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第34讲　热力学定律与能量守恒
一、热力学第一定律
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)ΔU＝Q＋W中正、负号法则：
W Q ΔU
＋ 外界对物体做功 物体吸收热量 内能增加
－ 物体对外界做功 物体放出热量 内能减少
二、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另一种形式，或者是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．条件性
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。
3．第一类永动机是不可能制成的，它违背了能量守恒定律。
知识点三、热力学第二定律
1．热力学第二定律的两种表述
(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。或表述为“第二类永动机是不可能制成的”。
2．用熵的概念表示热力学第二定律：在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小。
3．热力学第二定律的微观意义
一切自发过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行。
4．第二类永动机不可能制成的原因是违背了热力学第二定律。
命题点一　热力学第一定律的理解及应用
1．热力学第一定律的理解
不仅反映了做功和热传递这两种方式改变内能的过程是等效的，而且给出了内能的变化量和做功与热传递之间的定量关系．
2．对公式ΔU＝Q＋W符号的规定
符号 W Q ΔU
＋ 外界对物体做功 物体吸收热量 内能增加
－ 物体对外界做功 物体放出热量 内能减少
3.几种特殊情况
(1)若过程是绝热的，则Q＝0，W＝ΔU，外界对物体做的功等于物体内能的增加量．
(2)若过程中不做功，即W＝0，则Q＝ΔU，物体吸收的热量等于物体内能的增加量．
(3)若过程的初、末状态物体的内能不变，即ΔU＝0，则W＋Q＝0或W＝－Q.外界对物体做的功等于物体放出的热量．
（2024 石家庄二模）如图所示，在空的铝制饮料罐中插入一根粗细均匀的透明吸管，接口处用蜡密封，吸管中注入一段长度可忽略的油柱，在吸管上标上温度值，就制作成了一个简易气温计。若外界大气压不变，下列说法正确的是（　　）
A．吸管上的温度刻度分布不均匀
B．吸管上标的温度值由下往上减小
C．温度升高时，罐内气体增加的内能大于吸收的热量
D．温度升高时，饮料罐内壁单位面积、单位时间受到气体分子撞击次数减少
【解答】解：A．气体发生等压变化，由盖吕萨克定律可知，则，即ΔT＝CΔV，因此吸管上的温度刻度值是均匀的，故A错误；
B．若温度升高，气体体积变大，油柱向上移动，则吸管上的温度刻度值由下往上增大，故B错误；
C．气温升高时，气体内能增加，气体体积增大，对外做功，根据热力学第一定律ΔU＝Q+W
气体吸收的热量大于对外做的功，罐内气体增加的内能小于吸收的热量，故C错误；
D．随温度升高，分子产生的平均撞击力变大，而气体发生等压变化，则单位时间内罐内壁单位面积上受到气体分子撞击的次数减小，故D正确。
故选：D。
（2024 泰州模拟）一定质量的理想气体从状态a开始，经a→b、b→c、c→a三个过程后回到初始状态a，其p﹣V图像如图所示。下列判断正确的是（　　）
A．气体在a→b过程中做等温变化
B．气体在b→c过程中内能增加
C．气体在a→b过程和b→c过程对外界做的功相等
D．气体在一次循环过程中会向外界放出热量
【解答】解：A．气体在a→b过程中因pV乘积变大，根据理想气体状态方程pV＝CT可知，温度升高，故A错误；
B．气体在b→c过程中因pV乘积变小，可知温度降低，内能减小，故B错误；
C．在p﹣V图像中，图像与坐标轴围成的面积等于气体对外做功，可知气体在a→b过程和b→c过程对外界做的功相等，故C正确；
D．气体在一次循环过程中从a到b再到c过程对外做功，从c到a过程外界对气体做功，整个过程中气体对外做功，且内能不变，则气体会从外界吸收热量，故D错误。
故选：C。
（2024 海门区校级二模）孔明灯俗称许愿灯，祈天灯，古代多用于军事通讯，而现代人多用于祈福。在灯底部的支架上绑上一块沾有煤油的粗布，点燃后灯内的热空气膨胀，放手后，整个灯冉冉升空，当底部的煤油烧完后又会自动下降。关于孔明灯，下列说法正确的是（　　）
A．点燃后，孔明灯所受浮力增大从而升空
B．点燃后，灯内气体的温度升高，内能增大
C．点燃后升空过程中，灯内气体分子间的平均撞击力增大
D．点燃后升空过程中，灯内气体的压强不变
【解答】解：A、孔明灯是利用热空气上升的原理制成的。点燃后，灯内空气受热膨胀，因而空气的密度变小，比同体积的冷空气轻，而浮力不变，从而升空，故A错误；
B、点燃后，灯内气体的温度升高，气体分子的平均动能增大。灯内空气受热后体积膨胀，灯内气体质量减少，减少量不能确定，所以灯内气体内能的变化不能确定，故B错误；
C、点燃后升空过程中，由于灯内气体的温度升高，气体分子的平均动能增大，所以分子间的平均撞击力增大，故C正确；
D、点燃后升空过程中，在灯底部冷空气向上的压力大于灯内热空气向下的压力，因此灯内气体的压强减小，故D错误。
故选：C。
命题点二　热力学第二定律的理解
1．热力学第二定律的理解
(1)“自发地”指明了热传递等热力学宏观现象的方向性，不需要借助外界提供能量的帮助．
(2)“不产生其他影响”的涵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
热力学第二定律的每一种表述，都揭示了大量分子参与宏观过程的方向性，进而使人们认识到自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性．
特别提醒　热量不可能自发地从低温物体传到高温物体，但在有外界影响的条件下，热量可以从低温物体传到高温物体，如电冰箱；在引起其他变化的条件下内能可以全部转化为机械能，如气体的等温膨胀过程．
3．热力学过程方向性实例：
①高温物体低温物体
②功热
③气体体积V1气体体积V2(较大)
④不同气体A和B混合气体AB
4．两类永动机的比较
第一类永动机 第二类永动机
不需要任何动力或燃料，却能不断地对外做功的机器 从单一热源吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响的机器
违背能量守恒定律，不可能制成 不违背能量守恒定律，但违背热力学第二定律，不可能制成
（2024 江苏模拟）下列说法正确的是（　　）
A．空中的小雨滴呈球形是水的重力作用的结果
B．物体的内能变化时，其温度一定变化
C．电冰箱通电后把冰箱内低温物体的热量传到箱外高温物体，没有违背热力学第二定律
D．春季，柳絮像雪花般在空中飞舞是一种布朗运动
【解答】解：A．液体表面分子间距离大于液体内部分子间的距离，液面分子间表现为引力，空中的小雨滴呈球形是水的表面张力作用的结果，故A错误；
B．物体的内能变化时，其温度不一定变化，例如0℃的冰融化成同温度的水时，故B错误；
C．电冰箱可以把热量从箱内低温物体传到箱外高温物体是在压缩机的作用下导致的，并不是自发的，而是消耗了电能，所以没有违背热力学第二定律，故C正确；
D．布朗运动用肉眼是观察不到的，则春季，柳絮像雪花般在空中飞舞不是一种布朗运动，故D错误。
故选：C。
（多选）（2024 温州二模）下列说法正确的是（　　）
A．大量处于激发态的氢原子可以向外辐射紫外线，也可向外辐射γ射线
B．卢瑟福通过α粒子散射实验提出了原子核式结构模型，也可估算出原子核的大小
C．扩散现象说明组成物质的分子在做永不停息地热运动，也可说明分子间存在空隙
D．从单一热库吸收热量可以自发地全部传递给低温物体，也可以自发地完全变成功
【解答】解：A.大量处于激发态的氢原子可以向外辐射紫外线，不能向外辐射γ射线，故A错误；
B.卢瑟福通过α粒子散射实验提出了原子核式结构模型，也可估算出原子核的大小，故B正确；
C.扩散现象说明组成物质的分子在做永不停息地热运动，也可说明分子间存在空隙，故C正确；
D.根据热力学第二定律，不可能从单一热库吸收热量可以自发地全部传递给低温物体，也不可能自发地完全变成功，故D错误。
故选：BC。
（2023 南京模拟）将一件裙子放进死海，3年后成了一件精美的艺术品（如图）。其形成原因是海水中的盐，不断在衣服表面结晶所产生的。根据这一现象下列说法不正确的是（　　）
A．结晶过程看似是自发的，其实要受到环境的影响
B．结晶过程是无序向有序转变的过程
C．盐在溶解的过程中熵是增加的
D．这件艺术品被精心保存在充满惰性气体的密闭橱窗里，可视为孤立系统，经过很长时间后，该艺术品的熵可能减小
【解答】解：AB．自然界中凡是自发进行的现象都是有效向无序的变化，结晶过程不是自发的，通常是由于水温降低或水的蒸发引起，受到环境的影响，是由无序向有序的转变过程，故AB正确；
C．盐在溶解是固态溶解为氯离子和金属离子，变为盐的溶液，是自发过程，自发过程是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行，即熵增加，故C正确；
D．孤立系统的熵永不减小，总是增大或者不变，故D错误。
本题选错误项。
故选：D。
命题点三　热力学定律与气体实验定律综合问题
（2024 湖州模拟）某同学采用如图装置测量某一不规则实心矿石的体积V，导热良好的气缸上部高L1＝20cm，横截面积S1＝100cm2，下部高L2＝20cm，横截面积S2＝450cm2，质量为m的活塞初始轻放到气缸的顶部，封闭了空气后继续缓慢下落，待平衡后，活塞下表面正好距气缸顶部h1＝10cm。将矿石放入气缸底部，再次封上活塞后，发现最终活塞静止时下表面距气缸顶部h2＝8cm。已知大气压强p0＝1.0×105Pa，活塞气缸紧密接触且不计两者间的摩擦，封闭的空气可视为理想气体，环境温度恒定。
（1）活塞下降过程中，被封闭空气对外做 　 　功（选填“正”或“负”），被封闭空气待温度稳定后，其内能将 　 　（选填“增加”、“减少”或“不变”）；
（2）求活塞的质量m；
（3）求矿石的体积V。
【解答】解：（1）活塞下降过程中，气体体积减小，被封闭空气对外做负功，被封闭空气待温度稳定后，由于气缸导热良好，即温度不变，封闭的空气可视为理想气体，其内能将不变。
（2）对活塞进行分析有
mg+p0S1＝p1S1
气缸导热良好，温度不变，即气体发生的是等温变化，根据玻意耳定律有
p0（L1S1+L2S2）＝p1[（L1﹣h1）S1+L2S2]
解得.
m＝10kg
（3）再次平衡时，对活塞有
mg+p0S1＝p2S1
根据玻意耳定律有.
p0（L1S1+L2S2﹣V）＝p1[（L1﹣h2）S1+L2S2﹣V]
解得
V＝2200cm3
故答案为：（1）负；不变；（2）活塞的质量为10kg；（3）矿石的体积为2200cm3。
（2024 金华二模）“拔火罐”是一种中医的传统疗法，某实验小组为了探究“火罐”的“吸力”，设计了如图所示的实验。圆柱状汽缸（横截面积为S）被固定在铁架台上，轻质活塞通过细线与置于铁架台平面上的重物m相连，将一团燃烧的轻质酒精棉球从缸顶的阀门K处扔到汽缸内，酒精棉球熄灭时关闭阀门K。一段时间后，当活塞下的细线绷紧，且重物对铁架台平面压力刚好为零，此时活塞距缸顶距离为L。汽缸导热性能良好，重物缓慢升高，最后稳定在距铁架台平面处。已知环境温度恒为T0，大气压强恒为p0，重力加速度为g，汽缸内的气体可视为理想气体，活塞厚度忽略不计。
（1）闭合阀门K，重物缓慢升高过程，缸内气体所经历过程为 　 　过程（选填“等温”、“等容”、“等压”），此过程中缸内气体分子平均动能 　 （选填“变大”、“变小”、“不变”）；
（2）求重物对铁架台平面压力刚好为零时，缸内气体的温度T；
（3）若从酒精棉球熄灭到最终稳定的过程中气体放出的热量为Q，求该过程缸内气体内能的变化。
【解答】解：（1）对活塞进行受力分析有
p＝p0
重物缓慢升高过程，缸内气体所经历过程为等压过程；
根据盖—吕萨克定律C可知，气体温度降低，缸内气体分子平均动能变小；
（2）重物缓慢升高过程中，气缸内压强不变，初状态体积未V＝LS，温度为T，末状态体积为V'＝LSLSLS，设温度为T0，根据盖—吕萨克定律可知
解得T
（3）闭开关K，此时活塞下的细线刚好能拉起重物，则p＝p0
外界对气体做功为W＝p，气体放出的热量为Q，根据热力学第一定律有
ΔU＝﹣Q+W，
得ΔU（p0S﹣mg）L﹣Q
故答案为：（1）等压；变小；（2）缸内气体的温度为；（3）该过程缸内气体内能的变化为（p0S﹣mg）L﹣Q
（2024 鹿城区校级模拟）如图所示，一粗细均匀且一端密闭的细玻璃管开口向下竖直放置，管内有一段长为l0＝25.0cm的水银柱，水银柱上方封闭了长度为l1＝14.0cm的理想气体，此时封闭在管内的气体处于状态A，温度TA＝280K。先缓慢加热封闭气体使其处于状态B，此时封闭气体长度为l2＝15.0cm。然后保持封闭气体温度不变，将玻璃管缓慢倒置后使气体达到状态C。已知大气压强恒为p0＝75.0cmHg，求：
（1）判断气体从状态A到状态B的过程是吸热还是放热，并说明理由；
（2）气体处于状态B时的温度TB；
（3）气体处于状态C时的长度l3。
【解答】解：（1）气体从状态A到状态B，温度升高，内能增大，ΔU＞0。气体体积变大，气体对外做功，W＜0。
由热力学第一定律有
ΔU＝Q+W
可知：Q＞0，即气体吸热。
（2）设玻璃管横截面积为S，气体从状态A到状态B的过程为等压变化，由盖—吕萨克定律有
解得：TB＝300K
（3）根据题意，气体处于状态B时，有
pB+ρgl0＝p0
可得：pB＝50cmHg
气体处于状态C时，有
pC＝p0+ρgl0
可得：pC＝100cmHg
气体从状态B到状态C的过程为等温变化，由玻意耳定律有
pBl2S＝pCl3S
解得：l3＝7.5cm
答：（1）气体从状态A到状态B的过程是吸热，理由见解析；
（2）气体处于状态B时的温度TB为300K；
（3）气体处于状态C时的长度l3为7.5cm。
（2024 杭州二模）如图所示，在一个绝热的气缸中，用一个横截面S＝80cm2的绝热活塞A和固定的导热隔板B密封了两份氮气Ⅰ和Ⅱ，氮气Ⅰ、Ⅱ物质的量相等。当氮气I和氮气Ⅱ达到热平衡时，体积均为，氮气I压强为温度为T1＝300K。现通过电热丝缓慢加热，当氮气Ⅱ的温度增加到T2＝450K时停止加热，该过程氮气Ⅱ内能增加了ΔU＝60J，已知大气压活塞A与气缸之间的摩擦不计。
（1）缓慢加热过程中，氮气Ⅰ、氮气Ⅱ具有相同的 　 　（选填“压强”、“体积”或“温度”）。
（2）求活塞A的质量；
（3）求氮气Ⅰ最终的体积；
（4）求氮气Ⅱ从电热丝上吸收的总热量。
【解答】解：（1）隔板B导热，所以缓慢加热过程中，氮气Ⅰ、氮气Ⅱ具有相同的温度；
（2）开始时活塞处于平衡状态，则有：mg+p0S＝p1S
代入数据可得：m＝1.6kg；
（3）氮气Ⅰ、Ⅱ温度始终相等，氮气Ⅰ初始状态体积：V1，温度：T1＝300K
末状态温度：T2＝450K，设氮气Ⅰ最终的体积为V2
由盖﹣吕萨克定律有：
代入数据可得：V2＝720cm3
（3）氮气Ⅰ和氮气Ⅱ升高的温度相等，所以氮气Ⅰ内能增加量ΔU′＝ΔU＝60J
氮气Ⅰ升温过程中压强不变，气体对外界做的功：W＝p1ΔV＝p1（V2﹣V1）
代入数据可得：W＝24.72J
气体对外做功，W应为负值，即W＝﹣24.72J
由热力学第一定律有：ΔU′＝W+Q
代入数据可得：Q＝84.72J
氮气Ⅱ体积不变，所以W′＝0，由热力学第一定律可得氮气Ⅱ吸收的热量Q′＝ΔU＝60J
氮气Ⅱ从电热丝上吸收的总热量Q总＝Q+Q′＝84.72J+60J＝144.72J
答：（1）缓慢加热过程中，氮气Ⅰ、氮气Ⅱ具有相同的温度；
（2）活塞A的质量为1.6kg；
（3）氮气Ⅰ最终的体积为720cm3；
（4）氮气Ⅱ从电热丝上吸收的总热量为144.72J。
（2024 安徽模拟）一定质量的理想气体从状态a开始。第一次经绝热过程到状态b；第二次先经等压过程到状态c，再经等容过程到状态b。p﹣V图像如图所示。则（　　）
A．c→b过程。气体从外界吸热
B．a→c→b过程比a→b过程气体对外界所做的功多
C．气体在状态a时比在状态b时的分子平均动能小
D．气体在状态a时比在状态c时单位时间内撞击在单位面积上的分子数少
【解答】解：A、c→b过程，气体体积不变，即气体发生等容变化过程，气体压强变小，温度降低，故气体的内能减小。该过程气体对外不做功，由热力学第一定律可知气体向外界放热，故A错误；
B、p﹣V图像与横坐标围成的面积表示为气体做功的多少，由图像可知，a→c→b过程比a→b过程气体对外界所做的功多，故B正确；
C、a→b过程为绝热过程，气体体积变大，气体对外做功，由热力学第一定律可知，气体内能减小，温度降低。结合温度是分子平均动能的标志，可知气体在状态a时比在状态b时的分子平均动能大，故C错误；
D、a→c过程，气体的压强不变，温度升高，分子的平均动能变大，平均每次分子撞击容器壁的冲力变大。由气体压强的微观解释可知，在状态a时比在状态c时单位时间内撞击在单位面积上的分子数多，故D错误。
故选：B。
（2024 盐城一模）气压式电脑桌的简易结构如图所示。导热性能良好的汽缸与活塞之间封闭一定质量的理想气体，活塞可在汽缸内无摩擦运动。设气体的初始状态为A，将电脑放在桌面上，桌面下降一段距离后达到稳定状态B，打开空调一段时间后，桌面回到初始高度，此时气体状态为C。下列说法正确的是（　　）
A．从A到B的过程中，内能减小
B．从A到B的过程中，气体会从外界吸热
C．从B到C的过程中，气体分子平均动能增大
D．从B到C的过程中，气体分子在单位时间内对单位面积的碰撞次数变多
【解答】解：AB.因为汽缸导热性能良好，所以从A到B的过程中，气体温度不变，内能不变。但体积减小，外界对气体做了功，由热力学第一定律ΔU＝W+Q知，气体会向外界放热，故AB错误；
C.从B到C的过程中，压强不变，但气体体积增大，故应是温度升高，所以气体分子平均动能增大。气体分子在单位时间内对单位面积的碰撞次数变少，故C正确，D错误。
故选：C。
（2024 朝阳区一模）如图是一定质量的理想气体由状态A经过状态B变为状态C的V﹣T图像。已知气体在状态A时的压强是1.5×105Pa。下列说法正确的是（　　）
A．气体在状态A的温度为200K
B．气体在状态C的压强为3×105Pa
C．从状态A到状态B的过程中，气体的压强越来越大
D．从状态B到状态C的过程中，气体的内能保持不变
【解答】解：ABC、气体质量不变，在V﹣T图像中，AB为过坐标原点的直线，由理想气体状态方程：pV＝C，可T知从状态A到状态B气体做等压变化；
从A到B，根据理想气体状态方程，代入数据，解得：TA＝200K；
从B到C，根据理想气体状态方程，其中pB＝pA＝1.5×105Pa，代入数据，解得：pc＝2×105Pa，故BC错误，A正确；
D、从B到C，气体温度升高，内能增大，故D错误；
故选：A。
（2024 香坊区校级二模）如图所示，导热性能良好的气缸竖直放置，气缸内用轻质活塞封闭了一定质量的理想气体，活塞可沿气缸无摩擦滑动，现往活塞上缓慢增加砂子，当砂子的质量为m1时，活塞下降的高度为h，此过程中气体向外放出的热量为Q1，继续缓慢添加砂子，当砂子的质量为m2时，活塞又下降了高度h，此过程中气体向外放出的热量为Q2，整个过程中环境的气压和温度均保持不变。关于上述各量的关系，下列说法正确的是（　　）
A．m2＝2m1 B．m2＞2m1 C．Q1＝Q2 D．Q1＝2Q2
【解答】解：AB、设初始时气体的压强与外界大气压强均为p0，活塞第一次下降高度h时气体压强为p1，活塞横截面积为S，活塞到气缸底的初始高度为H，则有：
p1S＝m1g+p0S
该过程是等温变化，则有：
p0HS＝p1（H﹣h）S
解得：
设活塞第二次下降高度h时气体压强为p2，则有：
p2S＝m2g+p0S
从活塞第一次下降高度h后到第二次下降高度h的过程，同理有：
p1（H﹣h）S＝p2（H﹣2h）S
解得：，故B正确，A错误；
CD、由于加砂子是缓慢过程，所以气体压强是均匀增加的，活塞第一次下降高度h的过程的平均压强为：
该过程气体的做功为：
由于理想气体温度不变，所以该过程气体内能不变，由热力学第一定律有：
ΔU1＝W1+Q1
解得：
同理，活塞第二次下降高度h的过程的平均压强为：
该过程气体的做功为：
同理，由热力学第一定律有：
ΔU2＝W2+Q2
解得：
可知：Q1≠Q2，Q1≠2Q2，故CD错误。
故选：B。
（2024 辽宁一模）某校物理学科周活动中，出现了不少新颖灵巧的作品。如图所示为高二某班同学制作的《液压工程类作业升降机模型》，通过针筒管活塞的伸缩推动针筒内的水，进而推动支撑架的展开与折叠，完成货物平台的升降。在某次实验中，针筒连接管的水中封闭了一段空气柱（空气可视为理想气体），该同学先缓慢推动注射器活塞将针筒内气体进行压缩，若压缩气体过程中针筒内气体温度不变，装置不漏气，则下列说法中正确的是（　　）
A．针筒内气体压强减小
B．针筒内气体吸热
C．单位时间、单位面积撞击针筒内壁的气体分子数减少
D．用国际单位制单位表示的状态参量在图中图线可能如图中a→b
【解答】解：A．压缩气体过程中针筒内气体温度不变，空气柱体积变小，则压强变大，故A错误；
B．压缩气体过程中针筒内气体温度不变，则气体内能不变，即有ΔU＝0，压缩过程中，气体体积变小，外界对气体做功，即有W＞0，则根据热力学第一定律ΔU＝W+Q可知Q＜0，即针筒内气体放热，故B错误；
C．由于压缩气体过程中针筒内气体温度不变，气柱体积变小，压强变大，则单位时间、单位面积撞击针筒内壁的气体分子数增大，故C错误；
D．由于压缩气体过程中针筒内气体温度不变，空气柱体积变小，压强变大。则根据理想气体状态方程
C
整理可得
p＝TC
可知用国际单位制单位表示的状态参量在p中图线可能如图中a→b，故D正确。
故选：D。
（2024 朝阳区校级模拟）关于质量一定的理想气体，下列说法正确的是（　　）
A．气体温度降低，其压强一定减小
B．气体体积减小，其压强一定增大
C．气体不断被压缩的过程中，其温度一定升高
D．气体与外界不发生热量交换的过程中，其内能也可能改变
【解答】解：A、根据一定质量的理想气体状态方程pV＝CT可知，气体的温度降低，其压强不一定减小，故A错误；
B、根据一定质量的理想气体状态方程pV＝CT可知气体体积减小，其压强不一定增大，故B错误；
C、气体不断被压缩过程中，外界对气体做功，根据热力学第一定律ΔU＝Q+W可知，气体的温度不一定升高，故C错误；
D、气体与外界不发生热量交换的过程中，外界对气体的做功情况未知，则气体的内能可能改变，故D正确；
故选：D。
（2024 琼山区一模）真空轮胎在轮胎和轮圈之间封闭着一定质量的空气。海南夏天天气炎热，胎内气体开始升温，假设此过程胎内气体的体积不变，则此过程中（　　）
A．每个气体分子动能均增大
B．气体对外做功
C．速率大的区间内分子数减少
D．气体压强增大
【解答】解：A、气体的温度升高，气体分子的平均动能增大，但并不是每个气体分子动能都增大，故A错误；
B、气体的体积不变，所以气体不对外做功，故B错误；
C、根据一定质量的理想气体状态方程pV＝CT可知，当气体的温度升高且气体的体积不变时，则气体的温度升高，所以速率大的区间内分子数增加，故C错误；
D、根据一定质量的理想气体状态方程pV＝CT可知，气体的压强增大，故D正确；
故选：D。
（2024 抚顺三模）如图所示的P﹣V图象中，一定质量的理想气体从状态A开始，经过状态B、C、D，最后回到状态A。其中AD和BC平行于OV，AB和CD平行，AB延长线过坐标原点O，下列说法正确的是（　　）
A．A→B过程中，气体的温度不变
B．A→B过程中，气体一定向外界放出热量
C．C→D过程中，单位体积内气体分子数增加
D．C→D过程中，气体一定向外界放出热量
【解答】解：AB、由p﹣V图像可知A→B过程气体的压强和体积均减小，由pV＝CT可知A→B过程气体温度降低，因此分子内能减小；同时该过程气体体积减小，外界对系统做正功，根据热力学第一定律ΔU＝W+Q可知气体一定向外界放出热量，故A错误，B正确；
C、C→D过程体积增大，分子数量保持不变，故气体分子数密度减小，故C错误；
D、由pV＝CT可知C→D过程气体温度升高，气体内能增大，同时由于气体体积增加，外界对气体做负功，即W＜0，根据热力学第一定律ΔU＝W+Q可知气体一定从外界吸收热量，故D错误。
故选：B。
（2024 北京一模）一定质量的理想气体从状态a开始，经历三个过程，先后到达状态b和c，最后回到原状态a，其p﹣T图像如图所示。下列判断正确的是（　　）
A．从状态a到状态b的过程中，气体既不吸热也不放热
B．从状态b到状态c的过程中，气体的内能增加
C．从状态c到状态a的过程中，气体的体积不变
D．a、b和c三个状态中，状态a时分子的平均动能一定最大
【解答】解：A.从状态a到状态b的过程中，气体压强不变，温度升高，内能增加，体积变大，气体对外做功，则根据ΔU＝W+Q，则气体吸热，故A错误；
B.从状态b到状态c的过程中，气体的温度不变，则内能不变，故B错误；
C.根据pV＝CT可知，从状态c到状态a的过程中，气体的体积不变，故C正确；
D.a、b和c三个状态中，状态a时温度最低，可知该状态下分子的平均动能一定最小，故D错误。
故选：C。
（2024 开福区校级模拟）如图所示，圆柱形汽缸内用活塞封闭了一定质量的理想气体，汽缸的高度为l，缸体内底面积为S，缸体重力为G。轻杆下端固定在桌面上，上端连接活塞。活塞所在的平面始终水平。当热力学温度为T0时，缸内气体高为，已知大气压强为p0，不计活塞质量及活塞与缸体的摩擦。现缓慢升温至活塞刚要脱离汽缸。
（1）求初始时气体的压强；
（2）求活塞刚要脱离汽缸时缸内气体的温度；
（3）已知此理想气体的内能跟热力学温度成正比，即U＝kT，k已知，求该过程缸内气体吸收的热量Q。
【解答】解：（1）设缸内气体原来压强为p1，汽缸受力平衡得：p1s＝p0S+G
解得：
（2）发生等压变化，
解得：T1＝3T0
（3）根据气体实验定律，气体发生等压变化，气体对缸做功为：
由热力学第一定律可知，温度升高气体内能变大，得缸内气体内能增量为：ΔU＝3kT0﹣kT0＝Q﹣W
解得：Q
（2024 洛阳一模）如图所示为一超重报警装置示意图，高为L、横截面积为S、质量为m、导热性能良好的薄壁容器竖直倒置悬挂，容器内有一厚度不计、质量为m的活塞，稳定时正好封闭一段长度为的理想气柱。活塞可通过轻绳连接受监测重物，当活塞下降至位于离容器底部位置的预警传感器处时，系统可发出超重预警。已知初始时环境热力学温度为T0，大气压强为p0，重力加速度为g，不计摩擦阻力。
（1）求轻绳未连重物时封闭气体的压强；
（2）求刚好触发超重预警时所挂重物的质量M；
（3）在（2）条件下，若外界温度缓慢降低1%，气体内能减少ΔU0，求气体向外界放出的热量Q。
【解答】解：（1）轻绳未连重物时，对活塞，受到重力和内外气体压力作用，根据平衡条件得：p1S+mg＝p0S
解得：
（2）刚好触发超重预警时，对活塞受力分析得：p2S+（M+m）g＝p0S
由玻意耳定律得：
联立解得：
（3）由盖﹣吕萨克定律得：
其中：
从而解得：V3＝0.99V2
则：
此过程外界对气体做的功为：W＝p2ΔV
由热力学第一定律有：﹣ΔU0＝﹣Q+W
联立可知：
（2023 湖南模拟）长郡中学某实验小组受酒店烟雾报警器原理启发，探究设计了气体报警装置，其原理如图所示。在竖直放置的圆柱形容器内用面积S＝20cm2、质量m＝0.5kg的活塞密封一定质量的理想气体，活塞能无摩擦滑动，整个装置倒贴在水平天花板上，开始时房间的温度为T0＝300K，活塞与容器顶部的距离l0＝15cm，环境温度升高时容器内气体温度也随之升高，在活塞下方d＝1cm处有一压力传感器制成的卡口，当传感器受到压力大于2N时，就会启动报警装置．已知大气压强为1.0×105Pa，重力加速度g取10m/s2。计算结果均保留三位有效数字。
（1）触发报警装置的室温为多少？此过程中气体对外做功为多少？
（2）室内温度升高到刚触发报警装置的过程，气体吸收了3J的热量，则此过程气体的内能改变了多少？
【解答】解：（1）气体的初始压强
报警时压强
由理想气体状态方程得
解得T≈323K
活塞下降至卡口位置过程中，气体经历一个等压膨胀过程，气体对外做功
W外＝p1Sd，解得W外＝1.95J
后面等容变化不做功，所以整个过程气体对外做功为1.95J。
（2）由热力学第一定律ΔU＝W+Q
其中W＝﹣W外＝﹣1.95J，Q＝3J
可得ΔU＝1.05J第34讲　热力学定律与能量守恒
一、热力学第一定律
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)ΔU＝Q＋W中正、负号法则：
W Q ΔU
＋ 外界对物体做功 物体吸收热量 内能增加
－ 物体对外界做功 物体放出热量 内能减少
二、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另一种形式，或者是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．条件性
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。
3．第一类永动机是不可能制成的，它违背了能量守恒定律。
知识点三、热力学第二定律
1．热力学第二定律的两种表述
(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。或表述为“第二类永动机是不可能制成的”。
2．用熵的概念表示热力学第二定律：在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小。
3．热力学第二定律的微观意义
一切自发过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行。
4．第二类永动机不可能制成的原因是违背了热力学第二定律。
命题点一　热力学第一定律的理解及应用
1．热力学第一定律的理解
不仅反映了做功和热传递这两种方式改变内能的过程是等效的，而且给出了内能的变化量和做功与热传递之间的定量关系．
2．对公式ΔU＝Q＋W符号的规定
符号 W Q ΔU
＋ 外界对物体做功 物体吸收热量 内能增加
－ 物体对外界做功 物体放出热量 内能减少
3.几种特殊情况
(1)若过程是绝热的，则Q＝0，W＝ΔU，外界对物体做的功等于物体内能的增加量．
(2)若过程中不做功，即W＝0，则Q＝ΔU，物体吸收的热量等于物体内能的增加量．
(3)若过程的初、末状态物体的内能不变，即ΔU＝0，则W＋Q＝0或W＝－Q.外界对物体做的功等于物体放出的热量．
（2024 石家庄二模）如图所示，在空的铝制饮料罐中插入一根粗细均匀的透明吸管，接口处用蜡密封，吸管中注入一段长度可忽略的油柱，在吸管上标上温度值，就制作成了一个简易气温计。若外界大气压不变，下列说法正确的是（　　）
A．吸管上的温度刻度分布不均匀
B．吸管上标的温度值由下往上减小
C．温度升高时，罐内气体增加的内能大于吸收的热量
D．温度升高时，饮料罐内壁单位面积、单位时间受到气体分子撞击次数减少
（2024 泰州模拟）一定质量的理想气体从状态a开始，经a→b、b→c、c→a三个过程后回到初始状态a，其p﹣V图像如图所示。下列判断正确的是（　　）
A．气体在a→b过程中做等温变化
B．气体在b→c过程中内能增加
C．气体在a→b过程和b→c过程对外界做的功相等
D．气体在一次循环过程中会向外界放出热量
（2024 海门区校级二模）孔明灯俗称许愿灯，祈天灯，古代多用于军事通讯，而现代人多用于祈福。在灯底部的支架上绑上一块沾有煤油的粗布，点燃后灯内的热空气膨胀，放手后，整个灯冉冉升空，当底部的煤油烧完后又会自动下降。关于孔明灯，下列说法正确的是（　　）
A．点燃后，孔明灯所受浮力增大从而升空
B．点燃后，灯内气体的温度升高，内能增大
C．点燃后升空过程中，灯内气体分子间的平均撞击力增大
D．点燃后升空过程中，灯内气体的压强不变
命题点二　热力学第二定律的理解
1．热力学第二定律的理解
(1)“自发地”指明了热传递等热力学宏观现象的方向性，不需要借助外界提供能量的帮助．
(2)“不产生其他影响”的涵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
热力学第二定律的每一种表述，都揭示了大量分子参与宏观过程的方向性，进而使人们认识到自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性．
特别提醒　热量不可能自发地从低温物体传到高温物体，但在有外界影响的条件下，热量可以从低温物体传到高温物体，如电冰箱；在引起其他变化的条件下内能可以全部转化为机械能，如气体的等温膨胀过程．
3．热力学过程方向性实例：
①高温物体低温物体
②功热
③气体体积V1气体体积V2(较大)
④不同气体A和B混合气体AB
4．两类永动机的比较
第一类永动机 第二类永动机
不需要任何动力或燃料，却能不断地对外做功的机器 从单一热源吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响的机器
违背能量守恒定律，不可能制成 不违背能量守恒定律，但违背热力学第二定律，不可能制成
（2024 江苏模拟）下列说法正确的是（　　）
A．空中的小雨滴呈球形是水的重力作用的结果
B．物体的内能变化时，其温度一定变化
C．电冰箱通电后把冰箱内低温物体的热量传到箱外高温物体，没有违背热力学第二定律
D．春季，柳絮像雪花般在空中飞舞是一种布朗运动
（多选）（2024 温州二模）下列说法正确的是（　　）
A．大量处于激发态的氢原子可以向外辐射紫外线，也可向外辐射γ射线
B．卢瑟福通过α粒子散射实验提出了原子核式结构模型，也可估算出原子核的大小
C．扩散现象说明组成物质的分子在做永不停息地热运动，也可说明分子间存在空隙
D．从单一热库吸收热量可以自发地全部传递给低温物体，也可以自发地完全变成功
（2023 南京模拟）将一件裙子放进死海，3年后成了一件精美的艺术品（如图）。其形成原因是海水中的盐，不断在衣服表面结晶所产生的。根据这一现象下列说法不正确的是（　　）
A．结晶过程看似是自发的，其实要受到环境的影响
B．结晶过程是无序向有序转变的过程
C．盐在溶解的过程中熵是增加的
D．这件艺术品被精心保存在充满惰性气体的密闭橱窗里，可视为孤立系统，经过很长时间后，该艺术品的熵可能减小
命题点三　热力学定律与气体实验定律综合问题
（2024 湖州模拟）某同学采用如图装置测量某一不规则实心矿石的体积V，导热良好的气缸上部高L1＝20cm，横截面积S1＝100cm2，下部高L2＝20cm，横截面积S2＝450cm2，质量为m的活塞初始轻放到气缸的顶部，封闭了空气后继续缓慢下落，待平衡后，活塞下表面正好距气缸顶部h1＝10cm。将矿石放入气缸底部，再次封上活塞后，发现最终活塞静止时下表面距气缸顶部h2＝8cm。已知大气压强p0＝1.0×105Pa，活塞气缸紧密接触且不计两者间的摩擦，封闭的空气可视为理想气体，环境温度恒定。
（1）活塞下降过程中，被封闭空气对外做 　 　功（选填“正”或“负”），被封闭空气待温度稳定后，其内能将 　 　（选填“增加”、“减少”或“不变”）；
（2）求活塞的质量m；
（3）求矿石的体积V。
（2024 金华二模）“拔火罐”是一种中医的传统疗法，某实验小组为了探究“火罐”的“吸力”，设计了如图所示的实验。圆柱状汽缸（横截面积为S）被固定在铁架台上，轻质活塞通过细线与置于铁架台平面上的重物m相连，将一团燃烧的轻质酒精棉球从缸顶的阀门K处扔到汽缸内，酒精棉球熄灭时关闭阀门K。一段时间后，当活塞下的细线绷紧，且重物对铁架台平面压力刚好为零，此时活塞距缸顶距离为L。汽缸导热性能良好，重物缓慢升高，最后稳定在距铁架台平面处。已知环境温度恒为T0，大气压强恒为p0，重力加速度为g，汽缸内的气体可视为理想气体，活塞厚度忽略不计。
（1）闭合阀门K，重物缓慢升高过程，缸内气体所经历过程为 　 　过程（选填“等温”、“等容”、“等压”），此过程中缸内气体分子平均动能 　 （选填“变大”、“变小”、“不变”）；
（2）求重物对铁架台平面压力刚好为零时，缸内气体的温度T；
（3）若从酒精棉球熄灭到最终稳定的过程中气体放出的热量为Q，求该过程缸内气体内能的变化。
（2024 鹿城区校级模拟）如图所示，一粗细均匀且一端密闭的细玻璃管开口向下竖直放置，管内有一段长为l0＝25.0cm的水银柱，水银柱上方封闭了长度为l1＝14.0cm的理想气体，此时封闭在管内的气体处于状态A，温度TA＝280K。先缓慢加热封闭气体使其处于状态B，此时封闭气体长度为l2＝15.0cm。然后保持封闭气体温度不变，将玻璃管缓慢倒置后使气体达到状态C。已知大气压强恒为p0＝75.0cmHg，求：
（1）判断气体从状态A到状态B的过程是吸热还是放热，并说明理由；
（2）气体处于状态B时的温度TB；
（3）气体处于状态C时的长度l3。
（2024 杭州二模）如图所示，在一个绝热的气缸中，用一个横截面S＝80cm2的绝热活塞A和固定的导热隔板B密封了两份氮气Ⅰ和Ⅱ，氮气Ⅰ、Ⅱ物质的量相等。当氮气I和氮气Ⅱ达到热平衡时，体积均为，氮气I压强为温度为T1＝300K。现通过电热丝缓慢加热，当氮气Ⅱ的温度增加到T2＝450K时停止加热，该过程氮气Ⅱ内能增加了ΔU＝60J，已知大气压活塞A与气缸之间的摩擦不计。
（1）缓慢加热过程中，氮气Ⅰ、氮气Ⅱ具有相同的 　 　（选填“压强”、“体积”或“温度”）。
（2）求活塞A的质量；
（3）求氮气Ⅰ最终的体积；
（4）求氮气Ⅱ从电热丝上吸收的总热量。
（2024 安徽模拟）一定质量的理想气体从状态a开始。第一次经绝热过程到状态b；第二次先经等压过程到状态c，再经等容过程到状态b。p﹣V图像如图所示。则（　　）
A．c→b过程。气体从外界吸热
B．a→c→b过程比a→b过程气体对外界所做的功多
C．气体在状态a时比在状态b时的分子平均动能小
D．气体在状态a时比在状态c时单位时间内撞击在单位面积上的分子数少
（2024 盐城一模）气压式电脑桌的简易结构如图所示。导热性能良好的汽缸与活塞之间封闭一定质量的理想气体，活塞可在汽缸内无摩擦运动。设气体的初始状态为A，将电脑放在桌面上，桌面下降一段距离后达到稳定状态B，打开空调一段时间后，桌面回到初始高度，此时气体状态为C。下列说法正确的是（　　）
A．从A到B的过程中，内能减小
B．从A到B的过程中，气体会从外界吸热
C．从B到C的过程中，气体分子平均动能增大
D．从B到C的过程中，气体分子在单位时间内对单位面积的碰撞次数变多
（2024 朝阳区一模）如图是一定质量的理想气体由状态A经过状态B变为状态C的V﹣T图像。已知气体在状态A时的压强是1.5×105Pa。下列说法正确的是（　　）
A．气体在状态A的温度为200K
B．气体在状态C的压强为3×105Pa
C．从状态A到状态B的过程中，气体的压强越来越大
D．从状态B到状态C的过程中，气体的内能保持不变
（2024 香坊区校级二模）如图所示，导热性能良好的气缸竖直放置，气缸内用轻质活塞封闭了一定质量的理想气体，活塞可沿气缸无摩擦滑动，现往活塞上缓慢增加砂子，当砂子的质量为m1时，活塞下降的高度为h，此过程中气体向外放出的热量为Q1，继续缓慢添加砂子，当砂子的质量为m2时，活塞又下降了高度h，此过程中气体向外放出的热量为Q2，整个过程中环境的气压和温度均保持不变。关于上述各量的关系，下列说法正确的是（　　）
A．m2＝2m1 B．m2＞2m1 C．Q1＝Q2 D．Q1＝2Q2
（2024 辽宁一模）某校物理学科周活动中，出现了不少新颖灵巧的作品。如图所示为高二某班同学制作的《液压工程类作业升降机模型》，通过针筒管活塞的伸缩推动针筒内的水，进而推动支撑架的展开与折叠，完成货物平台的升降。在某次实验中，针筒连接管的水中封闭了一段空气柱（空气可视为理想气体），该同学先缓慢推动注射器活塞将针筒内气体进行压缩，若压缩气体过程中针筒内气体温度不变，装置不漏气，则下列说法中正确的是（　　）
A．针筒内气体压强减小
B．针筒内气体吸热
C．单位时间、单位面积撞击针筒内壁的气体分子数减少
D．用国际单位制单位表示的状态参量在图中图线可能如图中a→b
（2024 朝阳区校级模拟）关于质量一定的理想气体，下列说法正确的是（　　）
A．气体温度降低，其压强一定减小
B．气体体积减小，其压强一定增大
C．气体不断被压缩的过程中，其温度一定升高
D．气体与外界不发生热量交换的过程中，其内能也可能改变
（2024 琼山区一模）真空轮胎在轮胎和轮圈之间封闭着一定质量的空气。海南夏天天气炎热，胎内气体开始升温，假设此过程胎内气体的体积不变，则此过程中（　　）
A．每个气体分子动能均增大
B．气体对外做功
C．速率大的区间内分子数减少
D．气体压强增大
（2024 抚顺三模）如图所示的P﹣V图象中，一定质量的理想气体从状态A开始，经过状态B、C、D，最后回到状态A。其中AD和BC平行于OV，AB和CD平行，AB延长线过坐标原点O，下列说法正确的是（　　）
A．A→B过程中，气体的温度不变
B．A→B过程中，气体一定向外界放出热量
C．C→D过程中，单位体积内气体分子数增加
D．C→D过程中，气体一定向外界放出热量
（2024 北京一模）一定质量的理想气体从状态a开始，经历三个过程，先后到达状态b和c，最后回到原状态a，其p﹣T图像如图所示。下列判断正确的是（　　）
A．从状态a到状态b的过程中，气体既不吸热也不放热
B．从状态b到状态c的过程中，气体的内能增加
C．从状态c到状态a的过程中，气体的体积不变
D．a、b和c三个状态中，状态a时分子的平均动能一定最大
（2024 开福区校级模拟）如图所示，圆柱形汽缸内用活塞封闭了一定质量的理想气体，汽缸的高度为l，缸体内底面积为S，缸体重力为G。轻杆下端固定在桌面上，上端连接活塞。活塞所在的平面始终水平。当热力学温度为T0时，缸内气体高为，已知大气压强为p0，不计活塞质量及活塞与缸体的摩擦。现缓慢升温至活塞刚要脱离汽缸。
（1）求初始时气体的压强；
（2）求活塞刚要脱离汽缸时缸内气体的温度；
（3）已知此理想气体的内能跟热力学温度成正比，即U＝kT，k已知，求该过程缸内气体吸收的热量Q。
（2024 洛阳一模）如图所示为一超重报警装置示意图，高为L、横截面积为S、质量为m、导热性能良好的薄壁容器竖直倒置悬挂，容器内有一厚度不计、质量为m的活塞，稳定时正好封闭一段长度为的理想气柱。活塞可通过轻绳连接受监测重物，当活塞下降至位于离容器底部位置的预警传感器处时，系统可发出超重预警。已知初始时环境热力学温度为T0，大气压强为p0，重力加速度为g，不计摩擦阻力。
（1）求轻绳未连重物时封闭气体的压强；
（2）求刚好触发超重预警时所挂重物的质量M；
（3）在（2）条件下，若外界温度缓慢降低1%，气体内能减少ΔU0，求气体向外界放出的热量Q。
（2023 湖南模拟）长郡中学某实验小组受酒店烟雾报警器原理启发，探究设计了气体报警装置，其原理如图所示。在竖直放置的圆柱形容器内用面积S＝20cm2、质量m＝0.5kg的活塞密封一定质量的理想气体，活塞能无摩擦滑动，整个装置倒贴在水平天花板上，开始时房间的温度为T0＝300K，活塞与容器顶部的距离l0＝15cm，环境温度升高时容器内气体温度也随之升高，在活塞下方d＝1cm处有一压力传感器制成的卡口，当传感器受到压力大于2N时，就会启动报警装置．已知大气压强为1.0×105Pa，重力加速度g取10m/s2。计算结果均保留三位有效数字。
（1）触发报警装置的室温为多少？此过程中气体对外做功为多少？
（2）室内温度升高到刚触发报警装置的过程，气体吸收了3J的热量，则此过程气体的内能改变了多少？

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