第十五章　热学 第77课时　热力学定律与能量守恒定律　双基落实课

第77课时热力学定律与能量守恒定律[双基落实课]CONTENTS03立足“四层”·夯基础概念公式定理着眼“四翼”·探考点题型规律方法聚焦“素养”·提能力巧学妙解应用01立足“四层”·夯基础概念公式定理

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。

（

×

）×√×02着眼“四翼”·探考点题型规律方法考点一

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（

）A.某种形式的能量减少，一定存在其他形式的能量增加B.某个物体的能量减少，必然有其他物体的能量增加C.对物体做功，物体的内能可能减小D.石子从空中落下，最后停止在地面上，说明石子的能量消失了解析：

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（

）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，热传递也不一定改变

内能，但同时做功和热传递一定会改变内能D.由热力学第二定律可知热量从低温物体传向高温物体是可能的，从

单一热源吸收热量，完全变成功也是可能的解析：

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（

）A.气体的体积不变，温度升高B.气体的体积减小，温度降低C.气体的体积减小，温度升高D.气体的体积增大，温度不变解析：

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、负号法则物理量＋－W外界对物体做功物体对外界做功Q物体吸收热量物体放出热量ΔU内能增加内能减少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第一类永动机第二类永动机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

器违背能量守恒定律，不可能制成不违背能量守恒定律，但违背热

力学第二定律，不可能制成考点二

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（

）A.状态a的内能大于状态bB.状态a的温度高于状态cC.a→c过程中气体吸收热量D.a→c过程中外界对气体做正功

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（

）A.A→B的过程中，气体对外界做功，气体内能增加B.A→B的过程中，气体从外界吸收的热量等于其内能的增加量C.B→C的过程中，气体体积增大，对外做功D.B→C的过程中，气体对外界放热，内能减小解析：

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

（

）A.由a变化到b的过程中，气体对外做功B.由b变化到c的过程中，气体的压强不变C.由a变化到b的过程中，气体从外界吸热D.由a变化到b的过程中，从外界吸收的热量等于其增加的内能

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＝100cm2、质量m＝1kg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＝300K、活塞与容器底的距离h0＝30cm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＝3cm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＝363K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＝158J。取大气压p0＝0.99×105Pa，重力加速度g取10m/s2，求气体（1）在状态B的温度；答案：330K

（2）在状态C的压强；答案：1.1×105Pa

（3）由状态A到状态C过程中从外界吸收热量Q。答案：188J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＝－30J由热力学第一定律有ΔU＝W＋Q解得Q＝ΔU－W＝188J。

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（

）A.h中的气体内能增加B.f与g中的气体温度相等C.f与h中的气体温度相等D.f与h中的气体压强相等

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＝1.0×105Pa，封闭气体的温度t0＝27℃，玻璃管的横截面积为S＝5.0cm2，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＝10m/s2；封闭气体的温度缓慢降至t1＝－3℃。T＝t＋273K。求：（1）温度t1＝－3℃时空气柱的长度L；答案：36cm

（2）已知该过程中气体向外界放出5.0J的热量，气体内能的增

量。

（结果保留两位有效数字）答案：－2.5J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≈－2.5J，即内能减少了2.5J。03聚焦“素养”·提能力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8×104J的功，

气体的内能减少了1.2×105J，则下列各式中正确的是（

）A.W＝8×104J，ΔU＝1.2×105J，Q＝4×104JB.W＝8×104J，ΔU＝－1.2×105J，Q＝－2×105JC.W＝－8×104J，ΔU＝1.2×105J，Q＝2×104JD.W＝－8×104J，ΔU＝－1.2×105J，Q＝－4×104J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＝－2×105J，故B正确。123456789102.（多选）根据热力学定律，下列说法正确的是（

）A.第二类永动机违反能量守恒定律，因此不可能制成B.效率为100％的热机是不可能制成的C.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D.从单一热库吸收热量，使之完全变为功是提高机械效率的常用手段12345678910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。12345678910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（

）A.pa＝3p0B.Vb＝3VcC.从状态a到状态b，气体对外做功D.从状态c到状态a，气体从外界吸热考点二12345678910

123456789104.（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（

）A.①过程可能为等温变化B.全过程气体向外界放出的热量大于从外界吸收的热量C.③过程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D.因为气体返回状态a时体积不变，所以外界不对气体做功12345678910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。123456789105.（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（

）A.对外界做正功B.

压强保持不变C.向外界放热D.

内能减少12345678910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。12345678910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

300K，压强为1×105Pa。经等容过程，该气体吸收400J的热量后

温度上升100K；若经等压过程，需要吸收600J的热量才能使气体

温度上升100K。下列说法正确的是（

）A.初始状态下，气体的体积为6LB.等压过程中，气体对外做功400JD.两个过程中，气体的内能增加量都为400J12345678910

123456789107.（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＝100cm2、质量m＝1kg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300K的热源接触，平衡时圆筒内气体处于状态A，其体积VA＝600cm3。缓慢推动活塞使气体达到状态B，此时体积VB＝500cm3。固定活塞，升高热源温度，气体达到状态C，此时压强pC＝1.4×105Pa。已知从状态A到状态C，气体从外界吸收热量Q＝14J；从状态B到状态C，气体内能增加ΔU＝25J；大气压p0＝1.01×105Pa。12345678910（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”）；答案：不变

增大

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。12345678910（2）求气体在状态C的温度TC；答案：350K

解析：气体处于状态A时，对活塞受力分析，有pAS＋mg＝p0S解得pA＝1×105Pa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＝350K。12345678910（3）求气体从状态A到状态B过程中外界对系统做的功W。答案：11J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＝11J。12345678910

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（

）A.挤压水瓶过程中，瓶内气体分子的平均动能减小B.挤压水瓶过程中，瓶内气体内能不变C.瓶盖被顶飞过程中，瓶内气体对外做功D.瓶盖被顶飞过程中，瓶内气体温度升高12345678910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，