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第十四章　热学
第3讲　热力学定律与能量守恒定律
素养目标　1.能认识物质的运动形式有多种，不同运动形式对应不同形式的能，各种形式的能在一定条件下可以相互转化.（物理观念） 2.认识热力学第一定律、热力学第二定律及两类永动机.（物理观念） 3.理解热力学第一定律与能量守恒定律的关系.（科学思维） 4.能应用热力学第一定律分析有关实际问题.（科学思维）
A. 内能变大 B. 压强变大
C. 体积不变 D. 从水中吸热
解析：恒温水槽内气泡上浮过程中气泡内气体的温度保持不变，内能不变，A错误；气泡内外压强相等，则气泡内气体压强p＝p0＋ρ水gh，随着气泡上浮，水压减小，气泡内气体的压强也减小，B错误；由玻意耳定律pV＝C知，气泡的体积变大，气体对外做功，由热力学第一定律ΔU＝Q＋W知，气体从水中吸热，C错误，D正确.
D
做功　
热量　
Q＋W　
转化　
转移　
转化　
转移　
总量　
普遍规律　
能量守恒定律　
深化1　　热力学第一定律ΔU＝Q＋W
（1）符号法则
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 内能减小
（2）三种特殊情况
过程 含义 内能变化 物理意义
绝热 Q＝0 ΔU＝W 外界对物体做的功等于物体内能的增加
等容 W＝0 Q＝ΔU 物体吸收的热量等于物体内能的增加
等温 ΔU＝0 W＝－Q 外界对物体做的功，等于物体放出的热量
深化2　　温度、内能、热量、功的比较
项目 含义 特点
温度 表示物体的冷热程度，是物体分子平均动能大小的标志，它是大量分子热运动的集体表现，对个别分子来说，温度没有意义 状态量
内能 物体内所有分子动能和势能的总和，它是由大量分子的热运动和分子的相对位置所决定的能 状态量
热量 指在热力学系统与外界之间依靠温差传递的能量，热量是过程量，只能说“吸收”“放出”，不能说“含有”“具有” 过程量
功 做功过程是机械能或其他形式的能和内能之间的转化过程
思维模型　理解热力学第一定律公式并能进行相关的分析计算.
BD
A. 对外做功，体积膨胀
B. 对外不做功，最终压强减小
C. 内能减少，最终温度降低
D. 无序度变大
C
A. 状态a的内能大于状态b
B. 状态c的温度低于状态b
C. a→b过程中气体对外界做功比a→c→b过程做功少
D. c→b过程中气体吸收热量
A. 热量能自发地从低温物体传到高温物体
B. 液体的表面张力方向总是跟液面相切
C. 在不同的惯性参考系中，物理规律的形式是不同的
D. 当波源与观察者相互接近时，观察者观测到波的频率大于波源振动的频率
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，A错误；液体的表面张力方向总是与液面相切，B正确；根据爱因斯坦假设，在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是相同的，C错误；根据多普勒效应可知，当观察者与波源相互接近时，观察者观测到的波的频率大于波源振动的频率，D正确.
BD
自发地　
不产生其他
影响　
第二类　
减小　
无序性　
热力学第二定律　
深化1　　对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.
深化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.
（1）高温物体 低温物体.
（2）功 热.
（3）气体体积V1（较小） 气体体积V2（较大）.
（4）不同气体A和B 混合气体AB.
深化3　　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
思维模型　理解热力学第二定律的两种表述，学会用热力学第二定律解释自然界中的能量转化、转移及方向性问题.
A. 汽车通过燃烧汽油获得动力并向空气中散热
B. 冷水倒入保温杯后，冷水和杯子的温度都变得更低
C. 某新型热机工作时将从高温热源吸收的热量全部转化为功，而不产生其他影响
D. 冰箱的制冷机工作时从冰箱内低温环境中提取热量散发到温度较高的室内
B　
C　
解析：燃烧汽油产生的内能一方面向机械能转化，同时向空气转移，既不违背热力学第一定律，也不违背热力学第二定律；冷水倒入保温杯后，冷水和杯子的温度都变得更低，需要对外做功或对外放出热量，而保温杯隔断了传热过程，水也没有对外做功，故违背热力学第一定律；某新型热机工作时将从高温热源吸收的热量全部转化为功，必然产生其他影响，故违背热力学第二定律；制冷机消耗电能工作时从冰箱内低温环境中提取热量散发到温度较高的室内，发生了内能的转移，同时对外界产生了影响，既不违背热力学第一定律，也不违背热力学第二定律.
角度2　热力学定律与气体实验定律的综合应用
AC
A. 气体并没有对外做功，气体内能不变
B. B中气体可自发地全部退回到A中
C. 气体温度不变，体积增大，压强减小
D. 气体体积膨胀，对外做功，内能减小
解析：气体自由扩散，没有对外做功，又因为整个系统与外界没有热交换，根据ΔU＝W＋Q可知内能不变，故A正确，D错误；根据熵增加原理可知一切宏观热现象均具有方向性，故B中气体不可能自发地全部退回到A中，故B错误；因为内能不变，故温度不变，因为气闸舱B内为真空，故扩散后气体体积V增大，根据玻意耳定律有pV＝C（定值），可知p减小，故C正确.
A. bc过程外界对气体做功
B. ca过程气体压强不变
C. ab过程气体放出热量
D. ca过程气体内能减小
AC
深化1　　一定质量理想气体不同图像的比较
过程 图像类别 图像特点 图像示例
等温
过程 p－V pV＝CT（其中C为常量），即p、V之积越大，温度越高，等温线离原点越远
过程 图像类别 图像特点 图像示例
等容
过程 p－T
等压
过程 V－T
深化2　　做功、传热和内能变化的判断方法
（1）做功情况看体积
体积V减小→外界对气体做功→W＞0；
体积V增大→气体对外界做功→W＜0；
无阻碍地自由膨胀→W＝0.
（2）内能变化看温度
温度T升高→内能增加→ΔU＞0；
温度T降低→内能减少→ΔU＜0.
（3）吸热还是放热，一般题目中会告知，或由热力学第一定律ΔU＝Q＋W，知道W和ΔU后确定Q.
角度1　p－V图像与热力学定律的综合应用
C
A. 自状态A至状态B，气体的温度不变
B. 气体在状态B时的内能为3U0
C. 自状态A至状态B，气体吸收的热量为8U0＋4p0V0
D. 自状态A至状态B，再至状态C，气体吸收的热量比放出的热量多2U0
BD
A. 气体在C、D状态下的压强关系为pC＜pD
B. 气体在A、B状态下的压强关系为pA＝pB
C. 气体在B→C的过程中对外做功，内能减少
D. 气体在D→A的过程中放出热量
解析：由题图可知，气体从状态C到状态D的过程中体积不变，温度降低，由查理定律可知，气体压强减小，即pC＞pD，A错误.从A→B的V－t图线的反向延长线与t轴的交点坐标为（－273.15 ℃，0），可知气体由状态A到状态B发生等压变化，即pA＝pB，B正确.由题图可知，气体在B→C的过程中，温度不变，体积变大，可知气体的内能不变，气体对外做功，C错误.气体在D→A的过程中，温度降低，内能减少，体积减小，外界对气体做功，由热力学第一定律可知气体放出热量，D正确.
限时跟踪检测
A级·基础对点练
题组一　热力学第一定律
A. 气泡内气体对外界做功
B. 气泡内每个气体分子的动能都变大
C. 气泡内气体从外界吸收热量
D. 气泡内气体的压强可能不变
AC
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A. 压强增大 B. 压强不变
C. 吸热 D. 放热
C
解析：水逐渐流出的过程中，瓶内封闭气体的体积逐渐增大，由玻意耳定律pV＝C（常量）可知，封闭气体的压强逐渐减小，A、B错误；瓶内封闭气体温度不变，则其内能不变，即ΔU＝0，又瓶内封闭气体的体积增大，气体对外界做功，即W＜0，根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q可知Q＞0，则瓶内封闭气体从外界吸收热量，C正确，D错误.
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A. 第二类永动机不可能制成是因为违反了热力学第一定律
B. 第一类永动机不可能制成是因为违反了热力学第二定律
C. 由热力学第一定律可知做功不一定改变内能，传热也不一定改变内能，但同时做功和传热一定会改变内能
D. 由热力学第二定律可知热量从低温物体传向高温物体是可能的，从单一热源吸收热量，完全变成功也是可能的
D
解析：第一类永动机违反能量守恒定律，第二类永动机违反热力学第二定律，A、B错误；由热力学第一定律可知W≠0，Q≠0，但ΔU＝W＋Q可以等于0，C错误；由热力学第二定律可知D中现象是可能的，但会引起其他变化，D正确.
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A. 热量可以自发地从冰箱内传到冰箱外
B. 电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界，是因为其消耗了电能
C. 电冰箱的工作原理不违反热力学第一定律
D. 电冰箱的工作原理违反热力学第一定律
BC
解析：由热力学第二定律可知，热量不能自发地从低温物体传到高温物体，除非有外界的影响或帮助，电冰箱把热量从低温的内部传到高温的外部，需要压缩机的帮助并消耗电能，故B正确，A错误；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正确，D错误.
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题组三　热力学定律与气体实验定律的综合应用
A. a→b过程，气体内能不变，不与外界发生传热
B. b→c过程，气体分子单位时间内与器壁单位面积上的碰撞次数不变
C. c→d过程，气体从外界吸收的热量大于气体内能的增加量
D. a→b→c→d→e→a整个过程， 气体放出的热量大于吸收的热量
C
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A. A→C过程气体吸收的热量大于对外做的功
B. A→C的过程中，气体分子的平均动能一直减小
C. 气体在A状态的内能等于在C状态的内能
D. A→C过程气体吸收的热量等于A→B→C过程气体吸收的热量
C
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解析：A→C的过程中，由热力学第一定律有ΔUAC＝QAC＋WAC，由于A、C处于同一条等温线上，所以TA＝TC，气体在A状态的内能等于在C状态的内能，即ΔUAC＝0，由气体体积增大知WAC＜0，因此可得QAC＞0，QAC＝｜WAC｜，此过程中气体吸收的热量等于对外做的功，故A错误，C正确；根据A→C的过程中等温线的变化可知，气体温度先升高后降低，则气体分子的平均动能先增大后减小，故B错误；A→B→C过程，有ΔUABC＝QABC＋WABC，ΔUABC＝0，QABC＝｜WABC｜，由p－V图像与横轴所围的面积表示气体对外做的功可知｜WABC｜＞｜WAC｜，得到QABC＞QAC，故D错误.
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A. 状态A→B的过程气体吸热
B. 状态A的气体压强为1.0×105 Pa
C. 状态B→C过程是等压变化
D. 状态B→C过程气体对外做功200 J
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B级·能力提升练
A. 从外界吸收热量
B. 压强变大
C. 分子平均动能变大
D. 内能变大
A
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解析：喷水的过程中，气体的体积变大，对外做功，W＜0，温度保持不变即内能不变，根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q可知，Q＞0，即气体从外界吸收热量，A正确，D错误.气体发生等温变化，体积膨胀，根据玻意耳定律可知压强减小，B错误.温度是分子平均动能的标志，气体温度保持不变，则分子平均动能不变，C错误.
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9. 如图所示，测定一个形状不规则小块固体体积，将此小块固体放入已知容积为V0的导热效果良好的容器中，开口处竖直插入两端开口的薄玻璃管，其横截面积为S，接口用蜡密封.容器内充入一定质量的理想气体，并用质量为m的活塞封闭，活塞能无摩擦滑动，稳定后测出气柱长度为l1.将此容器放入热水中，活塞缓慢竖直向上移动，再次稳定后气柱长度为l2、温度为T2.已知S＝4.0×10－4 m2，m＝0.1 kg，
l1＝0.2 m，l2＝0.3 m，T2＝350 K，V0＝2.0×10－4 m3，大气压强p0＝1.0×
105 Pa，环境温度T1＝300 K.
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不变　
变小　
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（2）求此不规则小块固体的体积V；
答案：（2）4×10－5 m3
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（3）若此过程气体内能增加10.3 J，求吸收热量Q.
答案：（3）14.4 J
解析：（3）此过程气体内能增加10.3 J，即ΔU＝10.3 J
外界对气体做的功W＝－pΔV＝－pS（l2－l1）
对活塞，根据平衡条件有p0S＋mg＝pS
根据热力学第一定律有ΔU＝Q＋W
联立并代入数据解得Q＝14.4 J.
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（1）求活塞上升过程中左侧缸内气体的压强；
答案：（1）1.075×105 Pa　
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（2）求断开电源时气体升高的温度；
答案：（2）100 K
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（3）求稳定后整个过程中气体吸收的热量.
答案：（3）293.5 J
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