86　第十四章　第77课时　热力学定律与能量守恒定律

第十四章热学第77课时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，会用热力学第一定律分析有关问题。

2．理解热力学第二定律，知道热现象的方向性。

3．会分析热力学第一定律与气体实验定律的综合问题。考点1热力学第一定律的理解与应用做功热量Q＋W

吸收放出增加减小某驾驶员发现中午时车胎内的气压比清晨时高，且车胎体积增大。若这段时间车胎内气体质量不变且可视为理想气体，则(1)外界对胎内气体做功，气体内能减少。 (

)(2)外界对胎内气体做功，气体内能增加。 (

)(3)胎内气体对外界做功，内能减少。 (

)(4)胎内气体对外界做功，内能增加。 (

)×

×

×

√[典例1]如图是小魔术“浮沉子”的模型，在密封的矿泉水瓶中，一开口向下、导热良好的小瓶置于矿泉水瓶中，小瓶中封闭一段空气，可看作理想气体。现用手挤压矿泉水瓶，小瓶下沉到底部；松开矿泉水瓶后，小瓶缓慢上浮，上浮过程中小瓶内气体温度保持不变，则上浮过程中小瓶内气体(

)A．体积不变，内能不变B．体积不变，压强不变C．对外界做正功，并放出热量D．体积增大，对外界做正功√D

[上浮过程中小瓶内气体温度不变，压强逐渐减小，根据pV＝C可知气体体积变大，气体对外界做功，根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，其中ΔU＝0，W<0，可知Q>0，可知瓶内气体从外界吸热，故选D。]归纳总结：内能变化的三种特殊情况过程含义内能变化物理意义绝热Q＝0ΔU＝W外界对物体做的功等于物体内能的增加量等容W＝0ΔU＝Q物体吸收的热量等于物体内能的增加量等温ΔU＝0W＝－Q外界对物体做的功等于物体放出的热量1．热力学第二定律的两种表述(1)克劳修斯表述：______________________________________。(2)开尔文表述：_____________________________________________________________或表述为“_______永动机是不可能制成的”。考点2热力学第二定律的理解与应用热量不能自发地从低温物体传到高温物体不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响第二类(3)说明①“自发地”指明了传热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。在产生其他影响的条件下内能可以全部转化为机械能。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的宏观过程的方向性，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。(1)可以从单一热源吸收热量，使之完全变成功。 (

)(2)热机中，燃气的内能可以全部变成机械能而不引起其他变化。 (

)(3)热量不可能从低温物体传给高温物体。 (

)√

×

×[典例2]

(2025·山东青岛一模)根据热学中的有关知识，下列说法正确的是(

)A．一切符合能量守恒定律的宏观过程都能发生B．空调的工作过程表明，热量可以自发地由低温物体向高温物体传递C．第二类永动机不违背能量守恒定律，当人类科技水平足够先进时，第二类永动机可以被制造出来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√D

[热运动的宏观过程会有一定的方向性，符合能量守恒定律的宏观过程并不能都真的发生，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，故A错误，D正确；空调的工作过程表明，热量可以从低温物体向高温物体传递，但要引起其他变化，故B错误；第二类永动机不违背能量守恒定律，但是违背了热力学第二定律，第二类永动机不可能制造出来，故C错误。]归纳总结：两类永动机的比较

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定律不违背能量守恒定律，违背热力学第二定律考点3热力学定律与气体图像的综合应用

对外做功气体对外界(1)在运用热力学第一定律ΔU＝Q＋W时，要注意正负号。 (

)(2)理想气体内能的变化根据温度和体积的变化情况来判断。 (

)(3)在p-V和p-T图像中，图像与横轴所围面积表示气体所做的功。 (

)√

×

×[典例3]

(2025·陕晋青宁卷)某种卡车轮胎的标准胎压范围为2.8×105～3.5×105Pa。卡车行驶过程中，一般胎内气体的温度会升高，体积及压强也会增大。若某一行驶过程中胎内气体压强p随体积V线性变化如图所示，温度T1为300K时，体积V1和压强p1分别为0.528m3、3.0×105Pa；当胎内气体温度升高到T2为350K时，体积增大到V2为0.560m3，气体可视为理想气体。(1)求此时胎内气体的压强p2；(2)若该过程中胎内气体吸收的热量Q为7.608×104J，求胎内气体的内能增加量ΔU。

[答案]

(1)3.3×105Pa

(2)6.6×104J[典例4]

(多选)(2024·海南卷)如图，一定质量的理想气体从状态a开始经ab、bc、ca三个过程回到原状态，已知ab垂直于T轴，bc延长线过坐标原点O，下列说法正确的是(

)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√√

[典例5]

(2025·浙江1月选考)如图所示，导热良好带有吸管的瓶子，通过瓶塞密闭T1＝300K，体积V1＝1×103cm3处于状态1的理想气体，管内水面与瓶内水面高度差h＝10cm。将瓶子放进T2＝303K的恒温水中，瓶塞无摩擦地缓慢上升恰好停在瓶口，h保持不变，气体达到状态2，此时锁定瓶塞，再缓慢地从吸管中吸走部分水后，管内和瓶内水面等高，气体达到状态3。已知从状态2到状态3，气体对外做功1.02J；从状态1到状态3，气体吸收热量4.56J，大气压强p0＝1.0×105Pa，水的密度ρ＝1.0×103kg/m3；忽略表面张力和水蒸气对压强的影响。(1)从状态2到状态3，气体分子平均速率_______(选填“增大”“不变”或“减小”)，单位时间撞击单位面积瓶壁的分子数________(选填“增大”“不变”或“减小”)；(2)求气体在状态3的体积V3；(3)求从状态1到状态3气体内能的改变量ΔU。不变减小1.0201×103cm3

2.53J

(3)气体从状态1到状态2的过程中，气体对外做功为W1＝p1(V2－V1)＝1.01

J由热力学第一定律ΔU＝Q－(W1＋W2)其中Q＝4.56

J，W2＝1.02

J代入解得，从状态1到状态3气体内能的改变量为ΔU＝2.53

J。归纳总结：解决热力学定律与气体实验定律综合问题的一般思路

课时作业(七十七)热力学定律与能量守恒定律题号1352468791．(2025·安徽卷)在恒温容器内的水中，让一个导热良好的气球缓慢上升。若气球无漏气，球内气体(可视为理想气体)温度不变，则气球上升过程中，球内气体(

)A．对外做功，内能不变B．向外放热，内能减少C．分子的平均动能变小D．吸收的热量等于内能的增加量√A

[理想气体的温度不变，则内能不变，气体分子的平均动能不变，B、C、D错误；气球上升过程中，球内气体压强减小，由玻意耳定律可知气体体积增大，对外做功，A正确。]题号1352468792．(2025·河北卷)某同学将一充气皮球遗忘在操场上，找到时发现因太阳曝晒皮球温度升高，体积变大。在此过程中若皮球未漏气，则皮球内封闭气体(

)A．对外做功B．向外界传递热量C．分子的数密度增大D．每个分子的速率都增大√题号135246879A

[皮球体积变大，气体膨胀，对外界做功，故A正确；太阳曝晒使气体温度升高，是外界对气体传热(气体吸热)，而非气体向外界传递热量，故B错误；皮球未漏气，分子总数不变，体积变大，分子的数密度减小，故C错误；温度升高，分子平均动能增大，但并非每个分子速率都增大，只是“平均”情况，故D错误。]题号1352468793．(2025·陕西西安模拟)一定质量的理想气体从状态a开始，经a→b、b→c、c→a三个过程后再回到状态a，其p-T图像如图所示，则该气体(

)A．在状态a的内能小于在状态b的内能B．分子间平均距离在状态a时小于在状态b时C．在a→b过程中，外界对气体不做功D．在c→a过程中，气体向外界放热√题号135246879D

[状态a、b的温度相同，则在状态a的内能等于在状态b的内能，A错误；状态a、b的温度相同，状态b压强较大，则体积较小，则分子间平均距离在状态a时大于在状态b时，B错误；在a→b过程中，体积减小，则外界对气体做功，C错误；在c→a过程中，气体体积不变，即W＝0，温度降低，内能减小，即ΔU<0，则根据热力学第一定律可知Q<0，即气体向外界放热，D正确。]题号1352468794．(2025·四川卷)如图甲所示，用活塞将一定质量的理想气体密封在导热汽缸内，活塞稳定在a处。将汽缸置于恒温冷水中，如图乙所示，活塞自发从a处缓慢下降并停在b处，然后保持汽缸不动，用外力将活塞缓慢提升回a处。不计活塞与汽缸壁之间的摩擦。则(

)A．活塞从a到b的过程中，汽缸内气体压强升高B．活塞从a到b的过程中，汽缸内气体内能不变C．活塞从b到a的过程中，汽缸内气体压强升高D．活塞从b到a的过程中，汽缸内气体内能不变√题号135246879D

[根据题意可知活塞从a到b的过程中，汽缸内气体温度降低，则内能减小，体积减小，压强不变，故A、B错误；根据题意可知活塞从b到a的过程中汽缸内气体温度不变，则内能不变，体积增大，根据玻意耳定律pV＝C可知压强减小，故C错误，D正确。]题号1352468795．(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(

)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√√题号135246879BD

[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；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；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。]题号1352468796．如图所示，一绝热汽缸中理想气体被轻弹簧连接的绝热活塞分成a、b两部分，活塞与缸壁间密封良好且没有摩擦。初始时活塞静止，缓慢倒置汽缸后(

)A．a的压强减小B．b的温度降低C．b的所有分子速率均减小D．弹簧的弹力一定增大√题号135246879B

[初始时活塞静止，缓慢倒置汽缸后，a部分气体体积减小，b部分气体体积增大，故a的压强增大，b的压强减小，由于是绝热汽缸和绝热活塞，则Q＝0，根据热力学第一定律ΔU＝W，可得ΔUa>0，ΔUb<0，则a的温度升高，b的温度降低，b的气体分子的平均速率减小，并不是所有分子速率均减小，故A、C错误，B正确；由于不知初始状态，a、b两部分气体的压强以及弹簧处于哪种状态，所以无法判断倒置汽缸后弹簧弹力的变化，D错误。]题号1352468797．(多选)(2024·新课标卷)如图，一定量理想气体的循环由下面4个过程组成：1→2为绝热过程(过程中气体不与外界交换热量)，2→3为等压过程，3→4为绝热过程，4→1为等容过程。上述四个过程是四冲程柴油机工作循环的主要过程。下列说法正确的是(

)A．1→2过程中，气体内能增加B．2→3过程中，气体向外放热C．3→4过程中，气体内能不变D．4→1过程中，气体向外放热√√题号135246879AD

[1→2为绝热过程，Q＝0，气体体积减小，外界对气体做功，W>0，由热力学第一定律ΔU＝Q＋W可知ΔU>0，气体内能增加，A正确；2→3为等压膨胀过程