金版教程物理2025高考科学复习解决方案第十五章 热学第3讲 热力学定律与能量守恒定律含答案

《金版教程（物理）》2025高考科学复习解决方案第十五章

热学第讲热力学定律与能量守恒定律

［教材阅读指导］

（对应人教版选择性必修第三册相关内容及问题）

U第三章第1节［练习与应用仃3。

提示：温度降低；温度升高。因为气体在绝热膨胀时，虽然与外界无热量交换，但气体对外

界做功，气体内能减小，温度降低；而气体在绝热压缩时，虽然与外界无热量交换，但外界

对气体做功，气体内能增大，温度升高。

2第三章第2节［思考与讨论］。

提不：膨胀过程中是气体对外界做功：-220J:减少了。对热力学第一定律AU=Q+W,系

统内能增加时AU为正值，内能减小时AU为负值：系统吸热时Q为正值，系统放热时Q为

负值；外界对系统做功时W取正值，系统对外界做功时卬取负值。

3第三章第2节［练习与应用。2。

提示：（1）。1＜。2；⑵因为定压时，气体吸热时还会对外做功，故气体在定容下的比热容小于

在定压下的比热容。

4第三章第4节阅读“热力学第二定律”这一部分内容。

5第三章第4节［练习与应用仃3。

提示：不可行。温度反而会升高，因为有电能转化为内能。

必备知识梳理与回顾

一、热力学第一定律

1.改变物体内能的两种方式

（1）做功：当只有做功使物体的内能发生改变时，外界对物体做了多少功，物体内能就增加多

少；物体对外界做了多少功，物体内能就减少多少。

（2）传热：当只有传热使物体的内能发生改变时，物体吸收了多少热量，物体内能就增加多少;

物体放出了多少热量，物体内能就减少多少。

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画热量与外界对它所做的功的

和。

(2)表达式：△(/=画2土出。

(3)AU=Q+W中物理量正、负号的意义

物理量

意义

WQ

符号N

+外界对系统画吸收内能

系统做功热量初增加

—系统对系统画放出内能

外界做功热量园减少

(4)AU=Q+W的三种特殊情况

①若过程是绝热的，则Q=0,W=AU,外界对系统做论功等于系统国内里的增加。

②若外界对系统做功为0,即卬=0,则。=4"系统吸收的热量等于系统叵］内能的漕加。

此处的W包含机械功、电功等一切功。对于不涉及其他力做功的气体的等容过程，W=0,Q

=AU°

③对于理想气体，若过程是等温的，即△(/=(),则W+0=O或W=-Q,国外界对气体做

的功等于气体放出的热量。

二、能量守恒定律

1.能量守恒定律的内容：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式画转

化为其他形式，或者从一个物体画狡搂到别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量

保持不变。

2.普遍性：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，例如，

机械能守恒定律具有适用条件，而能量守恒定律是无条件的，是一切自然现象都遵守的基本

规律。

3.第一类永动机

不需要任何动力或燃料，却能不断地对外做功的机器。

违背画能量守恒定律，因此不可能实现。

三、热力学第二定律

1.克劳修斯表述

热量不能回1自发地从低温物体传到高温物体。

2.开尔文表述

不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功，而画不产生其他影响。或表述为“画第二

娄永动机是不可能制成的。”

3.用煽的概念表示热力学第二定律

在自发过程中，系统总是刍发地向国无序方向发展，即一个孤立系统的增值总是画丕减

少的。(崎增加原理)

热力当第二文小的做见斛裤

4.第二类永动机

从单一热库吸收热量并把它全部用来对外做功，而不产刍其他影响的机器。

违背网热力学第二定律,不可能实现。

5.能源是有限的

⑴每天我们使用的能源最后都转化成了内能，能源消耗使得周围环境升温。根据热力学第二

定律，分散在环境中的内能不能自动聚集起来驱动机器做功了。这样的转化过程叫作“画能

最耗散”。

(2)所谓能源，其实是指具有高品质的容易利用的画啦殴遮，例如石油、天然气、燥等.

能源的使用过程中虽然能的总最保持守恒，但能显的画品质下降了。虽然能量总最不会减

少，但能源会逐步减少，因此能源是有限的资源。

必备知识夯实

一、堵点疏通

1.做功和传热的实质是相同的。()

2.绝热过程中，外界压缩气体做功20J,气体的内能一定减少20J。()

3.根据热力学第二定律可知，凡与热现象有关的宏观过程都具有方向性，在热传导中热量只

能自发地从高温物体传递给低温物体，而不能自发地从低温物体传递给高温物体。()

4.随着技术不断进步，热机的效率可能达到100%。()

5.对能源的过度消耗将使自然界的能量不断减少，形成能源危机。（）

6.在给自行车打气时，会发现打气筒的温度升高，这是因为外界对气体做功。（）

7.自由摆动的秋千摆动幅度越来越小，能量正在消失。（）

8.利用河水的能量使船逆水航行的设想，符合能量守恒定律。（）

9.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。（）

答案1.x2.x374.x5.x6.4

7.x8.49.x

二、对点激活

1.（人教版选择性必修第三册♦第三章第2节［练习与应用改编）用活塞压缩汽缸里的空气，

对空气做了900J的功，同时汽缸向外散热210J,汽缸里空气的内能（）

A.增加了U10JB.减少了1U0J

C.增加了690JD.减少了690J

答案C

解析由热力学第一定律AU=W+Q,得AU=900J—210J=690J,即内能增加690J,C

正确。

2.（人教版选择性必修第三册•第三章第4节［练习与应用仃2改编）（多选）下列现象中能够发生

的是（）

A.一杯热茶在打开杯盖后，茶会自动变得更热

B.蒸汽机把蒸汽的内能全部转化成机械能

C.桶中混浊的泥水在静置一段时间后，泥沙下沉，上面的水变清，泥、水自动分离

D.电冰箱通电后把箱内低温物体的热量传到箱外高温物体

答案CD

解析热量只会自发地从高温物体传到低温物体，而不会自发地从低温物体传到高温物体，

故A错误；机械能可以完全转化为内能，而内能却不能完全转化为机械能，故B错误；桶中

混浊的泥水在静置一段时间后，泥沙下沉，上面的水变清，泥、水自动分离是因为泥沙的密

度大于水，故可以分离，C正确；电冰箱通电后由于压缩机做功从而将箱内低温物体的热量

传到箱外的高温物体，故D正确。

关键能力发展与提升

考点一热力学第一定律对比分析

改变内能的两种方式的比较

称

比赢4、^做功传热

外界对系统做功，系统的内能增

内能变化系统吸收热量，内能增加；系统

加：系统对外界做功，系统的内

区情况放出热量，内能减少

能减少

别

从能量的做功是其他形式的能与内能相互不同系统间或同一系统不同部分

角度看转化的过程之间内能的转移

能的性质

能的性质发生了变化能的性质不变

变化情况

相互联系做一定量的功或传递一定量的热显在改变内能的效果上是相同的

例1（2021・沏南高考）（多选）如图，两端开口、下端连通的导热汽缸，用两个轻质绝热活塞（截

面积分别为与和S2）封闭一定质量的理想气体，活塞与汽缸壁间无摩擦。在左端活塞上缓慢

加细沙，活塞从A下降人高度到8位置时，活塞上细沙的总质量为川。在此过程中，用外力

产作用在右端活塞上，使活塞位置始终不变。整个过程环境温度和大气压强处保持不变，系

统始终处于平衡状态，重力加速度为g。下列说法正确的是（）

A.整个过程，外力厂做功大于0,小于〃田〃

B.整个过程，珅根气体的分子平均动能保持不变

C.整个过程，理想气体的内能增大

D.整个过程，理想气体向外界释放的热量小于（加$〃+"3?）

E.左端活塞到达B位置时，外力尸等于喈

［答案IBDE

［解析］根据做功的两个必要因素：有力和在力的方向上有位移，可知整个过程，外力/做

功等于0,A错误；根据汽缸导热且环境温度不变，可知汽缸内气体的温度也保持不变，则

整个过程，理想气体的分子平均动能保持不变，内能不变，B正确，C错误；由气体内能不

变可知理想气体向外界释放的热量等于外界对理想气体做的功，即。=印＜〃(6也+,摩力，D正

确；左端活塞到达8位置时，根据平衡条件可得p()Si+mg=p.Si，p(S2+"=p'S2，解得尸

关犍能力升华

应用热力学第一定律的三点注意

⑴做功情况看气体的体积：体积增大，气体对外做功，W为负；体积减小，外界对气体做功,

W为正。

⑵与外界绝热，则不与外界发生传热，此时Q=0。

(3)如果研究对象是理想气体，由于理想气体没有分子势能，所以当它的内能变化时，体现为

分子平均动能的变化，从宏观上看就是温度发生了变化。

考点二热力学第二定律对比分析

].热力学第一、第二定律的比较

称

比凝*\热力学第一定律热力学第二定律

定律揭示从能量守恒的角度揭示了功、热量指出一切与热现象有关的宏观

的问题司内能改变量三者的定量关系自然过程都有特定的方向性

机械能和内能不可能在不引起其他变化

通过做功机械能与内能互相转化

内能的转化的情况下完全转化为机械能

热量的内能的变化量等于外界做的功与吸说明热量不能自发地从低温物

传递收的热量之和体传向高温物体

表述形式只有一种表述形式有多种表述形式

两定律的在热力学中，两者既相互独立，乂互为补充，共同构成了热力学知识

关系的理论基础

2.两类永动机的比较

分类第一类永动机第二类永动机

不需要任何动力或燃料，却能不从单一热库吸收热量，使之完全

设计要求

断地对外做功的机器变成功，而不产生其他影响的机

器

不可能制违背能量不违背能量守恒定律，违背热力

成的原因守恒定律学第二定律

例2（2022・湖南高考）（多选）利用“涡流效应”可实现冷热气体的分离。如图，一冷热气体分离

装置由喷嘴、涡流室、环形管、分离挡板和冷热两端管等构成。高压氮气由喷嘴切向流入涡

流室中，然后以螺旋方式在环形管中向右旋转前进，分子热运动速率较小的气体分子将聚集

到环形管中心部位，而分子热运动速率较大的气体分子将聚集到环形管边缘部位。气流到达

分离挡板处时，中心部位气流与分离挡板碰撞后反向，从A端流出，边缘部位气流从B端流

出。下列说法正确的是（）

A.A端为冷端，B端为热端

B.A端流出的气体分子热运动平均速率一定小于B端流出的

C.A端流出的气体内能一定大于B端流出的

D.该装置气体进出的过程满足能量守恒定律，但违背了热力学第二定律

E.该装置气体进出的过程既满足能量守恒定律，也满足热力学第二定律

［答案］ABE

［解析I依题意，中心部位为分子热运动速率较小的气体，与挡板相互作用后反弹，从A端

流出，而边缘部位为分子热运动速率较大的气体，从B端流出，则从A端流出的气体分子热

运动平均速率一定小于从B端流出的，而同种气体分子热运动平均速率越大，则其分子平均

动能越大，对应的温度也就越高，所以A端为冷端，B端为热端，故A、B正确；内能除与

分子平均动能有关外，还与分子数和分子势能有关，故从A端流出的气体内能不一定大于从

B端流出的，故C错误；该装置将冷热不均的气体进行分离，喷嘴处有高压，即通过外界做

功而实现，并非是自发进行的，没有违背热力学第二定律，也满足能量守恒定律，故D错误,

E正确。

关键能力升华）

对热力学第二定律的理解

（1）在热力学第二定律的表述中，“自发地”“不产生其他影响”的含义:

①“自发地''指不需要借助外界提供能量的帮助，指明了传热等热力学宏观现象的方向性；

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。

（2）热力学第二定律的实质:

自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性。如:

热量。能自发地传给

①高温物体低温物体。

热量。不能自发地传给

能自发地完全转化为

②功热。

不能自发地且不能完全转化为

能自发地膨假到

③气体体积V\气体体祇匕（较大）。

不能自发地收缩到

能自发地混合成

④不同气体A和B混合气体AB。

不能自发地分离成

考点三热力学第一定律与气体实验定律的综合应用解题技巧

解答此类问题的基本流程

例3（2023•天津高考）如图是爬山所带氧气瓶，氧气瓶里的气体容积、质量不变，且可视为

理想气体，爬而过程中，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

［答案IB

I解析I由于爬高过程中家,气瓶里的气体体积不变，故气体不对外做功，W=0,而温度减小，

则气体内能减小，AUVO,根据热力学第一定律AU=W+Q可知，QVO,即气体放出热量，

故A、C错误，B正确；爬高过程中氧气瓶里的气体容积、质量均不变，温度减小，根据理

想气体状态方程牛=C,可知气体压强减小，故D错误。

例4(2023•浙江I月选考)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、质量加=1kg的活寒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A=300K、活塞与容器底的距离加=30cm的状态,4。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

体达到状态瓦活塞保持人动，气体被继续加热至温度兀=363K的状态。时触动报警

从状态A到状态。的过程中气体内能增加了AU=158J。取大气压po=O.99xl()5pa,求气体

(1)在状态8的温度；

⑵在状态C的压强；

(3)由状态A到状态。过程中从外界吸收的热量Q。

［答案］(l)330K⑵l.lxl()spa(3)1881

［解析］(1)根据题意可知，气体由状态A变化到状态3的过程中，封闭气体的压强不变，则

根据盖一吕萨克定律有孕=¥

1AiB

其中以=S/7o，/=5(/?o+i/)

联立并代入数据解得及=330K0

(2)从状态A到状态8的过程中，活塞缓慢上升，则〃吆

根据题意可知，气体由状态8变化到状态。的过程中，封闭气体的体积不变，则根据查理定

律有加-典

联立并代入数据解得pc=Llxl()5pa。

(3)根据题意可知，从状态4到状态C的过程中气体对外做功为W=PliSd

由热力学第一定律有AU=Q—W

联立并代入数据解得Q=188L

关犍能力升华

热力学第一定律与气体实验定律的

综合问题的处理方法

(1)气体实睑定律的研究对象是一定质量的理想气体。

(2)解决具体问题时，分清气体的变化过程是求解问题的关键，根据不同的变化，找出相关的

气体状态参量，利用相关规律解决。

(3)对理想气体，只要体积变化，外界对气体(或气体对外界)做功W=p^V；只要温度发生变

化，其内能就发生变化。

(4)结合热力学第一定律AU=W+。求解问题。

考点四热力学第一定律在图像问题中的应用解题技巧

用热力学第一定律解决图像问题的思路

(1)气体的状态变化可由图像直接判断或结合理想气体状态方程华=C分析。

(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。

(3)在p-V图像中，图像与横轴所围图形的面积表示气体对外界或外界对气体所做的功。

例5(2022・江苏高考)如图所示，一定质量的理想气体分别经历和“TC两个过程，其

中。一》为等温过程，状态从c的体积相同，则()

A.状态〃的内能大于状态力

B.状态〃的温度高于状态c

C.4—C过程中气体吸收热量

D.a-。过程中外界对气体做正功

借案JC

［解析］由题意知"T人为等温过程，即状态。和状态b的温度相同，一定质量理想气体的内

能只与温度有关，则状态。的内能等于状态仇故A错误；由于状态从c的体积相同，且

PFPC，根据查理定律有牛=华，可知刀，＜77,又因为乙=7）,,故心＜£,即状态。的温度低于

状态c,故B错误；因为LC过程中气体体积增大，可知外界对气体做负功，由B项分析知

4TC过程中气体温度升高，则内能增加，根据热力学第一定律AU=W+Q,可知气体吸收热

量，故C正确，D错误。

例6（2023•浙江省温州市高三上第一次适应性考试）如图甲所示，在竖直放置的圆柱形容器

内用横截面积5=100cm?为质量不计且光滑的活塞密封一定质量的气体，活塞上静止一质量

为〃？的重物。图乙是密闭气体从状态A变化到状态A的匕7图像，密闭气体在A点的压强

5

PA=1.O3X1OPa,从状态X变化到状态B的过程中吸收热量Q=500J。已知外界大气压强加

=1.01x105pa,下列说法正确的是（）

A.重物质量m=1kg

B.气体在状态B时的体积为8.0乂10-2m3

C.从状态A变化到状态8的过程，气体对外界做功202J

D.从状态A变化到状态8的过程，气体的内能增加294J

I答案ID

［解析］在状态4,对重物和活塞整体根据平衡条件有〃，g+〃oS=p,\S,解得机=2kg,故A

错误；根据题图乙可知孕=黑即气体做等压变化，解得办=8.0乂10一3m3,故B错误；从

IAIB

状态人变化到状态8的过程，气体对外界做功W=p,i（V8—必）=206J,故C错误；根据热力

学第一定律可知，从状态A变化到状态B的过程，气体的内能增加AU=Q-W=294J,故D

正确。

课时作业

［A组基础巩固练］

1.（2021・天津高考）（多选）列车运行的平稳性与车厢的振动密切相关，车厢底部安装的空气弹

黄可以右效减振，空气弹簧主要由活塞、汽缸及内封的•定质量的气体构成。上下乘客及剧

烈颠簸均能引起车厢振动，上下乘客时汽缸内气体的体积变化缓慢，气体与外界有充分的热

交换；剧烈颠簸时汽缸内气体的体积变化较快，气体与外界来不及热交换。若汽缸内气体视

为理想气体，在气体压缩的过程中（）

A.上下乘客时，气体的内能不变

B.上下乘客时，气体从外界吸热

C.剧烈颠簸时，外界对，体做功

D.剧烈颠簸时，气体的温度不变

答案AC

解析根据题意，上下乘客时，汽缸内气体压缩的过程D,气体与外界有充分的热交换，即

气体温度不变，故气体的内能不变，而气体体积减小，外界对气体做功，由热力学第一定律

可知，气体对外界放热，故A正确，B错误；根据题意，剧烈颠簸时，汽缸内气体压缩的过

程中，气体与外界来不及热交换，气体体积减小，外界对气体做功，由热力学第一定律可知，

气体的内能增大，气体的温度升高，故C正确，D错误。

2.（2022・天津高考）（多选）采用涡轮增压技术可提高汽车发动机效率。将涡轮增压简化为以下

两个过程，一定质量的理想气体首先经过绝热过程被压缩，然后经过等压过程回到初始温度，

则（）

A.绝热过程中，气体分子平均动能增加

B.绝热过程中，外界对母体做负功

C.等压过程中，外界对，体做正功

D.等压过程中，气体内能不变

答案AC

解析该理想气体经过绝热过程被压缩，气体体积减小，外界对气体做正功，即。=0,W>0,

根据热力学第一定律AU=W+Q可知，气体内能增加，则气体温度升高，气体分子平均动能

增加，故A正确，B错误；该理想气体经过等压过程回到初始温度，结合A、B两项中分析

可知，该过程气体温度降低，气体内能减少，根据盖一吕萨克定律可知，气体体积减小，则

外界对气体做正功，故C正确，D错误。

3.（2022•辽宁高考）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7的

关系图像如图所示，此过程中该系统（）

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

答案A

解析由题图可知，理想气体从状态a变化到状态儿体积增大，则该系统对外界做正功，A

正确；根据理想气体的状态方程华=C，可得丫=/。则V-T图像上的点与原点连线的斜率

k舌,从。到。的过程上减小，则该过程中压强〃增大，B错误；理想气体的内能只与其温

度有关，故理想气体从状态。变化到状态〃，温度升高，内能增大，D错误；由A、D两项

分析可知，理想气体从状杰。变化到状态〃，对外界做E功且内能增大，则根据热力学第一

定律可知，该系统从外界强收热量，C错误。

4.一定质量的理想气体，状态变化依次经历从“一儿再从5-c的过程，其压强和体积的关系

如图所示，根据〃■图像，下列说法正确的是（）

A.。一人过程，气体温度升高，放热

B.。一人过程，气体温度降低，放热

C.过程，气体温度大变，放热

D.力一＞c过程，气体温度不变，吸热

答案C

解析根据题图可知，该理想气体从状态4-/7过程为等容变化，压强〃增大，根据查理定律

与=。可知，气体温度升高，则内能增大，因气体不做功，再根据热力学第一定律AU=Q+

W可知，气体吸热，故A、B错误；该理想气体从bic,过程为等温变化，温度不变，内能不

变，体积减小，则外界对气体做功，根据热力学第一定律AU=Q+W可知，气体放热，故C

正确，D错误。

5.（2022•湖北南考）•定质量的埋想气体由状态a变为状杰c,具过程如p-V图中a-c直线段

所示，状态b对应该线段的中点。下列说法正确的是（）

A.a-b是等温过程

B.a-b过程中气体吸热

C.a-c过程中状态b的温度最低

D.a-c过程中外界对气体做正功

答案B

解析根据理想气体的状态方程华=C可知，P-V图像中的等温线是双曲线，且P-V图像中

横、纵坐标值的乘积“V与温度/成正比，则a-c过程不是等温过程，且状态a、c温度最低，

A、C错误；a-b过程中气体温度升高，内能增加，即AU＞。，且体积增大，气体对外界做

功，即WVO,由热力学第一定律AU=W+Q,可知QX）,即a-b过程中气体吸热，B正确；

a-c过程气体体积增大，则外界对气体做负功，D错误。

6.如图所示为一定质量的理想气体从状态。依次经过状态b、c和d再回到状态a的过程,。一匕

是温度为5的等温过程，。-d是温度为72的等温过程，〃一。和d-a为绝热过程（气体与外

界无热量交换），这就是著名的“卡诺循环卡诺循环构建了从单一热源吸收热量用来做功的

理想过程，符合卡诺循环的热机的效率为〃=1一左。下列说法正确的是（）

A.。一。过程气体对外界做功且吸收热量

B.b-c•过程气体对外做的功小于气体内能的减少量

C.c-d过程单位时间内碰撞器壁单位面积的分子数减少

D.由卡诺循环可知热机效率可能达到100%

答案A

解析4T方过程为等温过程，温度不变，则气体的内能不变，由图可知气体体积增大，对外

界做功，根据热力学第一定律可知气体从外界吸收热量，故A正确；过程中，气体绝热

膨胀，对外做功，内能减小，温度降低，根据热力学第一定律可知，匕-c过程气体对外做的

功等于气体内能的减少量，故B错误；c-d过程为等温过程，由图可知气体压强变大，体积

减小，因为温度不变，故气体分子的平均动能不变，则压强变大说明单位时间内碰撞器壁单

位面积的分子数熔多，故C错误；八不可能达到绝对零度，由〃=1一真可知，热机效率不可

能达到100%,故D错误。

7.（多选）一定质量的理想气体从状态。经过状态尻。变化到状态4其p-r图像如图所示。下

列说法正确的是（）

A.。一6的过程中，气体对外界做功

B.c-d的过程中，外界对气体做功

C.4T/7TC,的过程中，气体先吸热后放热

D.8―c-d的过程中，气体体积先增大后减小

答案ABD

解析。一》的过程中，气体温度不变，气体压强减小，由玻意耳定律可知，气体体积变大，

则气体对外界做功，A正确。根据华=6•可知〃二,丁，则由于d点与原点连线斜率大于c点

与原点连线的斜率，可知d状态对应的体积小于。状态的体积，则c-d的过程中，体积减小，

外界对气体做功，B正确,的过程中，温度不变,内能不变，气体对外做功，则由AU

=W+Q可知气体吸热；0-C的过程中，气体压强不变，温度升高，由盖一吕萨克定律可知

其体积变大，则气体内能变大，对外做功，由AU=W+。可知气体吸热，即〃的过程

中，气体一直吸热，C错误。根据华=C可知〃=专。A-c-d的过程中，各点与原点连线

的斜率先减小后增大，则气体体积先增大后减小，D正确。

8.（2022・广东高考）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,

答案不是大于

解析空调将热量从温度较低的室内传递到温度较高的室外，这个过程要消耗电能，不是自

发过程。设空调制冷剂在室内汽化吸热经过压缩机时压缩机消耗电能对其做功W，则制

冷剂的内能增加Q1+W,制冷剂在室外液化放热。2后回到初始状态，内能等于初始值，则

Q=Q+W，故。2>QI，即空调排放到室外环境的热量大于从室内吸收的热量。

［B组综合提升练］

9.（多选）我国航天员漫步太空已成为现实。飞船在航天员出舱前先要“减压”，在航天员从太空

返回进入航天器后要“升压”，因此将此设施专门做成了飞船的一个舱，叫“气闸舱”，其原理

如图所示。两个相通的舱A、B间装有阀门K。指令舱A中充满气体，气闸舱B内为真空，

整个系统与外界没有热交换。打开阀门K后，A中的气体进入B中，最终达到平衡。若将此

气体近似看成理想气体，则（）

AKB

A.气体体积膨胀，对外做功

B.气体分子势能减小，内能增加

C.气体体积变大，温度不变

D.B中气体不可能自发地全部退回到A中

答案CD

解析当阀门K被打开后，A中的气体进入B中，由于B中为真空，所以气体体积膨胀，

但对外不做功，故A错误：又因为系统与外界无热交换，所以气体内能不变，此气体可近似

看成理想气体，则气体分子间相互作用力可以忽略不计，分子势能可忽略不计，可视为零，

则气体的分子动能之和不变，分子平均动能大小不变，则气体的温度不变，B错误，C正确；

由热力学第二定律知，真空中气体膨胀具有方向性，在无外界作用时，B中气体不能自发地

全部退回到A中，故D正确。

10.（多选）“百脉寒泉珍珠滚”，为章丘八大景之一。泉水深5m,底部温度为17℃,一个体

积为5.8X1CT7的气泡，从底部缓慢上升，到达泉水表面温度为27℃,气泡内气体内能增

加了2x10-2上且取］om/sz,外界大气压强取l.OxGPa,水的密度取IxGkg/mS。下列说

法正确的是（）

A.气泡内所有分子动能都增大

B.气泡上升过程中对外做功，吸收热量

C.气泡到达水面的体积为8.7x10-8m.3

D.上升过程中气泡吸收的热量小于6.8x10-2j

答案BD

解析气泡内气体内能增大，气体分子的平均动能增大，但某些气体分子的动能可能减小，

故A错误；气泡上升过程中压强减小、温度升高，由理想气体状态方程知气泡体积增大，则

对外做功，而内能增加，由热力学第一定律可知，气泡吸收热量，故B正确；在泉水底部时

气泡内气体压强6=加+〃木g〃，Ti=/i+273K=290K,到达泉水表面时，气泡内气体压强

P2=〃o,T2=r2+273K=300K,由理想气体状态方程得竽=噌，代入数据可求得鼻泡到

达水面的体积为L=9xl0一7m3,故C错误；设上升过程中气泡内气体对外做功为W,则po（L

-22

-V］）<W<p^V2-Vi）,代入数据得，3.2X1oJ<VV<4.8xlO-J,由热力学第一定律AU=-W

+Q，可得气泡上升过程中吸收的热量Q的范围为AU+Wb〈Q<AU+Wi，即5.2xl0-2

J<g<6.8xl02J,故D正确。

11.（2023・山东高考）（多选］一定质量的理想气体，初始温度为300K,压强为lxl（）5pa。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100Ko下列说法正确的是（）

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;

D.两个过程中，气体的内能增加量都为400J

答案AD

解析初始状态下，气体的温度为7b=300K,压强为例=1x1mPa,设体积为％）,经等压

过程，气体温度变为7=400K,由盖一吕萨克定律有黄=，解得气体体积变为"=三%,即

/015

气体体积增加了原体积的*C错误；等容过程中，气体做功1%=0,吸收热量Q|=4OOJ,

由热力学第一定律得△U=W|+0=4OOJ,两个过程末状态的温度相同，则内能变化相同，

因此两个过程中，气体的内能增加量都为400J,D正确；等压过程内能增加了400J,吸收

热量为600J,由热力学笫一定律可知气体对外做功为200J,即p（）俘均一%）=20（）J,解得

V0=6L,A正确，B错误，

12.（2023・新课标卷）（多选）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。初始时弹簧史于原

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（）

g

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

答案AD

解析当通过电阻丝对f中的气体缓慢加热时，f中的气体温度升高，压强增大，会缓慢推动

左勃活塞向右压缩弹箭，则弹替对右动活塞有弹力作用,缓慢向右推动右边活塞，故右劲活

塞对h中的气体做正功，而汽缸和活塞绝热，由热力学第一定律可知，h中的气体内能增加，

A正确；停止加热并达到稳定后，对g中的气体、两活塞和弹簧组成的整体由平衡条作可知

Pf=〃h，设加热前三部分中气体的温度、体积、压强均分别为7；>、Vo、〃o,由理想气体状态方

程有竽=华，噌=竽，由A项分析知%>%、％<%，则可得Tf>Th，C错误，D正确；

停止加热并达到稳定后，假设弹簧处于原长，则g中气体体积不变，气体不做功，而汽缸和

活塞绝热，由热力学第一定律可知，g中气体内能不变，则温度不变，由理想气体状杰方程

可知，g中气体压强不变，而对h中气体分析知匕<%,则必刁丸），会推动右侧活塞压

缩弹簧，同理〃f=ph>po,会推动左侧活塞压缩弹簧，可知实际/<玄<%，〃g<p「，结合若=

华，瞥=第，可得心，B错误。

13.（2022•湖北省新高考联考协作体高三上12月联考）如图所示，上端开口、高度为3L、横截

面积为S的绝热圆柱形汽缸放置在水平地面上，汽缸右测有加热装置（体积不计），厚度不

计的绝热轻质活塞封闭1mol的单原子分子理想气体。开始时活塞距底部的距离为L,气体

的热力学温度为八。已知外界大气压为po且保持恒定，Imol的单原子分子理想气体内能公

3

式为U=^R7（R是普适气体恒量、7为热力学温度），忽略一切摩擦。现对气体缓慢加热，求:

(1)活塞恰好上升到汽缸顶部时气体的温度和气体吸收的热量；

(2)当加热到热力学温度为67,时气体的压强。

答案⑴3八3R「+2P心⑵2Po

解析(1)从开始对气体加热，到活塞恰好上升到汽缸顶部的过程中，封闭气体做等压变化

初态时有Vi=LS,T,

末态时有V2=3LS,T2

由盖一吕萨克定律可得**

解得"=3。

由题意可得气体内能增加量

A-3……

AU=,R(T2—TI)

外界对气体做的功W=-/>o(V2-VI)

由热力学第一定律有AU=W+Q

联立解得Q=3R『+2poLS0

(2)设当加热到65时气体的压强变为小,由前述分析可知，此时活塞已上升到汽缸顶的，对

于封闭气体，根据理想气体状态方程有端苴=竿

解得〃3=2/?0。

第十五章核心素养提升

［科学思维提炼］

1.估算法：估测油酸分子大小实验中，将分子看作球体，将油膜看作单分子层，油膜的面积

通过带有坐标方格的玻璃板上所画的油膜轮廓内小方格的数量与小方格的面积进行估算。

2.转换法

(1)通过布朗运动的特点分析分子运动的特点；

⑵分子间引力、斥力的存在及特点的举例推理、说明：

⑶温度计的设计原理。

3.控制变量法：研究分子运动的剧烈程度与温度的关系，研究布朗运动的剧烈程度与微粒大

小、液体温度的关系，探究气体等温变化的规律。

4.图像法

(1)描述分子间作用力与分子间距离的关系；

⑵描述分子势能与分子间距离的关系；

⑶从分子力图像分析分子势能的变化；

(4)从分子势能图像分析分子力的变化；

(5)描述分子速率分布的图像；

(6)描述气体状态变化过程及规律；

⑺晶体微观结构的描述。

5.微元累积思维：气体pW图像与V轴所困的“面积”表示气体所做的功。

6.理想模型法

(I)理想气体的定义；

(2)绝热过程。

7.演绎推理：推导理想气体状态方程。

8.统计方法：描述分子速率分布的方法。

9.等效法

⑴焦耳关于功弓热量关系的实验探究忠路；

(2)气体状态变化中变质品问题的分析。

1().归纳法：能量守恒定律的发现。

11.等价思想：热力学第二定律的不同表述间的关系。

［素养提升集训］

一、选择题(本题共2小题)

1.(2024•广东省部分学校高三上9月联考)健身球是一种新兴、有趣的体育健身器材。如图所

示，健身者正在挤压健身球，健身球内的气体视为理想气体且在挤压过程中温度不变，下列

说法正确的是()

A.健身球内的气体内能不变

B.健身球内的气体对外界做正功

C.健身球内的气体从外界吸收热量

D.健身球内的气体单位时间、单位面积撞击球壁的分子数不变

答案A

解析健身球内的气体视为理想气体，则内能由温度决定，而温度不变，则健身球内的气体

内能不变，即AU=O,健身者正在挤压健身球，即外界对健身球内的气体做正功，W>0,根

据热力学第一定律AU=Q+W,可得Q〈0,即健身球内的气体向外界放出热量，故A正确，

B、C错误；健身球内气体的温度不变，即所有分子的平均速率不变，而体积变小，贝」单位

体积的分子数变多，可知健身球内的气体单位时间、单位面积撞击球壁的分子数变多，故D

错误。

2.2020年1月1口TPMS（胎压监测系统）强制安装法规己开始执行。汽车行驶时TPMS显示

某一轮胎内的气体温度为27℃,压强为240kPa,己知该轮胎的容积为3（）L,阿伏加德罗常

数为NA=6.0x|（）23mo]IoC、1alm下1mol任何气体的体积均为22.4L,1alm=10CkPa<,

则该轮胎内气体的分子数约为（）

A.1.8x1023B.1.8X1024

C.8.0x1023D.8.0x1024

答案B

解析设该轮胎内气体在100kPa、0C状态下的体积为Vo，气体初态：pi=2.40xl（）5Pa,

V）=30L,Ti=27℃+273K=300K,气体末态：po=I.OOxl（）5pa,7b=273K,根据理想气

体状态方程有第=竽，代入数据解得Vo=65.52L,则该轮胎内气体分子数为N=

IoiI

五先NA，代入数据可得N=1.8x1024个。故A、c、D错误，B正确。

二、非选择题（本题共5小题）

3.（2019・江苏高考）由于水的表面张力，荷叶上的小水滴总是球形的。在小水滴表面层中，水

分子之间的相互作用总体上表现为（选填“引力”或“斥力”）。分子势能师和分子间距

离r的关系图象如图所示，能总体上反映小水滴表面层中水分子心的是图中（选填

或"C）的位置。

答案引力C

解析水滴呈球形，使水滴表面层具有收缩的趋势，因此水滴表面层中，水分子之间的作用

力总体上表现为引力；水分子之间，引力和斥力相等时，分子间距离r=ro,分子势能最小；

当分子间表现为引力时，分子间距离r>ro>因此，能总体上反映小水滴表面层中水分子£p

的是图中C的位置。

4.（2023•福建高考）一定质量的理想气体经历了ATB—CTO-M的循环过程后回到状态A,其

p-V图如图所示。完成一次循环，气体内能（填“增加”“减少”或“不变）气体对外界

（填“做正功'”做负功”或“不做功”），气体（填“吸热放热”或“不吸热也不放

热”）。

答案不变做正功吸热

解析一定质量的理想气体完成一次循环，回到初始状态，〃和V均不变，则由理想气体状

态方程知，理想气体的温度不变，而一定质量的理想气体的内能仅由温度决定，所以完成一

次循环，气体的内能不变，即AU=O；p-V图像中，图线与V轴所围图形的面积表示勺体的

做功情况，其中A-B-C过程中气体的体积减小，气体对外界做负功，CTO—A过程中气

体的体积增大，气体对外界做正功，且C-OTA过程图线与V轴所围图形的面积大于

ATB—C过程图线与V轴所围图形的面积，则完成一次循环，气体对外界做的正功大于气体

对外界做的负功，即气体对外界做的总功为正功，则外界对气体做的总功卬<0;根据热力学

第一定律AU=W+Q,可知Q>0,即完成一次循环，气体吸热。

5.（2023・广东高考）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出、体积为玲、温度为7B的状态A等温膨

胀到体积为5%、压强为心的状态从然后从状态6绝热收缩到体积为％、压强为1.9/）0、

温度为7?的状态C,3到C过程中外界对气体做功为W。已知加、匕、八和W。求：

p

1.9/M

(1)/%的表达式;

(2)£•的表达式;

(3)8到C过程，气泡内气体的内能变化了多少？

答案（l）ps=O.2po（2）TC=1.97b

⑶W

解析(1)气泡内气体从状态A等温膨胀到状态以由玻意耳定律得

p（）Vb=pfl-5Vo

解得〃B=0.2〃()。

(2)气泡内气体从状态B到状态C,由理想气体状态方程得

〃/r5M）1.9〃oM

To~Tc

解得耳：=1.9式)。

(3)由题意知8到C是绝热过程，Q=0,外界对气体做功为卬，由热力学第一定律得

△U=W+Q

解得气泡内气体的内能变化了AU=W。

6.(2023•河北高考)如图，某实验小组为测量一个葫芦的容积，在葫芦开口处竖直插入一根两

端开口、内部横截面积为。.1cn?的均匀透明长塑料管，密封好接口，用氮气排空内部气体,

并用一小段水柱封闭氮气。外界温度为300K时，气柱长度/为10cm；当外界温度缓慢升高

到310K时,气柱长度变为50cm。已知外界大气压恒为1.0x14Pa,水柱长度不计。

、水柱

(I)求温度变化过程中氮气对外界做的功；

⑵求葫芦的容积；

(3)试估算被封闭氮气分子的个数(保留2位有效数字)。已知1mol氮气在1.0x105Pa、273K

状态下的体积约为22.4L,阿伏加德罗常数NA取b.Oxl^moF'o

答案(D0.4J(2)119cm3

(3)2.9x1021个

解析(1)由于水柱的长度不计，故封闭气体的压强始终等于大气压强。设大气压强为例，塑

料管内部的横截面积为S,末状态气柱的长度为匕温度变化过程中氮气对外界做的功为W。

根据功的定义有W