第十五章热学第77课时热力学定律与能量守恒定律2025高考物理二轮专题

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　以下各图均来自人教版选择性必修第三册。
判断下列说法的正误：（1）压缩气体做功、对气体加热都可以改变气体的内能。 （　√　）
（2）“饮水小鸭”能自动“喝水”，是永动机。（　×　）
（3）红色颜料在水中扩散后不能再自发“聚集”起来。（　√　）
（4）“饮水小鸭”能自动“喝水”，说明能量不守恒。（　×　）
考点一　热力学定律与能量守恒定律　[素养自修类]1. 【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（　　 ）
解析：　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. 【热力学定律和永动机辨析】关于两类永动机和热力学的两个定律，下列说法正确的是（　　 ）
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，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。
3. 【热力学第一定律的理解】（多选）（2023·全国甲卷33题改编）在一汽缸中用活塞封闭着一 定量的理想气体，发生下列缓慢变化过程，气体一定与外界有热量 交换的过程是（　　）
解析：　气体的体积不变，温度升高，则气体的内能增加，气体做功为零，因此气体吸收热量，A正确；气体的体积减小，温度降低，则气体的内能减少，外界对气体做功，由热力学第一定律ΔU＝W＋Q，可知气体对外放热，B正确；气体的体积减小，温度升高，则气体的内能增加，外界对气体做功，由热力学第一定律ΔU＝W＋Q，可知Q可能等于零，即没有热量交换过程，C错误；气体的体积增大，温度不变，则气体的内能不变，气体对外界做功，由热力学第一定律ΔU＝W＋Q，可知Q＞0，即气体吸收热量，D正确。
1. 热力学第一定律表达式的正、负号法则
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。
3. 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。
4. 两类永动机的比较
考点二　热力学第一定律与气体状态变化图像的综合　[素养自修类]　　
1. 【热力学第一定律与气体p-V图像的综合】（2022·江苏高考7题）如图所示，一定质量的理想气体分别经历 a→b和a→c两个过程，其中a→b为等温过程，状态b、c的体积相 同，则（　　）
2. 【热力学第一定律与气体p-T图像的综合】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（　　 ）
解析：　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，等于气体内能的增加量，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。
3. 【热力学第一定律与T-V图像的综合】（多选）（2022·全国乙卷33题改编）一定量的理想气体从状态a经 状态b变化到状态c，其过程如T-V图上的两条线段所示，则气体在 （　　 ）
　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、放热情况及做功情况。（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。
考点三　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】　（2023·浙江1月选考19题）某探究小组设计了一个报警装置，其原理如图所示。在竖直放置的圆柱形容器内用面积S＝100 cm2、质量m＝1 kg的活塞密封一定质量的理想气体，活塞能无摩擦滑动。开始时气体处于温度TA＝300 K、活塞与容器底的距离h0＝30 cm的状态A。环境温度升高时容器内气体被加热，活塞缓慢上升d＝3 cm恰好到达容器内的卡口处，此时气体达到状态B。活塞保持不动，气体被继续加热至温度TC＝363 K的状态C时触动报警器。从状态A到状态C的过程中气体内能增加了ΔU＝158 J。取大气压p0＝0.99×105 Pa，重力加速度g取10 m/s2，求气体
（1）在状态B的温度；
（2）在状态C的压强；
答案： 1.1×105 Pa　
（3）由状态A到状态C过程中从外界吸收热量Q。
解析：根据题意可知，从状态A到状态C的过程中外界对气体做的 功为W＝－pBSΔh＝－30 J由热力学第一定律有ΔU＝W＋Q
解得Q＝ΔU－W＝188 J。
1. 【热力学第一定律与气体状态方程的综合】（多选）（2023·新课标卷21题）如图，一封闭着理想气体的绝热 汽缸置于水平地面上，用轻弹簧连接的两绝热活塞将汽缸分为f、 g、h三部分，活塞与汽缸壁间没有摩擦。初始时弹簧处于原长，三 部分中气体的温度、体积、压强均相等。现通过电阻丝对f中的气体 缓慢加热，停止加热并达到稳定后（　　）
2. 【热力学第一定律与气体实验定律的综合】
如图所示一U形玻璃管竖直放置，右端开口，左管用光滑活塞和水银封闭一段空气柱。外界大气压为p0＝1.0×105 Pa，封闭气体的温度t0＝27 ℃，玻璃管的横截面积为S＝5.0 cm2，管内水银柱及空气柱长度如图所示。已知水银的密度为ρ＝13.6×103 kg/m3，重力加速度g＝10 m/s2；封闭气体的温度缓慢降至t1＝－3 ℃。T＝t＋273 K。求：
（1）温度t1＝－3 ℃时空气柱的长度L；
（2）已知该过程中气体向外界放出5.0 J的热量，气体内能的增 量。 （结果保留两位有效数字）
解析：封闭气体的压强p＝p0＋ρgh外界对气体做功W＝pS（L0－L）由热力学第一定律ΔU＝Q＋W
解得ΔU≈－2.5 J，即内能减少了2.5 J。
巧学 妙解 应用
考点一　热力学定律与能量守恒定律1. 一定质量的理想气体在某一过程中，外界对气体做了8×104 J的功， 气体的内能减少了1.2×105 J，则下列各式中正确的是（　　 ）
解析：　外界对气体做功W为正值，气体内能减少，ΔU为负值， 代入热力学第一定律表达式得Q＝－2×105 J，故B正确。
2. （多选）根据热力学定律，下列说法正确的是（　　 ）
解析：　第二类永动机不可能制成，是因为它违反了热力学第 二定律，故A错误；效率为100％的热机是不可能制成的，故B正 确；电冰箱的工作过程表明，热量可以从低温物体向高温物体传 递，故C正确；从单一热库吸收热量，使之完全变为功是不可能实 现的，故D错误。
考点二　热力学第一定律与气体状态变化图像的综合
3. 一定质量的理想气体由状态a开始，经历ab、bc、ca三个过程回到 原状态，其p-T图像如图所示，气体在三个状态的体积分别为Va、 Vb、Vc，压强分别为pa、pb、pc。已知pb＝p0，pc＝4p0，则下列说法 正确的是（　　 ）
4. （多选）一定质量的理想气体由状态a经状态b、c又回到状态a，其 压强p与体积V的关系如图所示，变化过程有等容、等温和绝热过 程，则下列说法正确的是（　　 ）
解析：　①过程若为等温变化，②过程为等容变化，温度升 高，则③过程为绝热变化，外界对气体做正功，气体温度升高，不 可能回到初始状态，故A错误；②过程外界没有对气体做功，根据 p-V图线和坐标轴所围面积表示气体和外界功的交换，③过程外界 对气体做的正功大于①过程气体对外界做的负功，因此全过程外界 对气体做正功，气体内能不变，故全过程气体向外界放出的热量大 于从外界吸收的热量，故B正确，D错误；③过程为等温变化，气 体压强增大，分子平均动能不变，气体分子单位时间内对单位面积 器壁的碰撞次数一定增加，故C正确。
5. （2022·辽宁高考6题）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（　）
解析：　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。
考点三　热力学第一定律与气体实验定律的综合6. （多选）（2023·山东高考9题）一定质量的理想气体，初始温度为 300 K，压强为1×105 Pa。经等容过程，该气体吸收400 J的热量后 温度上升100 K；若经等压过程，需要吸收600 J的热量才能使气体 温度上升100 K。下列说法正确的是（　　）
7. （2023·浙江6月选考17题）如图所示，导热良好的固定直立圆筒内用面积S＝100 cm2、质量m＝1 kg的活塞封闭一定质量的理想气体，活塞能无摩擦滑动。圆筒与温度300 K的热源接触，平衡时圆筒内气体处于状态A，其体积VA＝600 cm3。缓慢推动活塞使气体达到状态B，此时体积VB＝500 cm3。固定活塞，升高热源温度，气体达到状态C，此时压强pC＝1.4×105 Pa。已知从状态A到状态C，气体从外界吸收热量Q＝14 J；从状态B到状态C，气体内能增加ΔU＝25 J；大气压p0＝1.01×105 Pa。
（1）气体从状态A到状态B，其分子平均动能 　　　　（选填“增 大”“减小”或“不变”），圆筒内壁单位面积受到的压 力 　　　　（选填“增大”“减小”或“不变”）；
解析：（1）气体从状态A到状态B发生等温压缩变化，其内能 不变，分子平均动能不变，体积减小，压强增大，圆筒内壁 单位面积受到的压力增大。
（2）求气体在状态C的温度TC；
解析：气体处于状态A时，对活塞受力分析，有pAS＋mg＝p0S
解得pA＝1×105 Pa气体从状态A到状态B发生等温压缩变化，由玻意耳定律有 pAVA＝pBVB
解得TC＝350 K。
（3）求气体从状态A到状态B过程中外界对系统做的功W。
解析：气体从状态B到状态C，外界对气体不做功，所以W等于 气体从状态A到状态C外界对气体做的功，由（1）问分析可 知，从A到C内能的变化量等于从B到C内能的变化量，从A到 C由热力学第一定律有ΔU＝W＋Q，解得W＝11 J。
8. （2024·九省联考吉林）某同学取一装有少量水的塑料矿泉水瓶， 旋紧瓶盖，双手快速拧搓挤压水瓶。然后迅速拧松瓶盖，瓶盖被顶 飞的同时瓶内出现白雾，则（　　）
解析：　旋紧瓶盖，双手快速拧搓挤压水瓶，外界对气体做正 功，瓶内气体来不及发生热传导，根据热力学第一定律可知， 瓶内气体内能变大，瓶内气体温度升高，则瓶内气体分子的平 均动能增大，故A、B错误；然后迅速拧松瓶盖，瓶盖被顶飞过 程中，瓶内气体对外做功，瓶内气体来不及发生热传导，根据 热力学第一定律可知，瓶内气体内能变小，瓶内气体温度降 低，故C正确，D错误。
9. （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为等压程，D→A为等容过程，则在该循环过程中，下列说法正确的是（　 ）
10. （2021·江苏高考13题）如图所示，一定质量理想气体被活塞 封闭在汽缸中，活塞的面积为S，与汽缸底部相距L，汽缸和活 塞绝热性能良好，气体的压强、热力学温度与外界大气相同， 分别为p0和T0。现接通电热丝加热气体，一段时间后断开，活 塞缓慢向右移动距离L后停止，活塞与汽缸间的滑动摩擦力为 f，最大静摩擦力等于滑动摩擦力，整个过程中气体吸收的热量 为Q，求该过程中：
（1）内能的增加量ΔU；
答案：Q－（p0S＋f）L　
解析：（1）活塞缓慢移动时受力平衡，由平衡条件得p1S＝p0S＋f气体对外界做功，则W＝－p1SL根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W
解得ΔU＝Q－（p0S＋f）L。