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第十五章
第3讲　热力学定律与能量守恒定律
热　学
判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”).
1．做功可以改变系统的内能，但是单纯地对系统传热不能改变系统的内能．
(　　)
2．做功和热传递的实质是相同的． (　　)
3．绝热过程中，外界压缩气体做功20 J，气体的内能一定减少20 J． (　　)
4．物体吸收热量，同时对外做功，内能可能不变． (　　)
5．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． (　　)
×
×
×
√
×
6．在给自行车打气时，会发现打气筒的温度升高，这是因为打气筒从外界吸热． (　　)
7．可以从单一热源吸收热量，使之完全变成功． (　　)
8．热量不可能从低温物体传给高温物体． (　　)
9．自由摆动的秋千摆动幅度越来越小，说明能量正在消失． (　　)
×
√
×
×
考点一　热力学第一定律　
能量守恒定律
1．改变物体内能的两种方式
(1) _______．(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_______与外界对它所做的功的和．
(2) 表达式：ΔU＝_______．
做功
热量
Q＋W
(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_______
外界
物体
吸收
增加
物体
外界
放出
减少
(4) 几种特殊情况
① 绝热：___________(____＝0).
② 自由膨胀：气体不对外做功(W_____0).
③ 等容：_______不变，不_______(____＝0).
④ 等温：分子平均动能_______，理想气体内能不变(理想气体_____＝0).
⑤ 等压，体积变化ΔV：做功W＝______．
没有传热
Q
＝
体积
做功
W
不变
ΔU
pΔV
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_______________．
产生
转化
转移
保持不变
能量守恒定律
典 题 悟 法
　　　　(2025·江苏卷)如图所示，取装有少量水的烧瓶，用装有导管的橡胶塞塞紧瓶口，并向瓶内打气．当橡胶塞跳出时，瓶内出现白雾．橡胶塞跳出后，瓶内气体 (　　)
A．内能迅速增大
B．温度迅速升高
C．压强迅速增大
D．体积迅速膨胀
1
D
考点二　热力学第二定律
1．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．
热量不能自发地从低温物体传到高温物体
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
2．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．
3．热力学过程方向性实例
4．两类永动机的比较
第一类永动机 第二类永动机
不消耗能量却可以源源不断地对外做功的机器 从单一热源吸热，全部用来对外做功而不引起其他变化的机器
违背能量守恒定律，不可能实现 不违背能量守恒定律，但违背热力学第二定律，不可能实现
典 题 悟 法
　　　　如图所示，两种不同的金属组成一个回路，接触头1置于热水杯中，接触头2置于冷水杯中，此时回路中电流表发生偏转，这是温差电现象．假设此过程电流做功为W，接触头1从热水中吸收的热量为Q1，冷水从接触头2吸收的热量为Q2，根据热力学第二定律可得 (　　)
A．Q1＝W　　　　
B．Q1＞W
C．Q1＜Q2　　　　
D．Q1＋Q2＝W
2
B
【解析】 根据热力学第二定律，不可能从单一热源吸收热量使之全部用来做功，而不产生其他影响，所以从热水中吸收的热量Q1应该大于电流做的功W，即Q1＞W.根据能量守恒定律和热力学第二定律，从热水中吸收的热量转化成了两部分，一部分电能W，另一部分是冷水吸收的热量Q2，故B正确．
考点三　热力学第一定律
与图像的综合应用
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．
典 题 悟 法
　　　　(2025·甘肃卷)如图所示，一定质量的理想气体从状态A经等容过程到达状态B，然后经等温过程到达状态C.已知质量一定的某种理想气体的内能只与温度有关，且随温度升高而增大．下列说法中错误的是 (　　)
A．A→B过程为吸热过程
B．B→C过程为吸热过程
C．状态A压强比状态B的小
D．状态A内能比状态C的小
3
B
　　　　(2026·南京六校联合体期初)一定质量的理想气体经历如图所示的循环过程，其中c→a过程是绝热过程，下列说法中正确的是 (　　)
A．b→c过程中，气体的温度升高
B．c→a过程中，气体分子的平均动能不变
C．a→b过程中，气体从外界吸收的热量等于气体内能的
增加量
D．a→b→c→a的整个过程中，气体从外界吸收热量
4
D
考点四　热力学第一定律
与气体实验定律的综合应用
解题的一般思路
典 题 悟 法
　　　　(2025·陕西、山西、宁夏、青海卷)某种卡车轮胎的标准胎压范围为2.8×105 Pa～3.5×105 Pa.卡车行驶过程中，一般胎内气体的温度会升高，体积及压强也会增大．若某一行驶过程中胎内气体压强p随体积V线
性变化，如图所示，温度T1为300 K时，体积V1和压强p1
分别为0.528 m3、3.0×105 Pa；当胎内气体温度升高到T2
为350 K时，体积增大到V2为0.560 m3，气体可视为理想
气体．
(1) 求此时胎内气体的压强p2.
答案：(1) 3.3×105 Pa　
5
(2) 若该过程中胎内气体吸收的热量Q为7.608×104 J，求胎内气体的内能增加量ΔU.
答案：(2) 6.6×104 J
　　　　(2026·中华中学期初)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＝100 cm2、质量m＝1 kg的活塞密封一定
6
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＝300 K、活塞与容器底的距离h0＝30 cm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＝3 cm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TC＝363 K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＝158 J．取大气压p0＝0.99×105 Pa，求气体：
(1) 在状态B的温度．
答案：(1) 330 K　
(2) 在状态C的压强．
答案：(2) 1.1×105 Pa　
【解析】(2) 从状态A到状态B的过程中，活塞缓慢上升，则
pBS＝p0S＋mg
解得pB＝1×105 Pa
(3) 由状态A到状态C过程中从外界吸收热量Q.
答案：(3) 188 J
【解析】(3) 根据题意可知，从状态A到状态C的过程中气体对外做功为W＝pBSd＝30 J
由热力学第一定律有ΔU＝－W＋Q
解得Q＝ΔU＋W＝188 J
随堂内化
1．关于两类永动机和热力学的两个定律，下列说法中正确的是 (　　)
A．第二类永动机不可能制成是因为违反了热力学第一定律
B．第一类永动机不可能制成是因为违反了热力学第二定律
C．由热力学第一定律可知做功不一定改变内能，热传递也不一定改变内能，但同时做功和热传递一定会改变内能
D．由热力学第二定律可知热量从低温物体传向高温物体是可能的，从单一热源吸收热量，完全变成功也是可能的
D
【解析】 第一类永动机违反能量守恒定律，第二类永动机违反热力学第二定律，故A、B错误；由热力学第一定律可知，虽然W≠0，Q≠0，但ΔU＝W＋Q可以等于0，故C错误；由热力学第二定律可知D中现象是可能的，但会引起其他变化，故D正确．
2．(2025·北京卷)我国古代发明的一种点火器如图所示，推杆插入套筒封闭空气，推杆前端粘着易燃艾绒．猛推推杆压缩筒内气体，艾绒即可点燃．在压缩过程中，筒内气体 (　　)
A．压强变小
B．对外界不做功
C．内能保持不变
D．分子平均动能增大
D
3．(2025·泰州四模)如图所示，一个固定的绝热容器被隔板K分成A、B两室，已知A内有一定质量的理想气体，B内为真空．抽开隔板K，最终达到平衡状态，该过程中 (　　)
A．气体对外界做功
B．气体的温度不变
C．每个气体分子的速率都减小
D．单位时间单位面积气体分子与容器撞击的次数变多
B
【解析】 由于B内为真空，当抽开隔板K后，气体扩散，不做功，且由于为绝热系统，根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q可知，气体内能不变，气体温度不变，故A错误，B正确；由于气体温度不变，气体分子平均动能不变，气体分子的平均速率不变，对个别气体分子的速率无法判断，气体体积变大，气体密度减小，根据压强微观意义可知，单位时间内单位面积上碰撞器壁的分子数减小，则单位时间单位面积气体分子与容器撞击的次数变少，故C、D错误．
4．(2022·江苏卷)如图所示，一定质量的理想气体分别经历a→b和a→c两个过程，其中a→b为等温过程，状态b、c的体积相同，则 (　　)
A．状态a的内能大于状态b
B．状态a的温度高于状态c
C．a→c过程中气体吸收热量
D．a→c过程中外界对气体做正功
C
配套热练
一、 选择题
1．(2025·南通第三次调研)“覆水难收”意指泼出去的水不能自发回到原来的状态，其蕴含的物理规律是 (　　)
A．热平衡定律　　　　 B．热力学第一定律
C．热力学第二定律　　　　 D．机械能守恒定律
C
【解析】 热力学第二定律的微观意义是一切自发过程总是沿着分子热运动无序性增大的方向进行，泼出去的水相比盆中的水，分子无序性增加了，反映了与热现象有关的宏观过程具有方向性，故C正确．
2．(2025·安徽卷)在恒温容器内的水中，让一个导热良好的气球缓慢上升．若气球无漏气，球内气体(可视为理想气体)温度不变，则气球上升过程中，球内气体
(　　)
A．对外做功，内能不变 B．向外放热，内能减少
C．分子的平均动能变小 D．吸收的热量等于内能的增加量
A
【解析】 根据题意可知，气球缓慢上升的过程中，气体温度不变，则气体的内能不变，分子的平均动能不变，气体的体积变大，气体对外做功，由热力学第一定律可知，由于气体的内能不变，则吸收的热量与气体对外做的功相等，故A正确．
3．(2025·湖北卷)如图所示，内壁光滑的汽缸内用活塞密封一定质量理想气体，汽缸和活塞均绝热．用电热丝对密封气体加热，并在活塞上施加一外力F，使气体的热力学温度缓慢增大到初状态的2倍，同时其体积缓慢减小．关于此过程，下列说法中正确的是 (　　)
A．外力F保持不变
B．密封气体内能增加
C．密封气体对外做正功
D．密封气体的末状态压强是初状态的2倍
B
4．如图所示，密闭导热汽缸被活塞分成左、右两室，起初左室气体压强小于右室．现让活塞缓慢移动直至两室气体压强相等，期间环境温度始终不变，则此过程中 (　　)
A．左室气体吸热，右室气体放热
B．左室气体放热，右室气体吸热
C．左、右室气体均吸热
D．左、右室气体均放热
B
【解析】 左室气体压强小于右室，活塞缓慢向左移动，右侧气体对左侧气体做功，则W左＞0，W右＜0，汽缸导热，气体温度不变，气体内能不变，ΔU＝0，根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q可知，左室气体放热，右室气体吸热，故B正确．
5．(2025·泰州调研)取一个透明塑料瓶，向瓶内注入少量的水．将橡胶塞打孔，安装上气门嘴，再用橡胶塞把瓶口塞紧，并向瓶内打气，橡胶塞迅速跳出，瓶内出现白雾．橡胶塞跳出过程中 (　　)
A．瓶内气体对外界做负功
B．瓶内气体向外界放热
C．瓶内气体温度迅速下降
D．气体分子单位时间对瓶壁单位面积碰撞的个数增大
C
【解析】 橡胶塞迅速跳出，瓶内气体膨胀，推动橡胶塞运动，瓶内气体对外界做功，做的是正功，故A错误；瓶内气体膨胀对外做功，在这个过程中时间很短，可近似认为没有热传递，即Q＝0，并不是向外界放热，故B错误；根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q.由于Q＝0，气体对外做功，W＜0，所以气体内能ΔU＜0，内能减小，温度迅速下降，故C正确；瓶内气体温度下降，分子平均动能减小，同时气体体积膨胀，分子数密度减小，所以气体分子单位时间对瓶壁单位面积碰撞的个数减小，故D错误．
6．(2025·南通如皋第三次适应性考试)如图所示，内壁光滑的绝热汽缸竖直放置在水平桌面上，汽缸内封闭一定质量的理想气体．在外力作用下，活塞从A处缓慢运动到B处，该过程中 (　　)
A．气体的内能减小
B．气体分子的数密度变大
C．气体分子的平均动能增加
D．单位时间内气体分子对单位面积缸壁的作用力增大
A
【解析】 活塞从A处缓慢运动到B处的过程中，气体对外做功，W＜0，又汽缸绝热，即Q＝0，由热力学第一定律可知ΔU＜0，故气体的内能减小，故A正确；气体的体积变大，分子数密度减小，故B错误；气体的内能减小，温度降低，则气体分子的平均动能减小，故C错误；活塞从A处缓慢运动到B处的过程中，气体体积增大并伴随温度降低，分子数密度和分子平均动能同步减小，因此单位时间内气体分子对单位面积缸壁的作用力减小，故D错误．
7．(2026·苏州期初调研)一定质量的理想气体被密封在容器中，如图所示为其某段时间内的p-V图像，1和2是两条等温线，线段bc平行于V轴，下列说法中正确的是 (　　)
A．a→b过程中，气体温度降低
B．a→b过程中，外界对气体做功
C．b→c过程中，气体从外界吸收热量
D．b→c过程中，容器单位面积受到气体分子
碰撞的平均作用力增大
B
8．(2025·扬州高邮调研)一定质量的理想气体状态变化过程如图所示，则从A到B的过程中，气体 (　　)
A．体积不变
B．内能一定增加
C．一定吸收热量
D．单位时间内撞击容器壁单位面积上的分子数可能减小
B
【解析】 作出T1温度下的等温线，交B状态的p-T图线于C点，如图所示．根据理想气体状态方程可知，从A到C，温度不变，压强增大，气体的体积减小，而从C到B可以看成等容变化，故从A到B气体体积减小，故A错误；
一定质量理想气体的内能只与温度有关，温度升高，内能增
大，故B正确；该过程外界对气体做正功，气体温度升高，气
体内能增加，根据热力学第一定律可知从A到B不一定是吸收
热量，故C错误；A到B气体的体积减小，分子数密度增大，温
度升高，平均动能增大，故单位时间内撞击容器壁单位面积上的分子数增加，故D错误．
9．(2025·高邮期初)如图所示，一定质量的理想气体在状态A时压强为1.5×105 Pa，经历A→B→C→A的过程，已知B→C过程中气体做功绝对值是C→A过程中气体做功绝对值的3倍，下列说法中正确的是 (　　)
A．C→A的过程中外界对气体做功600 J
B．B→C的过程中气体对外界做功600 J
C．整个过程中气体从外界吸收600 J的热量
D．整个过程中气体从外界吸收450 J的热量
C
【解析】 在C→A过程中，图线为直线，根据理想气体状态方程可知压强不变，气体体积减小，外界对气体做功，根据WCA＝p·ΔV，解得WCA＝300 J，故A错误；由题知B→C过程中气体做功绝对值是C→A过程中气体做功绝对值的3倍，则B→C的过程中气体对外界做功900 J，故B错误；A→B→C→A，温度不变，则内能变化量ΔU＝0，A→B过程，气体体积不变，做功为零；B→C的过程中气体对外界做功900 J，WBC＝－900 J，C→A的过程中外界对气体做功300 J，WCA＝300 J，故W＝WCA＋WBC＝－600 J，Q＝ΔU－W＝600 J，则整个过程中气体从外界吸收600 J的热量，故C正确，D错误．
二、 计算题
10．(2025·南京、盐城期末调研)如图所示，在水平固定的圆柱形导热容器内用活塞密封一定质量的气体，活塞能无摩擦地滑动，容器的横截面积为S，将整个装置放在大气压恒为p0的空气中，开始时容器内气体的温度为T0，活塞与容器底部的距离为L0.当外界空气的温度逐渐降低，活塞缓慢向左移动d后再次平衡，气体向外放出热量为Q.求：
(1) 此时的外界空气的温度T.
(2) 此过程中气体内能的变化量ΔU.
答案：(2) p0dS－Q
【解析】(2) 由热力学第一定律得ΔU＝W－Q
W＝p0dS
则ΔU＝p0dS－Q
(1) T2＝440 K时，气柱高度h2.
(2) 从T1状态到T4状态的过程中，封闭气体吸收的净热量Q(扣除放热后净吸收的热量).
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