(共35张PPT)
项目 热力学第一定律 热力学第二定律
区别 热力学第一定律揭示了做功和传热对改变物体内能的规律关系ΔU＝W＋Q，指明内能不但可以转移，而且还能跟其他形式的能相互转化。热力学第一定律是能量守恒定律在热学中的一种表述形式，是从能的角度揭示不同物质运动形式相互转化的可能性 热力学第二定律揭示了大量分子参与的宏观过程的方向性。如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而不引起其他变化，进一步揭示了各种能量转化过程及物质运动形式的转化过程都具有方向性
联系 热力学第一定律是和热现象有关的物理过程中能量守恒的特殊表达形式，说明功及热量与内能改变的定量关系，而热力学第二定律指出了能量转化与守恒能否实现的条件和过程进行的方向，指出了一切变化过程的自然发展方向不可逆，除非靠外界影响，所以二者相互独立，又相互补充
热量Q能自发传给
(1)高温物体
低温物体
热量Q不能自发传给
能自发地完全转化为
(2)功
热
不能自发地且不能完全转化为
能自发膨胀到
(3)气体体积V1
气体体积V2(较大)
不能自发收缩到
能自发混合成
(4)不同气体A和B
=混合气体AB
不能自发分离成(共28张PPT)
第三节 热力学第二定律
核心素养点击
物理观念 1.了解热力学第二定律的内涵。
2.知道自然界宏观过程的方向性。
3.了解能量与能源的区别以及能源的有限性。
科学思维 1.知道与热现象有关的宏观过程的方向性。
2.能用热力学第二定律解释常见的不可逆过程。
科学态度与责任 能依据道德规范评价物理技术的应用，具有保护环境、节约资源、促进可持续发展的责任感。
一、热现象的方向性
1．填一填
(1)热传导的方向性
①热量可以自发地从______物体传递给______物体，或者由物体的_____部分传递给______部分。
②热量不能自发地由_____物体传递给______物体，或者由物体的_____部分传递给______部分。
③热传导过程是________过程，具有_________。
高温
低温
高温
低温
低温
高温
低温
高温
不可逆
方向性
(2)机械能和内能转化的方向性
①机械能和内能的转化过程具有________。
②机械能可以_______转化为内能，内能却无法全部用来做功以转化为机械能，而不______________。
③第二类永动机：从_________吸收热量并全部用来做功的热机。由于违反能量转化的________，因此第二类永动机是不可能制造出来的。
(3)扩散的方向性
两种不同的气体可以_______混合，相反，一种均匀的混合气体却不会_______分开成为两种气体。
方向性
全部
产生其他影响
单一热源
方向性
自发地
自发地
2．判一判
(1)热量不能自发地从低温物体传向高温物体。 ( )
(2)第二类永动机违反了能量守恒定律。 ( )
(3)只要对内燃机不断改进，就可以把内燃机得到的全部内能转化为机械能。 ( )
3．想一想
我们假想：发明一种热机，并用来对物体做功，将内能全部转化为动能，而不引起其他变化。这是否可能？
提示：热机不能把它得到的内能全部转化为机械能，因为热机必须有热源和冷凝器，热机工作时，总要向冷凝器放热，不可避免地要从工作物质带走一部分热量Q，即使是理想热机，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，总要有一部分热量散发到冷凝器中。
√
×
×
二、热力学第二定律
1．填一填
(1)克劳修斯表述：热量不能________从低温物体传递到高温物体。或者说，不可能使热量由___________传递到__________，而不引起其他变化。(说明热传导的方向性)
(2)开尔文表述：不可能从__________吸收热量并把它全部用来______，而不产生其他影响。(说明机械能与内能转化的方向性)
自发地
低温物体
高温物体
单一热源
做功
2．判一判
(1)热量可以自发地从高温物体传递给低温物体。 ( )
(2)热量不可能从低温物体传递到高温物体。 ( )
(3)热机工作时从高温热源吸收的热量一定大于热机对外界所做的功。 ( )
3．想一想
两个不同的物体接触时，热量自发地从高温物体传递给低温物体。此处“自发地”的含义是什么？
提示：“自发地”的含义是指没有任何外界影响或者其他帮助。
√
√
×
探究(一) 热力学第二定律的理解及应用
[问题驱动]
如图是热量在传递过程中的情景。
讨论：
(1)在自然过程中热量是如何传递的？
提示：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)空调和冰箱是如何传递热量的？
提示：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。
[重难释解]
1．对热力学第二定律的理解
(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。在热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)“不引起其他变化”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)“单一热源”：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温度不同来发电。
(4)“不可能”：实际上热机或制冷机系统循环终了时，除了从单一热源吸收热量对外做功，以及热量从低温热源传到高温热源以外，过程中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。
典例1 (多选)下列现象不可能发生的是 ( )
A．在一与外界绝热的房间内，将一台正在工作的电冰箱的门打开，能使该房间降温
B．蒸汽机把蒸汽的内能全部转化为机械能
C．一个在粗糙的水平地面上运动的物体最终要停下来，物体的动能全部转化为内能
D．在热传导中，热量可以自发地从高温物体传向低温物体
[解析] 在一与外界绝热的房间内，将一台正在工作的电冰箱的门打开，消耗了电能，产生了焦耳热，所以房间温度不仅不能降低还会升高，故A不可能发生；蒸汽机不可能把蒸汽的内能全部转化为机械能，转化过程中必然存在能量耗散，故B不可能发生；一个在粗糙的水平地面上运动的物体最终要停下来，物体的动能全部转化为内能，C可能发生；在热传导中，热量可以自发地从高温物体传向低温物体，D可能发生。
[答案] AB
对热力学第二定律理解的两个误区
(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。
[素养训练]
1．(多选)下列哪些过程具有方向性 ( )
A．热传导过程 B．动能向势能的转化过程
C．气体的扩散过程 D．气体向真空中的膨胀过程
解析：热传递、气体的扩散和气体在真空中的膨胀都是与热现象有关的宏观自然过程，由热力学第二定律可知，它们都是不可逆的，具有方向性，故选项A、C、D正确；动能向势能的转化与热现象无关，是可逆的，不具有方向性，故选项B错误。
答案：ACD
2．(多选)下列关于宏观物体的热现象的说法中正确的是 ( )
A．一切涉及热现象的宏观过程都具有方向性
B．一切不违背能量守恒定律的物理过程都是可能实现的
C．由热力学第二定律可以判断物理过程能否自发进行
D．一切物理过程都不可能自发地进行
解析：热力学第二定律是反映宏观自然过程的方向性的定律，热量不能自发地从低温物体传到高温物体，但可以自发地从高温物体传到低温物体；并不是所有符合能量守恒定律的宏观过程都能实现，故A、C正确，B、D错误。
答案：AC
3． (多选)用两种不同材料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。关于这一现象的正确说法是 ( )
A．这一实验不违背热力学第二定律
B．在实验过程中，热水温度降低，冷水温度升高
C．在实验过程中，热水的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
解析：自然界中的任何自然现象或过程都不违反热力学第二定律，本实验现象也不违反热力学第二定律，A正确；整个过程中能量守恒且热传递有方向性，B正确；在实验过程中，热水中的内能除转化为电能外，还升高了金属丝的温度，内能不能全部转化为电能；电能除转化为冷水的内能外，还升高了金属丝的温度，电能不能全部转化为冷水的内能，C、D错误。
答案：AB
探究(二) 热机和第二类永动机
[问题驱动]
如图所示是制冷机和热机的工作过程示意图，请在图片基础上思
考以下问题：
(1)制冷机工作时热量是自发地从低温物体传到高温物体吗？
提示：不是。热量从低温物体传到高温物体时需要有外界做功。
(2)热机工作时是否将从高温热源吸收的热量全部用来做功？
提示：否。热机工作时只将从高温热源吸收热量的一部分用来做功，剩余的释放到低温热源。
[重难释解]
1．热机的特点
(1)热机不仅仅只有一个热源。
(2)热机的效率不可能达到100%。
2．第二类永动机不能制成的原因：违反了热力学第二定律(不违反能量守恒定律)。
3．第二类永动机不能制成的意义
(1)机械能可全部转化成内能，但内能不能全部转化成机械能。
(2)机械能和内能的转化过程具有方向性。
(3)两类永动机的比较。
第一类永动机：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)。
第二类永动机：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)。
典例2 在热学中，下列说法正确的是 ( )
A．第一类永动机不可制成是由于它违背了能量守恒定律
B．第二类永动机不可制成是由于它违背了能量守恒定律
C．热力学第二定律告诉我们机械能可以转化为内能而内能不能转化为机械能
D．热量只能从高温物体传向低温物体，而不能从低温物体传向高温物体
[解析] 不消耗能量而不断对外做功的第一类永动机是不可能制成的，因为它违背了能量守恒定律，故A正确；从单一热源吸收热量而对外做功的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，故B错误；热力学第二定律告诉我们机械能可以转化为内能，而内能在“一定的条件下”也能转化为机械能，故C错误；热量能从高温物体传向低温物体，在“一定的条件下”也能从低温物体传向高温物体，故D错误。
[答案] A
[素养训练]
1．(多选)关于热机的效率，下列说法正确的是 ( )
A．有可能达到80% B．有可能达到100%
C．有可能超过80% D．一定能达到100%
解析：根据热力学第二定律，热机效率永远也达不到100%。
答案：AC
2．下列有关热学知识的论述正确的是 ( )
A．两个温度不同的物体相互接触时，热量既能自发地从高温物体传给低温物体，也可以自发地从低温物体传给高温物体
B．无论用什么方式都不可能使能量从低温物体向高温物体传递
C．第一类永动机违背能量守恒定律，第二类永动机不违背能量守恒定律，随着科技的进步和发展，第二类永动机可以制造出来
D．温度是物体分子热运动平均动能的标志
解析：两个温度不同的物体相互接触时，热量能自发地从高温物体传给低温物体，但不能自发地从低温物体传给高温物体，故A错误；在外界的影响下，能使能量从低温物体向高温物体传递，空调、冰箱就是这个原理，故B错误；第一类永动机违背能量守恒定律，不能制造出来，第二类永动机不违背能量守恒定律，但违反了热力学第二定律，同样不能制造成功，故C错误；温度是物体分子热运动激烈程度的反映，是物体分子热运动平均动能的标志，温度越高，分子热运动平均动能越大，故D正确。
答案：D
一、培养创新意识和创新思维
(选自鲁科版新教材“物理聊吧”)一只完好的杯子从高处落到地上摔碎了(如图所示)，这是一个可逆过程还是不可逆过程？在这个过程中熵是增加还是减少？为什么？
提示：完好的杯子落到地上摔碎了，它不可能自发地恢复到原来的状态，此过程是一个不可逆过程，这个过程中杯子的无序程度增加了，所以熵增加了。
二、注重学以致用和思维建模
1． 17世纪70年代，英国人设计了一种磁力“永动机”，其结构如图
所示，在斜面顶端放一块强磁铁M，斜面上、下端各有一个小孔
P、Q，斜面下有一个连接两小孔的弯曲轨道。设计者认为：如果在斜坡底放一个铁球，那么在磁铁的引力作用下，铁球会沿斜面向上运动，当球运动到P孔时，它会漏下，再沿着弯曲轨道返回到Q，由于这时球具有速度，所以可以对外做功，然后铁球又被磁铁吸引回到上端，到P处又漏下……对于这个设计，下列判断正确的是 ( )
A．满足能量守恒定律，所以可行
B．不满足热力学第二定律，所以不可行
C．不满足机械能守恒定律，所以不可行
D．不满足能量守恒定律，所以不可行
解析：该装置可以持续不断的对外做功，违背了能量守恒定律，故不可行，D正确。
答案：D
2． (2021·中山高二调研)(多选)如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
解析：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了电能，电冰箱的工作原理不违反热力学第二定律，B、D正确，A错误；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，是能量守恒定律的具体表现，适用于所有的热学过程，所以电冰箱的工作原理不违反热力学第一定律，C错误。
答案：BD
3．如图所示的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。如果轮子的一边接近一个热源，如一电灯，接收了更多热量的皮筋就会变短，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：这实际上是一架第二类永动机，希望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。轮子变形后，重心偏移，开始带动“机器”转动。随着轮子不同部位的靠近，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。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：见解析第三章 阶段评价查缺漏
(本试卷满分：100分)
一、单项选择题(本题共7小题，每小题4分，共28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.(2021·韶关调研)如图所示，给旱区送水的消防车停于水平地面。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．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：选A 缓慢放水过程中，车胎体积增大，胎内气体压强减小，气体膨胀对外界做正功，选项B错；胎内气体温度不变，故分子平均动能不变，选项C错；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；由ΔU＝W＋Q知ΔU＝0，W<0，故Q>0，气体从外界吸热，选项A正确。
2．某校中学生参加某电视台“异想天开”节目的活动，他们提出了下列四个设想方案，从理论上讲可行的是( )
A．制作一个装置从海水中吸收内能全部用来做功而不产生其他影响
B．制作一种制冷设备，使温度降至绝对零度以下
C．汽车尾气中各类有害气体排入大气后严重污染了空气，想办法使它们自发地分离，既清洁了空气，又变废为宝
D．将房屋顶盖上太阳能板，可直接用太阳能来解决照明和热水问题
解析：选D 根据热力学第二定律知，在不产生其他影响时，内能不能全部转化为机械能，因此从海水中吸收内能全部用来做功而不产生其他影响是不可能实现的，选项A错误；绝对零度是温度的极值，是不能达到的，选项B错误；有害气体和空气不可能自发地分离，选项C错误；利用太阳能最有前途的领域是通过太阳能电池将太阳能转化为电能再加以利用，选项D正确。
3．(2021·山东临沂平邑一中测试)“温泉水滑洗凝脂，冬浴温泉正当时”，在寒冷的冬天里泡一泡温泉，不仅可以消除疲劳，还可扩张血管，促进血液循环，加速人体新陈代谢。设水温恒定，则温泉中正在缓慢上升的气泡(不考虑内部气体的分子势能)( )
A．压强增大，体积减小，吸收热量
B．压强增大，体积减小，放出热量
C．压强减小，体积增大，吸收热量
D．压强减小，体积增大，放出热量
解析：选C 水温恒定，温泉中正在缓慢上升的气泡，压强减小，温度不变，由理想气体状态方程＝C可知，体积增大；温度不变，故内能不变，体积增大时，气体对外做功，由热力学第一定律可知，气体吸收热量，故C正确。
4.
(2020·天津等级考)水枪是孩子们喜爱的玩具，常见的气压式水枪储水罐示意如图。从储水罐充气口充入气体，达到一定压强后，关闭充气口。扣动扳机将阀门M打开，水即从枪口喷出。若在水不断喷出的过程中，罐内气体温度始终保持不变，则气体( )
A．压强变大 B．对外界做功
C．对外界放热 D．分子平均动能变大
解析：选B 在水向外不断喷出的过程中，罐内气体体积增大，则气体对外做功，根据玻意耳定律pV＝C可知，罐内气体的压强减小， 选项A错误，B正确；由于罐内气体温度不变，故内能也不变，即ΔU＝0，由热力学第一定律ΔU＝W＋Q知，W<0，则Q>0，因此气体吸热，选项C错误；根据温度是分子平均动能的标志可知，温度不变，分子平均动能不变，选项D错误。
5．一种叫作“压电陶瓷”的电子元件，当对它挤压或拉伸时，它的两端就会形成一定的电压，这种现象称为压电效应。一种燃气打火机，就是应用了该元件的压电效应制成的。只要用大拇指压一下打火机上的按钮，压电陶瓷片就会产生10 kV～20 kV的高压，形成火花放电，从而点燃可燃气体。上述过程中，压电陶瓷片完成的能量转化是( )
A．化学能转化为电能 B．内能转化为电能
C．光能转化为电能 D．机械能转化为电能
解析：选D 转化前要消耗机械能，转化后得到了电能，所以压电陶瓷片将机械能转化为电能，所以D正确。
6．下列说法正确的是( )
A．机械能全部变成内能是不可能的
B．第二类永动机不可能制造成功是因为能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，只能从一个物体转移到另一个物体，或从一种形式转化成另一种形式
C．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
D．从单一热源吸收的热量全部变成功是可能的
解析：选D 机械能可以全部转化为内能，故A项错误；第二类永动机不可能制造成功是因为它违背了热力学第二定律，故B项错误；热量不能自发地从低温物体传到高温物体，但如果不是自发地，是可以进行的，故C项错误；从单一热源吸收热量全部用来做功而不引起其他变化，是不可能的，但如果是从单一热源吸收热量全部变为功的同时也引起了其他的变化，是可能的，故D项正确。
7.某同学用橡皮塞塞紧饮料瓶，并用打气筒向饮料瓶内打气，装置如图所示。当压强增大到一定程度时，橡皮塞冲出，发现饮料瓶内壁中有水蒸气凝结，产生这一现象的原因是饮料瓶中气体( )
A．体积增大，温度升高 B．动能增大，温度升高
C．对外做功，温度降低 D．质量减少，温度降低
解析：选C 压强增大到一定程度时，橡皮塞冲出，过程时间极短，可以认为是绝热过程，对外界没有吸放热，即Q＝0，瓶内气体膨胀，对外做功，W<0，根据热力学第一定律，ΔU＝Q＋W，可知ΔU<0，气体内能减小，温度降低，故C选项正确。
二、多项选择题(本题共3小题，每小题6分，共18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)
8．下列说法正确的是( )
A．做功和热传递在改变物体内能上是等效的
B．每一个分子都有势能和动能，分子动能与分子势能之和就是分子内能
C．只有热传递才可以改变物体的内能
D．一定质量的理想气体的内能只与温度有关，温度越高，内能越大
解析：选AD 做功和热传递在改变物体内能上是等效的，A正确；分子势能存在于分子之间，单个的分子不存在分子势能，组成物质的所有分子动能与分子势能之和是物体的内能，故B错误；做功与热传递都可以改变物体的内能，故C错误；一定质量的理想气体的内能只与温度有关，温度越高，内能越大，D正确。
9.一定质量的理想气体从状态A经过状态B变化到状态C，其V-T图像如图所示。下列说法正确的有( )
A．A→B的过程中，气体对外界做功
B．A→B的过程中，气体放出热量
C．B→C的过程中，气体压强不变
D．A→B→C的过程中，气体内能增加
解析：选BC 由题图可知，从A到B的过程中，气体的体积减小，外界对气体做功，A项错误；从A到B过程气体的温度不变，内能不变，根据热力学第一定律可知，气体放出热量，B项正确；从B到C过程中是一个常数，气体发生的是等压变化，气体的温度降低，内能减少，C项正确，D项错误。
10.如图所示，两个相通的容器P、Q间装有阀门K，P中充满理想气体，Q为真空，整个系统与外界没有热交换。打开阀门K后，P中的气体进入Q中，最终达到平衡，则( )
A．气体体积膨胀，内能不变
B．气体内能增加
C．气体压强可能不变
D．Q中气体不可能自发地全部退回到P中
解析：选AD 气体的膨胀过程没有热交换，可以判断Q＝0；由于容器Q内为真空，所以气体是自由膨胀，虽然体积变大，但是气体并不对外做功，即W＝0；根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，可以判断该过程ΔU＝0，即气体的内能不变，显然选项A正确，B错误；对一定质量理想气体，内能不变则温度不变，由＝C知，体积增大，则压强必然减小，C错误；宏观中的热现象都是不可逆的，所以D正确。
三、非选择题(本题共4小题，共54分)
11．(11分)若对物体做1 200 J的功，可使物体温度升高3 ℃，改用热传递的方式，使物体温度同样升高3 ℃，那么物体应吸收多少热量？如果对该物体做3 000 J的功，物体的温度升高5 ℃，表明该过程中，物体应吸收或放出多少热量？
解析：做功和热传递在改变物体内能上是等效的，对物体做1 200 J的功可使物体温度升高3 ℃，如用热传递方式，也使物体温度升高3 ℃，也应吸收1 200 J的热量。如对物体做功3 000 J，温度升高5 ℃，而物体温度升高5 ℃需要的功或热量应为E，由1 200 J＝cm×(3 ℃)，E＝cm×(5 ℃)，得E＝2 000 J，因此物体应放出1 000 J的热量。
答案：1 200 J 放出1 000 J的热量
12．(12分)如图所示在绝热气缸内，有一绝热轻活塞封闭一定质量的气体，开始时缸内气体温度为27 ℃，封闭气柱长为9 cm，活塞横截面积S＝50 cm2。现通过气缸底部电阻丝给气体加热一段时间，此过程中气体吸热22 J，稳定后气体温度变为127 ℃。已知大气压强等于105 Pa，活塞与气缸间无摩擦，求：
(1)加热后活塞到气缸底部的距离；
(2)此过程中气体内能改变了多少。
解析：(1)取被封闭的气体为研究对象，
开始时气体的体积为L1S，温度为：
T1＝(273＋27)K＝300 K，末状态的体积为L2S，温度为：T2＝(273＋127)K＝400 K
气体做等压变化，由盖吕萨克定律可得＝，则：＝，代入数据得：L2＝12 cm。
(2)在该过程中，气体对外做功：
W＝F·ΔL＝p0S(L2－L1)＝105×50×10－4×(12－9)×10－2 J＝15 J，
由热力学第一定律：ΔU＝Q－W＝22 J－15 J＝7 J
故此过程中气体内能增加了7 J。
答案：(1)12 cm (2)增加了7 J
13.(15分)如图所示，一篮球内气体的压强为p0、体积为V0、温度为T0，用打气筒对球充入压强为p0、温度为T0的气体，使球内气体压强变为3p0，同时温度升至2T0，充气过程中气体向外放出Q的热量，假设篮球体积不变，气体内能U与温度的关系为U＝kT(k为正常数)，求：
(1)打气筒对篮球充入压强为p0、温度为T0的气体的体积；
(2)打气筒对篮球充气过程中打气筒对气体做的功。
解析：(1)设打气筒对篮球充入压强为p0、温度为T0的气体的体积为V，以篮球内气体及充入的气体整体为研究对象，气体的初状态参量：p1＝p0、V1＝V0＋V、T1＝T0
气体的末状态参量：p2＝3p0、V2＝V0、T2＝2T0
根据理想气体状态方程有＝，解得V＝0.5V0。
(2)因为气体内能U与温度的关系为U＝kT
所以打气过程内能变化ΔU＝k(2T0－T0)＝kT0
由热力学第一定律得ΔU＝W－Q
解得打气筒对气体做的功W＝Q＋kT0。
答案：(1)0.5V0 (2)Q＋kT0
14．(16分)如图甲所示，用面积为S的活塞在气缸内封闭着一定质量的空气，活塞上放一砝码，活塞和砝码的总质量为m。现对气缸缓缓加热，使气缸内的空气温度从
T1升高到T2，空气柱的高度增加了ΔL，已知加热时气体吸收的热量为Q，外界大气压强为p0。求：
(1)此过程中被封闭气体的内能变化了多少；
(2)气缸内温度为T1时，气柱的长度为多少；
(3)请在图乙的V-T图上大致作出该过程的图像(在图线上标出过程的方向)。
解析：(1)对活塞和砝码：mg＋p0S＝pS，
得p＝p0＋
气体对外做功W＝pSΔL＝(p0S＋mg)ΔL
由热力学第一定律W＋Q＝ΔU
得ΔU＝Q－(p0S＋mg)ΔL。
(2)由盖-吕萨克定律可得，＝，
则＝，解得L＝。
(3)V-T图像如图所示。
答案：(1)Q－(p0S＋mg)ΔL
(2) (3)见解析图
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一、主干知识成体系
第三章 热力学定律
二、迁移交汇辨析清
(一)对温度、内能、热量、功的理解
概念 温度 内能 热量 功
含义 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整体表现，对个别分子无意义 物体内所有分子动能和分子势能的总和，它是由大量分子的热运动和分子的相对位置所决定的能 是热传递过程中内能的改变量，用来度量热传递过程中内能转移的多少 做功过程是机械能或其他形式的能与内能之间的转化过程。功是该过程能量转化的量度
关系 温度和内能是状态量，热量和功则是过程量，热传递的前提条件是存在温差，传递的是热量而不是温度，实质上是内能的转移 说明：(1)温度、内能、热量和功是热学中相互关联的四个物理量。当物体的内能改变时，温度不一定改变。只有当通过热传递改变物体内能时才会有热量传递，能量的形式没有发生变化。
(2)热量是热传递过程中的特征物理量，离开过程谈热量毫无意义。就某一状态而言，只有“内能”，根本不存在“热量”和“功”，因此不能说一个系统中含有多少“热量”或多少“功”。
典例1 把浸有乙醚的一小块棉花放在厚玻璃筒的底部，当快速下压活塞时，由于被压缩的空气骤然变热，温度升高，达到乙醚的燃点，浸有乙醚的棉花燃烧起来，此实验的目的是要说明 ( )
A．做功可以升高物体的温度
B．做功可以改变物体的内能
C．做功一定可以增加物体的内能
D．做功可以增加物体的热量
[解析] 当快速下压活塞时，活塞对玻璃筒内的空气做功，改变了气体的内能，气体的温度升高，达到乙醚的燃点，使浸有乙醚的棉花燃烧起来，故B正确；做功改变的是物体的内能，温度升高是内能增大的表现，热量是过程量，所以A、D错误；若外界对系统做功，同时系统对外放出热量，系统内能不一定增加，C错误。
[答案] B
[针对训练]
1．采取绝热的方式使一定质量的气体由状态A变化至状态B，对于不同的绝热方式，下列说法正确的是 ( )
A．对气体所做的功不同
B．对气体所做的功相同
C．对气体不需做功，因为没有能量的传递
D．以上说法都不正确
解析：对一定质量的气体，不管采取哪一种绝热方式，由状态A变化至状态B，都是绝热过程。在这些过程中，气体在状态A有一确定的内能U1，在状态B有另一确定的内能U2，由绝热过程中ΔU＝W＝U2－U1知，W为恒量，所以选项B正确。
答案：B
2．下列关于温度、内能、热量和功的说法正确的是 ( )
A．同一物体体积不变时，温度越高，内能越大
B．要使物体的内能增加，一定要吸收热量
C．要使物体的内能增加，一定要对物体做功
D．物体内能增加，它的温度就一定升高
解析：同一物体的内能与温度和体积有关，体积不变时，温度越高，内能越大，A正确；做功和热传递在改变物体内能上是等效的，使物体内能增加既可以通过吸收热量也可以通过对物体做功来实现，B、C错误；物体内能是分子动能与分子势能的总和，内能增加可能只是分子势能的增加，分子平均动能可能不变，即温度可能不变，D错误。
答案：A
(二)对热力学第一定律的理解及应用
1．对热力荐学第一定律的理解
热力学第一定律不仅反映了做功和热传递这两种改变内能的过程是等效的，而且给出了内能的变化量和做功与热传递之间的定量关系。此定律是标量式，应用时各物理量的单位应统一为国际单位制中的焦耳。
2．正确理解公式的意义及符号的含义
(1)外界对物体做功，W>0；物体对外界做功，W<0。
(2)物体吸收热量，Q>0；物体放出热量，Q<0。
(3)物体内能增加，ΔU>0；物体内能减少，ΔU<0。
3．应用热力学第一定律解题的思路
(1)首先应明确研究对象是哪个物体或哪个热力学系统。
(2)其次要明确物体(或系统)吸收或放出的热量，外界对物体(或系统)所做的功。
(3)最后根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W列出方程进行求解。特别要注意的是物理量的单位及正负号。
典例2 内壁光滑的导热气缸竖直浸入盛有冰水混合物的水槽中，用不计质量的活塞封闭压强为1.0×105 Pa、体积为2.0×10－3 m3的理想气体，现在活塞上缓慢倒上沙子，使封闭气体的体积变为原来的一半。
(1)求气缸内气体的压强；
(2)若封闭气体的内能仅与温度有关，在上述过程中外界对气体做功145 J，封闭气体吸收还是放出热量？热量是多少？
[答案] (1)2.0×105 Pa (2)放出热量 145 J
[针对训练]
3．对一定质量的气体，下列说法正确的是 ( )
A．在体积缓慢地不断增大的过程中，气体一定对外界做功
B．在压强不断增大的过程中，外界对气体一定做功
C．在体积不断被压缩的过程中，内能一定增加
D．在与外界没有发生热交换的过程中，内能一定不变
解析：气体体积增大，气体对外界做功，故A选项正确；气体压强增大，可能是由于吸热升温所致，此时气体体积增大、减小、不变都有可能，所以外界对气体不一定做功，故B选项错误；在体积不断被压缩的过程中，外界对气体做功，但是热传递情况不能确定，则内能不一定增加，故C选项错误；热传递和做功都可以改变物体的内能，没有热传递，并不能确定内能一定不变，故D选项错误。
答案：A
4．如图所示，曲线3→1为绝热线，理想气体经历过程1→2→3，则
其内能变化ΔE、温度变化ΔT、外界对气体做的功W和气体吸收
的热量Q与0的大小关系为 ( )
A．ΔT<0，ΔE<0，W<0，Q>0
B．ΔT<0，ΔE<0，W>0，Q<0
C．ΔT>0，ΔE>0，W>0，Q>0
D．ΔT>0，ΔE>0，W<0，Q<0
解析：理想气体经历过程1→2→3→1 ，经一个循环，ΔE循环＝0，气体对外界做功，则W循环<0，功的数值为p-V图像上闭合曲线1→2→3→1所围的面积，记为S1，由热力学第一定律可知ΔE循环＝Q循环＋W循环，得Q循环>0，由于曲线3→1为绝热线，所以过程1→2→3吸收的热量Q＝Q循环>0。理想气体经历过程1→2→3，气体对外界做功，则W<0，功的数值为p-V图像上曲线1→2→3与V轴所围的面积，记为S2，且S2>S1，由热力学第一定律有ΔE＝Q＋W，得ΔE<0，气体内能减小，则温度降低，ΔT<0，A选项正确。
答案：A
(三)对热力学第二定律的理解和应用
1．热力学第二定律的两种表述
(1)按照热传递的方向性表述：热量不能自发地从低温物体传到高温物体，这是热力学第二定律的克劳修斯表述。
(2)按照机械能与内能转化的方向性表述：不可能从单一热源吸收热量，使之完全用来做功，而不产生其他影响，这是热力学第二定律的开尔文表述。
2．热力学第二定律的微观意义
(1)一切自发过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行。
(2)用熵来表示热力学第二定律：在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小。
3．对熵概念的理解
(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，就称这个系统的熵越大。
(2)系统自发变化时，总是向着无序程度增大的方向发展，也就是说，系统自发变化时，总是由热力学概率小的状态向热力学概率大的状态进行。从熵的意义上说，系统自发变化时总是向着熵增加的方向发展。
(3)任何宏观物质系统都有一定量的熵，熵也可以在系统的变化过程中增加或减少。在一切自发进行的过程中，总熵必定不会减少。
典例3 (2021·东莞高二检测)随着世界经济的快速发展，能源短缺问题日显突出，油价的不断攀升，已对各国人民的日常生活造成了各种影响，如排长队等待加油的情景已经多次在世界各地发生，能源成为困扰世界经济发展的重大难题之一。下列有关能量转化的说法正确的是 ( )
A．只要对内燃机不断改进，就可以把内燃机得到的全部内能转化为机械能
B．满足能量守恒定律的物理过程都能自发地进行
C．可以直接利用空气中的内能，减少“温室效应”
D．物体吸收热量，物体的内能可能减小
[解析] 内燃机工作时，燃料不可能全部燃烧、尾气要带走部分热量、零件之间存在摩擦生热，发动机本身需要散热等等，故发动机不可能将所有内能转化为机械能，A错误；由于能量的转移和转化具有方向性，满足能量守恒定律的物理过程不一定能自发地进行，B错误；空气中的内能并不能直接被利用，如果需要利用，则需要热泵，例如空调，空气能热水器等，热泵工作同时消耗电能，引起了其他变化，C错误；根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q可知，Q>0时，若物体对外界做功W<0，则物体的内能有可能减少，D正确。
[答案] D
[针对训练]
5．(多选)下列说法中正确的是 ( )
A．随着科学技术的发展，制冷机的制冷温度可以降到－280 ℃
B．热量可以从低温物体传到高温物体
C．无论科技怎样发展，第二类永动机都不可能实现
D．无论科技怎样发展，都无法判断一物体温度升高是通过做功还是热传递实现的
解析：制冷机的制冷温度不可能降到－273.15 ℃以下，A错误；在一定条件下，热量可以从低温物体传到高温物体，B正确；不可能从单一热源吸热使之完全变成功而不产生其他影响，即第二类永动机永远不可能实现，C正确；做功和热传递在改变物体内能上是等效的，无论科技怎样发展，都无法判断一物体的温度升高是通过做功还是热传递实现的，D正确。
答案：BCD
6．(多选)关于分子动理论和热力学定律，下列说法正确的是( )
A．热量能够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
B．若两分子间距离增大，分子势能一定增大
C．一定质量的某种理想气体绝热膨胀，温度降低
D．热力学第二定律描述了宏观热现象的方向性
解析：大量的事实表明，热量能够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，选项A正确；若两分子间距离从分子力表现为斥力时开始增加，则随着分子间距离增大，分子势能先减小后增大，选项B错误；由热力学第一定律可知，一定质量的某种理想气体绝热膨胀时对外做功，内能减小，温度降低，选项C正确；热力学第二定律指出，一切与热现象有关的宏观自然过程都具有方向性，选项D正确。
答案：ACD
三、创新应用提素养
1．如图是探究电流通过导体时产生热量的多少与哪些因素有关的实验装置。两个透明容器中密封着等量的空气，U形管中液面高度的变化反映密闭空气温度的变化。下列说法正确的是 ( )
A．甲装置是为了研究电流产生的热量与电阻的关系
B．甲装置通电一段时间后，左侧容器内空气吸收的热量更多
C．乙装置是为了研究电流产生的热量与电流的关系
D．乙装置通电一段时间后，右侧U形管中液面的高度差比左侧的小
解析：甲装置中右侧两个5 Ω的电阻并联后再与左侧一个5 Ω的电阻串联，根据串联电路的电流特点可知，右端两个电阻的总电流和左端电阻的电流相等，即I右＝I左，两个5 Ω的电阻并联，根据并联电路的电流特点知I右＝I1＋I2，两电阻阻值相等，则支路中电流相等，I1＝I2，所以右边容器中通过电阻的电流是左侧电阻通过电流的一半，即是研究电流产生的热量与电流的关系，由Q＝I2Rt可知，左边容器中的电阻产生的热量多，温度升得较快，因此通电一段时间后，玻璃管左侧液面高度差更大，故A错误，B正确；在乙装置中，将容器中的电阻丝串联起来接到电源两端，通过它们的电流I与通电时间t相同，左边容器中的电阻小于右边容器中的电阻，即是探究电流产生的热量与电阻大小的关系，故由Q＝I2Rt可知，右边容器中的电阻产生的热量多，温度升得较快，因此通电一段时间后，玻璃管右侧液面高度差更大，故C、D错误。
答案：B
2．如图，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，下列说法中正确的是 ( )
A．热量可以自发地从大气传递到储水箱内
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
解析：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。故A、B、C错误，D正确。
答案：D
3．(2021·天津等级考)(多选)列车运行的平稳性与车厢的振动密切相关，车厢底部安装的空气弹簧可以有效减振，空气弹簧主要由活塞、气缸及内封的一定质量的气体构成。上下乘客及剧烈颠簸均能引起车厢振动，上下乘客时气缸内气体的体积变化缓慢，气体与外界有充分的热交换；剧烈颠簸时气缸内气体的体积变化较快，气体与外界来不及热交换。若气缸内气体视为理想气体，在气体压缩的过程中 ( )
A．上下乘客时，气体的内能不变
B．上下乘客时，气体从外界吸热
C．剧烈颠簸时，外界对气体做功
D．剧烈颠簸时，气体的温度不变
解析：上下乘客时气缸内气体与外界有充分的热交换，即发生等温变化，温度不变，故气体的内能不变，在体积压缩的过程中，外界对气体做功，故气体向外界放热，选项A正确，选项B错误；剧烈颠簸时气缸内气体的体积变化较快，且气体与外界来不及热交换，气体经历绝热过程，外界对气体做功，气体的温度升高，选项C正确，选项D错误。
答案：AC
4．(2021年1月新高考8省联考·辽宁卷)某民航客机在一万米左右高空飞行时，需利用空气压缩机来保持机舱内外气体压强之比为4∶1。机舱内有一导热气缸，活塞质量m＝2 kg、横截面积S＝10 cm2，活塞与气缸壁之间密封良好且无摩擦。客机在地面静止时，气缸如图甲所示竖直放置，平衡时活塞与缸底相距l1＝8 cm；客机在高度h处匀速飞行时，气缸如图乙所示水平放置，平衡时活塞与缸底相距l2＝10 cm。气缸内气体可视为理想气体，机舱内温度可认为不变。已知大气压强随高度的变化规律如图丙所示，地面大气压强p0＝1.0×105 Pa，地面重力加速度g＝10 m/s2。
(1)判断气缸内气体由图甲状态到图乙状态的过程是吸热还是放热，并说明原因；
(2)求高度h处的大气压强，并根据图丙估测出此时客机的飞行高度。
答案：(1)吸热 理由见解析 (2)0.24×105 Pa 104 m
