2025高考物理總復(fù)習(xí)熱力學(xué)定律能量守恒定律

第5講熱力學(xué)定律能量守恒定律高考總復(fù)習(xí)2025考點(diǎn)一熱力學(xué)第一定律強(qiáng)基礎(chǔ)?固本增分一、熱力學(xué)第一定律1.改變物體內(nèi)能的兩種方式

物體吸收熱量?jī)?nèi)能不一定增大(1)

;

(2)

。

2.熱力學(xué)第一定律(1)內(nèi)容:一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)能增量等于外界向它傳遞的熱量與外界對(duì)它所做的功的和。(2)表達(dá)式:ΔU=

。

注意W和Q的正負(fù)

做功

熱傳遞Q+W二、能量守恒定律1.內(nèi)容能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生,也不會(huì)憑空消失,它只能從一種形式

為另一種形式,或者是從一個(gè)物體

到別的物體,在

或

的過(guò)程中,能量的總量保持不變。

2.條件性能量守恒定律是自然界的

,某一種形式的能是否守恒是有條件的。

轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)移普遍規(guī)律三、熱力學(xué)第一定律與氣體圖像的綜合1.利用垂直于坐標(biāo)軸的線作輔助線去分析同質(zhì)量、不同溫度的兩條等溫線,同質(zhì)量、不同體積的兩條等容線,同質(zhì)量、不同壓強(qiáng)的兩條等壓線的關(guān)系。例如在圖甲中,V1對(duì)應(yīng)虛線為等容線,A、B分別是虛線與T2、T1兩線的交點(diǎn),可以認(rèn)為從B狀態(tài)通過(guò)等容升壓到A狀態(tài),溫度必然升高,所以T2>T1。如圖乙所示,A、B兩點(diǎn)的溫度相等,從B狀態(tài)到A狀態(tài)壓強(qiáng)增大,體積一定減小,所以V2<V1。2.一定質(zhì)量的氣體不同圖像的比較

××√提示

第一類永動(dòng)機(jī)違背了熱力學(xué)第一定律。

研考點(diǎn)?精準(zhǔn)突破1.熱力學(xué)第一定律不僅反映了做功和熱傳遞這兩種方式改變內(nèi)能的過(guò)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關(guān)系。2.對(duì)公式ΔU=Q+W符號(hào)的規(guī)定符號(hào)WQΔU+外界對(duì)物體做功物體吸收熱量?jī)?nèi)能增加-物體對(duì)外界做功物體放出熱量?jī)?nèi)能減少3.幾種特殊情況(1)若過(guò)程是絕熱的,則Q=0,W=ΔU,外界對(duì)物體做的功等于物體內(nèi)能的增加量。(2)若過(guò)程中不做功,即W=0,則Q=ΔU,物體吸收的熱量等于物體內(nèi)能的增加量。(3)若過(guò)程的始末狀態(tài)物體的內(nèi)能不變,即ΔU=0,則W+Q=0或W=-Q,外界對(duì)物體做的功等于物體放出的熱量。4.解決熱力學(xué)第一定律與氣體實(shí)驗(yàn)定律的綜合問(wèn)題的思維流程

5.熱力學(xué)定律與氣體實(shí)驗(yàn)定律問(wèn)題的處理方法(1)氣體實(shí)驗(yàn)定律問(wèn)題的研究對(duì)象是一定質(zhì)量的理想氣體。(2)解決具體問(wèn)題時(shí),分清氣體的變化過(guò)程是求解問(wèn)題的關(guān)鍵,根據(jù)不同的變化,找出與之相關(guān)的氣體狀態(tài)參量,利用相關(guān)規(guī)律解決。(3)對(duì)理想氣體,只要體積變化,外界對(duì)氣體(或氣體對(duì)外界)就要做功,如果是等壓變化,W=pΔV;只要溫度發(fā)生變化,其內(nèi)能就發(fā)生變化。(4)結(jié)合熱力學(xué)第一定律ΔU=W+Q求解問(wèn)題。考向一

熱力學(xué)第一定律的理解典題1(2021山東卷)如圖所示,密封的礦泉水瓶中,距瓶口越近水的溫度越高。一開口向下、導(dǎo)熱良好的小瓶置于礦泉水瓶中,小瓶中封閉一段空氣。擠壓礦泉水瓶,小瓶下沉到底部,松開后,小瓶緩慢上浮,上浮過(guò)程中,小瓶?jī)?nèi)氣體(

)A.內(nèi)能減少B.對(duì)外界做正功C.增加的內(nèi)能大于吸收的熱量D.增加的內(nèi)能等于吸收的熱量B解析

由于越接近礦泉水瓶口,水的溫度越高,因此小瓶上浮的過(guò)程中,小瓶?jī)?nèi)氣體的溫度升高,內(nèi)能增加,A錯(cuò)誤;在小瓶上升的過(guò)程中,小瓶?jī)?nèi)氣體的溫度逐漸升高,壓強(qiáng)逐漸減小,根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程

,氣體體積膨脹,對(duì)外界做正功,B正確;由A、B分析,小瓶上升時(shí),小瓶?jī)?nèi)氣體內(nèi)能增加,氣體對(duì)外做功,根據(jù)熱力學(xué)第一定律ΔU=W+Q,由于氣體對(duì)外做功,因此吸收的熱量大于增加的內(nèi)能,C、D錯(cuò)誤。典題2

水槍是孩子們喜愛的玩具,常見的氣壓式水槍儲(chǔ)水罐示意圖如圖。從儲(chǔ)水罐充氣口充入氣體,達(dá)到一定壓強(qiáng)后,關(guān)閉充氣口?？蹌?dòng)扳機(jī)將閥門M打開,水即從槍口噴出。若水在不斷噴出的過(guò)程中,罐內(nèi)氣體溫度始終保持不變,則氣體(

)A.壓強(qiáng)變大B.對(duì)外界做功C.對(duì)外界放熱D.分子平均動(dòng)能變大B解析

儲(chǔ)水罐中封閉的氣體可看作理想氣體,溫度不變,體積增大,由pV=CT可知,壓強(qiáng)變小,故A錯(cuò)誤;氣體體積增大,對(duì)外界做功,故B正確;由于一定質(zhì)量的某種理想氣體的內(nèi)能只與溫度有關(guān),溫度不變,故內(nèi)能也不變,即ΔU=0,由于氣體對(duì)外界做功,即W<0,由熱力學(xué)第一定律ΔU=W+Q可知,Q>0,因此氣體從外界吸熱,故C錯(cuò)誤;溫度不變,分子平均動(dòng)能不變,故D錯(cuò)誤。考向二

熱力學(xué)第一定律與氣體實(shí)驗(yàn)定律的綜合應(yīng)用典題3(多選)(2023山東卷)一定質(zhì)量的理想氣體,初始溫度為300K,壓強(qiáng)為1×105Pa。經(jīng)等容過(guò)程,該氣體吸收400J的熱量后溫度上升100K;若經(jīng)等壓過(guò)程,需要吸收600J的熱量才能使氣體溫度上升100K。下列說(shuō)法正確的是(

)A.初始狀態(tài)下,氣體的體積為6LB.等壓過(guò)程中,氣體對(duì)外做功400JC.等壓過(guò)程中,氣體體積增加了原體積的D.兩個(gè)過(guò)程中,氣體的內(nèi)能增加量都為400JAD解析

理想氣體的內(nèi)能只和溫度有關(guān),等容過(guò)程ΔU=400

J,故兩個(gè)過(guò)程內(nèi)能增加量都為400

J,選項(xiàng)D正確;等壓過(guò)程Q=600

J,根據(jù)ΔU=W+Q,可得W=-200

J,選項(xiàng)B錯(cuò)誤;等壓過(guò)程中,-W=pΔV,解得ΔV=2×10-3

m3=2

L,根據(jù)

,解得V0=6

L,選項(xiàng)A正確,C錯(cuò)誤。典題4(2021江蘇卷)如圖所示,一定質(zhì)量理想氣體被活塞封閉在汽缸中,活塞的面積為S,與汽缸底部相距L,汽缸和活塞絕熱性能良好,氣體的壓強(qiáng)、熱力學(xué)溫度與外界大氣相同,分別為p0和T0?，F(xiàn)接通電熱絲加熱氣體,一段時(shí)間后斷開,活塞緩慢向右移動(dòng)距離L后停止,活塞與汽缸間的滑動(dòng)摩擦力為Ff,最大靜摩擦力等于滑動(dòng)摩擦力,整個(gè)過(guò)程中氣體吸收的熱量為Q,求該過(guò)程中。(1)內(nèi)能的增加量ΔU;(2)最終溫度T。解析

(1)活塞緩慢移動(dòng)時(shí)受力平衡由平衡條件得p1S=p0S+Ff氣體對(duì)外界做功,W=-p1SL根據(jù)熱力學(xué)第一定律ΔU=Q+W解得ΔU=Q-(p0S+Ff)L?？枷蛉?/p>

p-T圖像典題5(2023江蘇卷)如圖所示,密閉容器內(nèi)一定質(zhì)量的理想氣體由狀態(tài)A變化到狀態(tài)B。該過(guò)程中(

)A.氣體分子的數(shù)密度增大B.氣體分子的平均動(dòng)能增大C.單位時(shí)間內(nèi)氣體分子對(duì)單位面積器壁的作用力減小D.單位時(shí)間內(nèi)與單位面積器壁碰撞的氣體分子數(shù)減小B解析

氣體發(fā)生等容變化,故氣體分子的數(shù)密度不變,選項(xiàng)A錯(cuò)誤;氣體溫度升高,故氣體分子的平均動(dòng)能增大,選項(xiàng)B正確;氣體壓強(qiáng)增大,故單位時(shí)間內(nèi)氣體分子對(duì)單位面積的作用力增大,選項(xiàng)C錯(cuò)誤;由于氣體分子的平均動(dòng)能增大,氣體體積不變,故單位時(shí)間內(nèi)與單位面積器壁碰撞的氣體分子數(shù)增大,選項(xiàng)D錯(cuò)誤。考向四

V-T圖像典題6(2022遼寧卷)一定質(zhì)量的理想氣體從狀態(tài)a變化到狀態(tài)b,其體積V和熱力學(xué)溫度T變化圖像如圖所示,此過(guò)程中該系統(tǒng)(

)

A.對(duì)外界做正功

B.壓強(qiáng)保持不變C.向外界放熱

D.內(nèi)能減少A考向五

p-V圖像典題7(2024七省適應(yīng)性測(cè)試安徽物理)一定質(zhì)量的理想氣體從狀態(tài)a開始,第一次經(jīng)絕熱過(guò)程到狀態(tài)b;第二次先經(jīng)等壓過(guò)程到狀態(tài)c,再經(jīng)等容過(guò)程到狀態(tài)b。兩次氣體狀態(tài)變化過(guò)程的p-V圖像如圖所示。則(

)A.c→b過(guò)程,氣體從外界吸熱B.a→c→b過(guò)程氣體對(duì)外界所做的功比a→b過(guò)程的多C.氣體在狀態(tài)a時(shí)分子平均動(dòng)能比在狀態(tài)b時(shí)的小D.氣體在狀態(tài)a時(shí)單位時(shí)間內(nèi)撞擊在單位面積上的分子數(shù)比在狀態(tài)c時(shí)的少B解析

c→b過(guò)程,氣體體積不變,即等容變化過(guò)程,氣體壓強(qiáng)變小,溫度降低,故內(nèi)能減小;該過(guò)程氣體對(duì)外不做功,故氣體向外界放熱,A錯(cuò)誤。由微元法可得p-V圖像與橫坐標(biāo)圍成的面積表示氣體做功的多少,由圖像可知,a→c→b過(guò)程氣體對(duì)外界所做的功比a→b過(guò)程的多,B正確。a→b過(guò)程為絕熱過(guò)程,氣體體積變大,對(duì)外做功,由熱力學(xué)第一定律可知,氣體內(nèi)能減小,溫度降低;溫度是分子平均動(dòng)能的標(biāo)志,故氣體在狀態(tài)a時(shí)分子平均動(dòng)能比在狀態(tài)b時(shí)的大,C錯(cuò)誤。a→c過(guò)程,氣體的壓強(qiáng)相等,體積變大,溫度升高,分子的平均動(dòng)能變大,分子撞擊容器壁的動(dòng)量變化量變大;由氣體壓強(qiáng)的微觀解釋可知,在狀態(tài)a時(shí)單位時(shí)間內(nèi)撞擊在單位面積上的分子數(shù)比在狀態(tài)c時(shí)的多,D錯(cuò)誤。方法點(diǎn)撥

氣體狀態(tài)變化圖像的分析方法(1)明確點(diǎn)、線的物理意義:求解氣體狀態(tài)變化的圖像問(wèn)題,應(yīng)當(dāng)明確圖像上的點(diǎn)表示一定質(zhì)量的理想氣體的一個(gè)平衡狀態(tài),它對(duì)應(yīng)著三個(gè)狀態(tài)參量;圖像上的某一條直線段或曲線段表示一定質(zhì)量的理想氣體狀態(tài)變化的一個(gè)過(guò)程。(2)明確圖像斜率的物理意義:在V-T圖像(p-T圖像)中,比較兩個(gè)狀態(tài)的壓強(qiáng)(或體積)大小,可以比較這兩個(gè)狀態(tài)到原點(diǎn)連線的斜率的大小,其規(guī)律是:斜率越大,壓強(qiáng)(或體積)越小;斜率越小,壓強(qiáng)(或體積)越大。(3)明確圖像面積的物理意義:在p-V圖像中,p-V圖線與V軸所圍面積表示氣體對(duì)外界或外界對(duì)氣體所做的功?？键c(diǎn)二熱力學(xué)第二定律強(qiáng)基礎(chǔ)?固本增分熱力學(xué)第二定律1.熱力學(xué)第二定律的兩種表述(1)按照熱傳遞的方向性可表述為:熱量不能

從低溫物體傳到高溫物體。這是熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述。

(2)按照機(jī)械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化的方向性可表述為:

從單一熱庫(kù)吸收熱量,使之完全變成功,而不產(chǎn)生其他影響。這是熱力學(xué)第二定律的開爾文表述。

自發(fā)地不可能2.熱力學(xué)第二定律的微觀意義:一切自然過(guò)程總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)無(wú)序性

的方向進(jìn)行。

說(shuō)明:(1)熱力學(xué)第二定律的上述兩種表述是等價(jià)的,可以從一種表述推導(dǎo)出另一種表述。(2)熱力學(xué)第二定律又叫熵增加原理,即在任何自然過(guò)程中,一個(gè)孤立系統(tǒng)的總熵不會(huì)減少。增大3.兩類永動(dòng)機(jī)的比較

分類第一類永動(dòng)機(jī)第二類永動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)初衷不需要任何動(dòng)力或燃料,卻能不斷地對(duì)外做功的機(jī)器從單一熱源吸收熱量,使之完全變成功,而不產(chǎn)生其他影響的機(jī)器不可能制成的原因違背能量守恒定律不違背能量守恒定律,但違背熱力學(xué)第二定律√××提示

不會(huì)降低室內(nèi)的平均溫度。電冰箱向室內(nèi)釋放冷氣的同時(shí),冰箱的箱體向室內(nèi)散熱,就整個(gè)房間來(lái)說(shuō),室內(nèi)的平均溫度會(huì)不斷升高。研考點(diǎn)?精準(zhǔn)突破1.熱力學(xué)第二定律的理解(1)在熱力學(xué)第二定律的表述中“自發(fā)地”“不產(chǎn)生其他影響”的含義①“自發(fā)地”指明了熱傳遞現(xiàn)象的方向性,不需要借助外界提供能量。②“不產(chǎn)生其他影響”是說(shuō)發(fā)生的熱力學(xué)宏觀過(guò)程只在本系統(tǒng)內(nèi)完成,對(duì)周圍環(huán)境不產(chǎn)生熱力學(xué)方面的影響。如吸熱、放熱、做功等。(2)熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)熱力學(xué)第二定律的每一種表述,都揭示了大量分子參與宏觀過(guò)程的方向性,進(jìn)而使人們認(rèn)識(shí)到自然界中進(jìn)行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過(guò)程都具有方向性。(3)熱力學(xué)過(guò)程方向性實(shí)例

(4)熱力學(xué)第二定律的微觀意義:一切自發(fā)過(guò)程總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)的無(wú)序性增大的方向進(jìn)行。2.熱力學(xué)第一、第二定律的比較

定律熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第二定律定律揭示的問(wèn)題從能量守恒的角度揭示了功、熱量和內(nèi)能改變量三者的關(guān)系指出自然界中出現(xiàn)的宏觀過(guò)程是有方向性的機(jī)械能和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化當(dāng)摩擦力做功時(shí),機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能內(nèi)能不可能在不引起其他變化的情況下完全變成機(jī)械能表述形式只有一種表述形式有多種表述形式兩定律的關(guān)系在熱力學(xué)中,兩者既相互獨(dú)立,又互為補(bǔ)充,共同構(gòu)成了熱力學(xué)知識(shí)的理論基礎(chǔ)考向一

熱力學(xué)第二定律理解典題8(多選)下列說(shuō)法正