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大题15 热力学定律的综合应用
热力学定律的综合应用是高考物理热学部分的压轴重点，近五年全国卷及新高考卷中
占比约10%，2025 年高考对“热力学定律综合应用”的考查将延续“重模型构建、强数学
整合、拓科技前沿”的命题导向，突出热学核心素养与复杂系统分析能力。备考需以“能
量-熵”双主线为核心，强化循环过程分析与跨学科工具应用，同时关注绿色能源与微尺
度热力学热点，做到“以热为桥，以熵为钥”。建议关注：太阳能热发电系统的热力学效
率分析；温室气体排放的热力学影响模型简化；量子热机的工作原理（如基于能级跃迁的
热力学循环）。
题型1 气体状态变化的图像问题
例1．（2025 浙江模拟预测）某导热性良好的容器，内含一定质量的理想气体，
由状态A 经过状态B 变为状态C 的
图像，如图所示。已知气体在状态A 时的压强是
，其
他已知量在图示中标出。
1
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(1)求
大小。
(2)请你建立一个坐标系，并在该坐标系中，作出气体由状态A 经过B 变为C 的
图像，并标出A、
B、C 的坐标值。
(3)气体由状态A 经过B 变为C 的过程中，假定气体吸收热量为
，求气体A、C 状态的内能变化
量。
例2．（2025 云南昭通模拟预测）如图所示，一定质量的理想气体从状态
经热力
学过程
、
、
、
后又回到状态
。图中
段为一个四分之三圆弧，
段是一个与前
者半径相同的四分之一圆弧。已知气体在状态
时的温度为27℃，从状态
到状态
的过程中内能变
化了
。求：
(1)气体在
状态时的温度；
(2)气体从状态
到状态
的过程中吸收或放出的热量。
2
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1．（2025 广东模拟预测）卡诺热机是只有两个热源（一个高温热源和一个低温热
源）的简单热机，其循环过程的
图像如图所示，它由两个等温过程（a→b 和c→d）和两个绝热
过程（b→c 和d→a）组成。若热机的工作物质为理想气体，高温热源温度为
，低温热源温度为
图像中a、b、c、d 各状态的参量如图所示。求：
(1)气体处于状态c 的压强
；
(2)气体处于状态a 的体积
；
图像的应用与转换
(1)利用垂直于坐标轴的线作辅助线去分析不同温度的两条等温线、不同体积的两条等容
线、不同压强的两条等压线的关系。
(2)转换技巧
①如图1 所示，V1对应虚线为等容线，A、B 分别是虚线与T2、T1两线的交点，可以认为从B
状态通过等容升压到A 状态，温度必然升高，所以T2>T1。
②如图2 所示，A、B 两点的温度相等，从B 状态到A 状态压强增大，体积一定减小，所以
V2<V1。
图1 图2
3
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(3)若过程a→b 热机从高温热源吸热
，过程c→d 热机向低温热源放热
，求热机完成一次循环对外
做的功W。
题型二 热力学定律与气体实验定律的综合
例3.(2024 真光中学质检)某兴趣小组设计了一温度报警装置，原理图如图所
示．一定质量的理想气体被一上表面涂有导电物质的活塞密封在导热汽缸内，活塞厚度不计，质量m＝
100 g，横截面积S＝10 cm2，开始时活塞距汽缸底部的高度为h＝6 cm，缸内温度为T1＝300 K.当环境
温度上升，活塞缓慢上移Δh＝4 cm，活塞上表面与a、b 两触点恰好接触，报警器报警．不计一切摩
擦，大气压强恒为p0＝1.0×105 Pa，取g＝10 m/s2：
(1) 求该报警装置的报警温度T2.
(2) 若上述过程气体的内能增加 12.96 J，则气体吸收的热量Q 为多少？
例2．（2025 全国一模）如图，一绝热长方体箱体侧壁固定一电阻为
的电
热丝，箱体总体积
箱体内有一不计质量的活塞，其与箱体内壁摩擦不计。活塞左侧空间封
闭一定质量的理想气体，外界大气压强
，箱口处设有卡环。电阻丝经导线与一圆形线圈形成
闭合回路，线圈放置于有界匀强磁场中，线圈平面与磁场方向垂直，磁感应强度大小随时间的变化率
为
。已知线圈的匝数
，面积
，线圈的电阻
。初始时活塞到右侧箱口距
离是到左侧箱底距离的2 倍，接通电路缓慢对气体加热，加热前气体温度为
。
(1)求电热丝两端的电压；
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(2)经一段时间，活塞缓慢运动到箱口，此过程中箱内气体的内能增加了100J，若电热丝产生的热量全
部被气体吸收，求此时箱内气体的温度及电路的通电时间。
2．（2025 浙江杭州模拟预测）如图甲所示，气炮打靶是游乐园常见的娱乐项目。小
明参照气炮枪设计了如图乙模型，水平放置的导热气缸（内壁光滑）呈圆柱形，横截面积为S 的导热
活塞A、B 质量均为M。初始活塞A、B 间距为L，活塞B 被锁定，可自由移动的活塞A 处于静止，在外
力作用下，活塞A 缓慢移动使得活塞A、B 间距变为原来的
，随后活塞A 被锁定，同时释放活塞B，活
塞B 运动距离d 后与弹体C 碰撞（d 很小，可认为此过程气体压强不变），碰后弹体被高速弹出。设环
境温度始终保持不变，大气压强为
。
(1)求活塞A 被锁定时气体的压强；
(2)求活塞B 释放瞬间的加速度大小；
(3)活塞B 运动距离d 过程中气体从外界吸热为Q，求此过程中气体的内能变化。
气体实验定律与热力学定律的综合问题的处理方法
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1．(2023 茂名第一次综合)如图所示为气压升降椅，可升降部分由坐凳和当活
塞用的不锈钢圆柱组成，圆柱光滑、横截面积S＝10 cm2，圆柱封闭着体积为V＝120 cm3的理想气体．
当小明坐上升降椅后，气体被压缩，椅子缓慢下降10 cm 后静止．小明离开椅子后，椅子又缓缓上升
到原来的位置．已知大气压为p0＝1.0×105 Pa，椅子可移动部分质量m＝2 kg，设环境温度不变，取g
＝10 m/s2.求：
(1) 小明坐上椅子前封闭气体的压强p 及小明的质量M.
(2) 在小明坐上椅子到椅子恢复最初状态过程中，封闭气体放出的热量Q.
2．一定质量的理想气体经历了温度缓慢升高的变化，如图所示，p-T 和V-T 图像各记录了其部分变化过程，
求：
(1)温度为600 K 时气体的压强；
(2)在p-T 图像上将温度从400 K 升高到600 K 的变化过程补充完整。
3．如图为一定质量的理想气体的体积V 随热力学温度T 的变化关系图像。由状态A 变化到状态B
的过程中气体吸收热量Q1＝220 J，气体在状态A 的压强为p0＝1.0×105 Pa。求：
(1)气体在状态B 时的温度T2；
(2)气体由状态B 变化到状态C 的过程中，气体向外放出的热量Q2。
4． (2023 广东省综合测试)一定质量的理想气体，状态从A→B→C→D→A 的变化过程可用如图所
示的p－V 图线描述，其中D→A 为等温线，气体在状态A 时温度为TA＝360 K.
(1) 求气体在状态C 时的温度TC.
(2) 若气体在A→B 过程中吸热3 000 J，则在A→B 过程中气体内能变化了多少？
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5．（2025 四川成都二模）一乒乓球的内部气体可视为理想气体，温度为
，压强为
。现乒乓球发生形
变后体积减小了
。已知乒乓球内部气体内能变化量
与温度变化量
的关系式为
，C 为
已知常数。
(1)若乒乓球形变过程可视为等温变化，求形变后乒乓球内部气体的压强
；
(2)为使乒乓球恢复原状，将乒乓球放入热水中如图所示。
I.若乒乓球内部气体被热水加热至
时形变开始恢复，求此时气体压强
；
Ⅱ.若乒乓球从开始恢复到完全复原的过程中，内部气体温度从
上升至
，吸收的热量为
，求该过
程乒乓球内部气体对外做的功
。
6．（2025 河北模拟预测）如图所示，水平面上固定放置一个汽缸，用轻质活塞密封有一定质量的气体，
活塞厚度不计，可在汽缸内无摩擦滑动，移动范围被限制在卡销
、
之间，
与汽缸底部的距离为
1m，卡销
、
间的距离为0.5m，活塞的表面积为
。初始时，活塞在水平向左的外力
作用下静止在卡销
处，此时汽缸内气体的压强为
，温度为300K。将汽缸内的气体加热，使
活塞缓慢移动，活塞恰好到达卡销
。忽略卡销
、
的大小，大气压强为
。
(1)求活塞恰好到达卡销
时汽缸内气体的温度；
(2)若加热过程中汽缸内气体吸收的热量为400J，求汽缸内气体内能的增加量。
7．（2025 甘肃酒泉一模）如图甲所示，质量
、面积
的绝热活塞将理想气体封闭在上端开
口的直立圆筒形的绝热汽缸中，活塞可沿汽缸无摩擦滑动且不漏气。开始时，活塞处于A 位置，缸内
气体的内能
，通过电热丝加热直到活塞到达B 位置，缸内气体的
图像如图乙所示。已知
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一定质量的理想气体内能与热力学温度成正比，大气压强
，重力加速度g 取
，
电阻丝自身升温所需热量以及所占的体积均忽略不计，求：
(1)活塞到达B 位置时，缸内气体的内能；
(2)活塞从A 位置到B 位置过程中，缸内气体吸收的热量。
8．（2024 四川成都模拟预测） 太阳能空气集热器是一种常用的太阳能热利用装置，它以空气作为传热介
质，将收集到的热量输送到功能端，具有结构简单，造价低廉，接受太阳辐射面积大，可广泛应用于
建筑物供暖、产品干燥等诸多领域的优点。它底面及侧面为隔热材料，顶面为透明玻璃板，集热器容
积保持不变。开始时内部封闭气体的压强为
经过太阳暴晒，气体温度由初始时的
升至
(1)求温度升至
时气体的压强；
(2)保持
不变，从出气口缓慢放出部分气体，使气体压强再变回到
，放气过程中集热器内
剩余气体是吸热还是放热？ 求剩余气体的质量与原来总质量的比值。
1．（2024 江西高考）可逆斯特林热机的工作循环如图所示。一定质量的理想气体经
ABCDA 完成循环过程，AB 和CD 均为等温过程，BC 和DA 均为等容过程。已知T1＝1 200 K，T2＝300 K，
气体在状态A 的压强pA＝8.0×105 Pa，体积V1＝1.0 m3，气体在状态C 的压强pC＝1.0×105 Pa。求：
（1）气体在状态D 的压强pD；
（2）气体在状态B 的体积V2。
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2．(2024 浙江1 月选考)如图所示，一个固定在水平面上的绝热容器被隔板A 分成体积均为V1＝750 cm3的
左右两部分。面积为S＝100 cm2的绝热活塞B 被锁定，隔板A 的左侧为真空，右侧中一定质量的理想
气体处于温度T1＝300 K、压强p1＝2.04×105 Pa 的状态1。抽取隔板A，右侧中的气体就会扩散到左侧
中，最终达到状态2。然后解锁活塞B，同时施加水平恒力F，仍使其保持静止，当电阻丝C 加热时，
活塞B 能缓慢滑动(无摩擦)，使气体达到温度T3＝350 K 的状态3，气体内能增加ΔU＝63.8 J。已知
大气压强p0＝1.01×105 Pa，隔板厚度不计。
(1)气体从状态1 到状态2 是 (选填“可逆”或“不可逆”)过程，分子平均动能 (选填
“增大”“减小”或“不变”)；
(2)求水平恒力F 的大小；
(3)求电阻丝C 放出的热量Q。
3．（2023 广东高考真题）在驻波声场作用下，水中小气泡周围液体的压强会发生周期性变化，使小气泡
周期性膨胀和收缩，气泡内气体可视为质量不变的理想气体，其膨胀和收缩过程可简化为如图所示的
图像，气泡内气体先从压强为
、体积为
、温度为
的状态
等温膨胀到体积为
、压强为
的状态
，然后从状态
绝热收缩到体积为
、压强为
、温度为
的状态
到
过程中外
界对气体做功为
．已知
和
．求：
（1）
的表达式；
（2）
的表达式；
（3）
到
过程，气泡内气体的内能变化了多少？
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4．（2023 浙江高考真题）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
、质量
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
、活塞与容器底的距离
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
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
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
。取
大气压
，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。
5．（2024 贵州高考真题）制作水火箭是青少年科技活动的常见项目之一。某研究小组为了探究水火箭在
充气与喷水过程中气体的热学规律，把水火箭的塑料容器竖直固定，其中A、C 分别是塑料容器的充气
口、喷水口，B 是气压计，如图（a）所示。在室温环境下，容器内装入一定质量的水，此时容器内的
气体体积为
，压强为
，现缓慢充气后压强变为
，不计容器的容积变化。
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(1)设充气过程中气体温度不变，求充入的气体在该室温环境下压强为
时的体积。
(2)打开喷水口阀门，喷出一部分水后关闭阀门，容器内气体从状态M 变化到状态N，其压强p 与体积
V 的变化关系如图（b）中实线所示，已知气体在状态N 时的体积为
，压强为
。求气体在状态N 与
状态M 时的热力学温度之比。
(3)图（b）中虚线
是容器内气体在绝热（既不吸热也不放热）条件下压强p 与体积V 的变化关系图
线，试判断气体在图（b）中沿实线从M 到N 的过程是吸热还是放热。（不需要说明理由）
6．（2024 湖北高考真题）如图所示，在竖直放置、开口向上的圆柱形容器内用质量为m 的活塞密封一部
分理想气体，活塞横截面积为S，能无摩擦地滑动。初始时容器内气体的温度为
，气柱的高度为h。
当容器内气体从外界吸收一定热量后，活塞缓慢上升
再次平衡。已知容器内气体内能变化量ΔU 与
温度变化量ΔT 的关系式为
，C 为已知常数，大气压强恒为
，重力加速度大小为g，所有
温度为热力学温度。求
（1）再次平衡时容器内气体的温度。
（2）此过程中容器内气体吸收的热量。
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7．（2024 浙江高考真题）如图所示，一个固定在水平面上的绝热容器被隔板A 分成体积均为
的左右两部分。面积为
的绝热活塞B 被锁定，隔板A 的左侧为真空，右侧中一定质量的理想
气体处于温度
、压强
的状态1。抽取隔板A，右侧中的气体就会扩散到左侧
中，最终达到状态2。然后解锁活塞B，同时施加水平恒力F，仍使其保持静止，当电阻丝C 加热时，
活塞B 能缓慢滑动（无摩擦），使气体达到温度
的状态3，气体内能增加
。已知
大气压强
，隔板厚度不计。
（1）气体从状态1 到状态2 是___（选填“可逆”或“不可逆”）过程，分子平均动能____（选填“增
大”、“减小”或“不变”）；
（2）求水平恒力F 的大小；
（3）求电阻丝C 放出的热量Q。
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