2026届高考物理一轮复习课件 第十五章 第5讲 热力学定律与能量守恒定律

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如图所示,密封的矿泉水瓶中,距瓶口越近水的温度越高。一开口向下、导热良好的小瓶置于矿泉水瓶中,小瓶中封闭一段空气。挤压矿泉水瓶,小瓶下沉到底部;松开后,小瓶缓慢上浮。试分析:(1)上浮过程中,小瓶内气体的温度、压强和体积怎么变化?(2)上浮过程中,小瓶内气体的内能如何变化?是吸热还是放热?(3)上浮过程中,小瓶内气体增加的内能和吸收的热量谁多?
【答案】 热量　Q+W　吸收　放出　增加　减少　产生　消失 转化　转移　普遍　能量守恒定律　自发地　单一热库　完全 不产生　总量　下降　热力学第二定律
1.(2024·北京卷,3)一个气泡从恒温水槽的底部缓慢上浮,将气泡内的气体视为理想气体,且气体分子个数不变,外界大气压不变。在上浮过程中气泡内气体(　　)[A] 内能变大[B] 压强变大[C] 体积不变[D] 从水中吸热
2.(2024·山西太原期末)如图所示为冰箱工作原理示意图。制冷剂在蒸发器中汽化吸收冰箱内的热量,经过冷凝器时液化,放出热量到冰箱外。下列选项正确的是(　　)[A] 热量可以自发地从冰箱内传到冰箱外[B] 冰箱的工作原理违背热力学第一定律[C] 冰箱的工作原理违背热力学第二定律[D] 冰箱的制冷系统能够不断地从冰箱内向冰箱外传递热量,但同时消耗了电能
热力学第一定律　能量守恒定律
1.对做功、传热、内能变化的理解(1)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。(2)与外界绝热,则不发生传热,此时Q=0。(3)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.热力学第一定律的三种特殊情况(1)若过程是绝热的,则Q=0,W=ΔU,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W=0,则Q=ΔU,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ΔU=0,则W+Q=0或W=-Q,外界(物体)对物体(外界)做的功等于物体放出(吸收)的热量。
[例1] 【对热力学第一定律的理解】 (2024·山东卷,6)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(　　)[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
【解析】 a→b过程压强不变且体积增大,气体对外做功,WabTa,即内能增大,ΔUab>0,根据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WbcTN′,根据热力学第一定律ΔU=W+Q,可知MN′情形中不吸热且内能降低多,MN情形中内能降低少,可知该过程吸热。
[例3] 【能量守恒定律的应用】 (2025·云南高考适应性考试)如图所示,一导热性能良好的圆柱形金属汽缸竖直放置。用活塞封闭一定量的气体(可视为理想气体),活塞可无摩擦上下移动且汽缸不漏气。初始时活塞静止,其到汽缸底部距离为h。环境温度保持不变,将一质量为M的物体轻放到活塞上,经过足够长的时间,活塞再次静止。已知活塞质量为m、横截面积为S,大气压强为p0,重力加速度为g,忽略活塞厚度。求:
(1)初始时,缸内气体的压强;
(2)缸内气体最终的压强及活塞下降的高度;
(3)该过程缸内气体内能的变化量及外界对其所做的功。
【答案】 (3)变化量为零　Mgh
1.对热力学第二定律的理解(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。(2)“不产生其他影响”的含义是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。2.热力学第二定律的实质热力学第二定律的每一种表述,都揭示了一切与热现象有关的宏观过程都具有方向性,即一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的。
[例4] 【对热力学第二定律的理解】 (2025·安徽马鞍山练习)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端流出气体的内能一定小于B端流出气体的内能[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
【解析】 由于中心部位为热运动速率较低的气体,与挡板作用后反弹,从A端流出,而边缘部分热运动速率较高的气体从B端流出;同种气体分子平均热运动速率较大时对应的温度也较高,所以A端为冷端、B端为热端,所以从A端流出的气体比从B端流出的气体分子热运动平均速度小,对应的平均动能也小,但内能的多少还与分子数有关,不能得出从A端流出气体的内能一定小于从B端流出气体的内能,故A、B错误;该装置将冷热不均气体进行分离,是通过高压利用外界做功而实现的,并非是自发进行的,没有违背热力学第二定律;温度较低气体从A端流出、较高气体从B端流出,并不违背能量守恒定律,故C错误,D正确。
[例5] 【两类永动机】 关于两类永动机和热力学的两个定律,下列说法正确的是(　　)[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,热传递也不一定改变内能,但同时做功和热传递一定会改变内能[D]日常生活中会遇到热量从低温物体传向高温物体或从单一热库吸收热量,完全变成功的现象,并不违背热力学第二定律
【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,故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,故C错误;日常见到的热量从低温物体传向高温物体或从单一热库吸收热量完全变成功的现象,一定会引起其他变化,故D正确。
热力学第一定律与图像的综合应用
1.在某一过程中,气体的p、V、T的变化可由图像直接判断或结合气体实验定律、理想气体状态方程分析。2.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所做的功。
[例6] 【热力学第一定律与p-V图像】 (2024·新课标卷,21)(多选)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(　 　 )[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
【解析】 1→2为绝热过程,Q=0,此时气体体积减小,外界对气体做功,W>0,根据ΔU=Q+W可知,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,ΔU>0,此时气体对外界做功,W0,即气体吸收热量,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,W0,b部分气体对外界做功,则Wb0,ΔUb