第十五章 第3讲 热力学定律和能量守恒定律

第十五章热学第3讲热力学定律和能量守恒定律单击此处添加正文，文字是您思想的提炼，请尽量言简意赅的阐述观点。考点1热力学第一定律及能量

守恒定律考点2热力学第二定律考点3热力学第一定律与气体实验定律的综合应用练习帮练透好题精准分层目录Contents单击此处添加标题01单击此处添加标题02课标要求1.知道热力学第一定律.通过有关史实，了解热力学第一定律和能量守恒定律的发

现过程，体会科学探索中的挫折和失败对科学发现的意义.2.理解能量守恒定律，能用能量守恒的观点解释自然现象.体会能量守恒定律是最

基本、最普遍的自然规律之一.3.通过自然界中宏观过程的方向性，了解热力学第二定律.核心考点五年考情热力学第一定律及能量守恒

定律2023：天津T2，全国甲T33(1)；2022：山东T5；2021：山东T2，天津T6；2019：全国ⅠT33(1)热力学第二定律2020：全国ⅡT33(1)热力学第一定律与气体实验

定律的综合应用2023：山东T9，广东T13；2022：辽宁T6，北京T3，全国乙T33(1)核心素养对接1.物理观念：掌握热力学第一定律的应用，进一步促进相互作用观念及能量观念的

形成.2.科学思维：用综合分析的方法推导出热力学第一定律，并用来解释和计算能量转

化和转移问题；了解归纳热力学第二定律的过程和方法，用来解释常见的不可逆

过程.3.科学态度与责任：基于对热力学定律的认识，讨论合理开发和利用能源的问题，

培养可持续发展观念，提升社会责任感.命题分析预测热力学定律单独考查时侧重考查对热力学定律的理解，也常

与气体实验定律、图像等结合考查，主要为选择题形式，难

度中等偏易.预计2025年高考可能会结合图像考查热力学定

律，要充分理解图像中各个拐点表示的意义，学会从图像中

获取信息，提升科学思维.

考点1热力学第一定律及能量守恒定律

1.改变物体内能的两种方式(1)[1]

；(2)热传递.做功2.热力学第一定律(1)内容：一个热力学系统的内能变化量等于外界向它传递的[2]

⁠与外界对它

所做的功的和.(2)表达式：ΔU＝[3]

⁠.(3)表达式中的正、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[4]

⁠内能[5]

⁠热量Q＋W

增加减少3.能量守恒定律(1)内容：能量既不会凭空[6]

⁠，也不会凭空消失，它只能从一种形式

[7]

为其他形式，或者从一个物体[8]

⁠到别的物体，在转化或转移的

过程中，能量的总量[9]

⁠.

能量守恒定律是自然界的普遍规律，某一种形式的能是否守恒是有条件的.(2)第一类永动机是不可能制成的，它违背了[10]

⁠.产生转化转移保持不变能量守恒定律

1.依据下面情境，判断下列说法对错.如图所示为第一类永动机的设计图，它违背了

能量守恒定律.第二类永动机违背了热力学第二定律，即从单一热源吸收的热量不可

能完全变成功而不产生其他影响.(1)物体吸收热量，同时对外做功，内能可能不变.

(

√

)(2)做功改变物体内能的过程是内能与其他形式的能相互转化的过程.

(

√

)(3)自由摆动的秋千摆动幅度越来越小，说明能量正在消失.

(✕)√√✕(4)热机中，燃气的内能可以全部变为机械能而不引起其他变化.

(✕)✕1.[2022山东]如图所示，内壁光滑的绝热汽缸内用绝热活塞封闭一定质量的理想气

体，初始时汽缸开口向上放置，活塞处于静止状态，将汽缸缓慢转动90°过程中，缸

内气体(

C

)A.内能增加，外界对气体做正功B.内能减小，所有分子热运动速率都减小C.温度降低，速率大的分子数占总分子数比例减少D.温度升高，速率大的分子数占总分子数比例增加C

方法点拨热力学第一定律的三种特殊情况特殊情况结论分析过程是绝热的Q＝0，W＝ΔU外界对物体做的功等于物

体内能的增加量过程中不做功W＝0，Q＝ΔU物体吸收的热量等于物体

内能的增加量过程的始、末状态物体的

内能不变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

热量考点2热力学第二定律

克劳修斯表述热量不能自发地从低温物体传到高温物体开尔文表述不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响.或

表述为“第二类永动机是不可能制成的”热现象的宏观过程都具有方向性说明：热量不可能自发

地从低温物体传到高温

物体，但在有外界影响

的条件下，热量可以从

低温物体传到高温物体

2.[多选]如图所示为电冰箱的工作原理示意图.压缩机工作时，强迫制冷剂在冰箱内

外的管道中不断循环.在蒸发器中制冷剂汽化吸收箱体内的热量，经过冷凝器时制冷

剂液化，放出热量到箱体外.下列说法正确的是(

BC

)A.热量可以自发地从冰箱内传到冰箱外B.电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界，是因为其消耗了电能C.电冰箱的工作原理不违反热力学第一定律D.电冰箱的工作原理违反热力学第二定律BC2.[多选]对于热力学第一定律和热力学第二定律的理解，下列说法正确的是

(

CD

)A.某新型热机工作时将从高温热源吸收的热量全部转化为功，而不产生其他影响B.凡与热现象有关的宏观过程都具有方向性，在热传递中，热量只能从高温物体传

递给低温物体，而不能从低温物体传递给高温物体C.第二类永动机违反了热力学第二定律，没有违反热力学第一定律D.热现象过程中不可避免地出现能量耗散现象，能量耗散符合热力学第二定律CD[解析]某新型热机工作时将从高温热源吸收的热量全部转化为功，必然产生其他

影响，否则违背热力学第二定律，选项A错误；通过做功的方式可以让热量从低温

物体传递给高温物体，如电冰箱，选项B错误；第二类永动机没有违反能量守恒定

律，热力学第一定律是能量守恒定律在热学中的反映，因此第二类永动机没有违反

热力学第一定律，不能制成是因为它违反了热力学第二定律，故选项C正确；能量

耗散过程体现了宏观自然过程的方向性，符合热力学第二定律，选项D正确.考点3热力学第一定律与气体实验定律的综合应用

命题点1与理想气体状态方程综合3.[2022辽宁]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的

关系图像如图所示，此过程中该系统(

A

)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A

命题点2与查理定律综合4.如图所示是某气压式柱形保温瓶的结构示意简图，现倒入热水，封闭活塞a，其

与液面间封闭一定质量的理想气体，此时瓶内气体温度为T1，压强为p0，经过一段

时间温度降为T2，忽略这一过程中气体体积的变化.(1)求温度降为T2时瓶内气体的压强p；

(2)封闭气体温度由T1降为T2过程中，其传递的热量为Q，则气体的内能如何变化？

求此变化量的大小ΔU.

[答案]内能减少ΔU＝Q[解析]封闭气体温度由T1下降到T2过程为等容变化过程，W＝0，温度降低，则气体内能减少，由热力学第一定律得W＋Q＝ΔU，解得ΔU＝Q.

命题点3与玻意耳定律综合5.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＝2kg、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，汽缸如图(a)所示竖直放置，平

衡时活塞与缸底相距l1＝8cm；客机在高度h处匀速飞行时，汽缸如图(b)所示水平放

置，平衡时活塞与缸底相距l2＝10cm.汽缸内气体可视为理想气体，机舱内温度可认

为不变.已知大气压强随高度的变化规律如图(c)所示，地面大气压强p0＝1.0×105

Pa，地面重力加速度g＝10m/s2.图(a)

图(b)图(c)(1)判断汽缸内气体由图(a)状态到图(b)状态的过程是吸热还是放热，并说明原因；[答案]吸热理由见解析[解析]根据热力学第一定律有ΔU＝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，因此气体由图(a)状态到图(b)状态吸热.

(2)求高度h处的大气压强，并根据图(c)估测出此时客机的飞行高度.[答案]

0.24×105Pa

1×104m

1.[查理定律＋热力学第一定律/2023天津]如图是爬山所带的氧气瓶，爬高过程

中，氧气瓶里的气体体积和质量均不变，温度降低，则气体(

B

)A.对外做功B.内能减少C.吸收热量D.压强不变[解析]爬高过程中，气体的体积保持不变，则气体对外不做功，A错误；爬高过程

中，气体温度降低，则气体的内能减少，B正确；根据热力学第一定律可知ΔU＝W

＋Q，又W＝0，ΔU＜0，则Q＜0，即气体放出热量，C错误；爬高过程中，气体的

体积不变，温度降低，根据查理定律p＝CT可知气体的压强减小，D错误.B12342.[T－V图像、理想气体状态方程、热力学第一定律/2022全国乙/多选]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(

ABD

)A.状态a处的压强大于状态c处的压强B.由a变化到b的过程中，气体对外做功C.由b变化到c的过程中，气体的压强不变D.由a变化到b的过程中，气体从外界吸热ABDE.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1234

12343.[热力学定律＋气体实验定律/2021海南/多选]如图，一定质量的理想气体从状态

a出发，经过等容过程到达状态b，再经过等温过程到达状态c，直线ac过原点.则气

体(

AC

)A.在状态c的压强等于在状态a的压强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a→b的过程中对外做功AC1234

12344.[气体实验定律＋热力学定律/2023浙江6月]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＝600

cm3.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.(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”)；不变增大[解析]气体从状态A到状态B发生等温压缩变化，其气体内能不变，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1234[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(2)求气体在状态C的温度TC；[答案]

350K

1234(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.1234123456789101.关于能量的转化，下列说法正确的是(

A

)A.摩擦生热的过程在任何情况下都是不可逆的B.空调既能制热又能制冷说明热传递不存在方向性C.第二类永动机不存在的原因是违背了能量守恒定律D.由于能量的转化过程符合守恒定律，所以不会发生能源危机A[解析]根据热力学第二定律可知，摩擦生热的过程在任何情况下都是不可逆的，A

正确；空调既能制热又能制冷，但是消耗电能，说明在不自发的条件下热传递方向

可以逆向，不违背热力学第二定律，B错误；第二类永动机不存在的原因是违背了

热力学第二定律，C错误；由于能量转移或转化是有方向性的，虽然能量守恒，但

是还会产生能源危机，D错误.123456789102.[2024福建宁德一中模拟]根据热力学定律，下列说法正确的是(

D

)A.热量既能自发地从高温物体传递到低温物体，也能自发地从低温物体传递到高温

物体B.一定质量的理想气体吸收了热量，则温度一定升高C.一定质量的理想气体，如果体积增大，就会对外做功，所以内能一定减少D.物体从单一热源吸收的热量可全部用于做功D12345678910[解析]根据热力学第二定律，热量能够自发地从高温物体传递到低温物体，但不

能自发地从低温物体传递到高温物体，故A错误；根据热力学第一定律ΔU＝W＋

Q，可知物体内能的改变是外界对物体做功与物体吸收的热量的和，所以气体吸收

热量，又对外做功时，气体的内能可能减少，温度不一定升高，故B错误；一定质

量的理想气体，如果压强不变，体积增大对外做功，根据理想气体状态方程可知，

温度一定升高，内能增加，故C错误；根据热力学第二定律可知，物体不可能从单

一热源吸收热量全部用于做功而不产生其他影响，也就是说在引起其他变化的情况

下，物体从单一热源吸收的热量可全部用于做功，故D正确.123456789103.[情境创新/2024湖北武汉部分学校调研]车辆减震装置中的囊式空气弹簧由橡胶

气囊和密闭在其中的压缩空气组成，当车辆剧烈颠簸时，气囊内的气体体积快速变

化，以降低车辆的振动幅度.若上述过程可视为绝热过程，气囊内的气体可视为理想

气体，在压缩气体的过程中，下列说法正确的是(

D

)A.气体温度保持不变B.每个气体分子的动能都增大C.气体分子对单位面积器壁的压力减小D.单位时间内单位面积上气体分子碰撞器壁的次数增多D12345678910[解析]由题意可知此过程为理想气体的绝热压缩过程，则Q＝0，W＞0，由热力学

第一定律ΔU＝Q＋W可知ΔU＞0，气体的温度升高，A错误；由于温度是分子平均

动能的标志，所以此过程中气体分子的平均动能增大，但并不是每个气体分子的动

能都增大，B错误；由于气体分子的平均动能增大，气体体积减小，所以单位时间

内单位面积上气体分子碰撞器壁的次数增多，气体分子对单位面积器壁的压力增

大，C错误，D正确.123456789104.[2022北京]如图所示，一定质量的理想气体从状态a开始，沿图示路径先后到达

状态b和c.下列说法正确的是(

D

)A.从a到b，气体温度保持不变B.从a到b，气体对外界做功C.从b到c，气体内能减少D.从b到c，气体从外界吸热[解析]

D123456789105.[2023湖南长沙摸底考试]如图所示，导热性能良好的汽缸内用活塞封闭着一定质

量的理想气体，汽缸固定不动.一条细线一端连接在活塞上，另一端跨过光滑的定滑

轮后连接在一个小桶上，开始时活塞静止.现不断向小桶中添加细砂，使活塞缓慢向

右移动(活塞始终未被拉出，汽缸周围环境温度不变).则在活塞移动的过程中，下列

说法正确的是(

C

)A.汽缸内气体分子的平均动能变大B.汽缸内气体的内能变小C.汽缸内气体的压强变小D.汽缸内气体向外界放热C12345678910[解析]

123456789106.[2024辽宁锦州模拟]一定质量的理想气体从状态A经过状态B变化到状态C，其V

－T图像如图所示.下列说法正确的是(

B

)A.A→B的过程中，气体对外界做功B.A→B的过程中，气体放出热量C.B→C的过程中，气体压强变小D.A→B→C的过程中，气体内能增加[解析]由图可知，A→B的过程中，气体的温度不变，内能不变，体积减小，外界

对气体做功，由热力学第一定律可知，气体放出热量，故A错误，B正确；B→C的

过程中，V－T图线的延长线过原点，则为等压变化，气体压强不变，故C错误；

A→B→C的过程中，气体温度先不变后降低，内能先不变后减少，故D错误.B12345678910

7.[2023山东/多选]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(

AD

)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400JAD12345678910

123456789108.[2023广东]在驻波声场的作用下，水中小气泡周围液体的压强会发生周期性变

化，使小气泡周期性膨胀和收缩，气泡内的气体可视为质量不变的理想气体，其膨

胀和收缩过程可简化为如图所示的p－V图像，气泡内气体先从压强为p0、体积为

V0、温度为T0的状态A等温膨胀到体积为5V0、压强为pB的状态B，然后从状态B绝热

收缩到体积为V0、压强为1.9p0、温度为TC的状态C，B到C的过程外界对气体做功为

W.

已知p0、V0、T0和W.

求：(1)pB的表达式；

[解析]由题意可知从状态A到状态B，气体发生等温变化，由玻意耳定律有p0V0＝pB·5V0

12345678910(2)TC的表达式；[答案]

TC＝1.9T0

解得TC＝1.9T012345678910(3)B到C的过程，气泡内气体内能的变化.[答案]内能增加了W[解析]

由题意可知从状态B到状态C，气体发生绝热收缩，Q＝0根据热力学第一定律有ΔU＝Q＋W＝W故B到C的过程，气泡内气体的内能增加了W.

123456789109.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

时气体到达状态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＝0.99×105

Pa，重力加速度g＝10m/s2，求气体(1)在状态B的温度；12345678910[