第48讲 热力学定律与能量守恒定律（复习讲义）（安徽专用）（教师版）

第48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 102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热力学定律的理解 4考向热力学第一定律的理解 4考点二热力学第二定律 6知识点1热力学第二定律 6知识点2热力学第一、第二定律的比较 7考向热力学第二定律 7考点三与气体图像的综合应用 8知识点处理与气体图像的综合问题的思路 8考向1热力学第一定律与气体p-T图像的综合 8考向2热力学第一定律与气体V-T图像的综合 11考向3热力学第一定律与气体p-V图像的综合 12考点三与气体实验定律的综合应用 14知识点与气体实验定律的综合问题的思路 15考向1与气体实验定律的综合问题 1504真题溯源·考向感知 17

考点要求考频2025年2024年2023年（1）热力学第一定律（2）热力学第二定律理解高频2025.安徽T3\2023•全国乙.T13考情分析：1.命题形式：单选题非选择题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。3.备考建议：本讲内容备考时候，着重理解和掌握热力学第一定律和第二定律，注意概念的理解和易混概念的区别，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。4.命题情境：①生活实践类：解释摩擦生热/物体升温，解释冰箱/空调制冷原理，永动机不可能性等；②学习探究类：制冷技术发展与应用，热力发电厂能量流程分析，热力学循环计算与分析。5.常用方法：图像分析法复习目标：1.理解热力学第一定律，会用热力学第一定律分析有关问题。2.理解热力学第二定律，知道热现象的方向性。3.会分析热力学第一定律与气体实验定律的综合问题。考点一热力学第一定律知识点1热力学第一定律1.改变物体内能的两种方式(1)做功；(2)热传递．2.热力学第一定律(1)内容：一个热力学系统的内能增量等于外界对它传递的热量和外界对它做功的和．(2)表达式：W＋Q＝ΔU.3.能的转化和守恒定律(1)内容：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，但在转化或转移的过程中其总量不变．(2)第一类永动机：违背能量守恒定律的机器被称为第一类永动机．它是不可能制成的．知识点2热力学定律的理解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。考向1热力学第一定律的理解例1．（2025·安徽淮北&淮南·二模）济南趵突泉是中国著名的风景名胜，泉水一年四季恒定在18℃左右。严冬，水面上水气袅袅，像一层薄薄的烟雾，一边是泉池幽深，波光粼粼，一边是楼阁彩绘，雕梁画栋，构成了一幅奇妙的人间仙境。在水底有很多小孔冒出微小气泡，可以看到气泡在缓慢上升过程中体积逐渐变大且没有破裂。假设初始时小气泡（可视为理想气体）体积，气泡上升过程中内外压强相同。已知泉水水深，大气压强，水的密度，重力加速度g取。(1)求气泡到达水面时的体积；(2)已知气泡上升过程中对外界做功，判断气泡是吸热还是放热，并求出热量的数值。【答案】(1)(2)吸热，【详解】（1）气泡在深度时，压强为解得水温不变，根据玻意耳定律有解得（2）温度不变，内能不变，根据热力学第一定律有体积变大，气泡上升过程中对外界做功，则有解得气泡从外界吸收热量【变式训练】（2025·安徽合肥·二模）如图所示，一定质量的理想气体从状态a，经过等温过程ab到状态b，再经过等压过程bc到状态c，又经等容过程ca回到状态a。下列说法正确的是（）A．在过程ab中，气体的内能增加B．在过程bc中，气体对外界做功C．在过程ca中，气体对外界放热D．在过程abca中，气体对外界做功【答案】D【详解】A．一定质量的理想气体从状态a，经过等温过程ab到状态b，可知气体温度不变，则内能不变，故A错误；B．经过等压过程bc到状态c，其体积变小，则外界对气体做功，故B错误；C．在过程ca中，气体的体积不变，气体不做功，压强变大，由可知气体温度升高，则内能增加，则气体从外界吸热，故C错误；D．在过程abca中，经过一个循环回到初始状态，故内能不变，由图可知整个循环气体对外做的功等于图像所围成的面积，故D正确。故选D。考点二热力学第二定律知识点1热力学第二定律1.热传导的方向性：热传导的过程可以自发地由高温物体向低温物体进行，但相反方向却不能自发地进行，即热传导具有方向性，是一个不可逆过程。说明：①“自发地”过程就是在不受外来干扰的条件下进行的自然过程。②热量可以自发地从高温物体传向低温物体，热量却不能自发地从低温物体传向高温物体。③热量不是不可能从低温物体传向高温物体，在有“外界的影响或帮助下”，低温物体可以将热量传给高温物体。2.热力学第二定律的两种表述①克劳修斯表述：不可能使热量从低温物体传向高温物体而不引起其他变化。②开尔文表述：不可能从单一热源吸收热量，使之完全变为有用功而不引起其他变化。3.热机①热机是把内能转化为机械能的装置，其原理是热机从高温热源吸收热量Q1，推动活塞做功W，然后向低温热源（冷凝器）释放热量Q2（工作条件：需要两个热源）②由能量守恒定律可得：Q1=W+Q2③我们把热机做的功和它从热源吸收的热量的比值叫做热机效率，用η表示，即η=W/Q1④热机效率不可能达到100%4.第二类永动机①设想：只从单一热源吸收热量，使之完全变为有用的功而不引起其他变化的热机。②第二类永动机不可能制成，不违反热力学第一定律或能量守恒定律，违反热力学第二定律。原因：尽管机械能可以全部转化为内能，但内能却不能全部转化成机械能而不引起其他变化；机械能和内能的转化过程具有方向性。知识点2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考向热力学第二定律例1．下列关于热现象的描述正确的是（）A．根据热力学定律，热机的效率可以达到100%B．做功和热传递都是通过能量转化的方式改变系统内能的C．温度是描述热运动的物理量，一个系统与另一个系统达到热平衡时两系统温度相同D．物体由大量分子组成，其单个分子的运动是无规则的，大量分子的运动也是无规律的【答案】C【详解】A．热机在工作过程中不可避免的要有能量耗散，其效率不可能达到100%，A错误；B．热传递是靠能量的转移改变系统内能的，B错误；C．系统达到热平衡的标志是温度相同，C正确；D．分子动理论告诉我们，物质是由分子组成的，分子永不停息地做无规则运动，但大量分子的运动遵从一定的统计规律，如温度升高，所有分子的平均动能增大，D错误；故选C。【变式训练】．热力学第二定律使人们认识到自然界中进行的涉及热现象的宏观过程，下列说法正确的是()A．只是部分宏观过程具有方向性B．第二类永动机既违背能量守恒定律，又违背热力学第二定律C．热量只能从高温物体传到低温物体，不能从低温物体传到高温物体D．根据热力学定律，热机的效率不可能达到100%【答案】D【解析】：热力学第二定律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，故A错误；第二类永动机违背热力学第二定律，但不违背能量守恒定律，故B错误；根据热力学第二定律，热量不可能自发地从低温物体传到高温物体，但在外界干预下，热量可以从低温物体传到高温物体，故C错误；根据热力学定律，热机的效率不可能达到100%，故D正确。考点三与气体图像的综合应用知识点处理与气体图像的综合问题的思路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。考向1热力学第一定律与气体p-T图像的综合例1（24-25高三下·安徽合肥一中·保温卷）（多选）一定质量的理想气体由状态开始，经历四个过程回到原状态，该过程每个状态均可视为平衡态，气体、、、四个状态的压强与温度（为热力学温度）的关系如图所示，其中和的延长线经过坐标原点，已知状态的体积为。下列说法正确的是（

）A．从过程气体分子的平均动能增大B．状态的体积为C．从过程外界对气体做功为D．气体由状态开始经历四个过程回到原状态，气体从外界吸热240J【答案】AD【详解】A．从气体温度升高，分子的平均动能增大，故A正确；B．从气体做等容变化，由查理定律得可得从气体做等压变化，则根据盖—吕萨克定律解得状态的体积为，故B错误；C．从气体对外界做功为从气体做等容变化，外界对气体做功为零，故从气体对外界做功为480J，故C错误；D．从和气体做等容变化，外界对气体不做功，从气体对外界做功为从外界对气体做功为故完成一次循环，气体对外界做功为完成一次循环，气体内能不变，根据热力学第一定律解得可知完成一次循环，气体从外界吸热240J，故D正确。故选AD。【变式训练】．一定质量的理想气体从a状态开始，经过a→b、b→c、c→d、d→a四个过程后回到初状态a，p-T图像如图所示，下列说法正确的是（）A．a状态下，单位时间内撞击单位面积容器壁的气体分子数比b状态下多B．d状态下，单位时间内撞击单位面积容器壁的气体分子数比b状态下多C．b→c过程中气体与外界交换的热量小于气体d→a过程与外界交换的热量D．a→b过程中气体吸收的热量小于气体c→d过程中向外界放出的热量【答案】B【详解】A．根据理想气体状态方程，得可知p-T图像中图线上各点与原点的连线的斜率则a→b过程中气体体积不变，分子数密度不变，温度升高，气体分子平均速率变大，分子撞击容器壁的时间间隔减小，次数增多，故A错误；B．设单位时间内撞击单位面积容器壁的气体分子数为n，单个气体分子单次撞击容器壁的平均冲量为I，则气体压强由题图可知d状态下气体分子平均速率比b状态下的小单次撞击冲量而由题图知压强因此故B正确；C．b→c过程中气体温度不变，，过程放热d→a过程中气体温度不变，，过程吸热因为，，所以故C错误；D．a→b、c→d过程中气体体积不变，外界对气体不做功，又因为，因此，故D错误；故选B。考向2热力学第一定律与气体V-T图像的综合例2（24-25高三下·安徽六安一中·模拟预测）一定质量的理想气体从状态开始，经历、、过程回到状态，其热力学温度随体积变化的图像如图所示，连线的延长线过坐标原点，段与纵轴平行。则该气体（）A．在状态的压强小于在状态的压强B．从状态到过程，气体体积减小，压强增大C．从状态到过程，气体向外界吸热D．从状态依次经过、后回到状态的整个过程，外界对气体做功为0【答案】B【详解】A．根据理想气体状态方程有由于连线的延长线过坐标原点，可知过程为等压过程，即在状态的压强等于在状态的压强，故A错误；B．段与纵轴平行，该过程为等温过程，根据玻意耳定律可知，从状态到过程，气体体积减小，压强增大，故B正确；C．结合上述，从状态到过程，气体温度不变，气体内能一定，体积减小，外界对气体做功，根据热力学第一定律可知，从状态到过程，气体向外界放热，故C错误；D．根据理想气体状态方程有解得可知，在图像中，图像上任意一点与坐标原点连线的斜率表示，根据图像可知，过程气体压强一定，过程，气体的压强均大于过程气体压强，由于过程气体体积增大值与过程气体体积减小值相等，则过程气体对外界做功小于过程外界对气体做功，即从状态依次经过、后回到状态的整个过程，外界对气体做功不为0，故D错误。故选B。【变式训练】．（2025·安徽A10联盟·适应性）如图甲所示，导热性良好的圆柱形容器竖直放置在水平桌面上，一光滑的轻质活塞将一定质量的气体密封在容器内，活塞上放置一重物。图乙是密闭气体从状态A变化到状态B的V−T图像，密闭气体在A点的压强为pA=1.03×105Pa，从状态A变化到状态B的过程中气体吸收的热量为Q=400J。已知外界大气压强为p0=1.01×105Pa，活塞的横截面积S=50cm2，重力加速度取g=10m/s2。求：(1)重物的质量；(2)从状态A变化到状态B的过程，气体内能的增加量。【答案】(1)1kg(2)245.5J【详解】（1）在A状态，根据题意有解得（2）根据图像可知，气体做等压变化，则解得从状态A变化到状态B的过程，气体体积增大，气体对外做功，则根据热力学第一定律可得考向3热力学第一定律与气体p-V图像的综合例3（24-25高三·安徽合肥集团校·最后一卷）如图为一定质量的某种理想气体状态变化的p-V图像，从图示A状态开始，先后经历了B、C状态，已知气体在A状态时的温度为300K，。下列说法正确的是（）A．A→B→C气体密度先增大再减小B．A点的温度比C点的温度低C．A→B→C气体的最高温度为450KD．A→B气体吸收的热量为7500J【答案】D【详解】A．A→B→C气体体积先增大再减小，根据可得气体密度先减小再增大，故A错误；B．由于气体A态和B态时气体压强与体积的乘积相等，故气体A态和B态时的温度相等，从B→C气体发生等压变化，体积减小，由（常数）可得温度降低，A点的温度比C点的温度高，故B错误；C．对于一定质量的气体，由理想气体状态方程可得压强与体积的乘积最大时对应温度最高，设从A变到B的直线方程为将图像中的（10，4）和（40，1）代入方程，可得则有故当时可得根据解得故C错误；D．由图像可得A→B过程气体对外做的功为由于气体A态和B态时温度相等，内能相同，根据热力学第一定律可得，气体吸收的热量等于对外做的功，故A→B气体吸收的热量为7500J，故D正确。故选D。【变式训练1】（24-25高三上·安徽亳州二校·开学考）一定质量理想气体由状态a变化到状态b，再变化到状态c，最终回到状态a，该过程的图像如图所示，图像中曲线ab为双曲线的一段，下列判断正确的是（

）A．状态a与状态b单位时间内撞击单位面积器壁的分子数可能相等B．由状态b到状态c所有分子的速率都增大C．完成一个循环过程，气体对外做的功等于外界对气体所做的功D．完成一个循环过程，气体从外界吸收的热量大于向外界放出的热量【答案】D【详解】A．已知由状态a到状态b为等温过程，分子平均动能不变，而体积变小，压强变大，故状态a单位时间内撞击单位面积器壁的分子数一定小于状态b，故A错误；B．由图可知从状态b到状态c为等压过程，而体积变大，由盖—吕萨克定律可知气体温度升高，则气体分子平均动能增大，即分子平均速率增大，但并不是每个分子的速率都增大，故B错误；CD．根据可知，图像与坐标轴围成的面积等于气体对外做的功，由图可知从a到b外界对理想气体做功小于从b到c到a气体对外做功，即整个循环的过程中由于根据热力学第一定律所以即所以整个循环的过程中，理想气体吸收的热量大于放出的热量，故C错误，D正确。故选D。考点三与气体实验定律的综合应用知识点与气体实验定律的综合问题的思路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与气体实验定律的综合问题例1（25-26高三上·安徽部分学校·开学考）自然资源部“深海一号”船携“蛟龙”号载人潜水器在中国南海完成2025年技术升级后的首次装备试验任务如图甲。已知海平面的温度为，大气压强为，如图乙，一定质量的理想气体封闭在导热性能良好的气缸中，气缸在海平面时，气体体积为，在某次深潜气缸缓慢下降的过程中，探测到气缸所在处的海水温度为，压强为，气缸内气体体积为，不计活塞的质量和摩擦，则（）A．，在下潜过程中气体放热B．，在下潜过程中气体吸热C．，在下潜过程中气体放热D．，在下潜过程中气体吸热【答案】A【详解】由理想气体状态方程解得气缸缓慢下潜的过程中，温度降低，则，气体体积减小，则，根据热力学第一定律可得，即在此过程中气体放热。故选A。【变式训练】（23-24高三下·安徽六安一中·模拟预测）自嗨锅通过自热包产生热量使隔层上方锅内气体吸热升温，使用不当时可能造成安全事故。某次使用前，室温为，大气压强为，锅盖透气孔被堵塞。假设该款自嗨锅锅体内部所能承受的最大压强为Pa，锅盖扣紧后，锅内气体视为质量一定的理想气体，且体积不变。（1）请通过计算判断锅内气体能否安全加热到？（2）若此过程中气体内能的改变量为，则锅内气体吸收的热量是多少？【答案】（1）能；（2）【详解】（1）设初始时，气体的压强为对应的热力学温度为加热到T2时，气体的压强为=Pa温度为，气体发生等容变化，则有解