資源簡介

物理
第講　熱力學定律與能量守恒定律
(對應人教版選擇性必修第三冊相關內容及問題)
　第三章第1節[練習與應用]T3。
提示：溫度降低；溫度升高。因為氣體在絕熱膨脹時，雖然與外界無熱量交換，但氣體對外界做功，氣體內能減小，溫度降低；而氣體在絕熱壓縮時，雖然與外界無熱量交換，但外界對氣體做功，氣體內能增大，溫度升高。
　第三章第2節[思考與討論]。
提示：膨脹過程中是氣體對外界做功；－220 J；減少了。對熱力學第一定律ΔU＝Q＋W，系統內能增加時ΔU為正值，內能減小時ΔU為負值；系統吸熱時Q為正值，系統放熱時Q為負值；外界對系統做功時W取正值，系統對外界做功時W取負值。
　第三章第2節[練習與應用]T2。
提示：(1)Q1　第三章第4節閱讀“熱力學第二定律”這一部分內容。
　第三章第4節[練習與應用]T3。
提示：不可行。溫度反而會升高，因為有電能轉化為內能。
考點一　熱力學第一定律　能量守恒定律
一、熱力學第一定律
1．改變物體內能的兩種方式
(1)做功：當只有做功使物體的內能發生改變時，外界對物體做了多少功，物體內能就增加多少；物體對外界做了多少功，物體內能就減少多少。
(2)傳熱：當只有傳熱使物體的內能發生改變時，物體吸收了多少熱量，物體內能就增加多少；物體放出了多少熱量，物體內能就減少多少。
2．熱力學第一定律
(1)內容：一個熱力學系統的內能變化量等于外界向它傳遞的熱量與外界對它所做的功的和。
(2)表達式：ΔU＝Q＋W。
(3)ΔU＝Q＋W中物理量正、負號的意義
(
物理量
意義
符號
) W Q ΔU
＋ 外界對系統做功 系統吸收熱量 內能增加
－ 系統對外界做功 系統放出熱量 內能減少
二、能量守恒定律
1．能量守恒定律的內容：能量既不會憑空產生，也不會憑空消失，它只能從一種形式轉化為其他形式，或者從一個物體轉移到別的物體，在轉化或轉移的過程中，能量的總量保持不變。
2．能量守恒定律的普遍性：能量守恒定律是自然界的普遍規律，某一種形式的能是否守恒是有條件的，例如，機械能守恒定律具有適用條件，而能量守恒定律是無條件的，是一切自然現象都遵守的基本規律。
3．第一類永動機
不需要任何動力或燃料，卻能不斷地對外做功的機器。
違背能量守恒定律，因此不可能實現。
1．做功和傳熱的實質是相同的。(　　) 2．絕熱過程中，外界壓縮氣體做功20 J，氣體的內能一定減少20 J。(　　) 3．在給自行車打氣時，會發現打氣筒的溫度升高，這是因為外界對氣體做功。(　　) 4．自由擺動的秋千擺動幅度越來越小，能量正在消失。(　　) 5．利用河水的能量使船逆水航行的設想，符合能量守恒定律。(　　)
改變內能的兩種方式的比較
方式名稱 比較項目 做功 傳熱
區別 做功是其他形式的能與內能相互轉化的過程，能的性質發生了變化 不同系統間或同一系統不同部分之間內能的轉移，能的性質不變
相互聯系 做一定量的功或傳遞一定量的熱量在改變內能的效果上是相同的
例1　(人教版選擇性必修第三冊·第三章第2節[練習與應用]T1改編)用活塞壓縮汽缸里的空氣，對空氣做了900 J的功，同時汽缸向外散熱210 J，汽缸里空氣的內能(　　)
A．增加了1110 J B．減少了1110 J
C．增加了690 J D．減少了690 J
例2　(2025·天津市河西區高三上模擬)某汽車后備箱內安裝有撐起箱蓋的裝置，它主要由汽缸和活塞組成。開箱時，密閉于汽缸內的壓縮氣體膨脹，將箱蓋頂起，如圖所示。在此過程中，若缸內氣體與外界無熱交換，忽略氣體分子間相互作用，則缸內氣體(　　)
A．對外做正功，分子的平均動能減小
B．對外做正功，內能增大
C．對外做負功，分子的平均動能增大
D．對外做負功，內能減小
應用熱力學第一定律的三點注意 (1)做功情況看氣體的體積：體積增大，氣體對外做功，W為負；體積減小，外界對氣體做功，W為正。 (2)與外界絕熱，則不與外界發生傳熱，此時Q＝0。 (3)如果研究對象是理想氣體，由于理想氣體沒有分子勢能，所以當它的內能變化時，體現為分子平均動能的變化，從宏觀上看就是溫度發生了變化。
考點二　熱力學第二定律
1．克勞修斯表述
熱量不能自發地從低溫物體傳到高溫物體。
2．開爾文表述
不可能從單一熱庫吸收熱量，使之完全變成功，而不產生其他影響。或表述為“第二類永動機是不可能制成的。”
3．用熵的概念表示熱力學第二定律
在自發過程中，系統總是自發地向無序方向發展，即一個孤立系統的熵值總是不減少的。(熵增加原理)
4．第二類永動機
從單一熱庫吸收熱量并把它全部用來對外做功，而不產生其他影響的機器。
違背熱力學第二定律，不可能實現。
5．能源是有限的
(1)每天我們使用的能源最后都轉化成了內能，能源消耗使得周圍環境升溫。根據熱力學第二定律，分散在環境中的內能不能自動聚集起來驅動機器做功了。這樣的轉化過程叫作“能量耗散”。
(2)所謂能源，其實是指具有高品質的容易利用的儲能物質，例如石油、天然氣、煤等。能源的使用過程中雖然能的總量保持守恒，但能量的品質下降了。雖然能量總量不會減少，但能源會逐步減少，因此能源是有限的資源。
1．根據熱力學第二定律可知，凡與熱現象有關的宏觀過程都具有方向性，在熱傳導中熱量只能自發地從高溫物體傳遞給低溫物體，而不能自發地從低溫物體傳遞給高溫物體。(　　) 2．隨著技術不斷進步，熱機的效率可能達到100%。(　　) 3．對能源的過度消耗將使自然界的能量不斷減少，形成能源危機。(　　) 4．熱機中，燃氣的內能可以全部變為機械能而不引起其他變化。(　　)
熱力學第一、第二定律的比較
　 　定律名稱 比較項目 熱力學第一定律 熱力學第二定律
定律揭示的問題 從能量守恒的角度揭示了功、熱量和內能改變量三者的定量關系 指出一切與熱現象有關的宏觀自然過程都有特定的方向性
機械能和內能的轉化 通過做功機械能與內能互相轉化 內能不可能在不引起其他變化的情況下完全轉化為機械能
熱量的傳遞 內能的變化量等于外界做的功與吸收的熱量之和 說明熱量不能自發地從低溫物體傳向高溫物體
表述形式 只有一種表述形式 有多種表述形式
兩定律的關系 在熱力學中，兩者既相互獨立，又互為補充，共同構成了熱力學知識的理論基礎
例3　(人教版選擇性必修第三冊·第三章第4節[練習與應用]T2改編)(多選)下列現象中能夠發生的是(　　)
A．一杯熱茶在打開杯蓋后，茶會自動變得更熱
B．蒸汽機把蒸汽的內能全部轉化成機械能
C．桶中混濁的泥水在靜置一段時間后，泥沙下沉，上面的水變清，泥、水自動分離
D．電冰箱通電后把箱內低溫物體的熱量傳到箱外高溫物體
對熱力學第二定律的理解 (1)在熱力學第二定律的表述中，“自發地”“不產生其他影響”的含義： ①“自發地”指不需要借助外界提供能量的幫助，指明了傳熱等熱力學宏觀現象的方向性； ②“不產生其他影響”的含義是發生的熱力學宏觀過程只在本系統內完成，對周圍環境不產生熱力學方面的影響，如吸熱、放熱、做功等。 (2)熱力學第二定律的實質： 自然界中進行的涉及熱現象的宏觀過程都具有方向性。如： ①高溫物體低溫物體。 ②功熱。 ③氣體體積V1氣體體積V2(較大)。 ④不同氣體A和B混合氣體AB。
考點三　熱力學第一定律與氣體實驗定律的綜合應用
解答此類問題的基本流程
例4　(2024·重慶高考)某救生手環主要由高壓氣囊密閉一部分氣體組成。氣囊內氣體視為理想氣體。密閉氣囊與人一起上浮的過程中，若氣囊內氣體溫度不變，體積增大，則(　　)
A．外界對氣囊內氣體做正功 B．氣囊內氣體壓強增大
C．氣囊內氣體內能增大 D．氣囊內氣體從外界吸熱
例5　(2024·湖北高考)如圖所示，在豎直放置、開口向上的圓柱形容器內用質量為m的活塞密封一部分理想氣體，活塞橫截面積為S，能無摩擦地滑動。
初始時容器內氣體的溫度為T0，氣柱的高度為h。當容器內氣體從外界吸收一定熱量后，活塞緩慢上升h再次平衡。已知容器內氣體內能變化量ΔU與溫度變化量ΔT的關系式為ΔU＝CΔT，C為已知常數，大氣壓強恒為p0，重力加速度大小為g，所有溫度為熱力學溫度。求
(1)再次平衡時容器內氣體的溫度。
(2)此過程中容器內氣體吸收的熱量。
處理熱力學第一定律與氣體實驗定律的綜合問題的注意事項 (1)解決具體問題時，分清氣體的變化過程是求解問題的關鍵，根據不同的變化，找出相關的氣體狀態參量，利用相關規律解決。 (2)對理想氣體，壓強不變時，外界對氣體(或氣體對外界)做功W＝pΔV。
考點四　熱力學第一定律在圖像問題中的應用
用熱力學第一定律解決圖像問題的思路
(1)氣體的狀態變化可由圖像直接判斷或結合理想氣體狀態方程＝C分析。
(2)氣體的做功情況、內能變化及吸放熱關系可由熱力學第一定律分析。
(3)在p V圖像中，圖像與橫軸所圍圖形的面積表示氣體對外界或外界對氣體所做的功。
例6　(2022·遼寧高考)一定質量的理想氣體從狀態a變化到狀態b，其體積V和熱力學溫度T的關系圖像如圖所示，此過程中該系統(　　)
A．對外界做正功 B．壓強保持不變
C．向外界放熱 D．內能減少
例7　(2024·山東省泰安市高三下二模)一定質量的理想氣體由狀態a變為狀態c，其過程如p V圖中a→c直線段所示，狀態b對應該線段的中點。下列說法正確的是(　　)
A．a→c是等溫過程
B．a→c過程中氣體吸收的熱量為8p0V0
C．a→c過程中氣體吸收的熱量為4p0V0
D．a→c過程中氣體的溫度先降低再升高
課時作業
[A組　基礎鞏固練]
1．(多選)根據熱力學定律，下列說法正確的是(　　)
A．一切符合能量守恒定律的宏觀過程都能發生
B．科技的不斷進步使得人類有可能生產出單一熱源的熱機
C．盡管科技不斷進步，熱機的效率仍不能達到100%
D．能量耗散是從能量轉化的角度反映出自然界中的宏觀過程具有方向性
2．(2025·四川省內江市高三上零模)如圖，健身球是一個充滿氣體的大皮球，當人壓向健身球時，假設球內氣體為理想氣體且溫度不變，則在這個過程中(　　)
A．氣體分子的平均速率增大 B．外界對氣體做功
C．氣體從外界吸收熱量 D．氣體的壓強不變
3．(2024·北京高考)一個氣泡從恒溫水槽的底部緩慢上浮，將氣泡內的氣體視為理想氣體，且氣體分子個數不變，外界大氣壓不變。在上浮過程中氣泡內氣體(　　)
A．內能變大 B．壓強變大
C．體積不變 D．從水中吸熱
4．(2022·天津高考)(多選)采用渦輪增壓技術可提高汽車發動機效率。將渦輪增壓簡化為以下兩個過程，一定質量的理想氣體首先經過絕熱過程被壓縮，然后經過等壓過程回到初始溫度，則(　　)
A．絕熱過程中，氣體分子平均動能增加
B．絕熱過程中，外界對氣體做負功
C．等壓過程中，外界對氣體做正功
D．等壓過程中，氣體內能不變
5．(2024·江蘇省蘇錫常鎮高三下三模)如圖所示，一用鎖釘鎖定的導熱活塞將導熱汽缸分成體積相等的左、右兩室，開始時氣體壓強之比為5∶3，拔出鎖釘后，活塞移動并最終保持穩定狀態，外界溫度恒定，汽缸內氣體均可視為理想氣體。則下列說法正確的是(　　)
A．右室氣體吸熱 B．左室氣體吸熱
C．右室氣體對左室氣體做正功 D．左室氣體分子平均速率變大
6．一定質量的理想氣體，狀態變化依次經歷從a→b，再從b→c的過程，其壓強和體積的關系如圖所示，根據p 圖像，下列說法正確的是(　　)
A．a→b過程，氣體溫度升高，放熱
B．a→b過程，氣體溫度降低，放熱
C．b→c過程，氣體溫度不變，放熱
D．b→c過程，氣體溫度不變，吸熱
7．如圖甲所示，在豎直放置的圓柱形容器內用橫截面積S＝100 cm2的質量不計且光滑的活塞密封一定質量的氣體，活塞上靜止一質量為m的重物。圖乙是密閉氣體從狀態A變化到狀態B的V T圖像，密閉氣體在A點的壓強pA＝1．03×105 Pa，從狀態A變化到狀態B的過程中吸收熱量Q＝500 J。已知外界大氣壓強p0＝1．01×105 Pa，下列說法正確的是(　　)
A．重物質量m＝1 kg
B．氣體在狀態B時的體積為8．0×10－2 m3
C．從狀態A變化到狀態B的過程，氣體對外界做功202 J
D．從狀態A變化到狀態B的過程，氣體的內能增加294 J
8．(2024·新課標卷)(多選)如圖，一定量理想氣體的循環由下面4個過程組成：1→2為絕熱過程(過程中氣體不與外界交換熱量)，2→3為等壓過程，3→4為絕熱過程，4→1為等容過程。上述四個過程是四沖程柴油機工作循環的主要過程。下列說法正確的是(　　)
A．1→2過程中，氣體內能增加
B．2→3過程中，氣體向外放熱
C．3→4過程中，氣體內能不變
D．4→1過程中，氣體向外放熱
[B組　綜合提升練]
9．(2025·八省聯考陜西卷)(多選)如圖，用絕熱材料制成的密閉容器被隔板K分成Ⅰ、Ⅱ兩部分，一定量的某理想氣體處于Ⅰ中，Ⅱ內為真空。抽取隔板K，氣體進入Ⅱ中，最終整個容器均勻地分布了這種氣體。則此過程，該氣體系統(　　)
A．對外做功，體積膨脹
B．對外不做功，最終壓強減小
C．內能減少，最終溫度降低
D．無序度變大
10．(2024·河北高考)(多選)如圖，水平放置的密閉絕熱汽缸被導熱活塞分成左右兩部分，左側封閉一定質量的理想氣體，右側為真空，活塞與汽缸右壁中央用一根輕質彈簧水平連接。汽缸內壁光滑且水平長度大于彈簧自然長度，彈簧的形變始終在彈性限度內且體積忽略不計。活塞初始時靜止在汽缸正中間，后因活塞密封不嚴發生緩慢移動，活塞重新靜止后(　　)
A．彈簧恢復至自然長度
B．活塞兩側氣體質量相等
C．與初始時相比，汽缸內氣體的內能增加
D．與初始時相比，活塞左側單位體積內氣體分子數減少
11．(2023·山東高考)(多選)一定質量的理想氣體，初始溫度為300 K，壓強為1×105 Pa。經等容過程，該氣體吸收400 J的熱量后溫度上升100 K；若經等壓過程，需要吸收600 J的熱量才能使氣體溫度上升100 K。下列說法正確的是(　　)
A．初始狀態下，氣體的體積為6 L
B．等壓過程中，氣體對外做功400 J
C．等壓過程中，氣體體積增加了原體積的
D．兩個過程中，氣體的內能增加量都為400 J
12．(2024·貴州高考)制作水火箭是青少年科技活動的常見項目之一。某研究小組為了探究水火箭在充氣與噴水過程中氣體的熱學規律，把水火箭的塑料容器豎直固定，其中A、C分別是塑料容器的充氣口、噴水口，B是氣壓計，如圖a所示。在室溫環境下，容器內裝入一定質量的水，此時容器內的氣體體積為V0，壓強為p0，現緩慢充氣后壓強變為4p0，不計容器的容積變化。
(1)設充氣過程中氣體溫度不變，求充入的氣體在該室溫環境下壓強為p0時的體積。
(2)打開噴水口閥門，噴出一部分水后關閉閥門，容器內氣體從狀態M變化到狀態N，其壓強p與體積V的變化關系如圖b中實線所示，已知氣體在狀態N時的體積為V1，壓強為p1，求氣體在狀態N與狀態M時的熱力學溫度之比。
(3)圖b中虛線MN′是容器內氣體在絕熱(既不吸熱也不放熱)條件下壓強p與體積V的變化關系圖線，試判斷氣體在圖b中沿實線從M到N的過程是吸熱還是放熱。(不需要說明理由)
[C組　拔尖培優練]
13．(2023·新課標卷)(多選)如圖，一封閉著理想氣體的絕熱汽缸置于水平地面上，用輕彈簧連接的兩絕熱活塞將汽缸分為f、g、h三部分，活塞與汽缸壁間沒有摩擦。初始時彈簧處于原長，三部分中氣體的溫度、體積、壓強均相等。現通過電阻絲對f中的氣體緩慢加熱，停止加熱并達到穩定后(　　)
A．h中的氣體內能增加 B．f與g中的氣體溫度相等
C．f與h中的氣體溫度相等 D．f與h中的氣體壓強相等
(答案及解析)
1．做功和傳熱的實質是相同的。(　　) 2．絕熱過程中，外界壓縮氣體做功20 J，氣體的內能一定減少20 J。(　　) 3．在給自行車打氣時，會發現打氣筒的溫度升高，這是因為外界對氣體做功。(　　) 4．自由擺動的秋千擺動幅度越來越小，能量正在消失。(　　) 5．利用河水的能量使船逆水航行的設想，符合能量守恒定律。(　　) 答案：1．×　2．×　3．√　4．×　5．√
例1　(人教版選擇性必修第三冊·第三章第2節[練習與應用]T1改編)用活塞壓縮汽缸里的空氣，對空氣做了900 J的功，同時汽缸向外散熱210 J，汽缸里空氣的內能(　　)
A．增加了1110 J B．減少了1110 J
C．增加了690 J D．減少了690 J
[答案]　C
[解析]　由熱力學第一定律ΔU＝W＋Q，得ΔU＝900 J－210 J＝690 J，即內能增加690 J，C正確。
例2　(2025·天津市河西區高三上模擬)某汽車后備箱內安裝有撐起箱蓋的裝置，它主要由汽缸和活塞組成。開箱時，密閉于汽缸內的壓縮氣體膨脹，將箱蓋頂起，如圖所示。在此過程中，若缸內氣體與外界無熱交換，忽略氣體分子間相互作用，則缸內氣體(　　)
A．對外做正功，分子的平均動能減小
B．對外做正功，內能增大
C．對外做負功，分子的平均動能增大
D．對外做負功，內能減小
[答案]　A
[解析]　密閉于汽缸內的壓縮氣體膨脹對外做正功，即外界對缸內氣體做負功，可知W<0，且缸內氣體與外界無熱交換，可知Q＝0，根據熱力學第一定律ΔU＝W＋Q，可知缸內氣體的內能增加量ΔU＜0，即內能減小，又忽略氣體分子間相互作用，則氣體分子勢能可忽略，氣體內能等于氣體分子的動能，可知分子的平均動能減小，故A正確，B、C、D錯誤。
1．根據熱力學第二定律可知，凡與熱現象有關的宏觀過程都具有方向性，在熱傳導中熱量只能自發地從高溫物體傳遞給低溫物體，而不能自發地從低溫物體傳遞給高溫物體。(　　) 2．隨著技術不斷進步，熱機的效率可能達到100%。(　　) 3．對能源的過度消耗將使自然界的能量不斷減少，形成能源危機。(　　) 4．熱機中，燃氣的內能可以全部變為機械能而不引起其他變化。(　　) 答案：1．√　2．×　3．×　4．×
例3　(人教版選擇性必修第三冊·第三章第4節[練習與應用]T2改編)(多選)下列現象中能夠發生的是(　　)
A．一杯熱茶在打開杯蓋后，茶會自動變得更熱
B．蒸汽機把蒸汽的內能全部轉化成機械能
C．桶中混濁的泥水在靜置一段時間后，泥沙下沉，上面的水變清，泥、水自動分離
D．電冰箱通電后把箱內低溫物體的熱量傳到箱外高溫物體
[答案]　CD
[解析]　熱量只會自發地從高溫物體傳到低溫物體，而不會自發地從低溫物體傳到高溫物體，故A錯誤；機械能可以完全轉化為內能，而內能卻不能完全轉化為機械能，故B錯誤；桶中混濁的泥水在靜置一段時間后，泥沙下沉，上面的水變清，泥、水自動分離是因為泥沙的密度大于水，故可以分離，C正確；電冰箱通電后由于壓縮機做功從而將箱內低溫物體的熱量傳到箱外的高溫物體，故D正確。
例4　(2024·重慶高考)某救生手環主要由高壓氣囊密閉一部分氣體組成。氣囊內氣體視為理想氣體。密閉氣囊與人一起上浮的過程中，若氣囊內氣體溫度不變，體積增大，則(　　)
A．外界對氣囊內氣體做正功 B．氣囊內氣體壓強增大
C．氣囊內氣體內能增大 D．氣囊內氣體從外界吸熱
[答案]　D
[解析]　密閉氣囊與人一起上浮的過程中，氣囊內氣體體積變大，則外界對氣囊內氣體做負功，W<0，A錯誤；氣囊內氣體溫度不變，體積變大，由玻意耳定律可知，氣囊內氣體壓強變小，故B錯誤；氣囊內氣體溫度不變，則內能不變，ΔU＝0，根據熱力學第一定律ΔU＝Q＋W，可知Q>0，即氣囊內氣體從外界吸熱，故C錯誤，D正確。
例5　(2024·湖北高考)如圖所示，在豎直放置、開口向上的圓柱形容器內用質量為m的活塞密封一部分理想氣體，活塞橫截面積為S，能無摩擦地滑動。
初始時容器內氣體的溫度為T0，氣柱的高度為h。當容器內氣體從外界吸收一定熱量后，活塞緩慢上升h再次平衡。已知容器內氣體內能變化量ΔU與溫度變化量ΔT的關系式為ΔU＝CΔT，C為已知常數，大氣壓強恒為p0，重力加速度大小為g，所有溫度為熱力學溫度。求
(1)再次平衡時容器內氣體的溫度。
(2)此過程中容器內氣體吸收的熱量。
[答案]　(1)T0　(2)h(p0S＋mg)＋CT0
[解析]　(1)活塞緩慢上升h的過程，容器內氣體發生等壓變化，容器內氣體初狀態體積為V0＝hS
末狀態體積為V1＝S
設再次平衡時容器內氣體的溫度為T1，由蓋—呂薩克定律得＝
聯立解得T1＝T0。
(2)此過程中容器內氣體溫度的變化量
ΔT＝T1－T0
內能的變化量ΔU＝CΔT
設此過程中容器內氣體的壓強為p，則此過程中外界對氣體做的功W＝－pS·h
對活塞由平衡條件有pS＝p0S＋mg
設此過程中容器內氣體吸收的熱量為Q，由熱力學第一定律有ΔU＝Q＋W
聯立解得Q＝h(p0S＋mg)＋CT0。
例6　(2022·遼寧高考)一定質量的理想氣體從狀態a變化到狀態b，其體積V和熱力學溫度T的關系圖像如圖所示，此過程中該系統(　　)
A．對外界做正功 B．壓強保持不變
C．向外界放熱 D．內能減少
[答案]　A
[解析]　由題圖可知，理想氣體從狀態a變化到狀態b，體積增大，則該系統對外界做正功，A正確；根據理想氣體的狀態方程＝C，可得V＝·T，則V T圖像上的點與原點連線的斜率k＝，從a到b的過程k減小，則該過程中壓強p增大，B錯誤；理想氣體的內能只與其溫度有關，故理想氣體從狀態a變化到狀態b，溫度升高，內能增大，D錯誤；由A、D兩項分析可知，理想氣體從狀態a變化到狀態b，對外界做正功且內能增大，則根據熱力學第一定律可知，該系統從外界吸收熱量，C錯誤。
例7　(2024·山東省泰安市高三下二模)一定質量的理想氣體由狀態a變為狀態c，其過程如p V圖中a→c直線段所示，狀態b對應該線段的中點。下列說法正確的是(　　)
A．a→c是等溫過程
B．a→c過程中氣體吸收的熱量為8p0V0
C．a→c過程中氣體吸收的熱量為4p0V0
D．a→c過程中氣體的溫度先降低再升高
[答案]　C
[解析]　根據理想氣體的狀態方程有＝C，整理得pV＝CT，可知p V圖像中圖線上某點的橫、縱坐標值的乘積與該點所對應的溫度成正比，a→c過程中橫、縱坐標的乘積先增大后減小，a狀態和c狀態的乘積相等，且b狀態的乘積最大，可知a→c過程中氣體的溫度先升高后降低，且b狀態的溫度最高，A、D錯誤；氣體在a狀態和c狀態的溫度相等，則內能相等，又此過程氣體體積增大，則對外做功，根據熱力學第一定律可知氣體吸收熱量，且氣體吸收的熱量等于氣體對外界做的功，又p V圖線與V軸圍成的面積表示氣體對外界做的功的大小，則有Q＝|W|＝＝4p0V0，B錯誤，C正確。
課時作業
[A組　基礎鞏固練]
1．(多選)根據熱力學定律，下列說法正確的是(　　)
A．一切符合能量守恒定律的宏觀過程都能發生
B．科技的不斷進步使得人類有可能生產出單一熱源的熱機
C．盡管科技不斷進步，熱機的效率仍不能達到100%
D．能量耗散是從能量轉化的角度反映出自然界中的宏觀過程具有方向性
答案：CD
解析：熱運動的宏觀過程具有一定的方向性，符合能量守恒定律的宏觀過程并不一定能夠發生，故A錯誤；根據熱力學第二定律的開爾文表述，熱機從一個熱庫吸熱，一定會向另一個熱庫放熱，即不可能生產出單一熱源的熱機，故B錯誤；根據熱力學第二定律，即使沒有漏氣、摩擦、不必要的散熱等損失，熱機也不可能把燃料產生的內能全部轉化為機械能，即效率達不到100%，故C正確；能量耗散是從能量轉化的角度反映出自然界中的宏觀過程具有方向性，故D正確。
2．(2025·四川省內江市高三上零模)如圖，健身球是一個充滿氣體的大皮球，當人壓向健身球時，假設球內氣體為理想氣體且溫度不變，則在這個過程中(　　)
A．氣體分子的平均速率增大 B．外界對氣體做功
C．氣體從外界吸收熱量 D．氣體的壓強不變
答案：B
解析：氣體溫度不變，則氣體分子的平均速率不變，故A錯誤；理想氣體的內能只與其溫度有關，氣體的溫度不變，則其內能不變，由題意可知該過程中球內氣體體積減小，則外界對氣體做功，由熱力學第一定律可知，氣體要向外放出熱量，故B正確，C錯誤；根據理想氣體狀態方程＝C可知，氣體的溫度不變，體積減小，則壓強增大，故D錯誤。
3．(2024·北京高考)一個氣泡從恒溫水槽的底部緩慢上浮，將氣泡內的氣體視為理想氣體，且氣體分子個數不變，外界大氣壓不變。在上浮過程中氣泡內氣體(　　)
A．內能變大 B．壓強變大
C．體積不變 D．從水中吸熱
答案：D
解析：氣泡內的氣體可視為理想氣體，則其內能只與溫度有關，在上浮過程中氣泡內氣體的溫度不變，則其內能不變，故A錯誤；氣泡內氣體壓強p＝p0＋ρ水gh，在上浮過程中，氣泡距離水面的高度h減小，且外界大氣壓p0不變，則氣泡內氣體壓強減小，故B錯誤；在上浮過程中氣泡內氣體的溫度不變，壓強減小，由玻意耳定律pV＝C知，氣泡內氣體體積變大，故C錯誤；在上浮過程中氣泡內氣體體積變大，則氣體對外做功，W<0，又由A項分析知ΔU＝0，由熱力學第一定律ΔU＝Q＋W知，Q>0，即氣泡內氣體從水中吸熱，故D正確。
4．(2022·天津高考)(多選)采用渦輪增壓技術可提高汽車發動機效率。將渦輪增壓簡化為以下兩個過程，一定質量的理想氣體首先經過絕熱過程被壓縮，然后經過等壓過程回到初始溫度，則(　　)
A．絕熱過程中，氣體分子平均動能增加
B．絕熱過程中，外界對氣體做負功
C．等壓過程中，外界對氣體做正功
D．等壓過程中，氣體內能不變
答案：AC
解析：該理想氣體經過絕熱過程被壓縮，氣體體積減小，外界對氣體做正功，即Q＝0，W>0，根據熱力學第一定律ΔU＝W＋Q可知，氣體內能增加，則氣體溫度升高，氣體分子平均動能增加，故A正確，B錯誤；該理想氣體經過等壓過程回到初始溫度，結合A、B兩項中分析可知，該過程氣體溫度降低，氣體內能減少，根據蓋—呂薩克定律可知，氣體體積減小，則外界對氣體做正功，故C正確，D錯誤。
5．(2024·江蘇省蘇錫常鎮高三下三模)如圖所示，一用鎖釘鎖定的導熱活塞將導熱汽缸分成體積相等的左、右兩室，開始時氣體壓強之比為5∶3，拔出鎖釘后，活塞移動并最終保持穩定狀態，外界溫度恒定，汽缸內氣體均可視為理想氣體。則下列說法正確的是(　　)
A．右室氣體吸熱 B．左室氣體吸熱
C．右室氣體對左室氣體做正功 D．左室氣體分子平均速率變大
答案：B
解析：因為左室氣體的壓強大，右室氣體的壓強小，拔出鎖釘后，活塞向右移動，左室氣體體積增大，右室氣體體積減小，左室氣體對右室氣體做正功，而汽缸導熱且外界溫度恒定，故缸內氣體的溫度保持不變，即左、右兩室氣體的內能均不變，根據熱力學第一定律可知，左室氣體吸收熱量，右室氣體放出熱量，故B正確，A、C錯誤；左室氣體溫度不變，故分子的平均動能不變，分子平均速率不變，D錯誤。
6．一定質量的理想氣體，狀態變化依次經歷從a→b，再從b→c的過程，其壓強和體積的關系如圖所示，根據p 圖像，下列說法正確的是(　　)
A．a→b過程，氣體溫度升高，放熱
B．a→b過程，氣體溫度降低，放熱
C．b→c過程，氣體溫度不變，放熱
D．b→c過程，氣體溫度不變，吸熱
答案：C
解析：根據題圖可知，該理想氣體從狀態a→b過程為等容變化，壓強p增大，根據查理定律＝C可知，氣體溫度升高，則內能增大，因氣體不做功，再根據熱力學第一定律ΔU＝Q＋W可知，氣體吸熱，故A、B錯誤；該理想氣體從b→c過程為等溫變化，溫度不變，內能不變，體積減小，則外界對氣體做功，根據熱力學第一定律ΔU＝Q＋W可知，氣體放熱，故C正確，D錯誤。
7．如圖甲所示，在豎直放置的圓柱形容器內用橫截面積S＝100 cm2的質量不計且光滑的活塞密封一定質量的氣體，活塞上靜止一質量為m的重物。圖乙是密閉氣體從狀態A變化到狀態B的V T圖像，密閉氣體在A點的壓強pA＝1．03×105 Pa，從狀態A變化到狀態B的過程中吸收熱量Q＝500 J。已知外界大氣壓強p0＝1．01×105 Pa，下列說法正確的是(　　)
A．重物質量m＝1 kg
B．氣體在狀態B時的體積為8．0×10－2 m3
C．從狀態A變化到狀態B的過程，氣體對外界做功202 J
D．從狀態A變化到狀態B的過程，氣體的內能增加294 J
答案：D
解析：在狀態A，對重物和活塞整體根據平衡條件有mg＋p0S＝pAS，解得m＝2 kg，故A錯誤；根據題圖乙可知＝，即氣體做等壓變化，解得VB＝8．0×10－3 m3，故B錯誤；從狀態A變化到狀態B的過程，氣體對外界做功W＝pA(VB－VA)＝206 J，故C錯誤；根據熱力學第一定律可知，從狀態A變化到狀態B的過程，氣體的內能增加ΔU＝Q－W＝294 J，故D正確。
8．(2024·新課標卷)(多選)如圖，一定量理想氣體的循環由下面4個過程組成：1→2為絕熱過程(過程中氣體不與外界交換熱量)，2→3為等壓過程，3→4為絕熱過程，4→1為等容過程。上述四個過程是四沖程柴油機工作循環的主要過程。下列說法正確的是(　　)
A．1→2過程中，氣體內能增加
B．2→3過程中，氣體向外放熱
C．3→4過程中，氣體內能不變
D．4→1過程中，氣體向外放熱
答案：AD
解析：1→2過程為絕熱過程，Q＝0，由題圖可知，氣體體積減小，外界對氣體做功，W>0，根據熱力學第一定律ΔU＝Q＋W可知ΔU>0，即氣體內能增加，故A正確；2→3過程為等壓過程，根據蓋—呂薩克定律＝C可知，氣體體積增大時氣體溫度升高，則氣體內能增大，ΔU>0，此過程氣體體積增大，氣體對外界做功，W<0，根據熱力學第一定律ΔU＝Q＋W可知Q>0，即氣體吸收熱量，故B錯誤；3→4過程為絕熱過程，Q＝0，此過程氣體體積增大，氣體對外界做功，W<0，根據熱力學第一定律ΔU＝Q＋W可知ΔU<0，即氣體內能減小，故C錯誤；4→1過程為等容過程，根據查理定律＝C可知，氣體壓強減小時氣體溫度降低，故氣體內能減小，ΔU<0，氣體體積不變，則W＝0，根據熱力學第一定律ΔU＝Q＋W可知Q<0，即氣體向外放熱，故D正確。
[B組　綜合提升練]
9．(2025·八省聯考陜西卷)(多選)如圖，用絕熱材料制成的密閉容器被隔板K分成Ⅰ、Ⅱ兩部分，一定量的某理想氣體處于Ⅰ中，Ⅱ內為真空。抽取隔板K，氣體進入Ⅱ中，最終整個容器均勻地分布了這種氣體。則此過程，該氣體系統(　　)
A．對外做功，體積膨脹
B．對外不做功，最終壓強減小
C．內能減少，最終溫度降低
D．無序度變大
答案：BD
解析：此過程中容器內氣體自由膨脹，其無序度變大，D正確；絕熱容器內的氣體與外界沒有熱交換，則Q＝0，氣體向真空擴散，沒有對外界做功，則W＝0，根據熱力學第一定律ΔU＝Q＋W可知，理想氣體的內能不變，溫度不變，氣體體積變大，根據理想氣體狀態方程＝C可知，壓強減小，故A、C錯誤，B正確。
10．(2024·河北高考)(多選)如圖，水平放置的密閉絕熱汽缸被導熱活塞分成左右兩部分，左側封閉一定質量的理想氣體，右側為真空，活塞與汽缸右壁中央用一根輕質彈簧水平連接。汽缸內壁光滑且水平長度大于彈簧自然長度，彈簧的形變始終在彈性限度內且體積忽略不計。活塞初始時靜止在汽缸正中間，后因活塞密封不嚴發生緩慢移動，活塞重新靜止后(　　)
A．彈簧恢復至自然長度
B．活塞兩側氣體質量相等
C．與初始時相比，汽缸內氣體的內能增加
D．與初始時相比，活塞左側單位體積內氣體分子數減少
答案：ACD
解析：初始狀態活塞受到左側氣體向右的壓力和彈簧向左的彈力處于平衡狀態，彈簧處于壓縮狀態，因活塞密封不嚴，左側氣體向右側真空漏出，左側氣體對活塞向右的壓力變小，右側有氣體漏入，對活塞產生向左的壓力且逐漸增大，則活塞逐漸向左移動，彈簧彈力減小，直到左、右兩側氣體壓強相等時，彈簧彈力減小到0，活塞重新靜止，這時彈簧恢復原長，故A正確；由題知，初始時活塞靜止在汽缸正中間，由于活塞向左移動，則最終兩側氣體壓強相等時，左側氣體體積小于右側氣體體積，又因為兩部分氣體的密度相同，則活塞重新靜止后左側氣體質量小于右側氣體質量，故B錯誤；密閉的汽缸絕熱，與外界沒有能量交換，彈簧彈性勢能減少，由能量守恒定律可知，汽缸內氣體內能增加，故C正確；初始時氣體全部在活塞左側，體積為汽缸容積的一半，最終氣體充滿整個汽缸，則與初始時相比，活塞左側單位體積內氣體分子數減少，故D正確。
11．(2023·山東高考)(多選)一定質量的理想氣體，初始溫度為300 K，壓強為1×105 Pa。經等容過程，該氣體吸收400 J的熱量后溫度上升100 K；若經等壓過程，需要吸收600 J的熱量才能使氣體溫度上升100 K。下列說法正確的是(　　)
A．初始狀態下，氣體的體積為6 L
B．等壓過程中，氣體對外做功400 J
C．等壓過程中，氣體體積增加了原體積的
D．兩個過程中，氣體的內能增加量都為400 J
答案：AD
解析：初始狀態下，氣體的溫度為T0＝300 K，壓強為p0＝1×105 Pa，設體積為V0，經等壓過程，氣體溫度變為T＝400 K，由蓋—呂薩克定律有＝，解得氣體體積變為V＝V0，即氣體體積增加了原體積的，C錯誤；等容過程中，氣體做功W1＝0，吸收熱量Q1＝400 J，由熱力學第一定律得ΔU＝W1＋Q1＝400 J，兩個過程末狀態的溫度相同，則內能變化相同，因此兩個過程中，氣體的內能增加量都為400 J，D正確；等壓過程內能增加了400 J，吸收熱量為600 J，由熱力學第一定律可知氣體對外做功為200 J，即p0＝200 J，解得V0＝6 L，A正確，B錯誤。
12．(2024·貴州高考)制作水火箭是青少年科技活動的常見項目之一。某研究小組為了探究水火箭在充氣與噴水過程中氣體的熱學規律，把水火箭的塑料容器豎直固定，其中A、C分別是塑料容器的充氣口、噴水口，B是氣壓計，如圖a所示。在室溫環境下，容器內裝入一定質量的水，此時容器內的氣體體積為V0，壓強為p0，現緩慢充氣后壓強變為4p0，不計容器的容積變化。
(1)設充氣過程中氣體溫度不變，求充入的氣體在該室溫環境下壓強為p0時的體積。
(2)打開噴水口閥門，噴出一部分水后關閉閥門，容器內氣體從狀態M變化到狀態N，其壓強p與體積V的變化關系如圖b中實線所示，已知氣體在狀態N時的體積為V1，壓強為p1，求氣體在狀態N與狀態M時的熱力學溫度之比。
(3)圖b中虛線MN′是容器內氣體在絕熱(既不吸熱也不放熱)條件下壓強p與體積V的變化關系圖線，試判斷氣體在圖b中沿實線從M到N的過程是吸熱還是放熱。(不需要說明理由)
答案：(1)3V0　(2)　(3)吸熱
解析：(1)設充入的氣體在該室溫環境下壓強為p0時的體積為V，充氣過程中氣體溫度不變，以充入的氣體和容器內原有氣體整體為研究對象，由玻意耳定律有p0(V0＋V)＝4p0V0
解得V＝3V0。
(2)設氣體在狀態M時的熱力學溫度為TM，在狀態N時的熱力學溫度為TN，容器內氣體從狀態M變化到狀態N，由理想氣體的狀態方程可得＝
解得＝。
(3)從M到N的過程和從M到N′的過程，氣體體積均增大，則外界均對氣體做負功，即WMN<0，WMN′<0
因p V圖像中圖線與V坐標軸所圍面積表示氣體做功的大小，則|WMN|>|WMN′|
N狀態與N′狀態的體積相同，壓強pN>pN′，由查理定律知TN>TN′，則內能UN>UN′
內能變化量
ΔUMN＝UN－UM，ΔUMN′＝UN′－UM，
則ΔUMN>ΔUMN′①
從M到N′的過程，既不吸熱也不放熱，即QMN′＝0，由熱力學第一定律有
ΔUMN′＝QMN′＋WMN′，則ΔUMN′＝WMN′②
從M到N的過程，由熱力學第一定律有
ΔUMN＝QMN＋WMN③
由①②③得QMN＋WMN>WMN′，故QMN>WMN′－WMN＝－|WMN′|－(－|WMN|)＝|WMN|－|WMN′|>0
即從M到N的過程氣體吸熱。
[C組　拔尖培優練]
13．(2023·新課標卷)(多選)如圖，一封閉著理想氣體的絕熱汽缸置于水平地面上，用輕彈簧連接的兩絕熱活塞將汽缸分為f、g、h三部分，活塞與汽缸壁間沒有摩擦。初始時彈簧處于原長，三部分中氣體的溫度、體積、壓強均相等。現通過電阻絲對f中的氣體緩慢加熱，停止加熱并達到穩定后(　　)
A．h中的氣體內能增加 B．f與g中的氣體溫度相等
C．f與h中的氣體溫度相等 D．f與h中的氣體壓強相等
答案：AD
解析：當通過電阻絲對f中的氣體緩慢加熱時，f中的氣體溫度升高，壓強增大，會緩慢推動左邊活塞向右壓縮彈簧，則彈簧對右邊活塞有彈力作用，緩慢向右推動右邊活塞，故右邊活塞對h中的氣體做正功，而汽缸和活塞絕熱，由熱力學第一定律可知，h中的氣體內能增加，A正確；停止加熱并達到穩定后，對g中的氣體、兩活塞和彈簧組成的整體由平衡條件可知pf＝ph，設加熱前三部分中氣體的溫度、體積、壓強均分別為T0、V0、p0，由理想氣體狀態方程有＝，＝，由A項分析知Vf>V0、VhTh，C錯誤，D正確；停止加熱并達到穩定后，假設彈簧處于原長，則g中氣體體積不變，氣體不做功，而汽缸和活塞絕熱，由熱力學第一定律可知，g中氣體內能不變，則溫度不變，由理想氣體狀態方程可知，g中氣體壓強不變，而對h中氣體分析知Th>T0、Vhp0，會推動右側活塞壓縮彈簧，同理pf＝ph>p0，會推動左側活塞壓縮彈簧，可知實際VgTg，B錯誤。
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第十五章　熱學
第4講　熱力學定律與能量守恒定律
目錄
1
2
3
教材閱讀指導
考點一　熱力學第一定律　能量守恒定律
考點二　熱力學第二定律
考點三　熱力學第一定律與氣體實驗定律的綜合應用
考點四　熱力學第一定律在圖像問題中的應用
課時作業
4
5
6
教材閱讀指導
(對應人教版選擇性必修第三冊相關內容及問題)
　　第三章第1節[練習與應用]T3。
　　第三章第2節[思考與討論]。
提示：溫度降低；溫度升高。因為氣體在絕熱膨脹時，雖然與外界無熱量交換，但氣體對外界做功，氣體內能減小，溫度降低；而氣體在絕熱壓縮時，雖然與外界無熱量交換，但外界對氣體做功，氣體內能增大，溫度升高。
提示：膨脹過程中是氣體對外界做功；－220 J；減少了。對熱力學第一定律ΔU＝Q＋W，系統內能增加時ΔU為正值，內能減小時ΔU為負值；系統吸熱時Q為正值，系統放熱時Q為負值；外界對系統做功時W取正值，系統對外界做功時W取負值。
　　第三章第2節[練習與應用]T2。
　　第三章第4節閱讀“熱力學第二定律”這一部分內容。
　　第三章第4節[練習與應用]T3。
提示：(1)Q1提示：不可行。溫度反而會升高，因為有電能轉化為內能。
考點一　熱力學第一定律　能量守恒定律
一、熱力學第一定律
1．改變物體內能的兩種方式
(1)做功：當只有做功使物體的內能發生改變時，外界對物體做了多少功，物體內能就增加多少；物體對外界做了多少功，物體內能就減少多少。
(2)傳熱：當只有傳熱使物體的內能發生改變時，物體吸收了多少熱量，物體內能就增加多少；物體放出了多少熱量，物體內能就減少多少。
2．熱力學第一定律
(1)內容：一個熱力學系統的內能變化量等于外界向它傳遞的_____與外界對它所做的功的和。
(2)表達式：ΔU＝________。
Q＋W
熱量
W Q ΔU
＋ 外界對系統做功 系統____熱量 內能______
－ 系統對外界做功 系統____熱量 內能_____
吸收
物理量
意義
符號
增加
放出
減少
二、能量守恒定律
1．能量守恒定律的內容：能量既不會憑空產生，也不會憑空消失，它只能從一種形式_____為其他形式，或者從一個物體_____到別的物體，在轉化或轉移的過程中，能量的總量保持不變。
2．能量守恒定律的普遍性：能量守恒定律是自然界的普遍規律，某一種形式的能是否守恒是有條件的，例如，機械能守恒定律具有適用條件，而能量守恒定律是無條件的，是一切自然現象都遵守的基本規律。
3．第一類永動機
不需要任何動力或燃料，卻能不斷地對外做功的機器。
違背______________，因此不可能實現。
轉化
轉移
能量守恒定律
1．做功和傳熱的實質是相同的。(　　)
2．絕熱過程中，外界壓縮氣體做功20 J，氣體的內能一定減少20 J。(　　)
3．在給自行車打氣時，會發現打氣筒的溫度升高，這是因為外界對氣體做功。(　　)
4．自由擺動的秋千擺動幅度越來越小，能量正在消失。(　　)
5．利用河水的能量使船逆水航行的設想，符合能量守恒定律。(　　)
×
×
√
×
√
改變內能的兩種方式的比較
方式名稱 比較項目 做功 傳熱
區別 做功是其他形式的能與內能相互轉化的過程，能的性質發生了變化 不同系統間或同一系統不同部分之間內能的轉移，能的性質不變
相互聯系 做一定量的功或傳遞一定量的熱量在改變內能的效果上是相同的
例1　(人教版選擇性必修第三冊·第三章第2節[練習與應用]T1改編)用活塞壓縮汽缸里的空氣，對空氣做了900 J的功，同時汽缸向外散熱210 J，汽缸里空氣的內能(　　)
A．增加了1110 J B．減少了1110 J
C．增加了690 J D．減少了690 J
解析　由熱力學第一定律ΔU＝W＋Q，得ΔU＝900 J－210 J＝690 J，即內能增加690 J，C正確。
例2　(2025·天津市河西區高三上模擬)某汽車后備箱內安裝有撐起箱蓋的裝置，它主要由汽缸和活塞組成。開箱時，密閉于汽缸內的壓縮氣體膨脹，將箱蓋頂起，如圖所示。在此過程中，若缸內氣體與外界無熱交換，忽略氣體分子間相互作用，則缸內氣體(　　)
A．對外做正功，分子的平均動能減小
B．對外做正功，內能增大
C．對外做負功，分子的平均動能增大
D．對外做負功，內能減小
解析　 密閉于汽缸內的壓縮氣體膨脹對外做正功，即外界對缸內氣體做負功，可知W<0，且缸內氣體與外界無熱交換，可知Q＝0，根據熱力學第一定律ΔU＝W＋Q，可知缸內氣體的內能增加量ΔU＜0，即內能減小，又忽略氣體分子間相互作用，則氣體分子勢能可忽略，氣體內能等于氣體分子的動能，可知分子的平均動能減小，故A正確，B、C、D錯誤。
應用熱力學第一定律的三點注意
(1)做功情況看氣體的體積：體積增大，氣體對外做功，W為負；體積減小，外界對氣體做功，W為正。
(2)與外界絕熱，則不與外界發生傳熱，此時Q＝0。
(3)如果研究對象是理想氣體，由于理想氣體沒有分子勢能，所以當它的內能變化時，體現為分子平均動能的變化，從宏觀上看就是溫度發生了變化。
考點二　熱力學第二定律
1．克勞修斯表述
熱量不能________從低溫物體傳到高溫物體。
2．開爾文表述
不可能從單一熱庫吸收熱量，使之完全變成功，而________________。或表述為“________永動機是不可能制成的。”
3．用熵的概念表示熱力學第二定律
在自發過程中，系統總是自發地向______方向發展，即一個孤立系統的熵值總是________的。(熵增加原理)
自發地
不產生其他影響
第二類
無序
不減少
4．第二類永動機
從單一熱庫吸收熱量并把它全部用來對外做功，而不產生其他影響的機器。
違背__________________，不可能實現。
5．能源是有限的
(1)每天我們使用的能源最后都轉化成了內能，能源消耗使得周圍環境升溫。根據熱力學第二定律，分散在環境中的內能不能自動聚集起來驅動機器做功了。這樣的轉化過程叫作“_________”。
(2)所謂能源，其實是指具有高品質的容易利用的________，例如石油、天然氣、煤等。能源的使用過程中雖然能的總量保持守恒，但能量的_____下降了。雖然能量總量不會減少，但能源會逐步減少，因此能源是有限的資源。
熱力學第二定律
能量耗散
儲能物質
品質
1．根據熱力學第二定律可知，凡與熱現象有關的宏觀過程都具有方向性，在熱傳導中熱量只能自發地從高溫物體傳遞給低溫物體，而不能自發地從低溫物體傳遞給高溫物體。(　　)
2．隨著技術不斷進步，熱機的效率可能達到100%。(　　)
3．對能源的過度消耗將使自然界的能量不斷減少，形成能源危機。(　　)
4．熱機中，燃氣的內能可以全部變為機械能而不引起其他變化。(　　)
√
×
×
×
熱力學第一、第二定律的比較
　 　定律名稱 比較項目 熱力學第一定律 熱力學第二定律
定律揭示的問題 從能量守恒的角度揭示了功、熱量和內能改變量三者的定量關系 指出一切與熱現象有關的宏觀自然過程都有特定的方向性
機械能和內能的轉化 通過做功機械能與內能互相轉化 內能不可能在不引起其他變化的情況下完全轉化為機械能
熱量的傳遞 內能的變化量等于外界做的功與吸收的熱量之和 說明熱量不能自發地從低溫物體傳向高溫物體
表述形式 只有一種表述形式 有多種表述形式
兩定律的關系 在熱力學中，兩者既相互獨立，又互為補充，共同構成了熱力學知識的理論基礎
例3　(人教版選擇性必修第三冊·第三章第4節[練習與應用]T2改編)(多選)下列現象中能夠發生的是(　　)
A．一杯熱茶在打開杯蓋后，茶會自動變得更熱
B．蒸汽機把蒸汽的內能全部轉化成機械能
C．桶中混濁的泥水在靜置一段時間后，泥沙下沉，上面的水變清，泥、水自動分離
D．電冰箱通電后把箱內低溫物體的熱量傳到箱外高溫物體
解析　熱量只會自發地從高溫物體傳到低溫物體，而不會自發地從低溫物體傳到高溫物體，故A錯誤；機械能可以完全轉化為內能，而內能卻不能完全轉化為機械能，故B錯誤；桶中混濁的泥水在靜置一段時間后，泥沙下沉，上面的水變清，泥、水自動分離是因為泥沙的密度大于水，故可以分離，C正確；電冰箱通電后由于壓縮機做功從而將箱內低溫物體的熱量傳到箱外的高溫物體，故D正確。
對熱力學第二定律的理解
(1)在熱力學第二定律的表述中，“自發地”“不產生其他影響”的含義：
①“自發地”指不需要借助外界提供能量的幫助，指明了傳熱等熱力學宏觀現象的方向性；
②“不產生其他影響”的含義是發生的熱力學宏觀過程只在本系統內完成，對周圍環境不產生熱力學方面的影響，如吸熱、放熱、做功等。
考點三　熱力學第一定律與氣體實驗定律的綜合應用
解答此類問題的基本流程
例4　(2024·重慶高考)某救生手環主要由高壓氣囊密閉一部分氣體組成。氣囊內氣體視為理想氣體。密閉氣囊與人一起上浮的過程中，若氣囊內氣體溫度不變，體積增大，則(　　)
A．外界對氣囊內氣體做正功 B．氣囊內氣體壓強增大
C．氣囊內氣體內能增大 D．氣囊內氣體從外界吸熱
解析　密閉氣囊與人一起上浮的過程中，氣囊內氣體體積變大，則外界對氣囊內氣體做負功，W<0，A錯誤；氣囊內氣體溫度不變，體積變大，由玻意耳定律可知，氣囊內氣體壓強變小，故B錯誤；氣囊內氣體溫度不變，則內能不變，ΔU＝0，根據熱力學第一定律ΔU＝Q＋W，可知Q>0，即氣囊內氣體從外界吸熱，故C錯誤，D正確。　
處理熱力學第一定律與氣體實驗定律的綜合問題的注意事項
(1)解決具體問題時，分清氣體的變化過程是求解問題的關鍵，根據不同的變化，找出相關的氣體狀態參量，利用相關規律解決。
(2)對理想氣體，壓強不變時，外界對氣體(或氣體對外界)做功W＝pΔV。
考點四　熱力學第一定律在圖像問題中的應用
例6　(2022·遼寧高考)一定質量的理想氣體從狀態a變化到狀態b，其體積V和熱力學溫度T的關系圖像如圖所示，此過程中該系統(　　)
A．對外界做正功 B．壓強保持不變
C．向外界放熱 D．內能減少
例7　(2024·山東省泰安市高三下二模)一定質量的理想氣體由狀態a變為狀態c，其過程如p V圖中a→c直線段所示，狀態b對應該線段的中點。下列說法正確的是(　　)
A．a→c是等溫過程
B．a→c過程中氣體吸收的熱量為8p0V0
C．a→c過程中氣體吸收的熱量為4p0V0
D．a→c過程中氣體的溫度先降低再升高
課時作業
[A組　基礎鞏固練]
1．(多選)根據熱力學定律，下列說法正確的是(　　)
A．一切符合能量守恒定律的宏觀過程都能發生
B．科技的不斷進步使得人類有可能生產出單一熱源的熱機
C．盡管科技不斷進步，熱機的效率仍不能達到100%
D．能量耗散是從能量轉化的角度反映出自然界中的宏觀過程具有方向性
解析：熱運動的宏觀過程具有一定的方向性，符合能量守恒定律的宏觀過程并不一定能夠發生，故A錯誤；根據熱力學第二定律的開爾文表述，熱機從一個熱庫吸熱，一定會向另一個熱庫放熱，即不可能生產出單一熱源的熱機，故B錯誤；根據熱力學第二定律，即使沒有漏氣、摩擦、不必要的散熱等損失，熱機也不可能把燃料產生的內能全部轉化為機械能，即效率達不到100%，故C正確；能量耗散是從能量轉化的角度反映出自然界中的宏觀過程具有方向性，故D正確。
2．(2025·四川省內江市高三上零模)如圖，健身球是
一個充滿氣體的大皮球，當人壓向健身球時，假設球內
氣體為理想氣體且溫度不變，則在這個過程中(　　)
A．氣體分子的平均速率增大 B．外界對氣體做功
C．氣體從外界吸收熱量 D．氣體的壓強不變
3．(2024·北京高考)一個氣泡從恒溫水槽的底部緩慢上浮，將氣泡內的氣體視為理想氣體，且氣體分子個數不變，外界大氣壓不變。在上浮過程中氣泡內氣體(　　)
A．內能變大 B．壓強變大
C．體積不變 D．從水中吸熱
解析：氣泡內的氣體可視為理想氣體，則其內能只與溫度有關，在上浮過程中氣泡內氣體的溫度不變，則其內能不變，故A錯誤；氣泡內氣體壓強p＝p0＋ρ水gh，在上浮過程中，氣泡距離水面的高度h減小，且外界大氣壓p0不變，則氣泡內氣體壓強減小，故B錯誤；在上浮過程中氣泡內氣體的溫度不變，壓強減小，由玻意耳定律pV＝C知，氣泡內氣體體積變大，故C錯誤；在上浮過程中氣泡內氣體體積變大，則氣體對外做功，W<0，又由A項分析知ΔU＝0，由熱力學第一定律ΔU＝Q＋W知，Q>0，即氣泡內氣體從水中吸熱，故D正確。
4．(2022·天津高考)(多選)采用渦輪增壓技術可提高汽車發動機效率。將渦輪增壓簡化為以下兩個過程，一定質量的理想氣體首先經過絕熱過程被壓縮，然后經過等壓過程回到初始溫度，則(　　)
A．絕熱過程中，氣體分子平均動能增加
B．絕熱過程中，外界對氣體做負功
C．等壓過程中，外界對氣體做正功
D．等壓過程中，氣體內能不變
解析：該理想氣體經過絕熱過程被壓縮，氣體體積減小，外界對氣體做正功，即Q＝0，W>0，根據熱力學第一定律ΔU＝W＋Q可知，氣體內能增加，則氣體溫度升高，氣體分子平均動能增加，故A正確，B錯誤；該理想氣體經過等壓過程回到初始溫度，結合A、B兩項中分析可知，該過程氣體溫度降低，氣體內能減少，根據蓋—呂薩克定律可知，氣體體積減小，則外界對氣體做正功，故C正確，D錯誤。
5．(2024·江蘇省蘇錫常鎮高三下三模)如圖所示，一用鎖釘鎖定的導熱活塞將導熱汽缸分成體積相等的左、右兩室，開始時氣體壓強之比為5∶3，拔出鎖釘后，活塞移動并最終保持穩定狀態，外界溫度恒定，汽缸內氣體均可視為理想氣體。則下列說法正確的是(　　)
A．右室氣體吸熱
B．左室氣體吸熱
C．右室氣體對左室氣體做正功
D．左室氣體分子平均速率變大
解析：因為左室氣體的壓強大，右室氣體的壓強小，拔出鎖釘后，活塞向右移動，左室氣體體積增大，右室氣體體積減小，左室氣體對右室氣體做正功，而汽缸導熱且外界溫度恒定，故缸內氣體的溫度保持不變，即左、右兩室氣體的內能均不變，根據熱力學第一定律可知，左室氣體吸收熱量，右室氣體放出熱量，故B正確，A、C錯誤；左室氣體溫度不變，故分子的平均動能不變，分子平均速率不變，D錯誤。
7．如圖甲所示，在豎直放置的圓柱形容器內用橫截面積S＝100 cm2的質量不計且光滑的活塞密封一定質量的氣體，活塞上靜止一質量為m的重物。圖乙是密閉氣體從狀態A變化到狀態B的V T圖像，密閉氣體在A點的壓強pA＝1．03×105 Pa，從狀態A變化到狀態B的過程中吸收熱量Q＝500 J。已知外界大氣壓強p0＝1．01×105 Pa，下列說法正確的是(　　)
A．重物質量m＝1 kg
B．氣體在狀態B時的體積為8．0×10－2 m3
C．從狀態A變化到狀態B的過程，氣體對外界做功202 J
D．從狀態A變化到狀態B的過程，氣體的內能增加294 J
8．(2024·新課標卷)(多選)如圖，一定量理想氣體的循環由下面4個過程組成：1→2為絕熱過程(過程中氣體不與外界交換熱量)，2→3為等壓過程，3→4為絕熱過程，4→1為等容過程。上述四個過程是四沖程柴油機工作循環的主要過程。下列說法正確的是(　　)
A．1→2過程中，氣體內能增加
B．2→3過程中，氣體向外放熱
C．3→4過程中，氣體內能不變
D．4→1過程中，氣體向外放熱
[B組　綜合提升練]
9．(2025·八省聯考陜西卷)(多選)如圖，用絕熱材料制成的密閉容器被隔板K分成Ⅰ、Ⅱ兩部分，一定量的某理想氣體處于Ⅰ中，Ⅱ內為真空。抽取隔板K，氣體進入Ⅱ中，最終整個容器均勻地分布了這種氣體。則此過程，該氣體系統(　　)
A．對外做功，體積膨脹
B．對外不做功，最終壓強減小
C．內能減少，最終溫度降低
D．無序度變大
10．(2024·河北高考)(多選)如圖，水平放置的密閉絕熱汽缸被導熱活塞分成左右兩部分，左側封閉一定質量的理想氣體，右側為真空，活塞與汽缸右壁中央用一根輕質彈簧水平連接。汽缸內壁光滑且水平長度大于彈簧自然長度，彈簧的形變始終在彈性限度內且體積忽略不計。活塞初始時靜止在汽缸正中間，后因活塞密封不嚴發生緩慢移動，活塞重新靜止后(　　)
A．彈簧恢復至自然長度
B．活塞兩側氣體質量相等
C．與初始時相比，汽缸內氣體的內能增加
D．與初始時相比，活塞左側單位體積內氣體分子數減少
解析：初始狀態活塞受到左側氣體向右的壓力和彈簧向左的彈力處于平衡狀態，彈簧處于壓縮狀態，因活塞密封不嚴，左側氣體向右側真空漏出，左側氣體對活塞向右的壓力變小，右側有氣體漏入，對活塞產生向左的壓力且逐漸增大，則活塞逐漸向左移動，彈簧彈力減小，直到左、右兩側氣體壓強相等時，彈簧彈力減小到0，活塞重新靜止，這時彈簧恢復原長，故A正確；由題知，初始時活塞靜止在汽缸正中間，由于活塞向左移動，則最終兩側氣體壓強相等時，左側氣體體積小于右側氣體體積，又因為兩部分氣體的密度相同，則活塞重新靜止后左側氣體質量小于右側氣體質量，故B錯誤；密閉的汽缸絕熱，與外界沒有能量交換，彈簧彈性勢能減少，由能量守恒定律可知，汽缸內氣體內能增加，故C正確；初始時氣體全部在活塞左側，體積為汽缸容積的一半，最終氣體充滿整個汽缸，則與初始時相比，活塞左側單位體積內氣體分子數減少，故D正確。
12．(2024·貴州高考)制作水火箭是青少年科技活動的常見項目之一。某研究小組為了探究水火箭在充氣與噴水過程中氣體的熱學規律，把水火箭的塑料容器豎直固定，其中A、C分別是塑料容器的充氣口、噴水口，B是氣壓計，如圖a所示。在室溫環境下，容器內裝入一定質量的水，此時容器內的氣體體積為V0，壓強為p0，現緩慢充氣后壓強變為4p0，不計容器的容積變化。
(1)設充氣過程中氣體溫度不變，求充入的氣體
在該室溫環境下壓強為p0時的體積。
(2)打開噴水口閥門，噴出一部分水后關閉閥門，
容器內氣體從狀態M變化到狀態N，其壓強p與體積
V的變化關系如圖b中實線所示，已知氣體在狀態N時
的體積為V1，壓強為p1，求氣體在狀態N與狀態M時的熱力學溫度之比。
(3)圖b中虛線MN′是容器內氣體在絕熱(既不吸熱也不放熱)條件下壓強p與體積V的變化關系圖線，試判斷氣體在圖b中沿實線從M到N的過程是吸熱還是放熱。(不需要說明理由)
[C組　拔尖培優練]
13．(2023·新課標卷)(多選)如圖，一封閉著理想氣體的絕熱汽缸置于水平地面上，用輕彈簧連接的兩絕熱活塞將汽缸分為f、g、h三部分，活塞與汽缸壁間沒有摩擦。初始時彈簧處于原長，三部分中氣體的溫度、體積、壓強均相等。現通過電阻絲對f中的氣體緩慢加熱，停止加熱并達到穩定后(　　)
A．h中的氣體內能增加
B．f與g中的氣體溫度相等
C．f與h中的氣體溫度相等
D．f與h中的氣體壓強相等

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