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专题 35 热力学定律与能量守恒定律
1.理解热力学第一定律，知道改变内能的两种方式，并能用热力学第一定律解决相关问题.
2.理解热力学第二定律，知道热现象的方向性.
3.知道第一类永动机和第二类永动机不可能制成．
考点一 热力学第一定律
1．改变物体内能的两种方式
(1)做功；(2)热传递．
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热量与外界对它所做的功的和．
(2)表达式：ΔU＝Q＋W.
(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 内能增加 内能减少
3．能量守恒定律
(1)内容
能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到别的
物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变．
(2)条件性
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．
(3)第一类永动机是不可能制成的，它违背了能量守恒定律．
1．热力学第一定律的理解
(1)内能的变化都要用热力学第一定律进行综合分析．
(2)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．
(3)与外界绝热，则不发生热传递，此时Q＝0.
(4)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．
2．三种特殊情况
(1)若过程是绝热的，则Q＝0，W＝ΔU，外界对物体做的功等于物体内能的增加；
(2)若过程中不做功，即W＝0，则Q＝ΔU，物体吸收的热量等于物体内能的增加；
(3)若过程的初、末状态物体的内能不变，即 ΔU＝0，则W＋Q＝0或W＝－Q，外界对物体做的功等于物
体放出的热量．
【典例1】（2022·天津·模拟预测）如图，一定质量的理想气体从状态 出发，经过等容过程到达状态 ，
再经过等温过程到达状态 ，直线 过原点。则气体（ ）
A．在状态 的压强等于在状态 的压强 B．在状态 的压强小于在状态 的压强
C．在 的过程中内能减小 D．在 的过程对外做功
【典例2】（2022·山东临沂·三模）2022年伊始，奥密克戎变异毒株较以往新型冠状病毒传播更快，危害
更大，特别是疫情区快件也会携带新冠病毒，勤消毒是一个很关键的防疫措施。如图所示是某种家庭便携
式防疫消毒用的喷雾消毒桶及其原理图，内部可用容积为 ，工作人员装入稀释过的 药液后旋紧壶
盖，关闭喷水阀门，拉动压柄打气，每次打入压强为 ，体积为 的气体，此时大气压强为 ，
当壶内压强增大到 时，开始打开喷阀消杀，假设壶内温度保持不变，若不计管内液体体积．下列说法
正确的是（ ）
A．工作人员共打气9次
B．打开阀门，当壶内不再喷出消毒液时，壶内剩余消毒液的体积为
C．打开阀门，当壶内不再喷出消毒液时，壶内剩余消毒液的体积为D．消毒液喷出过程，气体对外做功，对外做功大于从外界吸收热量
考点二 热力学第二定律
1．热力学第二定律的两种表述
(1)克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传到高温物体．
(2)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”．
2．热力学第二定律的微观意义
一切自发过程总是沿着分子热运动的无序度增大的方向进行．
3．第二类永动机不可能制成的原因是违背了热力学第二定律．
1．热力学第二定律的含义
(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的帮助．
(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．在产生其他影响的条件下内能可以全部转化为机械能．
2．热力学第二定律的实质
热力学第二定律的每一种表述，都揭示了大量分子参与的宏观过程的方向性，进而使人们认识到自然界中
进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性．
3．热力学过程的方向性实例
热量Q能自发传给
(1)高温物体 热量Q不能自发传给 低温物体．
能自发地完全转化为
(2)功不能自发地完全转化为 热．
能自发膨胀到
(3)气体体积V 不能自发收缩到 气体体积V(较大)．
1 2
【典例3】(多选)（2022·全国·高三课前预习）下列说法的正的是（ ）
A．热量不会从低温物体传给高温物体
B．机械能可以完全转化为内能，而内能不可能完全转化为机械能
C．可以从单一热库吸收热量，使之完全变为功
D．能源是取之不尽、用之不竭的
【典例4】（2022·辽宁·模拟预测）如图所示，水平固定不动、导热性能良好的汽缸内用活塞封闭着一定质
量的空气，外界温度恒定，开始时活塞静止，现在施加外力使活塞缓慢向右移动（活塞始终未被拉出汽
缸），忽略气体分子间的相互作用，则在活塞移动的过程中，下列说法正确的是（ ）A．汽缸内气体从外界吸收的热量等于气体对外界做的功
B．汽缸内气体分子的平均动能变小
C．汽缸内气体的压强不变
D．由于温度没变，热量不可以从相同温度的物体传到另一相同温度的物体
考点三 热力学第一定律与图像的综合应用
1．气体的状态变化可由图像直接判断或结合理想气体状态方程＝C分析．
2．气体的做功情况、内能变化及吸放热关系可由热力学第一定律分析．
(1)由体积变化分析气体做功的情况：体积膨胀，气体对外做功；气体被压缩，外界对气体做功．
(2)由温度变化判断气体内能变化：温度升高，气体内能增大；温度降低，气体内能减小．
(3)由热力学第一定律ΔU＝W＋Q判断气体是吸热还是放热．
(4)在p－V图像中，图像与横轴所围面积表示对外或外界对气体整个过程中所做的功．
【典例5】（2022·全国·高三课时练习）某汽车的四冲程内燃机利用奥托循环进行工作。该循环由两个绝热
过程和两个等容过程组成。如图所示为一定质量的理想气体所经历的奥托循环，则该气体（ ）
A．在状态a和c时的内能可能相等
B．在a→b过程中，外界对其做的功全部用于增加内能
C．b→c过程中增加的内能小于d→a过程中减少的内能
D．在一次循环过程中吸收的热量小于放出的热量
【典例6】（2022·全国·高三课时练习）一定质量的理想气体，状态变化依次经历从a→b，再从b→c的过程，其压强和体积的关系如图所示，根据p 图像，下列说法正确的是（ ）
A．a→b过程，气体温度升高，放热
B．a→b过程，气体温度降低，放热
C．b→c过程，气体温度不变，放热
D．b→c过程，气体温度不变，吸热
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
【典例7】如图所示，水平放置的汽缸内封闭一定质量的理想气体，活塞的质量 m＝10 kg，横截面积S＝
100 cm2，活塞可沿汽缸壁无摩擦滑动且不漏气，活塞到汽缸底部的距离 L＝11 cm，到汽缸口的距离L＝4
1 2
cm.现将汽缸缓慢地转到开口向上的竖直位置，待稳定后对缸内气体逐渐加热，使活塞上表面刚好与汽缸
口相平．已知g＝10 m/s2，外界气温为27 ℃，大气压强为1.0×105 Pa，活塞厚度不计，则：
(1)活塞上表面刚好与汽缸口相平时缸内气体的温度是多少？
(2)在对缸内气体加热的过程中，气体膨胀对外做功，同时吸收Q＝350 J的热量，则气体增加的内能ΔU多大？
【典例8】如图所示，体积为V、内壁光滑的圆柱形导热汽缸顶部有一质量和厚度均可忽略的活塞，汽缸
内密封有温度为2.4T 、压强为1.2p 的理想气体，p 和T 分别为外界大气的压强和温度．已知气体内能U
0 0 0 0
与温度T的关系为U＝aT，a为正的常量，容器内气体的所有变化过程都是缓慢的，求：
(1)缸内气体与大气达到平衡时的体积V；
1
(2)在活塞下降过程中，汽缸内气体放出的热量．
一、单选题
1．（2022·重庆八中高三阶段练习）关于下列热学现象的说法正确的是（ ）
A．气温高时，水的饱和汽压高，所以人感到更潮湿
B．在水蒸气凝结成同温度的水珠的过程中要吸热
C．在熔化过程中，晶体要吸收热量，但温度保持不变，内能也保持不变
D．给农田松土是为了破坏土壤里的毛细管，使地下的水分不会被快速引上来蒸发掉
2．（2022·重庆·模拟预测）下列说法中，正确的是（ ）
A．第二类永动机不能制成的原因是因为违背了能量守恒定律
B．布朗运动就是分子热运动
C．液体表面张力形成原因是表面层液体分子比内部更密集
D．晶体有固定的熔点，而非晶体没有固定的熔点
3．（2022·上海交大附中高三阶段练习）如图，用隔板将一绝热汽缸分成两部分，隔板左侧充有理想气体，
隔板右侧与绝热活塞之间是真空。现将隔板抽开，气体会自发扩散至整个汽缸。待气体达到稳定后，缓慢
推压活塞，将气体压回到原来的体积。假设整个系统不漏气。下列说法正确的是（ ）
A．在自发扩散过程中，气体对外界做功
B．气体在被压缩的过程中，气体分子的平均动能不变
C．气体自发扩散前后内能相同D．气体在被压缩的过程中，内能减少
4．（2022·山东·济南三中模拟预测）如图所示，a、b、c、d表示一定质量的理想气体状态变化过程中的四
个状态，图中ad平行于横坐标轴，dc平行于纵坐标轴，ab的延长线过原点，以下说法错误的是（ ）
A．从状态d到c，气体不吸热也不放热
B．从状态c到b，气体放热
C．从状态a到d，气体对外做功
D．从状态b到a，气体吸热
5．（2022·江苏南通·模拟预测）如图所示，野外生存需要取火时，可以用随身携带的取火装置，在铜制活
塞上放置少量易燃物，将金属筒套在活塞上迅速下压，即可点燃易燃物。则迅速下压过程中，金属筒内的
封闭气体（ ）
A．分子平均动能变小
B．每个气体分子速率都增大
C．从外界吸热，气体内能增加
D．分子在单位时间内对单位面积器壁的碰撞次数增加
6．（2022·江苏省昆山中学模拟预测）如图所示，内壁光滑导热气缸中用活塞封闭住一定质量的理想气体，
现用一外力F将活塞缓慢向上拉动，气缸始终保持静止，在此过程中没有气体漏出，环境温度不变，下列
说法正确的是（ ）A．外力F逐渐变小
B．气体的内能增加
C．气体从外界吸收热量
D．气体吸收的热量大于对外做的功
7．（2022·北京东城·三模）如图所示，质量为m的活塞将一定质量的理想气体封闭在气缸内，活塞与气缸
之间无摩擦。将气缸放在冰水混合物中，气体达到平衡状态（图中a状态）后，在活塞上加一质量为m的
砝码，经过过程Ⅰ气体达到新的平衡状态（图中b状态），再将气缸从容器中移出放到室温（27℃）中，
经过过程Ⅱ在达到c平衡状态。已知大气压强保持不变。下列说法中正确的是（ ）
A．过程Ⅰ中理想气体从外界吸收热量
B．过程Ⅱ中理想气体从外界吸收热量
C．c状态与a状态相比，c状态的气体分子对活塞的作用力较小
D．理想气体在b状态的内能大于在a状态的内能
8．（2022·山东潍坊·三模）如图所示，有一上部开口的圆柱形绝热汽缸，汽缸的高度为 ，横截面积为
S，一厚度不计的轻质绝热活塞封闭 的单原子分子理想气体。开始时活塞距汽缸底部的距离为L，气
体的热力学温度为 。已知外界大气压为 ， 的单原子分子理想气体内能公式为 ，其中R
为常数，T为热力学温度。现对气体缓慢加热，当活塞恰上升到汽缸顶部时，气体吸收的热量为（ ）A． B．
C． D．
9．（2022·全国·高三专题练习）如图所示，内壁光滑的绝热气缸内用绝热活塞封闭一定质量的理想气体，
初始时气缸开口向上放置，活塞处于静止状态，将气缸缓慢转动 过程中，缸内气体
（ ）
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
10．（2022·全国·高三专题练习）一定质量的理想气体由状态a变为状态c，其过程如p—V图中a→c直线
段所示，状态b对应该线段的中点。下列说法正确的是（ ）
A．a→b是等温过程
B．a→b过程中气体吸热
C．a→c过程中状态b的温度最低D．a→c过程中外界对气体做正功
二、填空题
11．（2022·福建·莆田二中模拟预测）一定质量的理想气体经历了如图所示的a→b→c→d→a循环，该循
环由两个绝热过程和两个等容过程组成则在a→b过程中，外界对气体做的功______（填“大于”“小于”
或“等于）其增加的内能；在一次循环过程中吸收的热量______（填“大于”“小于”或“等于”）放出
的热量。
12．（2022·河北·模拟预测）如图所示，一定量的理想气体由状态a经 等压过程到达状态b，再经
过程到达状态c。已知a的坐标为 ，b的坐标为 ，c的坐标为 ，由此可知，
整个过程为_______（填“等容过程”“非等容过程”或“无法确定”），a至c整个过程中，气体
_______（填“吸收”或“放出”）热量。
13．（2021·广东·揭阳市教育局教育装备中心模拟预测）夏天，如果将自行车内胎充气过足，又放在阳光
下受暴晒，车胎极易爆裂，暴晒过程中可以认为内胎容积几乎不变。在爆裂前的过程中，气体吸热、温度
升高，分子热运动加剧，压强增大，气体内能________（选填“增大”、“减小”或“不变”）；在车胎
突然爆裂的瞬间，气体内能________（选填“增大”、“减小”或“不变”）。
14．（2022·河北保定·二模）如图所示，一绝热汽缸竖直放置于恒温的环境中，汽缸内有一水平绝热活塞，
将一定质量的理想气体封在汽缸内，活塞与汽缸壁无摩擦，汽缸不漏气，整个装置处于平衡状态。活塞上
放置一广口瓶，若在瓶中缓慢加水，则该过程中缸内气体对外界做__________（填“正”或“负”）功，
气体的压强__________（填“增大”、“减小”或“不变”），气体的温度__________（填“升高”、
“降低”或“不变”）。三、解答题
15．（2022·安徽·三模）一定质量的理想气体从状态A变化到状态B再变化到状态C，其状态变化过程的
p-V图像如图所示。已知该气体在状态A时的温度为27℃。
（1）求该气体在状态B、C时的温度（用摄氏温度表示）；
（2）该气体从状态A到状态C的过程中是吸热还是放热？
16．（2022·四川成都·三模）如图，一定质量的理想气体用活塞封闭在固定的圆柱型气缸内，不计活塞与
缸壁间的摩擦。现缓慢降低气体的温度使其从状态a出发，经等压过程到达状态b，即刻锁定活塞，再缓
慢加热气体使其从状态b经等容过程到达状态c。已知气体在状态a的体积为4V、压强为 、温度为 ，
在状态b的体积为V，在状态c的压强为 。求：
（1）气体在状态b的温度；
（2）从状态a经b再到c的过程中，气体总的是吸热还是放热，吸收或放出的热量为多少？17．（2022·江苏常州·三模）如图所示，一直立的汽缸用一质量为m的活塞封闭一定量的理想气体，活塞
横截面积为S，到缸底的距离为H，汽缸内壁光滑且缸壁是导热的，开始活塞被固定，打开固定螺栓K，
活塞下落，经过一段时间后，活塞停在B点， 。已知大气压强为p，重力加速度为g，环境温度保
0
持不变。
（1）求下落前，缸内封闭气体的压强p；
1
（2）求整个过程中通过缸壁传递的热量Q。
18．（2022·江苏南通·三模）如图所示，高为 ，横截面积为 的导热气缸内有一不规则物体，厚度不计的
轻质活塞封闭了一定质量的理想气体，活塞正好在气缸的顶部。在活塞上放置质量为 的物体后，活塞缓
慢下移，并静止在与缸底的间距为 的高度。已知外界大气压强 ，忽略缸内气体温度的变化，
不计活塞和气缸的摩擦，重力加速度为 。求：
（1）不规则物体的体积 ；
（2）缸内气体向外界放出的热量 。
