课件16张PPT。章 末 整 合1．热力学第一定律
(1)公式和正负号
①公式ΔU＝Q＋W．
②正负号
热力学第一定律和能量守恒定律
A．外界对物体做功，W为正，物体对外界做功(多为气体膨胀)，W为负．
B．物体从外界吸热，Q为正，物体放热，Q为负．
C．物体内能增加，ΔU为正，物体内能减少，ΔU为负．
(2)注意问题
①只有绝热过程Q＝0，ΔU＝W，用做功可判断内能变化．
②只有在气体体积不变时，W＝0，ΔU＝Q，用吸热放热情况可判断内能的变化．
③若物体内能不变，即ΔU＝0，则W＝－Q，功和热量符号相反，大小相等．因此判断内能变化问题一定要全面进行考虑．
2．能量守恒定律
(1)能量守恒定律内容：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另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体，在转化或转移的过程中其总量保持不变．
能量守恒定律是自然界普遍适用的规律，不同形式的能可以相互转化，但总能量守恒．
(2)应用能量守恒定律解题的方法步骤
①认清有多少种形式的能(例如动能、势能、内能、电能、化学能、光能等)在相互转化．
②分别写出减少的能量ΔE减和增加的能量ΔE增的表达式．
③根据下列两种思路列出能量守恒方程：ΔE减＝ΔE增．
A．某种形式的能量减少，一定存在其他形式的能量增加，且减少量与增加量一定相等．
B．某个物体的能量减少，一定存在其他物体的能量增加，且减少量与增加量一定相等．
④解方程，代入数据，计算结果．
(3)永动机不可能制成
第一类永动机：不消耗任何能量，却可以源源不断地对外做功．这种永动机违背了能量守恒定律，是不可能制成的． 例1 一定质量的气体，在从一个状态变化到另一个状态的过程中，吸收热量280 J，并对外做功120 J．试问：
(1)这些气体的内能发生了怎样的变化？
(2)如果这些气体又返回原来的状态，并放出了240 J热量，那么在返回的过程中是气体对外界做功，还是外界对气体做功？做功多少？解析：(1)由热力学第一定律可得
ΔU＝W＋Q＝－120 J＋280 J＝160 J．
(2)由于气体的内能仅与状态有关，所以气体从②状态回到①状态过程中，内能的变化应等于从①状态到②状态过程中内能的变化，则从②状态到①状态的过程中，内能应减少160 J，即ΔU′＝－160 J，又Q′＝－240 J．
根据热力学第一定律得ΔU′＝W′＋Q′，
所以W′＝ΔU′－Q′＝－160 J－(－240 J)＝80 J，
即外界对气体做功80 J．
答案：(1)增加了160 J (2)外界对气体做功80 J1．热力学第二定律的两种表述
(1)热传递具有方向性：热量不能自发地从低温物体传向高温物体．
(2)机械能与内能转化的方向性：不可能从单一热源吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响．
2．热力学第二定律的微观解释
一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行，即在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小． 热力学第二定律及微观解释3．热力学第一定律与热力学第二定律的对比
热力学第一定律和热力学第二定律是热力学知识的基础理论．热力学第一定律指出任何热力学过程中能量守恒，而对过程没有其他限制．热力学第二定律指明哪些过程可以发生，哪些不可能发生，如：第二类永动机不可能实现，热机效率不可能是100%，热现象过程中能量降退是不可避免的，宏观的实际的热现象过程是不可逆的，等等．
热力学第一定律反映了功、热量跟内能改变之间的定量关系；热力学第二定律的实质是：自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性，都是不可逆的．违背该定律的第二类永动机是无法实现的． 例2 关于热力学第二定律，下列表述正确的是( )
A．不可能使热量从低温物体传递到高温物体
B．不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功
C．第二类永动机是不可能制成的
D．热力学第二定律是热力学第一定律的推论
解析：如果有外界的帮助，可以使热量从低温物体传递到高温物体，也可以把热量全部用来做功．热力学第一定律说明在任何过程中能量必须守恒，热力学第二定律却说明并非能量守恒过程均能实现．热力学第二定律是反映自然界过程进行的方向和条件的一个规律．它指出自然界中出现的过程是有方向性的，某些方向的过程可以实现，而另一方向的过程则不能实现，在热力学中，第二定律和第一定律相辅相成，缺一不可．
答案：C阶段测试6 热力`学定律
一、选择题(本题共9小题，每题6分，共54分．在每小题给出的四个选项中，第1～4题只有一项符合题目要求，第5～9题有多项符合题目要求，全部选对的得6分，选对但不全的得3分，有选错的得0分)
1．如图，粗细均匀的玻璃管A和B由一橡皮管连接，一定质量的空气被水银柱封闭在A管内，初始时两管水银面等高，B管上方与大气相通．若固定A管，将B管沿竖直方向缓慢下移一小段距离H，A管内的水银面高度相应变化h，则( )
A．h＝H B．h＜
C．h＝ D．＜h＜H
【答案】B [封闭气体是等温变化，B管沿竖直方向缓慢下移一小段距离H，压强变小，故气体体积要增大，但最终平衡时，封闭气体的压强比大气压小，一定是B侧水银面低，B侧水银面下降的高度(H－h)大于A侧水银面下降的高度h，故有H－h＞h，故h<.故选B．]
2．如图所示，容器A、B各有一个可自由移动的轻活塞，活塞下面是水，上面是大气，大气压强恒定，A与B的底部由带有阀门K的管道相连，整个装置与外界绝热．原先A中水面比B中高，打开阀门K，使A中的水逐渐向B中流，最后达到液面相平，在这个过程中( )
A．大气压力对水做功，水的内能增加
B．水克服大气压力做功，水的内能减少
C．大气压力对水不做功，水的内能不变
D．大气压力对水不做功，水的内能增加
【答案】D [由W＝pSΔh＝pΔV可知，大气压力对A、B两管中的水做功的代数和为零，即大气压力对水不做功，但由于水的重心下降，重力势能减小，由能量守恒定律可知水的内能增加，D正确．]
3．如图所示，某同学将空的薄金属筒开口向下压入水中．设水温均匀且恒定，筒内空气无泄漏，不计气体分子间的相互作用，则被淹没的金属筒在缓慢下降的过程中，筒内空气的体积减小并且( )
A．从外界吸热 B．内能增大
C．向外界放热 D．内能减小
【答案】C [筒缓慢下降的过程是等温过程，气体体积减小，外界对气体做功，W为正，又因为不计气体分子间的相互作用，气体内能仅由温度决定，温度不变，内能不变，即ΔU＝0，由热力学第一定律ΔU＝W＋Q知Q＝ΔU－W，因此，Q为负值，即气体向外界放热，故C正确．]
4．下列说法正确的是( )
A．一切形式的能量间的相互转化都具有方向性
B．热量不可能由低温物体传给高温物体
C．气体的扩散过程具有方向性
D．一切形式的能量间的相互转化都不具有可逆性
【答案】C [热力学第二定律反映的是所有与热现象有关的宏观过程都具有方向性，A、D错误；在有外界帮助的情况下，热量可以从低温物体传给高温物体，B错误；气体扩散过程具有方向性，C正确．]
5．在下述现象中没有做功而使物体内能改变的是( )
A．电流通过电炉而使温度升高
B．在阳光照射下，水的温度升高
C．铁锤打铁块，使铁块温度升高
D．夏天在室内放几块冰，室内温度会降低
【答案】BD [电流通过电炉做功，使电能转化为内能；在阳光照射下，水温升高是靠太阳的热辐射来实现的；铁锤打铁块是做功过程；室内放上冰块是通过传热的方式来改变温度的．]
6．如图所示，水平放置的密闭汽缸内的气体被一竖直隔板分隔为左右两部分，隔板可在汽缸内无摩擦滑动，右侧气体内有一电热丝．汽缸壁和隔板均绝热．初始时隔板静止，左右两边气体温度相等．现给电热丝提供一微弱电流，通电一段时间后切断电源．当缸内气体再次达到平衡时，与初始状态相比( )
A．右边气体温度升高，左边气体温度不变
B．左右两边气体温度都升高
C．左边气体压强增大
D．右边气体内能的增加量等于电热丝放出的热量
【答案】BC [右边气体吸收热量后，温度升高，压强增大，隔板不再静止，向左移动，右边气体对左边气体做功，由于隔板和汽缸均绝热，则左边气体的内能增加，温度升高，A错，B正确；左边气体体积减小，温度升高，由＝C可知压强增大，C正确；右边气体对左边气体做了功，根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q得右边气体内能的增加量小于电热丝放出的热量，D错误．]
7．关于热力学定律的讨论，下列叙述正确的是( )
A．一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行
B．如果物体从外界吸收了热量，则物体的内能一定增加
C．热传递的自然过程是大量分子从有序运动状态向无序运动状态转化的过程
D．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
【答案】AD [由热力学第二定律，可知A正确；物体吸热同时可能对外做功，故B错误；热传递的自然过程是大量分子从无序程度小的运动状态向无序程度大的运动状态转化的过程，C错误；做功和热传递都可改变物体内能，但做功是不同形式能的转化，而热传递是同种形式能的转移，这两种方式是有区别的，D正确．]
8．如图所示，绝热汽缸中间用固定栓将可无摩擦移动的导热隔板固定，隔板质量不计，左右两室中分别充有一定量的氢气和氧气(视为理想气体)．初始时，两室中气体的温度相等，氢气的压强大于氧气的压强，松开固定栓直至系统重新达到平衡．下列说法正确的是( )
A．初始时氢分子的平均动能大于氧分子的平均动能
B．系统重新达到平衡时，氢气的内能比初始时的小
C．松开固定栓直至系统重新达到平衡的过程中，有热量从氧气传递到氢气
D．松开固定栓直至系统重新达到平衡的过程中，氧气的内能先增大后减小
【答案】CD [温度是分子平均动能的标志，初始时，氢气和氧气的温度相同，分子平均动能相同，A错误；汽缸绝热，气体与汽缸外部没有传热，汽缸内气体的内能不会变化，B错误；在刚松开固定栓时氢气膨胀，对氧气做功，氢气内能减小，温度降低，氧气内能增加，温度升高，由于隔板是导热的，热量从氧气传到氢气，直至温度相同，氧气的内能又减小，C、D正确．]
9．下列说法正确的是( )
A．物体的内能就是组成该物体的所有分子热运动动能和势能的总和
B．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
C．做功和热传递在改变内能的方式上是不同的
D．满足能量守恒定律的物理过程都能自发进行
【答案】AC [内能的改变有两种方式：做功是不同形式能间的转化，热传递是同种形式能间的转移，故C项正确；内能是物体内所有分子动能和势能之和，故A正确；由热力学第二定律可知：热机的效率达不到100%，且一切与热现象有关的宏观过程都是有方向性的，故B、D均错．]
二、非选择题(本题3小题，共46分，解答应写出必要的文字说明、方程式和主要演算或推导步骤，有数值计算的题要有相应的单位，只写出最后答案不得分)
10．某热机使用热值q＝3.0×107 J/kg的燃料，燃烧效率为η1＝80%，汽缸中高温高压的燃气将内能转化为机械能的效率为η2＝40%，热机传动部分的机械效率为η3＝90%.若热机每小时燃烧m＝40 kg的燃料，那么热机输出的有用功率为多少？
【答案】96 kW
解析：根据题意，热机每小时做的有用功为W＝qmη1η2η3＝3.0×107×40×80%×40%×90% J＝3.456×108 J．
由功率的定义式得
P＝＝ W＝96 kW．
11．某压力锅的结构如图所示，盖好密封锅盖，将压力阀套在出气孔上，给压力锅加热，当锅内气体压强达到一定值时，气体就把压力阀顶起．假定在压力阀被顶起时，停止加热．
(1)若此时锅内气体的体积为V，摩尔体积为V0，阿伏加德罗常数为NA，写出锅内气体分子数的估算表达式．
(2)假定在一次放气过程中，锅内气体对压力阀及外界做功 1 J，并向外界释放了2 J的热量．锅内原有气体的内能如何变化？变化了多少？
(3)已知大气压强p随海拔高度H的变化满足p＝p0(1－αH)，其中常数α>0.结合气体定律定性分析在不同的海拔高度使用压力锅，当压力阀被顶起时锅内气体的温度有何不同．
【答案】(1)NA (2)内能减少，减少3 J (3)见解析
解析：(1)锅内气体的物质的量n＝，
故锅内气体分子数N＝nNA＝NA．
(2)由热力学第一定律知
ΔU＝W＋Q＝－(1＋2) J＝－3 J，
即锅内原有气体的内能减少了3 J．
(3)由p＝p0(1－αH)(其中α>0)知，
随着高度的增加，大气压强减小，
压力阀刚被顶起时，锅内气体的压强p1＝p0＋，
其中m为压力阀的质量，S为出气孔的横截面积．
由此可知，随着高度的增加，阀门被顶起时锅内气体压强减小，由查理定律＝可知，阀门被顶起时锅内气体的温度随海拔高度的增加而降低．
12．现用火箭将质量m＝1.5×103 kg的卫星发射到距地面 2 000 km的圆形轨道上绕地球运行．已知地球半径R＝6.4×106 m，火箭内所装燃料的热值q＝6.4×107 J/kg，地面附近的重力加速度g＝9.8 m/s2，若燃料完全燃烧产生的热量有1%转化为卫星运行时的动能，火箭内所装燃料的质量至少为多少？
【答案】9.8×104 kg
解析：卫星绕地球做匀速圆周运动，由万有引力定律和牛顿第二定律得G＝m≈mg，则卫星运行时的动能Ek＝mv2＝mg(R＋h)，设火箭内所装燃料的质量至少为m′，燃料全部燃烧产生的热量Q＝qm′，依题意有qm′×1%＝mg(R＋h)，故m′＝×100＝
9．8×104 kg．
阶段测试7 热力学基础
一、选择题(本题共10小题，每题7分，共70分．在每小题给出的四个选项中，第1～5题只有一项符合题目要求，第6～10题有多项符合题目要求，全部选对的得7分，选对但不全的得4分，有选错的得0分)
1．关于物体内能变化的说法，正确的是( )
A．一定质量的晶体在熔化过程中内能保持不变
B．一定质量的气体在体积膨胀过程中内能一定增加
C．一定质量的物体在热膨胀过程中内能不一定增加
D．一定质量的物体在体积保持不变的过程中，内能一定不变
【答案】C [晶体熔化要吸热，温度不变，也没有对外做功，故内能增加，A错；一定质量的气体在膨胀过程中，吸放热情况不确定，但一定对外做功，即W<0，由ΔU＝W＋Q知，ΔU不确定，故B错；物体的热膨胀一定是吸收了热量，但对外做功不一定小于吸收的热量，内能不一定增加，C项正确；物体的体积不变，温度可能改变，内能就随之改变，D错．
内能的改变由做功W和热传递Q共同决定，即ΔU＝W＋Q，而W和Q又有正负之分，当W＋Q的代数和不为零时，ΔU≠0，内能必定改变．]
2．当把打足气的车胎内的气体迅速放出时，会发现车胎气嘴处的温度明显降低，这是因为在这个过程中( )
A．气体对外做功，同时向外传递热量
B．气体对外做功，车胎内气体温度降低，从外界吸热
C．外界对气体做功，车胎内气体向外传递热量
D．外界对车胎内气体做功，同时向车胎内气体传递热量
【答案】B [气体迅速放出时，体积增大，对外做功，同时温度降低，使气嘴处温度降低，由于胎内气体温度降低，故从外界吸热．]
3．对于实际的气体，下列说法错误的是( )
A．气体的内能包括气体分子的重力势能和气体整体运动的动能
B．气体的内能包括气体分子之间相互作用的势能
C．热传导、热辐射、热对流都可能改变气体的内能
D．气体的内能包括气体分子热运动的动能
【答案】A [实际气体的内能中不包括重力势能和气体整体运动的动能，故A错误；实际气体的分子间相互作用力不能忽略，故其内能包括分子间相互作用的势能，故B正确；热传递可以改变物体的内能，热传递的三种方式是热传导、热辐射、热对流，故C正确；气体的内能包括气体分子热运动的动能，D正确．]
4．下列说法正确的是( )
A．冰箱能使热量从低温物体传递到高温物体，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，因为违背热力学第一定律
【答案】C [有外界的帮助和影响，热量可以从低温物体传递到高温物体；空调消耗的电能必大于室内温度降低所放出的热量；不可能通过给物体加热而使它运动起来，违背了热力学第二定律．]
5．以下说法中正确的是( )
A．系统在吸收热量时内能一定增加
B．悬浮在空气中做布朗运动的PM2.5粒子，气温越低，运动越剧烈
C．封闭容器中的理想气体，若温度不变，体积减半，则单位时间内气体分子在容器壁单位面积上碰撞的次数加倍，气体的压强加倍
D．用力拉铁棒的两端，铁棒没有断，说明此时分子间只存在引力而不存在斥力
【答案】C [根据热力学第一定律，ΔU＝W＋Q，系统在吸收热量时，同时向外放热，则内能不一定增加，故A错误；当温度越高时，分子运动越剧烈，导致做布朗运动的颗粒也剧烈，故B错误；由＝C，当温度不变，体积减半，则气体压强p加倍，即单位时间内气体分子在容器壁单位面积上碰撞的次数加倍，故C正确；铁棒没有断，说明此时分子间同时存在引力与斥力，分子力体现为引力，故D错误．]
6．在下述现象中没有做功而使物体内能改变的是( )
A．电流通过电炉使温度升高 B．在阳光照射下，水的温度升高
C．铁锤打铁块，使铁块温度升高 D．夏天在室内放几块冰，室内会变凉快
【答案】BD [电流通过电炉做功使电能转化为内能；在阳光照射下，水温升高是靠太阳的热辐射来升温的；铁锤打铁块是做功过程；室内放上冰块是通过热传递的方式来改变室内温度的．]
7．图中汽缸内盛有一定质量的理想气体，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．现将活塞杆与外界连接使它缓慢地向右移动，这样气体将等温膨胀并通过杆对外做功，若已知一定质量理想气体的内能只与温度有关，则下列说法正确的是( )
A．气体是从外界吸热，全用来对外做功，但此过程不违反热力学第二定律
B．气体是从外界吸热，全用来对外做功，因此此过程违反热力学第二定律
C．此过程中缸内的气体的压强减小
D．此过程中缸内气体的压强不变
【答案】AC [气体膨胀对外做功，内能减少，温度降低，使气体与外界存在温度差，热量可从外界传递给气体，这并不违反热力学第二定律；由于气体等温膨胀，体积增大，其压强必然减小，故A、C正确．]
8．下面关于热力学第二定律微观意义的说法正确的是( )
A．从微观的角度看，热力学第二定律是一个统计规律
B．一切自然过程总是沿着分子热运动无序性减小的方向进行
C．有的自然过程沿着分子热运动无序性增大的方向进行，有的自然过程沿着分子热运动无序性减小的方向进行
D．在任何自然过程中，一个孤立系统总熵不会减少
【答案】AD [系统的热力学过程就是大量分子无序运动状态的变化，从微观角度看，热力学第二定律是一个统计规律，所以A对；热力学第二定律的微观意义是“一切自然过程总是沿着分子热运动无序性增大的方向进行”，所以B、C均错；D是对热力学第二定律微观意义的描述，D对．]
9．一定质量的气体封闭在绝热的汽缸内，当用活塞压缩气体时，一定增大的物理量有(不计气体分子势能)( )
A．气体体积 B．气体分子间作用力
C．气体内能 D．气体分子的平均动能
【答案】CD [汽缸绝热，不发生热传递，压缩气体，故气体内能增大；温度升高，平均动能增大，C、D正确；不计气体分子势能，即不计分子间作用力，A、B错误．]
10．打开冰箱门时，冰箱里的冷空气出来，外面的常温空气进到里面．冰箱门重新关上后，将这股“热”空气也关在了里面，之后，“热”空气冷却，则下列说法正确的是( )
A．“热”空气的热量可以自发地从冰箱内传到冰箱外
B．“热”空气冷却后，压强减小，所以打开冰箱门时，比较费力
C．电冰箱的工作过程不违背热力学第二定律
D．“热”空气冷却后，压强不变，内能减小
【答案】BC [由热力学第二定律知，热量不能自发地由低温物体传向高温物体，除非施加外部的影响和帮助．电冰箱把热量从低温的内部传到高温外部，需要压缩机的帮助并消耗电能．]
二、非选择题(本题2小题，共30分)
11．某同学制作了一个结构如图(a)所示的温度计．一端封闭的轻质细管可绕封闭端O自由转动，管长0.5 m．将一量程足够大的力传感器调零，细管的开口端通过细线挂于力传感器挂钩上，使细管保持水平、细线沿竖直方向．在气体温度为270 K时，用一段水银将长度为0.3 m的气柱封闭在管内．实验时改变气体温度，测得封闭气柱长度l和力传感器读数F之间的关系如图(b)所示(实验中大气压强不变)．
(a) (b)
(1)管内水银柱长度为 ________m，为保证水银不溢出，该温度计能测得的最高温度为________K．
(2)若气柱初始长度大于0.3 m，该温度计能测量的最高温度将______(填“增大”“不变”或“减小”)．
(3)若实验中大气压强略有升高，则用该温度计测出的温度将______(填“偏高”“不变”或“偏低”)．
【答案】(1)0.1 360 (2)减小 (3)偏低
解析：(1)由于轻质管可以绕O点转动，通过力矩关系，设水银长度的一半为x，封闭气体长度为l，管子长度为L，有FL＝ρgSx(l＋x)，即F＝l＋，研究气体长度为0.3 m和0.35 m两个位置，可以计算出水银长度为2x＝0.1 m；为保证水银不溢出，水银刚好到达管口，此时封闭气体长度l＝0.4 m，则根据＝，可以算出此时温度为T＝360 K．
(2)根据上题结论，从公式＝可以看出，后来温度与原来的气体长度有反比关系，所以该温度计能够测量的最大温度将会减小．
(3)实验过程中大气压强增加，由公式＝，得到T＝，温度会增加，但如果仍然用＝计算的话，会出现测量值偏低．
12．如图所示为一汽缸内封闭的一定质量的气体的p－V图线，当该系统从状态a沿过程a→c→b到达状态b时，有335 J的热量传入系统，系统对外界做功126 J，求：
(1)若沿a→d→b过程，系统对外界做功42 J，则有多少热量传入系统？
(2)若系统由状态b沿曲线过程返回状态a时，外界对系统做功84 J，问系统是吸热还是放热？热量传递是多少？
【答案】(1)251 J (2)放热 放出293 J热量
解：(1)沿a→c→b过程，ΔU＝W＋Q＝(－126＋335) J＝209 J．
沿a→d→b过程，ΔU＝W′＋Q′，Q′＝ΔU－W′＝[209－(－42)] J＝251 J，即有251 J的热量传入系统．
(2)由a→b，ΔU＝209 J，
由b→a，ΔU′＝－ΔU＝－209 J，
ΔU′＝W″＋Q″＝84 J＋Q″，Q″＝(－209－84) J＝－293 J，
负号说明系统放出热量．
