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专题15.3 热力学定律与能量守恒定律【练】
目录
一．练基础题型.............................................................................................................................................................1
二、练名校真题.............................................................................................................................................................7
三．练规范解答...........................................................................................................................................................15
一．练基础题型
1.木箱静止于水平地面上，现在用一个80 N的水平推力推动木箱前进10 m，木箱受到地面的摩擦力为60
N，则转化为木箱与地面系统的内能U和转化为木箱的动能E 分别是(空气阻力不计)( )
k
A.U＝200 J，E＝600 J B.U＝600 J，E＝200 J
k k
C.U＝600 J，E＝800 J D.U＝800 J，E＝200 J
k k
【答案】 B
【解析】 U＝Fx＝60×10 J＝600 JE＝Fx－U＝80×10 J－600 J＝200 J。
f k
2.(2020·天津卷，5)水枪是孩子们喜爱的玩具，常见的气压式水枪储水罐示意如图。从储水罐充气口充入气
体，达到一定压强后，关闭充气口。扣动扳机将阀门 M打开，水即从枪口喷出。若在水不断喷出的过程中，
罐内气体温度始终保持不变，则气体( )
A.压强变大 B.对外界做功
C.对外界放热 D.分子平均动能变大
【答案】 B
【解析】 在水向外不断喷出的过程中，罐内气体体积增大，根据玻意耳定律可知，罐内气体的压强减小，
选项A错误；由于罐内气体温度不变，内能不变，体积增大，气体对外做功，根据热力学第一定律可知，
气体吸热，选项B正确，C错误；根据温度是分子平均动能的标志可知，温度不变，分子平均动能不变，
选项D错误。
3.如图是密闭的汽缸，外力推动活塞P压缩理想气体，对缸内气体做功200 J，同时气体向外界放热100 J，
缸内气体的( )A.温度升高，内能增加100 J
B.温度升高，内能减少200 J
C.温度降低，内能增加100 J
D.温度降低，内能减少200 J
【答案】 A
【解析】 外界对气体做功，W＝200 J；气体向外界放热，则Q＝－100 J，根据热力学第一定律得，气体
内能的增量ΔU＝W＋Q＝200 J－100 J＝100 J，即内能增加100 J.对于一定质量的理想气体，内能增加，温
度必然升高，故A正确.
4.(多选)(2020·江西南昌市模拟)下列说法正确的是( )
A.第一类永动机不可能制成，是因为违背了热力学第一定律
B.能量耗散过程中能量不守恒
C.电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界，违背了热力学第二定律
D.能量耗散是从能量转化的角度反映出自然界中的宏观过程具有方向性
【答案】 AD
【解析】 第一类永动机不消耗能量却源源不断对外做功，违背了热力学第一定律，所以不可能制成，A
正确；能量耗散过程中能量仍守恒，B错误；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
压缩机做功的结果，不违背热力学第二定律，C错误；能量耗散说明宏观热现象的发生具有方向性，D正
确.
5.(多选)关于热力学定律，下列说法正确的是( )
A.根据热力学第一定律可知，一定质量的理想气体等压膨胀对外做功，内能一定减少
B.第一类永动机制不成，是因为它违反了热力学第一定律
C.热力学第二定律是从另一个侧面阐述能量守恒定律
D.从微观意义上讲，热力学第二定律是一个统计规律
E.熵是系统内分子运动无序性的量度，一个孤立的系统总是从熵小的状态向熵大的状态发展
【答案】 BDE
【解析】 一定质量的理想气体等压膨胀，温度升高，内能增加，选项 A错误；第一类永动机制不成，是
因为它违反了热力学第一定律，选项B正确；热力学第二定律是反映宏观自然过程的方向性的定律，并不
是从另一个侧面阐述能量守恒定律，选项C错误；从微观意义上讲，热力学第二定律是一个统计规律，选
项D正确；熵是系统内分子运动无序性的量度，从微观角度看，一个孤立的系统总是从熵小的状态向熵大
的状态发展，选项E正确.
6.(多选)关于永动机和热力学定律的讨论，下列叙述正确的是( )
A.第二类永动机违反了能量守恒定律
B.如果物体从外界吸收了热量，则物体的内能一定增加C.保持气体的质量和体积不变，当温度升高时，每秒撞击单位面积器壁的气体分子数增多
D.做功和热传递都可以改变物体的内能，但从能量转化或转移的观点来看，这两种改变方式是有区别的
【答案】 CD
【解析】 第二类永动机违反了热力学第二定律，选项A错误；物体从外界吸收热量，可能同时对外做功，
因此物体的内能不一定增加，选项B错误；保持气体的质量和体积不变，当温度升高时，分子平均速率增
大，每秒撞击单位面积器壁的气体分子数增多，选项 C正确；做功和热传递都可以改变物体的内能，但从
能量转化或转移的观点来看，这两种改变方式是有区别的，选项D正确.
7.(2020·全国卷Ⅱ·33(1))下列关于能量转换过程的叙述，违背热力学第一定律的有________，不违背热力学
第一定律、但违背热力学第二定律的有________.(填正确答案标号)
A.汽车通过燃烧汽油获得动力并向空气中散热
B.冷水倒入保温杯后，冷水和杯子的温度都变得更低
C.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
D.冰箱的制冷机工作时从箱内低温环境中提取热量散发到温度较高的室内
【答案】 B C
【解析】 A项符合热力学第一、第二定律.冷水和杯子温度不可能都变低，只能是一个升高一个降低，或
温度都不变，B项描述违背了热力学第一定律.C项描述虽然不违背热力学第一定律，但违背了热力学第二
定律.D项中冰箱消耗电能从而可以从低温环境中提取热量散发到温度较高的室内，不违背热力学第二定律.
8.(2021·山东潍坊市模拟)如图所示，导热良好的圆筒形汽缸竖直放置在水平地面上，用活塞将一定质量的
气体封闭在汽缸内，活塞上堆放着铁砂，系统处于静止状态.现缓慢取走铁砂，忽略活塞与汽缸之间的摩擦，
外界环境温度不变，则在此过程中缸内气体( )
A.对外做功，其内能减少
B.温度不变，与外界无热量交换
C.单个分子碰撞缸壁时的平均作用力减小
D.单位时间内对活塞的碰撞次数减少
【答案】 D
【解析】 汽缸导热，缸内气体温度保持不变，所以气体内能不变，A错误；取走铁砂，缸内气体压强减
小，体积增大，气体对外做功，由热力学第一定律ΔU＝W＋Q可知，气体应从外界吸收热量，故B错误；
温度不变，分子平均动能不变，单个分子撞击缸壁的平均作用力不变，故 C错误；气体压强减小，单个分
子撞击缸壁的平均作用力不变，则单位时间内对活塞的碰撞次数减少，故D正确.
9.已知飞船在航天员出舱前先要“减压”，在航天员从太空返回进入航天器后要“升压”，因此飞船将此
设施专门做成了一个舱，叫“气闸舱”，其原理图如图 2所示，相通的舱A、B间装有阀门K，指令舱A
中充满气体，气闸舱B内为真空，整个系统与外界没有热交换.打开阀门K后，A中的气体进入 B中，最
终达到平衡，则( )A.气体体积膨胀，对外做功
B.气体分子势能减少，内能增加
C.体积变大，温度降低
D.B中气体不可能自发地全部退回到A中
【答案】 D
【解析】 打开阀门K后，A中的气体进入B中，由于B中为真空，所以A中的气体不会做功，故A错误；
又因为系统与外界无热交换，所以气体内能不变，气体的温度也不变，故B、C错误；由热力学第二定律
知，真空中气体膨胀具有方向性，在无外界作用时，B中气体不可能自发地全部退回到A中，故D正确.
10.(多选)(2021·山东省实验中学模拟)2020年初，新冠病毒来袭，我国人民万众一心、英勇抗“疫”，取得
阶段性胜利.为确保师生健康，各校都进行了严格的消杀工作，图为某同学设计的消杀喷药装置，内部装有
8 L药液，上部密封1 atm的空气1 L，保持阀门关闭，再充入1 atm的空气0.2 L.设在所有过程中空气可看
成理想气体，且温度不变，下列说法正确的是( )
A.充气后，密封气体的压强增大为1.2 atm
B.充气后，密封气体的分子平均动能不变
C.打开阀门后，密封气体对外界做正功
D.打开阀门后，不再充气也能把药液喷光
【答案】 ABC
【解析】 以密封空气和充入空气为研究对象，由pV＋pV＝pV 可得p＝1.2 atm，故A正确；温度不变，
1 1 2 2 1
分子平均动能不变，故B正确；由于p>p ，打开阀门后密封气体膨胀，对外界做正功，故 C正确；由pV ＋
0 1 1
pV＝pV 可得：1 atm×1 L＋1 atm×0.2 L＝p×9 L得p＝ atm0，气体温度降低，内能减少，ΔU<0，由热力学第一定律可知，外界对气体
所做的功小于气体所放热量，故C错误；由图象可知，a状态温度最低，分子平均动能最小，故D正确；
由图象可知，bc过程气体发生等温变化，气体内能不变，压强减小，由玻意耳定律可知，体积增大，b、c
状态气体的分子数密度不同，b和c两个状态中，容器壁单位面积单位时间内受到气体分子撞击的次数不
同，故E正确．
8．(2021·长沙模拟)关于第二类永动机，下列说法中正确的是 ( )
A．第二类永动机是指没有冷凝器，只有单一的热源，能将从单一热源吸收的热量全部用来做功，而不引
起其他变化的热机
B．第二类永动机违背了能量守恒定律，所以不可能制成
C．第二类永动机违背了热力学第二定律，所以不可能制成
D．第二类永动机不可能制成，说明机械能可以全部转化为内能，内能却不能全部转化为机械能
E．第二类永动机不可能制成，说明机械能可以全部转化为内能，但内能却不能全部转化为机械能，而不引起其他变化
【答案】：ACE
【解析】：由第二类永动机的定义知，A正确；第二类永动机违背了热力学第二定律，故 B错误，C正确；
机械能可以全部转化为内能，但内能却不能全部转化为机械能，而不引起其他变化，故E正确，D错误．
三．练规范解答
1.(2021·甘肃临夏中学期末)在如图所示的坐标系中，一定质量的某种理想气体先后发生以下两种状态变化
过程：第一种变化是从状态A到状态B，外界对该气体做功为6 J；第二种变化是从状态A到状态C，该气
体从外界吸收的热量为9 J.图线AC的反向延长线过坐标原点O，B、C两状态的温度相同，理想气体的分
子势能为零.求：
(1)从状态A到状态C的过程，该气体对外界做的功W 和其内能的增量ΔU；
1 1
(2)从状态A到状态B的过程，该气体内能的增量ΔU 及其从外界吸收的热量Q.
2 2
【答案】 (1)0 9 J (2)9 J 3 J
【解析】 (1)由题意知，从状态A到状态C的过程，气体发生等容变化，
该气体对外界做的功W＝0
1
根据热力学第一定律有ΔU＝W＋Q
1 1 1
得内能的增量ΔU＝Q＝9 J.
1 1
(2)从状态A到状态B的过程，体积减小，温度升高，
B、C两状态温度相同，
则该气体内能的增量ΔU＝ΔU＝9 J
2 1
根据热力学第一定律有ΔU＝W＋Q
2 2 2
则从外界吸收的热量Q＝ΔU－W＝3 J.
2 2 2
2.(2021·山东济南市5月高考模拟)一定质量的理想气体从状态a开始，经历三个过程ab、bc、ca回到原状
态，其p－V 图像如图所示。已知气体在状态a的压强为p 、体积为V 、温度为T ，气体在状态b的温度
0 0 0
T＝1.5T，气体在状态c的温度T＝T，求
b 0 c 0
(1)气体在状态b时的体积；(2)分析说明气体由状态c到状态a是吸热还是放热，并求出吸收或放出的热量。
【答案】 (1)1.5V (2)放热 pV
0 0 0
【解析】 (1)a到b是等压变化，有＝
解得V＝1.5V。
b 0
(2)由于T＝T，c到a过程，ΔU＝0，气体体积减小，外界对气体做功即
a c
W＞0，由热力学第一定律ΔU＝Q＋W可知，需要放热，从b到c，V＝V，＝
c b
得p＝p
c 0
从c到a过程外界对气体做功
W ＝(p＋p)(V－V)＝pV
ca a c c a 0 0
则放出热量Q＝W ＝pV。
ca 0 0
3.(2021·潍坊模拟)如图所示在绝热汽缸内，有一绝热轻活塞封闭一定质量的气体，开始时缸内气体温度为
27 ℃，封闭气柱长9 cm，活塞横截面积S＝50 cm2。现通过汽缸底部电阻丝给气体加热一段时间。此过程
中气体吸热22 J，稳定后气体温度变为127 ℃。已知大气压强等于105 Pa，求：
(1)加热后活塞到汽缸底端的距离；
(2)此过程中气体内能改变了多少。
【答案】(1)12 cm (2)7 J
【解析】 (1)取被封闭的气体为研究的对象。开始时气体的体积为 LS，温度为：T ＝(273＋27)K＝300
1 1
K，
末状态的体积为LS，温度为：T＝(273＋127)K＝400 K
2 2
气体做等压变化，则＝
代入数据得：L＝12 cm。
2
(2)在该过程中，气体对外做功：
W＝F·ΔL＝pS(L－L)＝105×50×10－4×(12－9)×10－2 J＝15 J，
0 2 1
由热力学第一定律：ΔU＝Q－W＝22 J－15 J＝7 J。
4.(2021·衡阳八中质检)如图所示，开口向上竖直放置的内壁光滑汽缸，侧壁绝热，底部导热，内有两个质
量均为m的密闭活塞，活塞A导热，活塞B绝热，将缸内理想气体分成Ⅰ、Ⅱ两部分．初状态整个装置静
止不动且处于平衡状态，Ⅰ、Ⅱ两部分气体的高度均为l，温度为T.设外界大气压强为p 保持不变，活塞
0 0 0
横截面积为S，且mg＝pS，环境温度保持不变．求：在活塞A上逐渐添加铁砂，当铁砂质量等于2m时，
0
两活塞在某位置重新处于平衡，活塞A下降的高度．【答案】：l
0
【解析】：对Ⅰ气体，初状态压强p＝p＋＝2p，末状态压强p′＝p＋＝4p
1 0 0 1 0 0
由玻意耳定律得plS＝p′lS
10 1 1
所以l＝l
1 0
对Ⅱ气体，初状态压强p＝p＋＝3p，末状态压强p′＝p′＋＝5p
2 1 0 2 1 0
由玻意耳定律得plS＝p′lS，所以l＝l
20 2 2 2 0
A活塞下降的高度为Δl＝2l－l－l＝l
0 1 2 0
5.(2021·湖南G1联盟联考)如图所示，开口向上的汽缸C静置于水平桌面上，用一横截面积S＝50 cm2的轻
质活塞封闭了一定质量的理想气体，一轻绳一端系在活塞上，另一端跨过两个定滑轮连着一劲度系数k＝2
800 N/m的竖直轻弹簧A，A下端系有一质量m＝14 kg的物块B.开始时，缸内气体的温度t＝27 ℃，活塞
1
到缸底的距离L＝120 cm，弹簧恰好处于原长状态．已知外界大气压强恒为p＝1.0×105 Pa，取重力加速
1 0
度g＝10 m/s2，不计一切摩擦．现使缸内气体缓慢冷却，求：
(1)当B刚要离开桌面时汽缸内封闭气体的温度；
(2)气体的温度缓慢冷却到－93 ℃时B离桌面的高度H.(结果保留两位有效数字)
【答案】：(1)－66 ℃ (2)15 cm
【解析】：(1)B刚要离开桌面时弹簧拉力为kx＝mg，
1
由活塞受力平衡得pS＝pS－kx，T＝300 K
2 0 1 1
根据理想气体状态方程有＝，
代入数据解得T＝207 K，t＝T－273＝－66 ℃
2 2 2
当B刚要离开桌面时缸内气体的温度t＝－66 ℃
2
(2)由(1)得x ＝5 cm，当温度降至－66 ℃之后，若继续降温，则缸内气体的压强不变，根据盖－吕萨克定
1
律，有＝
代入数据解得H＝15 cm.6.一定质量的理想气体被活塞封闭在水平放置的汽缸内，如图所示。活塞的质量 m＝20 kg，横截面积S＝
100 cm2，活塞可沿汽缸壁无摩擦滑动但不漏气，开始使汽缸水平放置，活塞与汽缸底的距离L ＝12 cm，
1
离汽缸口的距离L＝3 cm。汽缸内气体的初始温度为27 ℃，大气压强为1.0×105 Pa，将汽缸缓慢地转到开
2
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，
求：
(1)此时气体的温度为多少；
(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＝370 J的热量，则气体增加的内能ΔU多
大？
【答案】(1)450 K (2)310 J
【解析】(1)当汽缸水平放置时，
p＝1.0×105 Pa，
0
V＝LS，T＝(273＋27) K＝300 K
0 1 0
当汽缸口朝上，活塞到达汽缸口时，活塞的受力分析如图所示，有
pS＝pS＋mg
1 0
则p＝p＋＝1.0×105 Pa＋ Pa＝1.2×105 Pa
1 0
V＝(L＋L)S
1 1 2
由理想气体状态方程得＝
则T＝T＝×300 K＝450 K。
1 0
(2)当汽缸口向上，未加热稳定时：由玻意耳定律得
pLS＝pLS
0 1 1
则L＝＝ cm＝10 cm
加热后，气体做等压变化，外界对气体做功为
W＝－p(L＋L－L)S－mg(L＋L－L)＝－60 J
0 1 2 1 2
根据热力学第一定律
ΔU＝W＋Q得ΔU＝310 J。
