2026届高考物理一轮复习讲义：第十五章 第三讲 热力学定律与能量守恒

  第三讲  热力学定律与能量守恒

[人教版选择性必修第三册]

1．阅读教材第三章第1节的内容，改变物体内能的方式有哪些？它们的本质是否一样？

提示：（1）做功；（2）热传递。不一样。虽然做功和传热都能引起系统内能的改变，但是它们还是有区别的。做功时，内能与其他形式的能（如内能与机械能、内能与电能等）发生转化，而传热只是不同物体（或一个物体的不同部分）之间内能的转移。

2．阅读教材第三章第2节，理解热力学第一定律。

提示：（1）内容：一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和。（2）表达式：ΔU＝Q＋W。

3．阅读教材第三章第3节，理解能量守恒定律的表述。

提示：能量守恒定律可以表述为：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变。

4．阅读第三章第4节“热力学第二定律”这一部分内容，理解热力学第二定律的表述。

提示：常见的两种表述：

（1）克劳修斯表述：热量不能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，而不产生其他影响。

 

1．改变物体内能的两种方式

（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增量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和。

（2）表达式：ΔU＝Q＋W。

（3）符号法则

3．能量守恒定律

（1）内容：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变。

（2）第一类永动机是不可能制成的。

（2024·重庆·历年真题）某救生手环主要由高压气囊密闭。气囊内视为理想气体。密闭气囊与人一起上浮的过程中。若气囊内气体温度不变，体积增大，则（　　）

A．外界对气囊内气体做正功 B．气囊内气体压强增大

C．气囊内气体内能增大 D．气囊内气体从外界吸热

答案  D

解析  AB．气囊上浮过程，密闭气体温度不变，由玻意耳定律pV＝C可知，体积变大，则压强变小，气体对外做功，故AB错误；

CD．气体温度不变，内能不变，气体对外做功，W＜0，由热力学第一定律ΔU＝Q＋W，则Q＞0，需要从外界吸热，故C错误，D正确。故选D。

（2024·安徽·模拟题）如图所示，“凸”形绝热汽缸被a、b两轻质绝热活塞分成A、B、C三部分，a、b两活塞用轻杆连接，活塞稳定时A、B、C三个部分内的气体温度均相同。现设法使C中的气体温度缓慢升高，则在两活塞缓慢下降的过程中，下列说法正确的是（    ）

A．A中气体温度升高 B．A中气体压强增大

C．B中气体压强增大 D．C中气体所有分子的动能均增大

答案  C

解析  ABC．以C中气体为研究对象，体积不变，根据，可知C中气体温度升高，压强增大；以

活塞和连杆整体为研究对象，受到向上和向下气体的压力和，因为，则有可知活塞和连杆合力向下，竖直向下运动，A中气体体积增大，压强减小，对外做功，根据ΔU＝W＋Q，气缸绝热Q＝0，内能减小，温度降低；B中气体体积变小，压强增大，C正确，AB错误；

D．C中气体温度升高，分子的平均动能增大，D错误。故选C。

1．对热力学第一定律的理解

（1）做功和热传递在改变系统内能上是等效的。

（2）做功过程是系统与外界之间的其他形式能量与内能的相互转化。

（3）热传递过程是系统与外界之间内能的转移。

（4）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。

2．三种特殊情况

1．（多选）在一汽缸中用活塞封闭着一定量的理想气体，发生下列缓慢变化过程，气体一定与外界有热量交换的过程是（    ）

A．气体的体积不变，温度升高 B．气体的体积减小，温度降低

C．气体的体积减小，温度升高 D．气体的体积增大，温度不变

答案  ABD

解析  气体的体积不变温度升高，则气体的内能升高，体积不变气体做功为零，因此气体吸收热量，A正确；气体的体积减小温度降低，则气体的内能降低，体积减小外界对气体做功，由热力学第一定律ΔU＝W＋Q，可知气体对外放热，B正确；气体的体积减小温度升高，则气体的内能升高，体积减小外界对气体做功，由热力学第一定律ΔU＝W＋Q，可知Q可能等于零，即没有热量交换过程，C错误；气体的体积增大温度不变则气体的内能不变，体积增大气体对外界做功，由热力学第一定律ΔU＝W＋Q，可知Q＞0，即气体吸收热量，D正确。故选ABD。

2．（多选）（2024·河北·历年真题）如图，水平放置的密闭绝热汽缸被导热活塞分成左右两部分，左侧封闭

答案  BD

解析  根据热力学第二定律，热量不能自发地从低温物体传到高温物体，必须借助于其他系统做功，A错误，B正确；热力学第一定律是热现象中内能与其他形式能的转化规律，是能量守恒定律的具体表现，适用于所有的热学过程，故C错误；压缩机工作时会发热，将一部分电能转化为内能消耗掉，这种影响没法消除，D正确。

 

1．常见的基本类型

（1）理想气体状态参量图像问题，即p－V图像、p－图像、p－T图像、V－T图像等的理解与应用。

（2）热力学第一定律的认识理解：包括对ΔU＝Q＋W中各参量的物理含义及正负值得认知理解。

（3）有时也会综合应用W＝pΔV求恒压情况下气体对外做功的大小，或者借助p－V图像曲线与横轴围成的面积表示W求做功。

2．理想气体的四个热学过程比较

 

（2024·山东·历年真题）一定质量理想气体经历如图所示的循环过程，a→b过程是等压过程，b→c过程中气体与外界无热量交换，c→a过程是等温过程。下列说法正确的是（    ）

解析  A．在b→c过程中，气体压强不变，体积减小，温度降低，则气体数密度增加，气体分子平均速率减小，可知单位时间内撞击单位面积器壁的分子数增加，A错误；

B．在c→a过程中，气体体积增大，气体对外界做正功，又根据p＝，可知气体温度不变，气体内能不变，B正确；

C．因ac两态温度相同，可知在a→b→c过程中，气体内能不变，气体体积减小，外界对气体做功W＝p2(V1－V2)，根据ΔU＝W＋Q，可知气体放出的热量等于Q＝W＝p2(V1－V2)，C正确；

D．气体在a→b→c→a循环过程中对外做功W＝PΔV，即为P－V图像围成的面积，D错误。

故选BC。

4．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过程中外界对气体做功为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过程，气泡内气体的内能变化了多少？

答案  （1）；（2）；（3）W

解析  （1）由题可知，根据玻意耳定律可得，解得

（2）根据理想气体状态方程可知，解得

（3）根据热力学第一定律可知ΔU＝W＋Q，其中Q＝0，故气体内能增加ΔU＝W