2025届高考物理一轮总复习第十四章热学第4讲热力学定律与能量守恒定律教师用书

第4讲热力学定律与能量守恒定律

NOA课前基础落实一在情境迁移中理清“物理观念”

一、热力学第肯定律

1.变更物体内能的两种方式

(1)做功;

(2)热传递。

2.热力学第肯定律

(1)内容：•个热力学系统的内能变更量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功

的和。

(2)表达式：0+优

(3)符号法则

物理量Q

+外界对物体做功物体汲取热量内能增加

一物体对外界做功物体放出热量内能削减

二、热力学具次定律

1.热力学其次定律的两种表述

(D克劳修斯表述：热量不能宜发地从低温物体传到高温物体。

(2)开尔文表述：不行能从单一热库汲取热量，使之完全变胜利，而不产生其他影响。

2.热力学其次定律的“烬”描述：在任何自然过程中，一个孤立系统的总燧不会减小。

三、能量守恒定律

1.内容：能量既不会凭空产生，也不会凭空消逝，它只能从一种形式转化为其他形式,

或者从一个物体转移到别的物体，在转化或珪移的i'J.程中，能量的总量保持不变。

2.普适性：能量守恒定律是自然界的普遍规律。

［留意］(D某一种形式的能(如：机械能)或几种形式的能(如：动能+电势能)是否守

恒是有条件的。

(2)第一类永动机是不行能制成的，它违反了能量守恒定律；其次类永动机不行能制成

的缘由是违反了热力学其次定律。

微点推断

(1)做功和热传递的实质是相同的。(X)

⑵外界压缩气体做功20J,气体的内能可能不变。(J)

(3)给自行车打气时，发觉打气筒的温度上升，这是因为打气筒从外界吸热。(X)

(4)可以从单•热源汲取热量，使之完全变胜利。(V)

（5）热机中，燃气的内能可以全部变为机械能向不引起其他变更。（X）

（6）自由摇摆的秋千摇摆幅度越来越小，能量正在消逝。（X）

（7）利用河水的能量使船逆水航行的设想，符合能量守恒定律。（J）

（8）第一类永动机违反了热力学其次定律。（X）

（9）其次类永动机违反了能量守恒定律。（X）

NO.2课堂提能学案一在多彩学法中精准“扶弱补短”

（一）热力学第肯定律的理解及应用

［题点全综通］

1.［热力学第肯定律的理解］（2024•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。--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，小瓶下沉究竟n

部；松开后，小瓶缓慢上浮。上浮过程中，小瓶内气体（）H

A.内能削减号F

B.对外界做正功隆至

C.增加的内能大于汲取的热量

D.增加的内能等于汲取f勺热量

解析：选B小瓶内的空气可视为志向气体，在小瓶缓慢上浮的过程中，瓶内空气的温

度随水温上升，内能增加，故A错误；同时，瓶内空气的压强减小，由志向气体的状态方程

y=C,可知体积增大，气体对外界做正功，故B正确：依据热力学第肯定律△。三#'+0,

由于AQ>0,AV0,则Q>0,可见气体汲取的热量大于增加的内能，故C、D错误。

2.［公式△〃三W+0中符号法则的理解］肯定质量的志向气体在某一过程中，外界对气

体做功7.0X10,J,气体内能削减1.3X10'J,则此过程（）

A.气体从外界汲取热量2.0X10,J

B.气体向外界放出热量2.OXIO,J

C.气体从外界汲取热量6.0X10'J

D.气体向外界放出热量6.0X10」J

解析：选B由热力学第肯定律八〃=/+。得七A少一勺一1.3X10'J—7.0X10,J

=-2.0X10$J,即气体向外界放出热量2.0X105J,B正确。

3.［热力学第肯定律在绝热系统中的应用］如图是某同学利用汽缸,

设计的汽车加速度传感器示意图，将汽缸水平固定在汽车上且开口向/1

后，内壁光滑，用活塞封闭肯定质量气体，通过活塞的移动推断汽车念||□:日

加速和减速的状况。若汽缸和活塞均绝热，汽车由匀速变为加速前进，汽缸内气体（）

A.单位体积内的分子数变多

B.分子的平均动能变大

C.单位时间分子撞击活塞的次数削减

D.内能变大

解析：选C对活塞进行受力分析，如图所示，当汽车匀速时，由平］.

衡关系可知〃S=〃S,*=p,当汽车加速时，由平衡关系变为加速运动，|*—B-ApS

且加速度a方向向左，由牛顿其次定律可得p>S—pS=ma,故可知R”,

压强变小，即体积变大。故单位体积内的分子数变少；单位时间内分子撞击活塞的次数减小,

故A错误,C正确：由热学第肯定律可知81}=什吼题中绝热.故可知0等干0,体积变

大，华为负值，故内能减小，分子平均动能也减小，故B、D错误。

［要点自悟明］

1.对热力学第肯定律的理解

(1)做功和热传递在变更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.热力学第肯定律的三种特别状况

(1)若过程是绝热的，则40,w三△4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，则甲=0,Q=AU,物体汲取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/H■g0,即物体汲取的热量全部用来对

外做功，或外界对物体做的功等于物体放出的热量。

(-)热力学其次定律的理解

1.热力学其次定律的含义

(1)“自发地”指明白热传递等热力学宏观现象的方向性，不须要借助外界供应能量的

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，对四周环

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.热力学其次定律的实质

热力学其次定律的每一种表述，都揭示了大量分子参加的宏观过程的方向性，进而使人

们相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.

3.热力学第一、其次定律的比较

热力学第肯定律热力学其次定律

由定律揭示的从能量守恒的角度揭示了功、热量自然界中出现的宏观过程是有

问题和内能变更量三者的定量关系方向性的

机械能和内能当摩擦力做功时，机械能可以全部内能不行能在小引起其他变更

的转化转化为内能的状况下完全变成机械能

热量可以从高温物体自发传向低温热量不能自发地从低温物体传

热量的传递

物体向高温物体

在热力学中，两者既相互独立，又互为补充，共同构成了热力学学问

两定律的关系

的理论基础

4.两类永动机的比较

永动机第一类永动机其次类永动机

不须要任何动力或燃料，却能从单一热源汲取热量，使之完全变

设计要求

不断地对外做功的机器胜利，而不产生其他影响的机器

不行能制不违反能量守恒定律，违反热力学

违反能量守恒定律

成的缘由其次定律

［多维训练］

】.下列关于热力学其次定律的说法正确的是（）

A.全部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行逆的

C.机械能可以全部转化为内能，在不产生其他影响的状况下，内能可以全部用来做功

而转化成机械能

D.气体向真空的自由膨胀是可逆的

解析：选B符合能量守恒定律，但违反热力学其次定律的宏观过程不能发生，A错误:

一切与热现象有关的宏观自然过程都是不行逆的，B正确；机械能可以全部转化为内能，在

不产生其他影响的状况下，内能无法全部用来做功而转化成机械能，C错误；气体向真空的

自由膨胀是不行逆的，D错误，

2.（多选）下列说法正确的是（）

A.肯定质量的志向气体放出热量，则分子平均动能仔定削减

B.热力学其次定律是反映宏观自然过程的方向性的定律

C.依据热力学其次定律可知，热机的效率不行能达到10或

D.肯定质量的志向气体膨张时对外界做了功，它的内能可能削减

解析：选BCD依据热力学第肯定律△£『=严+。可知，肯定质量的志向气体放出热量，

。为负值，但若外界同时对气体做功，/为正，则其内能不肯定削减，分子平均动能不肯定

削减，A错误：肯定质量的志向气体膨胀时对外界做功，段为负值，当0V一叫时内能减小,

当。>1一圳时内能增大，当、I一训时内能不变，故它的内能可能削减，D止确；热力学

其次定律就是反映宏观自然过程的方向性的定律，B正确：由热力学其次定律的开尔文表述

可知热机的效率不行能达到1。0乐C正确。

3.（多选）依据热学中的有关学问，推断卜.列说法中正确的是（）

A.机械能可以全部转化为内能，内能也可以全部用来做功转化成机械能

B.自发的热传递过程是向着分子热运动无序性增大的方向进行的

C.尽管技术不断进步，热机的效率仍不能达到100乐制冷机却可以使温度降到一293℃

D.第一类永动机违反能量守恒定律,其次类永动机不违反能量守恒定律,随着科技的

进步和发展，其次类永动机可以被制造出来

解析：选AB机械能可以全部转化为内能，而内能也可以全部转化为机械能，只是在

这个过程中会引起其他变更，A正确：依据热力学其次定律可知，自发的热传递过程是向着

分子热运动无序性增大的方向进行的，B正确：制冷机也不能使温度降到一293C（低于肯

定零度），C错误：第一类永动机违反能量守恒定律，其次类水动机不违反能量守恒定律,

但违反了热力学其次定律，其次类永动机不行能被制造出来，D错误。

（三）热力学第肯定律与气体图像的综合

［多维训练］

1.［热力学第肯定律与图像的综合］（2024•全国乙卷）（多选）如图，肯定量的志向

气体从状态a（p）、玲、乃经热力学过程a。、be、ca后又回到状态a。对于加、be、ca三个

过程，下列说法正确的是（）

v/v0

A.班过程中,气体始终吸热

B.ca过程中,气体始终放热

C.s过程中,气体对外界做功

D.命过程中,气体的温潼先降低后上升

E.命过程中,气体的温变先上升后降低

解析：选ABE由志向气体的2图像可知，志向气体经验a。过程中，体积不变，则

严=0,而压强增大，由4=。可知，志向气体的温度上升，则内能增大，由AA'=Q+/可知,

气体始终吸热，故A正确；志向气体经验面过程中，气体压强不变，为等压压缩，则外界

nV

对气体做功，#>0,由半=C知温度降低，即内能削减，A/K0,由△匕什/可知，60,

nV

即气体始终放热，故B正确，C错误：由j:=。可知，"图像的坐标围成的面积反映温度

凹凸，8状态和。状态的坐标面积相等，而中间状态的坐标面积更大，故机、过程中气体温

度先上升后降低，故I)错误，E正确。

2.［热力学第肯定律与prT图像的综合］肯定量的志向气体的压强p与

热力学温度r的变更图像如图所示。下列说法正确的是()

A.月一夕的过程中，气体对外界做功，气体内能增加

B.4-8的过程中，气体从外界汲取的热量等丁•其内能的增加量

C.4-C的过程中，气体体积增大，对外做功

D.归。的过程中，气体对外界放热，内能减小

解析：选B从力到6的过程，是等容升温过程，气体不对外做功，气体从外界汲取热

量，使得气体内能增加，故A错误，B正确；从〃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。

3.［热力学第肯定律与片7图像的综合］(2024•邯郸模拟)如图所

示，竹定质量的志向气体从状态力依次经过状态从C'后再回到状态儿

月状态的体枳是2L,温度是300K,8状态的体枳是4L,。状态的体枳

是3L,压强是2X10$Pa。

(1)在该循环过程中4状态的温度％和月状态的压强自是多少？

(2)力一Z?过程假如内能变更了200J,该志向气体是吸热还是放热，热量。是多少焦耳？

V.K

解析：⑴48过程由题图可知是等压变更，由盖•科萨克定律得三=T，解得。=600K,

lAlH

丘。过程由题图可知发牛.等温变更，所以7；=7；=600K,过程依据志向气体状态方程

得与±=今上解得巧=L5X］0*Pa。

1c1A

⑵力一6过程志向气体温发上升，内能增加△Q200J,体积膨胀，气体对外界做功十

=-Pt.AK=-300J,依据热力学第肯定律AQ#'+Q,解得g500J,即该志向气体吸

热，汲取热量。为500Jo

答案：(1)600K1.5X10,Pa(2)汲取热量500J

［规律方法］

处理热力学第行定律与气体图像的综合问题的思路

(1)依据气体图像的特点推断气体的温度、体枳的变更状况，从而推断气体与外界的吸、

放热关系及做功关系。

⑵在/>1/图像中，图线与P轴围成的面积表示气体对外界或外界对气体做的功。

(3)结合热力学第肯定律推断有关问题。

（四）热力学定律与气体试验定律的综合

［多维训练］

1.［盖-吕萨克定律与热力学第肯定律的综合］如图所示，内壁光滑、足够

高的圆柱形汽缸竖直放置，内有一质量为勿的活塞封闭肯定质量的志向气体。

已知活塞横截面积为£外界人气压掰为由，缸内气体温度为心现对汽缸内气TZZTZTZZTTZ

体缓慢加热，使气体体积由K增大到取，该过程中气体汲取的热量为Q,停止

••••••••

加热并保持体积心不变，使其降温到九已知重力加速度为g,求：匚—J

（1）停止加热时缸内气体的温度：

（2）降温过程中气体放出的热量。

解析；（】）加热时气体等压膨胀，由盖-吕萨克定律得字得：&=：丸

（2）设加热过程中，封闭气体内能增加△〃，因气体体积增大，故此过程中气体对外做

功，液0。由热力学第肯定律知：NU=@+W,其中/=一〃△仁一（四十华）（皈一匕），由于

志向气体内能只与温度有关，故再次降到原温度时气体放出的热量满意a=△儿整理可得：

Q=。一（△）+§（%—匕）。

答案；⑴半刀⑵。一（访+用注一匕）

2.［查理定律与热力学第肯定律的综合］如图所示是某气压式柱形保温瓶仁士

的结构示意简图，现倒入热水，封闭活塞G其与液面间封闭肯定质量的志向

气体，此时瓶内气体温度为Z，压强为R，经过一段时间温度降为「，忽视出水口餐堂：送

这•过程中气体体积的变更。

（1）求温度降为艮时瓶内气体的压强夕；

（2）封闭气体温度由7；降为及过程中，其传递的热量为。，则气体的内能如何变更，求

变更量的大小卜瓦

解析：⑴瓶内气体发生等容变更，由查理定律得与=/，解得尸盘。

（2）封闭气体温度由T、卜.降到A过程为等容变更过程，i温度降低，则气体内能削

减，由热力学第肯定律得#十^A〃，解得

答案：（1）《/为（2）内能削减X4Q

1\

3.［玻意耳定律与热力学第肯定律的综合］某民航客机在一万米左右高空飞行时，需利

用空气压缩机来保持机舱内外气体压强之比为4：1。机舱内有一导热汽缸，活塞质量m=2

kg、横截面积S=10cm2,活塞与汽缸壁之间密封良好且无摩擦。客机在地面静止时，汽缸

加图甲所示竖直放雪.平衡时活塞与缸底相距平=8cm：客机在高度一处匀速飞行时,汽缸

如图乙所示水平放置，平衡时活塞与缸底相距心=10cm。汽缸内气体可视为志向气体，机

舱内温度可认为不变。已知天气压强随高度的变更规律如图丙所示，地面大气压强A=

1.0X105Pa,地面重力加速度尸10m/s2»

归a

甲乙

(1)推断汽缸内气体由图甲状态到图乙状态的过程是吸热还是放热，并说明缘由：

(2)求高度力处的大气压强，并依据图内估测出此时客机的飞行高度。

解析：(1)依据热力学第肯定律有bU=W+Q,由于气体体积膨胀，对外做功,而温度

不变，则内能保持不变，因此由图甲状态到图乙状态吸热。

(2)初态封闭气体的压强2="十差=1.2乂10吓@,依据玻意耳定律有「解

得.=0.96X105Pa,机舱内外气体压强之比为4：1,因此舱外气体压强加=1A=

0.24X105Pa,对应表可知飞行高度约为10,mo

答案：(1)吸热理由见解析

(2)0.24X105Pa10'm

［规律方法］

热力学定律与气体试验定律综合问题的解题思路

［课时跟踪检测］

1.（2024・天津等级考）（多选）列车运行的平稳性与车厢的振动亲密相关，车厢底部安

装的空气弹簧可以有效减振，空气弹簧主要由活塞、汽缸及内讨的肯定质量的气体构成。上

卜乘客及猛烈颠簸均能引起车厢振动，上卜乘客时汽缸内气体的体积变更缓慢，气体与外界

有充分的热交换；猛烈颠簸时汽缸内气体的体积变更较快，气体与外界来不及热交换。若汽

缸内气体视为志向气体，在气体压缩的过程中（）

A.上下乘客时,气体的内能不变

B.上下乘客时,气体从外界吸热

C.猛烈颠簸时,外界对气体做功

D.猛烈颠簸时,气体的温度不变

解析：选AC上下乘客时汽缸内气体与外界有充分的热交换，即发生等温变更，温度

不变，故气体的内能不变，在体积压缩的过程中，外界对气体做功，故气体向外界放热，A

正确，B错误：猛烈颠簸时汽仇内气体的体枳变更较快，且气体与外界来不及热交换，气体

经验绝热过程，外界对气体做功，气体的温度上升，C正确，D错误。

.如图，用厢板将一绝热汽缸分成两部分，隔板左侧充有志向

2活塞

气体，隔板右侧与绝热活塞之间是真空。现将隔板抽开，气体会自理想真空

气体

发扩散至整个汽缸。待气体达到稳定后，缓慢推压活塞，将气体压

回到原来的体积。假设整个系统不漏气。下列说法不正确的是：）

A.气体自发扩散前后内能相同

B.气体在被压缩的过程中内能增大

C.在自发扩散过程中，气体对外界做功

D.气体在被压缩的过程中，外界对气体做功

解析：选C抽开隔板，气体自发扩散过程中，气体对外界不做功，与外界没有热交换,

因此气体的内能不变，A正确.C错误：气体在被压缩的过程中，外界对气体做功，D正确:

由于气体与外界没有热交换，依据热力学第肯定律可知，气体在被压缩的过程中内能增大,

B正确。

3.（多选）如图所示是某喷水能示意图。未喷水时阀门K闭合，压

下压杆A可向瓶内储气室充气。多次充气后按下按柄B打开阀门K,水

会自动经导管从喷嘴喷出。储气室气体可视为志向气体，充气和喷水

过程温度保持不变，则（）

A.充气过程中，储气室内气体的内能增大

B.充气过程中，储气室内气体分子平均动能减小

C.喷水过程中，储气室内气体压强减小

D.喷水过程中.储气室内气体放热

解析：选AC充气过程中，储气室内气体的质量增加，与体的温度不变，故气体分子

的平均动能不变，气体内能增大，A正确，B错误；喷水过程中，气体体积增大，气体对外

做功，而气体温度不变，则气体内能不变，气体吸热，由弓可知，气体压强减小，C正

确，D错误。

4.（2024•海南岛考）（多选）如图，肯定质量的志向气体从状态a

动身，经过等容过程到达状态b,再经过等温过程到达状态。，直线acV彳

过原点。则气体（）9上二1

A.在状态c的压强等于在状态a的压强T

B.在状态b的压强小于在状态c的压强

C.在b-c的过程中内能保持不变

D.在的过程对外做功

解析：选AC依据勺夕周知，因直线ac过原点，周知在状态c的压强等于在状态a

的压强，力点与原点连线的斜率小于c点与原点连线的斜率，可知在状态的压强大于在状

态c的压强，A正确，B错误：在8-c的过程中温度不变，则气体的内能保持不变，C正确：

在b*力的过程中，气体的体积不变，则气体不对外做功，D错误。

5.如图所示，肯定质量的志向气体从状态a依次经过状态b、c

和d再回到状态a的过程，a-〃是温度为式的等温过程，cfd是温

度为舅的等温过程，〜。和Ma为绝热过程（气体与外界无热量交

换），这就是闻名的“卡诺循环”。卡诺循环构建了从单一热源汲取

T，

热量用来做功的志向过程，符合卡诺循环的热机的效率为〃=1一”。

下列说法正确的是（）

A.a-b过程气体对外界做功且汲取热量

B.力-c过程气体对外做的功小于气体内能的削减量

C.c-d过程单位时间内碰撞器壁单位面积的分子数削减

I）.由卡诺循环可知热机效率可能达到100%

解析：选Aa-力过程为等温过程，温度不变，气体的内能不变，气体体积增大，气体

对外界做功，依据热力学第肯定律可知气体从外界汲取热量，故A正确：”一。过程中，绝

热膨胀，气体对外做功，内能减小，温度降低，依据热力学第肯定律可知〃一，过程气体对

外做的功等于气体内能的削减量，故B错误：为等温过程，压强变大，体积减小，因

为温度不变,故气体分子的平均动能不变,乐张变大说明单位时间内碰撞单位面积器壁的分

子数增多，故C错误：热机在工作时不行避开地要克服机械部件间的摩擦做额外功，并且还

存在热量损失，机械效率不行能达到100$,故【）错误。

6.如图所示，用带孔橡皮塞把塑料瓶口塞住，向瓶内快速打气，在瓶塞弹D

出前，外界对气体做功15J,橡皮塞的质量为20g,橡皮塞被弹出的速度为10/।

m/s,若橡皮塞增加的动能占气体对外做功的10%,瓶内的气体可视为志向气体。尸

则瓶内气体的内能变更量为_______j,瓶内气体的温度_________（选填“上u■

升”“不变”或“降低”晨L

解析：由题意可知，气体对外做的功

1,12

那【广-xo.02X10"

lf^m=—=——访——J=10J,由题意可知，向瓶内快速打气，在整个过程中,

可认为气体与外界没有热交换，即0=0,则气体内能的变更量八。三#'+<2=15J-10J+0

=5J,气体内能增加，温度上升。

答案：5上升

7.（