第十五章　熱學(xué) 第77課時(shí)　熱力學(xué)定律與能量守恒定律　雙基落實(shí)課

第77課時(shí)熱力學(xué)定律與能量守恒定律[雙基落實(shí)課]CONTENTS03立足“四層”·夯基礎(chǔ)概念公式定理著眼“四翼”·探考點(diǎn)題型規(guī)律方法聚焦“素養(yǎng)”·提能力巧學(xué)妙解應(yīng)用01立足“四層”·夯基礎(chǔ)概念公式定理

以下各圖均來(lái)自人教版選擇性必修第三冊(cè)。判斷下列說(shuō)法的正誤：（1）壓縮氣體做功、對(duì)氣體加熱都可以改變氣體的內(nèi)能。

（

√

）√（2）“飲水小鴨”能自動(dòng)“喝水”，是永動(dòng)機(jī)。

（

×

）（3）紅色顏料在水中擴(kuò)散后不能再自發(fā)“聚集”起來(lái)。

（

√

）（4）“飲水小鴨”能自動(dòng)“喝水”，說(shuō)明能量不守恒。

（

×

）×√×02著眼“四翼”·探考點(diǎn)題型規(guī)律方法考點(diǎn)一

熱力學(xué)定律與能量守恒定律

[素養(yǎng)自修類]1.【能量守恒定律的理解】下列關(guān)于能量守恒定律的認(rèn)識(shí)，不正確的是（

）A.某種形式的能量減少，一定存在其他形式的能量增加B.某個(gè)物體的能量減少，必然有其他物體的能量增加C.對(duì)物體做功，物體的內(nèi)能可能減小D.石子從空中落下，最后停止在地面上，說(shuō)明石子的能量消失了解析：

根據(jù)能量守恒定律得知，某種形式的能量減少，其他形

式的能量一定增加，故A正確；某個(gè)物體的能量減少，根據(jù)能量守

恒定律知，必然有其他物體的能量增加，故B正確；對(duì)物體做功，

但若物體同時(shí)向外界放熱，物體的內(nèi)能可能減小，故C正確；石子

在運(yùn)動(dòng)和碰撞中機(jī)械能轉(zhuǎn)化為物體及周圍物體的內(nèi)能，能量并沒(méi)有

消失，故D錯(cuò)誤。2.【熱力學(xué)定律和永動(dòng)機(jī)辨析】關(guān)于兩類永動(dòng)機(jī)和熱力學(xué)的兩個(gè)定律，下列說(shuō)法正確的是（

）A.第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成是因?yàn)檫`反了熱力學(xué)第一定律B.第一類永動(dòng)機(jī)不可能制成是因?yàn)檫`反了熱力學(xué)第二定律C.由熱力學(xué)第一定律可知做功不一定改變內(nèi)能，熱傳遞也不一定改變

內(nèi)能，但同時(shí)做功和熱傳遞一定會(huì)改變內(nèi)能D.由熱力學(xué)第二定律可知熱量從低溫物體傳向高溫物體是可能的，從

單一熱源吸收熱量，完全變成功也是可能的解析：

第一類永動(dòng)機(jī)違反能量守恒定律，第二類永動(dòng)機(jī)違反熱

力學(xué)第二定律，A、B錯(cuò)誤；由熱力學(xué)第一定律可知W≠0，Q≠0，

但ΔU＝W＋Q可以等于0，C錯(cuò)誤；由熱力學(xué)第二定律可知D中現(xiàn)象

是可能的，但會(huì)引起其他變化，D正確。3.【熱力學(xué)第一定律的理解】（多選）（2023·全國(guó)甲卷33題改編）在一汽缸中用活塞封閉著一

定量的理想氣體，發(fā)生下列緩慢變化過(guò)程，氣體一定與外界有熱量

交換的過(guò)程是（

）A.氣體的體積不變，溫度升高B.氣體的體積減小，溫度降低C.氣體的體積減小，溫度升高D.氣體的體積增大，溫度不變解析：

氣體的體積不變，溫度升高，則氣體的內(nèi)能增加，氣體做功為零，因此氣體吸收熱量，A正確；氣體的體積減小，溫度降低，則氣體的內(nèi)能減少，外界對(duì)氣體做功，由熱力學(xué)第一定律ΔU＝W＋Q，可知?dú)怏w對(duì)外放熱，B正確；氣體的體積減小，溫度升高，則氣體的內(nèi)能增加，外界對(duì)氣體做功，由熱力學(xué)第一定律ΔU＝W＋Q，可知Q可能等于零，即沒(méi)有熱量交換過(guò)程，C錯(cuò)誤；氣體的體積增大，溫度不變，則氣體的內(nèi)能不變，氣體對(duì)外界做功，由熱力學(xué)第一定律ΔU＝W＋Q，可知Q＞0，即氣體吸收熱量，D正確。

1.熱力學(xué)第一定律表達(dá)式的正、負(fù)號(hào)法則物理量＋－W外界對(duì)物體做功物體對(duì)外界做功Q物體吸收熱量物體放出熱量ΔU內(nèi)能增加內(nèi)能減少2.熱力學(xué)第一定律的三種特殊情況（1）絕熱過(guò)程：Q＝0，W＝ΔU，外界對(duì)物體做的功等于物體內(nèi)能

的增加。（2）不做功的過(guò)程：W＝0，Q＝ΔU，物體吸收的熱量等于物體內(nèi)

能的增加。（3）內(nèi)能不變的過(guò)程：W＋Q＝0，即物體吸收的熱量全部用來(lái)對(duì)

外做功，或外界對(duì)物體做的功等于物體放出的熱量。3.在熱力學(xué)第二定律的表述中，“自發(fā)地”“不產(chǎn)生其他影響”

的含義（1）“自發(fā)地”指明了熱傳遞等熱力學(xué)宏觀現(xiàn)象的方向性，不需

要借助外界提供能量。（2）“不產(chǎn)生其他影響”的含義是發(fā)生的熱力學(xué)宏觀過(guò)程只在本

系統(tǒng)內(nèi)完成，對(duì)周圍環(huán)境不產(chǎn)生熱力學(xué)方面的影響。如吸

熱、放熱、做功等。4.兩類永動(dòng)機(jī)的比較第一類永動(dòng)機(jī)第二類永動(dòng)機(jī)不需要任何動(dòng)力或燃料，卻能不

斷地對(duì)外做功的機(jī)器從單一熱源吸收熱量，使之完全

變成功，而不產(chǎn)生其他影響的機(jī)

器違背能量守恒定律，不可能制成不違背能量守恒定律，但違背熱

力學(xué)第二定律，不可能制成考點(diǎn)二

熱力學(xué)第一定律與氣體狀態(tài)變化圖像的綜合

[素養(yǎng)自修類]

1.【熱力學(xué)第一定律與氣體p-V圖像的綜合】（2022·江蘇高考7題）如圖所示，一定質(zhì)量的理想氣體分別經(jīng)歷

a→b和a→c兩個(gè)過(guò)程，其中a→b為等溫過(guò)程，狀態(tài)b、c的體積相

同，則（

）A.狀態(tài)a的內(nèi)能大于狀態(tài)bB.狀態(tài)a的溫度高于狀態(tài)cC.a→c過(guò)程中氣體吸收熱量D.a→c過(guò)程中外界對(duì)氣體做正功

2.【熱力學(xué)第一定律與氣體p-T圖像的綜合】一定量的理想氣體的壓強(qiáng)p與熱力學(xué)溫度T的變化圖像如圖所示。下

列說(shuō)法正確的是（

）A.A→B的過(guò)程中，氣體對(duì)外界做功，氣體內(nèi)能增加B.A→B的過(guò)程中，氣體從外界吸收的熱量等于其內(nèi)能的增加量C.B→C的過(guò)程中，氣體體積增大，對(duì)外做功D.B→C的過(guò)程中，氣體對(duì)外界放熱，內(nèi)能減小解析：

從A到B的過(guò)程，是等容升溫過(guò)程，氣體不對(duì)外做功，氣

體從外界吸收的熱量，等于氣體內(nèi)能的增加量，故A錯(cuò)誤，B正

確；從B到C的過(guò)程是等溫壓縮過(guò)程，壓強(qiáng)增大，體積減小，外界對(duì)氣體做功，氣體放出熱量，內(nèi)能不變，故C、D錯(cuò)誤。3.【熱力學(xué)第一定律與T-V圖像的綜合】（多選）（2022·全國(guó)乙卷33題改編）一定量的理想氣體從狀態(tài)a經(jīng)

狀態(tài)b變化到狀態(tài)c，其過(guò)程如T-V圖上的兩條線段所示，則氣體在

（

）A.由a變化到b的過(guò)程中，氣體對(duì)外做功B.由b變化到c的過(guò)程中，氣體的壓強(qiáng)不變C.由a變化到b的過(guò)程中，氣體從外界吸熱D.由a變化到b的過(guò)程中，從外界吸收的熱量等于其增加的內(nèi)能

處理熱力學(xué)第一定律與氣體狀態(tài)變化圖像的綜合問(wèn)題的思路（1）根據(jù)氣體狀態(tài)變化圖像的特點(diǎn)判斷氣體的溫度、體積的變化情

況，從而判斷氣體與外界的吸、放熱情況及做功情況。（2）在p-V圖像中，圖線與V軸圍成的面積表示氣體對(duì)外界或外界對(duì)

氣體做的功。（3）結(jié)合熱力學(xué)第一定律判斷有關(guān)問(wèn)題。考點(diǎn)三

熱力學(xué)第一定律與氣體實(shí)驗(yàn)定律的綜合

[互動(dòng)共研類]

求解氣體實(shí)驗(yàn)定律與熱力學(xué)第一定律的綜合問(wèn)題的一般思路【典例】

（2023·浙江1月選考19題）某探究小組設(shè)計(jì)了一個(gè)報(bào)警裝置，其原理如圖所示。在豎直放置的圓柱形容器內(nèi)用面積S＝100cm2、質(zhì)量m＝1kg的活塞密封一定質(zhì)量的理想氣體，活塞能無(wú)摩擦滑動(dòng)。開始時(shí)氣體處于溫度TA＝300K、活塞與容器底的距離h0＝30cm的狀態(tài)A。環(huán)境溫度升高時(shí)容器內(nèi)氣體被加熱，活塞緩慢上升d＝3cm恰好到達(dá)容器內(nèi)的卡口處，此時(shí)氣體達(dá)到狀態(tài)B?；钊３植粍?dòng)，氣體被繼續(xù)加熱至溫度TC＝363K的狀態(tài)C時(shí)觸動(dòng)報(bào)警器。從狀態(tài)A到狀態(tài)C的過(guò)程中氣體內(nèi)能增加了ΔU＝158J。取大氣壓p0＝0.99×105Pa，重力加速度g取10m/s2，求氣體（1）在狀態(tài)B的溫度；答案：330K

（2）在狀態(tài)C的壓強(qiáng)；答案：1.1×105Pa

（3）由狀態(tài)A到狀態(tài)C過(guò)程中從外界吸收熱量Q。答案：188J解析：根據(jù)題意可知，從狀態(tài)A到狀態(tài)C的過(guò)程中外界對(duì)氣體做的

功為W＝－pBSΔh＝－30J由熱力學(xué)第一定律有ΔU＝W＋Q解得Q＝ΔU－W＝188J。

1.【熱力學(xué)第一定律與氣體狀態(tài)方程的綜合】（多選）（2023·新課標(biāo)卷21題）如圖，一封閉著理想氣體的絕熱

汽缸置于水平地面上，用輕彈簧連接的兩絕熱活塞將汽缸分為f、

g、h三部分，活塞與汽缸壁間沒(méi)有摩擦。初始時(shí)彈簧處于原長(zhǎng)，三

部分中氣體的溫度、體積、壓強(qiáng)均相等?，F(xiàn)通過(guò)電阻絲對(duì)f中的氣體

緩慢加熱，停止加熱并達(dá)到穩(wěn)定后（

）A.h中的氣體內(nèi)能增加B.f與g中的氣體溫度相等C.f與h中的氣體溫度相等D.f與h中的氣體壓強(qiáng)相等

2.【熱力學(xué)第一定律與氣體實(shí)驗(yàn)定律的綜合】如圖所示一U形玻璃管豎直放置，右端開口，左管用光滑活塞和水銀封閉一段空氣柱。外界大氣壓為p0＝1.0×105Pa，封閉氣體的溫度t0＝27℃，玻璃管的橫截面積為S＝5.0cm2，管內(nèi)水銀柱及空氣柱長(zhǎng)度如圖所示。已知水銀的密度為ρ＝13.6×103

kg/m3，重力加速度g＝10m/s2；封閉氣體的溫度緩慢降至t1＝－3℃。T＝t＋273K。求：（1）溫度t1＝－3℃時(shí)空氣柱的長(zhǎng)度L；答案：36cm

（2）已知該過(guò)程中氣體向外界放出5.0J的熱量，氣體內(nèi)能的增

量。

（結(jié)果保留兩位有效數(shù)字）答案：－2.5J解析：封閉氣體的壓強(qiáng)p＝p0＋ρgh外界對(duì)氣體做功W＝pS（L0－L）由熱力學(xué)第一定律ΔU＝Q＋W解得ΔU≈－2.5J，即內(nèi)能減少了2.5J。03聚焦“素養(yǎng)”·提能力巧學(xué)妙解應(yīng)用考點(diǎn)一

熱力學(xué)定律與能量守恒定律1.一定質(zhì)量的理想氣體在某一過(guò)程中，外界對(duì)氣體做了8×104J的功，

氣體的內(nèi)能減少了1.2×105J，則下列各式中正確的是（

）A.W＝8×104J，ΔU＝1.2×105J，Q＝4×104JB.W＝8×104J，ΔU＝－1.2×105J，Q＝－2×105JC.W＝－8×104J，ΔU＝1.2×105J，Q＝2×104JD.W＝－8×104J，ΔU＝－1.2×105J，Q＝－4×104J解析：

外界對(duì)氣體做功W為正值，氣體內(nèi)能減少，ΔU為負(fù)值，

代入熱力學(xué)第一定律表達(dá)式得Q＝－2×105J，故B正確。123456789102.（多選）根據(jù)熱力學(xué)定律，下列說(shuō)法正確的是（

）A.第二類永動(dòng)機(jī)違反能量守恒定律，因此不可能制成B.效率為100％的熱機(jī)是不可能制成的C.電冰箱的工作過(guò)程表明，熱量可以從低溫物體向高溫物體傳遞D.從單一熱庫(kù)吸收熱量，使之完全變?yōu)楣κ翘岣邫C(jī)械效率的常用手段12345678910解析：

第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成，是因?yàn)樗`反了熱力學(xué)第

二定律，故A錯(cuò)誤；效率為100％的熱機(jī)是不可能制成的，故B正

確；電冰箱的工作過(guò)程表明，熱量可以從低溫物體向高溫物體傳

遞，故C正確；從單一熱庫(kù)吸收熱量，使之完全變?yōu)楣κ遣豢赡軐?shí)

現(xiàn)的，故D錯(cuò)誤。12345678910考點(diǎn)二

熱力學(xué)第一定律與氣體狀態(tài)變化圖像的綜合3.一定質(zhì)量的理想氣體由狀態(tài)a開始，經(jīng)歷ab、bc、ca三個(gè)過(guò)程回到

原狀態(tài)，其p-T圖像如圖所示，氣體在三個(gè)狀態(tài)的體積分別為Va、

Vb、Vc，壓強(qiáng)分別為pa、pb、pc。已知pb＝p0，pc＝4p0，則下列說(shuō)法

正確的是（

）A.pa＝3p0B.Vb＝3VcC.從狀態(tài)a到狀態(tài)b，氣體對(duì)外做功D.從狀態(tài)c到狀態(tài)a，氣體從外界吸熱考點(diǎn)二12345678910

123456789104.（多選）一定質(zhì)量的理想氣體由狀態(tài)a經(jīng)狀態(tài)b、c又回到狀態(tài)a，其

壓強(qiáng)p與體積V的關(guān)系如圖所示，變化過(guò)程有等容、等溫和絕熱過(guò)

程，則下列說(shuō)法正確的是（

）A.①過(guò)程可能為等溫變化B.全過(guò)程氣體向外界放出的熱量大于從外界吸收的熱量C.③過(guò)程氣體分子單位時(shí)間內(nèi)對(duì)單位面積器壁的碰撞次數(shù)一定增加D.因?yàn)闅怏w返回狀態(tài)a時(shí)體積不變，所以外界不對(duì)氣體做功12345678910解析：

①過(guò)程若為等溫變化，②過(guò)程為等容變化，溫度升

高，則③過(guò)程為絕熱變化，外界對(duì)氣體做正功，氣體溫度升高，不

可能回到初始狀態(tài)，故A錯(cuò)誤；②過(guò)程外界沒(méi)有對(duì)氣體做功，根據(jù)

p-V圖線和坐標(biāo)軸所圍面積表示氣體和外界功的交換，③過(guò)程外界

對(duì)氣體做的正功大于①過(guò)程氣體對(duì)外界做的負(fù)功，因此全過(guò)程外界

對(duì)氣體做正功，氣體內(nèi)能不變，故全過(guò)程氣體向外界放出的熱量大

于從外界吸收的熱量，故B正確，D錯(cuò)誤；③過(guò)程為等溫變化，氣

體壓強(qiáng)增大，分子平均動(dòng)能不變，氣體分子單位時(shí)間內(nèi)對(duì)單位面積

器壁的碰撞次數(shù)一定增加，故C正確。123456789105.（2022·遼寧高考6題）一定質(zhì)量的理想氣體從狀態(tài)a變化到狀態(tài)b，

其體積V和熱力學(xué)溫度T變化圖像如圖所示，此過(guò)程中該系統(tǒng)（

）A.對(duì)外界做正功B.

壓強(qiáng)保持不變C.向外界放熱D.

內(nèi)能減少12345678910解析：

理想氣體從狀態(tài)a變化到狀態(tài)b，體積增大，理想氣體對(duì)

外界做正功，A正確；分別作出過(guò)a點(diǎn)和過(guò)b點(diǎn)的等壓線，可以確定p

增大，B錯(cuò)誤；理想氣體從狀態(tài)a變化到狀態(tài)b，溫度升高，內(nèi)能增

大，D錯(cuò)誤；理想氣體從狀態(tài)a變化到狀態(tài)b，理想氣體對(duì)外界做正

功且內(nèi)能增大，則根據(jù)熱力學(xué)第一定律可知?dú)怏w從外界吸收熱量，

C錯(cuò)誤。12345678910考點(diǎn)三

熱力學(xué)第一定律與氣體實(shí)驗(yàn)定律的綜合6.（多選）（2023·山東高考9題）一定質(zhì)量的理想氣體，初始溫度為

300K，壓強(qiáng)為1×105Pa。經(jīng)等容過(guò)程，該氣體吸收400J的熱量后

溫度上升100K；若經(jīng)等壓過(guò)程，需要吸收600J的熱量才能使氣體

溫度上升100K。下列說(shuō)法正確的是（

）A.初始狀態(tài)下，氣體的體積為6LB.等壓過(guò)程中，氣體對(duì)外做功400JD.兩個(gè)過(guò)程中，氣體的內(nèi)能增加量都為400J12345678910

123456789107.（2023·浙江6月選考17題）如圖所示，導(dǎo)熱良好的固定直立圓筒內(nèi)用面積S＝100cm2、質(zhì)量m＝1kg的活塞封閉一定質(zhì)量的理想氣體，活塞能無(wú)摩擦滑動(dòng)。圓筒與溫度300K的熱源接觸，平衡時(shí)圓筒內(nèi)氣體處于狀態(tài)A，其體積VA＝600cm3。緩慢推動(dòng)活塞使氣體達(dá)到狀態(tài)B，此時(shí)體積VB＝500cm3。固定活塞，升高熱源溫度，氣體達(dá)到狀態(tài)C，此時(shí)壓強(qiáng)pC＝1.4×105Pa。已知從狀態(tài)A到狀態(tài)C，氣體從外界吸收熱量Q＝14J；從狀態(tài)B到狀態(tài)C，氣體內(nèi)能增加ΔU＝25J；大氣壓p0＝1.01×105Pa。12345678910（1）氣體從狀態(tài)A到狀態(tài)B，其分子平均動(dòng)能

（選填“增

大”“減小”或“不變”），圓筒內(nèi)壁單位面積受到的壓

力

（選填“增大”“減小”或“不變”）；答案：不變

增大

解析：（1）氣體從狀態(tài)A到狀態(tài)B發(fā)生等溫壓縮變化，其內(nèi)能

不變，分子平均動(dòng)能不變，體積減小，壓強(qiáng)增大，圓筒內(nèi)壁

單位面積受到的壓力增大。12345678910（2）求氣體在狀態(tài)C的溫度TC；答案：350K

解析：氣體處于狀態(tài)A時(shí)，對(duì)活塞受力分析，有pAS＋mg＝p0S解得pA＝1×105Pa氣體從狀態(tài)A到狀態(tài)B發(fā)生等溫壓縮變化，由玻意耳定律有

pAVA＝pBVB

解得TC＝350K。12345678910（3）求氣體從狀態(tài)A到狀態(tài)B過(guò)程中外界對(duì)系統(tǒng)做的功W。答案：11J解析：氣體從狀態(tài)B到狀態(tài)C，外界對(duì)氣體不做功，所以W等于

氣體從狀態(tài)A到狀態(tài)C外界對(duì)氣體做的功，由（1）問(wèn)分析可

知，從A到C內(nèi)能的變化量等于從B到C內(nèi)能的變化量，從A到

C由熱力學(xué)第一定律有ΔU＝W＋Q，解得W＝11J。12345678910

8.（2024·九省聯(lián)考吉林）某同學(xué)取一裝有少量水的塑料礦泉水瓶，

旋緊瓶蓋，雙手快速擰搓擠壓水瓶。然后迅速擰松瓶蓋，瓶蓋被頂

飛的同時(shí)瓶?jī)?nèi)出現(xiàn)白霧，則（

）A.擠壓水瓶過(guò)程中，瓶?jī)?nèi)氣體分子的平均動(dòng)能減小B.擠壓水瓶過(guò)程中，瓶?jī)?nèi)氣體內(nèi)能不變C.瓶蓋被頂飛過(guò)程中，瓶?jī)?nèi)氣體對(duì)外做功D.瓶蓋被頂飛過(guò)程中，瓶?jī)?nèi)氣體溫度升高12345678910解析：

旋緊瓶蓋，雙手快速擰搓擠壓水瓶，外界對(duì)氣體做正

功，瓶?jī)?nèi)氣體來(lái)不及發(fā)生熱傳導(dǎo)，根據(jù)熱力學(xué)第一定律可知，

瓶?jī)?nèi)氣體內(nèi)能變大，瓶?jī)?nèi)氣體溫度升高，則瓶?jī)?nèi)氣體分子的平

均動(dòng)能增大，故A、B錯(cuò)誤；然后迅速擰松瓶蓋，