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专题16 热学
考点内容
要求
考情
物质的微观结构
b
2021·重庆卷·8、2023·海南卷·5
2020·全国卷Ⅰ·33(1)、2023·北京卷·1
2023·全国卷新课标·8、2023·浙江1 月选考·18
2022·全国乙卷·33(2)、2023·海南卷·16
2022·重庆卷·15(2)、2023·辽宁卷·5
2023·上海卷·4、2022·江苏卷·7
2021·全国甲卷·33(1)、2021·河北卷·15(1)
2023·浙江1 月选考·17、2022·重庆卷·15(1)
2022·山东卷·5、2021·山东卷·2
分子热运动、布朗运动
c
分子间的作用力
c
内能（分子动能和势能）
b
固体的晶体和非晶体、液体的表面张力现象
a
气体实验定律、理想气体
b
做功和热传递是改变物体内能的两种方式
c
热力学第一定律、热力学第二定律
c
能量守恒定律、能源
a
学
习
目
标
1.掌握分子模型的构建与分子直径的估算方法
2.了解分子动理论的基本观点.了解扩散现象并能解释布朗运动.
3.知道分子间作用力随分子间距离变化的图像.
4.了解物体内能的决定因素．
5.知道晶体和非晶体的特点,了解表面张力现象和毛细现象，知道它们的产生原因.
6.掌握气体压强的计算方法及气体压强的微观解释.
7.能用气体实验定律解决实际问题，并会分析气体图像问题．
8.知道改变内能的两种方式，理解热力学第一定律，并能用热力学第一定律解决相关问题.
9.理解热力学第二定律，知道热现象的方向性.
1
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知识点01 分子动理论、内能......................................................................................................................................3
一、分子的大小.....................................................................................................................................................3
二、分子的两种模型............................................................................................................................................3
三、阿伏加德罗常数............................................................................................................................................3
四、分子热运动.....................................................................................................................................................3
五、分子间的相互作用力....................................................................................................................................4
六、物体的内能.....................................................................................................................................................4
七、分子间的作用力、分子势能与分子间距离的关系....................................................................................5
八、温度与温标.....................................................................................................................................................6
知识点02 固体、液体与气体......................................................................................................................................6
一、固体.................................................................................................................................................................6
二、液体.................................................................................................................................................................7
三、液晶.................................................................................................................................................................7
四、气体的状态参量............................................................................................................................................7
五、气体压强的计算............................................................................................................................................8
六、气体的变化——气体实验定律..................................................................................................................12
七、理想气体状态方程......................................................................................................................................12
八、气体状态变化的图像问题..........................................................................................................................14
九、气体分子运动的特点..................................................................................................................................17
知识点02 热力学定律................................................................................................................................................18
一、改变内能的两种方式..................................................................................................................................18
二、能量转化和守恒定律..................................................................................................................................18
三、热力学第一定律..........................................................................................................................................18
四、热力学第一定律与图像的综合应用..........................................................................................................19
五、热力学第一定律与气体实验定律综合问题的解题思路..........................................................................19
六、热力学第二定律..........................................................................................................................................22
七、永动机不可能制成......................................................................................................................................23
知识点01 分子动理论、内能
一、分子的大小
物质是由大量分子组成的，分子直径的数量级一般是10-10m. 分子的质量：数量级为10-26 kg.
2
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二、分子的两种模型
1.球模型：
V 0=1
6 πd3
，得直径
d=
3√
6V 0
π
(常用于固体和液体)．
2.立方体模型：V 0=d3
，得边长d=3√V 0 (常用于气体)．
三、阿伏加德罗常数
1.1 mol 的任何物质都含有相同的粒子数．通常可取N A=6.02×1023mol−1
；
2.阿伏加德罗常数是联系宏观物理量和微观物理量的桥梁．
【技巧点拨】
①微观量与宏观量
Ⅰ、微观量：分子质量m0、分子体积V0、分子直径d 等．
Ⅱ、宏观量：物体的质量m、摩尔质量M、物体的密度ρ、物体的体积V、摩尔体积Vmol等．
②几个重要关系
Ⅰ、一个分子的质量：
m0= M
N A .
Ⅱ、一个分子的体积：
V 0=V mol
N A (注意：对于气体，V0表示一个气体分子占有的空间)．
Ⅲ、1 mol 物体的体积：
V mol= M
ρ .
四、分子热运动
1.分子热运动：分子做永不停息的无规则运动．
2.扩散现象:不同的物质互相接触时，可以彼此进入对方中去.温度越高，扩散越快. 扩散现象就是
分子的运动，发生在固体、液体、气体任何两种物质之间．
3.布朗运动:在显微镜下看到的悬浮在液体（或气体）中微小颗粒的无规则运动，是液体分子对微
小颗粒撞击作用的不平衡造成的，是液体分子永不停息地无规则运动的宏观反映.颗粒越小，布朗运动越
明显;温度越高，布朗运动越明显.
【技巧点拨】布朗运动不是分子的运动，但它反映了液体(或气体)分子的无规则运动．
五、分子间的相互作用力
分子间同时存在着引力和斥力，引力和斥力都随分子间距离增大而减小，但斥力的变化比引力的变化
快，实际表现出来的是引力和斥力的合力.
3
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六、物体的内能
1.分子动能:做热运动的分子具有动能，在热现象的研究中，单个分子的动能是无研究意义的，重要
的是分子热运动的平均动能.温度是物体分子热运动的平均动能的标志.
2.分子势能:分子间具有由它们的相对位置决定的势能，叫做分子势能.分子势能随着物体的体积变化
而变化.分子间的作用表现为引力时，分子势能随着分子间的距离增大而增大.分子间的作用表现为斥力时，
分子势能随着分子间距离增大而减小.对实际气体来说，体积增大，分子势能增加;体积缩小，分子势能减
小.
3.物体的内能:物体里所有的分子的动能和势能的总和叫做物体的内能.任何物体都有内能，物体的内
能跟物体的温度和体积有关.
4.物体的内能和机械能有着本质的区别.物体具有内能的同时可以具有机械能，也可以不具有机械能.
①内能：物体中所有分子的热运动动能与分子势能的总和．
②决定因素：温度、体积和物质的量．
③影响因素：物体的内能与物体的位置高低、运动速度大小无关．
④改变物体内能的两种方式：做功和热传递．
【技巧点拨】分析物体内能问题的五点提醒
【实战演练】
(2021·重庆卷·8)图甲和图乙中曲线Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分别描述了某物理量随分子之间的距离变化的规律，r0为
平衡位置．现有如下物理量：①分子势能，②分子间引力，③分子间斥力，④分子间引力和斥力的合
力，则曲线Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ对应的物理量分别是( )
A．①③② B．②④③ C．④①③ D．①④③
答案 D
解析 根据分子处于平衡位置(即分子之间距离为r0)时分子势能最小，可知曲线Ⅰ为分子势能随分子之
间距离r 变化的图像；根据分子处于平衡位置(即分子之间距离为r0)时分子间作用力为零，可知曲线Ⅱ
为分子间作用力随分子之间距离r 变化的图像；根据分子之间斥力随分子之间距离的增大而减小以及
分子间距离小于r0时分子间作用力表现为斥力，可知曲线Ⅲ为分子间斥力随分子之间距离r 变化的图
像，故选D.
4
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①内能是对物体的大量分子而言的，不存在某个分子内能的说法．
②内能的大小与温度、体积、物质的量和物态等因素有关．
③通过做功或热传递可以改变物体的内能．
④温度是分子平均动能的标志，相同温度的任何物体，分子的平均动能都相同．
⑤内能由物体内部分子微观运动状态决定，与物体整体运动情况无关．任何物体都具有内能，
恒不为零．
七、分子间的作用力、分子势能与分子间距离的关系
分子间的作用力F、分子势能Ep 与分子间距离r 的关系图线如图所示(取无穷远处分子势能Ep＝0)．
1.当r＞r0时，分子间的作用力表现为引力，当r 增大时，分子间的作用力做负功，分子势能增大．
2.当r＜r0时，分子间的作用力表现为斥力，当r 减小时，分子间的作用力做负功，分子势能增大．
3.当r＝r0时，分子势能最小.
【实战演练】
(2023·海南卷·5)下列关于分子力和分子势能的说法正确的是( )
A. 分子间距离大于r0时，分子间表现为斥力
B. 分子从无限远靠近到距离r0处过程中分子势能变大
C. 分子势能在r0处最小
D. 分子间距离小于r0且减小时，分子势能在减小
【答案】C
【解析】分子间距离大于r0，分子间表现为引力，分子从无限远靠近到距离r0处过程中，引力做正
功，分子势能减小，则在r0处分子势能最小；继续减小距离，分子间表现为斥力，分子力做负功，分
子势能增大。故选C。
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八、温度与温标
1.一切达到热平衡的系统都具有相同的温度．
2.两种温标：摄氏温标和热力学温标．关系：T =t+276.15 K .
【技巧点拨】绝对零度为-273.15℃，它是低温的极限，只能接近不能达到.
知识点02 固体、液体与气体
一、固体
1.分类：固体分为晶体和非晶体两类．晶体又分为单晶体和多晶体．
2.晶体和非晶体的比较
分类
比较
晶体
非晶体
单晶体
多晶体
外形
有规则的形状
无确定的几何形状
无确定的几何外形
熔点
确定
确定
不确定
【实战演练】
(2020·全国卷Ⅰ·33(1))分子间作用力F 与分子间距r 的关系如图所示，r＝ r1时，F＝0.分子间势能由r
决定，规定两分子相距无穷远时分子间的势能为零．若一分子固定于原点O，另一分子从距O 点很远
处向O 点运动，在两分子间距减小到r2的过程中，势能________(填“减小”“不变”或“增大”)；
在间距由r2减小到r1的过程中，势能_________(填“减小”“不变”或“增大”)；在间距等于r1处，
势能____(填“大于”“等于”或“小于”)零．
【答案】减小 减小 小于
【解析】分子势能与分子间距离变化的关系图像如图所示，两分子间距减小到r2的过程中及由r2减小
到r1的过程中，分子间作用力做正功，分子势能减小；在间距等于r1处，分子势能最小，小于零．
6
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物理性质
各向异性
各向同性
各向同性
典型物质
石英、云母、明
矾、食盐
各种金属
玻璃、橡胶、蜂蜡、
松香、沥青
转化
晶体和非晶体在一定条件下可以相互转化
二、液体
1.液体的表面张力
①作用效果：液体的表面张力使液面具有收缩的趋势，使液体表面积趋于最小，而在体积相同的
条件下，球形表面积最小．
②方向：表面张力跟液面相切，跟这部分液面的分界线垂直．
③形成原因：表面层中分子间距离比液体内部分子间距离大，分子间作用力表现为引力．
三、液晶
1.液晶的物理性质
①具有液体的流动性．
②具有晶体的光学各向异性．
2.液晶的微观结构：从某个方向上看，其分子排列比较整齐，但从另一方向看，分子的排列是杂乱无
章的．
四、气体的状态参量
1.气体的温度:宏观表现为物体的冷热程度，微观表现为气体分子平均动能的标志.
2.气体的体积:气体的体积不是气体分子自身体积的总和，而是指大量气体分子所能达到的整个空间
的体积.封闭在容器内的气体，其体积等于容器的容积.
3.气体的压强:气体作用在器壁单位面积上的压力.数值上等于单位时间内器壁单位面积上受到气体分
子的总冲量.
①产生原因:大量气体分子无规则运动碰撞器壁，形成对器壁各处均匀的持续的压力.
②决定因素:一定气体的压强大小，微观上决定于分子的运动速率和分子密度;宏观上决定于气体的
温度和体积.
Ⅰ、宏观上：决定于气体的温度和体积．
Ⅱ、微观上：决定于分子的平均动能和分子的密集程度．
7
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五、气体压强的计算
1.活塞模型：如图所示是最常见的封闭气体的两种方式．
求气体压强的基本方法：先对活塞进行受力分析，然后根据平衡条件或牛顿第二定律列方程．
图甲中活塞的质量为m，活塞横截面积为S，外界大气压强为p0.由于活塞处于平衡状态，所以
p0 S+mg =pS ，
则气体的压强为
p0=p0+ mg
S
.
图乙中的液柱也可以看成“活塞”，由于液柱处于平衡状态，所以pS +mg =p0 S ，
则气体压强为
p=p0−mg
S =p0−ρ液gh
.
2.连通器模型：如图所示，U 形管竖直放置．同一液体中的相同高度处压强一定相等，所以气体B 和A
的压强关系可由图中虚线联系起来．则有pB+ρ gh 2=pA ，而pA=p0+ρ gh 1，
所以气体B 的压强为pB=p0+ρg(h1−h2)．
【技巧点拨】
①被活塞或汽缸封闭的气体，通常分析活塞或汽缸的受力，应用平衡条件或牛顿第二定律求解，
压强单位为Pa.
②水银柱密封的气体，应用p=p0+ ph 或p=p0−ph 计算压强，压强p 的单位为cmHg 或
mmHg .
【实战演练】
(2023·北京卷·1)夜间由于气温降低，汽车轮胎内的气体压强变低。与白天相比，夜间轮胎内的气体( )
A. 分子的平均动能更小 B. 单位体积内分子的个数更少
C. 所有分子的运动速率都更小 D. 分子对轮胎内壁单位面积的平均作用力更大
【答案】A
【解析】解：AC、夜晚温度降低，则分子的平均动能更小，气体分子平均速率减小，但不是所有分子
速率都在减小，故A 正确，C 错误；
B、根据查理定律可知轮胎内的气体体积减小，则单位体积内分子的个数更多，故B 错误；
D、车胎内气体温度降低，气体分子剧烈程度降低，压强减小，故分子对轮胎内壁单位面积的平均作用
力变小，故D 错误；
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③关联气体问题：解决由活塞、液柱相联系的两部分气体问题时，根据两部分气体压强、体积的
关系，列出关联关系式，再结合气体实验定律或理想气体状态方程求解．
【实战演练】
(2023·全国卷新课标·8)如图，一封闭着理想气体的绝热汽缸置于水平地面上，用轻弹簧连接的两绝热
活塞将汽缸分为f 、g、ℎ三部分，活塞与汽缸壁间没有摩擦。初始时弹簧处于原长，三部分中气体的
温度、体积、压强均相等。现通过电阻丝对f 中的气体缓慢加热，停止加热并达到稳定后( )
A. ℎ中的气体内能增加
B. f 与g中的气体温度相等
C. f 与ℎ中的气体温度相等
D. f 与ℎ中的气体压强相等
【答案】AD
【解析】解：A、当电阻丝对f 中的气体缓慢加热时，f 中的气体内能增大，温度升高，根据一定质量
的理想气体状态方程pV =CT可知，f 中的气体的压强增大，则会向右推动活塞，而ℎ中的气体体积减
小，外界对气体做正功，因为活塞和气缸绝热，根据热力学第一定律ΔU =Q+W 可知，ℎ中的气体内
能增加，故A 正确；
B、初始状态下，三部分气体的状态参量完全相同，当系统再次稳定时，对左侧活塞分析可得：
pf S = F + pg S
因为f 中的气体温度升高，则f 中的气体压强增大，则弹簧对左边活塞的弹力水平向左，由此可知弹簧
处于压缩状态。
分别对f 和g中的气体，根据一定质量的理想气体状态方程可得：
p0V 0
T 0
= pf V f
T f
，
p0V 0
T 0
= pgV g
T g
其中，V f >V g
联立解得：T f >T g，故B 错误；
CD、根据题意可知，两个活塞和弹簧组成的整体会向右移动一段距离，因此最终f 中的气体体积增
大，ℎ中的体积减小，压强增大，将两绝热活塞和弹簧当成整体，可知再次稳定时f 和ℎ中的压强再次
相等，对ℎ中的气体，根据一定质量的理想气体状态方程可得：
p0V 0
T 0
= pℎV ℎ
T ℎ
联立解得：T f >T ℎ，故C 错误，D 正确；
故选：AD。
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【实战演练】
(2023·浙江1 月选考·18)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 =100cm
2、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T A =300 K、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，此时气体达到状态B。活塞保持不动，气体被继续加
热至温度T c =363 K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 =158 J。
取大气压p0=0.99×10
5 Pa，求气体。
(1)在状态B的温度；
(2)在状态C的压强；
(3)由状态A到状态C过程中从外界吸收热量Q。
【答案】解：(1)从状态A到状态B的过程中气体发生等压变化，根据盖—吕萨克定律得
ℎ0 S
T A
= (ℎ0+d )S
T B
代入数据解得：T B=330 K
(2)气体在状态B的压强为pB= p0+ mg
S =0.99×10
5 Pa+
1×10
100×10
−4 Pa=1×10
5 Pa
从状态B到状态C的过程中气体发生等容变化，根据查理定律得
pB
T B
= pC
T C
代入数据解得：pC =1.1×10
5 Pa
(3)从状态A到状态B的过程中气体对外做的功为W = pB Sd =1×10
5×100×10
−4×0.03 J =30 J
从状态B到状态C的过程中气体不做功。由状态A到状态C过程中，根据热力学第一定律得
ΔU =Q−W
代入数据解得：Q =188 J
答：(1)气体在状态B的温度为330 K；
(2)气体在状态C的压强为1.1×10
5 Pa；
(3)由状态A到状态C过程中从外界吸收热量Q为188 J。
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六、气体的变化——气体实验定律
玻意耳定律
查理定律
盖—吕萨克定律
内容
一定质量的某种气
体，在温度不变的情
况下，压强与体积成
反比
一定质量的某种气体，在
体积不变的情况下，压强
与热力学温度成正比
一定质量的某种气体，在
压强不变的情况下，其体
积与热力学温度成正比
【实战演练】
(2022·全国乙卷·33(2))如图，一竖直放置的汽缸由两个粗细不同的圆柱形筒组成，汽缸中活塞Ⅰ和活塞
Ⅱ之间封闭有一定量的理想气体，两活塞用一轻质弹簧连接，汽缸连接处有小卡销，活塞Ⅱ不能通过
连接处．活塞Ⅰ、Ⅱ的质量分别为2m、m，面积分别为2S、S，弹簧原长为l.初始时系统处于平衡状态，
此时弹簧的伸长量为0.1l，活塞Ⅰ、Ⅱ到汽缸连接处的距离相等，两活塞间气体的温度为T0.已知活塞
外大气压强为p0，忽略活塞与缸壁间的摩擦，汽缸无漏气，不计弹簧的体积，重力加速度为g.
(1)求弹簧的劲度系数；
(2)缓慢加热两活塞间的气体，求当活塞Ⅱ刚运动到汽缸连接处时，活塞间气体的压强和温度．
【答案】(1) (2)p0＋ T0
【解析】(1)设封闭气体的压强为p1，对两活塞和弹簧的整体受力分析，由平衡条件有
2mg＋p0·2S＋mg＋p1S＝p0S＋p1·2S
解得p1＝p0＋
对活塞Ⅰ由平衡条件有
2mg＋p0·2S＋k·0.1l＝p1·2S
解得弹簧的劲度系数为k＝
(2)缓慢加热两活塞间的气体使得活塞Ⅱ刚运动到汽缸连接处时，对两活塞和弹簧的整体由平衡条件可
知，气体的压强不变依然为p2＝p1＝p0＋
即封闭气体发生等压变化，初、末状态的体积分别为V1＝·2S＋·S＝，V2＝l2·2S
由于气体的压强不变，则弹簧的弹力也不变，故有l2＝1.1l，由＝，解得T2＝T0.
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图像
七、理想气体状态方程
1.理想气体：在任何温度、任何压强下都遵从气体实验定律的气体．
①在压强不太大、温度不太低时，实际气体可以看作理想气体．
②理想气体的分子间除碰撞外不考虑其他作用，一定质量的某种理想气体的内能仅由温度决定．
2.理想气体状态方程：
p1V 1
T 1
=
p2V 2
T 2
或
pV
T =C
.(质量一定的理想气体)
【技巧点拨】
①解题基本思路
Ⅰ、选对象：根据题意，选出所研究的某一部分一定质量的气体．
Ⅱ、找参量：分别找出这部分气体状态发生变化前后的p、V、T，其中压强的确定是关键．
Ⅲ、认过程：认清变化过程，正确选用物理规律．
Ⅳ、列方程：选用理想气体状态方程或某一气体实验定律列式求解，必要时讨论结果的合理性.
②分析气体状态变化的问题要抓住三点
Ⅰ、弄清一个物理过程分为哪几个阶段．
Ⅱ、找出几个阶段之间是由什么物理量联系起来的．
Ⅲ、明确哪个阶段应遵循什么实验定律．
【实战演练】
(2023·海南卷·16)某饮料瓶内密封一定质量理想气体，t =27℃时，压强p=1.050×10
5 Pa。
(1)t ′ =37℃时，气压是多大？
(2)保持温度不变，挤压气体，使之压强与(1)时相同时，气体体积为原来的多少倍？
【答案】解：(1)瓶内气体的始末状态的热力学温度分别为
T =(27+273)K =300 K，T ′ =(37+273)K =310 K
温度变化过程中体积不变，故由查理定律有p
T = p′
T ′ ,解得：p′ =1.085×10
5 Pa
(2)保持温度不变，挤压气体，等温变化过程，由玻意耳定律有pV = p′ V ′ 解得：V ′ ≈0.968V
答：(1)t ′ =37℃时，气压为1.085×10
5 Pa；
(2)保持温度不变
挤压气体
使之压强与(1)时相同时
气体体积为原来的0 968倍
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八、气体状态变化的图像问题
1．四种图像的比较
类别
特点(其中C 为常量)
举例
p－V
pV =CT ，即pV 之积越大的等温线温度越高，线离原
点越远
p－
p=CT 1
V ，斜率k=CT ，即斜率越大，温度越高
p－T
p= C
V T
，斜率
k= C
V ，即斜率越大，体积越小
V－T
V =C
p T
，斜率
k=C
p ，即斜率越大，压强越小
2.处理气体状态变化的图像问题的技巧
①首先应明确图像上的点表示一定质量的理想气体的一个状态，它对应着三个状态量；图像上的某
一条直线段或曲线段表示一定质量的理想气体状态变化的一个过程．看此过程属于等温、等容还是等压变
化，然后用相应规律求解．
②在V－T 图像(或p－T 图像)中，比较两个状态的压强(或体积)时，可比较这两个状态到原点连线
的斜率的大小，斜率越大，压强(或体积)越小；斜率越小，压强(或体积)越大．
【技巧点拨】合理选取气体变化所遵循的规律列方程
①若气体质量一定，p、V、T 中有一个量不发生变化，则选用对应的气体实验定律列方程求解．
②若气体质量一定，p、V、T 均发生变化，则选用理想气体状态方程列式求解．
【实战演练】
(2022·重庆卷·15(2))某同学探究一封闭汽缸内理想气体的状态变化特性，得到压强p 随温度t 的变化如
图所示．已知图线 Ⅰ 描述的是体积为V1的等容过程，当温度为t1时气体的压强为p1；图线 Ⅱ 描述
的是压强为p2的等压过程．取0 ℃为273 K，求：
(1)等容过程中，温度为0 ℃时气体的压强；
(2)等压过程中，温度为0 ℃时气体的体积．
答案 (1) (2)
解析 (1)在等容过程中，设0 ℃时气体压强为p0，根据查理定律有＝，
解得p0＝
(2)当压强为p2，温度为0 ℃时，设此时体积为V2，则根据理想气体状态方程有＝
解得V2＝.
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【实战演练】
(2023·辽宁卷·5)“空气充电宝”是一种通过压缩空气实现储能的装置，可在用电低谷时储存能量、用
电高峰时释放能量。“空气充电宝”某个工作过程中，一定质量理想气体的p−T图像如图所示。该过
程对应的p−V 图像可能是( )
A.
B.
C.
D.
【答案】B
【解析】解：由p−T图像可知a→b的过程为等压升温的过程，由一定质量理想气体的状态方程：
pV
T =C，可知此过程气体的体积增大，则此过程的p−V 图像是平行于横轴的直线，且b在a右侧。
由p−T图像可知b→c的过程，气体的压强减小，温度降低，根据pV
T =C，无法判断气体体积如何变
化，但是此过程气体的压强减小，则在p−V 图像中c在b的下方。
综合上述分析，可知全过程对应的p−V 图像只有B选项的图像是可能的，故B 正确，ACD 错误。
【实战演练】
(2023·上海卷·4)一定质量的理想气体，经历如图过程，其中ab、cd分别为双曲线的一部分。下列对a、
b、c、d四点温度大小比较正确的是( )
A. T a>T b B. T b>T c C. T c>T d D. T d>T a
【答案】B
【解析】解：p−V 图象中，双曲线代表等温线，则ab温度相等，cd温度相等；
由a到d，气体体积不变，根据
pa
T a
= pd
T d
，可知a的温度大于d的温度；
由b到c，气体体积不变，根据
pb
T b
= pc
T c
，可知b的温度大于c的温度；
故ACD 错误，B 正确；
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九、气体分子运动的特点
1.气体分子间有很大的空隙.气体分子之间的距离大约是分子直径的10 倍.
2.气体分子之间的作用力十分微弱.在处理某些问题时，可以把气体分子看作没有相互作用的质点.
3．气体分子运动的速率分布图像：气体分子间距离大约是分子直径的10 倍，分子间作用力十分微弱，
可忽略不计；分子沿各个方向运动的机会均等；分子速率的分布规律按“中间多、两头少”的统计规律分
布，且这个分布状态与温度有关，温度升高时，平均速率会增大，如图所示．
【实战演练】
(2022·江苏卷·7)如图所示，一定质量的理想气体分别经历a→b 和a→c 两个过程，其中a→b 为等温过
程，状态b、c 的体积相同，则( )
A．状态a 的内能大于状态b B．状态a 的温度高于状态c
C．a→c 过程中气体吸收热量 D．a→c 过程中外界对气体做正功
【答案】C
【解析】由于a→b 的过程为等温过程，即状态a 和状态b 温度相同，分子平均动能相同，对于理想气
体，状态a 的内能等于状态b 的内能，故A 错误；由于状态b 和状态c 体积相同，且pb<pc，根据查理
定律有＝，可知Tb<Tc，又因为Ta＝Tb，故Ta<Tc，故B 错误；因为a→c 过程气体体积增大，气体对外界
做正功，而气体温度升高，内能增加，根据ΔU＝W＋Q，可知气体吸收热量，故C 正确，D 错误．
【实战演练】
(2021·全国甲卷·33(1))如图，一定量的理想气体经历的两个不同过程，分别由体积－温度(V－t)图上的
两条直线Ⅰ和Ⅱ表示，V1和V2分别为两直线与纵轴交点的纵坐标；t0是它们的延长线与横轴交点的横
坐标，t0＝－273.15 ℃；a 为直线Ⅰ上的一点．由图可知，气体在状态a 和b 的压强之比＝________；
气体在状态b 和c 的压强之比＝________.
答案 1
解析 由体积－温度(V－t)图像可知，直线Ⅰ为等压线，则a、b 两点压强相等，则有＝1；
t＝0 ℃时，当气体体积为V1时，设其压强为p1，当气体体积为V2时，设其压强为p2，温度相等，由玻
意耳定律有p1V1＝p2V2
由于直线Ⅰ和Ⅱ为两条等压线，则有p1＝pb，p2＝pc
联立解得＝＝.
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知识点02 热力学定律
一、改变内能的两种方式
1.做功:其本质是其他形式的能和内能之间的相互转化.
2.热传递:其本质是物体间内能的转移.
3.做功和热传递在改变物体的内能上是等效的，但有本质的区别.
二、能量转化和守恒定律
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．
【实战演练】
(2021·河北卷·15(1))两个内壁光滑、完全相同的绝热汽缸A、B，汽缸内用轻质绝热活塞封闭完全相同
的理想气体，如图甲所示．现向活塞上表面缓慢倒入细沙，若A 中细沙的质量大于B 中细沙的质量，
重新平衡后，汽缸A 内气体的内能________(填“大于”“小于”或“等于”)汽缸B 内气体的内能，图
乙为重新平衡后A、B 汽缸中气体分子速率分布图像，其中曲线________(填图像中曲线标号)表示汽缸
B 中气体分子的速率分布规律．
【答案】大于 ①
【解析】对活塞受力分析有p＝，因为A 中细沙的质量大于B 中细沙的质量，故稳定后有pA>pB；所以
在达到平衡过程中外界对封闭气体做的功有WA>WB，则根据ΔU＝W＋Q，因为汽缸和活塞都是绝热的，
即Q＝0，故有ΔUA>ΔUB，即重新平衡后汽缸A 内气体的内能大于汽缸B 内气体的内能；由题图乙中曲
线可知曲线②中分子速率大的分子数占总分子数百分比较大，即曲线②的温度较高，由前面分析可知
汽缸B 温度较低，故曲线①表示汽缸B 中气体分子的速率分布规律．
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三、热力学第一定律
1.内容:物体内能的增量（ΔU）等于外界对物体做的功（W）和物体吸收的热量（Q）的总和.
2.表达式: W +Q=ΔU
3.符号法则:
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
【技巧点拨】
①热力学第一定律的理解
Ⅰ、内能的变化都要用热力学第一定律进行综合分析．
Ⅱ、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．
Ⅲ、与外界绝热，则不发生热传递，此时Q＝0.
Ⅳ、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
Ⅰ、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；
Ⅱ、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；
Ⅲ、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．
四、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
pV
T =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．
五、热力学第一定律与气体实验定律综合问题的解题思路
1.确定研究对象：①气体②气缸、活塞、液柱等
2.两类分析：
①气体实验定律：状态量，初末态之间发生的变化
②热力学定律：做功情况，吸、放热情况，内能变化情况
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3.选择规律列方程求解：气体的三个实验定律，理想气体状态方程，热力学第一定律
【实战演练】
(2023·浙江1 月选考·17)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＝100 cm2、质量m＝1 kg 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＝300 K、活塞与容器底的距离h0＝30 cm 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＝3 cm 恰好到达容器内的卡口处，此时气体达到状态B.活塞保持不动，气体被继续加
热至温度TC＝363 K 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＝158 J．
取大气压p0＝0.99×105 Pa，求气体
(1)在状态B 的温度；
(2)在状态C 的压强；
(3)由状态A 到状态C 过程中从外界吸收热量Q.
【答案】(1)330 K (2)1.09×105 Pa (3)187.7 J
【解析】(1)根据题意可知，气体由状态A 变化到状态B 的过程中，封闭气体的压强不变，为p0，则有
＝
解得TB＝TA＝330 K
(2)根据题意可知，气体由状态B 变化到状态C 的过程中，气体的体积不变，则有＝
解得pC＝pB＝1.1p0≈1.09×105 Pa
(3)根据题意可知，从状态A 到状态C 的过程中气体对外做功，则W0＝－p0ΔV＝－29.7 J
由热力学第一定律有ΔU＝W0＋Q
解得Q＝ΔU－W0＝187.7 J.
(2022·重庆卷·15(1))2022 年5 月15 日，我国自主研发的“极目一号”Ⅲ型浮空艇创造了海拔9 032 米的
大气科学观测世界纪录．若在浮空艇某段上升过程中，艇内气体温度降低，体积和质量视为不变，则
艇内气体(视为理想气体)( )
A．吸收热量
B．压强增大
C．内能减小
D．对外做负功
【答案】C
【解析】由于浮空艇上升过程中体积和质量均不变，则艇内气体不做功；根据＝C，可知温度降低，艇
内气体压强减小，气体内能减小；又根据ΔU＝W＋Q 可知气体放出热量，故选C.
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(2022·山东卷·5)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( )
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
【答案】C
【解析】初始时汽缸开口向上，活塞处于平衡状态，汽缸内外气体对活塞的压力差与活塞的重力平衡，
则有(p1－p0)S＝mg，汽缸在缓慢转动的过程中，汽缸内外气体对活塞的压力差大于重力沿汽缸壁的分
力，故汽缸内气体缓慢地将活塞往外推，最后汽缸水平，缸内气压等于大气压．汽缸、活塞都是绝热
的，故缸内气体与外界没有发生传热，汽缸内气体通过压强作用将活塞往外推，气体对外界做功，根
据热力学第一定律ΔU＝Q＋W 可知，气体内能减小，故缸内理想气体的温度降低，分子热运动的平均
速率减小，并不是所有分子热运动的速率都减小，A、B 错误；气体内能减小，缸内理想气体的温度降
低，速率大的分子数占总分子数的比例减小，C 正确，D 错误．
【实战演练】
(2021·山东卷·2)如图所示，密封的矿泉水瓶中，距瓶口越近水的温度越高．一开口向下、导热良好的
小瓶置于矿泉水瓶中，小瓶中封闭一段空气．挤压矿泉水瓶，小瓶下沉到底部；松开后，小瓶缓慢上
浮，上浮过程中，小瓶内气体( )
A．内能减少
B．对外界做正功
C．增加的内能大于吸收的热量
D．增加的内能等于吸收的热量
答案 B
解析 由于越接近矿泉水瓶口，水的温度越高，因此小瓶上浮的过程中，小瓶内气体的温度升高，内
能增加，A 错误；在小瓶上升的过程中，小瓶内气体的温度逐渐升高，压强逐渐减小，根据理想气体
状态方程＝C，气体体积膨胀，对外界做正功，B 正确；由A、B 分析，小瓶上升时，小瓶内气体内能
增加，气体对外做功，根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，由于气体对外做功，因此吸收的热量大于增
加的内能，C、D 错误．
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六、热力学第二定律
1.热传导的方向性：热传递的过程是有方向性的，热量会自发地从高温物体传给低温物体，而不会自
发地从低温物体传给高温物体.
2.热力学第二定律的两种常见表述
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．
【技巧点拨】
①热力学第二定律的含义
Ⅰ、“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．
Ⅱ、“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
七、永动机不可能制成
1.第一类永动机不可能制成:不消耗任何能量，却可以源源不断地对外做功，这种机器被称为第一类
永动机，这种永动机是不可能制造成的，它违背了能量守恒定律.
2.第二类永动机不可能制成:没有冷凝器，只有单一热源，并从这个单一热源吸收的热量，可以全部
用来做功，而不引起其他变化的热机叫做第二类永动机.第二类永动机不可能制成，它虽然不违背能量守
恒定律，但违背了热力学第二定律.
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