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第三章 | 热力学定律
第一、二节 热力学第一定律 能量守恒定律及其应用
核心素养点击
物理观念 1.掌握内能的概念，知道改变物体内能的两种方式。
2.知道热力学第一定律的内容。
3.理解能量守恒定律，知道能量守恒定律是自然界普遍遵从的基本原理。
4.知道第一类永动机是不可能实现的。
科学思维 能运用热力学第一定律解释和计算能量的转化、转移问题。
科学探究 探究能量的转化过程和总量的变化情况。
科学态度与责任 1.理解能量和能量守恒观念对世界统一性的意义。
2.体会科学探索中的挫折和失败对科学发现的意义，知道科学发现需要科学家共同努力。
一、物体的内能
1．填一填
(1)分子势能
①定义：由分子间的相互作用力和分子间的___________决定的势能。
②宏观上：分子势能的大小与物体的______有关。
③微观上：分子势能的大小与分子之间的_______有关。
④当r>r0时，分子力表现为_____，若r增大，需克服引力做功，分子势能______。
⑤当r⑥当r＝r0时，分子势能______。
相对位置
体积
距离
引力
增大
斥力
增大
最小
(2)分子动能
①定义：由于分子永不停息地做______________而具有的动能。
②分子的平均动能：大量分子动能的________。
③温度的微观意义：温度是分子热运动的__________的标志。
(3)内能
①定义：物体中所有分子_______________和__________的总和。
②决定因素：物体的内能由物体的质量、_____和______共同决定。
无规则热运动
平均值
平均动能
热运动的动能
分子势能
温度
体积
2．判一判
(1)物体的体积增大，分子势能一定增大，体积减小，分子势能一定减小。 ( )
(2)物体运动的速度越快，内能越大。 ( )
(3)某种物体的温度是0 ℃，说明物体中分子的平均动能为零。 ( )
3．想一想
(1)物体的机械能为零，内能可以为零吗？
提示：内能和机械能是两种不同的能，内能由物体分子所处状态决定，而机械能由物体的质量、速度、相对高度或弹性形变程度决定，物体内分子在永不停息地运动，内能不可能为零，而物体的机械能可以为零。
(2)当两分子距离为平衡距离r0时，分子间作用力F＝0，此时分子势能一定为零吗？
提示：不一定，当两分子从距离大于r0处逐渐靠近过程中分子间作用力先做正功，后做负功，分子势能先减小后增大，相距r0时最小，但不一定为零。
×
×
×
二、改变物体内能的两种方式
1．填一填
(1)改变物体内能的两种方式：______和_______。
(2)功、热量和内能改变的关系
①如果物体与外界无热传递，外界对物体做功，物体的内能______；物体对外做功，物体的内能______。
②如果物体既不对外做功，外界也不对物体做功，则物体从外界吸收热量时，它的内能_____；物体向外放出热量时，它的内能______。
做功
热传递
增加
减少
增加
减少
2．判一判
(1)做功和热传递改变物体内能的实质是相同的。 ( )
(2)系统内能增加一定是因为系统从外界吸收热量。 ( )
(3)做功和热传递不能同时改变物体的内能。 ( )
3．想一想
一定质量的理想气体，做等压膨胀，在变化过程中是气体对外做功，还是外界对气体做功？在变化过程中气体吸热，还是向外放热？气体内能增加了，还是减少了？
提示：气体的变化为等压膨胀，一定是气体对外做功；理想气体在等压膨胀过程中需要从外界吸收热量。由盖－吕萨克定律可知，理想气体在等压膨胀过程中温度升高，内能一定增加。
×
×
×
三、热力学第一定律及其应用
1．填一填
(1)做功和_________都可以改变物体的内能，而且这两种方式是______的。
(2)单纯地对系统做功时内能的变化量与功的关系：ΔU＝W。
(3)单纯地对系统热传递时，内能的变化量与传递热量的关系：ΔU＝Q。
(4)当外界既对系统做功又对系统热传递时，内能的变化量：ΔU＝Q＋W。
(5)热力学第一定律
①内容：一个热力学系统的内能变化量等于外界向它传递的______与外界对它所做的______之和。
②表达式：ΔU＝___＋____
热传递
等效
热量Q
功W
Q
W
2．判一判
(1)外界对系统做功，系统的内能一定增加。 ( )
(2)系统内能增加，一定是系统从外界吸收热。 ( )
(3)系统从外界吸收热量5 J，内能可能增加5 J。 ( )
(4)系统内能减少，一定是系统对外界做功。 ( )
×
×
×
√
3．想一想
快速推动活塞对气缸内气体做功10 J，气体内能改变了多少？
若保持气体体积不变，外界对气缸传递10 J的热量，气体内
能改变了多少？能否说明10 J的功等于10 J的热量？
提示：无论外界对气体做功10 J，还是外界给气体传递10 J的热量，气体内能都增加了10 J，说明做功和热传递在改变物体内能上是等效的，但不能说10 J的功等于10 J的热量，因为功与热量具有本质区别。
四、能量守恒定律 第一类永动机不可能制成
1．填一填
(1)能量守恒定律：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式______为其他形式，或者从一个物体______到别的物体；在转化和转移过程中其总量_____。
(2)意义
①各种形式的能可以_________。
②各种物理现象可以用_____________联系在一起。
(3)第一类永动机不可能制成
①第一类永动机：不需要任何动力或燃料，却能不断地__________的机器。
②第一类永动机不可能制成的原因：违背了______________。
转化
转移
不变
相互转化
能量守恒定律
对外做功
能量守恒定律
2．判一判
(1)运动的物体在阻力作用下会停下来，说明机械能凭空消失了。 ( )
(2)功和能可以相互转化。 ( )
(3)第一类永动机不能制成，是因为它违背了能量守恒定律。 ( )
(4)某个物体的能量减少，必然有其他物体的能量增加。 ( )
×
×
√
√
3．选一选
“第一类永动机”是不可能制成的，这是因为 ( )
A．它不符合机械能守恒定律
B．它违背了能量守恒定律
C．它做功产生的热不符合热功当量
D．暂时找不到合理的设计方案和理想材料
解析：第一类永动机不可能制成的原因是违背了能量守恒定律，故B项正确。
答案：B
探究(一) 分子动能、势能与物体的内能
[问题驱动]
一架飞机在空中以某一速度飞行，由于飞机中所有分子都具有飞机的速度，所以分子具有动能，又由于飞机在空中，飞机中所有分子都离地面有一定高度，以地面为零势能参考平面，所以分子具有势能，上述动能和势能的总和就是飞机的内能，当飞机停在地上时，飞机的内能为零，以上说法是否正确？为什么？
提示：不正确，飞机的内能不是飞机的机械能，它是飞机中所有分子做无规则热运动和由于分子之间的相互作用而具有的势能的总和，与飞机的高度和飞机速度无关。
[重难释解]
1．分子的平均动能
(1)热现象研究的是大量分子运动的宏观表现，有意义的是物体内所有分子热运动动能的平均值，即分子的平均动能。
(2)温度是分子平均动能的标志，这是温度的微观意义。在相同温度下，各种物质分子的平均动能都相同，由于不同物质分子的质量不一定相同，因此相同温度时不同物质分子的平均速率不一定相同。
(3)物体温度升高，分子热运动加剧，分子的平均动能增大，但并不是每个分子的动能都变大。
2．分子势能与分子间距离的关系
分子势能的大小与分子间的距离有关，距离发生变化时，分子力做
功，分子势能发生变化。分子势能随分子间距离的变化情况如图所
示(取无穷远处Ep为0)。
(1)当分子间的距离r>r0时，分子势能随分子间距离的增大而增大。
(2)当分子间的距离r(3)当r＝r0时，分子势能最小。
3．对内能的理解
(1)内能是对大量分子而言的，对单个分子来说无意义。
(2)某个物体的内能在宏观上由物体的质量、温度和体积决定；微观上由分子数、分子平均动能和分子势能决定。
(3)物体的内能跟物体的机械运动状态无关。
4．内能与机械能的比较
比较项目 内能 机械能
对应的运动形式 微观分子热运动 宏观物体机械运动
能量常见的形式 分子动能、分子势能 物体的动能、重力势能或弹性势能
能量存在的原因 由物体内大量分子的无规则热运动和分子间相对位置决定 由物体做机械运动、与地球相对位置或物体形变决定
影响因素 物体的质量、物体的温度和体积 物体的质量、物体做机械运动的速度、离地高度(或相对于零势能参考平面的高度)或弹性形变
是否为零 永远不能等于零 一定条件下可以等于零
联 系 在一定条件下可以相互转化
续表
典例1 若某种实际气体分子的作用力表现为引力，则一定质量的该气体内能的大小与气体体积和温度的关系是 ( )
A．如果保持其体积不变，温度升高，内能增大
B．如果保持其体积不变，温度升高，内能减少
C．如果保持其温度不变，体积增大，内能不变
D．如果保持其温度不变，体积增大，内能减少
[解析] 若保持气体的体积不变，则分子势能不变，温度升高，分子的平均动能变大，故气体的内能增大，A项正确，B项错误；若保持气体的温度不变，气体分子的平均动能不变，体积增大，分子间的引力做负功，分子势能增大，故气体的内能增大，C、D两项均错误。
[答案] A
影响物体内能的因素
(1)物体的内能：物体的内能是物体中所有分子热运动的动能与分子势能的总和。在其概念中有三个关键词：所有分子、动能、分子势能。
(2)影响物体内能的因素：
①由于温度越高，分子平均动能越大，所以，物体的内能与温度有关。
②由于分子势能与分子间距有关，所以，物体的内能与体积有关。
③由于内能应包含所有分子的动能、势能，所以，内能还与分子数目有关，即与物体的物质的量有关。
[素养训练]
1．(多选)有关分子的热运动和内能，下列说法正确的是 ( )
A．一定质量的气体，温度不变，分子的平均动能不变
B．物体的温度越高，分子热运动越剧烈
C．物体的内能是物体中所有分子热运动动能和分子势能的总和
D．布朗运动是由悬浮在液体中的微粒之间的相互碰撞引起的
解析：温度是分子平均动能的标志，所以温度不变，分子的平均动能不变，A正确；物体的温度越高，分子热运动越剧烈，B正确；物体的内能就是物体内部所有分子热运动的动能和分子势能的总和，C正确；布朗运动是微粒在液体中受到液体分子的撞击不平衡引起的，D错误。
答案：ABC
2．玻璃杯中盛有冰水混合物，冰的质量和水的质量相等且保持不变，
则玻璃杯内 ( )
A．冰分子的平均动能大于水分子的平均动能
B．水分子的平均动能等于冰分子的平均动能
C．一个水分子的动能一定大于一个冰分子的动能
D．一个水分子的动能一定等于一个冰分子的动能
解析：冰水混合物温度为0 ℃，冰、水温度相同，二者分子平均动能相同，故选项A错误，B正确；相同温度的冰和水内个别分子的动能是随时变化的，比较个别分子的动能没有意义，故选项C、D错误。
答案：B
3． (2023·海南高考)如图为两分子靠近过程中的示意图，r0为分子间平衡距离，下列关于分子力和分子势能的说法正确的是( )
A．分子间距离大于r0时，分子间表现为斥力
B．分子从无限远靠近到距离r0处的过程中分子势能变大
C．分子势能在r0处最小
D．分子间距离在小于r0且减小时，分子势能在减小
解析：分子间距离大于r0时，分子间表现为引力，分子从无限远靠近到距离r0处的过程中，引力做正功，分子势能减小，则在r0处分子势能最小；继续减小分子间距离，分子间表现为斥力，分子力做负功，分子势能增大。
答案： C
探究(二) 热力学第一定律的理解及应用
[重难释解]
1．公式ΔU＝Q＋W中符号的规定
符号 Q W ΔU
＋ 物体吸热 外界对物体做功 内能增加
－ 物体放热 物体对外界做功 内能减少
2．三种特殊情况
(1)若过程是绝热的，即Q＝0，则ΔU＝W，物体内能的增加量等于外界对物体做的功。
(2)若过程中不做功，即W＝0，则ΔU＝Q，物体内能的增加量等于物体从外界吸收的热量。
(3)若过程的始末状态物体的内能不变，即ΔU＝0，则W＝－Q(或Q＝－W)，外界对物体做的功等于物体放出的热量(或物体吸收的热量等于物体对外界做的功)。
3．判断是否做功的方法
一般情况下看物体的体积是否变化：
(1)若物体体积增大，表明物体对外界做功，W<0。
(2)若物体体积减小，表明外界对物体做功，W>0。
典例2 一定质量的实际气体从外界吸收了4.2×105 J的热量，同时气体对外做了6×105 J的功，问：
(1)气体的内能是增加还是减少？变化量是多少？
(2)分子势能是增加还是减少？
(3)分子的平均动能是增加还是减少？
[解析] (1)气体从外界吸热，故Q＝4.2×105 J，
气体对外做功，故W＝－6×105 J，
由热力学第一定律有ΔU＝W＋Q＝(－6×105 J)＋(4.2×105 J)＝－1.8×105 J。
ΔU为负，说明气体的内能减少了，所以气体内能减少了1.8×105 J。
(2)因为气体对外做功，所以气体的体积膨胀，分子间的距离增大了，分子力做负功，气体分子势能增加。
(3)因为气体内能减少，同时气体分子势能增加，说明气体分子的平均动能一定减少。
[答案] (1)减少 1.8×105 J (2)增加 (3)减少
应用热力学第一定律解题的方法
(1)明确研究对象是哪个物体或者是哪个热力学系统。
(2)分别找出题目中研究对象吸收或放出的热量；外界对研究对象所做的功或研究对象对外界所做的功；研究对象内能的增加量或减少量。
(3)根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W列出方程进行求解。
(4)特别注意物理量的正负号及其意义。
1． 对于自热米饭很多人还不是很了解，自热米饭盒内有一个发热包，遇水发
生化学反应而产生大量热能，不需要明火，温度可超过100 ℃，盖上盒盖便
能在10～15分钟内迅速加热食品。自热米饭的盖子上有一个透气孔，如果透气孔堵塞，容易造成小型爆炸。有关自热米饭盒爆炸的说法，正确的是 ( )
A．自热米饭盒爆炸，是盒内气体温度升高，气体分子间斥力急剧增大的结果
B．在自热米饭盒爆炸的瞬间，盒内气体内能增加
C．在自热米饭盒爆炸的瞬间，盒内气体温度降低
D．自热米饭盒爆炸前，盒内气体温度升高，标志着每一个气体分子速率都增大了
[素养训练]
解析：自热米饭盒爆炸前，盒内气体温度升高，由分子动理论知，体积不变，气体分子间作用力忽略不计，分子间的作用力不变，故A错误；根据热力学第一定律，爆裂前气体温度升高，内能增大，突然爆裂的瞬间气体对外界做功，其内能减少，温度也会有所下降，故B错误，C正确；自热米饭盒爆炸前，盒内气体温度升高，分子平均动能增加，但并不是每一个气体分子速率都增大，故D错误。
答案：C
2．(2022·辽宁高考)一定质量的理想气体从状态a变化到状态b，其体积V和热力学温度T变化图像如图所示，此过程中该系统 ( )
A．对外界做正功
B．压强保持不变
C．向外界放热
D．内能减少
解析：根据题意，气体体积增加，因此对外做正功，故A正确；题目中图像延长线没有过原点，因此不是等压线，故B错误；温度升高且对外做功，根据热力学第一定律，该过程需要吸热，故C错误；温度升高，内能增加，故D错误。
答案：A
3．(2022·河北高考)如图，绝热密闭容器中装有一定质量的某种理想气体和一个充有同种气体的气球。容器内温度处处相同。气球内部压强大于外部压强。气球慢慢漏气后，容器中气球外部气体的压强将________(填“增大”“减小”或“不变”)；温度将________(填“升高”“降低”或“不变”)。
答案：增大 升高
探究(三) 对能量守恒定律的理解
[问题驱动]
有一种所谓“全自动”机械手表，既不需要上发条，也不用任何
电源，却能不停地走下去。
讨论：
(1)这是不是一种永动机？
提示：这不是永动机。
(2)如果不是，维持表针走动的能量是从哪儿来的？
提示：手表戴在手腕上，通过手臂的运动，机械手表获得能量，供手表发条做机械运动。若将此手表长时间放置不动，它就会停下来。
[重难释解]
1．能量的存在形式及相互转化
(1)各种运动形式都有对应的能：机械运动有机械能，分子的热运动有内能，还有电磁能、化学能、原子能等。
(2)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；列车刹车后，轮子温度升高，机械能转化为内能。
2．与某种运动形式对应的能是否守恒是有条件的
例如，物体的机械能守恒，必须是只有重力或系统内的弹力做功；而能量守恒定律是没有条件的，它是一切自然现象都遵守的基本规律。
3．能量守恒定律中的“转化”和“转移”
(1)某种形式的能量减少，一定有其他形式的能量增加，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。
4．第一类永动机失败的原因分析
如果没有外界热源供给热，则有U2－U1＝W，就是说，如果系统内能减少，即U2典例3 如图所示，直立容器的内部有被隔板隔开的A、B两部分气
体，A的密度小，B的密度大。抽去隔板，加热气体，使两部分气体均匀
混合。设在此过程中气体吸收的热量为Q，气体内能的增量为ΔE，则 ( )
A．ΔE＝Q B．ΔEC．ΔE>Q D．ΔE＝0
[解析] 抽去隔板，加热气体，使两部分气体均匀分布，其重心升高，重力势能增加，由能量守恒定律知，气体吸收的热量一部分用来克服重力做功，一部分用于增加气体的内能，所以内能的增量小于吸收的热量，故选项B正确。
[答案] B
利用能量守恒定律解决问题时，首先应明确题目中涉及哪几种形式的能量，其次分析哪种能量增加了，哪种能量减少了，确定研究的系统后，用能量守恒的观点求解。
[素养训练]
1．“第一类永动机”是不可能制成的，这是因为它 ( )
A．不符合热力学第一定律
B．做功产生的热量太少
C．由于有摩擦、热损失等因素的存在
D．找不到合适的材料和合理的设计方案
解析：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，即热力学第一定律，故A正确，B、C、D错误。
答案：A
2．(多选)行驶中的汽车制动后滑行一段距离，最后停下；流星在夜空中坠落并发出明亮的火焰；降落伞在空中匀速下降；条形磁体在下落过程中穿过闭合线圈，线圈中产生电流。上述不同现象中所包含的相同的物理过程是 ( )
A．物体克服阻力做功
B．物体的动能转化为其他形式的能量
C．物体的势能转化为其他形式的能量
D．物体的机械能转化为其他形式的能量
解析：这四个现象中物体运动过程都受到阻力作用，汽车主要是制动阻力，流星、降落伞是空气阻力，条形磁体下落主要是受到磁场阻力，因而物体都克服阻力做功，故A正确；四个运动过程中，汽车是动能转化成了其他形式的能，流星、降落伞、条形磁铁是重力势能转化成其他形式的能，总之是机械能转化成了其他形式的能，故D正确，B、C错误。
答案：AD
3．下列有关能量的描述正确的是 ( )
A．“既要马儿跑得快，又要马儿不吃草”违背了能量守恒定律
B．工作中的电风扇，消耗的电能大于输出的机械能，该过程能量不守恒
C．滑块在粗糙的水平面上减速滑行，最终停了下来，动能消失，能量不守恒
D．同时做自由落体运动的物体，质量越大，势能减少越快，机械能减少也越快
解析：马儿跑的时候需要消耗能量，而草能够为马儿提供能量，因此“既要马儿跑得快，又要马儿不吃草”违背了能量守恒定律，故A正确；工作中的电风扇，消耗的电能大于输出的机械能，损失的电能转化为内能，该过程能量仍守恒，故B错误；滑块在粗糙的水平面上减速滑行，最终停了下来，减小的动能转化为内能，能量守恒，故C错误；同时做自由落体运动的物体，运动的快慢与质量无关，减少的势能转化为动能，机械能不变，故D错误。
答案：A
(选自鲁科版新教材“物理聊吧”)如图是历史上曾经出现的几种永动机的设计方案示意图：图甲是想利用短杆上的重球产生的作用，使轮子不停地转动；图乙是想利用像灯芯那样的棉线把水吸到高处，再流下冲击轮子的叶片，使轮子不停地转动；图丙是想利用重物在水中受浮力作用而上升，带动轮子不停地转动。
请仔细分析这些永动机的设想，指出它们不可能实现的原因。
提示：图甲设计，利用了杠杆的原理，认为左侧球的力臂长，力矩大，右侧球的力臂短，力矩小，故轮能逆时针转动，实际上，左侧球不如右侧球数量多，左、右力矩平衡，轮子不可能永远转动。
图乙设计，利用棉线吸水到高处，水流下时推动轮子上的叶片转动，实际上棉线吸水是由于水的表面张力，当棉线吸水后，表面张力等于水的重力和摩擦阻力时，吸水停止，上边的水流完后，轮子也就不再转动了。
图丙设计，右边的物体浸在水中，受浮力作用，推动右侧重物上升，左侧重物下降，带动轮子不停地转动。实际上，上面的重物漏出水面，下面的重物进入右侧容器时，就算不考虑漏水的技术问题，还应考虑下面进入的重物要承受上面水的压力，这个压力很大，可抵消上面几个球所受的浮力，因此，这个永动机也就无法永动了。
二、注重学以致用和思维建模
1． (多选)某校“科创社”在学校足球场进行水火箭发射、航模飞行等展示活动。此次活动激起该校师生在工作和学习之余的科技创新热情。水火箭是一种以水的压力推进的模型火箭，是利用废弃的饮料瓶制作成动力舱、箭体、箭头、尾翼、降落伞的，在动力舱中灌入三分之一的水，利用打气筒充入空气到达一定的压力后喷水获得反冲力而发射。在喷水过程可以认为瓶内气体与外界绝热，则在喷水阶段有 ( )
A．瓶内气体体积增大，外界对气体做正功
B．瓶内气体内能减小，温度降低
C．喷水阶段机械能转换为内能
D．瓶内气体压强减小，即瓶内壁单位面积上所受气体分子撞击的作用力减小
解析：在喷水过程中，瓶内气体体积增大，气体对外界做功，W<0，故A错误；在喷水过程中，瓶内气体与外界绝热，Q＝0，由热力学第一定律ΔU＝W＋Q可知，瓶内气体内能减小，温度降低，故B正确；喷水阶段气体内能减小，而物体运动，机械能增加，所以内能转化为机械能，故C错误；瓶内气体压强减小，即瓶内壁单位面积上所受气体分子撞击的作用力减小，故D正确。
答案：BD
2．目前，共享单车作为绿色出行的交通工具，已成为时尚。甲、乙两种共享单车都采用了电子锁，车锁内集成了GPS模块与联网模块等，这些模块工作时需要电能。这两种共享单车采用了不同的方式获取电能：甲车靠小型发电机，人踩动单车时带动线圈在磁场中转动产生电能，如图甲所示；乙车靠车筐底部的太阳能电池板有光照时产生电能，如图乙所示。这两种共享单车获取电能时，都是把其他形式的能转化为电能。关于它们的能量转化，下列说法中正确的是 ( )
A．都是把机械能转化为电能
B．都是把光能转化为电能
C．甲车把机械能转化为电能，乙车把光能转化为电能
D．甲车把光能转化为电能，乙车把机械能转化为电能
解析：甲车靠小型发电机，人踩动单车时带动线圈在磁场中转动产生电能，故是将机械能转化为电能；乙车靠车筐底部的太阳能电池板有光照时产生电能，故是将光能转化为电能。故A、B、D错误，C正确。
答案：C
3．生活中的热学问题通常涉及多个过程。例如，将气泡内的气体视为理想气体，气泡在从湖底上升到湖面过程中，对外界做了0.20 J的功。假设湖水温度保持不变，此过程中的气泡是吸热还是放热？吸收或放出的热量是多少？气泡到达湖面后，在其温度上升的过程中，又对外界做了0.02 J的功，同时吸收了0.05 J的热量，气泡内气体内能增加了多少？
解析：气泡从湖底上升到湖面过程中，水温度保持不变，气泡内气体的内能不变ΔU＝0，
由ΔU＝Q＋W，可得Q＝－W＝0.20 J，
即气泡吸收热量0.20 J，
气泡到达湖面后，W＝－0.02 J，Q＝0.05 J，
由ΔU＝Q＋W，可得ΔU＝0.03 J，即气泡内气体内能增加了0.03 J。
答案：吸热 0.20 J 0.03 J(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 (2022·广东高考)利用空调将热量从温度较低的室内传递到温度较高的室外环境，这个过程______(选填“是”或“不是”)自发过程。该过程空调消耗了电能，空调排放到室外环境的热量__________(选填“大于”“等于”或“小于”)从室内吸收的热量。
[解析] 利用空调将热量从温度较低的室内传递到温度较高的室外环境，需要空调的压缩机工作，不是自发过程；由于该过程消耗了电能，产生了电热，空调排放到室外环境的热量应等于电热加上从室内吸收的热量，即空调排放到室外环境的热量大于从室内吸收的热量。
[答案] 不是 大于
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． (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(共30张PPT)
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 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．(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．(2022·湖南高考)(多选)利用“涡流效应”可实现冷热气体的分离。如图，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
解析：依题意，中心部位为热运动速率较低的气体，与挡板碰撞后反弹，从A端流出，而边缘部位热运动速率较高的气体从B端流出；同种气体分子平均热运动速率较大，其对应的温度也就较高，所以A端为冷端，B端为热端，故A正确；依题意，A端流出的气体分子热运动速率较小，B端流出的气体分子热运动速率较大，所以从A端流出的气体分子热运动平均速率小于从B端流出的，故B正确；从A端流出的气体分子平均动能小于从B端流出的气体分子平均动能，内能的多少还与分子数有关，不能得出从A端流出的气体内能一定大于从B端流出的气体内能，故C错误；该装置将冷热气体进行分离，喷嘴处有高压，即通过外界做功而实现的，并非自发进行的，没有违背热力学第二定律；温度较低的从A端流出，温度较高的从B端流出，也符合能量守恒定律，故D错误，E正确。
答案：ABE
5．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
