(nèi)撞擊容器壁的分子數(shù)減少

3.根據(jù)熱力學定律，下列說法正確的是（）

A.第二類永動機違反能量守恒定律，因此不可能制成

B.熱效率為100%的熱機是不可能制成的

C.電冰箱的工作過程表明，熱量可以從低溫物體向高溫物體傳遞

D.從單一熱源吸收熱量，使之完全變?yōu)楣κ翘岣邫C械效率的常用手段

E.吸收了熱量的物體，其內(nèi)能也不一定增加

4.（2019?東北三省四市模擬）下列說法中正確的是（）

A.相互間達到熱平衡的兩物體的內(nèi)能一定相等

B.民間常用“拔火罐”來治療某些疾病，方法是將點燃的紙片放入火罐內(nèi)，當紙片燃燒完時,

迅速將火罐開口端緊壓在皮膚上，火罐就會緊緊地"吸''在皮膚上.其原因是火罐內(nèi)的氣體體

積不變時，溫度降低，壓強減小

C.空調(diào)既能制熱又能制冷，說明在不自發(fā)的條件下，熱傳遞可以逆向

D.自發(fā)的熱傳遞過程是向著分子熱運動無序性增大的方向進行的

E.隨著科學技術的發(fā)展，人類終會制造出效率為100%的熱機

5.（2018?哈爾濱六中二次模擬）如圖所示，一定質(zhì)量的理想氣體從狀態(tài)A依次經(jīng)過狀態(tài)8、C

和。后再回到狀

態(tài)A.其中，和C?。為等溫過程，8?C和。?4為絕熱過程（氣體與外界無熱量交換）.這

就是著名的

“卡諾循環(huán)”.該循環(huán)過程中，下列說法正確的是（）

A.A?8過程中，氣體對外界做功

B.B?C過程中，氣體分子的平均動能增大

C.C?。過程中，單位時間內(nèi)碰撞單位面積器壁的分子數(shù)增多

D.C?。過程中，氣體放熱

E.。?4過程中，氣體分子的速率分布曲線不發(fā)生變化

6.（2019?鄭州高三質(zhì)檢）一定質(zhì)量的理想氣體從狀態(tài)A變化到狀態(tài)8,再變化到狀態(tài)C,其狀

態(tài)變化過程的0-丫

圖象如圖所示.已知該氣體在狀態(tài)