第3章 4.热力学第二定律-【名师导航】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册同步讲义(人教版)

4．热力学第二定律 1．通过对自然界中与热现象有关的宏观过程方向性的实例分析，了解归纳热力学第二定律的过程和方法。 2．能用热力学第二定律解释常见的不可逆过程，和自然界中的能量转化，转移以及方向性问题。 3．了解能量与能源的区别以及能源的有限性。 　热力学第二定律 1．热力学第二定律的克劳修斯表述 (1)内容：热量不能自发地从低温物体传到高温物体。 (2)热传递的方向性 ①热量可以自发地由高温物体传给低温物体。 ②热量不能自发地由低温物体传给高温物体。 ③一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的。 提醒：在表述中强调“自发”，就是不需要任何第三者介入就能发生。 2．热力学第二定律的开尔文表述 (1)热机 ①热机工作的两个阶段：第一个阶段是燃烧燃料，把燃料中的化学能变成工作物质的内能；第二个阶段是工作物质对外做功，把自己的内能变成机械能。 ②热机的效率：热机输出的机械功W与燃料产生的热量Q的比值。用公式表示：η＝。 (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(该表述阐述了机械能与内能转化的方向性)。 提醒：热力学第二定律的克劳修斯和开尔文表述是等价的。 如图是热量在传递过程中的情景。 【问题】 (1)在自然过程中热量是如何传递的？ (2)热量能否由温度低的物体传递给温度高的物体？ (3)空调和冰箱是如何传递热量的？ 提示：(1)热量由温度高的物体传递给温度低的物体，或由温度高的地方传递到温度低的地方。 (2)能。 (3)空调和冰箱可以通过电机做功，把热量从温度比较低的房间内或冰箱内传递到房间外或冰箱外。 1．自然过程的方向性 (1)热传导具有方向性 两个温度不同的物体相互接触时，热量会自发地从高温物体传给低温物体，而低温物体不可能自发地将热量传给高温物体，要实现低温物体向高温物体传递热量，必须借助外界的帮助，因而产生其他影响或引起其他变化。 (2)气体的扩散现象具有方向性 两种不同的气体可以自发地进入对方，最后成为均匀的混合气体，但这种均匀的混合气体，绝不会自发地分开，成为两种不同的气体。 (3)机械能和内能的转化过程具有方向性 物体在地面上运动，因摩擦而逐渐停止下来，但绝不可能出现物体吸收原来传递出去的热量后，在地面上重新运动起来。 (4)气体向真空膨胀具有方向性 气体可自发地向真空容器内膨胀，但绝不可能出现气体自发地从容器中流出，使容器内变为真空。 2．在热力学第二定律的表述中，“自发地”“不产生其他影响”“单一热库”“不可能”的含义 (1)“自发地”是指热量从高温物体自发地传给低温物体的方向性。在传递过程中不会对其他物体产生影响或借助其他物体提供能量等。 (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。 (3)“单一热库”：指温度均匀并且恒定不变的系统。若一系统各部分温度不相同或者温度不稳定，则构成机器的工作物质可以在不同温度的两部分之间工作，从而可以对外做功。据报道，有些国家已在研究利用海水上下层温度不同来发电。 (4)“不可能”：实际上热机或制冷机系统循环时，除了从单一热库吸收热量对外做功，以及热量从低温热库传到高温热库以外，过程所产生的其他一切影响，不论用任何的办法都不可能加以消除。 特别提醒：(1)热力学第二定律的两种表述是等价的。 (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，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。 【典例1】　(多选)(2022·河南商丘名校高二下期末)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．一切物理过程都不可能自发地进行 B．物体从单一热源吸收的热量可全部用于做功 C．利用浅层海水和深层海水之间的温度差制造一种热机，将海水的一部分内能转化为机械能是可能的 D．做功可以改变物体的内能，热传递也可以改变物体的内能，同时做功和热传递一定会改变物体的内能 BC　[根据热力学第二定律，一部分物理过程可以自发进行，故A错误；根据热力学第二定律可知，物体不可能从单一热源吸热，并全部用来对外做功而不引起其他变化，若引起外界变化则可以，故B正确；根据热力学第二定律可知，利用浅层海水和深层海水之间的温度差制造一种热机，将海水的一部分内能转化为机械能，这在理论上是可行的，故C正确；做功可以改变物体的内能，热传递也可以改变物体的内能，但同时做功和热传递不一定会改变物体的内能，比如物体吸收热量的同时对外做功，内能不一定改变，故D错误。] [跟进训练] 1．下列说法正确的是(　　) A．冰箱能使热量从低温物体传递给高温物体，因此不遵从热力学第二定律 B．空调工作时消耗的电能与室内温度降低所放出的热量可以相等 C．自发的热传导是不可逆的 D．不可能通过给物体加热而使它运动起来，因为违背了热力学第一定律 C　[在外界的帮助和影响下，冰箱能使热量从低温物体传递到高温物体，并不违背热力学第二定律，A错误；空调消耗的电能必须大于室内温度降低所放出的热量，B错误；自发的热传导是不可逆的，C正确；不可能通过给物体加热而使它运动起来，因为违背了热力学第二定律，D错误。] 　第二类永动机不可能制成 如图所示为国内某柴油机厂所产的单缸柴油机，图中上方部分为水箱。我们把“从单一热库吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响的热机称为第二类永动机”。 【问题】 (1)热机工作时，内能可以全部转化为机械能吗？为什么？水箱所起的作用是什么？ (2) 如果随着科技的不断发展，能够使热机没有漏气、没有摩擦，是不是就能制成第二类永动机？ 提示：(1)柴油机工作时水箱所起的作用是作为低温热库给热机快速降温，在内能向机械能转化的过程中，内能有一部分转移到低温热库，不可能全部转化为机械能。 (2)不能。即使没有摩擦、没有漏气等能量损失，它也不可能把吸收的热量百分之百地转化为机械能，例如，汽车排出气体的温度一定会比空气的温度高，它会向周围散热。所以第二类永动机是不可能制成的。 1．第二类永动机 (1)第二类永动机 只从单一热库吸收热量，使之完全变为有用的功而不引起其他变化的热机。 (2)第二类永动机不可能制成 这类机器虽然不违背能量守恒定律，但因为机械能和内能的转化过程是有方向性的，热机在工作过程中必然排出部分热量，即使没有任何漏气、摩擦、不必要机体热量损失，热机排出气体的温度总比周围空气的温度高，它会向空气散热，也总有W<Q，所以热机的效率总达不到100%，汽车发动机的效率一般在20%～30%，燃气轮机的效率较高，可达60%左右。 (3)热力学第二定律还可表述为第二类永动机不可能制成。 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 不消耗任何能量，可以不断做功(或只给予很小的能量启动后，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(或只有一个热源，实现内能与机械能的转化) 不可能 的原因 违背了能量守恒定律 违背了热力学第二定律 【典例2】　地球上有很多的海水，它的总质量约为1.4×1018 t，如果这些海水的温度降低0.1 ℃，将要放出5.8×1023 J的热量，有人曾设想利用海水放出的热量使它完全变成机械能来解决能源危机，但这种机器是不可能制成的，其原因是(　　) A．内能不可以转化成机械能 B．内能转化成机械能不满足热力学第一定律 C．只从单一热源吸收热量并完全转化成机械能的机器不满足热力学第二定律 D．上述三种原因都不正确 C　[内能可以转化成机械能，如热机，选项A错误；内能转化成机械能的过程满足热力学第一定律，即能量守恒定律，选项B错误；热力学第二定律告诉我们：不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化，选项C正确，D错误。] [跟进训练] 2．(多选)关于第二类永动机，下列说法正确的是(　　) A．没有冷凝器，只有单一的热源，能将从单一热源吸收的热量全部用来做功，而不引起其他变化的热机是第二类永动机 B．第二类永动机违反了能量守恒定律，所以不可能制成 C．第二类永动机不可能制成，说明机械能可以全部转化为内能，内能却不可能全部转化为机械能 D．第二类永动机不可能制成，说明机械能可以全部转化为内能，内能却不可能全部转化为机械能，同时不引起其他变化 AD　[根据所学的热机知识可知选项A正确。第二类永动机不违反能量守恒定律，但是违反热力学第二定律，所以选项B错误。机械能可以全部转化为内能，内能在引起其他变化时可能全部转化为机械能，选项C错误，D正确。] 　能源是有限的 1．能量的转移和转化具有方向性：在各种生产生活中，人们利用的各种形式的能最终都转化成内能流散到周围的环境中。 2．能量耗散 根据热力学第二定律，分散在环境中的内能不管数量多么巨大，它也只不过能使地球、大气稍稍变暖一点，却再也不能自动聚集起来驱动机器做功了。这样的转化过程叫作“能量耗散”。 3．能源：指具有高品质的容易利用的储能物质。 水磨是中国民间用水力带动的石磨。水磨用石头制成，分上下两片，呈圆形。流动的水带动水磨做功，由于磨盘和粮食之间的摩擦和挤压，使磨盘和粮食的温度升高，水流的一部分机械能转变成了磨盘和粮食等的内能。 【问题】 (1)分析通过什么方式使磨盘和粮食的内能增加了？ (2)这些内能最终流散到周围的环境中，但我们没有办法把这些流散的内能重新收集起来加以利用，可见，内能与机械能相比，哪种能量的品质低？ 提示：(1)做功。 (2)内能品质低。 如何正确理解能量耗散和品质降低 1．各种形式的能最终都转化为内能，流散到周围的环境中，分散在环境中的内能不管数量多么巨大，它也不过只能使地球、大气稍稍变暖一点，却再也不能全部驱动机器做功了。 2．从可被利用的价值来看，内能较之机械能、电能等，是一种低品质的能量。由此可知，能量耗散虽然不会导致能量的总量减少，却会导致能量品质的降低，所以要节约能源。 3．能量耗散从能量转化的角度反映出自然界中的自发的宏观过程具有方向性。 【典例3】　(多选)下列关于能量耗散的说法正确的是(　　) A．能量耗散使能的总量减少，违背了能量守恒定律 B．能量耗散是指耗散在环境中的内能再也不能被人类利用 C．各种形式的能量向内能的转化，一定条件下，是能够自动全额发生的 D．能量耗散导致能量品质的降低 思路点拨：(1)能量转化与转移是守恒的。 (2)能量耗散使品质降低，不好利用。 BCD　[能量耗散是能量在转化的过程中有一部分以内能的形式被周围环境吸收，遵守能量守恒定律，但使得能量品质降低，选项A错误，D正确；耗散的内能无法再被利用，选项B正确；各种形式的能在一定的条件下可以全部转化为内能，但相反过程却不能够全额进行，选项C正确。故B、C、D正确。] 　能量耗散不仅遵循能量守恒定律，而且从能量转化的角度反映出自然界的宏观过程具有方向性。 [跟进训练] 3．(2022·辽宁大连高二期中)下列说法正确的是(　　) A．自然界的能量的总和是守恒的，所以节约能源是毫无意义的 B．电源是通过静电力做功把其他形式的能转化为电势能的装置 C．电能转化为其他形式的能，是通过电流做功来实现的 D．能量耗散表明自然界的能量总和在不断减少 C　[自然界的能量的总和是不变的，但人类可以利用的能源是有限的，节约能源不仅能使我们长久利用，并且可以减小常规能源在使用中带来的污染，节约能源对人类社会的发展有很大的意义，故A项错误；电源是通过非静电力做功把其他形式的能转化为电势能的装置，故B项错误；电能是通过电流做功来转化为其他形式的能，故C项正确；能量耗散是针对一个系统(或一个物体)而言，能量在自然界中是守恒的，故D项错误。] 1．下列说法正确的是(　　) A．电动机是把电能全部转化为机械能的装置 B．热机是将内能全部转化为机械能的装置 C．随着技术不断发展，可以把内燃机得到的全部内能转化为机械能 D．虽然不同形式的能量可以相互转化，但不可能将已转化成内能的能量全部收集起来加以完全利用 D　[由于电阻的存在，电流通过电动机时一定会发热，电能不能全部转化为机械能，A错误；根据热力学第二定律知，热机不可能将内能全部转化为机械能，B错误；C项说法违背热力学第二定律，C错误；由于能量耗散，能源的可利用率降低，D正确。] 2．(多选)下列哪些现象能够发生，并且不违背热力学第二定律(　　) A．打开一杯热茶的杯盖后，茶会自动变得更热 B．蒸汽机把蒸汽的内能全部转化成机械能 C．桶中混浊的泥水在静置一段时间后，泥沙下沉，上面的水变清，泥、水自动分离 D．电冰箱通电后把箱内低温物体的热量传到箱外高温物体 CD　[热茶温度比周围环境的温度高，热量不可能自发地从低温物体传到高温物体，A违背了热力学第二定律，不能发生，A不符合题意；蒸汽机的能量损失不可避免，不能把蒸汽的内能全部转化成机械能，B违背了热力学第二定律，不能发生，B不符合题意；桶中混浊的泥水在静置一段时间后，泥沙下沉，上面的水变清，泥、水自动分离，系统的重力势能减少了，最终转化为内能，C不违背热力学第二定律，能够发生，C符合题意；电冰箱通电后把箱内低温物体的热量传到箱外高温物体，消耗了电能，D不违背热力学第二定律，能够发生，D符合题意。] 3．对于永动机的认识，下列说法正确的是(　　) A．第一类永动机和第二类永动机都违背了能量守恒定律，所以都不可能制成 B．第一类永动机违背了能量守恒定律，第二类永动机没有违背能量守恒定律，因此，随着科学技术的迅猛发展，第二类永动机是可以制成的 C．第一类永动机违反了热力学第一定律，第二类永动机违反了热力学第二定律，这两类永动机都不可能制成 D．两类永动机的实质和工作原理是相同的，都是人们的美好设想，是永远不会实现的 C　[第一类永动机违反了能量的转化与守恒，不可能实现，第二类永动机不违反能量守恒定律，但违反了热力学第二定律，内能在转化为机械能的过程中要膨胀，所以要引起其他变化。这两类永动机都不可能制成，故A、B、D错误，C正确。] 4．我国自古有“昼涨称潮，夜涨称汐”的说法。潮汐主要是由太阳和月球对海水的引力造成的，以月球对海水的引力为主。 (1)世界两大观潮胜地，一处是亚马孙河北河口，另一处是我国的________入海口。 (2)如图所示甲、乙是某些潮汐发电示意图。涨潮时开闸门(图甲)，水由通道进入海湾水库蓄水，待水面升至最高点时关闭闸门，当落潮时，开闸放水发电(图乙)。设海湾水库面积为5.0×108 m2，平均潮差为3.0 m，一天涨落潮两次，发电的平均能量转化率为10%，则一天内发电的平均功率约为(ρ水取1.0×103 kg/m3，g取10 m/s2)________。 A．2.6×104 kW B．5.2×104 kW C．2.6×105 kW D．5.2×105 kW [解析]　(1)钱塘江是世界著名的观潮胜地，有“八月十八潮，壮观天下无”的说法。 (2)发电时水减少的势能ΔEp＝mgΔh＝ρ水·ShgΔh，其中Δh＝，一天发电两次，转化成的电能E＝2ΔEp×10%，P＝，代入数值得P≈5.2×104 kW，B正确。 [答案]　(1)钱塘江　(2)B 回归本节知识，自我完成以下问题： 1．“由热力学第二定律可知，一切与热现象有关的宏观过程都是不可逆的。”这种说法正确吗，为什么？ 提示：错误；应该是一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的。如果有外加因素，如冰箱，就可以把热量由低温物体传到高温物体。 2．第二类永动机与第一类永动机的区别是什么？它为什么不能实现？ 提示：第二类永动机是从单一热源吸收的热量可以全部用来做功，而不引起其他变化的机器，即效率η＝100%的机器。第一类永动机是指不消耗任何能量就能永远运动下去的机器，它违反了能量守恒定律。 第二类永动机不能实现的原因：违背了热力学第二定律，但没有违背能量守恒定律。 3．由能量守恒可知，能量在转化和转移的过程中，总能量是不变的，那么为什么我们还要节约能源呢？ 提示：能量耗散虽然不会导致能量的总量减少，却会导致能量品质的降低，所以要节约能源。 课时分层作业(十二) 题组一　热力学第二定律 1．(多选)下列关于热传递的说法正确的是(　　) A．热量只能从高温物体传递到低温物体，而不能从低温物体传递到高温物体 B．热量只能从低温物体传递到高温物体，而不能从高温物体传递到低温物体 C．热量既可以从高温物体传递到低温物体，又可以从低温物体传递到高温物体 D．热量会自发地从高温物体传递到低温物体，而不会自发地从低温物体传递到高温物体 CD　[热量可以自发地从高温物体传递到低温物体，但不能自发地从低温物体传递到高温物体，若从低温物体传递到高温物体，必须依靠外界的帮助，说明能量的转移具有方向性。C、D正确。] 2．(多选)下列关于能量转化的说法正确的是(　　) A．机械能可以转化为内能，但内能不可以转化为机械能 B．机械能可以转化为内能，内能也可以转化为机械能 C．机械能不可以转化为内能，但内能可以转化为机械能 D．机械能可以全部转化为内能，但内能不可能自动聚集起来全部转化为机械能 BD　[根据热力学第二定律可知，机械能可以转化为内能，内能也可以转化为机械能，只是机械能可以全部转化为内能，但内能不可能自动聚集起来全部转化为机械能，选项B、D正确。] 3．(2022·河北石家庄高二下期末)日常生活中使用的燃油汽车，其动力来源于发动机内部的汽缸，在汽缸内，通过燃料燃烧将内能转化为机械能，下列说法正确的是(　　) A．现代汽车技术已经非常先进，能够使燃料燃烧释放的热量全部转化成机械能 B．燃料燃烧过程符合热力学第二定律，内能无法全部用来做功以转化成机械能 C．燃料燃烧释放的热量没有全部转化为机械能，故该过程不符合热力学第一定律 D．发动机工作时，若没有漏气和摩擦，也没有发动机的热量损失，则燃料燃烧产生的热量能够完全转化成机械能 B　[根据热力学第二定律可知，热机的效率不可能达到100%，现代汽车技术已经非常先进，但也不能够使燃料燃烧释放的热量全部转化成机械能，A错误；燃料燃烧过程符合热力学第二定律，内能无法全部用来做功以转化成机械能，B正确；燃料燃烧释放的热量没有全部转化为机械能，该过程符合热力学第一定律，C错误；根据热力学第二定律可知，热机的效率不可能达到100%，发动机工作时，就算没有漏气和摩擦，也没有发动机的热量损失，燃料燃烧产生的热量也不可能完全转化成机械能，D错误。] 4．(多选)图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．电冰箱消耗电能，其制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界，在室内打开冰箱门并不能起到制冷的效果 C．电冰箱的工作原理违反热力学第一定律 D．电冰箱的工作原理不违反热力学第二定律 BD　[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物体传到高温物体，需要压缩机的帮助并消耗电能，电冰箱的工作原理不违反热力学第二定律，打开电冰箱并不能起到制冷效果，故A错误，B、D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或内能转移的规律，是能量的转化和守恒定律的具体表现，适用于所有的热力学过程，所以电冰箱的工作原理不违反热力学第一定律，C错误。] 题组二　第二类永动机不可能制成 5．(2022·江苏南京航空航天大学苏州附属中学高二下期中)关于永动机、热力学定律和能量守恒定律的讨论，下列叙述正确的是(　　) A．第二类永动机违反了能量守恒定律 B．如果物体从外界吸收了热量，则物体的内能一定增加 C．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．做功和热传递都可以改变物体的内能，从能量转化或转移的观点来看，这两种改变方式是没有区别的 C　[第二类永动机违反了热力学第二定律，A错误；物体从外界吸收热量，可能同时对外做功，因此物体的内能不一定增加，B错误；根据热力学第二定律知，热量不能自发地由低温物体传到高温物体而不产生其他影响，如果产生其他影响，则热量能从低温物体传到高温物体，从单一热源吸收热量，完全变成功也是可能的，C正确；做功和热传递都可以改变物体的内能，但从能量转化或转移的观点来看，这两种改变方式是有区别的，D错误。] 6．(多选)用两种不同的金属丝组成一个回路，接触点1插在热水中，接触点2插在冷水中，如图所示，电流计指针会发生偏转，这就是温差发电现象。关于这一现象，正确的说法是(　　) A．这一实验过程不违反热力学第二定律 B．在实验过程中，热水一定降温，冷水一定升温 C．在实验过程中，热水内能全部转化成电能，电能则部分转化成冷水的内能 D．在实验过程中，热水的内能只有部分转化成电能，电能则全部转化成冷水的内能 AB　[温差发电现象中产生了电能是因为热水中的内能减少，一部分转化为电能，一部分散失，转化效率低于100%，不违反热力学第二定律，热水温度降低，冷水温度升高，电流计也会消耗电能，故选项A、B正确，C、D错误。] 题组三　能源是有限的 7．(多选)下列哪些现象属于能量耗散(　　) A．利用水流能发电获得电能 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 BD　[能量耗散是指其他形式能转化为内能，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，转化为能够重新收集并加以利用的能量不能称为能量耗散，能量在转化和转移过程中有方向性，并且能量品质不断降低。故选B、D。] 8．(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、重新加以利用的现象。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　[能量耗散过程能量仍守恒，但可利用的能源越来越少，这说明自然界中的宏观过程具有方向性，符合热力学第二定律，C、D正确。] 9．(多选)如图所示，汽缸内盛有一定量的理想气体，汽缸壁是导热的，缸外环境保持恒温，活塞与汽缸壁的接触是光滑的，但不漏气，现将活塞杆缓慢向右移动，这样气体将等温膨胀并通过杆对外做功。若已知理想气体的内能只与温度有关，则下列说法正确的是(　　) A．气体是从单一热源吸热，全部用来对外做功，此过程违背热力学第二定律 B．气体是从单一热源吸热，但并未全部用来对外做功，此过程不违背热力学第二定律 C．气体是从单一热源吸热，全部用来对外做功，此过程不违背热力学第二定律 D．气体是从单一热源吸热，全部用来对外做功，此过程不违背热力学第一定律 CD　[由于气体始终通过汽缸与外界接触，外界温度不变，活塞杆与外界连接并使其缓慢地向右移动过程中，有足够时间进行热交换，气体等温膨胀，所以汽缸内的气体温度不变，内能也不变，该过程气体是从单一热源即外部环境吸收热量，则全部用来对外做功才能保证内能不变，此过程既不违背热力学第二定律，也不违背热力学第一定律，此过程由外力对活塞做功来维持，如果没有外力F对活塞做功，此过程不可能发生，C、D正确。] 10．(多选)(2022·湖南卷)利用“涡流效应”可实现冷热气体的分离。如图所示，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(　　) A．A端为冷端，B端为热端 B．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 C．A端流出的气体内能一定大于B端流出的 D．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 E．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 ABE　[由题意可知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，根据温度是分子平均动能的标志可知，B端为热端，A端为冷端，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，A、B正确；由上述分析知从A端流出的气体分子平均动能小于从B端流出的，内能还与分子数有关，则不能得出A端流出的气体内能一定大于B端流出的气体内能的结论，C错误；该装置不违背热力学第二定律，D错误，E正确。] 11．如图所示为皮筋轮子发动机，将一结实而富有弹性的条形材料(塑料或薄纸板)围成一个直径为30 cm的环，用一些皮筋固定在这个环和中心轴之间。该中心轴可以在两个支架上做摩擦很小的转动。如果轮子的其中一边接近一个热源，如一电灯，接收了更多热量的皮筋就会发生形变，迫使轮子变成椭圆形，重心不再位于旋转轴上，这就迫使轮子转动，其他的皮筋接近电灯，轮子持续变形就保证了运动无休止地进行下去。分析上述发动机能实现吗？(该皮筋受热形变后不能自发地恢复原状) [解析]　这实际上是一台第二类永动机，希望从单一热源吸收能量并把它全部用来做功，而不引起其他变化。轮子变形后，重心偏移，开始带动“机器”转动。随着轮子不同的部位靠近电灯，轮子不断收缩变形，最后达到不可再变的程度，此时发动机不再运动。要使它继续运动，必须通过外界的能量使轮子重新恢复原状，但这违背了设计的初衷，即从单一热源吸收热量把它全部用来做功，而不引起其他变化。所以这台发动机是不能制成的，它违背了热力学第二定律。 [答案]　见解析 章末综合测评(三) 一、选择题(共10小题，1～7题为单选题，8～10 题为多选题) 1．(2022·重庆缙云教育联盟月考)关于内能，下列说法正确的是(　　) A．两物体质量和温度都相同，则内能也相同 B．物体吸收热量，内能一定增加 C．功可以全部转化为热，热不可以全部转化为功 D．热量自发地从高温物体传递到低温物体的过程是不可逆的 D　[两物体的质量、温度均相等，它们的内能不一定相同，内能还与物体体积有关，故A错误；物体吸收热量后，可能对外做功，内能不一定增加，故B错误；功可以全部转化为热，热在引起外界变化的情况下也可以全部转化为功，故C错误；根据热力学第二定律知，热量能够自发地从高温物体传递到低温物体，不能自发地从低温物体传递到高温物体，故D正确。] 2．(2022·北京海淀区高二下期末)“二氧化碳跨临界直冷制冰”是北京冬奥会的“中国方案”，图甲中国家速滑馆5 000 m2的冰面全由它制成，冰面温差可控制在±0.5 ℃以内。其制冰过程可简化为如图乙所示的循环过程，其中横轴为温度T，纵轴为压强p；过程A→B：一定量的二氧化碳在压缩机的作用下变为高温高压的超临界态(一种介于液态和气态之间，分子间有强烈相互作用的特殊状态)；过程B→C：二氧化碳在冷凝器中经历一恒压过程向外放热而变成高压液体；过程C→D：二氧化碳进入蒸发器中蒸发，进而使与蒸发器接触的水降温而凝固；过程D→A：二氧化碳经历一恒压过程回到初始状态。下列说法正确的是(　　) A．过程A→B中，每个二氧化碳分子的动能都增大 B．过程B→C中，二氧化碳始终遵循理想气体的实验定律 C．过程D→A中，若二氧化碳可看作理想气体，则该过程中二氧化碳将吸热 D．整个循环过程中，热量从低温水向高温二氧化碳传递，违反热力学第二定律 C　[过程A→B中，温度升高，二氧化碳分子的平均动能增大，但不是每个二氧化碳分子的动能都增大，故A错误；过程B→C中，二氧化碳在C是液态，不是气体，不符合理想气体实验定律的条件，故B错误；过程D→A中，若二氧化碳可看作理想气体，压强不变，温度升高，体积增大，故二氧化碳的内能增大，二氧化碳对外做功，所以该过程中二氧化碳将吸热，故C正确；整个循环过程中，热量从低温水向高温二氧化碳传递，该过程引起了其他的变化，所以不违反热力学第二定律，故D错误。] 3．一定质量的气体膨胀对外做功100 J，同时对外放热40 J，气体内能的增量ΔU为(　　) A．60 J　　　　 B．－60 J C．－140 J D．140 J C　[由热力学第一定律得ΔU＝W＋Q＝－100 J－40 J＝－140 J，故选项C正确。] 4．某汽车后备箱内安装有撑起箱盖的装置，它主要由汽缸和活塞组成。开箱时，密闭于汽缸内的压缩气体膨胀，将箱盖顶起，如图所示。在此过程中，若缸内气体与外界无热交换，忽略气体分子间相互作用，则缸内气体(　　) A．对外做正功，分子的平均动能减小 B．对外做正功，内能增大 C．对外做负功，分子的平均动能增大 D．对外做负功，内能减小 A　[气体膨胀对外做正功，而缸内气体与外界无热交换，由热力学第一定律知，其内能一定减小，温度降低，故分子的平均动能减小，A正确，B、C、D错误。] 5．如图所示，汽缸内封闭一定质量的理想气体，活塞通过定滑轮与一重物m相连并处于静止状态，此时活塞到缸口的距离h＝0.2 m，活塞面积S＝10 cm2，封闭气体的压强p＝5×104 Pa。现通过电热丝对缸内气体加热，使活塞缓慢上升直至缸口。在此过程中封闭气体吸收了Q＝60 J的热量，假设汽缸壁和活塞都是绝热的，活塞质量及一切摩擦力不计，则在此过程中气体内能的增加量为(　　) A．70 J B．60 J C．50 J D．10 J C　[活塞移动过程中，汽缸内气体对外界做功W＝Fs＝pSh＝10 J，根据热力学第一定律有ΔU＝Q＋(－W)＝60 J－10 J＝50 J，故C正确。] 6．(2021·山东卷)如图所示，密封的矿泉水瓶中，距瓶口越近水的温度越高。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。挤压矿泉水瓶，小瓶下沉到底部；松开后，小瓶缓慢上浮，上浮过程中，小瓶内气体(　　) A．内能减少 B．对外界做正功 C．增加的内能大于吸收的热量 D．增加的内能等于吸收的热量 B　[由于越接近矿泉水瓶口，水的温度越高，因此小瓶上浮的过程中，小瓶内温度升高，内能增加，A错误；在小瓶上升的过程中，小瓶内气体的温度逐渐升高，压强逐渐减小，根据理想气体状态方程＝C，气体体积膨胀，对外界做正功，B正确；由A、B分析，小瓶上升时，小瓶内气体内能增加，气体对外做功，根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，由于气体对外做功，因此吸收的热量大于增加的内能，C、D错误。故选B。] 7．(2022·北京模拟预测)如图所示，一定量的理想气体从状态a开始，经历两个状态变化过程，先后到达状态b和c。下列说法正确的是(　　) A．在a→b过程中气体对外界做功 B．在b→c过程中气体对外界做功 C．在a→b过程中气体的内能逐渐变大 D．在b→c过程中气体的内能逐渐变小 D　[由题图可知，a→b的过程中，气体体积变小，故外界对气体做功，A错误；由题图可知，b→c的过程中，气体体积变小，故外界对气体做功，B错误；因从a→b的p-图线的反向延长线过原点，由＝C(C为常数)可知，从a到b气体的等温变化，故内能不变，C错误；根据理想气体状态方程＝C可知，b→c的过程中，p不变，V减小，则T变小，则气体的内能逐渐变小，D正确。] 8．如图所示，某厂家声称所生产的空气能热水器能将热量从空气吸收到储水箱。下列说法错误的是(　　) A．热量可以自发地从空气传递到储水箱内 B．空气能热水器的工作原理违反了能量守恒定律 C．空气能热水器的工作原理违反了热力学第二定律 D．空气能热水器能够不断地把空气中的热量传到水箱内，但必须消耗电能 ABC　[该热水器将空气中的能量转移到热水中，符合能量守恒定律，但是热量不可能自发地从低温物体转移到高温物体，实质上在产生热水的过程中，必须消耗电能才能实现，因此也符合热力学第二定律，A、B、C错误，D正确。] 9．(2022·重庆模拟预测)如图所示为某同学设计的一个简易温度计，一根透明吸管插入导热良好的容器，连接处密封，在吸管内注入一小段油柱，外界大气压保持不变。将容器放入热水中，观察到油柱缓慢上升，下列说法正确的是(　　) A．气体对外做的功小于气体吸收的热量 B．气体对外做的功等于气体吸收的热量 C．容器内壁的单位面积上受到气体分子的平均作用力增大 D．容器内壁的单位面积上受到气体分子的平均作用力大小不变 AD　[将容器放入热水中，气体的温度升高，内能变大，由ΔU＝Q＋W知，气体对外做的功小于气体吸收的热量，选项A正确，B错误；气体的压强保持不变，则容器内壁的单位面积上受到气体分子的平均作用力大小不变，选项C错误，D正确。] 10．(多选)一定质量的理想气体经历如图所示的一系列过程，AB、BC、CD、DA这四段过程在p-T图像中都是直线，其中CA的延长线通过坐标原点O，下列说法正确的是(　　) A．A→B的过程中，气体对外界放热，内能不变 B．C→D的过程中，气体对外界做功，分子的平均动能减小 C．C→D过程与A→B过程相比较，两过程中气体与外界交换的热量相同 D．D→A过程与B→C过程相比较，两过程中气体与外界交换的热量相同 AD　[A对：A→B的过程中， 气体温度不变，则内能不变；压强变大，体积减小，则外界对气体做功，由ΔU＝W＋Q可知气体对外界放热。B错：C→D的过程中，温度不变，压强减小，体积变大，则气体对外界做功，分子的平均动能不变。C错：设四个状态的参量分别为A(p、V、T)，B(2p、V、T)，C(2p、V、2T)，D(p、2V、2T)，C→D过程与A→B过程相比较，两过程中气体与外界交换的热量等于气体对外界或者外界对气体做功的大小，根据W＝pΔV，两过程中压强的变化相同，但体积的变化不同，则两过程中气体对外界或者外界对气体做功的大小不同，气体与外界交换的热量不相同。D对：D→A过程与B→C过程温度的变化ΔT相同，内能变化ΔU相同；由W＝pΔV可知两过程中WDA＝WBC，则两过程中气体与外界交换的热量相同。] 二、非选择题(本题共5小题) 11．一定质量的理想气体由状态a沿abc变化到状态c，吸收了340 J的热量，并对外做功120 J。若该气体由状态a沿adc变化到状态c时，对外做功40 J，则这一过程中气体________(选填“吸收”或“放出”)________J热量。 [解析]　对该理想气体由状态a沿abc变化到状态c的过程，由热力学第一定律可得ΔU＝Q＋W＝340 J－120 J＝220 J，即从a状态到c状态，理想气体的内能增加了220 J；若该气体由状态a沿adc变化到状态c时，对外做功40 J，此过程理想气体的内能增加还是220 J，所以此过程吸收热量，再根据热力学第一定律ΔU＝Q′＋W′，得Q′＝ΔU－W′＝220 J＋40 J＝260 J。 [答案]　吸收　260 12．(2022·山西太原一模)如图所示为一茶具。当向茶具中加上足够多的开水，并在茶具顶端盖上密封良好的盖子后，泡茶几分钟水就会沿茶具口溢出。原因是茶滤内的封闭空气(可视为理想气体)温度升高，分子的平均动能________(选填“变大”“变小”或“不变”)，气体的压强______(选填“大于”“小于”或“等于”)大气压强。茶具中的水被压出的过程中，封闭空气对水做________(选填“正功”或“负功”)。 [解析]　温度升高，分子平均动能变大，根据＝C可知温度升高、体积不变，则压强增大，故封闭气体压强大于大气压强；茶具中的水被压出的过程中，封闭气体体积膨胀，对水做正功。 [答案]　变大　大于　正功 13．(2022·广东深圳光明区高级中学高三阶段练习)地暖管道使用时间过久之后内壁一般都会结垢，工人利用如图所示的地暖清洗设备对管道进行清洗。清洗前先在地暖管道中注入一段清水。清洗机具有一个体积为V的封闭气箱，通过电机工作将外界气体压入封闭气箱，当气箱内气体压强为2.5p0时，气箱与地暖之间的阀门瞬间打开，气体冲入暖气管，使暖气管中的水冲击水垢达到清洗目的。已知充气前箱内气体压强和大气压强均为p0。箱内原有气体和充入的气体均视为理想气体，充气过程中温度不变。 (1)若充气过程中，气体向外界放出的热量为Q，求电机对气体所做的功。 (2)求电机将外界多少体积的气体充入气箱时，气箱阀门才能瞬间打开。 [解析]　(1)由充气过程中温度不变，内能不变，可得ΔU＝0 ΔU＝W－Q 解得W＝Q。 (2)将外界气体ΔV充入气箱，气箱阀门瞬间打开p0V＋p0ΔV＝2.5p0V 解得ΔV＝1.5V。 [答案]　(1)Q　(2)1.5V 14．(2022·辽宁抚顺一模)一定质量的理想气体，由A状态开始经历一次循环最终又回到A状态。其p-V图像如图所示，其中A→B为绝热过程、B→C为等压过程、C→A为等容过程。已知TA＝280 K，A→B过程中外界对气体做功34 J。 (1)求B、C状态的温度。 (2)请判断整个循环过程中气体吸热还是放热，并计算吸收或者放出的热量是多少。 [解析]　(1)A→B根据理想气体状态方程＝ 解得TB＝560 K B→C是等压变化，根据盖-吕萨克定律＝ 解得TC＝840 K。 (2)根据题意WAB＝34 J B→C过程气体膨胀，外界对气体做功WBC＝－pΔV＝－p(VC－VB)＝－60 J C→A过程气体体积不变WCA＝0 整个循环过程W＝WAB＋WBC＋WCA＝－26 J 由于理想气体内能只与温度有关，所以经历一个循环过程后，内能不变，即ΔU＝0 根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q 解得Q＝26 J。 [答案]　(1)560 K　840 K　(2)吸热　26 J 15．如图所示，体积为V、内壁光滑的圆柱形导热汽缸顶部有一质量和厚度均可忽略的活塞；汽缸内密封有温度为2.4T0、压强为1.2p0的理想气体。p0和T0分别为大气的压强和温度。已知：气体内能U与温度T的关系为U＝αT，α为正的常量；容器内气体的所有变化过程都是缓慢的。求： (1)缸内气体与大气达到平衡时的体积V1； (2)在活塞下降过程中，汽缸内气体放出的热量Q。 [解析]　(1)在气体压强由p＝1.2p0下降到p0的过程中，气体体积不变，温度由T＝2.4T0变为T1 由查理定律得＝ 解得T1＝2T0 在气体温度由T1变为T0的过程中，体积由V减小到V1，气体压强不变，由盖-吕萨克定律得＝ 解得V1＝V。 (2)在活塞下降过程中，活塞对气体做的功为 W＝p0(V－V1) 在这一过程中，气体内能的减少量为 ΔU＝α(T1－T0) 由热力学第一定律得，汽缸内气体放出的热量为 Q＝W＋ΔU，解得Q＝p0V＋αT0。 [答案]　(1)V　(2)p0V＋αT0 1/25 学科网（北京）股份有限公司 $$