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考点57 热力学定律与能力守恒定律
1. 3 年真题考点分布
题型
选择题、解答题
高考考点
热力学第一定律、热力学第二定律、热力学定律与气体图像问题
新高考
2023
广东卷13 题、天津卷2 题、山东卷9 题、浙江卷20 题、山西卷8 题、乙卷
13 题、甲卷13 题、浙江春招卷19 题、
2022
天津卷6 题、福建卷10 题、重庆卷15 题、北京卷3 题、江苏卷7 题、海南
卷15 题、辽宁卷6 题、湖北卷3 题、广东卷15 题、河北卷15 题、湖南卷15
题、山东卷5 题、甲卷13 题、乙卷13 题、
2021
江苏卷13 题、海南卷12 题、天津卷6 题、山东卷2 题、全国乙卷13 题、全
国甲卷13 题 、河北卷15 题、
2. 命题规律及备考策略
【命题规律】近3 年新高考卷对于本节内容考查共计29 次，主要考查：
（1）热力学第一定律的理解；
（2）热力学第二定律的理解；
（3）热力学定律与气体图像问题的综合应用；
【备考策略】理解电容器的充放电现象，并能根据充放电现象判断电容器的动态变化情况；掌握带电粒子
在电场中的受力分析方法，判断带电粒子在电场中的偏转情况和运动情况；熟练掌握平抛运
动的特点和规律，正确应用牛顿第二定律解决类平抛问题。
【命题预测】本节内容难度不大，主要考察热力学三大定律的理解与运用，结合理想气体考察图像问题。
虽然难度不大，2024 年的考生，本节内容是不能丢分的，务必引起重视。
1
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考法
1
热力学第一定律
1. 做功可以改变物体的内能
（1）绝热过程：系统只由于外界对它做功而与外界交换能量，它不从外界吸热，也不向外界放热的过程，
（2）功与内能变化的关系：当系统从某一状态经过绝热过程达到另一状态时，内能的增加量 △U 就等于
外界对系统所做的功W
公式：△U=U2-U1 =W
2. 热传递可以改变物体的内能
（1）热传递：热量从高温物体传递到低温物体的过程
（2）热传递的方式：热传导、热对流和热辐射.
（3）热传递的条件：有温度差.
（4）热与内能变化的关系：当系统从状态 1 经过单纯的传热达到状态 2 时，内能的增加量 △U=U2-U1
，就等于外界向系统传递的热量 Q，即 △U=Q.
3. 热力学第一定律
（1）内容：一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和.
（2）公式：△U=Q+W.
（3）公式的理解
符号
W
Q
U
△
+
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
【典例1】（多选）（2023·山东·统考高考真题）一定质量的理想气体，初始温度为
，压强为
2
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。经等容过程，该气体吸收
的热量后温度上升
；若经等压过程，需要吸收
的热量
才能使气体温度上升
。下列说法正确的是（ ）
A．初始状态下，气体的体积为
B．等压过程中，气体对外做功
C．等压过程中，气体体积增加了原体积的
D．两个过程中，气体的内能增加量都为
对于△U=W+Q 中正、负号的把握，有如下规律:能使系统内能增加的过程取正，如吸热或外界对系统做功;
会使系统内能减少的过程则取负，如放热或系统对外界做功;内能增加时 △U 为正，反之则为负
【变式1】（2023·北京海淀·校考模拟预测）一定质量的理想气体，在保持温度不变的情况下改变其体积使
气体压强变大。下列说法正确的是（ ）
A．气体的内能增大
B．气体一定对外界做正功
C．气体分子数密度增大
D．气体分子热运动剧烈程度加大
【变式2】（2023·江苏扬州·扬州市新华中学校考三模）如图所示，开口向上竖直放置的玻璃管长为5h。
高为h、质量为m 的水银将一段空气柱封在管内，被封空气柱的温度为T0，水银柱上端到管口的距离为
h。现给玻璃管加热，水银柱缓慢上升至管口，此过程中空气柱的内能增加了∆U。已知水银柱的截面积为
S，大气压强为p0。重力加速度为g，求：
（1）水银柱上升至管口的过程中，空气柱需要吸收的热量Q。
（2）若T0=300K，h=20cm，p0=76cmHg，要使水银柱全部溢出管外，管内气体温度至少加热到多少？
对△U=W+Q 的进一步理解
3
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考法
2 热力学第二定律
1. 热力学第二定律
（1）克劳修斯表述
①内容:热量不能自发地从低温物体传到高温物体.即从传热的方向性表述
②理解:热量会自发地从高温物体传给低温物体，在传热过程中不会对其他物体产生影响;如果有其他作
用，热量有可能由低温物体传递到高温物体
（2）开尔文表述
①内容: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
②理解:从单一热库吸收热量，一般来说只有部分转化为机械能;如果引起其他变化，可能从单一热库吸
收热量并把它全部用来做功
（3）实质:热力学第二定律的两种表述是等价的，可以从一种表述推出另一种表述，同时这两种表述揭示
了自然界的基本规律:一切与热现象有关的宏观过程都具有方向性，即一切与热现象有关的宏观的自然过程
都是不可逆的.
2. 热力学第二定律的微观解释
（1）热力学第二定律的微观意义:自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性;一切自然过程总是
沿着分子热运动的无序性增大的方向进行；
（2）熵增加原理
①内容:在任何自然过程中，一个孤立系统的总不会减少.如果过程可逆，则熵不变;如果过程不可逆，则
熵增加.
②从微观的角度看，热力学第二定律是一个统计规律:一个孤立系统总是从熵小的状态向熵大的状态发展，
而熵值较大代表着较为无序，所以自发的宏观过程总是向无序程度更大的方向发展
【典例2】（2022·广东·高考真题）利用空调将热量从温度较低的室内传递到温度较高的室外环境，这个过
程 （选填“是”或“不是”）自发过程。该过程空调消耗了电能，空调排放到室外环境的热量
（选填“大于”“等于”或“小于”）从室内吸收的热量。
对于热力学第二定律，重点应抓住两种表述的等效性，抓住定律的实质，即自然界中进行的涉及热现
象的宏观过程均具有方向性，同时要明确:根据热力学第二定律，即使符合能量守恒定律的过程，也未必都
能发生，如扩散、热传递、摩擦生热等过程均有不可逆性，这里的不可逆性是指要返回到初始状，必须借
助 外界帮助。
【变式1】（多选）（2022·海南省直辖县级单位·校考模拟预测）如图所示，一绝热容器中间有一挡板，右
对△U=W+Q 的进一步理解
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半边封闭有理想气体，左半边是真空。若把挡板抽开，右边气体将向左边膨胀，最后气体将均匀分布在整
个容器中，下列说法正确的是（ ）
A．气体对外做功，内能减小
B．气体温度不变，压强减小
C．气体分子单位时间对气壁单位面积的碰撞次数减小
D．根据热力学第二定律，抽开挡板，挡板左侧气体分子不能全部自发地回到右侧
【变式2】（多选）（2022·安徽合肥·合肥市第六中学校考模拟预测）关于热现象，下列说法正确的是（
）
A．气体如果失去了容器的约束就会散开，这是因为气体分子之间存在斥力
B．理想气体经历等压膨胀过程，单位时间撞击单位面积的分子数减少
C．对一定量的气体做功，气体的内能不一定增加
D．人们可以做到从单一热源吸热并使之完全变成功
E．水黾可以停在水面上是因为其重力与水的浮力平衡
考法
3
热力学定律与气体图像的综合应用
1. 判断理想气体内能变化的方法
（1）若做功和热传递两种过程同时发生时，内能的变化要用热力学第一定律进行分析.
（2）若过程是绝热的，则Q=0，W=△U，即外界对物体(物体对外界)做的功等于物体内能的增加量
(减少量).
（3）等容变化，W=0，Q=△U，即物体吸收(放出)的热量等于物体内能的增加量(减少量).
（4）等温变化，△U=0，则W+Q=0 或 W=-Q，即外界对物体做的功等于物体放出的热量(物体对外界做的
功等于物体吸收的热量).
2. 理想气体与热力学第一定律相结合的解题步骤
（1）以一定质量的理想气体作为研究对象.
（2）应用气体实验定律或理想气体状态方程分析气体的状态变化规律.
（3）结合理想气体状态方程与热力学第一定律，抓住不变量，共同确定内能与其他物理量的变化情况
【典例2】（2021·福建·统考高考真题）如图，一定质量的理想气体由状态A 变化到状态B，该过程气体对
外 （填“做正功”“做负功”或“不做功”），气体的温度 （填“升高”“降
低”“先升高后降低”“先降低后升高”或“始终不变”）。
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1. 气体做功情况的判定方法
(1)若气体体积增大，则气体对外做功，W<0，气体向真空膨胀除外.
(2)若气体体积缩小，则外界对气体做功，W>0.
(3)若气体体积不变，即等容过程，则 W=0.
2.理想气体内能变化情况的判定方法
对一定质量的理想气体，由于无分子势能，其内能只包含分子无规则热运动的动能，其内能只与度有关.
【变式1】（2023·江苏南京·校考模拟预测）如图所示，A、B 是两个面积不等的活塞，可以在水平固定的
两端开口的气缸内无摩擦地滑动，缸内气体为理想气体。随着温度降低，描述气体状态变化的图像可能正
确的是（ ）
A．
B．
C．
D．
【变式2】（2024·福建宁德·福建省宁德第一中学校考一模）在“探究气体等温变化的规律”实验中，实验
装置如图所示。用注射器封闭一定质量的空气，连接到气体压强传感器上，用传感器测量封闭气体的压强，
用注射器刻度读出气体体积。
对△U=W+Q 的进一步理解
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（1）多次改变封闭气体的体积，测量出不同体积时气体的压强，用电脑记录下来，并生成p-V 图像如图所
示，由图可猜测p 与V 可能 （选填“成正比”、“成反比”、“不成比例”）
（2）实验完成后，某同学做出的图像如图所示（其中实线为实验所得，虚线为参考双曲线的一支），造
成这一现象的原因可能是 。
A．操作实验时用手握住注射器
B．实验时环境温度降低了
C．注射器内气体向外泄漏
D．有气体进入注射器内
【基础过关】
1．（2020·天津东丽·统考模拟预测）下列说法正确的是（ ）
A．液体的温度越高，其分子热运动越剧烈，分子平均动能越大
B．某气体摩尔体积为V，阿伏伽德罗常数为NA则分子体积为
C．气体对外界做功，其内能一定减小
D．相互间达到热平衡的两物体的内能一定相等
2．（2023·山东济南·山东师范大学附中校考模拟预测）如图所示，一定质量的理想气体的
图像从
1→2→3 的过程中，下列说法正确的是（ ）
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A．状态1 的压强大于状态2 的压强
B．1→2 过程中气体内能的减少量大于2→3 过程内能的增加量
C．1→2 过程外界对气体做的功大于气体放出的热量
D．2→3 过程中气体分子单位时间内在器壁单位面积上撞击的次数减小
3．（2023·河北·校联考模拟预测）一定量的理想气体从状态
经状态
变化到状态，其
图像如图所
示，则气体（ ）
A．由状态a 变化到状态b 的过程，气体对外界做正功
B．由状态b 变化到状态c 的过程，气体温度升高
C．由状态a 经状态b 变化到状态c 的过程，气体向外界放热
D．由状态a 经状态b 变化到状态c 的过程，气体的内能先不变后增大
4．（2023·河北·校联考三模）体育课中，小明用打气筒给篮球打气，整个打气过程缓慢进行，每次打气筒
活塞都将压强为
的一整筒空气压入篮球，无漏气，气体可视为理想气体。设篮球的体积为
且不变，打
气筒的体积为V，在打气过程中，气体的温度不变，下列说法中不正确的是（ ）
A．篮球内气体的分子数密度不断增大
B．篮球内气体的内能不断增大
C．每打一次气前后，篮球内气体压强变化量为
D．打气过程中气体从外界吸收热
5．（2023·广东佛山·统考模拟预测）如图，小明把空的玻璃瓶开口向下缓慢压入恒温水中，瓶内空气无泄
漏，在下降过程中（ ）
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A．气体从外界吸热
B．单位面积单位时间气体分子撞击瓶壁次数增多
C．气体内能增大
D．气体对外做功
6．（多选）（2023·四川绵阳·统考模拟预测）关于热力学定律，下列说法正确的是（ ）
A．一定质量的气体等温压缩过程中气体放出的热量等于外界对气体做的功
B．一定质量的气体等容降温过程中气体吸收热量
C．无论对蒸汽机怎样革新，也不能把蒸汽的内能通过做功全部转化成机械能
D．利用降低海水温度放出大量的热量来发电，可解决能源短缺的问题
E．电冰箱正常工作时把箱内低温物体的热量传递到箱外高温物体，不违背热力学定律
7．（多选）（2023·安徽六安·安徽省舒城中学校考模拟预测）如图所示，一定质量的理想气体从状态a 开
始，经历ab、bc、cd、de 四个过程到达状态e，其中ba 的延长线经过原点，bc 连线与横轴平行，de 连线
与纵轴平行，下列说法正确的是（ ）
A．ab 过程中气体分子热运动平均动能增加
B．bc 过程中气体分子单位时间内击容器壁次数不变
C．cd 过程中气体从外界吸热大于气体内能增量
D．de 过程中气体对外放出热量，内能不变
8．（2023·福建泉州·泉州五中校考一模）一定质量的理想气体从状态A 变化到状态B，再从状态B 变化到
状态C，其压强随温度的变化关系如图所示，图线的横轴是摄氏温度t，已知热力学温度
，
则
（1）气体在状态A 时的分子数密度 （选填“大于”“小于”或“等于”）气体在状态C 时的分
子数密度。
（2）气体从状态A 经过状态B 到状态C 的全过程 （选填“吸收”或“放出”）热量。
9．（2023·全国·校联考模拟预测）夏季炎热的正午，小李将充足气的自行车忘在室外，结果车胎爆胎。将
车胎内的空气视为理想气体，爆胎前车胎内空气的体积及质量均不变，爆胎过程时间极短。爆胎前，随着
气温的升高，车胎内空气的压强 （填“增大”或“减小”）；爆胎过程中，车胎内的空气对外
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界做 （填“正”或“负”）功，内能 （填“增大”或“减小”）。
10．（2023·河南开封·统考一模）如图1，气缸由两个横截面不同的圆筒连接而成，活塞A、B 被轻质刚性
细杆连接在一起，可无摩擦移动A、B 的质量分别为
，
，横截面积分别为
，
，一定质量的理想气体被封闭在两活塞之间，活塞外侧大气压强
，已知此时气体的体积
，现使气缸从水平放置缓慢到竖直放置，保持温度
不变，达到平衡后如图2 所示，A 未到达两气缸连接处，取重力加速度
。求：
（1）与图1 相比．活塞在气缸内移动的距离L；
（2）从图1 到图2 过程中气体放出热量。
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【能力提升】
一、单选题
1．（2023·北京西城·北京八中校考三模）一定质量的理想气体经过一系列变化过程，如图所示，下列说法
中正确的是（ ）
A．a→b 过程中，气体体积变大，放出热量
B．b→c 过程中，气体温度不变，气体对外界做功
C．c→a 过程中，气体体积变小，放出热量
D．c→a 过程中，气体压强增大，外界对气体做功
2．（2022·浙江·舟山中学校联考模拟预测）一定质量理想气体的状态变化如图所示，
为
圆弧，
为半径相同的
圆弧。气体从状态
经状态
、、
，最终回到状态
，则（ ）
A．从状态到状态
是等温膨胀过程
B．从状态
到状态，气体吸收热量，内能不变
C．处于状态时气体分子单位时间撞击单位面积的次数一定比状态
少
D．从状态
经
、、
回到状态
，气体吸收热量
3．（2023·江西·校联考模拟预测）如图，一定质量的理想气体沿图示从状态a→b→c→a，其中ab 的反向延
长线通过坐标原点，bc 和ca 分别与横轴和纵轴平行。下列说法正确的是（ ）
A．从a→b，气体压强减小
B．从a→b，气体内能减小
C．从b→c，气体吸收热量
D．从c→a，气体分子的平均动能不变
二、多选题
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4．（2024·陕西宝鸡·校联考模拟预测）煤气罐是部分家庭的必需品，安全使用煤气罐是人们比较关注的话
题.煤气罐密封性良好，将一定量的天然气封闭在罐中，假设罐内的气体为理想气体。当罐内气体温度升高
时，则下列说法正确的是（ ）
A．罐内气体的压强增大，内能减小
B．罐内气体从外界吸收热量，内能增加
C．单位时间内撞击在单位面积煤气罐上的分子数增多
D．罐内气体对外界做功，气体的分子平均动能减小
E．气体的平均速率增大，但不能保证每个分子的运动速率都增大
5．（多选）（2022·辽宁大连·大连八中校考模拟预测）如图所示，“奥托循环”由两条绝热线和两条等容
线组成，其中，a→b 和c→d 为绝热过程，b→c 和d→a 为等容过程。下列说法正确的是（ ）
A．a→b 过程中，气体对外界做功
B．d→a 过程中，气体从外界吸收热量
C．b→c 过程中，单位时间内与器壁单位面积碰撞的分子数增多
D．c→d 过程中，单位体积内气体分子数减少
6．（多选）（2024·云南大理·云南省下关第一中学校联考模拟预测）一定质量的理想气体，状态从
的变化过程可用如图所示的
图线描述，其中
为等温线，气体在状态A 时
的温度为T=300K。下列说法正确的是（ ）
A．气体在状态C 时的温度
B．从A 到C 过程外界对气体做了600J 的功
C．气体从状态D 变化到状态A，单位体积内的气体分子数减小，气体分子的平均动能不变
D．若气体从D 到A 过程中外界对气体做功为250J，则气体从
（一次循环）过程
中气体吸收的热量为250J
7．（2023·四川内江·四川省资中县第二中学校考模拟预测）如图所示，一定质量的理想气体从A 到B 到C
又回到A，其中有一个为绝热过程，有一个为等温过程，有一个为等容过程，则下列说法正确的是
（ ）
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A．A 到B 是等温过程
B．从B 到C 的过程，气体从外界吸收热量
C．全过程气体从外界吸收热量
D．C 到A 的过程，气体内能不变
E．A、B、C 三状态相比，A 状态气体分子单位时间对单位面积器壁的碰撞次数最多，B 状态气体分子
单位时间内对单位面积器壁的碰撞次数最少
三、填空题
8．（2023·福建厦门·厦门一中校考一模）如图所示，一定质量的理想气体从状态A 经过等压变化到状态
B，再经过等容变化到状态C，最终经过等温变化回到初始状态A。已知从状态A 到状态B 的过程中，气体
吸收了300J 的热量，从A 到B 过程气体的内能变化
J，B 到C 过程中气体 （填
“吸热”、“放热”或“不吸热不放热”），C 到A 过程中气体 （填“吸热”、“放热”或“不
吸热不放热”）。
四、解答题
9．（2023·广东东莞·东莞实验中学校考模拟预测）如图所示，长为0.5m、内壁光滑的汽缸固定在水平面上，
汽缸内用横截面积为
的活塞封闭有压强为
、温度为27℃的理想气体，开始时活塞位于汽
缸底30cm 处。现对封闭的理想气体加热，使活塞缓慢向右移动。（已知大气压强为
）
（1）试计算当温度升高到427℃时，缸内封闭气体的压强；
（2）若在此过程中封闭气体共吸收了800J 的热量，试计算气体增加的内能。
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10．（2022·浙江湖州·统考一模）一定量的理想气体从状态A 开始，经历A、B、C 三个状态变化，其压强
p 与体积V 的关系图像如图所示。已知状态A 的温度为
。
（1）求状态C 的温度
；
（2）类比直线运动中根据速度一时间图像求位移的方法，求过程
，气体对外界做的功W；
（3）求过程
中，气体从外界吸收的热量Q。
【真题感知】
1．（2023·天津·统考高考真题）如图是爬山所带氧气瓶，氧气瓶里的气体容积质量不变，爬高过程中，温
度减小，则气体（ ）
A．对外做功
B．内能减小
C．吸收热量
D．压强不变
2．（多选）（2023·山西·统考高考真题）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
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3．（多选）（2023·全国·统考高考真题）对于一定量的理想气体，经过下列过程，其初始状态的内能与末
状态的内能可能相等的是（ ）
A．等温增压后再等温膨胀
B．等压膨胀后再等温压缩
C．等容减压后再等压膨胀
D．等容增压后再等压压缩
E．等容增压后再等温膨胀
4．（2023·广东·统考高考真题）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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5．（2023·浙江·统考高考真题）如图所示，导热良好的固定直立圆筒内用面积
，质量
的活塞封闭一定质量的理想气体，活塞能无摩擦滑动。圆筒与温度300K 的热源接触，平衡时圆筒内气体处
于状态A，其体积
。缓慢推动活塞使气体达到状态B，此时体积
。固定活塞，升
高热源温度，气体达到状态C，此时压强
。已知从状态A 到状态C，气体从外界吸收热量
；从状态B 到状态C，气体内能增加
；大气压
。
（1）气体从状态A 到状态B，其分子平均动能________（选填“增大”、“减小”或“不变”），圆筒内
壁单位面积受到的压力________（选填“增大”、“减小”或“不变”）；
（2）求气体在状态C 的温度Tc；
（3）求气体从状态A 到状态B 过程中外界对系统做的功W。
16
