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(共31张PPT)
5　热力学
第二定律
[课标引领]
学习目标要求 核心素养和关键能力
1.知道一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的。 2.知道热力学第二定律的两种表述内容,并能运用该定律解决一些实际问题。 3.了解自然界中的能量转化和转移,知道能量耗散的概念。 1.核心素养
知道传热、扩散现象、机械能与内能的转化具有方向性,了解能量耗散和品质降低的内容,能解释相关现象;通过对热机效率的探讨,揭示热机效率不能达到100%的实质。
2.关键能力
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,提高分析推理能力。
预学智测
·
科学思维
「情境探究」
知识点一　热力学第二定律
电冰箱是一种利用工作物质使热量从低温物体传到高温物体的装置,开机后可以使箱内一定空间内的物体温度低于箱外温度并维持低温状态。
探究:(1)电冰箱“将热量从低温物体传到高温物体”是否违背热力学第二定律
答案:(1)在电冰箱工作中,热量是从低温物体传到高温物体,但这不是自发的过程,这个过程有第三者介入,即压缩机在工作,所以不违背热力学第二定律。
(2)当电冰箱工作足够长的时间关机后,你能确定热量的传递方向吗
答案: (2)能。电冰箱工作足够长的时间其内部温度较低,关机后,热量一定从外界高温空气传向冰箱内。
1.思考判断
(1)热量能自发地从高温物体传给低温物体。(　 　)
(2)热量不能从低温物体传到高温物体。(　 　)
(3)内能不可能完全转化为机械能。(　 　)
(4)一切形式的能量间的相互转化都不具有可逆性。(　 　)
(5)各种形式的能量向内能的转化,是能够自动发生、全额发生的。(　 　)
「科学思维」
√
×
×
×
√
2.(多选)下列关于热力学第二定律的说法正确的是(　 　)
A.所有符合能量守恒定律的宏观过程都能真的发生
B.一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的
C.机械能可以全部转化为内能,而内能无法全部转化成机械能用来做功而不产生其他影响
D.气体向真空的自由膨胀是可逆的
BC
解析:热运动的宏观过程具有一定的方向性,符合能量守恒定律的宏观过程并不都能真的发生,一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的,所以气体向真空的自由膨胀是不可逆的,故B正确,A、D错误;根据热力学第二定律,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,所以机械能可以全部转化为内能,而内能无法全部转化成机械能用来做功而不产生其他影响,故C正确。
知识点二　能源是有限的
「情境探究」
地球上有大量的海水,它的总质量约为1.4×1018 t,有人设想让这些海水的温度降低0.1 ℃,它将放出约5.8×1023 J的热量,若全部用来发电,这相当于
1 800万个功率为100万千瓦的核电站一年的发电量。
探究:(1)这是一件既经济又没有环境污染的事情,这一想法违背能量守恒定律吗
答案:(1)这一设想从能量转化角度是海水的内能转化为电能,并不违背能量守恒定律。
(2)这个设想能成功吗 为什么
答案: (2)不能成功。这是由于不可能将海水释放的热量从海水中取出使之完全变成功,而不产生其他影响。
1.思考判断
(1)能量耗散是指散失在环境中的内能再也不能收集起来被人类利用。
(　 　)
(2)能量耗散导致能量品质的降低。(　 　)
(3)能量总量不会减少,因此能源是无限的资源。(　 　)
×
「科学思维」
√
√
2.关于能量和能源,下列说法正确的是(　 　)
A.能量在转化和转移过程中,其总量有可能增加
B.能量在转化和转移过程中,其总量会不断减少
C.能量在转化和转移过程中总量保持不变,故节约能源没有必要
D.能量的转化和转移具有方向性,且现有可利用的能源有限,故必须节约能源
D
解析:能量在转化和转移过程中,总量是守恒的,但品质会下降,能源会逐步减少,则必须节约能源,故选项A、B、C错误,D正确。
探究重点
·
深化学习
要点一　热力学第二定律及其理解
1.热力学第二定律的两个理解误区
(1)误认为热量只能由高温物体传到低温物体,不能由低温物体传到高温
物体。
热量可以由高温物体传到低温物体,也可以由低温物体传到高温物体;但是,前者可以自发完成,而后者则必须有外界参与。
(2)误认为机械能可以完全转化为内能,而内能不能完全转化为机械能。
机械能可以完全转化为内能,内能也可以完全转化为机械能;但是,前者可以不产生其他影响,而后者一定会产生其他影响。
2.热力学第一定律和热力学第二定律的比较
(1)两个定律的比较。
项目 热力学第一定律 热力学第二定律
区别 是能量守恒定律在热力学中的表现,否定了创造能量和消灭能量的可能性,从而否定了“第一类永动机” 是关于在有限空间和时间内,一切和热现象有关的物理过程、化学过程具有不可逆性的经验总结,从而否定了“第二类永动机”
联系 两个定律分别从不同角度揭示了与热现象有关的物理过程所遵循的规律,二者既相互独立,又相互补充,都是热力学的理论基础 (2)两类永动机的比较。
项目 “第一类永动机” “第二类永动机”
设计 要求 不消耗任何能量,可以不断做功(或只给予很少的能量启动后,可以永远运动下去) 将内能全部转化为机械能,而不引起其他变化(或只有一个热库,实现内能向机械能的转化)
不可能 制成的 原因 违背了能量守恒定律 违背了热力学第二定律
[例1] (多选)根据热力学第二定律,下列说法正确的是(　 　)
A.热量不可能自发地从低温物体传到高温物体
B.热量只能从高温物体向低温物体传递
C.根据热力学第二定律,热机的效率可以达到100%
D.物体从单一热库吸收的热量可全部用于做功
AD
解析:根据热力学第二定律,热量不可能自发地从低温物体传到高温物体,故A项正确;热量能够从低温物体传向高温物体,但要产生其他影响,故B项错误;根据热力学第二定律可知,热机的效率不可能达到100%,故C项错误;根据热力学第二定律,物体从单一热库吸收的热量不能全部用于做功而不产生其他影响,但在产生其他影响的情况下,物体从单一热库吸收的热量可全部用于做功,故D项正确。
[针对训练1] 下列过程可能发生的是(　 　)
A.某种物质从高温热库吸收20 kJ的热量,全部转化为机械能,而没有产生其他任何影响
B.打开一高压密闭容器,其内气体自发逸出后又自发跑进去,恢复原状
C.利用其他手段,使低温物体温度更低,高温物体的温度更高
D.将两瓶不同液体混合,然后它们又自发地各自分开
C
解析:根据热力学第二定律,内能自发地全部转化为机械能是不可能的,A错误;气体膨胀具有方向性,不能自发逸出又自发跑进去,使容器恢复原状,B错误;根据热力学第二定律,热量不可能从低温物体自发地传到高温物体,而不引起其他的变化,但通过一些手段是可以实现的,C正确;扩散现象有方向性,因此不能自发地各自分开,D错误。
[针对训练2] 关于两类永动机和热力学的两个定律,下列说法正确的是
(　 　)
A.“第二类永动机”不可能制成是因为违背了热力学第一定律
B.“第一类永动机”不可能制成是因为违背了热力学第二定律
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从单一热库吸收热量,完全变成功是可能的
D
解析:“第一类永动机”违背能量守恒定律,“第二类永动机”违背热力学第二定律,故A、B错误;由热力学第一定律ΔU=Q+W可知做功不一定改变内能,传热也不一定改变内能,同时做功和传热也不一定会改变内能,故C错误;由热力学第二定律可知从单一热库吸收热量,完全变成功是可能的,但会引起其他变化,故D正确。
要点二　热力学第二定律的微观解释
1.熵是反映系统无序程度的物理量,正如温度反映物体内分子平均动能大小一样,系统越混乱,无序程度越大,这个系统的熵就越大。
2.从微观的角度看,热力学第二定律是一个统计规律,一个孤立系统总是从熵小的状态向熵大的状态发展,而熵值较大代表着较为无序,所以自发的宏观过程总是向无序程度更大的方向发展。
3.对于绝热或孤立的热力学系统而言,所发生的是由非平衡态向着平衡态的变化过程,因此,总是朝着熵增加的方向进行。或者说,一个孤立系统的熵永远不会减少,这就是熵增加原理。
[例2] (多选)下列关于热力学第二定律微观意义的说法正确的是(　 　)
A.从微观的角度看,热力学第二定律是一个统计规律
B.一切自然过程总是沿着分子热运动无序性减小的方向进行
C.有的自然过程沿着分子热运动无序性增大的方向进行,有的自然过程沿着分子热运动无序性减小的方向进行
D.在任何自然过程中,一个孤立系统的总熵不会减少
AD
解析:从热力学第二定律的微观本质看,一切不可逆过程总是沿着大量分子热运动无序程度增大的方向进行,热力学第二定律是一个统计规律,故A正确,B、C错误;在任何自然过程中,一个孤立系统的总熵不会减少,故D正确。
名师点拨
对熵的四点理解
(1)熵的微观意义:熵是系统内分子热运动无序程度的量度。
(2)熵是表示一个系统自由度的物理量。熵越大,表示在这个系统下的自由度越大,可能达到的状态越多。
(3)熵不是守恒的量,在孤立系统中经过一个不可逆过程,熵总是增加的。
(4)熵的本质:熵是体现微观混乱度的量度,混乱度越大,熵值也越大。
要点三　能源和可持续发展
1.能量耗散和品质降低
(1)能量耗散:有序度较高(集中度较高)的能量转化为内能,成为更加分散、无序度更大的能量,分散到环境中无法重新收集起来加以利用的现象。
(2)能量耗散从能量转化的角度反映出自然界中的宏观过程具有方向性。
(3)能量耗散虽然不会使能量的总量减少,但会导致能量品质的降低,它实际上是将能量从高度有用的形式降为不大有用的形式。
2.能源和人类社会发展
(1)常规能源。
①常规能源:煤、石油、天然气。
②对环境的危害。
石油和煤燃烧产生的二氧化碳增加了大气中二氧化碳的含量,产生了“温室效应”。排入大气中的污染物在太阳紫外线照射下发生化学效应,形成二次污染物“光化学烟雾”。煤燃烧时形成的二氧化硫等物质使雨水形成“酸雨”。
(2)开发新能源。
新能源有太阳能、风能、核能、生物质能等,它们的特点是污染少、可再生、资源丰富。
[例3] (多选)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方向性
CD
解析:能量耗散说明能量转化的宏观过程具有方向性,符合热力学第二定律,B错误,D正确;能量耗散过程中,能量并没有消失,能量仍然守恒,A错误,C正确。
[针对训练3] ①摩擦生热,②弹簧振子振动,③传热,④气体自由膨胀,上述现象中能表明物理过程具有单向性的是(　 　)
A.①②和③ B.②③和④
C.①②和④ D.①③和④
D
解析:热现象的物理过程具有单向性,故摩擦生热、传热和气体自由膨胀均表明物理过程具有单向性。故选D。
感谢观看5　热力学第二定律
[课标引领]
学习目标要求 核心素养和关键能力
1.知道一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的。 2.知道热力学第二定律的两种表述内容,并能运用该定律解决一些实际问题。 3.了解自然界中的能量转化和转移,知道能量耗散的概念。 1.核心素养 知道传热、扩散现象、机械能与内能的转化具有方向性,了解能量耗散和品质降低的内容,能解释相关现象;通过对热机效率的探讨,揭示热机效率不能达到100%的实质。 2.关键能力 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,提高分析推理能力。
知识点一　热力学第二定律
情境探究
电冰箱是一种利用工作物质使热量从低温物体传到高温物体的装置,开机后可以使箱内一定空间内的物体温度低于箱外温度并维持低温状态。
探究:(1)电冰箱“将热量从低温物体传到高温物体”是否违背热力学第二定律
(2)当电冰箱工作足够长的时间关机后,你能确定热量的传递方向吗
答案:(1)在电冰箱工作中,热量是从低温物体传到高温物体,但这不是自发的过程,这个过程有第三者介入,即压缩机在工作,所以不违背热力学第二定律。
(2)能。电冰箱工作足够长的时间其内部温度较低,关机后,热量一定从外界高温空气传向冰箱内。
科学思维
1.思考判断
(1)热量能自发地从高温物体传给低温物体。(　√　)
(2)热量不能从低温物体传到高温物体。(　×　)
(3)内能不可能完全转化为机械能。(　×　)
(4)一切形式的能量间的相互转化都不具有可逆性。(　×　)
(5)各种形式的能量向内能的转化,是能够自动发生、全额发生的。(　√　)
2.(多选)下列关于热力学第二定律的说法正确的是(　BC　)
A.所有符合能量守恒定律的宏观过程都能真的发生
B.一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的
C.机械能可以全部转化为内能,而内能无法全部转化成机械能用来做功而不产生其他影响
D.气体向真空的自由膨胀是可逆的
解析:热运动的宏观过程具有一定的方向性,符合能量守恒定律的宏观过程并不都能真的发生,一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的,所以气体向真空的自由膨胀是不可逆的,故B正确,A、D错误;根据热力学第二定律,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,所以机械能可以全部转化为内能,而内能无法全部转化成机械能用来做功而不产生其他影响,故C正确。
知识点二　能源是有限的
情境探究
地球上有大量的海水,它的总质量约为1.4×1018 t,有人设想让这些海水的温度降低0.1 ℃,它将放出约5.8×1023 J的热量,若全部用来发电,这相当于1 800万个功率为100万千瓦的核电站一年的发电量。
探究:(1)这是一件既经济又没有环境污染的事情,这一想法违背能量守恒定律吗
(2)这个设想能成功吗 为什么
答案:(1)这一设想从能量转化角度是海水的内能转化为电能,并不违背能量守恒定律。
(2)不能成功。这是由于不可能将海水释放的热量从海水中取出使之完全变成功,而不产生其他影响。
科学思维
1.思考判断
(1)能量耗散是指散失在环境中的内能再也不能收集起来被人类利用。(　√　)
(2)能量耗散导致能量品质的降低。(　√　)
(3)能量总量不会减少,因此能源是无限的资源。(　×　)
2.关于能量和能源,下列说法正确的是(　D　)
A.能量在转化和转移过程中,其总量有可能增加
B.能量在转化和转移过程中,其总量会不断减少
C.能量在转化和转移过程中总量保持不变,故节约能源没有必要
D.能量的转化和转移具有方向性,且现有可利用的能源有限,故必须节约能源
解析:能量在转化和转移过程中,总量是守恒的,但品质会下降,能源会逐步减少,则必须节约能源,故选项A、B、C错误,D正确。
要点一　热力学第二定律及其理解
1.热力学第二定律的两个理解误区
(1)误认为热量只能由高温物体传到低温物体,不能由低温物体传到高温物体。
热量可以由高温物体传到低温物体,也可以由低温物体传到高温物体;但是,前者可以自发完成,而后者则必须有外界参与。
(2)误认为机械能可以完全转化为内能,而内能不能完全转化为机械能。
机械能可以完全转化为内能,内能也可以完全转化为机械能;但是,前者可以不产生其他影响,而后者一定会产生其他影响。
2.热力学第一定律和热力学第二定律的比较
(1)两个定律的比较。
项目 热力学第一定律 热力学第二定律
区别 是能量守恒定律在热力学中的表现,否定了创造能量和消灭能量的可能性,从而否定了“第一类永动机” 是关于在有限空间和时间内,一切和热现象有关的物理过程、化学过程具有不可逆性的经验总结,从而否定了“第二类永动机”
联系 两个定律分别从不同角度揭示了与热现象有关的物理过程所遵循的规律,二者既相互独立,又相互补充,都是热力学的理论基础
(2)两类永动机的比较。
项目 “第一类永动机” “第二类永动机”
设计 要求 不消耗任何能量,可以不断做功(或只给予很少的能量启动后,可以永远运动下去) 将内能全部转化为机械能,而不引起其他变化(或只有一个热库,实现内能向机械能的转化)
不可能 制成的 原因 违背了能量守恒定律 违背了热力学第二定律
[例1] (多选)根据热力学第二定律,下列说法正确的是(　AD　)
A.热量不可能自发地从低温物体传到高温物体
B.热量只能从高温物体向低温物体传递
C.根据热力学第二定律,热机的效率可以达到100%
D.物体从单一热库吸收的热量可全部用于做功
解析:根据热力学第二定律,热量不可能自发地从低温物体传到高温物体,故A项正确;热量能够从低温物体传向高温物体,但要产生其他影响,故B项错误;根据热力学第二定律可知,热机的效率不可能达到100%,故C项错误;根据热力学第二定律,物体从单一热库吸收的热量不能全部用于做功而不产生其他影响,但在产生其他影响的情况下,物体从单一热库吸收的热量可全部用于做功,故D项正确。
[针对训练1] 下列过程可能发生的是(　C　)
A.某种物质从高温热库吸收20 kJ的热量,全部转化为机械能,而没有产生其他任何影响
B.打开一高压密闭容器,其内气体自发逸出后又自发跑进去,恢复原状
C.利用其他手段,使低温物体温度更低,高温物体的温度更高
D.将两瓶不同液体混合,然后它们又自发地各自分开
解析:根据热力学第二定律,内能自发地全部转化为机械能是不可能的,A错误;气体膨胀具有方向性,不能自发逸出又自发跑进去,使容器恢复原状,B错误;根据热力学第二定律,热量不可能从低温物体自发地传到高温物体,而不引起其他的变化,但通过一些手段是可以实现的,C正确;扩散现象有方向性,因此不能自发地各自分开,D错误。
[针对训练2] 关于两类永动机和热力学的两个定律,下列说法正确的是(　D　)
A.“第二类永动机”不可能制成是因为违背了热力学第一定律
B.“第一类永动机”不可能制成是因为违背了热力学第二定律
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从单一热库吸收热量,完全变成功是可能的
解析:“第一类永动机”违背能量守恒定律,“第二类永动机”违背热力学第二定律,故A、B错误;由热力学第一定律ΔU=Q+W可知做功不一定改变内能,传热也不一定改变内能,同时做功和传热也不一定会改变内能,故C错误;由热力学第二定律可知从单一热库吸收热量,完全变成功是可能的,但会引起其他变化,故D正确。
要点二　热力学第二定律的微观解释
1.熵是反映系统无序程度的物理量,正如温度反映物体内分子平均动能大小一样,系统越混乱,无序程度越大,这个系统的熵就越大。
2.从微观的角度看,热力学第二定律是一个统计规律,一个孤立系统总是从熵小的状态向熵大的状态发展,而熵值较大代表着较为无序,所以自发的宏观过程总是向无序程度更大的方向发展。
3.对于绝热或孤立的热力学系统而言,所发生的是由非平衡态向着平衡态的变化过程,因此,总是朝着熵增加的方向进行。或者说,一个孤立系统的熵永远不会减少,这就是熵增加原理。
[例2] (多选)下列关于热力学第二定律微观意义的说法正确的是(　AD　)
A.从微观的角度看,热力学第二定律是一个统计规律
B.一切自然过程总是沿着分子热运动无序性减小的方向进行
C.有的自然过程沿着分子热运动无序性增大的方向进行,有的自然过程沿着分子热运动无序性减小的方向进行
D.在任何自然过程中,一个孤立系统的总熵不会减少
解析:从热力学第二定律的微观本质看,一切不可逆过程总是沿着大量分子热运动无序程度增大的方向进行,热力学第二定律是一个统计规律,故A正确,B、C错误;在任何自然过程中,一个孤立系统的总熵不会减少,故D正确。
对熵的四点理解
(1)熵的微观意义:熵是系统内分子热运动无序程度的量度。
(2)熵是表示一个系统自由度的物理量。熵越大,表示在这个系统下的自由度越大,可能达到的状态越多。
(3)熵不是守恒的量,在孤立系统中经过一个不可逆过程,熵总是增加的。
(4)熵的本质:熵是体现微观混乱度的量度,混乱度越大,熵值也越大。
要点三　能源和可持续发展
1.能量耗散和品质降低
(1)能量耗散:有序度较高(集中度较高)的能量转化为内能,成为更加分散、无序度更大的能量,分散到环境中无法重新收集起来加以利用的现象。
(2)能量耗散从能量转化的角度反映出自然界中的宏观过程具有方向性。
(3)能量耗散虽然不会使能量的总量减少,但会导致能量品质的降低,它实际上是将能量从高度有用的形式降为不大有用的形式。
2.能源和人类社会发展
(1)常规能源。
①常规能源:煤、石油、天然气。
②对环境的危害。
石油和煤燃烧产生的二氧化碳增加了大气中二氧化碳的含量,产生了“温室效应”。排入大气中的污染物在太阳紫外线照射下发生化学效应,形成二次污染物“光化学烟雾”。煤燃烧时形成的二氧化硫等物质使雨水形成“酸雨”。
(2)开发新能源。
新能源有太阳能、风能、核能、生物质能等,它们的特点是污染少、可再生、资源丰富。
[例3] (多选)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正确的是(　CD　)
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方向性
解析:能量耗散说明能量转化的宏观过程具有方向性,符合热力学第二定律,B错误,D正确;能量耗散过程中,能量并没有消失,能量仍然守恒,A错误,C正确。
[针对训练3] ①摩擦生热,②弹簧振子振动,③传热,④气体自由膨胀,上述现象中能表明物理过程具有单向性的是(　D　)
A.①②和③ B.②③和④
C.①②和④ D.①③和④
解析:热现象的物理过程具有单向性,故摩擦生热、传热和气体自由膨胀均表明物理过程具有单向性。故选D。
素养测练　
基础巩固练
考点一　热力学第二定律及其理解
1.(多选)关于热力学第一定律和热力学第二定律,下列说法正确的是(　ABC　)
A.一定质量的理想气体经历一缓慢的绝热膨胀(对外做功)过程,气体的内能减少
B.气体向真空的自由膨胀是不可逆的
C.“第一类永动机”不可能制成是因为它违背了能量守恒定律
D.热力学第二定律可描述为“不可能使热量由低温物体传递到高温物体”
解析:一定质量的理想气体经历一缓慢的绝热膨胀(对外做功)过程,根据热力学第一定律可知,气体的内能减少,A正确;气体向真空的自由膨胀是不可逆的,B正确;“第一类永动机”不可能制成是因为它违背了能量守恒定律,C正确;热力学第二定律可描述为“不可能使热量由低温物体传递到高温物体而不引起其他变化”,D错误。
2.(多选)如图所示为电冰箱的工作原理示意图。压缩机工作时,强迫制冷剂在冰箱内外的管道中不断循环,在蒸发器中制冷剂汽化吸收箱体内的热量,经过冷凝器时制冷剂液化,放出热量到箱体外。下列说法正确的是(　BD　)
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.电冰箱的工作原理违背了热力学第一定律
D.电冰箱除了将热量从低温热库传到高温热库外,工作过程中所产生的其他一切影响,无论用任何办法都不可能加以消除
解析: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;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,故A错误,B正确;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,故D正确。
考点二　热力学第二定律的微观解释
3.(多选)下列关于熵的观点正确的是(　ABD　)
A.熵越大,系统的无序程度越大
B.对于一个不可逆的绝热过程,其熵增大
C.气体向真空扩散时,熵值减小
D.自然过程中熵总是增加的,是因为通向无序的渠道要比通向有序的渠道多很多
解析:熵是系统内分子热运动无序性的量度,熵越大,其无序程度越大,A正确;不可逆的绝热过程,其宏观态对应的微观态数目增大,其熵会增大,不会减小,B正确;气体向真空中扩散时,无序程度增大,熵值增大,C错误;自然过程中,无序程度较大的宏观态出现的概率较大,因为通向无序的渠道多,D正确。
4.将一条裙子放进死海,3年后成了一件精美的艺术品。其形成原因是海水中的盐不断在衣服表面结晶。根据这一现象,下列说法不正确的是(　D　)
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
解析: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的,会受到环境的影响,是由无序向有序的转变过程,故A、B说法正确;盐溶解是固态变为液态,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的,即熵增加,故C说法正确;孤立系统的熵永不减小,故D说法错误。
考点三　能源和可持续发展
5.下列现象属于能量耗散的是(　D　)
A.利用水能发电获得电能
B.电能通过灯泡中的电阻丝转化为光能
C.电池的化学能转化为电能
D.火炉把房子烤暖
解析:能量耗散是指其他形式的能转化为内能,最终分散在周围环境中无法重新收集起来并加以利用的现象,但电能和光能能够被收集起来并加以利用,不属于能量耗散,故选D。
6.关于能量耗散,下列说法正确的是(　C　)
A.能量耗散是指在一定条件下,能量在转化过程中总量减少了
B.能量耗散表明,能量守恒定律具有一定的局限性
C.能量耗散表明,在能源的利用过程中,能量在数量上并未减少,但在可利用的品质上降低了
D.能量不可能耗散,能量守恒定律反映了自然界中能量转化的宏观过程可以有任意的方向性
解析:能量耗散是指能量在转化过程中扩散到周围环境中无法再收集起来加以利用,满足能量守恒定律,能量在数量上并未减少,但在可利用的品质上降低了;能量耗散反映了自然界中只要涉及热现象的宏观过程都具有方向性。故选C。
7.(温州期中)第19届亚运会开幕式将实体烟花燃放改成电子烟花表演展示,通过数字技术、光学投影等展现烟花绽放场景。以下说法正确的是(　B　)
A.能量在使用过程中总量保持不变,故无须节约用电,可尽情燃放电子烟花
B.不断开发新能源、发展新技术,是缓解能源危机、加强环境保护的重要手段
C.电子烟花技术将电能全部转化为光能和内能,过程中不存在能量耗散
D.相比于实体烟花,使用电子烟花完全无污染
解析:能量在使用过程中虽然总量保持不变,但品质越来越低,即可利用率越来越低,所以必须节约能源,选项A错误;不断开发新能源、发展新技术,是缓解能源危机、加强环境保护的重要手段,选项B正确;电子烟花技术不能将电能全部转化为光能和内能,过程中也存在能量耗散,选项C错误;相比于实体烟花,使用电子烟花污染较少,但也不是完全无污染,选项D错误。
能力提升练
8.如图所示,一演示用的“永动机”转轮由 5根轻杆和转轴构成,轻杆的末端装有形状记忆合金制成的叶片,轻推转轮后,进入热水的叶片因伸展面“划水”,推动转轮转动。离开热水后,叶片形状迅速恢复,转轮因此能较长时间转动。下列说法正确的是(　D　)
A.转轮依靠自身惯性转动,不需要消耗外界能量
B.转轮转动所需能量来自形状记忆合金自身
C.转动的叶片不断搅动热水,水温升高
D.叶片在热水中吸收的热量一定大于在空气中释放的热量
解析:转轮转动的过程中克服摩擦力做功,转轮的速度越来越小,所以要维持转轮转动需要外力做功,转轮转动所需能量不能由转轮自己提供,故A、B错误;转动的叶片不断搅动热水的过程是水对转轮做功的过程,同时水会向四周放出热量,根据热力学第一定律可知水的内能减小,故水温降低,故C错误;根据热力学第二定律,物体不可能从单一热库吸收能量全部用来对外做功而不引起其他变化,故叶片在热水中吸收的热量一定大于在空气中释放的热量,故D正确。
9.(宁波月考)如图所示,两个相通的容器P、Q间装有阀门K,P中充满气体,Q为真空,整个系统与外界没有发生传热。打开阀门K后,P中的气体进入Q中,最终达到平衡,则(　D　)
A.气体体积膨胀,内能减少
B.气体压强增大,内能增加
C.气体分子平均动能增加,内能不变
D.Q中气体不可能自发地全部退回到P中去
解析:打开阀门K后,P中气体进入Q中,由于Q内为真空,气体体积增大时并没有对外做功,分子势能不变,又因为系统与外界没有发生传热,由热力学第一定律可知,其内能不变,温度不变,则气体分子平均动能不变,由理想气体状态方程=C可得,气体压强减小,选项A、B、C错误;由热力学第二定律可知,自然界涉及热现象的宏观过程都具有方向性,则Q中气体不可能自发地全部退回到P中,选项D正确。
10.(多选)利用“涡流效应”可实现冷热气体的分离。如图,一冷热气体分离装置由喷嘴、涡流室、环形管、分离挡板和冷热两端管等构成。高压氮气由喷嘴切向流入涡流室中,然后以螺旋方式在环形管中向右旋转前进,分子热运动速率较小的气体分子将聚集到环形管中心部位,而分子热运动速率较大的气体分子将聚集到环形管边缘部位。气流到达分离挡板处时,中心部位气流与分离挡板碰撞后反向,从A端流出,边缘部位气流从B端流出。下列说法正确的是(　AD　)
A.A端流出的气体分子热运动平均速率一定小于B端流出的
B.A端流出的气体内能一定大于B端流出的
C.该装置气体进出的过程满足能量守恒定律,但违背了热力学第二定律
D.该装置气体进出的过程既满足能量守恒定律,也满足热力学第二定律
解析:分子热运动速率较大的气体分子将聚集到环形管边缘部位,从B端流出,分子热运动速率较小的气体分子将聚集到环形管中心部位,中心部位气流与分离挡板碰撞后反向,从A端流出,即A端流出的气体分子热运动平均速率一定小于B端流出的,选项A正确;由于气体的内能与温度和质量有关,题中不知两端流出气体的质量关系,所以不能判断出两端流出气体的内能关系,选项B错误;该装置将冷热不均的气体进行分离,喷嘴处有高压,即通过外界做功而实现,并非自发进行,不违背热力学第二定律,能量也保持守恒,选项C错误,D正确。
热力学定律　检测试题　　　　　　 　　　　　 　　　　　
一、单项选择题(本题共10小题,每小题4分,共40分。在每小题给出的四个选项中,只有一项是符合题目要求的)
1.根据热力学定律,下列判断正确的是(　D　)
A.我们可以把火炉散失到周围环境中的能量全部收集到火炉中再次用来取暖
B.冰可以融化成水,水也可以结成冰,这个现象违背了热力学第二定律
C.制冷系统能将冰箱内的热量传给外界较高温度的空气,而不引起其他变化
D.利用其他手段,可使低温物体向高温物体传递热量
解析:根据热力学第二定律可知,不能把散失的能量全部收集起来重新加以利用,故A错误;冰融化成水,水结成冰,没有违背热力学第二定律,故B错误;冰箱制冷过程压缩机做功,引起了其他变化,故C错误;根据热力学第二定律,热量不可能从低温物体自发地传递给高温物体,而不引起其他的变化,但通过一些手段是可以实现的,故D正确。
2.下列说法错误的是(　A　)
A.能量耗散说明能量在不断减少
B.热力学第二定律也可以表述为气体向真空的自由膨胀是不可逆的
C.自然发生的传热过程是向着分子热运动无序性增大的方向进行的
D.绝热汽缸中密封的理想气体在被压缩过程中,气体分子热运动剧烈程度增大
解析:能量耗散是指能量的品质下降了,但仍然遵守能量守恒定律,A说法符合题意;热力学第二定律也可以表述为气体向真空的自由膨胀是不可逆的,B说法不符合题意;根据热力学第二定律,自然发生的传热过程是向着分子热运动无序性增大的方向进行的,C说法不符合题意;绝热汽缸中密封的理想气体在被压缩过程中,外界对气体做功,根据热力学第一定律,气体的内能增大,温度升高,气体的平均动能增大,气体分子热运动剧烈程度增大,D说法不符合题意。
3.做功和传热都可以改变物体的内能。下列说法正确的是(　D　)
A.物体对外做功,内能一定减少
B.物体吸收热量,内能一定增加
C.物体吸收热量,同时对外做功,内能一定减少
D.物体放出热量,同时对外做功,内能一定减少
解析:由热力学第一定律ΔU=Q+W知,物体对外做功,如果同时从外界吸收热量,且吸收的热量大于物体对外做的功,则内能增加,故A错误;物体吸收热量,如果同时对外做功,且吸收的热量小于物体对外做的功,则内能减少,故B错误;物体吸收热量,同时对外做功,若吸收的热量大于对外做的功,则内能增加,故C错误;物体放出热量,同时对外做功,则Q<0,W<0,则ΔU<0,内能一定减少,故D正确。
4.给旱区送水的消防车停在水平地面上。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　)
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:缓慢放水过程中,胎内气体压强减小,气体膨胀对外界做正功,选项B错误;胎内气体温度不变,故分子平均动能不变,选项C错误;由于不计分子间势能,气体内能只与温度有关,温度不变,内能不变,选项D错误;由ΔU=Q+W知 ΔU=0,W<0,故Q>0,气体从外界吸热,选项A正确。
5.卡诺循环可用于分析热机的工作过程,卡诺循环包括四个过程:等温膨胀、绝热膨胀、等温压缩、绝热压缩。下列相关说法正确的是(　D　)
A.随着设备的改进和技术的提高,热机效率可能达到100%
B.绝热膨胀和绝热压缩过程中,汽缸内气体的内能保持不变
C.等温压缩过程中,因外界对气体做功,故汽缸内气体内能增大
D.等温膨胀过程中,单位时间内在单位面积上碰撞汽缸壁的分子数减少
解析:由热力学第二定律可知,热机效率不可能达到100%,选项A错误;绝热膨胀和绝热压缩过程中,气体与外界没有热量交换,而气体体积改变,汽缸内气体的内能因做功而改变,选项B错误;等温压缩过程中,温度不变,汽缸内气体内能不变,选项C错误;等温膨胀过程中,温度不变,体积增大,单位体积内分子数目减少,单位时间内在单位面积上碰撞汽缸壁的分子数减少,选项D正确。
6.如图所示为打气筒模型图,在给自行车打气的过程中,首先迅速压下打气筒活塞,当打气筒内气体压强大于某个值时筒内阀门打开,气体开始进入自行车车胎内,反复操作,完成打气过程。设筒内气体在进入车胎前质量不变,气体可以看成理想气体。下列有关筒内气体在进入车胎前的说法正确的是(　A　)
A.迅速压下打气筒活塞过程中筒内气体温度升高
B.迅速压下打气筒活塞过程中筒内气体内能不变
C.压下打气筒活塞过程中筒内气体压强减小
D.压下活塞过程中越来越费力是因为筒内气体分子间一直表现为斥力,并且越来越大
解析:迅速压下打气筒活塞过程中,外界对气体做功,时间短,气体与外界来不及发生传热,气体的内能增加,筒内气体温度升高,故A正确,B错误;压下打气筒活塞过程中筒内气体体积减小且温度升高,则气体压强增大,故C错误;压下活塞过程中越来越费力是因为筒内气体压强越来越大,故D错误。
7.如图所示为气压式升降椅和简易结构切面图,在汽缸和汽缸杆之间封闭一定质量的理想气体,汽缸密封性和导热性良好,忽略一切摩擦。设无人坐升降椅时,汽缸内气体的初始状态为A;有人慢慢地坐到座椅上后,双脚离地,椅面下降,汽缸内气体稳定后的状态为B;空调开启,室内温度下降至某值并保持恒温,汽缸内气体稳定后的状态为C;最后此人离开座椅,汽缸内气体稳定后的状态为D。关于汽缸内气体的描述,下列说法正确的是(　C　)
A.状态A到B,外界对气体做功,气体内能一直增大
B.状态B到C,气体分子热运动的平均动能保持不变
C.状态C到D,气体对外界做功,气体从外界吸收热量
D.状态A与状态D的气体分子热运动的平均动能相等
解析:状态A到B,外界对气体做功,汽缸导热性良好,汽缸内气体温度不变,可知气体内能不变,故A错误;依题意,状态B到C,汽缸内气体温度降低,则气体分子热运动的平均动能也随之减小,故B错误;依题意,状态C到D,气体对外界做功,内能保持不变,由ΔU=Q+W,可知气体从外界吸收热量,故C正确;依题意,状态A与状态D的气体温度不同,所以两个状态下气体分子热运动的平均动能也不相等,故D错误。
8.“水火箭”是同学们喜爱的动手动脑科普玩具,如图所示,被压缩的高压空气膨胀使水从“水火箭”尾部的喷嘴向下高速喷出,饮料瓶受到反作用力而快速上升,短时间内不考虑传热。在此过程中(　A　)
A.气体对外界做功
B.气体的内能全部转化为机械能
C.气体的温度降低,每一个气体分子的速率都将减小
D.单位时间内容器内壁单位面积受到气体分子的撞击次数将增加
解析:“水火箭”的原理为被压缩的高压空气膨胀使水从“水火箭”尾部的喷嘴向下高速喷出,可知此过程中气体对外界做功,故A正确;根据热力学第二定律可知,能量的转化率不可能达到100%,故B错误;根据热力学第一定律可知,在短时间内不考虑传热的情况下,气体对外做功,则气体的内能减小,温度降低,气体分子的平均动能减小,即平均速率减小,而单个气体分子的速率可能增大,可能不变,也可能减小,故C错误;气体对外做功,体积增大,单位体积内的分子数减小,而温度降低又使得气体分子的平均速率减小,气体压强减小,因此单位时间内容器内壁单位面积受到气体分子的撞击次数将减少,故D错误。
9.某偏远山区为了实现供电,自己修建了小型水电站。如图所示,若该发电站蓄水池平均每天蓄水的有效总库容量为786 m3,发电过程中上、下水库平均水位差为64 m。重力加速度g取10 m/s2。下列说法正确的是(　C　)
A.若每天发电40 kW·h,则能源利用效率约为35%
B.发电时下水库出水口的水流速度可达到 36 m/s
C.若蓄水池中水的重力势能全部转化为电能,则每天能发电约139 kW·h
D.平均每天所发电能可供10户居民同时用电(每户居民所用电功率为1.4 kW)约10 h
解析:蓄水池中能用于发电的水的重力势能Ep=mgh=ρVgh=1.0×103×786×10×64 J≈5.0×108 J,则能源利用效率η=×100%=28.8%,A错误;若没有任何阻力,由机械能守恒定律得mgh=mv2,得v== m/s≈36 m/s,由题知,水流下的过程中受到阻力,所以发电时流入下水库的水流速度小于36 m/s,B错误;若蓄水池中能用于发电的水的重力势能全部转化为电能,则每天能发电约E0= kW·h≈139 kW·h,C正确;若重力势能全部转化为电能,平均每天所发电能可供10户居民同时用电时间t=≈10 h,由于能量利用效率不可能达到100%,故可供给10户居民用电时间小于10 h,D错误。
10.热循环的种类很多,其中斯特林循环是一种采用定容下回热的循环,它包含两个等容变化过程和两个等温变化过程,如图所示是一定质量的理想气体在该循环下的pV图像,其中a→b和c→d是等温过程。关于该斯特林循环,下列说法正确的是(　B　)
A.a→b的过程中,气体从外界吸收热量
B.b→c过程气体吸收的热量等于d→a过程气体释放的热量
C.c→d过程中,单个气体分子撞击容器壁的平均作用力增加
D.经历abcda完整的循环过程,气体向外界放出热量
解析:a→b的过程是等温压缩,外界对气体做功,但内能不变,故气体对外放出热量,故A错误;b→c过程和d→a过程都是等容变化,气体不对外界做功,但温度变化又相同,即内能变化量的大小相等,因此b→c过程吸收的热量等于d→a过程放出的热量,故B正确;c→d过程中,由于温度不变,分子平均动能不变,单个气体分子撞击容器壁的平均作用力不变,故C错误;pV图像中图线与横轴所围面积表示气体做功的绝对值,a→b过程外界对气体做的功小于c→d过程气体对外界所做的功,由于一个循环结束后气体温度回到初始状态,即内能不变,故一个循环过程需要吸收热量,故D错误。
二、多项选择题(本题共2小题,每小题4分,共8分。在每小题给出的四个选项中,有多项符合题目要求。全部选对的得4分,选对但不全的得2分,有选错的得0分)
11.下列关于物体内能的说法正确的是(　ABD　)
A.物体内能改变的两种方式是做功和传热,两者在内能的改变上是等效的
B.在有其他影响的情况下,可以把内能全部转化为有用功
C.内能可以由低温物体转移到高温物体而不引起其他变化
D.在内能的转化和转移过程中,虽然存在能量损失,但总能量依然守恒
解析:由热力学第一定律知,改变物体的内能有两种方式,分别为做功和传热,两者在内能的改变上是等效的,故A正确;热力学第二定律指出不可能从单一热库吸收热量使之完全转化为有用功而不产生其他影响,故B正确;内能的转移是通过传热的方式完成的,热力学第二定律指出不可能把热量从低温物体传到高温物体而不产生其他影响,故C错误;能量守恒定律指出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,或者从一个物体转移到别的物体,在转化和转移的过程中,能量的总量不变,故D正确。
12.一定质量的理想气体从状态a开始,经历等温或等压过程ab、bc、cd、da回到原状态,其pT图像如图所示,其中对角线ac的延长线过原点O。下列判断正确的是(　CD　)
A.过程da中气体一定放热
B.过程ab中气体既不吸热也不放热
C.过程bc中外界对气体所做的功小于气体所放出的热量
D.气体在状态a时的内能大于它在状态c时的内能
解析:过程da中,温度升高,则内能增大,即ΔU>0,根据热力学第一定律ΔU=Q+W,可知 Q+W>0,温度升高,压强不变,则体积增大,气体对外界做功,即W<0,则过程da中气体吸热,A错误;过程ab中温度不变,内能不变,则ΔU=0,压强减小,则体积增大,气体对外界做功,根据热力学第一定律ΔU=Q+W可知,气体从外界吸收热量,B错误;过程bc温度降低,则内能减小,即ΔU<0,又压强不变,则体积减小,外界对气体做正功,由ΔU=Q+W,知 Q<0,且|Q|>W,即外界对气体做的功小于气体所放出的热量,C正确;一定质量的理想气体的内能只由温度决定,由题图可知Ta>Tc,所以气体在状态a时的内能大于它在状态c时的内能,D正确。
三、非选择题(本题共6小题,共52分)
13.(4分)如图,汽缸中的气体膨胀时,推动活塞向外运动,若气体对活塞做的功是4×104 J,气体的内能减少了 6×104 J,则在此过程中气体　　　(选填“吸收”或“放出”)的热量是　　　 J。
解析:根据热力学第一定律,有ΔU=Q+W,结合题意,气体对活塞做的功是4×104 J,气体的内能减少了6×104 J,代入数据可得-6×104 J=Q-4×104 J,解得Q=-2×104 J,负号表示气体对外放出热量,放出的热量为2×104 J。
答案:放出　2×104
14.(6分)一定质量的理想气体依次经历三个过程,回到初始状态,该过程可用如图甲所示的pT图像中三条直线a、b、c表示,其中a平行于横轴,b的延长线过坐标原点O,c平行于纵轴,该过程也可用如图乙所示的pV图像表示。整个过程中气体　　　　　　(选填“从外界吸热”或“向外界放热”),图甲中的b过程与图乙中的　　　(选填“d”“e”或“f”)过程对应。
解析:由题图可知,整个过程理想气体的内能不变,而气体对外做功,根据热力学第一定律ΔU=Q+W,又W<0,故可得Q>0,则整个过程中气体从外界吸热。题图甲中的b过程,根据一定质量的理想气体状态方程=C可知,体积不变,故与题图乙中的e过程对应。
答案:从外界吸热　e
15.(8分)如图所示为以二氧化碳气体作为驱动力的玩具手枪,工作原理如下:扣动扳机,气罐中冲出一定量的气体会充满枪管后方容积为 5 mL 的气室,当气室内气体的压强达到2.0×
105 Pa时,就可推动子弹从枪管中飞出。已知枪管后方气室和枪管的容积相同,子弹飞出枪管时间极短,且子弹飞出枪管前的整个过程中不漏气。
(1)气体推动子弹飞出枪管的过程中,气体的内能如何变化
(2)若子弹不匹配,导致和枪管之间的摩擦力过大,使得子弹被缓慢地推向枪口,求子弹刚推到枪口时气体的压强。
解析:(1)该过程非常迅速,来不及和外界进行传热,是一个绝热过程,由热力学第一定律知,气体膨胀对外做功,所以气体的内能减少。
(2)该过程为等温变化,由玻意耳定律可知
p1V1=p2V2,
其中p1=2.0×105 Pa,V1=5 mL,
由枪管后方气室和枪管的容积相同可知V2=2V1=10 mL,
则p2=1.0×105 Pa。
答案:(1)内能减少　(2)1.0×105 Pa
16.(10分)科考队员打算通过气象探测气球进行科研活动。现有一气象探测气球,充有温度为 27.0 ℃的氦气,缓慢上升至海拔6.50 km高空时体积为6.0 m3,在此过程中气球内部因启动一持续加热过程而维持其温度不变。此后停止加热,气球保持高度不变,气球内的氦气温度逐渐减小到此高度处的气温,已知在这一海拔高度气温为-48.0 ℃、大气压强为 0.5×105 Pa,求:
(1)氦气最终的体积。
(2)停止加热后氦气温度逐渐减小的过程中大气对气球做的功。
解析:(1)在停止加热后氦气的温度逐渐从T1=300 K下降到T2=225 K,为等压过程,设最终体积为V2,
根据盖吕萨克定律有=,
代入数据得V2=4.5 m3。
(2)大气对气球做的功为W=-pΔV,
又ΔV=V2-V1,
代入数据得W=7.5×104 J。
答案:(1)4.5 m3　(2)7.5×104 J
17.(11分)如图所示为一汽缸内封闭的一定质量的气体的pV图像,当该系统从状态a沿过程a→c→b到达状态b时,有335 J的热量传入系统,系统对外界做功126 J。
(1)若沿a→d→b过程,系统对外界做功42 J,则有多少热量传入系统
(2)若系统由状态b沿曲线过程返回状态 a时,外界对系统做功84 J,问系统是吸热还是放热 热量传递是多少
解析:(1)沿a→c→b过程,由热力学第一定律得
ΔU=W+Q=(-126+335) J=209 J,
沿a→d→b过程有ΔU=W′+Q′,
Q′=ΔU-W′=[209-(-42)] J=251 J,
即有251 J的热量传入系统。
(2)由a→b,ΔU=209 J,
则由b→a,ΔU′=-ΔU=-209 J,
根据热力学第一定律有
ΔU′=W″+Q″=84 J+Q″,
得Q″=(-209-84) J=-293 J,
负号说明系统放出热量,热量传递为293 J。
答案:(1)251 J　(2)放热　293 J
18.(13分)如图是一个底面积S为10 cm2的圆筒,筒壁、活塞以及内部隔板导热性能均良好。活塞与筒壁间的摩擦忽略不计。当筒内右方压强小于或等于左方时,隔板的阀门会自动关闭,当筒内右方压强大于左方时,隔板的阀门会自动打开。开始时圆筒水平放置,左、右两方的长度均为10 cm,压强均为一个大气压p0=1×105 Pa。现把装置顺时针转动90°使之竖直,活塞下降,稳定后下方长度为12.5 cm。重力加速度g取10 m/s2,气体可视为理想气体,环境温度保持不变。
(1)活塞下降过程,下方气体是吸热还是放热
(2)求此时下方气体的压强大小和活塞的质量。
(3)将活塞缓慢向上推,求活塞刚到达隔板阀门位置时的推力大小。
解析:(1)活塞下降过程,下方气体体积变大,压强减小,阀门关闭,根据热力学第一定律得ΔU=Q+W,
环境温度保持不变,则ΔU=0,
稳定后下方长度为12.5 cm,气体对外做正功,则W<0,
所以Q>0,故活塞下降过程,下方气体吸热。
(2)对下方气体的压强由玻意耳定律得p0LS=pL′S,
L=10 cm,L′=12.5 cm,
解得p=8×104 Pa,
对活塞受力分析得mg+pS=p0S,
解得m=2 kg。
(3)设活塞刚到达隔板阀门位置时气体压强为p′,由玻意耳定律得2p0LS=p′LS,
对活塞列平衡方程得mg+p′S=p0S+F,
联立解得F=120 N。
答案:(1)吸热　(2)8×104 Pa　2 kg　(3)120 N5　热力学第二定律
素养测练　
基础巩固练
考点一　热力学第二定律及其理解
1.(多选)关于热力学第一定律和热力学第二定律,下列说法正确的是(　ABC　)
A.一定质量的理想气体经历一缓慢的绝热膨胀(对外做功)过程,气体的内能减少
B.气体向真空的自由膨胀是不可逆的
C.“第一类永动机”不可能制成是因为它违背了能量守恒定律
D.热力学第二定律可描述为“不可能使热量由低温物体传递到高温物体”
解析:一定质量的理想气体经历一缓慢的绝热膨胀(对外做功)过程,根据热力学第一定律可知,气体的内能减少,A正确;气体向真空的自由膨胀是不可逆的,B正确;“第一类永动机”不可能制成是因为它违背了能量守恒定律,C正确;热力学第二定律可描述为“不可能使热量由低温物体传递到高温物体而不引起其他变化”,D错误。
2.(多选)如图所示为电冰箱的工作原理示意图。压缩机工作时,强迫制冷剂在冰箱内外的管道中不断循环,在蒸发器中制冷剂汽化吸收箱体内的热量,经过冷凝器时制冷剂液化,放出热量到箱体外。下列说法正确的是(　BD　)
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.电冰箱的工作原理违背了热力学第一定律
D.电冰箱除了将热量从低温热库传到高温热库外,工作过程中所产生的其他一切影响,无论用任何办法都不可能加以消除
解析: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;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,故A错误,B正确;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,故D正确。
考点二　热力学第二定律的微观解释
3.(多选)下列关于熵的观点正确的是(　ABD　)
A.熵越大,系统的无序程度越大
B.对于一个不可逆的绝热过程,其熵增大
C.气体向真空扩散时,熵值减小
D.自然过程中熵总是增加的,是因为通向无序的渠道要比通向有序的渠道多很多
解析:熵是系统内分子热运动无序性的量度,熵越大,其无序程度越大,A正确;不可逆的绝热过程,其宏观态对应的微观态数目增大,其熵会增大,不会减小,B正确;气体向真空中扩散时,无序程度增大,熵值增大,C错误;自然过程中,无序程度较大的宏观态出现的概率较大,因为通向无序的渠道多,D正确。
4.将一条裙子放进死海,3年后成了一件精美的艺术品。其形成原因是海水中的盐不断在衣服表面结晶。根据这一现象,下列说法不正确的是(　D　)
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
解析: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的,会受到环境的影响,是由无序向有序的转变过程,故A、B说法正确;盐溶解是固态变为液态,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的,即熵增加,故C说法正确;孤立系统的熵永不减小,故D说法错误。
考点三　能源和可持续发展
5.下列现象属于能量耗散的是(　D　)
A.利用水能发电获得电能
B.电能通过灯泡中的电阻丝转化为光能
C.电池的化学能转化为电能
D.火炉把房子烤暖
解析:能量耗散是指其他形式的能转化为内能,最终分散在周围环境中无法重新收集起来并加以利用的现象,但电能和光能能够被收集起来并加以利用,不属于能量耗散,故选D。
6.关于能量耗散,下列说法正确的是(　C　)
A.能量耗散是指在一定条件下,能量在转化过程中总量减少了
B.能量耗散表明,能量守恒定律具有一定的局限性
C.能量耗散表明,在能源的利用过程中,能量在数量上并未减少,但在可利用的品质上降低了
D.能量不可能耗散,能量守恒定律反映了自然界中能量转化的宏观过程可以有任意的方向性
解析:能量耗散是指能量在转化过程中扩散到周围环境中无法再收集起来加以利用,满足能量守恒定律,能量在数量上并未减少,但在可利用的品质上降低了;能量耗散反映了自然界中只要涉及热现象的宏观过程都具有方向性。故选C。
7.(温州期中)第19届亚运会开幕式将实体烟花燃放改成电子烟花表演展示,通过数字技术、光学投影等展现烟花绽放场景。以下说法正确的是(　B　)
A.能量在使用过程中总量保持不变,故无须节约用电,可尽情燃放电子烟花
B.不断开发新能源、发展新技术,是缓解能源危机、加强环境保护的重要手段
C.电子烟花技术将电能全部转化为光能和内能,过程中不存在能量耗散
D.相比于实体烟花,使用电子烟花完全无污染
解析:能量在使用过程中虽然总量保持不变,但品质越来越低,即可利用率越来越低,所以必须节约能源,选项A错误;不断开发新能源、发展新技术,是缓解能源危机、加强环境保护的重要手段,选项B正确;电子烟花技术不能将电能全部转化为光能和内能,过程中也存在能量耗散,选项C错误;相比于实体烟花,使用电子烟花污染较少,但也不是完全无污染,选项D错误。
能力提升练
8.如图所示,一演示用的“永动机”转轮由 5根轻杆和转轴构成,轻杆的末端装有形状记忆合金制成的叶片,轻推转轮后,进入热水的叶片因伸展面“划水”,推动转轮转动。离开热水后,叶片形状迅速恢复,转轮因此能较长时间转动。下列说法正确的是(　D　)
A.转轮依靠自身惯性转动,不需要消耗外界能量
B.转轮转动所需能量来自形状记忆合金自身
C.转动的叶片不断搅动热水,水温升高
D.叶片在热水中吸收的热量一定大于在空气中释放的热量
解析:转轮转动的过程中克服摩擦力做功,转轮的速度越来越小,所以要维持转轮转动需要外力做功,转轮转动所需能量不能由转轮自己提供,故A、B错误;转动的叶片不断搅动热水的过程是水对转轮做功的过程,同时水会向四周放出热量,根据热力学第一定律可知水的内能减小,故水温降低,故C错误;根据热力学第二定律,物体不可能从单一热库吸收能量全部用来对外做功而不引起其他变化,故叶片在热水中吸收的热量一定大于在空气中释放的热量,故D正确。
9.(宁波月考)如图所示,两个相通的容器P、Q间装有阀门K,P中充满气体,Q为真空,整个系统与外界没有发生传热。打开阀门K后,P中的气体进入Q中,最终达到平衡,则(　D　)
A.气体体积膨胀,内能减少
B.气体压强增大,内能增加
C.气体分子平均动能增加,内能不变
D.Q中气体不可能自发地全部退回到P中去
解析:打开阀门K后,P中气体进入Q中,由于Q内为真空,气体体积增大时并没有对外做功,分子势能不变,又因为系统与外界没有发生传热,由热力学第一定律可知,其内能不变,温度不变,则气体分子平均动能不变,由理想气体状态方程=C可得,气体压强减小,选项A、B、C错误;由热力学第二定律可知,自然界涉及热现象的宏观过程都具有方向性,则Q中气体不可能自发地全部退回到P中,选项D正确。
10.(多选)利用“涡流效应”可实现冷热气体的分离。如图,一冷热气体分离装置由喷嘴、涡流室、环形管、分离挡板和冷热两端管等构成。高压氮气由喷嘴切向流入涡流室中,然后以螺旋方式在环形管中向右旋转前进,分子热运动速率较小的气体分子将聚集到环形管中心部位,而分子热运动速率较大的气体分子将聚集到环形管边缘部位。气流到达分离挡板处时,中心部位气流与分离挡板碰撞后反向,从A端流出,边缘部位气流从B端流出。下列说法正确的是(　AD　)
A.A端流出的气体分子热运动平均速率一定小于B端流出的
B.A端流出的气体内能一定大于B端流出的
C.该装置气体进出的过程满足能量守恒定律,但违背了热力学第二定律
D.该装置气体进出的过程既满足能量守恒定律,也满足热力学第二定律
解析:分子热运动速率较大的气体分子将聚集到环形管边缘部位,从B端流出,分子热运动速率较小的气体分子将聚集到环形管中心部位,中心部位气流与分离挡板碰撞后反向,从A端流出,即A端流出的气体分子热运动平均速率一定小于B端流出的,选项A正确;由于气体的内能与温度和质量有关,题中不知两端流出气体的质量关系,所以不能判断出两端流出气体的内能关系,选项B错误;该装置将冷热不均的气体进行分离,喷嘴处有高压,即通过外界做功而实现,并非自发进行,不违背热力学第二定律,能量也保持守恒,选项C错误,D正确。

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