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2025年高考物理精品教案第十五章 热学 第3讲 热力学定律和能量守恒定律
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这是一份2025年高考物理精品教案第十五章 热学 第3讲 热力学定律和能量守恒定律，共13页。
考点1 热力学第一定律及能量守恒定律
1.改变物体内能的两种方式
（1）[1] 做功 ；（2）热传递.
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[2] 热量 与外界对它所做的功的和.
（2）表达式：ΔU＝[3] Q＋W .
（3）表达式中的正、负号法则：
3.能量守恒定律
（1）内容：能量既不会凭空[6] 产生 ，也不会凭空消失，它只能从一种形式[7] 转化 为其他形式，或者从一个物体[8] 转移 到别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量[9] 保持不变 .
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.
（2）第一类永动机是不可能制成的，它违背了[10] 能量守恒定律 .
依据下面情境，判断下列说法对错.如图所示为第一类永动机的设计图，它违背了能量守恒定律.第二类永动机违背了热力学第二定律，即从单一热源吸收的热量不可能完全变成功而不产生其他影响.
（1）物体吸收热量，同时对外做功，内能可能不变.（ √ ）
（2）做功改变物体内能的过程是内能与其他形式的能相互转化的过程.（ √ ）
（3）自由摆动的秋千摆动幅度越来越小，说明能量正在消失.（ ✕ ）
（4）热机中，燃气的内能可以全部变为机械能而不引起其他变化.（ ✕ ）
1.[2022山东]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（ C ）
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
解析 初始时气体的压强p1＝p0＋mgS，体积为V1，温度为T1；将汽缸缓慢转过90°后，气体的压强为p2＝p0，体积为V2，温度为T2.易知V2＞V1，故气体对外界做功，因汽缸和活塞都是绝热的，根据热力学第一定律可得ΔU＜0，由于一定质量的理想气体内能只与气体温度有关，所以T1＞T2，A、D错误.温度降低，不是所有气体分子热运动速率都减小，但速率大的分子数占总分子数的比例减小，B错误，C正确.
方法点拨
热力学第一定律的三种特殊情况
考点2 热力学第二定律
[多选]如图所示为电冰箱的工作原理示意图.压缩机工作时，强迫制冷剂在冰箱内外的管道中不断循环.在蒸发器中制冷剂汽化吸收箱体内的热量，经过冷凝器时制冷剂液化，放出热量到箱体外.下列说法正确的是（ BC ）
A.热量可以自发地从冰箱内传到冰箱外
B.电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界，是因为其消耗了电能
C.电冰箱的工作原理不违反热力学第一定律
D.电冰箱的工作原理违反热力学第二定律
2.[多选]对于热力学第一定律和热力学第二定律的理解，下列说法正确的是（ CD ）
A.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
B.凡与热现象有关的宏观过程都具有方向性，在热传递中，热量只能从高温物体传递给低温物体，而不能从低温物体传递给高温物体
C.第二类永动机违反了热力学第二定律，没有违反热力学第一定律
D.热现象过程中不可避免地出现能量耗散现象，能量耗散符合热力学第二定律
解析 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，必然产生其他影响，否则违背热力学第二定律，选项A错误；通过做功的方式可以让热量从低温物体传递给高温物体，如电冰箱，选项B错误；第二类永动机没有违反能量守恒定律，热力学第一定律是能量守恒定律在热学中的反映，因此第二类永动机没有违反热力学第一定律，不能制成是因为它违反了热力学第二定律，故选项C正确；能量耗散过程体现了宏观自然过程的方向性，符合热力学第二定律，选项D正确.
考点3 热力学第一定律与气体实验定律的综合应用
命题点1 与理想气体状态方程综合
3.[2022辽宁]一定质量的理想气体从状态a变化到状态b，其体积V和热力学温度T的关系图像如图所示，此过程中该系统（ A ）
A.对外界做正功B.压强保持不变
C.向外界放热D.内能减少
解析 由理想气体状态方程pVT＝C得V＝CpT，连接aO、bO，由于aO连线的斜率大于bO连线的斜率，因此气体在状态a的压强小于在状态b的压强，B错误；理想气体由状态a变化到状态b的过程中，气体的体积增加，气体对外界做正功，气体的温度升高，内能增加，由热力学第一定律ΔU＝W＋Q可知，理想气体从外界吸收热量，A正确，C、D错误.
命题点2 与查理定律综合
4.如图所示是某气压式柱形保温瓶的结构示意简图，现倒入热水，封闭活塞a，其与液面间封闭一定质量的理想气体，此时瓶内气体温度为T1，压强为p0，经过一段时间温度降为T2，忽略这一过程中气体体积的变化.
（1）求温度降为T2时瓶内气体的压强p；
（2）封闭气体温度由T1降为T2过程中，其传递的热量为Q，则气体的内能如何变化？求此变化量的大小ΔU.
答案 （1）T2T1p0 （2）内能减少 ΔU＝Q
解析 （1）瓶内气体发生等容变化，由查理定律得p0T1＝pT2，解得p＝T2T1p0.
（2）封闭气体温度由T1下降到T2过程为等容变化过程，W＝0，温度降低，则气体内能减少，由热力学第一定律得W＋Q＝ΔU，解得ΔU＝Q.
命题点3 与玻意耳定律综合
5.某民航客机在一万米左右高空飞行时，需利用空气压缩机来保持机舱内外气体压强之比为4∶1.机舱内有一导热汽缸，活塞质量m＝2kg、横截面积S＝10cm2，活塞与汽缸壁之间密封良好且无摩擦.客机在地面静止时，汽缸如图（a）所示竖直放置，平衡时活塞与缸底相距l1＝8cm；客机在高度h处匀速飞行时，汽缸如图（b）所示水平放置，平衡时活塞与缸底相距l2＝10cm.汽缸内气体可视为理想气体，机舱内温度可认为不变.已知大气压强随高度的变化规律如图（c）所示，地面大气压强p0＝1.0×105Pa，地面重力加速度g＝10m/s2.
（1）判断汽缸内气体由图（a）状态到图（b）状态的过程是吸热还是放热，并说明原因；
（2）求高度h处的大气压强，并根据图（c）估测出此时客机的飞行高度.
图（a） 图（b） 图（c）
答案 （1）吸热 理由见解析 （2）0.24×105Pa 1×104m
解析 （1）根据热力学第一定律有ΔU＝W＋Q，由于气体体积膨胀，对外做功，而温度不变，则内能保持不变，因此气体由图（a）状态到图（b）状态吸热.
（2）初态封闭气体的压强p1＝p0＋mgS＝1.2×105Pa，根据玻意耳定律有p1l1S＝p2l2S
解得p2＝0.96×105Pa
机舱内外气体压强之比为4∶1，因此舱外气体压强p'2＝14p2＝0.24×105Pa，根据图（c）可知飞行高度约为1×104m.
1.[查理定律＋热力学第一定律/2023天津]如图是爬山所带的氧气瓶，爬高过程中，氧气瓶里的气体体积和质量均不变，温度降低，则气体（ B ）
A.对外做功B.内能减少
C.吸收热量D.压强不变
解析 爬高过程中，气体的体积保持不变，则气体对外不做功，A错误；爬高过程中，气体温度降低，则气体的内能减少，B正确；根据热力学第一定律可知ΔU＝W＋Q，又W＝0，ΔU＜0，则Q＜0，即气体放出热量，C错误；爬高过程中，气体的体积不变，温度降低，根据查理定律p＝CT可知气体的压强减小，D错误.
2.[T－V图像、理想气体状态方程、热力学第一定律/2022全国乙/多选]一定量的理想气体从状态a经状态b变化到状态c，其过程如T－V图上的两条线段所示，则气体在（ ABD ）
A.状态a处的压强大于状态c处的压强
B.由a变化到b的过程中，气体对外做功
C.由b变化到c的过程中，气体的压强不变
D.由a变化到b的过程中，气体从外界吸热
E.由a变化到b的过程中，从外界吸收的热量等于其增加的内能
解析 由pVT＝C得T＝pCV，T－V图线上的点与坐标原点连线的斜率越大，气体压强越大，易知状态a对应的压强大于状态c的，A正确；状态a到状态b为等压变化过程，体积增大，气体对外做功，B正确；由上述分析可知，气体在状态b的压强大于在状态c的压强，C错误；气体由状态a到状态b的过程中体积增大，对外做功，温度升高，内能增加，根据热力学第一定律可知，气体从外界吸收热量，且吸收的热量大于其内能的增加量，D正确，E错误.
3.[热力学定律＋气体实验定律/2021海南/多选]如图，一定质量的理想气体从状态a出发，经过等容过程到达状态b，再经过等温过程到达状态c，直线ac过原点.则气体（ AC ）
A.在状态c的压强等于在状态a的压强
B.在状态b的压强小于在状态c的压强
C.在b→c的过程中内能保持不变
D.在a→b的过程中对外做功
解析 由pVT＝C有VT＝Cp，又直线ac过原点，可知状态a、c的压强相等，b→c过程中气体温度不变，体积增大，压强减小，故状态b的压强大于状态c的压强，A正确，B错误；b→c过程中气体温度不变，气体质量一定，分子势能忽略，故内能不变，C正确；a→b过程中气体体积不变，并不对外做功，D错误.
4.[气体实验定律＋热力学定律/2023浙江6月]如图所示，导热良好的固定直立圆筒内用面积S＝100cm2、质量m＝1kg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VA＝600cm3.缓慢推动活塞使气体达到状态B，此时体积VB＝500cm3.固定活塞，升高热源温度，气体达到状态C，此时压强pC＝1.4×105Pa.已知从状态A到状态C，气体从外界吸收热量Q＝14J；从状态B到状态C，气体内能增加ΔU＝25J；大气压p0＝1.01×105Pa.
（1）气体从状态A到状态B，其分子平均动能 不变 （选填“增大”“减小”或“不变”），圆筒内壁单位面积受到的压力 增大 （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.
答案 （2）350K （3）11J
解析 （1）气体从状态A到状态B发生等温压缩变化，其气体内能不变，分子平均动能不变，体积减小，压强增大，圆筒内壁单位面积受到的压力增大
（2）气体处于状态A时，对活塞受力分析，有
pAS＋mg＝p0S解得pA＝1×105Pa
气体从状态A到状态B发生等温压缩变化，由玻意耳定律有
pAVA＝pBVB
解得pB＝1.2pA＝1.2×105Pa
气体从状态B到状态C，做等容变化，由查理定律有pBTB＝pCTC
解得TC＝350K
（3）气体从状态B到状态C，外界对气体不做功，所以W等于气体从状态A到状态C外界对气体做的功，由（1）问分析可知，从A到C内能的变化量等于从B到C内能的变化量，从A到C由热力学第一定律有
ΔU＝W＋Q
解得W＝11J.
1.关于能量的转化，下列说法正确的是（ A ）
A.摩擦生热的过程在任何情况下都是不可逆的
B.空调既能制热又能制冷说明热传递不存在方向性
C.第二类永动机不存在的原因是违背了能量守恒定律
D.由于能量的转化过程符合守恒定律，所以不会发生能源危机
解析 根据热力学第二定律可知，摩擦生热的过程在任何情况下都是不可逆的，A正确；空调既能制热又能制冷，但是消耗电能，说明在不自发的条件下热传递方向可以逆向，不违背热力学第二定律，B错误；第二类永动机不存在的原因是违背了热力学第二定律，C错误；由于能量转移或转化是有方向性的，虽然能量守恒，但是还会产生能源危机，D错误.
2.[2024福建宁德一中模拟]根据热力学定律，下列说法正确的是（ D ）
A.热量既能自发地从高温物体传递到低温物体，也能自发地从低温物体传递到高温物体
B.一定质量的理想气体吸收了热量，则温度一定升高
C.一定质量的理想气体，如果体积增大，就会对外做功，所以内能一定减少
D.物体从单一热源吸收的热量可全部用于做功
解析 根据热力学第二定律，热量能够自发地从高温物体传递到低温物体，但不能自发地从低温物体传递到高温物体，故A错误；根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，可知物体内能的改变是外界对物体做功与物体吸收的热量的和，所以气体吸收热量，又对外做功时，气体的内能可能减少，温度不一定升高，故B错误；一定质量的理想气体，如果压强不变，体积增大对外做功，根据理想气体状态方程可知，温度一定升高，内能增加，故C错误；根据热力学第二定律可知，物体不可能从单一热源吸收热量全部用于做功而不产生其他影响，也就是说在引起其他变化的情况下，物体从单一热源吸收的热量可全部用于做功，故D正确.
3.[情境创新/2024湖北武汉部分学校调研]车辆减震装置中的囊式空气弹簧由橡胶气囊和密闭在其中的压缩空气组成，当车辆剧烈颠簸时，气囊内的气体体积快速变化，以降低车辆的振动幅度.若上述过程可视为绝热过程，气囊内的气体可视为理想气体，在压缩气体的过程中，下列说法正确的是（ D ）
A.气体温度保持不变
B.每个气体分子的动能都增大
C.气体分子对单位面积器壁的压力减小
D.单位时间内单位面积上气体分子碰撞器壁的次数增多
解析 由题意可知此过程为理想气体的绝热压缩过程，则Q＝0，W＞0，由热力学第一定律ΔU＝Q＋W可知ΔU＞0，气体的温度升高，A错误；由于温度是分子平均动能的标志，所以此过程中气体分子的平均动能增大，但并不是每个气体分子的动能都增大，B错误；由于气体分子的平均动能增大，气体体积减小，所以单位时间内单位面积上气体分子碰撞器壁的次数增多，气体分子对单位面积器壁的压力增大，C错误，D正确.
4.[2022北京]如图所示，一定质量的理想气体从状态a开始，沿图示路径先后到达状态b和c.下列说法正确的是（ D ）
A.从a到b，气体温度保持不变
B.从a到b，气体对外界做功
C.从b到c，气体内能减少
D.从b到c，气体从外界吸热
解析
5.[2023湖南长沙摸底考试]如图所示，导热性能良好的汽缸内用活塞封闭着一定质量的理想气体，汽缸固定不动.一条细线一端连接在活塞上，另一端跨过光滑的定滑轮后连接在一个小桶上，开始时活塞静止.现不断向小桶中添加细砂，使活塞缓慢向右移动（活塞始终未被拉出，汽缸周围环境温度不变）.则在活塞移动的过程中，下列说法正确的是（ C ）
A.汽缸内气体分子的平均动能变大
B.汽缸内气体的内能变小
C.汽缸内气体的压强变小
D.汽缸内气体向外界放热
解析
6.[2024辽宁锦州模拟]一定质量的理想气体从状态A经过状态B变化到状态C，其V－T图像如图所示.下列说法正确的是（ B ）
A.A→B的过程中，气体对外界做功
B.A→B的过程中，气体放出热量
C.B→C的过程中，气体压强变小
D.A→B→C的过程中，气体内能增加
解析 由图可知，A→B的过程中，气体的温度不变，内能不变，体积减小，外界对气体做功，由热力学第一定律可知，气体放出热量，故A错误，B正确；B→C的过程中，V－T图线的延长线过原点，则为等压变化，气体压强不变，故C错误；A→B→C的过程中，气体温度先不变后降低，内能先不变后减少，故D错误.
7.[2023山东/多选]一定质量的理想气体，初始温度为300K，压强为1×105Pa.经等容过程，该气体吸收400J的热量后温度上升100K；若经等压过程，需要吸收600J的热量才能使气体温度上升100K.下列说法正确的是（ AD ）
A.初始状态下，气体的体积为6L
B.等压过程中，气体对外做功400J
C.等压过程中，气体体积增加了原体积的14
D.两个过程中，气体的内能增加量都为400J
解析 理想气体初始状态的温度为T0＝300 K，压强为p0＝1×105 Pa，体积设为V0，经等容过程，温度变为T1＝400 K，由查理定律有p0T0＝p1T1，解得p1＝T1T0p0＝43p0，经等压过程，温度变为T1＝400 K，由盖－吕萨克定律有V0T0＝V1T1，解得V1＝T1T0V0＝43V0，故等压过程中，气体体积增加了原体积的13，C错误；等容过程中气体做功为零，由热力学第一定律得ΔU＝Q＋W＝400 J，两个过程的初、末温度相同，则内能变化相同，因此内能增加量都为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W＝p0(43V0－V0)＝200 J，解得V0＝6 L，A正确，B错误.
8.[2023广东]在驻波声场的作用下，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，气泡内的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p－V图像，气泡内气体先从压强为p0、体积为V0、温度为T0的状态A等温膨胀到体积为5V0、压强为pB的状态B，然后从状态B绝热收缩到体积为V0、压强为1.9p0、温度为TC的状态C，B到C的过程外界对气体做功为W.已知p0、V0、T0和W.求：
（1）pB的表达式；
（2）TC的表达式；
（3）B到C的过程，气泡内气体内能的变化.
答案 （1）pB＝p05 （2）TC＝1.9T0 （3）内能增加了W
解析 （1）由题意可知从状态A到状态B，气体发生等温变化，由玻意耳定律有p0V0＝pB·5V0
解得pB＝p05
（2）由图可知，若从状态A沿虚线到状态C，则气体发生等容变化，由查理定律有p0T0＝1.9p0TC
解得TC＝1.9T0
（3）由题意可知从状态B到状态C，气体发生绝热收缩，Q＝0
根据热力学第一定律有ΔU＝Q＋W＝W
故B到C的过程，气泡内气体的内能增加了W.
9.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＝100cm2、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TA＝300K、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，此时气体到达状态B.活塞保持不动，气体被继续加热至温度TC＝363K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＝158J.取大气压p0＝0.99×105Pa，重力加速度g＝10m/s2，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过程中从外界吸收的热量Q.
答案 （1）330K （2）1.1×105Pa （3）188J
解析 （1）从状态A到状态B，封闭气体发生等压变化
由盖－吕萨克定律可得VATA＝VBTB
其中VA＝h0S，VB＝（h0＋d）S
解得TB＝330K
（2）从状态A到状态B，活塞缓慢上升，则有
pBS＝p0S＋mg
解得pB＝1×105Pa
由状态B到状态C，封闭气体发生等容变化
由查理定律可得pBTB＝pCTC
解得pC＝1.1×105Pa
（3）从状态A到状态C过程中，气体对外做功，则
W＝－pBSd＝－30J
由热力学第一定律有ΔU＝Q＋W
解得Q＝188J.
10.[渗透实验思想/2023广东广州二中模拟]制作“吸管潜水艇”是深受小朋友喜爱的科学实验，如图甲所示，将吸管对折后用回形针固定，然后管口竖直向下插入装有水的矿泉水瓶中，使吸管顶部露出水面，最后用盖子封紧矿泉水瓶（如图乙）.实验时，用力挤压瓶身，“潜水艇”就会沉入水底，松开手后，“潜水艇”又浮出水面.设未挤压时水面上方封闭气体的体积为V0，压强为p0，吸管内封闭气体的体积为V，“潜水艇”的质量为m，水的密度恒为ρ，环境温度始终保持不变，所有气体视为理想气体.
（1）缓慢挤压瓶身时，瓶内封闭气体的内能如何变化？吸热还是放热？
（2）挤压瓶身使“潜水艇”恰好悬浮在水中时（如图丙），水面上方的气体体积减小了多少？（不考虑吸管厚度和回形针的体积，吸管内、外液面高度差产生的压强远小于大气压强，即吸管内、外气体的压强始终相等）
答案 （1）内能不变 放热 （2）V0（1－mρV）
解析 （1）环境温度不变，则瓶内封闭气体发生等温变化，故内能保持不变，即ΔU＝0
挤压瓶身时，水面上方气体体积减小，外界对气体做功，即W＞0
根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W
则Q＜0，即气体对外放热
（2）设“潜水艇”悬浮时，吸管内部封闭气体的压强为p1，体积为V1，根据平衡条件得ρgV1＝mg
解得V1＝mρ
对吸管内的气体，根据玻意耳定律有p0V＝p1V1
解得p1＝p0Vρm
设水面上方的气体体积减小ΔV，对水面上方的气体，根据玻意耳定律有p0V0＝p1（V0－ΔV）
解得ΔV＝V0（1－mρV）.课标要求
核心考点
五年考情
核心素养对接
1.知道热力学第一定律.通过有关史实，了解热力学第一定律和能量守恒定律的发现过程，体会科学探索中的挫折和失败对科学发现的意义.
2.理解能量守恒定律，能用能量守恒的观点解释自然现象.体会能量守恒定律是最基本、最普遍的自然规律之一.
3.通过自然界中宏观过程的方向性，了解热力学第二定律.
热力学第一定律及能量守恒定律
2023：天津T2，全国甲T33（1）；
2022：山东T5；
2021：山东T2，天津T6；
2019：全国ⅠT33（1）
1.物理观念：掌握热力学第一定律的应用，进一步促进相互作用观念及能量观念的形成.
2.科学思维：用综合分析的方法推导出热力学第一定律，并用来解释和计算能量转化和转移问题；了解归纳热力学第二定律的过程和方法，用来解释常见的不可逆过程.
3.科学态度与责任：基于对热力学定律的认识，讨论合理开发和利用能源的问题，培养可持续发展观念，提升社会责任感.
热力学第二定律
2020：全国ⅡT33（1）
热力学第一定律与气体实验定律的综合应用
2023：山东T9，广东T13；
2022：辽宁T6，北京T3，全国乙T33（1）
命题分析预测
热力学定律单独考查时侧重考查对热力学定律的理解，也常与气体实验定律、图像等结合考查，主要为选择题形式，难度中等偏易.预计2025年高考可能会结合图像考查热力学定律，要充分理解图像中各个拐点表示的意义，学会从图像中获取信息，提升科学思维.
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[4]增加
内能[5] 减少
特殊情况
结论
分析
过程是绝热的
Q＝0，W＝ΔU
外界对物体做的功等于物体内能的增加量
过程中不做功
W＝0，Q＝ΔU
物体吸收的热量等于物体内能的增加量
过程的始、末状态物体的内能不变
W＋Q＝0
即物体吸收的热量全部用来对外做功，或外界对物体做的功等于物体放出的热量
克劳修斯表述
热量不能自发地从低温物体传到高温物体
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”
热现象的宏观过程都具有方向性
（1）高温物体低温物体
（2）机械能内能
（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
说明：热量不可能自发地从低温物体传到高温物体，但在有外界影响的条件下，热量可以从低温物体传到高温物体
考点1 热力学第一定律及能量守恒定律
1.改变物体内能的两种方式
（1）[1] 做功 ；（2）热传递.
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[2] 热量 与外界对它所做的功的和.
（2）表达式：ΔU＝[3] Q＋W .
（3）表达式中的正、负号法则：
3.能量守恒定律
（1）内容：能量既不会凭空[6] 产生 ，也不会凭空消失，它只能从一种形式[7] 转化 为其他形式，或者从一个物体[8] 转移 到别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量[9] 保持不变 .
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.
（2）第一类永动机是不可能制成的，它违背了[10] 能量守恒定律 .
依据下面情境，判断下列说法对错.如图所示为第一类永动机的设计图，它违背了能量守恒定律.第二类永动机违背了热力学第二定律，即从单一热源吸收的热量不可能完全变成功而不产生其他影响.
（1）物体吸收热量，同时对外做功，内能可能不变.（ √ ）
（2）做功改变物体内能的过程是内能与其他形式的能相互转化的过程.（ √ ）
（3）自由摆动的秋千摆动幅度越来越小，说明能量正在消失.（ ✕ ）
（4）热机中，燃气的内能可以全部变为机械能而不引起其他变化.（ ✕ ）
1.[2022山东]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（ C ）
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
解析 初始时气体的压强p1＝p0＋mgS，体积为V1，温度为T1；将汽缸缓慢转过90°后，气体的压强为p2＝p0，体积为V2，温度为T2.易知V2＞V1，故气体对外界做功，因汽缸和活塞都是绝热的，根据热力学第一定律可得ΔU＜0，由于一定质量的理想气体内能只与气体温度有关，所以T1＞T2，A、D错误.温度降低，不是所有气体分子热运动速率都减小，但速率大的分子数占总分子数的比例减小，B错误，C正确.
方法点拨
热力学第一定律的三种特殊情况
考点2 热力学第二定律
[多选]如图所示为电冰箱的工作原理示意图.压缩机工作时，强迫制冷剂在冰箱内外的管道中不断循环.在蒸发器中制冷剂汽化吸收箱体内的热量，经过冷凝器时制冷剂液化，放出热量到箱体外.下列说法正确的是（ BC ）
A.热量可以自发地从冰箱内传到冰箱外
B.电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界，是因为其消耗了电能
C.电冰箱的工作原理不违反热力学第一定律
D.电冰箱的工作原理违反热力学第二定律
2.[多选]对于热力学第一定律和热力学第二定律的理解，下列说法正确的是（ CD ）
A.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
B.凡与热现象有关的宏观过程都具有方向性，在热传递中，热量只能从高温物体传递给低温物体，而不能从低温物体传递给高温物体
C.第二类永动机违反了热力学第二定律，没有违反热力学第一定律
D.热现象过程中不可避免地出现能量耗散现象，能量耗散符合热力学第二定律
解析 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，必然产生其他影响，否则违背热力学第二定律，选项A错误；通过做功的方式可以让热量从低温物体传递给高温物体，如电冰箱，选项B错误；第二类永动机没有违反能量守恒定律，热力学第一定律是能量守恒定律在热学中的反映，因此第二类永动机没有违反热力学第一定律，不能制成是因为它违反了热力学第二定律，故选项C正确；能量耗散过程体现了宏观自然过程的方向性，符合热力学第二定律，选项D正确.
考点3 热力学第一定律与气体实验定律的综合应用
命题点1 与理想气体状态方程综合
3.[2022辽宁]一定质量的理想气体从状态a变化到状态b，其体积V和热力学温度T的关系图像如图所示，此过程中该系统（ A ）
A.对外界做正功B.压强保持不变
C.向外界放热D.内能减少
解析 由理想气体状态方程pVT＝C得V＝CpT，连接aO、bO，由于aO连线的斜率大于bO连线的斜率，因此气体在状态a的压强小于在状态b的压强，B错误；理想气体由状态a变化到状态b的过程中，气体的体积增加，气体对外界做正功，气体的温度升高，内能增加，由热力学第一定律ΔU＝W＋Q可知，理想气体从外界吸收热量，A正确，C、D错误.
命题点2 与查理定律综合
4.如图所示是某气压式柱形保温瓶的结构示意简图，现倒入热水，封闭活塞a，其与液面间封闭一定质量的理想气体，此时瓶内气体温度为T1，压强为p0，经过一段时间温度降为T2，忽略这一过程中气体体积的变化.
（1）求温度降为T2时瓶内气体的压强p；
（2）封闭气体温度由T1降为T2过程中，其传递的热量为Q，则气体的内能如何变化？求此变化量的大小ΔU.
答案 （1）T2T1p0 （2）内能减少 ΔU＝Q
解析 （1）瓶内气体发生等容变化，由查理定律得p0T1＝pT2，解得p＝T2T1p0.
（2）封闭气体温度由T1下降到T2过程为等容变化过程，W＝0，温度降低，则气体内能减少，由热力学第一定律得W＋Q＝ΔU，解得ΔU＝Q.
命题点3 与玻意耳定律综合
5.某民航客机在一万米左右高空飞行时，需利用空气压缩机来保持机舱内外气体压强之比为4∶1.机舱内有一导热汽缸，活塞质量m＝2kg、横截面积S＝10cm2，活塞与汽缸壁之间密封良好且无摩擦.客机在地面静止时，汽缸如图（a）所示竖直放置，平衡时活塞与缸底相距l1＝8cm；客机在高度h处匀速飞行时，汽缸如图（b）所示水平放置，平衡时活塞与缸底相距l2＝10cm.汽缸内气体可视为理想气体，机舱内温度可认为不变.已知大气压强随高度的变化规律如图（c）所示，地面大气压强p0＝1.0×105Pa，地面重力加速度g＝10m/s2.
（1）判断汽缸内气体由图（a）状态到图（b）状态的过程是吸热还是放热，并说明原因；
（2）求高度h处的大气压强，并根据图（c）估测出此时客机的飞行高度.
图（a） 图（b） 图（c）
答案 （1）吸热 理由见解析 （2）0.24×105Pa 1×104m
解析 （1）根据热力学第一定律有ΔU＝W＋Q，由于气体体积膨胀，对外做功，而温度不变，则内能保持不变，因此气体由图（a）状态到图（b）状态吸热.
（2）初态封闭气体的压强p1＝p0＋mgS＝1.2×105Pa，根据玻意耳定律有p1l1S＝p2l2S
解得p2＝0.96×105Pa
机舱内外气体压强之比为4∶1，因此舱外气体压强p'2＝14p2＝0.24×105Pa，根据图（c）可知飞行高度约为1×104m.
1.[查理定律＋热力学第一定律/2023天津]如图是爬山所带的氧气瓶，爬高过程中，氧气瓶里的气体体积和质量均不变，温度降低，则气体（ B ）
A.对外做功B.内能减少
C.吸收热量D.压强不变
解析 爬高过程中，气体的体积保持不变，则气体对外不做功，A错误；爬高过程中，气体温度降低，则气体的内能减少，B正确；根据热力学第一定律可知ΔU＝W＋Q，又W＝0，ΔU＜0，则Q＜0，即气体放出热量，C错误；爬高过程中，气体的体积不变，温度降低，根据查理定律p＝CT可知气体的压强减小，D错误.
2.[T－V图像、理想气体状态方程、热力学第一定律/2022全国乙/多选]一定量的理想气体从状态a经状态b变化到状态c，其过程如T－V图上的两条线段所示，则气体在（ ABD ）
A.状态a处的压强大于状态c处的压强
B.由a变化到b的过程中，气体对外做功
C.由b变化到c的过程中，气体的压强不变
D.由a变化到b的过程中，气体从外界吸热
E.由a变化到b的过程中，从外界吸收的热量等于其增加的内能
解析 由pVT＝C得T＝pCV，T－V图线上的点与坐标原点连线的斜率越大，气体压强越大，易知状态a对应的压强大于状态c的，A正确；状态a到状态b为等压变化过程，体积增大，气体对外做功，B正确；由上述分析可知，气体在状态b的压强大于在状态c的压强，C错误；气体由状态a到状态b的过程中体积增大，对外做功，温度升高，内能增加，根据热力学第一定律可知，气体从外界吸收热量，且吸收的热量大于其内能的增加量，D正确，E错误.
3.[热力学定律＋气体实验定律/2021海南/多选]如图，一定质量的理想气体从状态a出发，经过等容过程到达状态b，再经过等温过程到达状态c，直线ac过原点.则气体（ AC ）
A.在状态c的压强等于在状态a的压强
B.在状态b的压强小于在状态c的压强
C.在b→c的过程中内能保持不变
D.在a→b的过程中对外做功
解析 由pVT＝C有VT＝Cp，又直线ac过原点，可知状态a、c的压强相等，b→c过程中气体温度不变，体积增大，压强减小，故状态b的压强大于状态c的压强，A正确，B错误；b→c过程中气体温度不变，气体质量一定，分子势能忽略，故内能不变，C正确；a→b过程中气体体积不变，并不对外做功，D错误.
4.[气体实验定律＋热力学定律/2023浙江6月]如图所示，导热良好的固定直立圆筒内用面积S＝100cm2、质量m＝1kg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VA＝600cm3.缓慢推动活塞使气体达到状态B，此时体积VB＝500cm3.固定活塞，升高热源温度，气体达到状态C，此时压强pC＝1.4×105Pa.已知从状态A到状态C，气体从外界吸收热量Q＝14J；从状态B到状态C，气体内能增加ΔU＝25J；大气压p0＝1.01×105Pa.
（1）气体从状态A到状态B，其分子平均动能 不变 （选填“增大”“减小”或“不变”），圆筒内壁单位面积受到的压力 增大 （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.
答案 （2）350K （3）11J
解析 （1）气体从状态A到状态B发生等温压缩变化，其气体内能不变，分子平均动能不变，体积减小，压强增大，圆筒内壁单位面积受到的压力增大
（2）气体处于状态A时，对活塞受力分析，有
pAS＋mg＝p0S解得pA＝1×105Pa
气体从状态A到状态B发生等温压缩变化，由玻意耳定律有
pAVA＝pBVB
解得pB＝1.2pA＝1.2×105Pa
气体从状态B到状态C，做等容变化，由查理定律有pBTB＝pCTC
解得TC＝350K
（3）气体从状态B到状态C，外界对气体不做功，所以W等于气体从状态A到状态C外界对气体做的功，由（1）问分析可知，从A到C内能的变化量等于从B到C内能的变化量，从A到C由热力学第一定律有
ΔU＝W＋Q
解得W＝11J.
1.关于能量的转化，下列说法正确的是（ A ）
A.摩擦生热的过程在任何情况下都是不可逆的
B.空调既能制热又能制冷说明热传递不存在方向性
C.第二类永动机不存在的原因是违背了能量守恒定律
D.由于能量的转化过程符合守恒定律，所以不会发生能源危机
解析 根据热力学第二定律可知，摩擦生热的过程在任何情况下都是不可逆的，A正确；空调既能制热又能制冷，但是消耗电能，说明在不自发的条件下热传递方向可以逆向，不违背热力学第二定律，B错误；第二类永动机不存在的原因是违背了热力学第二定律，C错误；由于能量转移或转化是有方向性的，虽然能量守恒，但是还会产生能源危机，D错误.
2.[2024福建宁德一中模拟]根据热力学定律，下列说法正确的是（ D ）
A.热量既能自发地从高温物体传递到低温物体，也能自发地从低温物体传递到高温物体
B.一定质量的理想气体吸收了热量，则温度一定升高
C.一定质量的理想气体，如果体积增大，就会对外做功，所以内能一定减少
D.物体从单一热源吸收的热量可全部用于做功
解析 根据热力学第二定律，热量能够自发地从高温物体传递到低温物体，但不能自发地从低温物体传递到高温物体，故A错误；根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，可知物体内能的改变是外界对物体做功与物体吸收的热量的和，所以气体吸收热量，又对外做功时，气体的内能可能减少，温度不一定升高，故B错误；一定质量的理想气体，如果压强不变，体积增大对外做功，根据理想气体状态方程可知，温度一定升高，内能增加，故C错误；根据热力学第二定律可知，物体不可能从单一热源吸收热量全部用于做功而不产生其他影响，也就是说在引起其他变化的情况下，物体从单一热源吸收的热量可全部用于做功，故D正确.
3.[情境创新/2024湖北武汉部分学校调研]车辆减震装置中的囊式空气弹簧由橡胶气囊和密闭在其中的压缩空气组成，当车辆剧烈颠簸时，气囊内的气体体积快速变化，以降低车辆的振动幅度.若上述过程可视为绝热过程，气囊内的气体可视为理想气体，在压缩气体的过程中，下列说法正确的是（ D ）
A.气体温度保持不变
B.每个气体分子的动能都增大
C.气体分子对单位面积器壁的压力减小
D.单位时间内单位面积上气体分子碰撞器壁的次数增多
解析 由题意可知此过程为理想气体的绝热压缩过程，则Q＝0，W＞0，由热力学第一定律ΔU＝Q＋W可知ΔU＞0，气体的温度升高，A错误；由于温度是分子平均动能的标志，所以此过程中气体分子的平均动能增大，但并不是每个气体分子的动能都增大，B错误；由于气体分子的平均动能增大，气体体积减小，所以单位时间内单位面积上气体分子碰撞器壁的次数增多，气体分子对单位面积器壁的压力增大，C错误，D正确.
4.[2022北京]如图所示，一定质量的理想气体从状态a开始，沿图示路径先后到达状态b和c.下列说法正确的是（ D ）
A.从a到b，气体温度保持不变
B.从a到b，气体对外界做功
C.从b到c，气体内能减少
D.从b到c，气体从外界吸热
解析
5.[2023湖南长沙摸底考试]如图所示，导热性能良好的汽缸内用活塞封闭着一定质量的理想气体，汽缸固定不动.一条细线一端连接在活塞上，另一端跨过光滑的定滑轮后连接在一个小桶上，开始时活塞静止.现不断向小桶中添加细砂，使活塞缓慢向右移动（活塞始终未被拉出，汽缸周围环境温度不变）.则在活塞移动的过程中，下列说法正确的是（ C ）
A.汽缸内气体分子的平均动能变大
B.汽缸内气体的内能变小
C.汽缸内气体的压强变小
D.汽缸内气体向外界放热
解析
6.[2024辽宁锦州模拟]一定质量的理想气体从状态A经过状态B变化到状态C，其V－T图像如图所示.下列说法正确的是（ B ）
A.A→B的过程中，气体对外界做功
B.A→B的过程中，气体放出热量
C.B→C的过程中，气体压强变小
D.A→B→C的过程中，气体内能增加
解析 由图可知，A→B的过程中，气体的温度不变，内能不变，体积减小，外界对气体做功，由热力学第一定律可知，气体放出热量，故A错误，B正确；B→C的过程中，V－T图线的延长线过原点，则为等压变化，气体压强不变，故C错误；A→B→C的过程中，气体温度先不变后降低，内能先不变后减少，故D错误.
7.[2023山东/多选]一定质量的理想气体，初始温度为300K，压强为1×105Pa.经等容过程，该气体吸收400J的热量后温度上升100K；若经等压过程，需要吸收600J的热量才能使气体温度上升100K.下列说法正确的是（ AD ）
A.初始状态下，气体的体积为6L
B.等压过程中，气体对外做功400J
C.等压过程中，气体体积增加了原体积的14
D.两个过程中，气体的内能增加量都为400J
解析 理想气体初始状态的温度为T0＝300 K，压强为p0＝1×105 Pa，体积设为V0，经等容过程，温度变为T1＝400 K，由查理定律有p0T0＝p1T1，解得p1＝T1T0p0＝43p0，经等压过程，温度变为T1＝400 K，由盖－吕萨克定律有V0T0＝V1T1，解得V1＝T1T0V0＝43V0，故等压过程中，气体体积增加了原体积的13，C错误；等容过程中气体做功为零，由热力学第一定律得ΔU＝Q＋W＝400 J，两个过程的初、末温度相同，则内能变化相同，因此内能增加量都为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W＝p0(43V0－V0)＝200 J，解得V0＝6 L，A正确，B错误.
8.[2023广东]在驻波声场的作用下，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，气泡内的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p－V图像，气泡内气体先从压强为p0、体积为V0、温度为T0的状态A等温膨胀到体积为5V0、压强为pB的状态B，然后从状态B绝热收缩到体积为V0、压强为1.9p0、温度为TC的状态C，B到C的过程外界对气体做功为W.已知p0、V0、T0和W.求：
（1）pB的表达式；
（2）TC的表达式；
（3）B到C的过程，气泡内气体内能的变化.
答案 （1）pB＝p05 （2）TC＝1.9T0 （3）内能增加了W
解析 （1）由题意可知从状态A到状态B，气体发生等温变化，由玻意耳定律有p0V0＝pB·5V0
解得pB＝p05
（2）由图可知，若从状态A沿虚线到状态C，则气体发生等容变化，由查理定律有p0T0＝1.9p0TC
解得TC＝1.9T0
（3）由题意可知从状态B到状态C，气体发生绝热收缩，Q＝0
根据热力学第一定律有ΔU＝Q＋W＝W
故B到C的过程，气泡内气体的内能增加了W.
9.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＝100cm2、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TA＝300K、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，此时气体到达状态B.活塞保持不动，气体被继续加热至温度TC＝363K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＝158J.取大气压p0＝0.99×105Pa，重力加速度g＝10m/s2，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过程中从外界吸收的热量Q.
答案 （1）330K （2）1.1×105Pa （3）188J
解析 （1）从状态A到状态B，封闭气体发生等压变化
由盖－吕萨克定律可得VATA＝VBTB
其中VA＝h0S，VB＝（h0＋d）S
解得TB＝330K
（2）从状态A到状态B，活塞缓慢上升，则有
pBS＝p0S＋mg
解得pB＝1×105Pa
由状态B到状态C，封闭气体发生等容变化
由查理定律可得pBTB＝pCTC
解得pC＝1.1×105Pa
（3）从状态A到状态C过程中，气体对外做功，则
W＝－pBSd＝－30J
由热力学第一定律有ΔU＝Q＋W
解得Q＝188J.
10.[渗透实验思想/2023广东广州二中模拟]制作“吸管潜水艇”是深受小朋友喜爱的科学实验，如图甲所示，将吸管对折后用回形针固定，然后管口竖直向下插入装有水的矿泉水瓶中，使吸管顶部露出水面，最后用盖子封紧矿泉水瓶（如图乙）.实验时，用力挤压瓶身，“潜水艇”就会沉入水底，松开手后，“潜水艇”又浮出水面.设未挤压时水面上方封闭气体的体积为V0，压强为p0，吸管内封闭气体的体积为V，“潜水艇”的质量为m，水的密度恒为ρ，环境温度始终保持不变，所有气体视为理想气体.
（1）缓慢挤压瓶身时，瓶内封闭气体的内能如何变化？吸热还是放热？
（2）挤压瓶身使“潜水艇”恰好悬浮在水中时（如图丙），水面上方的气体体积减小了多少？（不考虑吸管厚度和回形针的体积，吸管内、外液面高度差产生的压强远小于大气压强，即吸管内、外气体的压强始终相等）
答案 （1）内能不变 放热 （2）V0（1－mρV）
解析 （1）环境温度不变，则瓶内封闭气体发生等温变化，故内能保持不变，即ΔU＝0
挤压瓶身时，水面上方气体体积减小，外界对气体做功，即W＞0
根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W
则Q＜0，即气体对外放热
（2）设“潜水艇”悬浮时，吸管内部封闭气体的压强为p1，体积为V1，根据平衡条件得ρgV1＝mg
解得V1＝mρ
对吸管内的气体，根据玻意耳定律有p0V＝p1V1
解得p1＝p0Vρm
设水面上方的气体体积减小ΔV，对水面上方的气体，根据玻意耳定律有p0V0＝p1（V0－ΔV）
解得ΔV＝V0（1－mρV）.课标要求
核心考点
五年考情
核心素养对接
1.知道热力学第一定律.通过有关史实，了解热力学第一定律和能量守恒定律的发现过程，体会科学探索中的挫折和失败对科学发现的意义.
2.理解能量守恒定律，能用能量守恒的观点解释自然现象.体会能量守恒定律是最基本、最普遍的自然规律之一.
3.通过自然界中宏观过程的方向性，了解热力学第二定律.
热力学第一定律及能量守恒定律
2023：天津T2，全国甲T33（1）；
2022：山东T5；
2021：山东T2，天津T6；
2019：全国ⅠT33（1）
1.物理观念：掌握热力学第一定律的应用，进一步促进相互作用观念及能量观念的形成.
2.科学思维：用综合分析的方法推导出热力学第一定律，并用来解释和计算能量转化和转移问题；了解归纳热力学第二定律的过程和方法，用来解释常见的不可逆过程.
3.科学态度与责任：基于对热力学定律的认识，讨论合理开发和利用能源的问题，培养可持续发展观念，提升社会责任感.
热力学第二定律
2020：全国ⅡT33（1）
热力学第一定律与气体实验定律的综合应用
2023：山东T9，广东T13；
2022：辽宁T6，北京T3，全国乙T33（1）
命题分析预测
热力学定律单独考查时侧重考查对热力学定律的理解，也常与气体实验定律、图像等结合考查，主要为选择题形式，难度中等偏易.预计2025年高考可能会结合图像考查热力学定律，要充分理解图像中各个拐点表示的意义，学会从图像中获取信息，提升科学思维.
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[4]增加
内能[5] 减少
特殊情况
结论
分析
过程是绝热的
Q＝0，W＝ΔU
外界对物体做的功等于物体内能的增加量
过程中不做功
W＝0，Q＝ΔU
物体吸收的热量等于物体内能的增加量
过程的始、末状态物体的内能不变
W＋Q＝0
即物体吸收的热量全部用来对外做功，或外界对物体做的功等于物体放出的热量
克劳修斯表述
热量不能自发地从低温物体传到高温物体
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”
热现象的宏观过程都具有方向性
（1）高温物体低温物体
（2）机械能内能
（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
说明：热量不可能自发地从低温物体传到高温物体，但在有外界影响的条件下，热量可以从低温物体传到高温物体
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