资源简介

(共52张PPT)
第十四章
热学
第4讲　热力学定律与能量守恒定律
内容索引
学习目标
核心体系
活动方案
学 习 目 标
1．理解热力学第一定律，会解决与气体实验定律相结合的综合问题.2．理解能量守恒定律，能用能量守恒的观点解释自然现象. 3．通过自然界中宏观过程的方向性，了解热力学第二定律．
核 心 体 系
活 动 方 案
活动一　理解热力学第一定律
[2026南通海门调研]在深海中的潜水员看到呼出的气泡快速上升，若气泡在上升过程中的质量不变，则下列说法正确的是(　 　)
A．气体对液体不做功 B．液体对气体做正功
C．气泡的内能减小 D．气泡受到的浮力不变
1
C
【解析】 气泡从水下几米深处快速上升到水面过程中，气泡内气体的压强为p＝p0＋ρgh，气泡所处液面的高度减小，则气泡受到的液体压强逐渐减小，气泡内部压强大于外部压强，气泡会膨胀，体积增大，会推动周围的液体，因此气体对液体做正功，液体对气体做负功，故A、B错误；气泡快速上升过程中，质量不变，气体与外界来不及实现热交换，Q＝0，因气泡膨胀对外做功，W<0，由热力学第一定律ΔU＝Q＋W可知，ΔU<0，即气泡的内能减小，故C正确；气泡上升时V排变大，但海水的ρ液和g均不变，由F浮＝ρ液gV排可知气泡受到的浮力变大，故D错误．
[2025泰州模拟]如图所示，一个固定的绝热容器被隔板K分成A、B两室，已知A内有一定质量的理想气体，B内为真空．抽开隔板K，最终达到平衡状态，该过程中(　 　)
A．气体对外界做功
B．气体的温度不变
C．每个气体分子的速率都减小
D．单位时间单位面积气体分子与容器撞击的次数变多
2
B
【解析】 由于B内为真空，当抽开隔板K后，气体扩散，不做功，且由于为绝热系统，根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q可知气体内能不变，气体温度不变，故A错误，B正确；由于气体温度不变，气体分子平均动能不变，气体分子的平均速率不变，对个别气体分子的速率无法判断，气体体积变大，气体密度减小，根据压强微观意义可知，单位时间内单位面积上碰撞器壁的分子数减小，则单位时间单位面积气体分子与容器撞击的次数变少，故C、D错误．
热力学第一定律的理解
热力学第一定律的内容：一个热力学系统的内能变化量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和．
(1) 公式ΔU＝Q＋W符号的意义．
符号 W Q ΔU
＋ 外界对物体做功 物体________热量 内能________
－ 物体对外界做功 物体________热量 内能________
吸收
增加
放出
减少
①做功看体积：体积增大，气体对外做功，W为负；体积缩小，外界对气体做功，W为正．气体向真空中自由膨胀，对外界不做功，W＝0.
②理想气体无分子势能，一定质量的理想气体的内能只取决于温度，与体积无关．分析理想气体的内能，只需分析气体的温度，温度升高，内能增大；温度降低，内能减小．
(2) 三种特殊情况．
①绝热：没有传热(Q＝0)．
②自由膨胀：气体不对外做功(W＝0)．
③等容：体积不变，不做功(W＝0)．
④等温：分子平均动能不变，理想气体内能不变(理想气体ΔU＝0)．
⑤等压，体积变化ΔV：做功W＝pΔV.
1. 做功与热传递在改变内能的效果上是相同的，但是从运动形式、能量转化的角度上看是不同的．做功是其他形式的运动和热运动的转化，是其他形式的能与内能之间的转化；而热传递则是热运动的转移，是内能的转移．
2. 温度、内能、热量、功的比较．
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
含义 特点
内能 (热能) 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 是热传递过程中内能的改变量，热量用来量度热传递过程中内能转移的多少，只能说“吸收”或“放出”
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 过程量
　　　　压缩空气储能是一种新型储能技术，其中涉及了空气的绝热膨胀和等温压缩过程，对一定质量的理想气体，下列说法正确的是(　 　)
A．绝热膨胀过程，气体的内能增大
B．绝热膨胀过程，外界对气体做功
C．等温压缩过程，气体的压强不变
D．等温压缩过程，气体的内能不变
1
D
【解析】 绝热膨胀过程，理想气体与外界没有热量的交换，即Q＝0，理想气体对外界做功，即W<0，由热力学第一定律ΔU＝W＋Q，可知ΔU<0，即气体的内能减小，故A、B错误；等温压缩过程，由玻意耳定律pV＝C，可知气体的压强变大，故C错误；等温压缩过程，气体的温度保持不变，则内能不变，故D正确．
　　　　[2025江苏卷]如图所示，取装有少量水的烧瓶，用装有导管的橡胶塞塞紧瓶口，并向瓶内打气．当橡胶塞跳出时，瓶内出现白雾．橡胶塞跳出后，瓶内气体(　 　)
A．内能迅速增大
B．温度迅速升高
C．压强迅速增大
D．体积迅速膨胀
2
D
　　　　如图甲所示，某同学在做实验时发现上端封闭、下端开口的竖直玻璃管内，有两段水银柱封闭了两段空气柱，轻弹玻璃管，使两段空气合在一起，变成如图乙所示的情景，过程中没有漏气，也没有水银流出，且温度不变．则下列说法正确的是(　 　)
A．气体总体积不变
B．气体的压强增大
C．气体对外界做功
D．气体放出了热量
3
甲
乙
C
【解析】 在此过程中，上端封闭气体压强不变、温度不变，体积不变；下端封闭气体上移后，压强减小，温度不变，体积变大，推动水银柱向下运动，气体对外界做功，由于温度不变，气体从外界吸热，C正确，A、B、D错误．
活动二　理解能量守恒定律与热力学第二定律
一、能量守恒定律
关于能量和能源，下列说法正确的是(　 　)
A．在能源利用的过程中，能量在数量上并未减少
B．由于自然界中总的能量守恒，所以不需要节约能源
C．能量耗散说明能量在转化过程中不断减少
D．人类在不断地开发和利用新能源，所以能量可以被创造
3
【解析】 根据能量守恒定律可知，在能源使用过程中，能量在数量上并未减少，故A正确，C错误；虽然自然界中的总能量不会减少，但是能源的品质会降低，无法再利用，故还需要节约能源，故B错误；根据能量守恒可知，能量不会被创造，也不会消失，故D错误．
A
能量守恒可以从两方面理解：
(1) 某种形式的能减少，一定有其他形式的能增加，且减少量和增加量一定相等．
(2) 某个物体的能量减少，一定存在其他物体的能量增加，且减少量和增加量一定相等．
　　　　 如图所示，密闭绝热容器内有一绝热的具有一定质量的活塞，活塞的上部封闭着气体，下部为真空，活塞与器壁的摩擦忽略不计．置于真空中的轻弹簧的一端固定于容器的底部，另一端固定在活塞上，弹簧被压缩后用绳扎紧，此时弹簧的弹性势能为Ep(弹簧处在自然长度时的弹性势能为零)．现绳突然断开，弹簧推动活塞向上运动，经过多次往复运动后活塞静止，气体达到平衡态．经过此过程(　 　)
4
A．Ep全部转换为气体的内能
B．Ep一部分转换成活塞的重力势能，其余部分仍为弹簧的弹性势能
C．Ep全部转换成活塞的重力势能和气体的内能
D．Ep一部分转换成活塞的重力势能，一部分转换为气体的内能，其余部分仍为弹簧的弹性势能
D
【解析】 依题可知，断开绳子，活塞最终静止后的位置高于初始位置，Ep的能量转化有三种形式：活塞的重力势能、气体的内能及弹簧的弹性势能，故D正确．
二、热力学第二定律
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，内能也可以全部用来做功而转化成机械能
D．气体向真空的自由膨胀是可逆的
4
B
【解析】 符合能量守恒定律，但违背热力学第二定律的宏观过程不能发生，A错误；一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的，B正确；机械能可以全部转化为内能，但内能无法全部用来做功而转化成机械能，C错误；气体向真空的自由膨胀是不可逆的，D错误．
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. 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．
3. 热力学过程方向性实例
1. 在热力学第二定律的表述中，“自发地”“不产生其他影响”的含义．
(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”的含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. 两类永动机的比较．
分类 第一类永动机 第二类永动机
设计要求 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
不可能制 成的原因 违背能量守恒 不违背能量守恒，违背热力学第二定律
　　　　[2025连云港期末]下列现象违背热力学第二定律的是(　 　)
A．一杯热茶自然放置，慢慢变凉
B．桶中混浊的泥水在静置一段时间后，泥、水自动分离
C．一滴红色颜料滴进一杯清水中，整杯水将均匀地变红
D．蒸汽机把蒸汽的内能全部转化成机械能，效率达100%
5
D
【解析】 热茶自然变凉是热量自发地从高温物体传递到低温环境，符合热力学第二定律的表述，故A错误．泥水静置后分离是重力作用下颗粒沉降的过程，系统总熵可能因势能转化为热能而增加，不违背热力学第二定律，故B错误．颜料扩散是分子热运动导致的自发熵增过程，符合热力学第二定律，故C错误．热机效率达100%意味着所有内能完全转化为机械能而无其他影响，违背热力学第二定律中的“不可能从单一热源吸热全部做功而不引起其他变化”的表述，故D正确．
活动三　分析热力学定律与气体实验定律的综合问题
一、热力学第一定律与气体实验定律的综合问题
[2025南师附中模拟]某课外兴趣小组用试管制作温度计．把上端A封闭、下端B开口的玻璃管插入水中，放掉适当的空气后放手，让玻璃管竖直地浮在水中，A端露出水面，如图所示．室温为T0时，水面上方空气柱长度为x0，水面下方空气柱长度为h.室温缓慢升高至Tx时，水面以上空气柱长度变为x.已知空气柱横截面积为S，大气压强为p0，水的密度为ρ，重力加速度为g，试管足够长且保持竖直．
5
(1) 求x随Tx变化的关系式；
(2) 已知升温过程中气体内能增加了ΔU，求气体吸收的热量Q.
1. 求解气体实验定律与热力学定律的综合问题的通用思路．
2. 五个相关方程．
(1) 玻意耳定律(等温变化)：____________.
(2) 查理定律(等容变化): __________.
(3) 盖－吕萨克定律(等压变化)：__________.
(4) 理想气体状态方程：___________.
(5) 热力学第一定律：________________.
pV＝C
ΔU＝Q＋W
　　　　如图所示，开口向上、内壁光滑的绝热汽缸竖直放置，卡口离缸底的高度h＝0.1 m．质量M＝20 kg的活塞停在卡口处，活塞的横截面积S＝1×10－2 m2，缸内气体温度t1＝27 ℃，压强p1＝0.9×105 Pa.现通过电热丝缓慢加热缸内气体．已知外界大气压强p0＝1×105 Pa，取重力加速度g＝10 m/s2.
6
(1) 活塞刚要离开卡口时，求气体的热力学温度T2；
(2) 活塞离开卡口后继续上升了H＝0.1 m，此过程中气体吸收了Q＝320 J的热量，求此过程中气体内能的变化量ΔU.
当活塞刚要离开卡口时，根据受力分析则有p2S＝p0S＋Mg，
联立解得p2＝1.2×105 Pa，T2＝400 K.
(2) 活塞离开卡口上升过程中，是等压变化，故气体对外做功，则有W＝－p2SH＝－120 J，
此过程吸收热量Q＝320 J，
故此过程中ΔU＝W＋Q＝200 J.
二、热力学第一定律与气体图像的综合问题
[2025扬州期末]如图所示，一定质量的理想气体从状态A经过状态B到达状态C，气体在状态A、B时的体积分别是VA＝6×10－3 m3，VB＝3×10－3 m3.
6
(1) 求气体在状态A时的压强pA；
(2) B→C过程，气体吸收热量2 100 J，求此过程中气体内能的增量ΔU.
【答案】 (1) A→B气体发生等温变化，则有pAVA＝pBVB，
解得pA＝1×105 Pa.
(2) 由图像得VC＝VA，B→C等压膨胀，
有W＝－pB|ΔV|＝－pB(VC－VB)＝－600 J，
根据热力学第一定律可得ΔU＝Q＋W，
解得ΔU＝1 500 J.
处理热力学第一定律与气体图像的综合问题的方法
2. 气体的做功情况、内能变化及吸、放热关系可由热力学第一定律分析．
(1) 由体积变化分析气体做功的情况：体积膨胀，气体对外做功；气体被压缩，外界对气体做功．
(2) 由温度变化判断气体内能变化：温度升高，气体内能增大；温度降低，气体内能减小．
(3) 由热力学第一定律ΔU＝W＋Q判断气体是吸热还是放热．
(4) 在p－V图像中，图线与V轴围成的面积表示气体对外界或外界对气体做的功．
　　　　某汽车的四冲程内燃机利用奥托循环进行工作，该循环由两个绝热过程和两个等容过程组成．如图所示为一定质量的理想气体所经历的奥托循环，则该气体(　 　)
A．在状态a和c时的内能可能相等
B．在a→b过程中，外界对其做的功全部用于增加内能
C．b→c过程中增加的内能小于d→a过程中减少的内能
D．在一次循环过程中吸收的热量小于放出的热量
7
B
【解析】 从c到d为绝热膨胀，则Q＝0，W<0，则内能减小，ΔU<0，温度降低；从d到a，体积不变，压强减小，则温度降低，则状态c的温度高于状态a的温度．A错误．在a→b过程中为绝热压缩，外界对气体做功W>0，Q＝0，则ΔU＝W，即外界对其做的功全部用于增加内能，B正确．从b→c过程系统从外界吸收热量，从c→d系统对外做功，从d→a系统放出热量，从a→b外界对系统做功；根据p－V图像所围面积即为气体做功大小，图像中b→c→d→a围成的图形的面积为气体对外做的功，整个过程气体内能变化为零，则ΔW＝ΔQ，即Q吸－Q放＝ΔW>0，即在一次循环过程中吸收的热量大于放出的热量，则b→c过程中增加的内能大于d→a过程中减少的内能．故C、D错误．
　　　　[2025南京期末]一定质量的理想气体状态变化过程如图所示，则从A到B的过程中，气体(　 　)
A．体积变大
B．内能一定增加
C．一定吸收热量
D．单位时间内撞击容器壁单位面积上的分子数可能减小
8
B
　　　　[2025江苏高品质高中调研]1816年，斯特林发明了一种高效率的外燃发动机，发动机内封闭一定质量理想气体，从状态a依次经过状态b、c和d后再回到状态a的过程中，压强p随密度ρ变化图像如图所示．下列说法正确的是(　 　)
A．a→b气体的内能增大
B．b→c气体向外界放热
C．c→d外界对气体做功
D．一个循环过程，气体从外界吸收热量
9
D
谢谢观看
Thank you for watching第4讲　热力学定律与能量守恒定律
学习目标　1. 理解热力学第一定律，会解决与气体实验定律相结合的综合问题.2. 理解能量守恒定律，能用能量守恒的观点解释自然现象.3. 通过自然界中宏观过程的方向性，了解热力学第二定律．
活动一 理解热力学第一定律
1 [2026南通海门调研]在深海中的潜水员看到呼出的气泡快速上升，若气泡在上升过程中的质量不变，则下列说法正确的是(　　)
A. 气体对液体不做功
B. 液体对气体做正功
C. 气泡的内能减小
D. 气泡受到的浮力不变
2 [2025泰州模拟]如图所示，一个固定的绝热容器被隔板K分成A、B两室，已知A内有一定质量的理想气体，B内为真空．抽开隔板K，最终达到平衡状态，该过程中(　　)
A. 气体对外界做功
B. 气体的温度不变
C. 每个气体分子的速率都减小
D. 单位时间单位面积气体分子与容器撞击的次数变多
热力学第一定律的理解
热力学第一定律的内容：一个热力学系统的内能变化量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和．
(1) 公式ΔU＝Q＋W符号的意义．
符号 W Q ΔU
＋ 外界对物体做功 物体____热量 内能____
－ 物体对外界做功 物体____热量 内能____
①做功看体积：体积增大，气体对外做功，W为负；体积缩小，外界对气体做功，W为正．气体向真空中自由膨胀，对外界不做功，W＝0.
②理想气体无分子势能，一定质量的理想气体的内能只取决于温度，与体积无关．分析理想气体的内能，只需分析气体的温度，温度升高，内能增大；温度降低，内能减小．
(2) 三种特殊情况．
①绝热：没有传热(Q＝0).
②自由膨胀：气体不对外做功(W＝0).
③等容：体积不变，不做功(W＝0).
④等温：分子平均动能不变，理想气体内能不变(理想气体ΔU＝0).
⑤等压，体积变化ΔV：做功W＝pΔV.
1. 做功与热传递在改变内能的效果上是相同的，但是从运动形式、能量转化的角度上看是不同的．做功是其他形式的运动和热运动的转化，是其他形式的能与内能之间的转化；而热传递则是热运动的转移，是内能的转移．,2. 温度、内能、热量、功的比较．
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 （热能） 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
热量 是热传递过程中内能的改变量，热量用来量度热传递过程中内能转移的多少，只能说“吸收”或“放出” 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
即时训练1 压缩空气储能是一种新型储能技术，其中涉及了空气的绝热膨胀和等温压缩过程，对一定质量的理想气体，下列说法正确的是(　　)
A. 绝热膨胀过程，气体的内能增大
B. 绝热膨胀过程，外界对气体做功
C. 等温压缩过程，气体的压强不变
D. 等温压缩过程，气体的内能不变
即时训练2 [2025江苏卷]如图所示，取装有少量水的烧瓶，用装有导管的橡胶塞塞紧瓶口，并向瓶内打气．当橡胶塞跳出时，瓶内出现白雾．橡胶塞跳出后，瓶内气体(　　)
A. 内能迅速增大 B. 温度迅速升高
C. 压强迅速增大 D. 体积迅速膨胀
即时训练3 如图甲所示，某同学在做实验时发现上端封闭、下端开口的竖直玻璃管内，有两段水银柱封闭了两段空气柱，轻弹玻璃管，使两段空气合在一起，变成如图乙所示的情景，过程中没有漏气，也没有水银流出，且温度不变．则下列说法正确的是(　　)
甲 乙
A. 气体总体积不变 B. 气体的压强增大
C. 气体对外界做功 D. 气体放出了热量
活动二 理解能量守恒定律与热力学第二定律
一、 能量守恒定律
3 关于能量和能源，下列说法正确的是(　　)
A. 在能源利用的过程中，能量在数量上并未减少
B. 由于自然界中总的能量守恒，所以不需要节约能源
C. 能量耗散说明能量在转化过程中不断减少
D. 人类在不断地开发和利用新能源，所以能量可以被创造
能量守恒可以从两方面理解：
(1) 某种形式的能减少，一定有其他形式的能增加，且减少量和增加量一定相等．
(2) 某个物体的能量减少，一定存在其他物体的能量增加，且减少量和增加量一定相等．
即时训练4 如图所示，密闭绝热容器内有一绝热的具有一定质量的活塞，活塞的上部封闭着气体，下部为真空，活塞与器壁的摩擦忽略不计．置于真空中的轻弹簧的一端固定于容器的底部，另一端固定在活塞上，弹簧被压缩后用绳扎紧，此时弹簧的弹性势能为Ep(弹簧处在自然长度时的弹性势能为零).现绳突然断开，弹簧推动活塞向上运动，经过多次往复运动后活塞静止，气体达到平衡态．经过此过程(　　)
A. Ep全部转换为气体的内能
B. Ep一部分转换成活塞的重力势能，其余部分仍为弹簧的弹性势能
C. Ep全部转换成活塞的重力势能和气体的内能
D. Ep一部分转换成活塞的重力势能，一部分转换为气体的内能，其余部分仍为弹簧的弹性势能
二、 热力学第二定律
4 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，内能也可以全部用来做功而转化成机械能
D. 气体向真空的自由膨胀是可逆的
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. 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．
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.
1. 在热力学第二定律的表述中，“自发地”“不产生其他影响”的含义．
(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”的含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. 两类永动机的比较．
分类 第一类永动机 第二类永动机
设计要求 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
不可能制 成的原因 违背能量守恒 不违背能量守恒，违背热力学第二定律
即时训练5 [2025连云港期末]下列现象违背热力学第二定律的是(　　)
A. 一杯热茶自然放置，慢慢变凉
B. 桶中混浊的泥水在静置一段时间后，泥、水自动分离
C. 一滴红色颜料滴进一杯清水中，整杯水将均匀地变红
D. 蒸汽机把蒸汽的内能全部转化成机械能，效率达100%
活动三 分析热力学定律与气体实验定律的综合问题
一、 热力学第一定律与气体实验定律的综合问题
5 [2025南师附中模拟]某课外兴趣小组用试管制作温度计．把上端A封闭、下端B开口的玻璃管插入水中，放掉适当的空气后放手，让玻璃管竖直地浮在水中，A端露出水面，如图所示．室温为T0时，水面上方空气柱长度为x0，水面下方空气柱长度为h.室温缓慢升高至Tx时，水面以上空气柱长度变为x.已知空气柱横截面积为S，大气压强为p0，水的密度为ρ，重力加速度为g，试管足够长且保持竖直．
(1) 求x随Tx变化的关系式；
(2) 已知升温过程中气体内能增加了ΔU，求气体吸收的热量Q.
1. 求解气体实验定律与热力学定律的综合问题的通用思路．
2. 五个相关方程．
(1) 玻意耳定律(等温变化)：_________________________________________.
(2) 查理定律(等容变化): ______________．
(3) 盖-吕萨克定律(等压变化)：_______________________________________.
(4) 理想气体状态方程： ______________．
(5) 热力学第一定律：______________．
即时训练6 如图所示，开口向上、内壁光滑的绝热汽缸竖直放置，卡口离缸底的高度h＝0.1 m．质量M＝20 kg的活塞停在卡口处，活塞的横截面积S＝1×10-2 m2，缸内气体温度t1＝27 ℃，压强p1＝0.9×105 Pa.现通过电热丝缓慢加热缸内气体．已知外界大气压强p0＝1×105 Pa，取重力加速度g＝10 m/s2.
(1) 活塞刚要离开卡口时，求气体的热力学温度T2；
(2) 活塞离开卡口后继续上升了H＝0.1 m，此过程中气体吸收了Q＝320 J的热量，求此过程中气体内能的变化量ΔU.
二、 热力学第一定律与气体图像的综合问题
6 [2025扬州期末]如图所示，一定质量的理想气体从状态A经过状态B到达状态C，气体在状态A、B时的体积分别是VA＝6×10-3 m3，VB＝3×10-3 m3.
(1) 求气体在状态A时的压强pA；
(2) B→C过程，气体吸收热量2 100 J，求此过程中气体内能的增量ΔU.
处理热力学第一定律与气体图像的综合问题的方法
1. 在某一过程中，气体的p、V、T的变化可由图像直接判断或结合理想气体状态方程 ＝C分析．
2. 气体的做功情况、内能变化及吸、放热关系可由热力学第一定律分析．
(1) 由体积变化分析气体做功的情况：体积膨胀，气体对外做功；气体被压缩，外界对气体做功．
(2) 由温度变化判断气体内能变化：温度升高，气体内能增大；温度降低，气体内能减小．
(3) 由热力学第一定律ΔU＝W＋Q判断气体是吸热还是放热．
(4) 在p-V图像中，图线与V轴围成的面积表示气体对外界或外界对气体做的功．
即时训练7 某汽车的四冲程内燃机利用奥托循环进行工作，该循环由两个绝热过程和两个等容过程组成．如图所示为一定质量的理想气体所经历的奥托循环，则该气体(　　)
A. 在状态a和c时的内能可能相等
B. 在a→b过程中，外界对其做的功全部用于增加内能
C. b→c过程中增加的内能小于d→a过程中减少的内能
D. 在一次循环过程中吸收的热量小于放出的热量
即时训练8 [2025南京期末]一定质量的理想气体状态变化过程如图所示，则从A到B的过程中，气体(　　)
A. 体积变大
B. 内能一定增加
C. 一定吸收热量
D. 单位时间内撞击容器壁单位面积上的分子数可能减小
即时训练9 [2025江苏高品质高中调研]1816年，斯特林发明了一种高效率的外燃发动机，发动机内封闭一定质量理想气体，从状态a依次经过状态b、c和d后再回到状态a的过程中，压强p随密度ρ变化图像如图所示．下列说法正确的是(　　)
A. a→b气体的内能增大
B. b→c气体向外界放热
C. c→d外界对气体做功
D. 一个循环过程，气体从外界吸收热量
第4讲　热力学定律与能量守恒定律
【活动一】
例 1
C　气泡从水下几米深处快速上升到水面过程中，气泡内气体的压强为p＝p0＋ρgh，气泡所处液面的高度减小，则气泡受到的液体压强逐渐减小，气泡内部压强大于外部压强，气泡会膨胀，体积增大，会推动周围的液体，因此气体对液体做正功，液体对气体做负功，故A、B错误；气泡快速上升过程中，质量不变，气体与外界来不及实现热交换，Q＝0，因气泡膨胀对外做功，W<0，由热力学第一定律ΔU＝Q＋W可知，ΔU<0，即气泡的内能减小，故C正确；气泡上升时V排变大，但海水的ρ液和g均不变，由F浮＝ρ液gV排可知气泡受到的浮力变大，故D错误．
例 2
B　由于B内为真空，当抽开隔板K后，气体扩散，不做功，且由于为绝热系统，根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q可知气体内能不变，气体温度不变，故A错误，B正确；由于气体温度不变，气体分子平均动能不变，气体分子的平均速率不变，对个别气体分子的速率无法判断，气体体积变大，气体密度减小，根据压强微观意义可知，单位时间内单位面积上碰撞器壁的分子数减小，则单位时间单位面积气体分子与容器撞击的次数变少，故C、D错误．
总结提升：(1) 吸收　增加　放出　减少
即时训练1 D　绝热膨胀过程，理想气体与外界没有热量的交换，即Q＝0，理想气体对外界做功，即W<0，由热力学第一定律ΔU＝W＋Q，可知ΔU<0，即气体的内能减小，故A、B错误；等温压缩过程，由玻意耳定律pV＝C，可知气体的压强变大，故C错误；等温压缩过程，气体的温度保持不变，则内能不变，故D正确．
即时训练2 D　瓶塞跳出的过程中瓶内的气体对外做功，气体体积迅速膨胀，由于该过程的时间比较短，可知气体来不及吸收热量，根据热力学第一定律可知，气体的内能减小，则温度降低，由理想气体状态方程 ＝C可知，气体压强减小．D正确．
即时训练3 C　在此过程中，上端封闭气体压强不变、温度不变，体积不变；下端封闭气体上移后，压强减小，温度不变，体积变大，推动水银柱向下运动，气体对外界做功，由于温度不变，气体从外界吸热，C正确，A、B、D错误．
【活动二】
例 3
A　根据能量守恒定律可知，在能源使用过程中，能量在数量上并未减少，故A正确，C错误；虽然自然界中的总能量不会减少，但是能源的品质会降低，无法再利用，故还需要节约能源，故B错误；根据能量守恒可知，能量不会被创造，也不会消失，故D错误．
即时训练4 D　依题可知，断开绳子，活塞最终静止后的位置高于初始位置，Ep的能量转化有三种形式：活塞的重力势能、气体的内能及弹簧的弹性势能，故D正确．
例 4
B　符合能量守恒定律，但违背热力学第二定律的宏观过程不能发生，A错误；一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的，B正确；机械能可以全部转化为内能，但内能无法全部用来做功而转化成机械能，C错误；气体向真空的自由膨胀是不可逆的，D错误．
即时训练5 D　热茶自然变凉是热量自发地从高温物体传递到低温环境，符合热力学第二定律的表述，故A错误．泥水静置后分离是重力作用下颗粒沉降的过程，系统总熵可能因势能转化为热能而增加，不违背热力学第二定律，故B错误．颜料扩散是分子热运动导致的自发熵增过程，符合热力学第二定律，故C错误．热机效率达100%意味着所有内能完全转化为机械能而无其他影响，违背热力学第二定律中的“不可能从单一热源吸热全部做功而不引起其他变化”的表述，故D正确．
【活动三】
例 5
(1) 水面以下的空气柱长度保持不变，空气柱压强保持不变，
根据盖吕萨克定律，对气体有 ＝，
解得x＝(x0＋h)－h.
(2) 外界对气体做功W＝－(p0＋ρgh)·S(x－x0)，
根据ΔU＝Q＋W，
解得Q＝ΔU＋(p0＋ρgh)S(x－x0).
总结提升：2 (1) pV＝C　(2) ＝C　(3) ＝C
(4) ＝C　(5) ΔU＝Q＋W
即时训练6 (1) 气体加热至活塞刚要离开卡口，气体经历等容变化，则有 ＝，
当活塞刚要离开卡口时，根据受力分析则有p2S＝p0S＋Mg，
联立解得p2＝1.2×105 Pa，T2＝400 K.
(2) 活塞离开卡口上升过程中，是等压变化，故气体对外做功，则有W＝－p2SH＝－120 J，
此过程吸收热量Q＝320 J，
故此过程中ΔU＝W＋Q＝200 J.
例 6
(1) A→B气体发生等温变化，则有pAVA＝pBVB，
解得pA＝1×105 Pa.
(2) 由图像得VC＝VA，B→C等压膨胀，
有W＝－pB|ΔV|＝－pB(VC－VB)＝－600 J，
根据热力学第一定律可得ΔU＝Q＋W，
解得ΔU＝1 500 J.
即时训练7 B　从c到d为绝热膨胀，则Q＝0，W<0，则内能减小，ΔU<0，温度降低；从d到a，体积不变，压强减小，则温度降低，则状态c的温度高于状态a的温度．A错误．在a→b过程中为绝热压缩，外界对气体做功W>0，Q＝0，则ΔU＝W，即外界对其做的功全部用于增加内能，B正确．从b→c过程系统从外界吸收热量，从c→d系统对外做功，从d→a系统放出热量，从a→b外界对系统做功；根据p-V图像所围面积即为气体做功大小，图像中b→c→d→a围成的图形的面积为气体对外做的功，整个过程气体内能变化为零，则ΔW＝ΔQ，即Q吸－Q放＝ΔW>0，即在一次循环过程中吸收的热量大于放出的热量，则b→c过程中增加的内能大于d→a过程中减少的内能．故C、D错误．
即时训练8 B　根据理想气体状态方程 ＝C，可得p＝T，可知p-T图像中的点与原点连线的斜率越大，体积越小，从A到B的过程中斜率变大，体积变小，故A错误；根据图可知温度升高，则内能增大，故B正确；体积减小，则外界对气体做正功，根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q结合B选项分析可知气体不一定吸收热量，故C错误；A到B气体的体积减小，分子数密度增大，温度升高，平均动能增大，故单位时间内撞击容器壁单位面积上的分子数增加，D错误．
即时训练9 D　对于一定质量的气体，体积越大，密度越小，a→b气体密度增大，可知气体体积减小，根据密度公式ρ＝，结合理想气体状态方程pV＝nRT，可得p＝ρ，a→b过程中图像斜率不变，可知温度T不变，理想气体内能只与温度有关，温度不变则内能不变，故A错误；b→c气体密度不变，即体积不变(W＝0)，但压强增大，可知温度增大(ΔU>0)，由热力学第一定律有ΔU＝W＋Q＝0＋Q>0，可知气体从外界吸热，故B错误；c→d气体密度减小，则气体体积增大，则气体对外界做功，故C错误；由图可知a→b气体体积减小(外界对气体做功)，b→c气体体积不变(气体不做功)，c→d气体体积增大(气体对外界做功)，d→a气体体积不变(气体不做功)，且ΔV＝Va－Vb＝Vd－Vc，又因为ab过程气体平均压强 ab小于cd过程气体平均压强 cd，根据W＝pΔV，可知外界对气体做功小于气体对外界做功，即W总<0，根据热力学第一定律可知一个循环过程，气体从外界吸收热量，故D正确．

展开更多......

收起↑