熱力學定律與能量守恒定律

素養(yǎng)目標1.能認識物質的運動形式有多種，不同運動形式對應不同形式的能，各種形

式的能在一定條件下可以相互轉化.(物理觀念)2.認識熱力學第一定律、熱力學第二定律及

兩類永動機.(物理觀念)3.理解熱力學第一定律與能量守恒定律的關系.(科學思維)4.能應

用熱力學第一定律分析有關實際問題.(科學思維)

理清教材《‘強基固本基礎梳理?通教材

1必備知識

一、熱力學第一定律

1.改變物體內能的兩種方式

(1)做功;(2)熱傳遞.

2.熱力學第一定律

(1)內容：一個熱力學系統(tǒng)的內能增量等于外界向它傳遞的熱量與外界對它所做的功的

和.

(2)表達式：\U=Q±W.

(3)表達式中的正、負號法則

符號WQAU

+外界對物體做功物體吸收熱量內能增加

—物體對外界做功物體放出熱量內能減少

二、能量守恒定律

1.內容

能量既不會憑空產生，也不會憑空消失，它只能從一種形式轉化為另一種形式,或者

是從一個物體轉移到別的物體,在轉化或轉移的過程中,能量的總量保持不變.

2.條件性

能量守恒定律是自然界的普遍規(guī)律,某一種形式的能是否守恒是有條件的.

3.第一類永動機是不可能制成的，它違背了能量守恒定律.

三、熱力學第二定律

1.熱力學第二定律的兩種表述

(1)克勞修斯表述：熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體.

(2)開爾文表述：不可能從單一熱庫吸收熱量，使之完全變成功，而不產生其他影響.或

表述為“第二類永動機是不可能制成的”.

高溫熱庫

仆:2"

直省窈

觀

情仆Qi

境低溫熱庫

熱機工作過制冷機工作過

程示意圖程示意圖

2.用燧的概念表述熱力學第二定律

在任何自然過程中，一個孤立系統(tǒng)的總嫡不會減小.

3.熱力學第二定律的微觀意義

一切自發(fā)過程總是沿著分子熱運動的無莊性增大的方向進行.

4.第二類永動機不可能制成的原因是違背了熱力學第二定律.

2自主速測

1.思維辨析

（1）做功和熱傳遞的實質是相同的.（）

（2）絕熱過程中，外界壓縮氣體做功20J,氣體的內能一定減少.（）

（3）物體吸收熱量，同時對外做功，內能可能不變.（）

（4）電冰箱的工作過程表明，熱量可以從低溫物體向高溫物體傳遞.（）

2.關于熱力學定律，下列說法正確的是（）

A.在一定條件下，物體的溫度可以降到0K

B.物體從單一熱源吸收的熱量可全部用于做功

C.吸收了熱量的物體，其內能一定增加

D.壓縮氣體總能使氣體的溫度升高

3.一定質量的理想氣體，從某一狀態(tài)開始，經過一系列變化后又回到初始狀態(tài).歷

表示外界對氣體做的功，質表示氣體對外界做的功，0表示氣體吸收的熱量，0表示氣體

放出的熱量.在整個過程中一定有（）

A.Qi-Q2=Wi-WiB.Qi=Qi

C.Wx=WiD.Qi>Q

r

重難考點,全線突破考點研究?清障礙

考點|熱力學第一定律

1核心歸納

1.熱力學第一定律妞三。土化

（1）符號法則

符號WQAU

+外界對物體做功物體吸收熱量內能增加

—物體對外界做功物體放出熱量內能減小

（2）三種特殊情況

過程含義內能變化物理意義

絕熱2=0外界對物體做的功等于物體內能的增加

等容%=0物體吸收的熱量等于物體內能的增加

等溫AU=0W=-Q外界對物體做的功，等于物體放出的熱量

2.溫度、內能、熱量、功的比較

項目含義特點

表示物體的冷熱程度，是物體分壬子均動能太小的標志，

溫度它是大量分子熱運動的集體表現(xiàn)，對個別分子來說，溫狀態(tài)量

度沒有意義

物體內所有分子動能和勢能的總和，它是由大量分子的

內能狀態(tài)量

熱運動和分子的相對位置所決定的能

指在熱力學系統(tǒng)與外界之間依靠溫差傳遞的能量，熱量

熱量

是過程量，只能說“吸收”“放出”，不能說“含有”“具有”

過程量

做功過程是機械能或其他形式的能和內能之間的轉化過

功

程

典例1（2023?全國甲卷）（多選）在一汽缸中用活塞封閉著二理想氣體，發(fā)生下列

緩慢變化過程，氣體一定與如曼有熱量交換的過程是（）

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

E.氣體的體積增大，溫度降低

2多維專訓

1.［熱力學第一定律的應用］如圖所示，內壁光滑的絕熱汽缸內用絕熱活塞封閉一定質量

的理想氣體，初始時汽缸開口向上放置，活塞處于靜止狀態(tài)，將汽缸緩慢轉動90。的過程中，

缸內氣體（）

A.內能增加，外界對氣體做正功

B.內能減小，所有分子熱運動速率都減小

C.溫度降低，速率大的分子數(shù)占總分子數(shù)比例減少

D.溫度升高，速率大的分子數(shù)占總分子數(shù)比例增加

2.［氣體實驗定律與熱力學第一定律的綜合應用］(多選)一定質量的理想氣體，初始溫度

為300K,壓強為1x105Pa.經等容過程，該氣體吸收400J的熱量后溫度上升100K；若經

等壓過程，需要吸收600J的熱量才能使氣體溫度上升100K.下列說法正確的是()

A.初始狀態(tài)下，氣體的體積為6L

B.等壓過程中，氣體對外做功400J

C.等壓過程中，氣體體積增加了原體積的1

4

D.兩個過程中，氣體的內能增加量都為400J

考點均熱力學第二定律

1核心歸納

1.對熱力學第二定律的理解

(1)“自發(fā)地”指明了熱傳遞等熱力學宏觀現(xiàn)象的方向性，不需要借助外界提供能量的幫

助.

(2)“不產生其他影響”的涵義是發(fā)生的熱力學宏觀過程只在本系統(tǒng)內完成，對周圍環(huán)境

不產生熱力學方面的影響.如吸熱、放熱、做功等.

2.熱力學第二定律的實質

自然界中進行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有左包性.

熱量。能自發(fā)傳給

(1)高溫物體低溫物體.

熱量2不能自發(fā)傳給

能自發(fā)地完全轉化為

(2)功熱.

不能自發(fā)地且不能完全轉化為

能自發(fā)膨脹到

(3)氣體體積Vi氣體體積匕(較大).

不能自發(fā)收縮到

能自發(fā)混合成

(4)不同氣體4和5混合氣體48.

不能自發(fā)分離成

3.兩類永動機的比較

第一類永動機第二類永動機

不需要任何動力或燃料，卻能不斷地對外做從單一熱源吸收熱量，使之完全變成功，而

功的機器不產生其他影響的機器

不違背能量守恒定律，但違背熱力學第二定

違背能量守恒定律，不可能制成

律，不可能制成

典例2（2022?湖南卷）（多選）利用“渦流效應”可實現(xiàn)冷熱氣體的分離.如圖所示，一冷

熱氣體分離裝置由噴嘴、渦流室、環(huán)形管、分離擋板和冷熱兩端管等構成.高壓氮氣由噴

嘴切向流入渦流室中，然后以螺旋方式在環(huán)形管中向右旋轉前進，分子熱運動速率較小的

氣體分子將聚集到環(huán)形管中心部位，而分子熱運動速率較大的氣體分子將聚集到環(huán)形管邊

緣部位.氣流到達分離擋板處時，中心部位氣流與分離擋板碰撞后反向，從4端流出，邊

緣部位氣流從5端流出.下列說法正確的是（）

—1嘴B端

渦流式環(huán)形管分離擋板

A.4端為冷端，B端為熱端

B.N端流出的氣體分子熱運動平均速率一定小于5端流出的

c.

D.該裝置氣體進出的過程滿足能量守恒定律，但違背了熱力學第二定律

E.該裝置氣體進出的過程既滿足能量守恒定律，也滿足熱力學第二定律

2多維專訓

1.［對熱力學定律的理解］下列關于能量轉換過程的敘述，違背熱力學第一定律的有

，不違背熱力學第一定律、但違背熱力學第二定律的有.

A.汽車通過燃燒汽油獲得動力并向空氣中散熱

B.冷水倒入保溫杯后，冷水和杯子的溫度都變得更低

C.某新型熱機工作時將從高溫熱源吸收的熱量全部轉化為功，而不產生其他影響

D.冰箱的制冷機工作時從箱內低溫環(huán)境中提取熱量散發(fā)到溫度較高的室內

2.［熱力學定律與氣體實驗定律的綜合應用］（多選）我國航天員漫步太空已變成現(xiàn)實，已

知飛船在航天員出艙前先要“減壓”，在航天員從太空返回進入航天器后要“升壓”，因此飛

船將此設施專門做成了一個艙，叫“氣閘艙”.其原理圖如圖所示，相通的艙/、3間裝有閥

nK,指令艙N中充滿氣體，氣閘艙3內為真空，整個系統(tǒng)與外界沒有熱交換，打開閥門

K后，N中的氣體進入5中最終達到平衡.若將此氣體近似看成為理想氣體，則下列說法

正確的是（）

A.氣體并沒有對外做功，氣體內能不變

B.5中氣體可自發(fā)地全部退回到N中

C.氣體溫度不變，體積增大，壓強減小

D.氣體體積膨脹，對外做功，內能減小

考點同熱力學第一定律與氣體圖像的綜合應用

1核心歸納

1.一定質量理想氣體不同圖像的比較

過程圖像類別圖像特點圖像示例

P

切三CT（其中C為常量），即〃、廠之積越大，

p-V

溫度越高，等溫線離原點越遠^5,

等溫OT,>T、

過程kCI）其中C為常量），斜率左=CT,即斜率P

1

P--

V芻1

越大，溫度越高

OT〉T\V

后,（其中為常量），斜率〃=,，即斜率越pt

等容C

P-T

過程

大，體積越小T

0V,<v,'

匕=色（其中為常量），斜率即斜率越V

等壓7CA=C,

V-TPR

過程

大，壓強越小OP,〈P、'T

2.做功、傳熱和內能變化的判斷方法

（1）做功情況看體積

體積。減小—外界對氣體做功一冷0;

體積/增大一氣體對外界做功一曄0;

無阻礙地自由膨脹T%=0.

（2）內能變化看溫度

溫度T升高一內能增加-AU>0；

溫度T降低-內能減少-AU〈0.

（3）吸熱還是放熱，一般題目中會告知，或由熱力學第一定律AU=Q+W,知道％和AU

后確定Q.

典例3（2024?山東日照模擬體從狀態(tài)。開始，經歷三個過程必、

be.想回到原狀態(tài)，其壓強p與熱力學溫度T的關系圖像如圖所示，其中血的反回延長線

過廈良。.下列判斷正確的是（）

P\

b

C

O

A.ab過程中氣體一定吸熱

B.A過程中氣體既不吸熱也不放熱

C.僅過程中外界對氣體所做的功等于氣體所放的熱

D.b和c兩個狀態(tài)中，容器壁單位面積單位時間內受到氣體分子撞擊的次數(shù)相同

2多維專訓

1.\p-V圖像與熱力學定律的綜合應用］1892年狄塞爾為描述內燃機熱力學過程建立了

定壓加熱循環(huán)（狄塞爾循環(huán)），如圖所示為描述狄塞爾循環(huán)的p-V圖像，N-3和為絕

熱過程，其中5c平行于/軸，ON平行于p軸，若一定質量的某種理想氣體經歷了

N-5-C-/循環(huán)過程，下列說法正確的是（）

A.4-5氣體的內能不變

B.3—C氣體向外界放熱

C.C—O氣體的內能增加

D.一個循環(huán)過程，氣體從外界吸收熱量

2.{V-T圖像與熱力學定律的綜合應用］（多選）一定量的理想氣體從狀態(tài)a經狀態(tài)b變化

到狀態(tài)c,其過程如7一/圖上的兩條線段所示，則氣體在（）

0V

A.狀態(tài)"處的壓強大于狀態(tài)c處的壓強

B.由“變化到》的過程中，氣體對外做功

C.由8變化到c的過程中，氣體的壓強不變

D.由a變化到5的過程中，氣體從外界吸熱

E.由a變化到8的過程中，從外界吸收的熱量等于其增加的內能

答案及解析

F

理清教材（強基固本基礎梳理?通教材

1.思維辨析

（1）做功和熱傳遞的實質是相同的.（X）

（2）絕熱過程中，外界壓縮氣體做功20J,氣體的內能一定減少.（x）

（3）物體吸收熱量，同時對外做功，內能可能不變.（Y）

（4）電冰箱的工作過程表明，熱量可以從低溫物體向高溫物體傳遞.N）

2.關于熱力學定律，下列說法正確的是（）

A.在一定條件下，物體的溫度可以降到0K

B.物體從單一熱源吸收的熱量可全部用于做功

C.吸收了熱量的物體，其內能一定增加

D.壓縮氣體總能使氣體的溫度升高

解析：熱力學的絕對零度不可能達到，A錯誤；根據(jù)熱力學第二定律，物體從單一熱

源吸收的熱量可全部用于對外做功，但會引起其他變化，B正確；物體從外界吸收了熱量,

若全部用來對外界做功，其內能不變，C錯誤；壓縮氣體的過程對氣體做功，若氣體同時

向外界釋放熱量，根據(jù)能量守恒定律可知，氣體的內能可能減少，溫度可能降低，D錯誤.

答案：B

3.一定質量的理想氣體，從某一狀態(tài)開始，經過一系列變化后又回到初始狀態(tài).必

表示外界對氣體做的功，用2表示氣體對外界做的功，表示氣體吸收的熱量，0表示氣體

放出的熱量.在整個過程中一定有（）

A.0—0=質一%B.=0

C.Wx=WiD.Qi>Q

解析：根據(jù)題意可知，心為正功，質為負功，0為正，0為負，故％=/一%，Q

=0—0,因為氣體從某一狀態(tài)開始，經過一系列變化后又回到開始的狀態(tài)，所以

+。=0,即（歷一版）+（。1-0）=0,所以A正確.

答案:A

考點熱力學第一定律

典例1（2023?全國甲卷）（多選）在一汽缸中用活塞封閉著二^量的理想氣體，發(fā)生下列

緩慢變化過程，氣體一定與處界有熱量交換的過程是（）

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

E.氣體的體積增大，溫度降低

解析：氣體的溫度升高，則氣體的內能增多，體積不變，氣體做功為零，因此氣體吸

收熱量，A正確；氣體的溫度降低，則氣體的內能減少，體積減小，外界對氣體做功，由

熱力學第一定律4。=取+。可知氣體對外放熱，B正確；氣體的溫度升高，則氣體的內能

增多，體積減小，外界對氣體做功，由熱力學第一定律可知?？赡艿扔诹?，即

沒有熱量交換過程，C錯誤；氣體的溫度不變，則氣體的內能不變，體積增大，氣體對外

界做功，由熱力學第一定律AU=%+?？芍?。>0,即氣體吸收熱量，D正確；氣體的溫度

降低，則氣體的內能減少，體積增大，氣體對外界做功，由熱力學第一定律AU=/+?？?/p>

知0可能等于零，即沒有熱量交換過程，E錯誤.故選ABD.

2多維專訓

L［熱力學第一定律的應用］如圖所示，內壁光滑的絕熱汽缸內用絕熱活塞封閉一定質量

的理想氣體，初始時汽缸開口向上放置，活塞處于靜止狀態(tài)，將汽缸緩慢轉動90。的過程中，

缸內氣體（）

A.內能增加，外界對氣體做正功

B.內能減小，所有分子熱運動速率都減小

C.溫度降低，速率大的分子數(shù)占總分子數(shù)比例減少

D.溫度升高，速率大的分子數(shù)占總分子數(shù)比例增加

解析：由題干中“絕熱汽缸內”“絕熱活塞”信息可知2=0,汽缸緩慢轉動90。的過程中，

缸內氣體壓強減小，體積變大，氣體對外界做功，眸0,由熱力學第一定律可知，\U=J￥

+。＜0,所以氣體內能減少，故A錯誤；缸內氣體內能減少，溫度降低，分子平均動能減

少，但不是所有分子熱運動速率都減小，故B錯誤；缸內氣體溫度降低，由氣體分子速率

分布規(guī)律可得，速率大的分子數(shù)占總分子數(shù)比例減少，故C正確，D錯誤.

答案：C

2.［氣體實驗定律與熱力學第一定律的綜合應用］（多選）一定質量的理想氣體，初始溫度

為300K,壓強為卜105Pa.經等容過程，該氣體吸收400J的熱量后溫度上升100K；若經

等壓過程，需要吸收600J的熱量才能使氣體溫度上升100K.下列說法正確的是（）

A.初始狀態(tài)下，氣體的體積為6L

B.等壓過程中，氣體對外做功400J

等壓過程中，氣體體積增加了原體積的

C.1

4

兩個過程中，氣體的內能增加量都為400J

解析：令理想氣體的初始狀態(tài)的壓強、體積和溫度分別為RI=RO,Vi=V0,Ti=300K,

經等容過程后為狀態(tài)二：P2=?,匕=匕=及，72=400K,經等壓過程后為狀態(tài)三：p3=

po,匕=?,73=400K,由理想氣體狀態(tài)方程可得m匕=應乜=&%，解得P2=）o,V3=-Vo,

TiT2T3+3

即等壓過程中體積增加了原來的1,C錯誤；等容過程中氣體做功為零，由熱力學第一定律

3

有AU=%+Q=400J,兩個過程的初、末溫度相同即內能變化相同，因此內能增加都為400

J,D正確；等壓過程內能增加了400J,吸收熱量為600J,由熱力學第一定律可知氣體對

外做功為200J,即做功的大小為力=po［3%一/）

=200J,解得h=6L,A正確，B錯誤.

答案：AD

考點且熱力學第二定律

典例2（2022?湖南卷）（多選）利用“渦流效應”可實現(xiàn)冷熱氣體的分離.如圖所示，一冷

熱氣體分離裝置由噴嘴、渦流室、環(huán)形管、分離擋板和冷熱兩端管等構成.高壓氮氣由噴

嘴切向流入渦流室中，然后以螺旋方式在環(huán)形管中向右旋轉前進，分子熱運動速率較小的

氣體分子將聚集到環(huán)形管中心部位，而分子熱運動速率較大的氣體分子將聚集到環(huán)形管邊

緣部位.氣流到達分離擋板處時，中心部位氣流與分離擋板碰撞后反向，從4端流出，邊

緣部位氣流從5端流出.下列說法正確的是（）

—1嘴B端一

渦流式環(huán)形管分離擋板

A.4端為冷端，3端為熱端

B.N端流出的氣體分子熱運動平均速率一定小于5端流出的

C.4端流出的氣體內能一定大于/端流出的

D.該裝置氣體進出的過程滿足能量守恒定律，但違背了熱力學第二定律

E.該裝置氣體進出的過程既滿足能量守恒定律，也滿足熱力學第二定律

解析：依題意，中心部位為熱運動速率較低的氣體，與擋板相互作用后反彈，從/端

流出，而邊緣部分熱運動速率較高的氣體從3端流出，同種氣體分子平均熱運動速率越大,

其對應的溫度也就越高，所以N端為冷端，5端為熱端，故A正確.依題意，N端流出的

氣體分子熱運動速率較小，5端流出的氣體分子熱運動速率較大，所以從N端流出的氣體

分子熱運動平均速率小于從5端流出的，故B正確.N端流出的氣體分子熱運動速率較小，

B端流出的氣體分子熱運動速率較大，則從4端流出的氣體分子平均動能小于從3端流出

的氣體分子平均動能，內能的多少還與分子數(shù)有關，依題意，不能得出從N端流出的氣體

內能一定大于從3端流出的氣體內能，故C錯誤.該裝置將冷熱不均的氣體進行分離，噴

嘴處有高壓，即通過外界做功而實現(xiàn)，并非是自發(fā)進行的，沒有違背熱力學第二定律；溫

度較低的從N端出，溫度較高的從5端出，也符合能量守恒定律，故D錯誤，E正確.故

選ABE.

2多維專訓

1.［對熱力學定律的理解］下列關于能量轉換過程的敘述，違背熱力學第一定律的有

，不違背熱力學第一定律、但違背熱力學第二定律的有.

A.汽車通過燃燒汽油獲得動力并向空氣中散熱

B.冷水倒入保溫杯后，冷水和杯子的溫度都變得更低

C.某新型熱機工作時將從高溫熱源吸收的熱量全部轉化為功，而不產生其他影響

D.冰箱的制冷機工作時從箱內低溫環(huán)境中提取熱量散發(fā)到溫度較高的室內

解析：燃燒汽油產生的內能一方面向機械能轉化，同時向空氣轉移，既不違背熱力學

第一定律，也不違背熱力學第二定律；冷水倒入保溫杯后，冷水和杯子的溫度都變得更低，

需要對外做功或對外放出熱量，而保溫杯隔斷了傳熱過程，水也沒有對外做功，故違背熱

力學第一定律；某新型熱機工作時將從高溫熱源吸收的熱量全部轉化為功，必然產生其他

影響，故違背熱力學第二定律；制冷機消耗電能工作時從箱內低溫環(huán)境中提取熱量散發(fā)到

溫度較高的室內，發(fā)生了內能的轉移，同時對外界產生了影響，既不違背熱力學第一定律,

也不違背熱力學第二定律.

答案：BC

2.［熱力學定律與氣體實驗定律的綜合應用］（多選）我國航天員漫步太空已變成現(xiàn)實，已

知飛船在航天員出艙前先要“減壓”，在航天員從太空返回進入航天器后要“升壓”，因此飛

船將此設施專門做成了一個艙，叫“氣閘艙”.其原理圖如圖所示，相通的艙4、3間裝有閥

門K,指令艙N中充滿氣體，氣閘艙3內為真空，整個系統(tǒng)與外界沒有熱交換，打開閥門

K后，N中的氣體進入5中最終達到平衡.若將此氣體近似看成為理想氣體，則下列說法

正確的是（）

A.氣體并沒有對外做功，氣體內能不變

B.5中氣體可自發(fā)地全部退回到N中

C.氣體溫度不變，體積增大，壓強減小

D.氣體體積膨脹，對外做功，內能減小

解析：氣體自由擴散，沒有對外做功，又因為整個系統(tǒng)與外界沒有熱交換，根據(jù)AU=

可知內能不變，故A正確，D錯誤；根據(jù)熠增加原理可知一切宏觀熱現(xiàn)象均具有方

向性，故3中氣體不可能自發(fā)地全部退回到4中，故B錯誤；因為內能不變，故溫度不變,

因為氣閘艙3內為真空，故擴散后氣體體積/增大，根據(jù)玻意耳定律有p〉=C（定值），可

知p減小，故C正確.

答案：AC

考點國熱力學第一定律與氣體圖像的綜合應用

典例3（2024?山東日照模擬）二&質量的理想氣體從狀態(tài)，開始，經歷三個過程必、

be、以回到原狀態(tài)，其壓強p與熱力學溫度T的關系圖像如圖所示，其中血的反包延售線

過廈以0.下列判斷正確的是（）

p\

b

c

T

A.必過程中氣體一定吸熱

B.反過程中氣體既不吸熱也不放熱

C.以過程中外界對氣體所做的功等于氣體所放的熱

D.6和c兩個狀態(tài)中，容器壁單位面積單位時間內受到氣體分子撞擊的次數(shù)相同

解析：油過程圖線的反向延長線過原點，由此=C分析可知氣體經歷等容變化，對外

T

界做功為零，而氣體溫度升高，內能增大，根據(jù)熱力學第一定律可知氣體一定吸熱，A正

確.從過程中氣體經歷等溫變化，壓強減小，由包=c可知氣體體積增大，