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第82 课时 热力学定律与能量守恒定律
目标要求 1.理解热力学第一定律，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.知道热力学第一定律和气体实验定律的结合点，能综合应用解决相关问题。
考点一 热力学定律
1.改变物体内能的两种方式
(1) ；(2)传热。
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 与外界对它所做的功的和。
(2)表达式：ΔU＝ 。
(3)表达式中的正、负号法则：
符号
W
Q
ΔU
＋
对 做功
物体 热量
内能
－
对 做功
物体 热量
内能
(4)解题时特殊字眼“翻译”：
①绝热： ( ＝0)；
②等容： ( ＝0)；
③膨胀： (W 0)；
④等温： (理想气体 ＝0)；
⑤等压，体积变化ΔV：外界对物体做的功W＝ 。
3.能量守恒定律
(1)内容
能量既不会凭空 ，也不会凭空消失，它只能从一种形式 为其他形式，或者从一个物体
到别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量 。
(2)第一类永动机是不可能制成的，它违背了 。
1.如图所示，一绝热容器被隔板K 隔开成A、B 两部分。已知A 内有一定量的稀薄气体，B 内为真空。抽
开隔板K 后，A 内气体进入B，最终达到平衡状态。此过程中气体内能如何变化？
1
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2.如图，在汽缸内活塞左边封闭着一定量的空气，压强与大气压相同。把汽缸和活塞固定，使汽缸内空气
升高一定的温度，空气吸收的热量为Q1。如果让活塞可以自由滑动(活塞与汽缸间无摩擦、不漏气)，也使
汽缸内空气温度升高相同温度，其吸收的热量为Q2。则Q1和Q2哪个大些？
4.热力学第二定律的两种表述
(1)克劳修斯表述： 。
(2)开尔文表述： 或表述为“ 永动
机是不可能制成的”。
(3)说明：
①“自发地”指明了传热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。
5.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。
(1)高温物体
低温物体。
(2)功
热。
(3)气体体积V1
气体体积V2(较大)。
(4)不同气体A 和B
混合气体AB。
6.两类永动机的比较
第一类永动机
第二类永动机
设计要求
不需要任何动力或燃料，却能
不断地对外做功的机器
从单一热源吸收热量，使之完全变成功，而
不产生其他影响的机器
不可能制
成的原因
违背能量守恒定律
不违背能量守恒定律，违背热力学第二定律
1.可以从单一热源吸收热量，使之完全变成功。( )
2
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2.热机中，燃气的内能可以全部变成机械能而不引起其他变化。( )
3.热量不可能从低温物体传给高温物体。( )
例1 (多选)(2025·山东烟台市开学考)下列说法正确的是( )
A.冰箱能使热量从低温物体传递到高温物体，因此不遵循热力学第二定律
B.自发的热传导是不可逆的
C.可以通过给物体加热而使它运动起来，但不产生其他影响
D.气体向真空膨胀具有方向性
例2 如图是小魔术“浮沉子”的模型，在密封的矿泉水瓶中，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，可看作理想气体。现用手挤压矿泉水瓶，小瓶下沉到底部；松开矿
泉水瓶后，小瓶缓慢上浮，上浮过程中小瓶内气体温度保持不变，则上浮过程中小瓶内气体( )
A.体积不变，内能不变
B.体积不变，压强不变
C.对外界做正功，并放出热量
D.体积增大，对外界做正功
例3 (多选)(2023·山东卷·9)一定质量的理想气体，初始温度为300 K，压强为1×105 Pa。经等容过程，
该气体吸收400 J 的热量后温度上升100 K；若经等压过程，需要吸收600 J 的热量才能使气体温度上升
100 K。下列说法正确的是( )
A.初始状态下，气体的体积为6 L
B.等压过程中，气体对外做功400 J
C.等压过程中，气体体积增加了原体积的1
4
D.两个过程中，气体的内能增加量都为400 J
考点二 热力学第一定律与图像的综合应用
1.在某一过程中，气体的p、V、T 的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气体对外界或外界对气体整个过程中所做的功。
例4 (2022·湖北卷·3)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( )
3
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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
拓展
1.从例4 图像中可知，a→c 的过程中，气体对外界做的功为 ，气体 (填“吸收”或
“放出”)的热量为 。
2.若气体经历从a→b→c→d→a 的过程，如图所示，则整个过程中气体 (填“吸收”或“放
出”)的热量为 。
考点三 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
例5 如图甲所示，一个质量不计的活塞将一定量的理想气体封闭在上端开口的直立圆筒形导热汽缸
内，气体温度为300 K，气柱的高度为h，在汽缸内壁有固定的小卡环，卡环到汽缸底的高度差为5
9h。
现在活塞上方缓慢堆放细沙，直至气柱长度减为5
6h 时停止堆放细沙，如图乙所示。之后对气体缓慢降
温，温度降低到180 K，此时活塞已经与卡环接触，降温过程气体放出热量为Q。已知大气压强为p0，
全过程气体未液化。汽缸的横截面积为S。重力加速度为g，求：
4
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(1)堆放细沙的质量；
(2)温度降为180 K 时气体的压强；
(3)降温过程气体内能的变化量。
5
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答案精析
考点一
1.(1)做功
2.(1)热量 (2)Q＋W (3)外界 物体 吸收 增加 物体 外界
放出 减少 (4)①没有传热 Q ②体积不变，不做功 W ③体积变大，物体对外界做功 < ④分子平
均动能不变，理想气体内能不变 ΔU
⑤－pΔV
3.(1)产生 转化 转移 保持不变 (2)能量守恒定律
讨论交流
1.不变。因为A 中气体膨胀过程中不做功，即W＝0，绝热Q＝0，故内能不发生变化。
2.Q2大些
解析 把活塞和汽缸固定，使空气升温，属于等容升温过程，W＝0，空气内能的变化等于吸收的热量
Q1，即ΔU＝Q1。如果让活塞可以自由滑动，汽缸内空气做等压升温变化，气体体积增加，气体对外界做
功，W<0，由热力学第一定律知ΔU＝Q2＋W，由于空气升高相同的温度，两种情况中内能增量相同，则
Q2＝ΔU－W>Q1(W<0)。
4.(1)热量不能自发地从低温物体传到高温物体 (2)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 第二类
判断正误
1.√ 2.× 3.×
例1 BD [有外界的帮助和影响，热量可以从低温物体传递到高温物体，仍遵循热力学第二定律，A 错误；
由热力学第二定律可知，自发的热传导是不可逆的，B 正确；不可能通过给物体加热而使它运动起来但不
产生其他影响，这违背了热力学第二定律，C 错误；气体可自发地向真空膨胀，具有方向性，D 正确。]
例2 D [上浮过程中小瓶内气体温度不变，压强逐渐减小，根据pV＝C 可知气体体积变大，气体对外界
做功，根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，其中ΔU＝0，W<0，可知Q>0，可知瓶内气体从外界吸热。故选
D。]
例3 AD [设理想气体初始状态的压强、体积和温度分别为p1＝p0，V1＝V0，T1＝300 K，等容过程为状态
二V2＝V1＝V0，T2＝400 K，等压过程为状态三p3＝p0，V3＝？，T3＝400 K，由理想气体状态方程可得，
p1V 1
T 1
＝p2V 2
T 2
＝p3V 3
T 3
，解得p2＝4
3 p0，V3＝4
3 V0，等压过程中，气体体积增加了原体积的1
3，C 错误；等
容过程中气体做功为零，由热力学第一定律ΔU＝W＋Q＝400 J，两个过程的初末温度相同即内能变化相同，
因此内能增加都为400 J，D 正确；等压过程内能增加了400 J，吸收热量为600 J，由热力学第一定律可知
气体对外做功为200 J，即做功的大小为W＝p0(4
3 V0－V0)＝200 J，解得V0＝6 L，A 正确，B 错误。]
考点二
6
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例4 B [根据理想气体状态方程pV
T ＝C，可知a→b 气体温度升高，内能增加，即ΔU>0，且体积增大，
气体对外界做功，即W<0，由热力学第一定律ΔU＝W＋Q，可知a→b 过程中气体吸热，A 错误，B 正确；
根据理想气体状态方程pV
T ＝C，可知p－V 图像的坐标值的乘积反映温度，a 状态和c 状态的坐标值的乘
积相等，而中间状态的坐标值乘积更大，则a→c 过程的温度先升高后降低，且状态b 的温度最高，C 错误；
a→c 过程气体体积增大，气体对外界做正功，即外界对气体做负功，D 错误。]
拓展
1.4p0V0 吸收 4p0V0
解析 p－V 图像与V 轴所围的面积表示气体对外界做的功
Wac＝(3 p0＋p0)·2V 0
2
＝4p0V0；
由图像知Ta＝Tc，故从a→c 的过程中ΔU＝0，因为气体对外界做功，W<0，由ΔU＝W＋Q 知，Q>0，即气
体要吸收热量，吸收的热量Q＝－W＝4p0V0。
2.吸收 2p0V0
解析 整个过程中气体对外界做的功大小等于△acd 的面积，即W'＝1
2×2p0×2V0＝2p0V0，又因ΔU＝0，
故气体吸收的热量Q＝2p0V0。
考点三
例5 (1) p0 S
5 g (2)1.08p0
(3)1
3p0hS－Q
解析 (1)乙状态的平衡方程p0S＋mg＝p1S
从甲状态到乙状态经历等温过程p0hS＝p1·5h
6 S
解得m＝p0 S
5 g
(2)从甲状态到末状态，由理想气体状态方程得p0hS
T 0
＝
p2· 5
9 hS
T 2
，
得p2＝1.08p0
(3)从乙状态到刚接触卡环，经历等压过程，外界对气体做功
W＝p1(5
6h－5
9h)S＝1
3p0hS
即整个降温过程外界对气体做功为W，由热力学第一定律ΔU＝W－Q
解得ΔU＝1
3p0hS－Q。
7
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