第三章 热力学定律（高效培优·复习讲义）物理人教版选择性必修第三册

第三章 热力学定律 【题型导航】 【重难题型讲解】 1 题型1 功、热和内能的改变 1 题型2 热力学第一定律 4 题型3 能量守恒定律 9 题型4 热力学第二定律 13 【能力培优练】 16 【链接高考】 26 【重难题型讲解】 题型1 一、功与内能的改变 1、功与内能的改变：在热力学系统的绝热过程中，当系统从状态1经过绝热过程达到状态2时，内能的变化量ΔU＝U2－U1，等于外界对系统所做的功W，即ΔU＝W。 2、在绝热过程中：外界对系统做功，系统的内能增加；系统对外做功，系统的内能减少。 3、做功与内能变化的关系：只有物体对外界做功时，内能减小；只有外界对物体做功时，内能增大．既：做功使其它形式能和内能相互转化。 （1）做功改变物体内能的过程是其他形式的能(如机械能)与内能相互转化的过程。 （2）在绝热过程中，外界对物体做功，则W>0；外界对物体做多少功，就有多少其他形式的能转化为内能，物体的内能就增加多少;物体对外界做功，则W<0；物体对外界做多少功，就有多少内能转化为其他形式的能，物体的内能就减少多少。 二、热与内能的改变 1、热传递 （1）条件：物体的温度不同。 （2）定义：两个温度不同的物体相互接触时，温度高的物体要降温，温度低的物体要升温，热量从高温物体传到了低温物体。 2、热和内能 （1）热量：它是在单纯的传热过程中系统内能变化的量度。 （2）表达式：ΔU＝Q。 （3）热传递与做功在改变系统内能上的异同 ①做功和热传递都能引起系统内能的改变。 ②做功时是内能与其他形式能的转化；热传递只是不同物体(或一个物体的不同部分)之间内能的转移。 3、热与内能的改变 （1）当系统从状态1经过单纯的传热达到状态2时，内能的变化量ΔU=U2－U1等于外界向系统传递的热量Q，即ΔU=Q。 （2）理解：在单纯的传热过程中，系统从外界吸收热量，则Q≥0，系统从外界吸收了多少热量，系统的内能就增加多少，系统向外界放热，则Q≤0，系统向外界放了多少热量，系统的内能就减少多少。 4、做功和传热在改变物体内能上的区别与联系 比较项目 做功 热传递 内能变化 外界对物体做功，物体的内能增加；物体对外界做功，物体的内能减少 物体吸收热量，内能增加；物体放出热量，内能减少 物理实质 其他形式的能与内能之间的转化 不同物体间或同一物体不同部分之间内能的转移 相互联系 做一定量的功和传递相同量的热量在改变内能的效果上是相同的 【探究归纳】做功和热传递是改变物体内能的两种方式，绝热过程中内能变化等于外界对系统做的功，热传递则是内能在物体间的转移。 【典例1-1】下列关于做功和传热的说法中，正确的是（　　） A．做功和传热都能引起系统内能的改变 B．只要外界对物体做功，物体的内能就一定改变 C．传热的条件是物体间存在内能差 D．做功和传热改变物体内能的实质是一样的 【答案】A 【详解】AD．做功和传热都能引起系统内能的改变，效果相同，但它们的实质不同，做功是其他形式的能和内能之间的转化，而传热是不同物体或一个物体的不同部分间内能的转移，A正确，D错误； B．因为热量交换情况未知，所以外界对物体做功，物体的内能不一定改变，B错误； C．传热的条件是物体间存在温度差，而不是存在内能差，C错误。 故选A。 【典例1-2】（多选）下列说法正确的是（　　） A．为了增加物体的内能，必须对物体做功或向它传递热量 B．因为液体表面层分子间距离小于液体内部分子间距离，所以液体表面存在张力 C．空气相对湿度越大，空气中水蒸气压强越接近饱和汽压，水蒸发越慢 D．分子间的引力随着分子间距增大而增大 【答案】AC 【详解】A．做功和热传递是改变物体内能的两种方法。故A正确； B．由于液体表面层分子间距离大于液体内部分子间距离，分子间表现为引力，液体表面存在张力，故B错误； C．空气相对湿度越大，空气中水蒸气压强越接近饱和汽压，水蒸发越慢，故C正确； D．分子间的引力、斥力都随着分子间距增大而减小，故D错误。 故选AC。 跟踪训练1下列改变物体内能的物理过程中，属于对物体传热来改变物体内能的有（　　） A．用锯子锯木料，锯条温度升高 B．擦火柴时，火柴头燃烧起来 C．搓搓手就感觉手暖和些 D．阳光照射地面，地面温度升高 【答案】D 【详解】A．用锯子锯木料，锯条温度升高，属于做功使物体内能增加，选项A错误； B．擦火柴时，火柴头燃烧起来，属于做功使物体内能增加，选项B错误； C．搓搓手就感觉手暖和些，属于做功使物体内能增加，选项C错误； D．阳光照射地面，地面温度升高，属于热传递使物体内能增加，选项D正确； 故选D。 跟踪训练2（多选）关于物体的内能，下列说法正确的是（     ） A．物体的内能可能为零 B．温度高的物体内能一定大 C．质量、温度均相同的同种物质，它们的内能不一定相同 D．做功和热传递是改变物体内能的两种不同方式，但其本质是不同的 【答案】CD 【详解】 A．任何物体都具有内能，A错误。 B．若温度高，而质量小，内能不一定大，故B错误。 C．物体的内能包含物体的分子动能和分子势能，温度相同，只是分子平均平动动能相等，如果分子势能不等，内能就不等，C正确。 D．改变物体内能的两种方式：做功和热传递，D正确。 故选CD。 题型2 一、热力学第一定律 1、改变内能的两种方式：做功与传热，两者对改变系统的内能是等价的。 2、热力学第一定律：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。 3、热力学第一定律的表达式：ΔU＝Q＋W。 符号 W Q △U + 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 内能减少 二、热力学第一定律的应用 1、热力学第一定律的应用 （1）W的正负：外界对系统做功时，W取正值；系统对外界做功时，W取负值。 （2）Q的正负：外界对系统传递的热量Q取正值；系统向外界传递的热量Q取负值。 2、气体状态变化的几种特殊情况 (1)绝热过程：Q＝0，则ΔU＝W，系统内能的增加(或减少)量等于外界对系统(或物体对外界)做的功。 (2)等容过程：W＝0，则ΔU＝Q，物体内能的增加量(或减少量)等于系统从外界吸收(或系统向外界放出)的热量。 (3)等温过程：始末状态一定质量理想气体的内能不变，即ΔU＝0，则W＝－Q(或Q＝－W)，外界对系统做的功等于系统放出的热量(或系统吸收的热量等于系统对外界做的功)． 3、判断气体是否做功的方法 一般情况下看气体的体积是否变化。 ①若气体体积增大，表明气体对外界做功，W<0。 ②若气体体积减小，表明外界对气体做功，W>0。 4、热力学第一定律与理想气体的图像问题相结合 （1）热力学图像包括p-V、p-T、V-T等，这些图像问题是气体状态变化的一类问题。 （2）对于热力学图像问题，如果涉及到热力学第一定律的应用，就可以称为热力学第一定律的图像问题。 【探究归纳】热力学第一定律表达式为ΔU=Q+W，表明系统内能的变化量等于外界向它传递的热量与外界对它所做功的和。 【典例2-1】气垫鞋是在鞋底的上部和下部之间加入一个气囊，能够有效降低冲击力，有非常好的减震效果，除了穿起来舒服以外，还可以对我们的膝盖起到很好的防护效果。在人从高处落地，鞋底与地面撞击的过程中，气囊体积减小，气囊中的气体未与外界发生热交换，则气囊中的气体（　　） A．单位体积分子数减少，压强减小 B．温度升高，速率大的分子数占总分子数的比例增大 C．内能增加，每个分子热运动的速率都增大 D．外界对气体做功，内能减少 【答案】B 【详解】BCD．气体体积减小，外界对气体做功，即 气体与外界无热交换，即 根据可知，气体的内能增加，温度升高，速率大的分子数占总分子数的比例增大，并不是每个分子热运动的速率都增大，故B正确，CD错误； A．气体分子总数不变，体积减小，则单位体积分子数增加，又气体的温度升高，根据可知，压强增大，故A错误。 故选B。 【典例2-2】（多选）如图所示，某同学利用身边的器材制造了一个简易的气温计，他找来一个带橡胶塞的玻璃瓶、一段干净的玻璃管（粗细均匀，长约），先向玻璃管中注入一小段红色油柱（长度可以忽略），调整油柱到适当位置，再将玻璃管靠近油柱的一端插入橡胶塞中，使管内气体与瓶中气体相通，将玻璃管固定到刻度尺上。将整个装置移到装有空调的房间内，读出室温和管中油柱对应的刻度。打开空调制热，使房间气温缓慢升高，每隔一段时间读出室内温度和油柱对应的刻度，温度升高过程中，下列说法正确的是（　　） A．该气温计温度的刻度值上高下低，刻度均匀 B．玻璃瓶中单位时间内碰撞单位面积器壁的分子数不变 C．瓶内气体对外做的功小于气体从外界吸收的热量 D．若换用体积更大的空玻璃瓶，其他条件不变，则测温范围不变 【答案】AC 【详解】A．根据题意可知，瓶内气体做等压变化，根据盖-吕萨克定律可知，瓶内气体温度越高，体积越大，管内油柱越靠近管的上端，则管上的温度刻度值应上高下低。根据盖-吕萨克定律可知，空气的体积和温度成正比，即 根据题意，假定初始温度为，瓶中空气体积为，管内空气柱长变为、其横截面积为，则有， 则，可知温度的变化量与距离的变化量成正比，则管上的温度刻度分布均匀，A正确； B．温度升高，压强不变，气体体积膨胀，单位体积内的分子数减少了，所以单位时间内碰撞单位面积器壁的分子数也减少了，B错误； C．瓶内气体膨胀对外做功，即 瓶内气体吸收热量内能增大，即 由热力学第一定律可知 即瓶内气体对外做的功小于气体从外界吸收的热量，C正确； D．由油柱距离的变化量与温度变化量关系可知，若换体积更大的玻璃瓶，其他条件不变，即在温度变化相同的情况下，管中的油柱上下距离也会变大，则其测温范围会减小，D错误。 故选AC。 【典例2-3】如图所示，一定质量的理想气体从状态A依次经过状态B、C后，最后回到状态A，其中为等压过程，为等容过程，为等温过程。求： (1)状态C的压强； (2)过程中气体与外界交换的总热量Q。 【详解】（1）为等温过程，根据玻意耳定律   解得   另解： 为等压过程，根据盖·吕萨克定律有 为等容过程，根据查理定律有 解得 （2）由题意可知，故过程中气体内能增量   过程中，气体压强不变，气体做功   过程中，气体体积不变，气体对外不做功   根据热力学第一定律   解得 跟踪训练1在河北衡水老白干的酿造过程中，粮食在容积恒定的密闭陶缸中发酵，导致缸内气体温度升高、分子数增加。若缸内气体可视为理想气体，且气体体积不变，则关于此过程，下列说法正确的是（    ） A．所有气体分子的动能都增大 B．气体内能减小 C．单位时间撞击单位面积缸壁的气体分子数增多 D．气体对外做了功 【答案】C 【详解】A．温度是分子热运动的平均动能的标志，温度升高，分子的平均动能一定增大，但这是统计规律，总存在部分分子速率减小、动能变小的情况，故A错误； B．理想气体温度升高，分子数增加，则气体内能增加，故B错误； C．由题意知气体温度升高、分子数增加，而气体体积不变，这直接导致单位体积内的分子数(分子数密度)增加，从而使单位时间内撞击单位面积缸壁的气体分子数增多，故C正确； D．在热力学中，气体对外做功的宏观必要条件是气体体积增大()，而题中明确气体体积不变()，因此气体没有对外做功，故D错误。 故选C。 跟踪训练2（多选）一定质量的密闭理想气体先经一段等压变化，再经一段等容变化，最后经一段等温变化回到初始状态．这一过程的图像如图所示，下列分析正确的是（    ） A．过程中气体吸收的热量大于气体对外界做功 B．过程中气体释放的热量等于气体内能的减少量 C．过程中外界对气体做功等于气体释放的热量 D．过程中外界对气体做功大于气体释放的热量 【答案】ABC 【详解】A．由图可知，过程中气体的温度升高，内能增大，即；气体体积增大，气体对外界做功，根据热力学第一定律可知，气体吸收的热量大于气体对外界做的功，故A正确； B．过程中气体体积不变，则做功；温度降低，内能减小，根据热力学第一定律可知，即气体释放的热量等于气体内能的减少量，故B正确； CD．过程中气体的温度不变，即气体的内能不变，即，则 所以外界对气体做功等于气体释放的热量，故C正确，D错误。 故选ABC。 跟踪训练3某款火警报警装置其原理如图所示，固定在水平地面上的导热汽缸内，表面涂有导电物质的质量为，横截面积为S的活塞密封一定质量的理想气体，常态27℃时，活塞距汽缸底部的高度为h，要求环境温度87℃时报警，已知为大气压强，重力加速度为g，不计活塞与汽缸之间的摩擦。 (1)若常态下整个装置以某一加速度a下降也恰能报警，求此时下降的加速度a； (2)若从常态到恰火灾报警时气体内能增加了，求此过程气体吸收的热量Q与大小的比值。 【详解】（1）活塞上升过程，缸内气体等压膨胀，根据盖·吕萨克定律可得 解得当环境温度达到87℃报警时，活塞上升的高度为 初始时以活塞为研究对象，根据受力平衡可得 解得常态27℃时缸内气体的压强为 当整个装置加速下降时，设缸内气体的压强为，则对活塞进行受力分析，根据牛顿第二定律有 又因为加速下降时气体为等温变化，则根据玻意耳定律有 联立解得此时下降的加速度为 （2）活塞上升过程，缸内气体等压膨胀，气体对外做功，则有 根据热力学第一定律 解得此过程缸内气体吸收的热量为 所以气体吸收的热量Q与大小的比值为 题型3 一、能量守恒定律 1、能量守恒定律的内容：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其他形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变。 2、能量守恒定律的两种表达 （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。 3、能量的相互转化：各种形式的能，通过某种力做功可以相互转化，例如：利用电炉取暖或烧水，电能转化为内能；煤燃烧，化学能转化为内能。 4、热力学第一定律与能量守恒定律的比较 （1）能量守恒定律是各种形式的能相互转化或转移的过程，总能量保持不变，它包括各个领域，范围广泛。 （2）热力学第一定律是物体内能与其他形式的能之间的相互转化或转移，是能量守恒定律在热现象领域内的具体体现。 二、永动机不可能制成 1、第一类永动机：不需要任何动力或燃料，却能不断地对外做功的机器。 （1）第一类永动机不可能制成的原因：违背了能量守恒定律。 （2）意义：正是历史上设计永动机的失败，才使后人的思考走上了正确的道路。 2、第一类永动机失败的原因分析：如果没有外界热源供给热量，则有U2－U1＝W，就是说，如果系统内能减少，即U2＜U1，则W＜0，系统对外做功是要以内能减少为代价的，若想源源不断地做功，就必须使系统不断回到初始状态，在无外界能量供给的情况下，是不可能的。 【归纳总结】能量守恒定律指能量既不会凭空产生也不会凭空消失，只会在转化或转移过程中保持总量不变，第一类永动机因违背该定律无法制成。 【典例3-1】下列说法正确的是（　　） A．气体吸收了热量，其温度一定升高 B．第一类永动机不可能造成的原因是违反了能量守恒定律 C．对于确定的液体和确定材质的毛细管，管的内径越细，毛细现象越不明显 D．晶体均有规则的几何形状 【答案】B 【详解】A．气体吸收了热量，可能同时对外做功，气体的温度不一定升高，故A错误； B．第一类永动机不可能造成的原因是违反了能量守恒定律，故B正确； C．对于确定的液体和确定材质的毛细管，管的内径越细，毛细现象越明显，故C错误； D．单晶体有规则的几何形状，多晶体没有规则的几何形状，故D错误。 故选B。 【典例3-2】（多选）如图甲，足够长的传送带与水平面的夹角，皮带在电动机的带动下，速率始终不变。时刻在传送带适当位置放上一个具有初速度的小物块。取沿斜面向上为正方向，物块在传送带上运动的速度随时间的变化如图乙所示。已知小物块质量，g取，下列说法正确的是（　　）    A．传送带顺时针转动，速度大小为2m/s B．传送带与小物块之间的动摩擦因数 C．时间内电动机多消耗的电能为36J D．时间因摩擦产生热量为15J 【答案】AC 【详解】A．从v－t图像可知，小物块最终随传送带一起匀速运动，说明传送带的速度为2m/s，因为取沿斜面向上为正方向，所以传送带顺时针转动，故A正确； B．由图可知时间内小物块的加速度为 a＝1m/s2 对物块受力分析，可得 μmgcosθ－mgsinθ＝ma 解得 μ＝ 故B错误； D．物块运动速度减为零后，反向加速经历时间为 结合v－t图像可得 t2＝3s 根据v－t图像图线与横轴围成面积表示位移可得物块向下运动过程中的位移为 故物块向下运动过程中与传送带间的相对位移为 物块向上运动过程中的位移为 物块向上运动过程中与传送带间的相对位移为 所以传送带与物块的总相对位移为 =4.5m 所以时间因摩擦产生热量为 Q＝μmgcosθ·Δs＝27J 故D错误； C．物块增加的重力势能 ΔEp＝mgsinθ·(x2-x1)＝7.5J 物块动能的增量 ΔEk＝mv2－mv02＝1.5J 则传送带多消耗的电能 W电＝Q＋ΔEp＋ΔEk＝36J 故C正确。 故选AC。 跟踪训练1关于能量，下列说法中正确的是（　　） A．人类应多开发与利用风能、太阳能等新型能源 B．因为能量守恒，所以“永动机”是存在的 C．我们要节约能源的根本原因是能量在数量上减少了 D．由于能量转化过程符合能量守恒定律，所以不会发生能源危机 【答案】A 【详解】A．人类应多开发与利用风能、太阳能等新型能源，A正确； B．因为能量守恒，所以不消耗能量而对外做功的“永动机”是不存在的，B错误； C．我们要节约能源的根本原因是可利用能源的数量在不断减少，能量的总量是不变的，C错误； D．虽然能量守恒，但是能量转化具有方向性，同时可利用能源在逐渐减少，D错误。 故选A。 跟踪训练2（多选）关于以下四幅图的描述，正确的是（　　） A．图甲是研究布朗运动的实验记录，图中的折线是花粉颗粒的运动轨迹，说明花粉的运动是规则的 B．图乙是水银在玻璃管中呈现出液面上凸的现象，说明水银不能浸润玻璃 C．图丙是光在方解石中的双折射现象，说明方解石是晶体 D．图丁是永动机的示意图，此类永动机不可制成的原因是违背了热力学第二定律 【答案】BC 【详解】A．图甲为花粉颗粒每隔一段时间的位置的连线，不是运动轨迹，同时花粉的布朗运动是无规则的，故A错误； B．对于玻璃，水银时不浸润液体，在水银表面张力作用下呈现上凸，故B正确； C．双折射现象时光学各向异性的表现，所以方解石是各向异性的晶体，故C正确； D．此类永动机不可制成的原因是违背了热力学第一定律，故D错误。 故选BC。 题型4 一、热力学第二定律 1、热力学第二定律的定义：在物理学中，反映宏观自然过程的方向性的定律。 2、热力学第二定律的克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传到高温物体，阐述的是传热的方向性。 3、热力学第二定律的开尔文表述：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。 （1）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。 （2）其他影响：指除了从单一热库吸收的热量，以及所做的功以外的其他一切影响；或者除了从低温物体吸收热量、高温物体得到相同的热量外，其他一切影响和变化，不是不能从单一热库吸收热量而对外做功，而是这样做的结果，一定伴随着其他变化或影响。 4、第二类永动机不可制成 （1）定义：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。 （2）第二类永动机不可能制成的原因：违背了热力学第二定律，但没有违背能量守恒定律。 二、能源是有限的 1、能量耗散：有序度较高(集中度较高)的能量转化为内能，流散到环境中无法重新收集起来加以利用的现象。 （1）能量耗散从能量转化的角度反映出自然界中的自发变化过程具有方向性。 （2）能量耗散虽然不会导致能量总量的减少，却会导致能量品质的降低，它实际上是将能量从高度有用的高品质形式降级为不大可用的低品质形式。 2、熵增加原理 （1）原理：热力学第二定律有许多表述形式，因此可以将它表述为任何孤立的系统，它的总熵永远不会减少．即自然界的一切自发过程，总是朝着熵增加的方向进行的，这个就是熵增加原理。 （2）孤立系统：与外界没有物质交换．热交换，与外界也没有力的相互作用、电磁作用的系统．即强调了自发性。 3、有序向无序的转化：系统自发的过程总是从有序到无序的；熵是表征系统的无序程度的物理量，熵越大，系统的无序程度越高。 【归纳总结】热力学第二定律表明了宏观热现象具有单向不可逆性，无法自发逆向进行。 【典例4-1】下列说法正确的是（　　） A．我国风能资源丰富，风能是不可再生能源 B．一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的 C．自然界的能量是守恒的，不会凭空消失，所以我们不需要节约能源 D．能量的耗散表明在能源的利用过程中，能量在数量上减少了，可利用的品质上也降低了 【答案】B 【详解】A．风能属于可再生能源，因为它是通过自然循环不断产生的，故A错误； B．根据热力学第二定律，所有与热现象相关的宏观自然过程都具有方向性，不可逆，故B正确； C．虽然总能量守恒，但能源利用时能量品质降低，有效可用能源减少，因此仍需节约能源，故C错误； D．能量耗散指能量品质降低，但总数量并未减少，故D错误。 故选B。 【典例4-2】（多选）下列有关热现象的说法正确的是（　　） A．所有晶体都有固定的形状、固定的熔点和沸点 B．“压青苗”是用磙子压紧土壤，这是为了破坏土壤里的毛细管，保存地下水分 C．毛细现象是浸润和不浸润及液体表面张力作用形成的现象，现象是否明显与液体种类和毛细管材料有关 D．第二类永动机虽然不违背能量守恒定律，但违背热力学第二定律 【答案】CD 【详解】A．所有晶体都有固定的熔点和沸点，但多晶体在宏观上没有固定的形状，故A错误； B．“压青苗”是用磙子压紧土壤，是为了形成更多更细的毛细管，让地下水分沿毛细管上升，滋润青苗，故B错误； C．毛细现象是浸润和不浸润及液体表面张力作用形成的现象，不同液体表面张力系数不同，不同材料对液体的浸润情况也不同，所以现象是否明显与液体种类和毛细管材料有关，故C正确； D．第二类永动机虽然不违背能量守恒定律，但违背热力学第二定律，故D正确。 故选 CD。 跟踪训练1根据你所学的热学知识，下列说法中正确的是（　　） A．理想气体吸收热量后，温度一定升高 B．根据热力学第二定律可知，热量不可能从低温物体传到高温物体 C．在热机中，燃气的内能不可能全部转化为机械能 D．物体放出热量，同时对外做功，其内能可能不变 【答案】C 【详解】A．根据热力学第一定律 ，若理想气体吸收热量（）但对外做功（），则内能可能不变（如等温膨胀过程），温度也不变，A错误； B．热力学第二定律的克劳修斯表述指出，热量不能自发从低温物体传到高温物体，但通过外界做功（如制冷机）可以实现，B错误； C．根据热力学第二定律，热机效率不可能为100%，必然有部分热量排放到低温热源，因此燃气的内能无法完全转化为机械能，C正确； D．根据热力学第一定律，物体放出热量，同时对外做功，那么，内能一定减小，不可能不变，D错误。 故选C。 跟踪训练2（多选）如图所示，导热汽缸内封闭一定质量的理想气体，外界环境保持恒温，活塞与汽缸壁光滑接触，现将活塞杆缓慢向右移动，这样气体将等温膨胀并通过活塞对外做功，下列说法正确的是（  ） A．所有气体分子热运动的速率都相等 B．气体的压强减小 C．气体对外做功，从外界吸收热量，但内能不变 D．气体从单一热源吸收热量，若全部用来对外做功时，会违反热力学第二定律 【答案】BC 【详解】A．在一定的温度下，气体分子热运动的速率各不相同，具有一定的统计分布，A错误； B．气体温度不变，体积增大，根据玻意耳定律，压强减小，B正确； C．一定质量的理想气体的内能只与温度有关，因温度不变，因此内能不变，气体吸收的热量等于对外做的功，C正确； D．气体从单一热源吸热，全部用来对外做功，会引起其它的变化，不会违反热力学第二定律，D错误。 故选BC。 【能力培优练】 1．《中华人民共和国道路交通安全法实施条例》第六十二条规定：不得连续驾驶机动车超过4小时未停车休息或者停车休息时间少于20分钟。长时间行车不仅驾驶员会疲劳，而且汽车轮胎与地面摩擦会使得轮胎变热，有安全隐患。一辆汽车行驶4小时后轮胎变热，轮胎内气体温度也会升高，设此过程中轮胎体积不变且没有气体泄漏，胎内气体可视为理想气体，下列说法正确的是（　　） A．该段时间内，外界对轮胎内气体做正功 B．该段时间内，轮胎内气体对外界做正功 C．轮胎内气体的内能减小 D．轮胎内气体分子平均速率增大 【答案】D 【详解】AB．轮胎体积不变，气体体积一定，可知，外界与气体之间不做功，故AB错误； C．理想气体内能仅由温度决定，温度升高则内能增大，故C错误； D．温度升高，气体分子平均动能增大，可知，分子平均速率增大，故D正确。 故选D。 2．某地突发洪涝灾害，救援人员驾驶气垫船施救，到达救援地点后，将围困在水中的群众拉上气垫船，如图所示。若在救援人员将群众拉上气垫船的过程中，气垫船中气垫内的气体视为理想气体，温度保持不变，气垫不漏气。则在该过程中，下列说法正确的是（    ） A．气垫内的气体从外界吸收热量 B．外界对气垫内的气体不做功 C．气垫内的气体内能增加 D．气垫内的气体压强增大 【答案】D 【详解】C．该过程中气垫内的气体温度不变，则气垫内的气体内能不变，故C错误； ABD．在救援人员将群众拉上气垫船的过程中气垫船所受压力增大，则气垫内的气体压强增大，根据玻意耳定律可知，气垫内的气体体积减小，外界对气垫内的气体做正功；根据热力学第一定律可知，气垫内的气体向外界放热，故AB错误，D正确。 故选D。 3．很多国产汽车都可以通过传感器监测汽车轮胎内气体的温度和压强，通过某天监控数据发现，中午12点的气温比早上8点的气温升高了10℃，轮胎内气压升高了0.1个标准大气压，轮胎不漏气，气体可看成理想气体，忽略气体体积变化。与早上相比（　　） A．轮胎内气体吸收的热量等于其内能的增加量 B．轮胎内气体内能不变 C．单位时间内轮胎内气体分子碰撞内壁的次数不变 D．轮胎内气体分子数密度变小 【答案】A 【详解】A．由题知忽略气体体积变化，则，根据热力学第一定律 可得 即气体吸收的热量等于气体内能的增加量，故A正确； B．理想气体内能仅由温度决定，温度升高则内能增加，故B错误； C．气体发生等容变化，温度升高，压强增大，故单位时间内单位面积的气体分子碰撞次数增加，故C错误； D．轮胎体积不变，气体分子总数不变，因此分子数密度不变，故D错误。 故选A。 4．如图所示，自动洗衣机的洗衣缸与细管连通，细管内封闭一定质量的气体。洗衣缸进水时气体被压缩，设细管内气体温度不变，则气体（　　） A．在该过程中吸收热量 B．分子平均动能变大 C．分子数密度变大 D．分子与细管单位面积上的撞击力变小 【答案】C 【详解】BCD．洗衣缸内水位升高，洗衣缸与细管内水面的高度差增大，细管内气体的压强增大，分子与细管单位面积上的撞击力变大，细管内气体温度不变，则气体分子平均动能不变，根据玻意耳定律可知细管内被封闭的空气体积减小，分子数密度变大，故BD错误，C正确； A．设细管内气体温度不变，分子平均动能不变，内能不变，空气体积减小，外界对气体做正功，根据热力学第一定律ΔU=W+Q 可知该过程中气体放出热量，故A错误。 故选C。 5．上端封闭、下端开口的导热玻璃管倒扣在水槽中，处于静止状态。现缓慢向下按压玻璃管、管上端未进入水面，如图所示。则此过程中管内（　　） A．气体分子数密度变小 B．气体分子平均动能变大 C．水面上升 D．气体放热 【答案】D 【详解】BC．按压玻璃管，假设管内水面不动，其与水槽内的水面高度差h不变，则管内气体体积减小，气体温度不变，根据理想气体状态方程 可知管内气压增大，该结论与管内气压矛盾，故假设不成立，管内气压的增大必然导致管内水面下降，同时气体分子平均动能由温度决定，可知气体分子平均动能不变，故BC错误； A．根据理想气体状态方程 管内气压增大，气体温度不变，可知管内气体体积减小，气体分子数密度增大，故A错误； D．管内气体体积减小，外界对气体做功；气体温度不变，内能不变，由热力学第一定律 可知气体放热，故D正确。 故选D。 6．如图甲是“小型潜艇—浮沉子”的模型。现用手挤压塑料瓶或改变塑料瓶内温度等方式可以使小瓶下沉到底部；然后保持气体温度不变，松开塑料瓶后，小瓶缓慢上浮。假如塑料瓶内液面上方的气体从状态A开始，经历A→B→C→A循环回到A状态，其压强p随体积倒数变化的图像如图乙所示，其中AB的反向延长线过原点O，BC为双曲线，CA与横轴平行。所有气体视为理想气体，下列关于塑料瓶内液面上方气体的分析正确的是（　　） A．A→B过程气体内能增大 B．挤压塑料瓶时，小玻璃瓶下沉的主要原因是塑料瓶中液面上方气体压强减小 C．C→A过程塑料瓶内气体温度升高 D．A→B→C→A全过程气体从外界吸收热量 【答案】C 【详解】A．在A→B过程中，AB的反向延长线过原点O，说明与成正比，即 这是等温过程，理想气体的内能只与温度有关，温度不变，所以内能不变，故A错误； B．挤压塑料瓶时，塑料瓶中气体体积减小，气体压强增大，故B错误； C．由图像可知，过程是等压过程，V与T成正比，气体体积增大，所以气体的温度升高，故C正确； D．在过程中，气体体积减小，外界对气体做功，在过程中，气体体积增大，气体对外界做功。两个过程中气体体积变化量大小相同，且根据图像可知，过程压强大于过程压强，则外界对气体做功大于气体对外界做功，即 全过程回到初始状态A，内能变化 根据热力学第一定律 可得，所以全过程气体放出热量，故D错误。 故选C。 7．如图所示，一个导热良好的圆柱形汽缸，开口向上竖直放置于水平面上，缸内储存文物，用活塞封闭一定质量的理想气体。现环境温度缓慢升高，活塞离汽缸底部的距离由h变为H，已知大气压恒定，活塞与汽缸壁密封良好且不计摩擦，忽略文物热胀冷缩的影响，则下列说法正确的是（    ） A．气体压强增大 B．气体对外做功，内能增大 C．气体放出热量 D．单位时间撞击器壁单位面积的气体分子数增多 【答案】B 【详解】A．设活塞的质量为m，对活塞受力分析，根据平衡条件可得 解得气体的压强为 因此整个过程气体的压强不变，故A错误； B．由题可知，整个过程气体膨胀对外做功，温度升高内能增大，故B正确； C．根据上述分析可知，气体内能增大，则有 气体对外做功，则有 结合热力学第一定律 解得 则 气体吸收热量，故C错误； D．由于气体等压膨胀，体积增大，分子数密度减小，单位时间撞击器壁单位面积的气体分子数减少，故D错误。 故选B。 8．洪涝灾害时，可利用圆柱形塑料盆实施紧急漂浮自救，如图（a）所示。将盆口用力向下迅速竖直压入水面，如图（b）所示。设盆内气体可以视为理想气体，盆内气体压缩过程中与外界无热量交换。关于此过程说法正确的是（    ）    A．大小保持不变 B．气体压强与体积成反比 C．封闭气体分子的无规则运动更加剧烈 D．气体内能保持不变 【答案】C 【详解】A．将盆用力向下迅速竖直压入水面，受力分析有 即 因为下压过程为绝热压缩，气体体积减小、温度升高，压强增大，所以逐渐增大，故A错误； B．气体经历的是绝热压缩过程，不是等温过程，不满足玻意耳定律，故B错误； CD．由于竖直向下压盆过程中，外界对气体做功，忽略此过程中封闭气体与外界的热交换，根据热力学第一定律可知，气体内能增大，温度升高，气体分子的无规则运动更加剧烈，故C正确，D错误。 故选C。 9．（多选）如图甲所示，消防员用双手环抱住倒扣的盆体，将盆口压入水中，演示在水中使用塑料盆进行自救的方法，其示意图如图乙所示。若盆中空气可视为理想气体，且温度保持不变，则在将盆缓慢下压的过程中（　　） A．盆中气体压强不变 B．盆中气体体积不变 C．气体内能保持不变 D．气体向外界放出热量 【答案】CD 【详解】A．温度保持不变，将盆缓慢下压的过程中，气体体积减小，根据玻意耳定律可知，气体压强增大，故A错误； B．结合上述可知，将盆缓慢下压的过程中，气体体积减小，故B错误； C．气体温度不变，则气体内能保持不变，故C正确； D．结合上述，气体内能不变，体积减小，外界对气体做功，根据热力学第一定律可知，气体向外界放出热量，故D正确。 故选CD。 10．（多选）下列说法中正确的是（　　） A．两个分子在相互靠近的过程中其分子力一定逐渐增大，而分子势能一定先减小后增大 B．在温度不变的条件下，一定质量的理想气体体积增大，此过程气体一定吸热 C．布朗运动不是分子的运动，但间接地反映了液体分子运动的无规则性 D．叶面上的露珠总是球形的，是因为液体的表面张力 【答案】BCD 【详解】A．若两个分子从相距大于平衡距离r0的位置开始相互靠近的过程中，分子力（合力）先增大后减小（至零），再变为斥力并增大；分子势能先减小（至r0处最小），后增大，故A错误； B．在温度不变的条件下，一定质量的理想气体体积增大，气体对外做功，根据热力学第一定律可知，此过程气体一定吸热，故B正确； C．布朗运动是微小颗粒的无规则运动，是反映了分子无规则的热运动，故C正确； D．由于表面张力作用，水珠总是呈球形出现，故D正确。 故选BCD。 11．（多选）某登山者的携带物品中有半瓶矿泉水且瓶盖拧紧，当他由山底登上山顶后，发现山顶温度较低但水瓶比在山底时变鼓了，关于瓶内的气体下列说法正确的是（　　） A．瓶内每个气体分子的动能都变小 B．瓶内气体在单位时间内碰撞瓶体单位面积的分子个数变少 C．登山的过程中瓶内气体对水瓶做负功 D．登山的过程中瓶内气体对水瓶做正功 【答案】BD 【详解】A．山顶温度较低，气体温度降低，这并不能说明每一个气体分子的动能在变小，只是分子运动的平均动能在变小，故A错误； B．山顶温度较低但水瓶比在山底时变鼓了，由于瓶子变鼓是因为外界气压下降更多，瓶内气压高于外界，但瓶内气压仍比在山底时低，可得气体压强变小，故瓶内气体在单位时间内碰撞瓶体单位面积的分子个数变少，B正确； CD．水瓶比在山底时变鼓了，说明气体体积变大，对外做功，故瓶内气体对水瓶做正功，故C错误，D正确。 故选BD。 12．（多选）一定质量的理想气体从状态A变化到状态B，最后变化到状态C，V-T图像如图所示。已知该气体在状态B时的压强为下列说法正确的是（　　） A．状态A时的气体压强为 B．A→B过程气体放热 C．B→C过程气体压强增大 D．B→C过程气体对外做功 【答案】BD 【详解】A．从A到B为等温变化，则状态A时的气体压强为，选项A错误； B．A→B过程气体温度不变，内能不变，体积减小，外界对气体做功，根据热力学第一定律可知气体放热，选项B正确； C．因 可知B→C过程气体压强不变，选项C错误； D．B→C过程气体体积增加，对外做功，选项D正确。 故选BD。 13．2025年暑假，某市持续38℃以上高温天气，这样的天气如果在车内放置液体打火机，它极易受热爆裂。若汽车内初始温度为27℃，车内一打火机内封闭了质量为m的气体（可视为理想气体），且其压强为（为大气压强）。 (1)求长时间暴晒后打火机内气体压强增大到时，汽车内的温度上升到多少？ (2)当打火机破裂漏气时，气体膨胀过程中对外做功5J、内能减少了15J，则气体在膨胀过程中是吸热还是放热？对应的热量Q多大？ 【详解】（1）设汽车内的温度上升到t，打火机内气体发生等容变化，根据查理定律有 即 解得 （2）根据热力学第一定律有 其中，，代入数据得 该过程为放热。 14．小朋友们喜欢去海洋馆内游玩，馆中有“美人鱼”吐泡泡的项目，小小的气泡越来越大，非常神奇。某个小气泡从到水面的距离处的水底被吐出，气泡缓慢上浮。若气泡内的气体可视为理想气体，水的温度与深度无关，水的密度，大气压强恒为，取重力加速度大小。 (1)求当气泡上升时，气泡内气体的体积与在水底时的体积的比值n； (2)若在（1）过程中气泡对水做的功，求该过程中气泡吸收或放出的热量Q。 【详解】（1）开始时气泡内气体的压强 气泡上升后的压强 设上升前、后气泡的体积分别为V和nV，由玻意耳定律有 解得 （2）由题意可知气泡上升过程中温度不变，则气泡内气体的内能不变，由热力学第一定律有 解得 即气体从外界吸收的热量为。 15．如图所示，质量、内壁横截面积、深度、导热性能良好、内壁光滑的汽缸开口向下放置在粗糙的水平面上（汽缸下部分与大气相通），内部有质量、厚度不计的活塞将一定质量的理想气体封闭在缸内，开始时环境温度为，活塞距汽缸顶部。现环境温度缓慢升高到热力学温度T时，汽缸侧壁对水平面上恰好无压力，在该过程中气体吸收的热量为9J，大气压强，重力加速度g取。求： (1)热力学温度T； (2)该过程中气体内能的变化量。 【详解】（1）初状态气体体积，温度 分析活塞受力平衡有 解得 末状态气体体积，温度 分析汽缸受力平衡有 解得 根据理想气体状态方程有 解得 （2）活塞下移过程中封闭气体对外做功 根据热力学第一定律 其中气体对外做功取负值，吸收热量取正值，代入解得 故内能增大。 【链接高考】 1．（2025·河北·高考真题）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 【答案】A 【详解】A．皮球体积变大，气体膨胀，对外界做功，故A正确。 B．太阳暴晒使气体温度升高，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。 C．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。 D．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。 故选A。 2．（2025·安徽·高考真题）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 【答案】A 【详解】根据题意可知，气球缓慢上升的过程中，气体温度不变，则气体的内能不变，分子的平均动能不变，气体的体积变大，气体对外做功，由热力学第一定律可知，由于气体的内能不变，则吸收的热量与气体对外做的功相等。 故选A。 3．（2025·江苏·高考真题）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 【答案】D 【详解】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可知，气体压强减小。 故选D。 4．（2024·海南·高考真题）（多选）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O点，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 【答案】AC 【详解】A．由理想气体状态方程 化简可得 由图像可知，图像的斜率越大，压强越小，故 pa < pb = pcbc过程为等压变化，体积减小，外界对气体做功，故A正确； B．由理想气体状态方程 化简可得 由图像可知，图像的斜率越大，压强越小，故 ca过程气体压强减小，故B错误； C．ab过程为等温变化，内能不变，故 根据玻意耳定律可知，体积减小，压强增大，外界对气体做功，故 根据热力学第一定律 解得 Ab过程气体放出热量，故C正确； D．ca过程，温度升高，内能增大，故D错误。 故选C。 5．（2026·浙江·高考真题）如图所示，导热良好的瓶内，用一质量为m1、横截面积为S的活塞封闭一定质量的理想气体，活塞能无摩擦滑动，在活塞上方有质量为的液体。初始时，瓶内气体处于状态 A，体积为。将一根质量不计的细管插入液体，液体在细管中上升到一定高度后保持静止，随后通过细管缓慢吸走全部液体，此时瓶内气体处于状态B。环境温度保持不变，从状态A到状态 B 过程中，气体吸收热量。已知，，，，大气压强，g=10m/s2。 (1)图中液体________（选填“浸润”或“不浸润”）管壁，若细管仅内径变小，与原细管相比，管内液面将________（选填“升高”、“不变”或“降低”）； (2)求气体在状态B时的体积； (3)求气体从状态A到状态B过程中对外做的功。 【答案】(1) 浸润 升高 (2)420cm3 (3)2.05J 【详解】（1）[1][2]图中管中液面上升且液面呈现凹状，则液体浸润管壁，若细管仅内径变小，与原细管相比，毛细现象更加明显，管内液面升高。 （2）初态对活塞以及上面的液体分析可知气体压强 末态吸走液体后气体的压强为 根据玻意耳定律可知 解得气体在状态B时的体积为 （3）气体从状态A到状态B过程中气体温度不变，则根据热力学第一定律 其中 即气体对外做的功2.05J。 / 学科网（北京）股份有限公司 $ 第三章 热力学定律 【题型导航】 【重难题型讲解】 1 题型1 功、热和内能的改变 1 题型2 热力学第一定律 3 题型3 能量守恒定律 6 题型4 热力学第二定律 8 【能力培优练】 10 【链接高考】 15 【重难题型讲解】 题型1 一、功与内能的改变 1、功与内能的改变：在热力学系统的绝热过程中，当系统从状态1经过绝热过程达到状态2时，内能的变化量ΔU＝U2－U1，等于外界对系统所做的功W，即ΔU＝W。 2、在绝热过程中：外界对系统做功，系统的内能增加；系统对外做功，系统的内能减少。 3、做功与内能变化的关系：只有物体对外界做功时，内能减小；只有外界对物体做功时，内能增大．既：做功使其它形式能和内能相互转化。 （1）做功改变物体内能的过程是其他形式的能(如机械能)与内能相互转化的过程。 （2）在绝热过程中，外界对物体做功，则W>0；外界对物体做多少功，就有多少其他形式的能转化为内能，物体的内能就增加多少;物体对外界做功，则W<0；物体对外界做多少功，就有多少内能转化为其他形式的能，物体的内能就减少多少。 二、热与内能的改变 1、热传递 （1）条件：物体的温度不同。 （2）定义：两个温度不同的物体相互接触时，温度高的物体要降温，温度低的物体要升温，热量从高温物体传到了低温物体。 2、热和内能 （1）热量：它是在单纯的传热过程中系统内能变化的量度。 （2）表达式：ΔU＝Q。 （3）热传递与做功在改变系统内能上的异同 ①做功和热传递都能引起系统内能的改变。 ②做功时是内能与其他形式能的转化；热传递只是不同物体(或一个物体的不同部分)之间内能的转移。 3、热与内能的改变 （1）当系统从状态1经过单纯的传热达到状态2时，内能的变化量ΔU=U2－U1等于外界向系统传递的热量Q，即ΔU=Q。 （2）理解：在单纯的传热过程中，系统从外界吸收热量，则Q≥0，系统从外界吸收了多少热量，系统的内能就增加多少，系统向外界放热，则Q≤0，系统向外界放了多少热量，系统的内能就减少多少。 4、做功和传热在改变物体内能上的区别与联系 比较项目 做功 热传递 内能变化 外界对物体做功，物体的内能增加；物体对外界做功，物体的内能减少 物体吸收热量，内能增加；物体放出热量，内能减少 物理实质 其他形式的能与内能之间的转化 不同物体间或同一物体不同部分之间内能的转移 相互联系 做一定量的功和传递相同量的热量在改变内能的效果上是相同的 【探究归纳】做功和热传递是改变物体内能的两种方式，绝热过程中内能变化等于外界对系统做的功，热传递则是内能在物体间的转移。 【典例1-1】下列关于做功和传热的说法中，正确的是（　　） A．做功和传热都能引起系统内能的改变 B．只要外界对物体做功，物体的内能就一定改变 C．传热的条件是物体间存在内能差 D．做功和传热改变物体内能的实质是一样的 【典例1-2】（多选）下列说法正确的是（　　） A．为了增加物体的内能，必须对物体做功或向它传递热量 B．因为液体表面层分子间距离小于液体内部分子间距离，所以液体表面存在张力 C．空气相对湿度越大，空气中水蒸气压强越接近饱和汽压，水蒸发越慢 D．分子间的引力随着分子间距增大而增大 跟踪训练1下列改变物体内能的物理过程中，属于对物体传热来改变物体内能的有（　　） A．用锯子锯木料，锯条温度升高 B．擦火柴时，火柴头燃烧起来 C．搓搓手就感觉手暖和些 D．阳光照射地面，地面温度升高 跟踪训练2（多选）关于物体的内能，下列说法正确的是（     ） A．物体的内能可能为零 B．温度高的物体内能一定大 C．质量、温度均相同的同种物质，它们的内能不一定相同 D．做功和热传递是改变物体内能的两种不同方式，但其本质是不同的 题型2 一、热力学第一定律 1、改变内能的两种方式：做功与传热，两者对改变系统的内能是等价的。 2、热力学第一定律：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。 3、热力学第一定律的表达式：ΔU＝Q＋W。 符号 W Q △U + 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 内能减少 二、热力学第一定律的应用 1、热力学第一定律的应用 （1）W的正负：外界对系统做功时，W取正值；系统对外界做功时，W取负值。 （2）Q的正负：外界对系统传递的热量Q取正值；系统向外界传递的热量Q取负值。 2、气体状态变化的几种特殊情况 (1)绝热过程：Q＝0，则ΔU＝W，系统内能的增加(或减少)量等于外界对系统(或物体对外界)做的功。 (2)等容过程：W＝0，则ΔU＝Q，物体内能的增加量(或减少量)等于系统从外界吸收(或系统向外界放出)的热量。 (3)等温过程：始末状态一定质量理想气体的内能不变，即ΔU＝0，则W＝－Q(或Q＝－W)，外界对系统做的功等于系统放出的热量(或系统吸收的热量等于系统对外界做的功)． 3、判断气体是否做功的方法 一般情况下看气体的体积是否变化。 ①若气体体积增大，表明气体对外界做功，W<0。 ②若气体体积减小，表明外界对气体做功，W>0。 4、热力学第一定律与理想气体的图像问题相结合 （1）热力学图像包括p-V、p-T、V-T等，这些图像问题是气体状态变化的一类问题。 （2）对于热力学图像问题，如果涉及到热力学第一定律的应用，就可以称为热力学第一定律的图像问题。 【探究归纳】热力学第一定律表达式为ΔU=Q+W，表明系统内能的变化量等于外界向它传递的热量与外界对它所做功的和。 【典例2-1】气垫鞋是在鞋底的上部和下部之间加入一个气囊，能够有效降低冲击力，有非常好的减震效果，除了穿起来舒服以外，还可以对我们的膝盖起到很好的防护效果。在人从高处落地，鞋底与地面撞击的过程中，气囊体积减小，气囊中的气体未与外界发生热交换，则气囊中的气体（　　） A．单位体积分子数减少，压强减小 B．温度升高，速率大的分子数占总分子数的比例增大 C．内能增加，每个分子热运动的速率都增大 D．外界对气体做功，内能减少 【典例2-2】（多选）如图所示，某同学利用身边的器材制造了一个简易的气温计，他找来一个带橡胶塞的玻璃瓶、一段干净的玻璃管（粗细均匀，长约），先向玻璃管中注入一小段红色油柱（长度可以忽略），调整油柱到适当位置，再将玻璃管靠近油柱的一端插入橡胶塞中，使管内气体与瓶中气体相通，将玻璃管固定到刻度尺上。将整个装置移到装有空调的房间内，读出室温和管中油柱对应的刻度。打开空调制热，使房间气温缓慢升高，每隔一段时间读出室内温度和油柱对应的刻度，温度升高过程中，下列说法正确的是（　　） A．该气温计温度的刻度值上高下低，刻度均匀 B．玻璃瓶中单位时间内碰撞单位面积器壁的分子数不变 C．瓶内气体对外做的功小于气体从外界吸收的热量 D．若换用体积更大的空玻璃瓶，其他条件不变，则测温范围不变 【典例2-3】如图所示，一定质量的理想气体从状态A依次经过状态B、C后，最后回到状态A，其中为等压过程，为等容过程，为等温过程。求： (1)状态C的压强； (2)过程中气体与外界交换的总热量Q。 跟踪训练1在河北衡水老白干的酿造过程中，粮食在容积恒定的密闭陶缸中发酵，导致缸内气体温度升高、分子数增加。若缸内气体可视为理想气体，且气体体积不变，则关于此过程，下列说法正确的是（    ） A．所有气体分子的动能都增大 B．气体内能减小 C．单位时间撞击单位面积缸壁的气体分子数增多 D．气体对外做了功 跟踪训练2（多选）一定质量的密闭理想气体先经一段等压变化，再经一段等容变化，最后经一段等温变化回到初始状态．这一过程的图像如图所示，下列分析正确的是（    ） A．过程中气体吸收的热量大于气体对外界做功 B．过程中气体释放的热量等于气体内能的减少量 C．过程中外界对气体做功等于气体释放的热量 D．过程中外界对气体做功大于气体释放的热量 跟踪训练3某款火警报警装置其原理如图所示，固定在水平地面上的导热汽缸内，表面涂有导电物质的质量为，横截面积为S的活塞密封一定质量的理想气体，常态27℃时，活塞距汽缸底部的高度为h，要求环境温度87℃时报警，已知为大气压强，重力加速度为g，不计活塞与汽缸之间的摩擦。 (1)若常态下整个装置以某一加速度a下降也恰能报警，求此时下降的加速度a； (2)若从常态到恰火灾报警时气体内能增加了，求此过程气体吸收的热量Q与大小的比值。 题型3 一、能量守恒定律 1、能量守恒定律的内容：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其他形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变。 2、能量守恒定律的两种表达 （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。 3、能量的相互转化：各种形式的能，通过某种力做功可以相互转化，例如：利用电炉取暖或烧水，电能转化为内能；煤燃烧，化学能转化为内能。 4、热力学第一定律与能量守恒定律的比较 （1）能量守恒定律是各种形式的能相互转化或转移的过程，总能量保持不变，它包括各个领域，范围广泛。 （2）热力学第一定律是物体内能与其他形式的能之间的相互转化或转移，是能量守恒定律在热现象领域内的具体体现。 二、永动机不可能制成 1、第一类永动机：不需要任何动力或燃料，却能不断地对外做功的机器。 （1）第一类永动机不可能制成的原因：违背了能量守恒定律。 （2）意义：正是历史上设计永动机的失败，才使后人的思考走上了正确的道路。 2、第一类永动机失败的原因分析：如果没有外界热源供给热量，则有U2－U1＝W，就是说，如果系统内能减少，即U2＜U1，则W＜0，系统对外做功是要以内能减少为代价的，若想源源不断地做功，就必须使系统不断回到初始状态，在无外界能量供给的情况下，是不可能的。 【归纳总结】能量守恒定律指能量既不会凭空产生也不会凭空消失，只会在转化或转移过程中保持总量不变，第一类永动机因违背该定律无法制成。 【典例3-1】下列说法正确的是（　　） A．气体吸收了热量，其温度一定升高 B．第一类永动机不可能造成的原因是违反了能量守恒定律 C．对于确定的液体和确定材质的毛细管，管的内径越细，毛细现象越不明显 D．晶体均有规则的几何形状 【典例3-2】（多选）如图甲，足够长的传送带与水平面的夹角，皮带在电动机的带动下，速率始终不变。时刻在传送带适当位置放上一个具有初速度的小物块。取沿斜面向上为正方向，物块在传送带上运动的速度随时间的变化如图乙所示。已知小物块质量，g取，下列说法正确的是（　　）    A．传送带顺时针转动，速度大小为2m/s B．传送带与小物块之间的动摩擦因数 C．时间内电动机多消耗的电能为36J D．时间因摩擦产生热量为15J 跟踪训练1关于能量，下列说法中正确的是（　　） A．人类应多开发与利用风能、太阳能等新型能源 B．因为能量守恒，所以“永动机”是存在的 C．我们要节约能源的根本原因是能量在数量上减少了 D．由于能量转化过程符合能量守恒定律，所以不会发生能源危机 跟踪训练2（多选）关于以下四幅图的描述，正确的是（　　） A．图甲是研究布朗运动的实验记录，图中的折线是花粉颗粒的运动轨迹，说明花粉的运动是规则的 B．图乙是水银在玻璃管中呈现出液面上凸的现象，说明水银不能浸润玻璃 C．图丙是光在方解石中的双折射现象，说明方解石是晶体 D．图丁是永动机的示意图，此类永动机不可制成的原因是违背了热力学第二定律 题型4 一、热力学第二定律 1、热力学第二定律的定义：在物理学中，反映宏观自然过程的方向性的定律。 2、热力学第二定律的克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传到高温物体，阐述的是传热的方向性。 3、热力学第二定律的开尔文表述：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。 （1）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。 （2）其他影响：指除了从单一热库吸收的热量，以及所做的功以外的其他一切影响；或者除了从低温物体吸收热量、高温物体得到相同的热量外，其他一切影响和变化，不是不能从单一热库吸收热量而对外做功，而是这样做的结果，一定伴随着其他变化或影响。 4、第二类永动机不可制成 （1）定义：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。 （2）第二类永动机不可能制成的原因：违背了热力学第二定律，但没有违背能量守恒定律。 二、能源是有限的 1、能量耗散：有序度较高(集中度较高)的能量转化为内能，流散到环境中无法重新收集起来加以利用的现象。 （1）能量耗散从能量转化的角度反映出自然界中的自发变化过程具有方向性。 （2）能量耗散虽然不会导致能量总量的减少，却会导致能量品质的降低，它实际上是将能量从高度有用的高品质形式降级为不大可用的低品质形式。 2、熵增加原理 （1）原理：热力学第二定律有许多表述形式，因此可以将它表述为任何孤立的系统，它的总熵永远不会减少．即自然界的一切自发过程，总是朝着熵增加的方向进行的，这个就是熵增加原理。 （2）孤立系统：与外界没有物质交换．热交换，与外界也没有力的相互作用、电磁作用的系统．即强调了自发性。 3、有序向无序的转化：系统自发的过程总是从有序到无序的；熵是表征系统的无序程度的物理量，熵越大，系统的无序程度越高。 【归纳总结】热力学第二定律表明了宏观热现象具有单向不可逆性，无法自发逆向进行。 【典例4-1】下列说法正确的是（　　） A．我国风能资源丰富，风能是不可再生能源 B．一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的 C．自然界的能量是守恒的，不会凭空消失，所以我们不需要节约能源 D．能量的耗散表明在能源的利用过程中，能量在数量上减少了，可利用的品质上也降低了 【典例4-2】（多选）下列有关热现象的说法正确的是（　　） A．所有晶体都有固定的形状、固定的熔点和沸点 B．“压青苗”是用磙子压紧土壤，这是为了破坏土壤里的毛细管，保存地下水分 C．毛细现象是浸润和不浸润及液体表面张力作用形成的现象，现象是否明显与液体种类和毛细管材料有关 D．第二类永动机虽然不违背能量守恒定律，但违背热力学第二定律 跟踪训练1根据你所学的热学知识，下列说法中正确的是（　　） A．理想气体吸收热量后，温度一定升高 B．根据热力学第二定律可知，热量不可能从低温物体传到高温物体 C．在热机中，燃气的内能不可能全部转化为机械能 D．物体放出热量，同时对外做功，其内能可能不变 跟踪训练2（多选）如图所示，导热汽缸内封闭一定质量的理想气体，外界环境保持恒温，活塞与汽缸壁光滑接触，现将活塞杆缓慢向右移动，这样气体将等温膨胀并通过活塞对外做功，下列说法正确的是（  ） A．所有气体分子热运动的速率都相等 B．气体的压强减小 C．气体对外做功，从外界吸收热量，但内能不变 D．气体从单一热源吸收热量，若全部用来对外做功时，会违反热力学第二定律 【能力培优练】 1．《中华人民共和国道路交通安全法实施条例》第六十二条规定：不得连续驾驶机动车超过4小时未停车休息或者停车休息时间少于20分钟。长时间行车不仅驾驶员会疲劳，而且汽车轮胎与地面摩擦会使得轮胎变热，有安全隐患。一辆汽车行驶4小时后轮胎变热，轮胎内气体温度也会升高，设此过程中轮胎体积不变且没有气体泄漏，胎内气体可视为理想气体，下列说法正确的是（　　） A．该段时间内，外界对轮胎内气体做正功 B．该段时间内，轮胎内气体对外界做正功 C．轮胎内气体的内能减小 D．轮胎内气体分子平均速率增大 2．某地突发洪涝灾害，救援人员驾驶气垫船施救，到达救援地点后，将围困在水中的群众拉上气垫船，如图所示。若在救援人员将群众拉上气垫船的过程中，气垫船中气垫内的气体视为理想气体，温度保持不变，气垫不漏气。则在该过程中，下列说法正确的是（    ） A．气垫内的气体从外界吸收热量 B．外界对气垫内的气体不做功 C．气垫内的气体内能增加 D．气垫内的气体压强增大 3．很多国产汽车都可以通过传感器监测汽车轮胎内气体的温度和压强，通过某天监控数据发现，中午12点的气温比早上8点的气温升高了10℃，轮胎内气压升高了0.1个标准大气压，轮胎不漏气，气体可看成理想气体，忽略气体体积变化。与早上相比（　　） A．轮胎内气体吸收的热量等于其内能的增加量 B．轮胎内气体内能不变 C．单位时间内轮胎内气体分子碰撞内壁的次数不变 D．轮胎内气体分子数密度变小 4．如图所示，自动洗衣机的洗衣缸与细管连通，细管内封闭一定质量的气体。洗衣缸进水时气体被压缩，设细管内气体温度不变，则气体（　　） A．在该过程中吸收热量 B．分子平均动能变大 C．分子数密度变大 D．分子与细管单位面积上的撞击力变小 5．上端封闭、下端开口的导热玻璃管倒扣在水槽中，处于静止状态。现缓慢向下按压玻璃管、管上端未进入水面，如图所示。则此过程中管内（　　） A．气体分子数密度变小 B．气体分子平均动能变大 C．水面上升 D．气体放热 6．如图甲是“小型潜艇—浮沉子”的模型。现用手挤压塑料瓶或改变塑料瓶内温度等方式可以使小瓶下沉到底部；然后保持气体温度不变，松开塑料瓶后，小瓶缓慢上浮。假如塑料瓶内液面上方的气体从状态A开始，经历A→B→C→A循环回到A状态，其压强p随体积倒数变化的图像如图乙所示，其中AB的反向延长线过原点O，BC为双曲线，CA与横轴平行。所有气体视为理想气体，下列关于塑料瓶内液面上方气体的分析正确的是（　　） A．A→B过程气体内能增大 B．挤压塑料瓶时，小玻璃瓶下沉的主要原因是塑料瓶中液面上方气体压强减小 C．C→A过程塑料瓶内气体温度升高 D．A→B→C→A全过程气体从外界吸收热量 7．如图所示，一个导热良好的圆柱形汽缸，开口向上竖直放置于水平面上，缸内储存文物，用活塞封闭一定质量的理想气体。现环境温度缓慢升高，活塞离汽缸底部的距离由h变为H，已知大气压恒定，活塞与汽缸壁密封良好且不计摩擦，忽略文物热胀冷缩的影响，则下列说法正确的是（    ） A．气体压强增大 B．气体对外做功，内能增大 C．气体放出热量 D．单位时间撞击器壁单位面积的气体分子数增多 8．洪涝灾害时，可利用圆柱形塑料盆实施紧急漂浮自救，如图（a）所示。将盆口用力向下迅速竖直压入水面，如图（b）所示。设盆内气体可以视为理想气体，盆内气体压缩过程中与外界无热量交换。关于此过程说法正确的是（    ）    A．大小保持不变 B．气体压强与体积成反比 C．封闭气体分子的无规则运动更加剧烈 D．气体内能保持不变 9．（多选）如图甲所示，消防员用双手环抱住倒扣的盆体，将盆口压入水中，演示在水中使用塑料盆进行自救的方法，其示意图如图乙所示。若盆中空气可视为理想气体，且温度保持不变，则在将盆缓慢下压的过程中（　　） A．盆中气体压强不变 B．盆中气体体积不变 C．气体内能保持不变 D．气体向外界放出热量 10．（多选）下列说法中正确的是（　　） A．两个分子在相互靠近的过程中其分子力一定逐渐增大，而分子势能一定先减小后增大 B．在温度不变的条件下，一定质量的理想气体体积增大，此过程气体一定吸热 C．布朗运动不是分子的运动，但间接地反映了液体分子运动的无规则性 D．叶面上的露珠总是球形的，是因为液体的表面张力 11．（多选）某登山者的携带物品中有半瓶矿泉水且瓶盖拧紧，当他由山底登上山顶后，发现山顶温度较低但水瓶比在山底时变鼓了，关于瓶内的气体下列说法正确的是（　　） A．瓶内每个气体分子的动能都变小 B．瓶内气体在单位时间内碰撞瓶体单位面积的分子个数变少 C．登山的过程中瓶内气体对水瓶做负功 D．登山的过程中瓶内气体对水瓶做正功 12．（多选）一定质量的理想气体从状态A变化到状态B，最后变化到状态C，V-T图像如图所示。已知该气体在状态B时的压强为下列说法正确的是（　　） A．状态A时的气体压强为 B．A→B过程气体放热 C．B→C过程气体压强增大 D．B→C过程气体对外做功 13．2025年暑假，某市持续38℃以上高温天气，这样的天气如果在车内放置液体打火机，它极易受热爆裂。若汽车内初始温度为27℃，车内一打火机内封闭了质量为m的气体（可视为理想气体），且其压强为（为大气压强）。 (1)求长时间暴晒后打火机内气体压强增大到时，汽车内的温度上升到多少？ (2)当打火机破裂漏气时，气体膨胀过程中对外做功5J、内能减少了15J，则气体在膨胀过程中是吸热还是放热？对应的热量Q多大？ 14．小朋友们喜欢去海洋馆内游玩，馆中有“美人鱼”吐泡泡的项目，小小的气泡越来越大，非常神奇。某个小气泡从到水面的距离处的水底被吐出，气泡缓慢上浮。若气泡内的气体可视为理想气体，水的温度与深度无关，水的密度，大气压强恒为，取重力加速度大小。 (1)求当气泡上升时，气泡内气体的体积与在水底时的体积的比值n； (2)若在（1）过程中气泡对水做的功，求该过程中气泡吸收或放出的热量Q。 15．如图所示，质量、内壁横截面积、深度、导热性能良好、内壁光滑的汽缸开口向下放置在粗糙的水平面上（汽缸下部分与大气相通），内部有质量、厚度不计的活塞将一定质量的理想气体封闭在缸内，开始时环境温度为，活塞距汽缸顶部。现环境温度缓慢升高到热力学温度T时，汽缸侧壁对水平面上恰好无压力，在该过程中气体吸收的热量为9J，大气压强，重力加速度g取。求： (1)热力学温度T； (2)该过程中气体内能的变化量。 【链接高考】 1．（2025·河北·高考真题）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 2．（2025·安徽·高考真题）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 3．（2025·江苏·高考真题）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 4．（2024·海南·高考真题）（多选）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O点，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 5．（2026·浙江·高考真题）如图所示，导热良好的瓶内，用一质量为m1、横截面积为S的活塞封闭一定质量的理想气体，活塞能无摩擦滑动，在活塞上方有质量为的液体。初始时，瓶内气体处于状态 A，体积为。将一根质量不计的细管插入液体，液体在细管中上升到一定高度后保持静止，随后通过细管缓慢吸走全部液体，此时瓶内气体处于状态B。环境温度保持不变，从状态A到状态 B 过程中，气体吸收热量。已知，，，，大气压强，g=10m/s2。 (1)图中液体________（选填“浸润”或“不浸润”）管壁，若细管仅内径变小，与原细管相比，管内液面将________（选填“升高”、“不变”或“降低”）； (2)求气体在状态B时的体积； (3)求气体从状态A到状态B过程中对外做的功。 / 学科网（北京）股份有限公司 $