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2023 届高三物理一轮复习多维度导学与分层专练
专题72 热力学定律的综合应用
导练目标 导练内容
目标1 热力学第一定律
目标2 热力学第二定律
目标3 热力学第一定律与气体图像的综合应用
目标4 热力学第一定律与气体实验定律的综合应用
【知识导学与典例导练】
一、热力学第一定律
1．对热力学第一定律的理解
(1)做功和热传递在改变系统内能上是等效的。
(2)做功过程是系统与外界之间的其他形式能量与内能的相互转化。
(3)热传递过程是系统与外界之间内能的转移。
2．热力学第一定律的三种特殊情况
(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，则W＝0，Q＝ΔU，物体吸收的热量等于物体内能的增加。(3)若过程的始、末状态物体的内能不变，则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．公式ΔU＝W＋Q中符号法则的理解
物理量 W Q ΔU
＋ 外界对物体做功 物体吸收热量 内能增加
－ 物体对外界做功 物体放出热量 内能减少
【例1】“百脉寒泉珍珠滚”，为章丘八大景之一。泉水深5m，底部温度为17℃，一个体积为5.8×10－7m3
的气泡，从底部缓慢上升，到达泉水表面温度为27℃。其内能增加了2×10－2J。g取10m/s2，外界大气压强
取1.0×105Pa，水的密度取1×103kg/m3，气泡内气体视为理想气体。下列说法正确的是（ ）
A．气泡内所有分子动能都增大
B．气泡上升过程中对外做功，放出热量
C．气泡到达水面时的体积为8.7×10－8m3
D．上升过程中气泡吸收热量小于6.8×10－2J
二、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，如气体的等温
膨胀过程。
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.热力学第一、第二定律的比较
热力学第一定律 热力学第二定律
定律揭
从能量守恒的角度揭示了功、热量和内能改 自然界中出现的宏观过程是有方向性
示的问题 变量三者的定量关系 的
机械能
当摩擦力做功时，机械能可以全部转化为内 内能不可能在不引起其他变化的情况
和内能
能 下完全变成机械能
的转化
热量的
说明热量不能自发地从低温物体传向
热量可以从高温物体自发传向低温物体
高温物体
传递
两定律
在热力学中，两者既相互独立，又互为补充，共同构成了热力学知识的理论基础
的关系
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 从单一热源吸收热量，使之完全变成
设计要求
对外做功的机器 功，而不产生其他影响的机器
不可能
不违背能量守恒定律，违背热力学第
违背能量守恒定律
二定律
制成的原因
【例2】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（ ）
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．电冰箱的工作原理违背热力学第一定律
D．电冰箱除了将热量从低温热库传到高温热库外，工作过程中所产生的其他一切影响，无论用任何办法
都不可能加以消除
三、热力学第一定律与气体图像的综合应用
处理热力学第一定律与气体图像的综合问题的思路：
(1)根据气体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、放热关系及
做功关系。
(2)在pV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。
【例3】一定质量的理想气体从状态A依次经过状态B、C和D后又回到状态A。其中C-D-A为等温过程，
该循环过程如图所示，下列说法正确的是（ ）
A．B→C过程中，气体对外界做功
B．B→C过程中，外界对气体做功
C．A→B过程中，1s内撞击1m²器壁的气体分子个数变少
D．A→B过程中，气体分子的平均动能减小
【例4】一定量的理想气体从状态a经状态b变化到状态c，其过程如图所示，则气体（ ）A．状态a处的压强大于状态c处的压强
B．状态b处的压强小于状态c处的压强
C．由a变化到b的过程中，气体向外界放热
D．由a变化到c的过程中，从外界吸收的热量小于其增加的内能
【例5】一定量的理想气体从状态 开始，经历等温或等压过程 、 、 、 回到原状态，其 图
像如图所示，其中对角线 的延长线过原点 。下列判断正确的是（ ）
A．气体在 、 两状态的体积相等
B．在过程 中气体向外界放出的热量大于外界对气体做的功
C．在过程 中气体从外界吸收的热量小于气体对外界做的功
D．在过程 中外界对气体做的功等于在过程da中气体对外界做的功
四、热力学第一定律与气体实验定律的综合应用
求解热力学定律与气体实验定律的综合问题的思路：【例6】如图所示，上端带有卡口的横截面积为S、高为L的导热性能良好的气缸中用一光滑的活塞B封闭
着一定质量的理想气体A，气缸底部与U形水银气压计（U形管内气体体积忽略不计）相连，已知气体内
能U与热力学温度T的关系为 ，其中 为已知常数，活塞B的质量为m，重力加连度为g，大气压
强为 ，水银的密度为 ，环境热力学温度为 时，活塞离缸底的距离为 。求：
（1）环境温度为 时，U形气压计两侧水银面的高度差 ；
（2）环境温度由 缓慢升高至 过程中，气体吸收的热量。
【多维度分层专练】1．某同学设计的一个简易温度计如图所示，一根透明吸管插入导热良好的容器，连接处密封，在吸管内
注入一小段油柱，外界大气压保持不变。将容器放入冰水中，观察到油柱缓慢下降，下列说法正确的是（
）。
A．外界对气体做的功大于气体放出的热量
B．外界对气体做的功等于气体放出的热量
C．容器内壁的单位面积上受到气体分子的平均作用力增大
D．气体分子单位时间撞击容器壁单位面积的次数增加
2．如图所示，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，活塞可在汽缸内无摩擦地左右滑动。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．气体自发扩散前后内能减少
B．气体在被压缩的过程中内能增大
C．在自发扩散过程中，气体对外界没做功
D．气体在被压缩的过程中，外界对气体做负功3．利用“涡流效应”可实现冷热气体的分离。如图，一冷热气体分离装置由喷嘴、涡流室、环形管、分
离挡板和冷热两端管等构成。高压氮气由喷嘴切向流入涡流室中，然后以螺旋方式在环形管中向右旋转前
进，分子热运动速率较小的气体分子将聚集到环形管中心部位，而分子热运动速率较大的气体分子将聚集
到环形管边缘部位。气流到达分离挡板处时，中心部位气流与分离挡板碰撞后反向，从A端流出，边缘部
位气流从B端流出。下列说法正确的是（ ）
A．A端为冷端，B端为热端
B．A端流出的气体分子热运动平均速率一定小于B端流出的
C．A端流出的气体内能一定大于B端流出的
D．该装置气体进出的过程满足能量守恒定律，但违背了热力学第二定律
E．该装置气体进出的过程既满足能量守恒定律，也满足热力学第二定律
4．如图所示，绝热容器被绝热隔板K 和卡销锁住的绝热光滑活塞K 隔成a、b、c三部分，a部分为真空，
1 2
b部分为一定质量的稀薄气体，且压强pb<p（p 是大气压强），c与大气连通，则下列说法中正确的是（
0 0
）
A．只打开隔板K ，b中气体对外做功，内能减少
1
B．只打开隔板K ，b中气体不做功，内能不变
1
C．只打开隔板K ，b中气体压强减小，温度不变
1D．只打开卡销K ，b中气体对外做功，内能减少
2
E．只打开卡销K ，外界对b中气体做功，b中气体内能增加
2
5．密闭导热容器里装有一定质量的理想气体，某一变化过程 的 图（p、T单位均为国
际单位）如图所示，ab延长线通过坐标原点O，ac、bc与坐标轴平行。则由图可知（ ）
A． 过程气体从外界吸热，吸收的热量大于气体增加的内能
B． 过程气体对外做功，做功的数值小于气体吸收的热量
C． 过程气体内能减少，放出的热量大于外界对气体做功的数值
D． 过程气体对外做功，做功的数值小于气体吸收的热量
6．一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。下列说法正确的有 （
）
A．A→B的过程中，气体对外界做功
B．B→C的过程中，每个气体分子的动能都减小
C．A→B的过程中，气体放出热量D．A→B→C的过程中，气体内能增加
7．一定质量的理想气体从状态 开始，经 三个过程后回到初始状态a，其 图像
如图所示，已知气体在状态 时的体积为 ， 的延长线过点（ ）。下列说法正确的是（ ）
A．气体在状态b时的体积为
B． 过程中，外界对气体做功
C． 过程中，气体向外界放热
D． 过程中，单位时间内容器壁单位面积上受到气体分子撞击的次数增加
E． 过程中，气体的体积增大
8．如图所示，一底部带加热丝（图中未画出）的绝热汽放在地面上，气缸里有一质量为m、横截面积为S
的绝热活塞封闭着一定质量的理想气体，初始时封闭气体的温度为T，活塞压在汽缸内壁的棱上，活塞离
0
汽缸底部的距离为L，内壁的棱对活塞的总支持力为F=5mg。现在通过汽缸底部的加热丝缓慢对封闭气体
加热。重力加速度为g。不计加热丝和力传感器的体积，外界大气压为 ，且p 保持不变。
0
①当棱对活塞的支持力刚好为零时，求封闭气体的温度T；
1
②当活塞向上移动2L时刚刚到达汽缸顶部，求此时封闭气体的温度T，若此过程中封闭气体内能增加
2
△U，则此过程中加热丝产生的热量Q为多少？9．真空泵抽气腔与容器相连，活塞向左运动时即从容器中抽气，活塞向右运动时阀门自动关闭，将进入
气腔内的气体全部排出，示意图如图甲。设抽气过程中抽气腔与容器中的气体压强始终相等，每次抽气活
塞均从抽气腔最右端移动至最左端.已知容器的容积为 ，抽气腔的容积为 ，初始时刻气体压强为 .
（1）若抽气过程中气体的温度保持不变，求第一次抽气后容器中气体的压强 ；
（2）若在绝热的条件下，某次抽气过程中，气体压强 随体积 变化的规律如图乙，求该过程气体内能的
变化量 。
10．某同学估测室温的装置如图所示，用绝热的活塞封闭一定质量的理想气体，气缸导热性能良好。室温
时气体的体积 ，将气缸竖直放置于冰水混合物中，稳定后封闭气体的体积 。不计活塞
重力及活塞与缸壁间的摩擦，室内大气压 ，阿伏加德罗常数 。（取
）
（1）求室温是多少；
（2）若已知该气体在 、0℃灯时的摩尔体积为 ，求气缸内气体分子数目N；（计算结果保留两位有效数字）
（3）若已知该气体内能U与温度T满足 ，则在上述过程中该气体向外释放的热量Q。
