2027届新高考物理热点精准复习 热力学定律与能量守恒定律

2027届新高考物理热点精准复习热力学定律与能量守恒定律【学习目标】1.掌握热力学第一定律(ΔU=Q+W)与能量守恒的本质,理解热力学第二定律对热现象方向性的限制。2.能分析热机、制冷机等循环过程中的能量转化与效率问题,辨析永动机不可实现的科学依据。3.认识热力学定律在节能减排、可持续发展中的指导意义,树立科学利用能源的社会责任感。知识构建【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基础转化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D2.(2025·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D考点一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】

(2025·重庆卷,2)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A[例2]【公式ΔU=W+Q的应用】

(2025·江苏常州二模)“声致发光”是悬浮于液体中的气泡受到强声波的激发,气泡膨胀后迅速塌缩并发出极短暂亮光的现象。设气泡内气体最初的压强p0=100kPa,温度T0=300K,气泡半径r0=5.0μm。当气泡周围流体中的压强降低时,气泡等温膨胀至半径为r1=25.0μm;接着由于声波的作用,压强暴增,气泡迅速坍缩到半径为r0。已知气泡在膨胀过程吸收0.24×10-9J的热量,在塌缩过程中内能增加了3.6×10-9J。试求:(1)气泡膨胀后的压强;【答案】

(1)0.8kPa

(2)在一次膨胀和塌缩的过程中外界对气泡所做的总功。【答案】

(2)3.36×10-9J【解析】

(2)根据热力学第一定律,膨胀过程ΔU1=W1+Q1,塌缩过程ΔU2=W2+Q2,其中ΔU1=0,ΔU2=3.6×10-9J,Q1=0.24×10-9J,Q2=0,解得W=W1+W2=3.36×10-9J。[例3]【能量守恒定律的应用】

(2025·安徽芜湖模拟)硬的岩石处在太高的山体底部会瘫软,这是山峰高到一定程度后岩石基部压强过大,会发生熔化而开始流动的缘故。(1)若每摩尔岩石熔化时要吸收的热量为λm,岩石的摩尔质量为μ,山体可看作均匀的圆柱。当山高达极限高度H时继续增高一点就熔化掉一点,即不能再增高了。试从能量的角度写出山的极限高度表达式。【解析】

(1)如图所示,设山体为一个横截面积为S,高为H的圆柱,若山增加Δh高度后,增加的质量为m,底部就熔化掉Δh的高度,这表明H这个数值已经是山高的极限了,这时m的势能转化为熔化岩石的内能。山体的总质量为M,由密度公式可得M=ρV=ρSH,(2)设岩石的主要成分为SiO2,其λm=8540J/mol,求山的最大高度H值。(重力加速度g取10m/s2,SiO2的摩尔质量μ=0.06kg/mol)【答案】

(2)14233m考点二热力学第二定律1.对热力学第二定律的理解(1)“自发地”指明了传热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.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D【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,传热也不一定改变内能,但同时做功和传热一定会改变内能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D【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,并不违背热力学第二定律,故D正确。考点三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】

(多选)(2024·新课标卷,21)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AD【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,W<0,根据ΔU=Q+W可知,Q>0,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,W<0,故ΔU<0,气体内能减小,故C错误;4→1为等容过程,根据查理定律可知压强减小时温度降低,故内能减小,由于体积不变,W=0,故可知气体向外放热,故D正确。[例7]【热力学第一定律与V-T图像】

(多选)(2025·甘肃卷,9)如图,一定量的理想气体从状态A经等容过程到达状态B,然后经等温过程到达状态C。已知质量一定的某种理想气体的内能只与温度有关,且随温度升高而增大。下列说法正确的是(

)A.A→B过程为吸热过程B.B→C过程为吸热过程C.状态A压强比状态B的小D.状态A内能比状态C的小ACD【解析】

气体A→B过程体积不变,则W=0,而温度升高,则ΔU>0,根据热力学第一定律ΔU=W+Q,可知Q>0,即该过程吸热,又根据查理定律可知压强变大,即pA<pB,A、C正确;B→C过程温度不变,则ΔU=0,体积减小,则W>0,可知

Q<0,即该过程为放热过程,B错误;状态A的温度低于状态C的温度,可知状态A的内能比状态C的小,D正确。考点四热力学第一定律与气体实验定律的综合应用解决热力学第一定律与气体实验定律的综合问题的思维流程(1)再次平衡时容器内气体的温度。(2)此过程中容器内气体吸收的热量。[例9]【“液柱”类问题中的应用】

(2025·浙江1月选考卷,15)如图所示,导热良好带有吸管的瓶子,通过瓶塞密闭T1=300

K,体积V1=1×103

cm3处于状态1的理想气体,管内水面与瓶内水面高度差

h=10

cm。将瓶子放进T2=303

K的恒温水中,瓶塞无摩擦地缓慢上升恰好停在瓶口,h保持不变,气体达到状态2,此时锁定瓶塞,再缓慢地从吸管中吸走部分水后,管内和瓶内水面等高,气体达到状态3。已知从状态2到状态3,气体对外做功1.02

J;从状态1到状态3,气体吸收热量4.56

J,大气压强p0=1.0×105

Pa,水的密度ρ=1.0×103

kg/m3;忽略表面张力和水蒸气对压强的影响。g取10

m/s2。(1)从状态2到状态3,气体分子平均速率

(选填“增大”“不变”或“