2023年高考物理考試易錯題：熱力學定律和能量守恒（含解析答案）

易錯點32熱力學定律和能量守恒

錯題糾正

例題1.（多項選擇）（2023?湖南卷-15（1）改編）如圖，兩端開口、下端連通的導熱汽缸，用兩

個輕質絕熱活塞（截面積分別為S,和S2）封閉肯定質量的理想氣體，活塞與汽缸壁間無摩

擦.在左端活塞上緩慢加細沙，活塞從N下降〃高度到8位置時，活塞上細沙的總質量為

”在此過程中，用外力產作用在右端活塞上，使活塞位置始終不變.整個過程環(huán)境溫度和

大氣壓強po保持不變，系統(tǒng)始終處于平衡狀態(tài)，重力加速度為g.以下說法正確的選項是

（）

A.整個過程，理想氣體的分子平均動能保持不變

B.整個過程，理想氣體的內能增大

C.整個過程，理想氣體向外界釋放的熱量小于

D.左端活塞到達8位置時，外力F等于警

（答案）ACD

（解析）

依據(jù)汽缸導熱且環(huán)境溫度沒有變，可知汽缸內的溫度也保持不變，則整個過程，理想氣

體的分子平均動能保持不變，內能不變，A正確，B錯誤；由內能不變可知理想氣體向外

界釋放的熱量等于外界對理想氣體做的功：Q=W<p0S}h+mgh,C正確；左端活塞到達B

meFmsS2

位置時，依據(jù)壓強相等可得：PO+^=PO+T;,即：尸=備，D正確.

SSzS'

（誤選警示）

誤選B的原因：沒有推斷清楚該過程溫度不變，整個過程，理想氣體的內能不變。

例題2.（多項選擇）（2023?全國乙卷33（1）改編）如圖，肯定量的理想氣體從狀態(tài)a（po，%,

公）經(jīng)熱力學過程外、be、ca后又回到狀態(tài)g對于浦、be、ca三個過程，以下說法正確的

選項是（）

2V/V,,

A.必過程中，氣體始終吸熱

B.館過程中，氣體始終放熱

C.恒過程中，氣體對外界做功

D.加,過程中，氣體的溫度先降低后升高

（答案）AB

（解析）

由理想氣體的°一/圖可知，過程是等容過程，外界對氣體不做功，理想氣體的溫度

升高，則內能增大，由AU=0+%可知，氣體始終吸熱，故A正確；

co過程為等壓壓縮，氣體體積減小，則外界對氣體做正功，但氣體溫度降低，即內能減小,

由可知，。<0,即氣體始終放熱，故B正確，C錯誤；氣體在b和。狀態(tài)時，

Pb-b=Pc#c=2pWo,從6、C連線上任取一點，該點的。%>”,％=〃<?匕，依據(jù)理想氣體狀態(tài)

方程，=C,可知6c過程中，氣體的溫度先升高后降低，故D錯誤.

（誤選警示）

誤選C的原因：沒有推斷清楚ca過程中氣體體積減小，外界對氣體做功。

誤選D的原因：沒有正確be過程中溫度的變化情況。

知識總結

一、熱力學第一定律

I.改變內能的兩種方法：做功與傳熱.兩者對改變系統(tǒng)的內能是等價的.

2.熱力學第一定律：一個熱力學系統(tǒng)的內能變化量等于外界向它傳遞的熱量與外界對它所

做的功的和.

3.熱力學第一定律的表達式：△（7=。+叱

4.熱力學第一定律的應用：

（1）%的正負：外界對系統(tǒng)做功時，〃取正值；系統(tǒng)對外界做功時，的取負值.（均選填“正”

或“負”）

（2）0的正負：外界對系統(tǒng)傳遞的熱量。取正值；系統(tǒng)向外界傳遞的熱量。取負值.（均選

填“正"或"負"）

二、能量守恒定律

1.探究能量守恒的足跡

倫福德的實驗表明奧斯特發(fā)現(xiàn)電塞貝克發(fā)現(xiàn)法拉第發(fā)現(xiàn)電

熱的本質是運動流的遨效應溫差電現(xiàn)象磁感應現(xiàn)象

7]t，t

11798年|---------11820年|------11821年|------118?年|

|1847年|11843年|~|1842年|~|1841年|----11836年|

亥姆霍茲在理論焦耳測定邁爾表述焦耳發(fā)現(xiàn)蓋斯發(fā)現(xiàn)化學反

上概括和總結能做功與傳了能量守電流的熱應放出的熱鼠與

量守恒定律熱的關系恒定律效應一反應步驟無關

2.能量守恒定律

能量既不會憑空產生，也不會憑空消逝，它只能從一種形式轉化為其他形式，或者從一個

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.

3.永動機不可能制成

(1)第一類永動機：不需要任何動力或燃料，卻能不斷地對外做功的機器.

(2)第一類永動機由于違背了能量守恒定律，所以不可能制成.

一、熱力學第二定律

I.定義：在物理學中，反映宏觀自然過程的方向性的定律.

2.熱力學第二定律的克勞修斯表述：

熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體.闡述的是傳熱的方向性.

3.熱力學第二定律的開爾文表述：

⑴熱機

①熱機工作的兩個階段：第一個階段是燃燒燃料，把燃料中的化學能變成工作物質的內能;

第二個階段是工作物質對外做功，把自己的內能變成機械能.

②熱機用于做功的熱量肯定小于它從高溫熱庫汲取的熱量，即W<Q.

(2)熱力學第二定律的開爾文表述：不可能從單一熱庫汲取熱量，使之完全變成功，而不產

生其他影響.(該表述闡述了機械能與內能轉化的方向性).

4.熱力學第二定律的克勞修斯表述和開爾文表述是等價的.(選填“等價”或"不等價”)

三、熱力學第一定律和熱力學第二定律的比擬

1.兩定律的比擬

熱力學第一定律熱力學第二定律

是關于在有限空間和時間內，一切和熱

是能量守恒定律在熱力學中的表現(xiàn)，否

現(xiàn)象有關的物理過程、化學過程具有不

區(qū)別認了制造能量和消滅能量的可能性，從

可逆性的經(jīng)驗總結，從而否認了第二類

而否認了第一類永動機

永動機

兩定律分別從不同角度揭示了與熱現(xiàn)象有關的物理過程所遵循的規(guī)律，二者既相互

聯(lián)系

獨立，又相互補充，都是熱力學的理論根底

2.兩類)k動機的比擬

第一類永動機第二類永動機

不消耗任何能量，可以不斷做功（或只將內能全部轉化為機械能，而不引起

設計要求給予很少的能量啟動后，可以永遠運其他變化（或只有一個熱庫，完成內能

動下去）向機械能的轉化）

不可能制

違背了能量守恒定律違背了熱力學第二定律

成的原因

I易混點:

1.做功和熱傳遞的實質是不相同的.

2.絕熱過程中，外界壓縮氣體做功20J,氣體的內能不肯定減少20J.

3.物體汲取熱量，同時對外做功，內能可能不變.

4.可以從單一熱源汲取熱量，使之完全變成功.

5.熱機中，燃氣的內能可以不能全部變成機械能而不引起其他變化.

6.熱量可能從低溫物體傳給高溫物體，但是要引起其他變化.

舉一反三/

1.（多項選擇）如下圖，肯定質量的理想氣體在狀態(tài)4時壓強為1.5X105pa,經(jīng)歷

MB-CT的過程，已知8-C過程中氣體做功絕對值是C-/過程中氣體做功絕對值的

3倍，以下說法中正確的選項是（

A.C-*A的過程中外界對氣體做功300J

B.8fC的過程中氣體對外界做功600J

C.整個過程中氣體從外界汲取600J的熱量

D.整個過程中氣體從外界汲取450J的熱量

（答案）AC

（解析）'

在C-/過程中，氣體體積減小，外界對氣體做功，依據(jù)WU=P△匕得%“=300J,

A正確；由題知過程中氣體做功絕對值是過程中氣體做功絕對值的3倍，則

B-C的過程中氣體對外界做功900J,B錯誤；A-Bn,溫度不變，則內能變化量

△U=0,4fB過程,氣體體積不變，做功為零；8-C的過程中氣體對外界做功900J;

Cf/的過程中外界對氣體做功300J,故匹MWGI+^CM-GOOJ,0=AU-%=6()OJ,則

整個過程中氣體從外界汲取600J的熱量，C正確，D錯誤.

2.如下圖，水平放置的汽缸內封閉肯定質量的理想氣體，活塞的質量m=10kg,橫截面積

S=100cm2,活塞可沿汽缸壁無摩擦滑動且不漏氣，活塞到汽缸底部的距離△=11cm,到

汽缸口的距離乙2=4cm.現(xiàn)將汽缸緩慢地轉到開口向上的豎直位置，待穩(wěn)定后對缸內氣體逐

漸加熱，使活塞上外表剛好與汽缸口相平.已知g=10m/s2,外界氣溫為27℃,大氣壓強

為1.0X105pa,活塞厚度不計，則：

(1)活塞上外表剛好與汽缸口相平常缸內氣體的溫度是多少？

(2)在對缸內氣體加熱的過程中，氣體膨脹對外做功，同時汲取0=350J的熱量，則氣體增

加的內能AU多大？

(答案)(1)450K(或177℃)(2)295J

(解析)

⑴當汽缸水平放置時，p()=1.0X105pa,VO=LXS,「0=(273+27)K=300K.

當汽缸口朝上，活塞上外表剛好與汽缸口相平常，活塞受力分析如下圖，

依據(jù)平衡條件有p\S=poS+mg

匕=田+團5

,pnL'Sp\L'+L2)S

由理想氣體狀態(tài)方程得,

解得71=450K(或177℃)

(2)當汽缸口向上穩(wěn)定后，未加熱時，由玻意耳定律得

p()L\S=p\LS

加熱后，氣體做等壓變化，氣體對外界做功

則JV=-p](Li+L2-L)S

依據(jù)熱力學第一定律XU=IV+Q

解得AU=295J.

3.如下圖，體積為人內壁光滑的圓柱形導熱汽缸頂部有一質量和厚度均可忽略的活塞,

汽缸內密封有溫度為2.47。、壓強為1.2”)的理想氣體，po和7。分別為外界大氣的壓強和溫

度.已知氣體內能U與溫度T的關系為。=。7,a為正的常量，容器內氣體的全部變化過

程都是緩慢的，求:

活塞

n_/r~i

V////7/7777A

(1)缸內氣體與大氣到達平衡時的體積匕；

(2)在活塞下降過程中，汽缸內氣體放出的熱量.

(答案)(1)0"(2電)/+叫

(解析)

⑴在氣體壓強由1.2p0下降到po的過程中，氣體體積不變，溫度由2.4T。變?yōu)榉?，由?/p>

1,2p°_p°

理定律得

2.47t,-r

解得71=2To

在氣體溫度由「變?yōu)榘说倪^程中，氣體體積由/減小到匕，氣體壓強不變，由蓋一呂薩

克定律得Mk

解得匕=0.5匕

(2)活塞下降過程中，外界對氣體做的功為

在這一過程中，氣體內能的變化量為

△U=a(Tof)

由熱力學第一定律得,

Q=&u-w=-%一］匕

故汽缸內氣體放出的熱量為

易錯題通關

一、單項選擇題

1.關于熱力學第二定律，以下表述正確的選項是()

A.不可能使熱量從低溫物體傳遞到高溫物體

B.不可能從單一熱庫汲取熱量并把它全部用來做功

C.一切自然過程總是沿著分子熱運動無序性增大的方向進行

D.在任何的自然過程中，一個孤立系統(tǒng)的總炳肯定增加

（答案）C

（解析）A.熱力學第二定律可描述為不可能使熱量由低溫物體傳遞到高溫物體而不產生

其它影響，A錯誤：

B.依據(jù)熱力學第二定律知，不可能從單一熱庫源汲取熱量并把它全部用來做功，而不引起

其他變化，B錯誤；

C.依據(jù)熱力學第二定律可知，一切自然過程總是沿著分子熱運動的無序性增大的方向進

行，C正確；

D.由熱力學第二定律可知，任何自然過程中，一個孤立系統(tǒng)的總燧不會減少可能保持不

變，D錯誤。

應選C。

2.以下說法中，正確的選項是（）

A.第二類永動機不能制成的原因是因為違背了能量守恒定律

B.布朗運動就是分子熱運動

C.液體外表張力形成原因是外表層液體分子比內部更密集

D.晶體有固定的熔點，而非晶體沒有固定的熔點

（答案）D

（解析）A.第二類永動機不能制成的原因是因為違背了熱力學第二定律，故A錯誤；

B.布朗運動是固體小顆粒的無規(guī)則運動，不是分子運動，故B錯誤；

C.液體外表張力形成原因是外表層液體分子比內部更稀疏，故C錯誤；

D.晶體有固定的熔點，而非晶體沒有固定的熔點，故D正確。

應選D。

3.如圖甲所示，在豎直放置的圓柱形容器內用橫截面積SfOOcm?的質量不計且光滑的活

塞密封肯定質量的氣體，活塞上靜止一質量為機的重物。圖乙是密閉氣體從狀態(tài)”變化到

狀態(tài)8的/-T圖像，密閉氣體在N點的壓強p,,=1.03x105pa,從狀態(tài)N變化到狀態(tài)8的

過程中汲取熱量。=500J.已知外界大氣壓強p0=1.01x105Pa,以下說法正確的選項是

)

A.重物質量"7=1kg

B.氣體在狀態(tài)8時的體積為g.OxlO-n?

C.從狀態(tài)/變化到狀態(tài)8的過程，氣體對外界做功202J

D.從狀態(tài)4變化到狀態(tài)8的過程，氣體的內能增加294J

（答案）D

（解析）A.在/狀態(tài)，依據(jù)題意

mg+p＜）S=p“S

解得

m=2kg

故A錯誤；

B.依據(jù)圖像可知

T

所以氣體做等壓變化

匕必

□TB

解得

-33

VB=8.OxlOm

故B錯誤；

C.從狀態(tài)/變化到狀態(tài)8的過程，氣體對外界做功

W=pA\V=206]

故C錯誤；

D.依據(jù)熱力學第一定律

AU=Q-%=294J

故D正確。

應選D。

4.夏天，從湖底形成的一個氣泡，在緩慢上升到湖面的過程中沒有破裂。假設越接近水

面，湖水的溫度越高，大氣壓強沒有變化，將氣泡內的氣體看做理想氣體。則上升過程

中，以下說法正確的選項是（）

A.氣泡內氣體的內能可能不變

B.氣泡上升過程中可能會放熱

C.氣泡內氣體的壓強增大

D.氣泡內分子單位時間內對氣泡壁單位面積的撞擊力變小

（答案）D

（解析）A.依據(jù)題意可知，越往上溫度越高，故氣泡溫度升高，內能變大，故A錯誤。

B.氣泡體積變大，外界對氣體做負功，依據(jù)

可知

Q>0

氣泡內能增大，故氣泡吸熱，故B錯誤；

C.氣泡上升

P=Po+pgh

深度〃減小，汽包內其他壓強減小，C錯誤；

D.依據(jù)氣體壓強定義及其微觀意義，氣泡內氣體壓強減小，氣泡內分子單位時間內對氣

泡壁單位面積的撞擊力減小，故D正確。

應選D。

（點睛）分析的過程注意溫度、體積的變化情況，再結合熱力學定律等進行解答。

5.肯定質量的理想氣體從狀態(tài)“開始經(jīng)bfcf*其圖像如下圖。已知三個狀態(tài)

的坐標分別為。億,2p。）、b（2%p。）、c（3%,2p。）。則以下說法正確的選項是（〕

B.狀態(tài)c與狀態(tài)b的溫度之比為1:3

C.。玲b過程，內能先減小后增大

D.6玲c過程，氣體汲取熱量，對外做功，內能增大

（答案）D

（解析）AB.依據(jù)理想氣體方程

PK_PM,=PK

Ta~Th~Tc

解得

n=1,4=3

ThTb

故AB錯誤；

C.作出心〃兩點的等溫線，溫度先增大后減小，所以內能先增大后減小，故C錯誤；

D.過程，溫度升高，則內能增大，又由于體積增大，氣體對外界做功，依據(jù)熱力學

第一定律

\U=Q+W

可知，氣體汲取熱量，故D正確。

應選D?

6.封閉在氣缸內肯定質量的理想氣體由狀態(tài)A變到狀態(tài)D,其體積M與熱力學溫度7的

關系如下圖，。、/、。三點在同一直線上，則（）

A.由狀態(tài)B變到狀態(tài)C過程中，氣體對外放熱，內能不變

B.氣體在D狀態(tài)和在A狀態(tài)時的單位時間內與單位面積器壁碰撞的分子數(shù)相等

C.C狀態(tài)時氣體的壓強小于D狀態(tài)時氣體的壓強

D.在D狀態(tài)與A狀態(tài)時相等時間內氣體分子對單位面積器壁的沖量相等

（答案）D

（解析）A.由狀態(tài)B變到狀態(tài)C過程中，溫度不變，內能不變

體積變大，氣體對外界做功

依據(jù)熱力學第一定律，可得

^U=W+Q

。>0

氣體從外界汲取熱量。故A錯誤；

B.依題意，。、A、。三點在同一直線上，說明氣體在D狀態(tài)和在A狀態(tài)時壓強相等，在

D狀態(tài)體積較大，分子的密集程度小，溫度較高，分子的平均動能較大，所以單位時間內

與單位面積器壁碰撞的分子數(shù)較少。故B錯誤：

C.氣體從C狀態(tài)到D狀態(tài)為等容變化，依據(jù)查理定律，可得

Pc=%

6>%

Pc>PD

故C錯誤;

D.依據(jù)沖量的定義可知

P

S

聯(lián)立，可得

依據(jù)上面選項分析可知，氣體在D狀態(tài)和在A狀態(tài)時壓強相等，所以相等時間內氣體分子

對單位面積器壁的沖量相等。故D正確。

應選D。

二、多項選擇題

7.如下圖，肯定質量的理想氣體由狀態(tài)。開始，經(jīng)歷ab、be、cd、曲四個過程回到原狀

態(tài)，其憶-7圖像剛好是一個圓，氣體在。、氏以d四個狀態(tài)的體積分別為匕=匕、

匕=匕、/=匕，溫度分別為（、刀,=、壓強分別為、、、

1=4TC=T2,P“Pbp,pd,

其中匕=5匕，T2=5T,。以下說法正確的選項是（）

A.在這四個狀態(tài)中，c狀態(tài)時氣體的內能最多

B.Pc=4p”

C.Pb=L8p?

D.從狀態(tài)。到狀態(tài)6,氣體從外界吸熱

E.從狀態(tài)c到狀態(tài)"，氣體對外界做功

（答案）ACD

（解析）A.由V-T圖像可知，在這四個狀態(tài)中，c狀態(tài)時氣體的溫度最gao,則c狀態(tài)時

氣體的內能最多，A正確；

B.由于匕=匕，則有

生一包

可得

T,<

Pc=±P0=5Pa

B錯誤；

C.依據(jù)理想氣體狀態(tài)方程可得

P/.P』,

Th~Ta

其中

分=%=5匕，7；=^1i=37；

聯(lián)立可得

Pb=l8Pli

C正確；

D.從狀態(tài)。到狀態(tài)兒氣體的溫度升高，則氣體的內能增加；氣體的體積變大，外界對氣

體做負功，依據(jù)熱力學第一定律可知，氣體從外界吸熱，D正確；

E.從狀態(tài)c到狀態(tài)"，氣體的體積變小，外界對氣體做正功，E錯誤。

應選ACD“

8.以下說法正確的選項是（）

A.空中的小雨滴呈球形是水的外表張力作用的結果

B.用顯微鏡觀察到的花粉顆粒的運動反映了液體分子運動的無規(guī)則性

C.肯定質量的理想氣體汲取熱量后內能肯定增加

D.能量耗散說明與熱現(xiàn)象有關的宏觀自然過程在能量轉化和轉移時具有方向性

（答案）ABD

（解析）A.空中的小雨滴呈球形是水的外表張力作用的結果，故A正確；

B.用顯微鏡觀察到的花粉顆粒的運動反映J'液體分子運動的無規(guī)則性，故B正確；

C.依據(jù)熱力學第一定律可知I,改變物體內能的方法有兩種，故單純的吸熱不能決定理想氣

體的內能肯定增大，故C錯誤；

D.能量耗散從能量轉化和轉移角度反映與熱現(xiàn)象有關的宏觀自然過程具有方向性，故D

正確。

應選ABD。

三、解答題

9.如下圖、橫截面積S=0.01m2的薄壁汽缸開口向上豎直放置，。、b為固定在汽缸內壁的

卡口，a、6之間的距離力=0.03m,6到汽缸底部的距離"=0.45m,質量m=10kg的水平

活塞與汽缸內壁接觸良好，只能在。、b之間移動，剛開始時缸內理想氣體的壓強為大氣壓

強p°=lxlO'Pa,熱力學溫度〃=300K,活塞停在b處，取重力加速度大小g=10m/s?,

活塞厚度、卡口的體積均可忽略，汽缸、活塞的導熱性能均良好，不計活塞與汽缸之間的

摩擦。假設緩慢升高缸內氣體的溫度，外界大氣壓強恒定。

(1)求當活塞剛要離開卡口6時，缸內氣體的熱力學溫度刀；

(2)求當缸內氣體的熱力學溫度5=400K時，缸內氣體的壓強p：

(3)在以上全過程中氣體內能增量AU=250J,求全過程缸內氣體汲取的熱量

(答案)(1)330K；(2)1,25x10sPa;(3)283J

(解析)(1)當活塞剛要離開卡口人時，設此時缸內壓強為p”以活塞為研究對象，依據(jù)

受力平衡可得

P\S=PQS+mg

=1.1x105Pa

依據(jù)查理定律有

A_￡L