第64讲 热力学定律与能量守恒定律（复习讲义）（全国适用）（解析版）

21/21第64讲热力学定律与能量守恒定律目录TOC\o"1-4"\h\z\u01考情解码•命题预警 202体系构建•思维可视 303核心突破•靶向攻坚 4考点一热力学第一定律 4知识点1热力学第一定律 4知识点2热力学第一定律与气体图像的综合应用 4知识点3热力学第一定律与气体实验定律的综合应用 4考向1热力学第一定律的基本应用 5考向2热力学第一定律与气体图像的综合问题 7考向3热力学第一定律与气体实验定律的综合应用 10考点二热力学第二定律 13知识点1热力学第二定律 13知识点2热力学第一、第二定律的比较 13考向热力学第二定律的应用 1404真题溯源•考向感知 16考点要求考频2025年2024年2023年热力学第一定律理解高频2025•浙江2025•重庆2025•甘肃2024•天津2024•贵州2024•海南2023•福建2023•广东2023•山东热力学第二定律简单应用低频2025•浙江2024•浙江2023•浙江考情分析：1.命题形式：选择题实验题计算题2.命题分析：高考对热力学定律的考查较为频繁，题目以选择题和计算题出现较多，选择题的难度较为简单，计算题难度相对较高。3.备考建议：重点关注热力学第一定律和气体实验定律在图像问题和计算题中的综合应用问题4.命题情境：多以理想气体的图像作为问题的载体考查热力学第一定律的内容，同时以日常生活中与能量有关的问题为命题的情景。复习目标：1.理解和掌握热力学第一定律和第二定律。2.能够熟练处理热力学第一定律与气体实验定律相结合的问题。热力学定律与能量守恒定律内能的改变热力学定律与能量守恒定律内能的改变做功热传递热力学第一定律内容一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和表达式ΔU=Q+W第一类永动机违背了能量守恒定律热力学第二定律两类表述热量不能自发地从低温物体传到高温物体不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响第二类永动机违背了热力学第二定律能量守恒定律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另一种形式，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考点一热力学第一定律知识点1热力学第一定律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)若过程是绝热的，则Q＝0，W＝ΔU，外界对物体做的功等于物体内能的增加。(2)若过程中不做功，则W＝0，Q＝ΔU，物体吸收的热量等于物体内能的增加。(3)若过程的始、末状态物体的内能不变，则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。3．公式ΔU＝W＋Q中符号法则的理解物理量WQΔU＋外界对物体做功物体吸收热量内能增加－物体对外界做功物体放出热量内能减少知识点2热力学第一定律与气体图像的综合应用处理热力学第一定律与气体图像的综合问题的思路：1.根据气体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p­V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。知识点3热力学第一定律与气体实验定律的综合应用求解热力学定律与气体实验定律的综合问题的思路：考向1热力学第一定律的基本应用例1如图所示，玻璃杯盖上杯盖时密封良好，初始时杯内气体压强等于外界大气压强，杯内气体视为理想气体，现将玻璃杯放入消毒柜高温消毒，杯内封闭气体的温度缓慢升高，关于此过程下列说法正确的是（）A．外界对杯内气体做功B．杯内气体从外界吸收热量C．杯内所有气体分子的运动速率均增大D．杯内气体分子单位时间内碰撞单位面积器壁的次数减少【答案】B【详解】AB．因气体体积不变，则外界对杯内气体不做功，则W=0；气体温度升高，则内能增加ΔU>0，根据ΔU=W+Q，可知C．杯内气体温度升高，分子平均速率变大，但并非所有气体分子的运动速率均增大，选项C错误；D．气体体积不变，温度升高，由理想气体状态方程可知气体压强变大，则分子数密度不变，分子平均速率变大，则杯内气体分子单位时间内碰撞单位面积器壁的次数增加，选项D错误。故选B。【变式训练1-1·变载体】如图，在汽缸内活塞左边封闭着一定量的空气，压强与大气压相同。把汽缸和活塞固定，使汽缸内空气升高一定的温度，空气吸收的热量为Q1。如果让活塞可以自由滑动（活塞与汽缸间无摩擦、不漏气），也使汽缸内空气温度升高相同温度，其吸收的热量为Q2。设气体在定容下的比热容为c1，在定压下的比热容为c2，则（）A．Q1>QC．c1>c【答案】B【详解】AB．汽缸和活塞固定，气体体积不变，则有W1=0，使汽缸内空气升高一定的温度，空气吸收的热量为Q1让活塞可以自由滑动，气体压强一定，当升高温度时，气体体积增大，气体对外界做功，则有W由于使汽缸内空气温度升高相同温度，则气体内能变化量仍然为ΔU，根据热力学第一定律有可知Q1CD．根据Q=cmΔt结合上述，由于Q1【变式训练1-2·变情境】海底火山活跃的海域，火山附近的海水加热形成水蒸气从而产生气泡。气泡从海底浮上水面的过程中，温度下降，压强减小，体积减小。若气泡中的水蒸气不液化，且可视作一定质量的理想气体。下列说法正确的是（）A．水蒸气对外做功，内能增加 B．水蒸气对外做功，内能减小C．水蒸气放出的热量大于内能的减少量 D．水蒸气放出的热量小于内能的减少量【答案】C【详解】气泡上升时温度下降，内能减少（ΔU<0）。体积减小，外界对气体做功（W>0）。根据热力学第一定律ΔU=Q+W得Q=ΔU−W因ΔU为负，W为正，则Q<0故Q的绝对值|Q|=|ΔU|+W即水蒸气放出的热量大于内能的减少量。故选C。【变式训练1-3·变情境】曾同学去西藏旅行时，发现从低海拔地区买的密封包装的零食，到了高海拔地区时出现了严重的鼓包（体积膨胀）现象，如图所示。假设零食袋里密封的气体可视为理想气体，从低海拔地区到高海拔地区的过程中温度保持不变，高海拔地区的大气压强显著小于低海拔地区的大气压强，下列说法正确的是（）A．袋内气体的压强增大B．零食袋中气体分子的平均动能减小C．从低海拔地区到高海拔地区的过程中，袋内气体从外界吸收了热量D．从低海拔地区到高海拔地区的过程中，外界对气体做正功【答案】C【详解】A．根据气体的等温变化规律可知，袋内气体压强减小，选项A错误；B．温度不变，则零食袋中气体分子的平均动能不变，选项B错误；CD．从低海拔地区到高海拔地区的过程中，袋内气体对外界做正功，袋内气体的内能不变，根据热力学第一定律可知，袋内气体从外界吸收了热量，选项C正确、D错误。故选C。考向2热力学第一定律与气体图像的综合问题例2一定质量的理想气体，从状态A经B、C变化到状态D的变化过程p−V图像如图所示，AB与横轴平行，BC与纵轴平行，ODC在同一直线上。已知A状态温度为400K，从A状态至B状态气体吸收了320J的热量，下列说法正确的是（）A．B状态的温度为600KB．从C状态到D状态的过程中，气体温度不变C．从A状态到B状态的过程中，气体内能增加了240JD．从A状态至D状态整个过程中，气体对外做功17.5J【答案】C【详解】A．根据pAVATAB．因为C状态的pV乘积大于D状态，则从C状态到D状态的过程中温度降低，故B错误；C．从A状态到B状态的过程中，气体吸收了320J的热量，同时气体对外做功WAB=0.4×10D．因p−V图像与横轴所围的面积表示功，则从A状态至D状态整个过程中，气体对外做功WAD=0.4×105×2×【变式训练2-1·变考法】一定质量的理想气体从状态a开始，经a→b、b→c、c→a三个过程后回到初始状态a，其p−1A．在a→b过程中，单位时间内撞击单位面积器壁的分子数减少B．在b→c过程中，气体向外界放热C．在c→a过程中，气体吸收的热量小于pD．气体在a→b→c→a一个循环过程中吸收的热量等于p【答案】C【详解】将题中的图像转化为p−V图像如图所示A．在a→b过程中，气体压强不变，根据理想气体状态方程有pVTB．在b→c过程中，气体做等容变化，体积不变，压强增大，根据理想气体状态方程可知，温度升高，气体内能增大，由热力学第一定律有ΔU=W+QC．在c→a过程中，由pVT=C可得p=CT⋅1V由于图像c→a过程图像的延长线过原点，此过程为等温变化，体积增大，气体对外做功，气体内能不变，故气体吸收的热量等于气体对外界所做的功，根据D．同理在a→b→c→a一个循环过程中，内能不变，气体对外做功等于吸收的热量，而对外做的功W′【变式训练2-2·变考法】一定质量的理想气体从状态a变化到状态c，其过程如p-T图像所示。在该过程中（）A．a到b过程中，气体体积不变B．a到b过程中，气体从外界吸收的热量大于气体对外界做的功C．b到c过程中，外界对气体做功D．b到c过程中，气体从外界吸收的热量小于气体对外界做的功【答案】B【详解】A．根据p=CVT，因a点与坐标原点连线的斜率比b较大，可知a态体积较小，即aB．a到b过程中，气体体积变大，气体对外做功，即W<0；气体温度升高，内能变大，即∆U>0，根据ΔU=W+Q可知，气体从外界吸收的热量Q大于气体对外界做的功WC．b到c过程中，气体温度不变，压强减小，则体积变大，气体对外界做功，选项C错误；D．b到c过程中，气体内能不变，则气体从外界吸收的热量等于气体对外界做的功，选项D错误。故选B。【变式训练2-3·变考法】一定质量的理想气体从状态a开始，经历变化过程a→b→c→d到达状态d的V−T关系图像如图所示。已知气体在状态a时的压强为p1，图线ba、cdA．理想气体在状态d时的压强为4B．b→c过程气体的温度升高，所有分子的速率都增大C．理想气体在状态c时单位时间内撞击容器壁单位面积的分子数是状态b时的2倍D．a→b→c→d变化过程气体从外界吸收的热量等于内能的增加量【答案】D【详解】A．根据理想气体状态方程pVT=C可知在V−T图像中过原点的倾斜直线反映的是理想气体等压变化的规律，即pa=pb，pc=pB．过程b→c气体的温度升高，分子运动的平均速率增大，但不是所有分子的速率都增大，故B错误；C．根据以上分析可知，状态c的压强为状态b压强的2倍，由于b→c过程温度升高，分子的平均动能变大，分子的平均撞击力也变大，则气体在状态c单位时间内撞击容器壁单位面积的分子数一定小于状态b时的2倍，故C错误；D．变化过程a→b→c→d，外界对气体做的总功为W=−p13V0考向3热力学第一定律与气体实验定律的综合应用例3建筑工地上工人用液态金属浇筑一个金属立柱时，由于工艺缺陷在柱体内部浅层形成了一个不规则的空腔，为修补空腔需要测出空腔的体积，在金属立柱上打一个小孔，用细管将空腔内部与一个封闭的汽缸相连通（如图所示）、做好密封使空腔、汽缸、细管内部组成一个密闭的空间。汽缸上部由横截面积S=10cm2的活塞密封，初始状态汽缸内封闭的气体体积为10L。现对活塞施加一个竖直向下的变力F，使活塞缓慢下移，当汽缸内气体体积变为7L时，外力F的大小为20N，上述过程中外力F做的功W1＝28J。已知外界环境温度不变，金属立柱、空腔及汽缸导热性良好，不计活塞质量、活塞与汽缸间的摩擦力、细管中气体的体积，大气压强(1)金属立柱内空腔的体积；(2)汽缸内气体体积由10L变为7L的过程中，封闭气体与外界热交换是吸热还是放热，热量是多少？【答案】(1)8L(2)放热，328J【详解】（1）以整体气体为研究对象，根据玻意耳定律有p代入数据解得V=8（2）外力F做的功W1=28外力对封闭气体做功W=W1+W2=328J外界环境温度不变，金属立柱、空腔及汽缸导热性良好，则内能不变，根据热力学第一定律Δ【变式训练3-1·变载体】如图，下端开口的薄壁圆柱形容器（导热性能良好）竖立在水面上，其上部封闭有一定质量的理想气体。当环境温度为T1时，容器底部与水面间的高度差为h1，容器内外水面间的高度差为h2；当环境温度升高到T2（未知）时，容器上升的高度为h，此过程中气体从环境中吸收的热量为Q。容器的横截面积为S，已知大气压强始终保持p0不变，水的密度为ρ，当地的重力加速度为g。【提示：环境温度升高过程中，因薄壁管浮力忽略不计，且薄壁管受重力和大气压力不变，则可判断管内气体发生的什么变化。】求：(1)初状态时容器内部气体压强p；(2)环境温度T2；(3)环境温度从T1升高到T2过程中，气体内能的变化量ΔU。【答案】(1)p0+ρgℎ2【详解】（1）初状态时容器内部气体压强p=（2）对容器受力分析得mg+p0S=pS解得p=p0+mgS环境温度从T1升高到T2过程中，大气压强p0、容器质量m均不变，则容器内部气体压强p不变，并且h2不变；初状态：T1（3）该过程中外界对气体所做的功W=−pV2−V【变式训练2-2·变考法】如图所示，固定的汽缸内有一自由移动的“T”型活塞，质量为m=4kg，活塞体积、与汽缸间的摩擦均可忽略不计，距汽缸底部ℎ=0.6m处连接一U形管（管内气体的体积忽略不计）。初始时，封闭气体温度为T1=300K，活塞距离汽缸底部为ℎ1=0.9m，两边水银柱存在高度差。已知汽缸横截面积为S=2×10(1)初始时，汽缸内封闭气体的压强为多大；(2)若气体的内能与热力学温度成正比，初始时该气体内能U1【答案】(1)p1=1.2×【详解】（1）对活塞受力分析，根据平衡条件有mg+p0（2）两水银面相平时气体压强p2=1×105Pa，刚开始降低温度时气体做等压变化，当“T”型活塞已经触底后做等容变化，则气体体积V1=ℎ1S，V2=ℎ2S根据理想气体状态方程p1V1【变式训练2-3·变载体】玩具气枪的核心动力来源于气体的压缩与释放。当密闭空间内的空气被压缩时，内部压强增大，撤除外力后压缩气体迅速膨胀，推动弹丸高速射出。某研究小组想研究气枪子弹的速度变化及功能转化。实验时把枪管水平固定，枪管一端封闭，另一端与外界大气连通，枪管中空部分粗细均匀，横截面积为S=2cm2，其简化结构如题图1所示。通过传感器测量，绘制出子弹速度v与封闭气柱长度x的函数关系曲线，如题图2所示。子弹刚开始运动时，封闭气柱长度为x1=20cm，此时封闭气体温度为T1=300K，压强为(1)子弹速度达到最大时，封闭气体的温度T2(2)子弹从开始运动到获得最大速度的过程中，子弹克服外界大气做的功W0(3)已知枪管内封闭气体内能U与热力学温度T满足（U=βT，式中β=3.2×10①若忽略封闭气体与外界热交换，求子弹的最大速度vm0②实际情况封闭气体和外界会有热交换，实验测得vm【答案】(1)225K(2)2J(3)①20m/s；②吸热，0.084J【详解】（1）当子弹速度达到最大时，封闭气体压强与外界大气压强相等，则有p解得T（2）此过程子弹克服外界大气做的功W0=p0（3）①对封闭气体，若忽略封闭气体与外界热交换，则有Q＝0根据U=βT，得Δ根据热力学第一定律ΔU=W1+Q，解得ΔU=−2.4J②对子弹，由动能定理得−W2−W0=1考点二热力学第二定律知识点1热力学第二定律1.热力学第二定律的含义(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。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。知识点2热力学第一、第二定律的比较1.热力学第一、第二定律的比较热力学第一定律热力学第二定律定律揭示的问题从能量守恒的角度揭示了功、热量和内能改变量三者的定量关系自然界中出现的宏观过程是有方向性的机械能和内能的转化当摩擦力做功时，机械能可以全部转化为内能内能不可能在不引起其他变化的情况下完全变成机械能热量的传递热量可以从高温物体自发传向低温物体说明热量不能自发地从低温物体传向高温物体两定律的关系在热力学中，两者既相互独立，又互为补充，共同构成了热力学知识的理论基础2.两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，违背热力学第二定律考向热力学第二定律的应用例4某科技馆展示了一款新型节能空调。该空调制冷时，通过压缩机做功消耗电能，将热量从室内传递到温度更高的室外环境。在此过程中，部分电能转化为压缩机的机械能。下列判断正确的是（）A．热量从低温环境传递到高温环境的过程可以自发进行，无需外界干预B．空调工作时，室内与外界组成的系统总熵可能保持不变C．通过压缩机做功使热量从低温环境传至高温环境的过程，不违反热力学第二定律D．部分电能转化为机械能，说明能量转化不具有方向性【答案】C【详解】A．热量自发传递是从高温到低温，从低温到高温不能自发，需外界干预（如空调压缩机做功），故A错误；B．空调工作时，消耗电能，电能最终转化为内能，使得室内与外界组成的系统总熵增加，故B错误；C．通过压缩机做功（外界干预）使热量从低温到高温，不违反热力学第二定律，故C正确；D．能量转化具有方向性，部分电能转化为机械能，是在一定条件下进行的，不能说明能量转化不具有方向性，故D错误。故选C。【变式训练4-1】对于热力学第二定律的理解，下列说法正确的是（

）A．凡与热现象有关的宏观过程都具有方向性，在热传递过程中，热量能从高温物体传递给低温物体，而不能从低温物体传递给高温物体B．机械能可以全部转化为内能，但内能无法全部用来转化成机械能而不引起其他变化C．在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵会越来越小D．第一类永动机违反了热力学第二定律【答案】B【详解】A．热量自发传递方向是从高温到低温，但外界做功时（如制冷机），热量可从低温传向高温，故A错误；B．机械能可完全转化为内能（如摩擦生热），但内能转化为机械能需伴随其他变化（如热机需放热到低温热源），故B正确；C．孤立系统的熵在自然过程中永不减少（熵增原理），总熵会增大或不变，不会减小，故C错误；D．第一类永动机违反能量守恒（热力学第一定律），第二类永动机才违反热力学第二定律，故D错误。故选B。【变式训练4-2·变载体】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一定律D．电冰箱的工作效率可达到100%【答案】B【详解】AB．由热力学第二定律可知，热量不能自发地从低温物体传到高温物体，除非有外界的影响或帮助，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，故A错误，B正确；C．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，其能量的转化和守恒满足热力学第一定律，并没有违反，故C错误；D．任何热机的效率都不能达到100%，因为在能量转化过程中总会有能量损耗，电冰箱也不例外，故D错误。故选B。【变式训练4-3·变情境】全球能源互联网发展合作组织与国家气候中心2025年4月21日联合发布《2025年全球新能源发电年景预测报告》。能源问题是当今世界最为重要的问题之一，热力学的研究对能源利用率的提高起到了关键作用，为热机的设计与制造提供了足够的理论支持。关于热机和热力学定律，以下表述正确的是（）A．第二类永动机并没有违背能量守恒定律，故热机的效率可能达到100%B．因为能量守恒，随着科技的发展，能量可以循环利用，从而可以解决能源危机问题C．一切自发过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行D．热力学第二定律可表述为“不可能使热量由低温物体传递到高温物体”【答案】C【详解】A．第二类永动机并没有违背能量守恒定律，但根据热力学第二定律可知，热机的效率不可能达到100%，故AB．虽然能量守恒，由于使用后能量的品质降低，可利用的能源会越来越少，使能源危机仍然存在，我们在日常的生产生活中要养成节约能源的习惯，故B错误；C．由熵增原理可知，一切自然过程总是沿着分子热运动无序性增大的方向进行，故C正确。D．热力学第二定律可表述为“不可能使热量由低温物体传递到高温物体而不引起其他变化”，故D错误。故选C。1．（2025·重庆·高考真题）易碎物品运输中常采用缓冲气袋减小运输中冲击。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【详解】气袋被压缩且绝热（无热交换），视为理想气体。AB．绝热压缩时外界对气体做功，内能增加，温度升高，分子平均动能由温度决定，分子热运动的平均动能增加，故A正确，B错误；C．根据理想气体状态方程pVTD．气体体积减小，外界对气体做功，气体对外界做负功，故D错误。故选A。2．（2025·北京·高考真题）我