热力学定律【知识点一】热力学第一定律及其应用1．公式：ΔU＝Q＋W.2．注意各物理量符号和理想气体的特点(1)各物理量符合的意义①只有绝热过程Q＝0，ΔU＝W，用做功可判断内能的变化．②只有在气体体积不变时，W＝0，ΔU＝Q，用吸热、放热情况可判断内能的变化．③若物体内能不变，即ΔU＝0，W和Q不一定等于零，而是W＋Q＝0，功和热量符号相反．大小相等，因此判断内能变化问题一定要全面考虑．④对于气体，做功W的正负一般要看气体体积变化，气体体积缩小，W>0；气体体积增大，W<0.【知识点二】热力学第二定律及其应用1．热力学第二定律的几种表现形式(1)热传递具有方向性两个温度不同的物体进行接触时，热量会自发地从高温物体传给低温物体，而低温物体不可能自发地将热量传给高温物体．要实现低温物体向高温物体传递热量，必须借助外界的帮助，来产生其他影响或引起其他变化．(2)气体的扩散现象具有方向性两种不同的气体可以自发地进入对方，最后成为均匀的混合气体，但这种均匀的混合气体，绝不会自发地分开，成为两种不同的气体．(3)机械能和内能的转化过程具有方向性物体在水平面上运动，因摩擦而逐渐停下来，但绝不可能出现物体吸收原来传递出去的热量后，在地面上重新运动起来．(4)气体向真空膨胀具有方向性气体可自发地向真空容器膨胀，但绝不可能出现气体自发地再从容器中流回，使容器变为真空．2．深刻理解热力学第二定律的内涵掌握热力学第二定律时，要注意理解其本质，即热力学第二定律是对宏观自然过程进行方向的说明．凡是对这种宏观自然过程进行方向的说明，都可以作为热力学第二定律的表述．本章对热力学第二定律的表述很多，这些不同形式的表述都是等价的．【知识点三】能源与可持续发展(1)能量耗散：一切能量最终要转化成不可回收的能量．(2)环境污染：温室效应，酸雨，光化学烟雾．(3)开发新能源：太阳能，生物质能，风能，水能等．【例1】(多选)对于一定质量的理想气体，下列说法正确的是( )A．若气体的压强和体积都不变，其内能也一定不变B．若气体的温度不断升高，其压强也一定不断增大C．若气体温度升高 1 K，其等容过程所吸收的热量一定小于等压过程所吸收的热量D．在完全失重状态下，气体的压强为零E．当气体温度升高时，气体的内能一定增大ACE[一定质量的理想气体的内能与温度有关，若气体的压强和体积都不变，则温度不变，其内能也一定不变，A正确；由pVT＝C知，气体的温度不断升高，压强不一定增大，B错误；根据热力学第一定律有ΔU＝Q＋W，气体温度升高1 K，ΔU相同，等容过程W＝0，等压过程，体积增大，则W<0，故等容过程所吸收的热量一定小于等压过程所吸收的热量，C正确；气体的压强是由于分子频繁撞击器壁而产生的，与是否失重无关，D错误；温度升高，理想气体的内能一定增大，E正确．]【例2】．在如图所示的坐标系中，一定质量的某种理想气体先后发生以下两种状态变化过程：第一种变化是从状态A到状态B，外界对该气体做功为6 J；第二种变化是从状态A到状态C，该气体从外界吸收的热量为9 J．图线AC的反向延长线过坐标原点O，B、C两状态的温度相同，理想气体的分子势能为零．求：(1)从状态A到状态C的过程，该气体对外界做的功W1和其内能的增量ΔU1；(2)从状态A到状态B的过程，该气体内能的增量ΔU2及其从外界吸收的热量Q2.[解析](1)由题意知从状态A到状态C的过程，气体发生等容变化该气体对外界做的功W1＝0根据热力学第一定律有：ΔU1＝W1＋Q1内能的增量ΔU1＝Q1＝9 J.(2)从状态A到状态B的过程，体积减小，温度升高该气体内能的增量ΔU2＝ΔU1＝9 J根据热力学第一定律有ΔU2＝W2＋Q2从外界吸收的热量Q2＝ΔU2－W2＝3 J.[答案](1)0 9 J (2)9 J 3 J【例3】(多选)下列说法正确的是( )A．冰箱能使热量从低温物体传递到高温物体，因此不遵循热力学第二定律B．空调工作时消耗的电能比室内温度降低所放出的热量要多C．自发的热传导是不可逆的D．可以通过给物体加热而使它运动起来，但不产生其它影响E．气体向真空膨胀具有方向性BCE[有外界的帮助和影响，热量可以从低温物体传递到高温物体，空调消耗的电能必大于室内温度降低所放出的热量，A错误，B正确；不可能通过给物体加热而使它运动起来但不产生其它影响，这违背了热力学第二定律，D错误，C正确；气体可自发地向真空容器膨胀，E正确．]【例4】．(多选)地球上有很多的海水，它的总质量约为1.4×1018吨，如果这些海水的温度降低0.1 ℃，将要放出5.8×1023焦耳的热量，有人曾设想利用海水放出的热量使它完全变成机械能来解决能源危机，但这种机器是不能制成的，关于其原因下列说法中不正确的是( )A．内能不能转化成机械能B．内能转化成机械能不满足热力学第一定律C．只从单一热源吸收热量并完全转化成机械能的机械不满足热力学第二定律D．机械能可全部转化为内能，内能不可能全部转化为机械能，同时不引起其它变化E．上述原因都不正确ABE[本题考查热力学第一定律和热力学第二定律的应用，内能可以转化成机械能，如热机，A错误；内能转化成机械能的过程满足热力学第一定律，即能量守恒定律，B错误；热力学第二定律告诉我们：不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化，C、D正确．]【巩固提升】一、单项选择题(本题共8小题，每小题3分，共24分)1．某校中学生参加电视台“异想天开”节目的活动，他们提出了下列四个设想方案，从理论上讲可行的是()A．制作一个装置从海水中吸收内能全部用来做功B．制作一种制冷设备，使温度降至绝对零度以下C．汽车尾气中各类有害气体排入大气后严重污染了空气，想办法使它们自发地分离，既清洁了空气，又变废为宝D．将房屋顶盖上太阳能板，可直接用太阳能来解决照明和热水问题解析：选D根据热力学第二定律知道，在不产生其他影响时，内能不能全部转化为机械能，因此从海水中吸收内能全部用来做功而不产生其他影响是不可能实现的，选项A错误；绝对零度是温度的极值，是不能达到的，选项B错误；有害气体和空气不可能自发地分离，选项C错误；利用太阳能最有前途的领域是通过太阳能电池将太阳能转化为电能再加以利用，选项D正确．2．给旱区送水的消防车停于水平地面，在缓慢放水过程中，若车胎不漏气，胎内气体温度不变，不计分子间势能，则胎内气体( )A ．从外界吸热B ．对外界做负功C ．分子平均动能减小D ．内能增加解析：选A 缓慢放水过程中，胎内气体体积增大、温度不变，由于不计分子势能，内能不变，故分子平均动能不变，选项C 、D 错误；由体积增大可知气体对外界做正功，或克服外界压力做功，选项B 错误；由ΔU ＝W ＋Q 知ΔU ＝0，W <0，故Q >0，气体从外界吸热，选项A 正确．3．一定质量的理想气体在下列哪些过程中，一定向外界放出了热量( )A ．温度保持不变，体积逐渐膨胀B ．体积保持不变，温度逐渐升高C ．压强保持不变，体积逐渐收缩D ．温度逐渐升高，压强逐渐减小解析：选C 理想气体温度不变，内能就不变，气体膨胀就一定会对外做功，即W ＜0，根据热力学第一定律，则Q ＞0，即一定吸收了热量，故选项A 错误；体积不变，温度升高，则内能增大，W ＝0，则一定有Q ＞0，即一定吸收热量，故选项B 错误；压强不变，体积逐渐收缩，则根据理想气体状态方程pV T ＝C 可知，T 减小，则内能减小，根据热力学第一定律ΔU ＝Q ＋W 可知，ΔU ＜0，W ＞0，则Q ＜0，即气体放出热量，故选项C 正确；温度升高同时压强减小，根据理想气体状态方程ρV t ＝C 可知，体积一定增大，温度升高内能增大，体积增大对外做功，根据热力学第一定律知物体一定吸热，故选项D 错误．4．一定质量的气体在某一过程中，外界对气体做了8×104 J 的功，气体的内能减少了1.2×105 J ，则下列各式中正确的是( )A ．W ＝8×104 J ，ΔU ＝1.2×105 J ，Q ＝4×104 JB ．W ＝8×104 J ，ΔU ＝－1.2×105 J ，Q ＝－2×105 JC ．W ＝－8×104 J ，ΔU ＝1.2×105 J ，Q ＝2×105 JD ．W ＝－8×104 J ，ΔU ＝－1.2×105 J ，Q ＝－4×104 J解析：选B 根据热力学第一定律的符号规则，W ＝8×104 J ，ΔU ＝－1.2×105 J ，由ΔU ＝W ＋Q 可求得Q ＝－2.0×105 J ，所以选项B 正确．5．下列说法中正确的是()A．无摩擦、无漏气等能量损失，就能使热机效率达到100%B．热量不能从低温物体传到高温物体C．一切物理过程都具有方向性D．由热力学定律可推断出某个物理过程是否能自发进行解析：选D对任何热机在工作时都不可避免地要向冷凝器的环境周围散发热量，总有能量的损失，因此其效率无法达到100%；热量能从低温物体传到高温物体，但必须有外界的帮助；一切涉及热现象的物量过程都具有方向性；在热力学定律的基础上可以导出其他过程的方向性，如气体的扩散、气体向真空的膨胀等，因此D选项正确．6．一定质量的理想气体，从某一状态开始，经过一系列变化后又回到开始的状态，用W1表示外界对气体做的功，W2表示气体对外界做的功，Q1表示气体吸收的热量，Q2表示气体放出的热量，则在整个过程中一定有() A．Q1－Q2＝W2－W1B．Q1＝Q2C．W1＝W2D．Q1>Q2解析：选A解答本题的切入点是，对一定质量的理想气体，在某一状态下其内能是确定的．对一定质量的理想气体，经过一系列的状态变化后又回到原状态，表明整个过程中内能的变化为零，即通过做功和热传递引起的内能变化相互抵消，所以A选项正确．7．下列说法中正确的是()A．随着科技的发展，永动机是可以制成的B．能量守恒表明，节约能源是无意义的C．机械能守恒是自然界遵循的普遍规律D．能量的耗散反映出自然界宏观过程的方向性解析：选D永动机违背了能量转化和守恒定律，或违背热力学第二定律，所以不可能制成的，故A错误；虽然能量是守恒的，但能源不断减少，节约能源意义重大，故B错误；机械能守恒是有条件，这个定律不是自然界遵循的普遍规律，故C错误；根据热力学第二定律可知，宏观自然过程自发进行是有其方向性，能量耗散就是从能量的角度反映了这种方向性，故D正确．8．下列关于能量的转化，下列说法中正确的是()A．因为能量守恒，所以“永动机”是存在的B．摩擦生热的过程是不可逆过程C．空调既能制热又能制冷，说明热传递不存在方向性D．由于能的转化过程符合能量守恒定律，所以不会发生能源危机解析：选B因为能量守恒，所以不消耗能量而对外做功的“永动机”是不存在的，故A错误；根据热力学第二定律可知，机械能向内能转化时具有方向性，摩擦生热的过程是不可逆过程，故B正确；热传递在自发进行时有方向性，总是从高温物体传递到低温物体，故C错误；能的转化过程虽然符合能量守恒定律，但是在转化过程中存在着“能量耗散”和“品质降低”，能量向品质低的大气内能转化，不能再重复利用，因此要节约能源，故D错误．二、多项选择题(本题共7小题，每小题3分，共21分．全选对的得3分，选对但不全的得2分，有错选的得0分)9．热现象过程中不可避免地出现能量耗散的现象．所谓能量耗散是指在能量转化的过程中无法把流散的能量重新收集、重新加以利用．下列关于能量耗散的说法中正确的是()A．能量耗散说明能量不守恒B．能量耗散不符合热力学第二定律C．能量耗散过程中能量仍守恒D．能量耗散是从能量转化的角度反映出自然界中的宏观过程具有的方向性解析：选CD能量耗散过程能量仍守恒，但可利用的能源越来越少，这说明自然界中的宏观过程具有方向性，恰恰说明符合热力学第二定律，故C、D选项正确．10．对于孤立体系中发生的实际过程，下列说法中正确的是()A．系统的总熵只能增大，不可能减小B．系统的总熵可能增大，可能不变，还可能减小C．系统逐渐从比较有序的状态向更加无序的状态发展D．系统逐渐从比较无序的状态向更加有序的状态发展解析：选AC在孤立体系中发生的实际过程，其系统的总熵是增加的，它不可能减小，故A正确，B错误；根据熵增加原理，该系统只能是从比较有序的状态向更加无序的状态发展，故C正确，D错误．11．下列说法正确的是()A．只要知道气体的摩尔体积和阿伏加德罗常数，就可以算出气体分子的体积B．悬浮在液体中的固体微粒越小，布朗运动就越明显C．一定温度下，饱和气体的压强是一定的D．第二类永动机不可能制成是因为它违反了能量守恒定律解析：选BC A项可以计算出气体分子所占的空间而不能算出气体分子的体积，故A错误；悬浮颗粒越小，受力越不平衡，布朗运动越明显，故B正确；一定温度下，饱和气体的压强是一定的，故C正确；第二类永动机不可能制成是因为它违反了能量耗散的方向性，故D错误．12．下列关于熵的说法中正确的是()A．熵值越大，意味着系统越“混乱”和“分散”，无序程度越高B．熵值越小，意味着系统越“混乱”和“分散”，无序程度越高C．熵值越大，意味着系统越“整齐”和“集中”，也就是越有序D．熵值越小，意味着系统越“整齐”和“集中”，也就是越有序解析：选AD根据熵的意义可知，熵值越大，意味着系统越“混乱”和“分散”，无序程度越高．熵值越小，意味着系统越“整齐”和“集中”，也就是越有序，选项A、D正确．13．下列说法正确的是()A．扩散现象说明了分子在不停地做无规则运动B．外界对物体做功，物体内能一定增加C．液体与大气接触，表面层内分子间的作用表现为相互吸引D．由热力学第二定律可知热量从温度较低的物体传向高温物体是可能的，从单一热源吸收热量且吸收的热量全部用来对外做功也是可能的解析：选ACD固体、液体、气体都有扩散现象，扩散现象说明了分子在不停地做无规则运动，故A正确；外界对物体做功，若同时物体放出热量，则物体内能不一定增加，故B错误；液体与大气相接触，表面层内分子间距离大于平衡距离，分子间的作用表现为引力，故C正确；根据热力学第二定律可知，热量不可以自发地从低温物体向高温物体传递，从单一热源吸收热量且吸收的热量全部用来对外做功而不引起其他的变化是不可能的，但是在一定的条件下热量从温度较低的物体传向高温物体是可能的，从单一热源吸收热量且吸收的热量全部用来对外做功也是可能的，故D正确．14．下列说法中正确的是()A．用打气筒给自行车打气需用力向下压活塞，这说明气体分子间有斥力B．物体体积增大时，分子间距增大，分子间势能也增大C．热量可以从低温物体传递到高温物体D．对物体做功，物体的内能可能减小E．物体中所有分子的热运动动能的总和叫做物体的内能解析：选CD用打气筒给自行车打气需用力向下压活塞，是气体压强作用的缘故，不是分子力的效果，选项A错误；物体体积增大时，分子间距增大，分子间势能随分子间距的增大而呈现先减后增的趋势，选项B错误；在一定条件下，热量可以从低温物体传递到高温物体，选项C正确；根据热力学第一定律，对物体做功，但是物体向外放热大于外界对物体做功时，物体的内能减小，选项D正确；物体中所有分子的热运动动能和分子势能的总和叫做物体的内能，选项E错误．故选CD.15．关于能源的开发和节约，你认为以下观点正确的是()A．能源是有限的，无节制地利用常规能源，如石油之类，是一种盲目的短期行为B．根据能量守恒定律，担心能源枯竭实在是一种杞人忧天的表现C．能源的开发利用，必须要同时考虑对环境的影响D．和平利用核能是目前开发新能源的一项有效途径解析：选ACD能源是有限的，比如常规能源，所以无节制地利用常规能源是一种盲目的短期行为，故A正确；能量都转化为不能利用或不易利用的能源，所以这样会减少可利用资源的数量，因此应该节约能源，故B错误；能源的开发和利用，必须同时考虑其对生态环境的影响，故C正确；和平利用核能是目前开发新能源的一项有效途径，故D正确．三、非选择题(本题共5小题，共55分)16．(10分)一定质量的理想气体，从初始状态A经状态B、C、D再回到状态A，其体积V与温度T的关系如图所示．图中T A、V A和T D为已知量．(1)从状态A到B，气体经历的是________(填“等温”“等容”或“等压”)过程；(2)从B到C的过程中，气体的内能________(填“增大”“减小”或“不变”)；(3)从C到D的过程中，气体对外________(填“做正功”“做负功”或“不做功”)，同时________(填“吸热”或“放热”)；(4)气体在状态D时的体积V D＝________.解析：(1)由题图可知，从状态A到B，气体体积不变，故是等容变化．(2)从B到C温度T不变，即分子平均动能不变，对理想气体即内能不变．(3)从C到D气体体积减小，外界对气体做正功，W>0，所以气体对外做负功，同时温度降低，说明内能减小，由热力学第一定律ΔU＝W＋Q知气体放热．(4)从D到A是等压变化，由V AT A＝V DT D得V D＝T DT A V A.答案：(1)等容(2)不变(3)做负功放热(4)T D T A V A17．(10分)一位同学为了表演“轻功”，用打气筒给4只相同的气球充以相等质量的空气(可视为理想气体)，然后将它们放置在水平木板上，再在气球的上方平放一块轻质塑料板，如图所示．这位同学慢慢站上轻质塑料板中间位置的过程中，气球一直没有破裂，球内气体温度可视为不变.(1)下列说法正确的是()A．气球内气体的压强是由于气体重力而产生的B．由于该同学压迫气球，球内气体分子间表现为斥力C．气球内气体分子平均动能不变D．气球内气体的体积是所有气体分子的体积之和(2)表演过程中，对球内气体共做了4 J的功，此过程中气球________(填“吸收”或“放出”)的热量是________J．若某气球突然爆炸，则该气球内的气体内能________(填“增加”或“减少”)，温度________(填“升高”或“降低”)．解析：(1)密闭容器内的气体压强是大量气体分子频繁撞击器壁产生，故A 错误；该同学压迫气球，气体分子间距离仍然较大，气体分子间的作用力几乎为零，故B 错误；球内气体温度可视为不变．所以气球内气体分子平均动能不变，故C 正确；气体分子间空隙很大，所以气球内气体的体积远大于所有气体分子的体积之和，故D 错误．(2)表演过程中，球内气体温度可视为不变，说明球内气体内能不变，即ΔU ＝0，对球内气体共做了4 J 的功，即W ＝4 J ，所以此过程中Q ＝－4 J ，即气球放出的热量是4 J ，若某气球突然爆炸，气体对外做功，瞬间无热传递，则该气球内的气体内能减少，温度降低．答案：(1)C (2)放出 4 减少 降低18．(12分)如图所示，内壁光滑的圆柱体汽缸竖直固定在水平地面上，汽缸开口向上，一面积为0.01 m 2的活塞密封了一定的空气，在活塞的上方竖直固定一支架，在支架的O 点通过细线系一质量为m ＝8 kg 的球，球心到O 点的距离为L ＝2 m ．活塞与支架的总质量为M ＝12 kg ，已知当地的重力加速度g ＝10 m/s 2，大气压强p ＝1.00×105 Pa ，汽缸和活塞都是绝热的．现将细线拉直到水平，稳定后由静止释放球，当球第一次运动到最低点时，活塞下降了h ＝0.2 m 且恰好活塞的速度为零，此时细线中的拉力F ＝252 N ．求球由静止释放到第一次运动到最低点的过程中汽缸中的气体增加的内能ΔE .解析：设球在第一次运动到最低点时的速度为v ，根据牛顿第二定律得F －mg ＝m v 2L ，根据热力学第一定律和能量守恒定律可知，球由静止释放到第一次运动到最低点的过程中汽缸中的气体增加的内能ΔE 为ΔE ＝pSh ＋Mgh ＋mg (L ＋h )－12m v 2，联立两式，代入数值得ΔE＝228 J.答案：228 J19．(13分)图中A、B汽缸的长度和截面积分别为30 cm和20 cm2，C是可在B汽缸内无摩擦滑动的、体积不计的活塞，D为阀门．整个装置均由导热材料制成．起初阀门关闭，A内有压强p A＝2.0×105 Pa的氮气．B内有压强p B＝1.0×105 Pa的氧气．阀门打开后，活塞C向右移动，最后达到平衡．(1)求活塞C移动的距离及平衡后B中气体的压强；(2)活塞C移动过程中A中气体是吸热还是放热？简要说明理由．(假定氧气和氮气均为理想气体，连接汽缸的管道体积可忽略)解析：(1)由玻意耳定律：对A部分气体有：p A LS＝p(L＋x)S，对B部分气体有：p B LS＝p(L－x)S，代入相关数据解得：x＝10 cm，p＝1.5×105 Pa.(2)活塞C向右移动的过程中A中气体对外做功，而气体发生等温变化，内能不变，由热力学第一定律W＋Q＝ΔU，可知Q>0，故A中气体从外界吸热．答案：(1)10 cm 1.5×105 Pa(2)吸热理由见解析。