三维设计2024高三物理总复习 第77课时 热力学定律与能量守恒定律 双基落实课

第77课时热力学定律与能量守恒定律[双基落实课]目录CONTENT立足“四层”·夯基础着眼“四翼”·探考点聚焦“素养”·提能力020301Part01立足“四层”·夯基础⁠⁠（1）外界压缩气体做功20J，气体的内能可能不变。

（

√

）（2）给自行车打气时，发现打气筒的温度升高，这是因为打气筒从外界吸热。

（

×

）（3）可以从单一热源吸收热量，使之完全变成功。

（

√

）（4）热机中，燃气的内能可以全部变为机械能而不引起其他变化。

（

×

）（5）自由摆动的秋千摆动幅度越来越小，能量正在消失。

（

×

）√×√××Part02着眼“四翼”·探考点⁠

考点一

热力学第一定律与能量守恒定律

[素养自修类]

1.[对能量守恒定律的理解]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解析：D

根据能量守恒定律得知，某种形式的能量减少，其他形式的能量一定增加，故A正确；某个物体的能量减少，根据能量守恒定律知，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。2.[做功与气体的内能变化]（2022·山东高考）如图所示，内壁光滑的绝热汽缸内用绝热活塞封闭一定质量的理想气体，初始时汽缸开口向上放置，活塞处于静止状态，将汽缸缓慢转动90°过程中，缸内气体（

）A.内能增加，外界对气体做正功B.内能减小，所有分子热运动速率都减小C.温度降低，速率大的分子数占总分子数比例减少D.温度升高，速率大的分子数占总分子数比例增加

⁠1.对热力学第一定律的理解（1）做功和热传递在改变系统内能上是等效的。（2）做功过程是系统与外界之间的其他形式能量与内能的相互转化。（3）热传递过程是系统与外界之间内能的转移。2.热力学第一定律的三种特殊情况（1）绝热过程：Q＝0，W＝ΔU，外界对物体做的功等于物体内能的增加。（2）不做功的过程：W＝0，Q＝ΔU，物体吸收的热量等于物体内能的增加。（3）内能不变的过程：W＋Q＝0，即物体吸收的热量全部用来对外做功，或外界对物体做的功等于物体放出的热量。考点二

对热力学第二定律的理解及应用

[素养自修类]

1.[热力学第二定律的理解]（多选）下列关于热力学第二定律的说法正确的是（

）A.所有符合能量守恒定律的宏观过程都能发生B.一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的C.机械能可以全部转化为内能，在不产生其他影响的情况下，内能无法全部用来做功而转化成机械能D.气体向真空的自由膨胀是可逆的解析：BC

符合能量守恒定律，但违背热力学第二定律的宏观过程不能发生，选项A错误；一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的，选项B正确；机械能可以全部转化为内能，但在不产生其他影响的情况下，内能无法全部用来做功而转化成机械能，选项C正确；气体向真空的自由膨胀是不可逆的，选项D错误。2.[两类永动机的比较]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.由热力学第二定律可知热量从低温物体传向高温物体是可能的，从单一热源吸收热量，完全变成功也是可能的解析：D

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，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，C错误；由热力学第二定律可知D中现象是可能的，但会引起其他变化，D正确。⁠1.在热力学第二定律的表述中，“自发地”“不产生其他影响”的含义（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。2.两类永动机的比较第一类永动机第二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，不可能制成考点三

热力学第一定律与气体状态变化图像

[素养自修类]

1.[热力学第一定律与气体p－V

图像的综合应用]（2022·湖北高考）一定质量的理想气体由状态a变为状态c，其过程如p－V图中a→c直线段所示，状态b对应该线段的中点。下列说法正确的是（

）A.a→b是等温过程B.a→b过程中气体吸热C.a→c过程中状态b的温度最低D.a→c过程中外界对气体做正功

2.[热力学第一定律与气体V－T图像的综合应用]（2022·辽宁高考）一定质量的理想气体从状态a变化到状态b，其体积V和热力学温度T变化图像如图所示，此过程中该系统（

）A.对外界做正功B.压强保持不变C.向外界放热D.内能减少解析：A

理想气体从状态a变化到状态b，体积增大，理想气体对外界做正功，A正确；分别作出过a点和过b点的等压线，可以确定p增大，B错误；理想气体从状态a变化到状态b，温度升高，内能增大，D错误；理想气体从状态a变化到状态b，理想气体对外界做正功且内能增大，则根据热力学第一定律可知气体从外界吸收热量，C错误。3.[热力学第一定律与气体p－T图像的综合应用]一定量的理想气体的压强p与热力学温度T的变化图像如图所示。下列说法正确的是（

）A.A→B的过程中，气体对外界做功，气体内能增加B.A→B的过程中，气体从外界吸收的热量等于其内能的增加量C.B→C的过程中，气体体积增大，对外做功D.B→C的过程中，气体对外界放热，内能减小解析：B

从A到B的过程，是等容升温过程，气体不对外做功，气体从外界吸收的热量，等于气体内能增加量，故A错误，B正确；从B到C的过程是等温压缩过程，压强增大，体积减小，外界对气体做功，气体放出热量，内能不变，故C、D错误。⁠

处理热力学第一定律与气体状态变化图像的综合问题的思路（1）根据气体状态变化图像的特点判断气体的温度、体积的变化情况，从而判断气体与外界的吸、放热关系及做功关系。（2）在p－V图像中，图线与V轴围成的面积表示气体对外界或外界对气体做的功。（3）结合热力学第一定律判断有关问题。考点四

热力学第一定律与气体实验定律的综合

[互动共研类]

求解气体实验定律与热力学第一定律的综合问题的一般思路【典例】

炎热的夏天，在高速公路上疾驶的汽车极易发生“爆胎”的现象，从而引发车祸，必须引起人们足够的重视。一辆停在地下车库内的汽车，行驶前轮胎内气体压强为2.5atm，温度为27℃；该汽车从车库驶出后奔向高速公路，在高速公路上长时间疾驶导致爆胎，爆胎时胎内气体的压强为2.8atm，轮胎中的空气可看作理想气体。已知T＝t＋273K，爆胎前轮胎体积可视为不变。（1）求爆胎时轮胎内气体的温度；

答案

（1）63℃

（2）若爆胎后气体迅速外泄，来不及与外界发生热交换，则此过程胎内原有气体的内能如何变化？简要说明理由。解析

（2）气体膨胀对外做功，W＜0，没有吸收或放出热量，Q＝0，根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W可得ΔU＜0，即内能减少。答案

（2）内能减少，理由见解析⁠1.[热力学第一定律与气体实验定律的综合应用]绝热的活塞与汽缸之间封闭一定质量的理想气体，汽缸开口向上置于水平面上，活塞与汽缸壁之间无摩擦，缸内气体的内能UP＝72J，如图甲所示。已知活塞面积S＝5×10－4m2，质量m＝1kg，大气压强p0＝1.0×105Pa，重力加速度g＝10m/s2，如果通过电热丝给封闭气体缓慢加热，活塞由原来的P位置移动到Q位置，此过程封闭气体的V－T图像如图乙所示，且知气体内能与热力学温度成正比。求：（1）封闭气体最后的体积；

答案：（1）6×10－4m3

（2）封闭气体吸收的热量。

答案：（2）60J2.[热力学第一定律与理想气体状态方程的综合应用]如图所示，水平放置的汽缸内封闭一定质量的理想气体，活塞的质量m＝10kg，横截面积S＝100cm2，活塞可沿汽缸壁无摩擦滑动且不漏气，活塞到汽缸底部的距离L1＝11cm，到汽缸口的距离L2＝4cm。现将汽缸缓慢地转到开口向上的竖直位置，待稳定后对缸内气体逐渐加热，使活塞上表面刚好与汽缸口相平。已知g＝10m/s2，外界气温为27℃，大气压强为1.0×105Pa，活塞厚度不计，则：（1）活塞上表面刚好与汽缸口相平时缸内气体的温度是多少？

答案：（1）450K（或177℃）

（2）在对缸内气体加热的过程中，气体膨胀对外做功，同时吸收Q＝350J的热量，则气体增加的内能ΔU多大？⁠解析：（2）当汽缸口向上稳定后，未加热时，由玻意耳定律得p0L1S＝p1LS加热后，气体做等压变化，气体对外界做功则W＝－p1（L1＋L2－L）S根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q解得ΔU＝295

J。答案：（2）295JPart03聚焦“素养”·提能力⁠

1.（2021·山东等级考）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，上浮过程中，小瓶内气体（

）A.内能减少B.对外界做正功C.增加的内能大于吸收的热量D.增加的内能等于吸收的热量

2.如图所示，内壁光滑的导热汽缸中用活塞封闭住一定质量的理想气体，现用一外力F将活塞缓慢向上拉动，汽缸始终保持静止，在此过程中没有气体漏出，环境温度不变，下列说法正确的是（

）A.外力F逐渐变小B.气体的内能增加C.气体从外界吸收热量D.气体吸收的热量大于对外做的功解析：C

由玻意耳定律可知，气体的压强变小，则内外的压强差变大，所以所需要的外力F逐渐变大，故A错误；由于气体发生等温变化，则气体的内能不变，故B错误；由于气体体积变大，气体对外界做功，则W＜0，气体内能不变，由热力学第一定律ΔU＝W＋Q可知，气体从外界吸热，故C正确；由于气体内能不变，可知气体吸收的热量等于对外做的功，故D错误。3.如图所示是某种家庭便携式防疫消毒用的喷雾消毒桶及其原理图，内部可用容积为2L，工作人员装入稀释过的1.2L药液后旋紧壶盖，关闭喷水阀门，拉动压柄打气，每次打入压强为1atm，体积为0.1L的气体，此时大气压强为1atm，当壶内压强增大到2atm时，开始打开喷阀消杀，假设壶内温度保持不变，若不计管内液体体积。下列说法正确的是（

）A.工作人员共打气9次B.打开阀门，当壶内不再喷出消毒液时，壶内剩余消毒液的体积为0.4LC.打开阀门，当壶内不再喷出消毒液时，壶内剩余消毒液的体积为0.1LD.消毒液喷出过程，气体对外做功，对外做功大于从外界吸收热量解析：B

设工作人员共打气n次，根据玻意耳定律有1

atm×（2

L－1.2

L）＋n·1

atm×0.1

L＝2

atm×（2

L－1.2

L），解得n＝8，故A错误；打开阀门后，根据玻意耳定律有2

atm×0.8

L＝1

atm×V气，解得壶内不再喷出消毒液时，壶内气体的体积为1.6

L，则壶内剩余消毒液的体积为0.4

L，故B正确，C错误；由于壶内温度保持不变，则壶内气体的内能不变，则根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W可知气体对外做功的多少等于从外界吸收热量的多少，故D错误。4.（多选）蛟龙号是我国首台自主研制的作业型深海载人潜水器，下潜深度已突破7000m。已知在深度3000m以下，海水温度基本不变。若蛟龙号在执行某次任务时，外部携带一装有氧气（可看作理想气体）的小型汽缸，汽缸及活塞导热性能良好，活塞与汽缸间无摩擦，若蛟龙号从4000m深度下潜到5000m深度的过程中，汽缸内气体质量不变，则（

）A.每个氧气分子的动能均不变C.外界对氧气做的功大于氧气放出的热量D.氧气分子单位时间撞击汽缸壁单位面积的次数增加

5.（多选）利用“涡流效应”可实现冷热气体的分离。如图所示，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端为冷端，B端为热端B.A端流出的气体分子热运动平均速率一定小于B端流出的C.A端流出的气体内能一定大于B端流出的D.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解析：AB

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，从B端流出，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，中心部位气流与分离挡板碰撞后反向，从A端流出，根据温度是分子平均动能的标志可知，B端为热端，A端为冷端，A端流出的气体分子热运动平均速率一定小于B端流出的，选项A、B正确；理想气体的内能只与温度和质量有关，根据题述，不知两端流出气体的质量关系，所以不能判断出两端流出气体的内能关系，选项C错误；该装置气体进出的过程满足能量守恒定律，将冷热不均的气体进行分离，并非自发进行，喷嘴处有高压，即通过外界做功而实现，不违背热力学第二定律，选项D错误。6.（2022·广东高考）利用空调将热量从温度较低的室内传递到温度较高的室外环境，这个过程

⁠（选填“是”或“不是”）自发过程。该过程空调消耗了电能，空调排放到室外环境的热量

⁠（选填“大于”“等于”或“小于”）从室内吸收的热量。

解析：利用空调将热量从温度较低的室内传递到温度较高的室外环境，通过压缩机做功，消耗了能量，因此这个过程不是自发过程；根据热力学第二定律，不可能从单一热源取热，使之完全转化为有用的功，而不产生其他影响，因此空调把热量从温度较低的室内传递到温度较高的室外需要消耗电能，即空调排放到室外环境的热量大于从室内吸收的热量。答案：不是

大于7.（2022·河北高考）如图，绝热密闭容器中装有一定质量的某种理想气体和一个充有同种气体的气球。容器内温度处处相同。气球内部压强大于外部压强。气球慢慢漏气后，容器中气球外部气体的压强将

⁠（填“增大”“减小”或“不变”）；温度将

⁠（填“升高”“降低”或“不变”）。

答案：增大

升高⁠8.（多选）如图所示，一定质量的理想气体从状态A依次经过状态B、C和D后再回到状态A，其中A→B和C→D为等温过程，B→C为等压过程，D→A为等容过程，则在该循环过程中，下列说法正确的是（

）A.A→B过程中，气体放出热量B.B→C过程中，气体分子的平均动能增大C.C→D过程中，单位时间内碰撞单位面积器壁的分子数增多D.若气体在B→C过程中内能变化量的数值为2kJ，与外界交换的热量为7kJ，则在此过程中气体对外做的功为5kJ

9.（多选）一定量的理想气体从状态a变化到状态b，其过程如pT图上从a到b的线段所示。在此过程中（

）A.气体一直对外做功B.气体的内能一直增加C.气体一直从外界吸热D.气体吸收的热量等于其对外做的功解析：BC

根据理想气体状态方程可知，过原点的pT图像的斜率与体积V有关，一定量的理想气体从状态a到状态b，体积不变，对外不做功，选项A、D错误；理想气体的内能只与温度有关，又一定量理想气体从状态a到状态b，温度一直升高，则气体内能一直增加，选项B正确；由题图可知，气体体积不变，对外不做功，又因为温度升高，则内能增大