第3講　熱力學(xué)定律與能量守恒定律目標(biāo)要求　1.理解熱力學(xué)第一定律，知道改變內(nèi)能的兩種方式，并能用熱力學(xué)第一定律解決相關(guān)問題.2.理解熱力學(xué)第二定律，知道熱現(xiàn)象的方向性.3.知道第一類永動機和第二類永動機不可能實現(xiàn).考點一　熱力學(xué)第一定律基礎(chǔ)回扣1.改變物體內(nèi)能的兩種方式(1)做功；(2)熱傳遞.2.熱力學(xué)第一定律(1)內(nèi)容：一個熱力學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)能變化量等于外界向它傳遞的熱量與外界對它所做的功的和.(2)表達式：ΔU＝Q＋W.(3)表達式中的正、負(fù)號法則：物理量WQΔU＋外界對物體做功物體吸收熱量內(nèi)能增加－物體對外界做功物體放出熱量內(nèi)能減少 3.能量守恒定律(1)內(nèi)容能量既不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為其他形式，或者從一個物體轉(zhuǎn)移到別的物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中，能量的總量保持不變.(2)條件性能量守恒定律是自然界的普遍規(guī)律，某一種形式的能是否守恒是有條件的.(3)第一類永動機是不可能制成的，它違背了能量守恒定律.技巧點撥1.熱力學(xué)第一定律的理解(1)內(nèi)能的變化都要用熱力學(xué)第一定律進行綜合分析.(2)做功情況看氣體的體積：體積增大，氣體對外做功，W為負(fù)；體積縮小，外界對氣體做功，W為正.(3)與外界絕熱，則不發(fā)生熱傳遞，此時Q＝0.(4)如果研究對象是理想氣體，因理想氣體忽略分子勢能，所以當(dāng)它的內(nèi)能變化時，主要體現(xiàn)在分子動能的變化上，從宏觀上看就是溫度發(fā)生了變化.2.三種特殊情況(1)若過程是絕熱的，則Q＝0，W＝ΔU，外界對物體做的功等于物體內(nèi)能的增加；(2)若過程中不做功，即W＝0，則Q＝ΔU，物體吸收的熱量等于物體內(nèi)能的增加；(3)若過程的初、末狀態(tài)物體的內(nèi)能不變，即ΔU＝0，則W＋Q＝0或W＝－Q，外界對物體做的功等于物體放出的熱量.例1　(2020·山東等級考模擬卷)如圖1所示，水平放置的封閉絕熱汽缸，被一鎖定的絕熱活塞分為體積相等的a、b兩部分.已知a部分氣體為1 mol氧氣，b部分氣體為2 mol氧氣，兩部分氣體溫度相等，均可視為理想氣體.解除鎖定，活塞滑動一段距離后，兩部分氣體各自再次達到平衡態(tài)時，它們的體積分別為Va、Vb，溫度分別為Ta、Tb.下列說法正確的是(　　)圖1A.Va>Vb，Ta>Tb   B.Va>Vb，Ta<TbC.Va<Vb，Ta<Tb  D.Va<Vb，Ta>Tb答案　D解析　解除鎖定前，兩部分氣體溫度相同，體積相同，由于b部分壓強大，故解除鎖定后活塞左移，則平衡時Va<Vb，pa＝pb.根據(jù)熱力學(xué)第一定律，活塞左移過程中，a氣體被壓縮，內(nèi)能增大，溫度升高；b氣體對外做功，內(nèi)能減小，溫度降低，則平衡時Ta>Tb，D正確.1.(改變內(nèi)能的兩種方式)(多選)關(guān)于熱力學(xué)定律，下列說法正確的是(　　)A.氣體吸熱后溫度一定升高B.對氣體做功可以改變其內(nèi)能C.理想氣體等壓膨脹過程一定放熱D.熱量不可能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體答案　BD2.(熱力學(xué)第一定律的計算)如圖2是密閉的汽缸，外力推動活塞P壓縮理想氣體，對缸內(nèi)氣體做功200 J，同時氣體向外界放熱100 J，缸內(nèi)氣體的(　　)圖2A.溫度升高，內(nèi)能增加100 JB.溫度升高，內(nèi)能減少200 JC.溫度降低，內(nèi)能增加100 JD.溫度降低，內(nèi)能減少200 J答案　A解析　外界對氣體做功，W＝200 J；氣體向外界放熱，則Q＝－100 J，根據(jù)熱力學(xué)第一定律得，氣體內(nèi)能的增量ΔU＝W＋Q＝200 J－100 J＝100 J，即內(nèi)能增加100 J.對于一定質(zhì)量的理想氣體，內(nèi)能增加，溫度必然升高，故A正確.3.(熱力學(xué)第一定律)(2020·天津卷·5)水槍是孩子們喜愛的玩具，常見的氣壓式水槍儲水罐示意圖如圖3.從儲水罐充氣口充入氣體，達到一定壓強后，關(guān)閉充氣口.扣動扳機將閥門M打開，水即從槍口噴出.若水在不斷噴出的過程中，罐內(nèi)氣體溫度始終保持不變，則氣體(　　)圖3A.壓強變大   B.對外界做功C.對外界放熱   D.分子平均動能變大答案　B解析　儲水罐中封閉的氣體可看作理想氣體，溫度不變，體積增大，由pV＝C可知，壓強變小，故A錯誤；氣體體積增大，對外界做功，故B正確；由于一定質(zhì)量的某種理想氣體的內(nèi)能只與溫度有關(guān)，溫度不變，故內(nèi)能也不變，即ΔU＝0，由于氣體對外界做功，即W<0，由熱力學(xué)第一定律ΔU＝W＋Q可知，Q>0，因此氣體從外界吸熱，故C錯誤；溫度不變，分子平均動能不變，故D錯誤.考點二　熱力學(xué)第二定律基礎(chǔ)回扣1.熱力學(xué)第二定律的兩種表述(1)克勞修斯表述：熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體.(2)開爾文表述：不可能從單一熱庫吸收熱量，使之完全變成功，而不產(chǎn)生其他影響.或表述為“第二類永動機是不可能制成的”.2.熱力學(xué)第二定律的微觀意義一切自發(fā)過程總是沿著分子熱運動的無序度增大的方向進行.3.第二類永動機不可能制成的原因是違背了熱力學(xué)第二定律.
技巧點撥1.熱力學(xué)第二定律的含義(1)“自發(fā)地”指明了熱傳遞等熱力學(xué)宏觀現(xiàn)象的方向性，不需要借助外界提供能量的幫助.(2)“不產(chǎn)生其他影響”的含義是發(fā)生的熱力學(xué)宏觀過程只在本系統(tǒng)內(nèi)完成，對周圍環(huán)境不產(chǎn)生熱力學(xué)方面的影響，如吸熱、放熱、做功等.在產(chǎn)生其他影響的條件下內(nèi)能可以全部轉(zhuǎn)化為機械能，如氣體的等溫膨脹過程.2.熱力學(xué)第二定律的實質(zhì)熱力學(xué)第二定律的每一種表述，都揭示了大量分子參與的宏觀過程的方向性，進而使人們認(rèn)識到自然界中進行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性.3.熱力學(xué)過程的方向性實例(1)高溫物體低溫物體.(2)功熱.(3)氣體體積V1氣體體積V2(較大).4.(對熱力學(xué)第二定律的理解)(多選)下列說法中正確的是(　　)A.相互間達到熱平衡的兩物體的內(nèi)能一定相等B.民間常用“拔火罐”來治療某些疾病，方法是將點燃的紙片放入火罐內(nèi)，當(dāng)紙片燃燒完時，迅速將火罐開口端緊壓在皮膚上，火罐就會緊緊地“吸”在皮膚上.其原因是火罐內(nèi)的氣體體積不變時，溫度降低，壓強減小C.空調(diào)既能制熱又能制冷，說明在不自發(fā)的條件下，熱傳遞可以逆向D.自發(fā)的熱傳遞過程是向著分子熱運動無序度增大的方向進行的答案　BCD5.(熱力學(xué)第一定律與熱力學(xué)第二定律的比較)(多選)(2020·江西南昌市模擬)下列說法正確的是(　　)A.第一類永動機不可能制成，是因為違背了熱力學(xué)第一定律B.能量耗散過程中能量不守恒C.電冰箱的制冷系統(tǒng)能夠不斷地把冰箱內(nèi)的熱量傳到外界，違背了熱力學(xué)第二定律D.能量耗散是從能量轉(zhuǎn)化的角度反映出自然界中的宏觀過程具有方向性答案　AD解析　第一類永動機不消耗能量卻源源不斷對外做功，違背了熱力學(xué)第一定律，所以不可能制成，A正確；能量耗散過程中能量仍守恒，B錯誤；電冰箱的制冷系統(tǒng)能夠不斷地把冰箱內(nèi)的熱量傳到外界，是壓縮機做功的結(jié)果，不違背熱力學(xué)第二定律，C錯誤；能量耗散說明宏觀熱現(xiàn)象的發(fā)生具有方向性，D正確.考點三　熱力學(xué)第一定律與圖象的綜合應(yīng)用1.氣體的狀態(tài)變化可由圖象直接判斷或結(jié)合理想氣體狀態(tài)方程＝C分析.2.氣體的做功情況、內(nèi)能變化及吸放熱關(guān)系可由熱力學(xué)第一定律分析.(1)由體積變化分析氣體做功的情況：體積膨脹，氣體對外做功；氣體被壓縮，外界對氣體做功.(2)由溫度變化判斷氣體內(nèi)能變化：溫度升高，氣體內(nèi)能增大；溫度降低，氣體內(nèi)能減小.(3)由熱力學(xué)第一定律ΔU＝W＋Q判斷氣體是吸熱還是放熱.例2　(2020·山東卷·6)一定質(zhì)量的理想氣體從狀態(tài)a開始，經(jīng)a→b、b→c、c→a三個過程后回到初始狀態(tài)a，其p－V圖像如圖4所示.已知三個狀態(tài)的坐標(biāo)分別為a(V0, 2p0)、 b(2V0，p0)、c(3V0,2p0).以下判斷正確的是(　　)圖4A.氣體在a→b過程中對外界做的功小于在b→c過程中對外界做的功B.氣體在a→b過程中從外界吸收的熱量大于在b→c過程中從外界吸收的熱量C.在c→a過程中，外界對氣體做的功小于氣體向外界放出的熱量D.氣體在c→a過程中內(nèi)能的減少量大于b→c過程中內(nèi)能的增加量答案　C解析　由W＝Fx＝pSx＝p·ΔV知，p－V圖線與V軸所圍面積表示氣體狀態(tài)變化所做的功，由題圖知，a→b和b→c過程中，氣體對外界做的功相等，故A錯誤.由＝C知，a、b兩狀態(tài)溫度相等，內(nèi)能相同，ΔU＝0，由ΔU＝W＋Q知，Qab＝－W；由＝C知，c狀態(tài)的溫度高于b狀態(tài)的溫度，則b→c過程中，ΔU>0，據(jù)ΔU＝W＋Q知，Qbc>|W|，故B錯誤.由＝C知，c狀態(tài)溫度高于a狀態(tài)溫度，則c→a過程內(nèi)能減少，ΔU<0，外界對氣體做正功，W>0，屬于放熱過程，由ΔU＝Q＋W知，W<|Q|，故C正確.由于a、b狀態(tài)內(nèi)能相等，故c→a過程中內(nèi)能的減少量等于b→c過程中內(nèi)能的增加量，故D錯誤.  例3　(2020·四川達州市一模)在如圖5甲所示的密閉汽缸內(nèi)裝有一定質(zhì)量的理想氣體，圖乙是它從狀態(tài)A變化到狀態(tài)B的V－T圖象.已知圖線AB的反向延長線通過坐標(biāo)原點，氣體在A點的壓強為p＝1.0×105 Pa，在從狀態(tài)A變化到狀態(tài)B的過程中，氣體吸收的熱量Q＝6.0×102 J，求：圖5(1)氣體在狀態(tài)B的體積VB；(2)此過程中氣體內(nèi)能的增量ΔU.答案　(1)8.0×10－3 m3　(2)400 J解析　(1)由V－T圖象中圖線AB的反向延長線通過坐標(biāo)原點，則知從A到B理想氣體發(fā)生等壓變化.由蓋—呂薩克定律得：＝；解得：VB＝VA＝×6.0×10－3 m3＝8.0×10－3 m3.(2)從A到B氣體對外界做功，則W＝－p(VB－VA)＝－1.0×105×(8.0×10－3－6.0×10－3) J＝－2.0×102 J根據(jù)熱力學(xué)第一定律：ΔU＝Q＋W解得：ΔU＝6.0×102 J－2.0×102 J＝4.0×102 J＝400 J.6.(p－T圖象)(多選)(2020·內(nèi)蒙古阿拉善盟高三上學(xué)期期末)一定質(zhì)量的理想氣體從狀態(tài)a開始，經(jīng)歷三個過程ab、bc、ca回到原狀態(tài)，其p－T圖象如圖6所示，下列判斷正確的是(　　)圖6A.過程bc中氣體既不吸熱也不放熱B.過程ab中氣體一定吸熱C.過程ca中外界對氣體所做的功等于氣體所放的熱D.a、b和c三個狀態(tài)中，狀態(tài)a分子的平均動能最小E.b和c兩個狀態(tài)中，容器壁單位面積單位時間內(nèi)受到氣體分子撞擊的次數(shù)不同答案　BDE解析　由題圖可知，bc過程氣體發(fā)生等溫變化，氣體內(nèi)能不變，壓強減小，由玻意耳定律可知，體積增大，氣體對外做功，由熱力學(xué)第一定律ΔU＝Q＋W可知，氣體吸熱，故A錯誤；由題圖可知，ab過程，氣體壓強與熱力學(xué)溫度成正比，則氣體發(fā)生等容變化，氣體體積不變，外界對氣體不做功，氣體溫度升高，內(nèi)能增大，由熱力學(xué)第一定律ΔU＝Q＋W可知，氣體吸收熱量，故B正確；由題圖可知，ca過程氣體壓強不變，溫度降低，由蓋—呂薩克定律可知其體積減小，外界對氣體做功，W>0，氣體溫度降低，內(nèi)能減少，ΔU<0，由熱力學(xué)第一定律ΔU＝Q＋W，可知，氣體要放出熱量，且外界對氣體所做的功小于氣體所放熱量，故C錯誤；由題圖可知，a、b和c三個狀態(tài)中，a狀態(tài)溫度最低，分子平均動能最小，故D正確；由題圖可知，bc過程氣體發(fā)生等溫變化，氣體內(nèi)能不變，壓強減小，由玻意耳定律可知，體積增大，b、c狀態(tài)氣體的分子數(shù)密度不同，則b和c兩個狀態(tài)中，容器壁單位面積單位時間內(nèi)受到氣體分子撞擊的次數(shù)不同，故E正確.7.(p－T圖象)(多選)(2016·全國卷Ⅱ·33(1)改編)一定量的理想氣體從狀態(tài)a開始，經(jīng)歷等溫或等壓過程ab、bc、cd、da回到原狀態(tài)，其p－T圖象如圖7所示，其中對角線ac的延長線過原點O.下列判斷正確的是(　　)圖7A.氣體在a、c兩狀態(tài)的體積相等B.氣體在狀態(tài)a時的內(nèi)能大于它在狀態(tài)c時的內(nèi)能C.在過程cd中氣體向外界放出的熱量大于外界對氣體做的功D.在過程da中氣體從外界吸收的熱量小于氣體對外界做的功E.在過程bc中外界對氣體做的功等于在過程da中氣體對外界做的功答案　ABE解析　由理想氣體狀態(tài)方程＝C得，p＝T，由圖象可知，Va＝Vc，選項A正確；理想氣體的內(nèi)能只由溫度決定，而Ta>Tc，故氣體在狀態(tài)a時的內(nèi)能大于在狀態(tài)c時的內(nèi)能，選項B正確；由熱力學(xué)第一定律ΔU＝Q＋W知，cd過程溫度不變，內(nèi)能不變，則Q＝－W，選項C錯誤；da過程溫度升高，即內(nèi)能增大，則吸收的熱量大于對外界做的功，選項D錯誤；由理想氣體狀態(tài)方程知：＝＝＝＝C，即paVa＝CTa，pbVb＝CTb，pcVc＝CTc，pdVd＝CTd.設(shè)過程bc中壓強為p0＝pb＝pc，過程da中壓強為p0′＝pd＝pa.由外界對氣體做功W＝p·ΔV知，過程bc中外界對氣體做的功Wbc＝p0(Vb－Vc)＝C(Tb－Tc)，過程da中氣體對外界做的功Wda＝p0′(Va－Vd)＝C(Ta－Td)，Ta＝Tb，Tc＝Td，故Wbc＝Wda，選項E正確.8.(p－圖象)(2020·江蘇卷·13(3))一定質(zhì)量的理想氣體從狀態(tài)A經(jīng)狀態(tài)B變化到狀態(tài)C，其p－圖像如圖8所示，求該過程中氣體吸收的熱量Q.圖8答案　2×105 J解析　氣體由A→B為等壓變化過程，則外界對氣體做的功W1＝p(VA－VB)氣體由B→C為等容變化過程，則W2＝0根據(jù)熱力學(xué)第一定律得ΔU＝(W1＋W2)＋QA和C的溫度相等ΔU＝0代入數(shù)據(jù)解得Q＝2×105 J.考點四　熱力學(xué)第一定律與氣體實驗定律的綜合應(yīng)用解決熱力學(xué)第一定律與氣體實驗定律的綜合問題的思維流程例4　(2020·河北唐山市一模)如圖9所示，水平放置的汽缸內(nèi)封閉一定質(zhì)量的理想氣體，活塞的質(zhì)量m＝10 kg，橫截面積S＝100 cm2，活塞可沿汽缸壁無摩擦滑動且不漏氣，活塞到汽缸底部的距離L1＝11 cm，到汽缸口的距離L2＝4 cm.現(xiàn)將汽缸緩慢地轉(zhuǎn)到開口向上的豎直位置，待穩(wěn)定后對缸內(nèi)氣體逐漸加熱，使活塞上表面剛好與汽缸口相平.已知g＝10 m/s2，外界氣溫為27 ℃，大氣壓強為1.0×105 Pa，活塞厚度不計，則：圖9(1)活塞上表面剛好與汽缸口相平時缸內(nèi)氣體的溫度是多少？(2)在對缸內(nèi)氣體加熱的過程中，氣體膨脹對外做功，同時吸收Q＝350 J的熱量，則氣體增加的內(nèi)能ΔU多大？答案　(1)450 K(或177 ℃)　(2)295 J解析　(1)當(dāng)汽缸水平放置時，p0＝1.0×105 Pa，V0＝L1S，T0＝(273＋27) K＝300 K.當(dāng)汽缸口朝上，活塞上表面剛好與汽缸口相平時，活塞受力分析如圖所示，根據(jù)平衡條件有p1S＝p0S＋mgV1＝(L1＋L2)S由理想氣體狀態(tài)方程得＝解得T1＝450 K(或177 ℃)(2)當(dāng)汽缸口向上穩(wěn)定后，未加熱時，由玻意耳定律得p0L1S＝p1LS加熱后，氣體做等壓變化，氣體對外界做功為W＝－p1(L1＋L2－L)S根據(jù)熱力學(xué)第一定律ΔU＝W＋Q解得ΔU＝295 J.9.(熱力學(xué)第一定律與氣體實驗定律的綜合應(yīng)用)如圖10所示，豎直放置、上端開口的絕熱汽缸底部固定一電熱絲(圖中末畫出)，面積為S的絕熱活塞位于汽缸內(nèi)(質(zhì)量不計)，下端封閉一定質(zhì)量的某種理想氣體，絕熱活塞上放置一質(zhì)量為M的重物并保持平衡，此時汽缸內(nèi)理想氣體的溫度為T0，活塞距汽缸底部的高度為h，現(xiàn)用電熱絲緩慢給汽缸內(nèi)的理想氣體加熱，活塞上升了，封閉理想氣體吸收的熱量為Q.已知大氣壓強為p0，重力加速度為g.求：圖10(1)活塞上升了時，理想氣體的溫度是多少；(2)理想氣體內(nèi)能的變化量.答案　(1)T0　(2)Q－(p0S＋Mg)h解析　(1)封閉理想氣體初始狀態(tài)：V1＝Sh，T1＝T0末狀態(tài)：V2＝S(h＋h)＝Sh，用電熱絲緩慢給汽缸內(nèi)的理想氣體加熱，理想氣體發(fā)生等壓變化，設(shè)末狀態(tài)的溫度為T2，由蓋—呂薩克定律得＝，可得T2＝T0.(2)設(shè)封閉氣體壓強為p1，理想氣體發(fā)生等壓變化，對活塞，根據(jù)受力平衡可得p1S＝p0S＋Mg，理想氣體對外做功為W＝p1S·h，由熱力學(xué)第一定律可知ΔU＝Q－W，聯(lián)立解得ΔU＝Q－(p0S＋Mg)h.課時精練1.(多選)關(guān)于熱力學(xué)定律，下列說法正確的是(　　)A.根據(jù)熱力學(xué)第一定律可知，一定質(zhì)量的理想氣體等壓膨脹對外做功，內(nèi)能一定減少B.第一類永動機制不成，是因為它違反了熱力學(xué)第一定律C.熱力學(xué)第二定律是從另一個側(cè)面闡述能量守恒定律D.從微觀意義上講，熱力學(xué)第二定律是一個統(tǒng)計規(guī)律E.熵是系統(tǒng)內(nèi)分子運動無序性的量度，一個孤立的系統(tǒng)總是從熵小的狀態(tài)向熵大的狀態(tài)發(fā)展答案　BDE解析　一定質(zhì)量的理想氣體等壓膨脹，溫度升高，內(nèi)能增加，選項A錯誤；第一類永動機制不成，是因為它違反了熱力學(xué)第一定律，選項B正確；熱力學(xué)第二定律是反映宏觀自然過程的方向性的定律，并不是從另一個側(cè)面闡述能量守恒定律，選項C錯誤；從微觀意義上講，熱力學(xué)第二定律是一個統(tǒng)計規(guī)律，選項D正確；熵是系統(tǒng)內(nèi)分子運動無序性的量度，從微觀角度看，一個孤立的系統(tǒng)總是從熵小的狀態(tài)向熵大的狀態(tài)發(fā)展，選項E正確.2.(多選)關(guān)于永動機和熱力學(xué)定律的討論，下列敘述正確的是(　　)A.第二類永動機違反了能量守恒定律B.如果物體從外界吸收了熱量，則物體的內(nèi)能一定增加C.保持氣體的質(zhì)量和體積不變，當(dāng)溫度升高時，每秒撞擊單位面積器壁的氣體分子數(shù)增多D.做功和熱傳遞都可以改變物體的內(nèi)能，但從能量轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的觀點來看，這兩種改變方式是有區(qū)別的答案　CD解析　第二類永動機違反了熱力學(xué)第二定律，選項A錯誤；物體從外界吸收熱量，可能同時對外做功，因此物體的內(nèi)能不一定增加，選項B錯誤；保持氣體的質(zhì)量和體積不變，當(dāng)溫度升高時，分子平均速率增大，每秒撞擊單位面積器壁的氣體分子數(shù)增多，選項C正確；做功和熱傳遞都可以改變物體的內(nèi)能，但從能量轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的觀點來看，這兩種改變方式是有區(qū)別的，選項D正確.3.(2020·全國卷Ⅱ·33(1))下列關(guān)于能量轉(zhuǎn)換過程的敘述，違背熱力學(xué)第一定律的有________，不違背熱力學(xué)第一定律、但違背熱力學(xué)第二定律的有________.(填正確答案標(biāo)號)A.汽車通過燃燒汽油獲得動力并向空氣中散熱B.冷水倒入保溫杯后，冷水和杯子的溫度都變得更低C.某新型熱機工作時將從高溫?zé)嵩次盏臒崃咳哭D(zhuǎn)化為功，而不產(chǎn)生其他影響D.冰箱的制冷機工作時從箱內(nèi)低溫環(huán)境中提取熱量散發(fā)到溫度較高的室內(nèi)答案　B　C解析　A項符合熱力學(xué)第一、第二定律.冷水和杯子溫度不可能都變低，只能是一個升高一個降低，或溫度都不變，B項描述違背了熱力學(xué)第一定律.C項描述雖然不違背熱力學(xué)第一定律，但違背了熱力學(xué)第二定律.D項中冰箱消耗電能從而可以從低溫環(huán)境中提取熱量散發(fā)到溫度較高的室內(nèi)，不違背熱力學(xué)第二定律.4.(2020·山東濰坊市模擬)如圖1所示，導(dǎo)熱良好的圓筒形汽缸豎直放置在水平地面上，用活塞將一定質(zhì)量的氣體封閉在汽缸內(nèi)，活塞上堆放著鐵砂，系統(tǒng)處于靜止?fàn)顟B(tài).現(xiàn)緩慢取走鐵砂，忽略活塞與汽缸之間的摩擦，外界環(huán)境溫度不變，則在此過程中缸內(nèi)氣體(　　)圖1A.對外做功，其內(nèi)能減少B.溫度不變，與外界無熱量交換C.單個分子碰撞缸壁時的平均作用力減小D.單位時間內(nèi)對活塞的碰撞次數(shù)減少答案　D解析　汽缸導(dǎo)熱，缸內(nèi)氣體溫度保持不變，所以氣體內(nèi)能不變，A錯誤；取走鐵砂，缸內(nèi)氣體壓強減小，體積增大，氣體對外做功，由熱力學(xué)第一定律ΔU＝W＋Q可知，氣體應(yīng)從外界吸收熱量，故B錯誤；溫度不變，分子平均動能不變，單個分子撞擊缸壁的平均作用力不變，故C錯誤；氣體壓強減小，單個分子撞擊缸壁的平均作用力不變，則單位時間內(nèi)對活塞的碰撞次數(shù)減少，故D正確.5.已知飛船在航天員出艙前先要“減壓”，在航天員從太空返回進入航天器后要“升壓”，因此飛船將此設(shè)施專門做成了一個艙，叫“氣閘艙”，其原理圖如圖2所示，相通的艙A、B間裝有閥門K，指令艙A中充滿氣體，氣閘艙B內(nèi)為真空，整個系統(tǒng)與外界沒有熱交換.打開閥門K后，A中的氣體進入 B中，最終達到平衡，則(　　)圖2A.氣體體積膨脹，對外做功B.氣體分子勢能減少，內(nèi)能增加C.體積變大，溫度降低D.B中氣體不可能自發(fā)地全部退回到A中答案　D解析　打開閥門K后，A中的氣體進入B中，由于B中為真空，所以A中的氣體不會做功，故A錯誤；又因為系統(tǒng)與外界無熱交換，所以氣體內(nèi)能不變，氣體的溫度也不變，故B、C錯誤；由熱力學(xué)第二定律知，真空中氣體膨脹具有方向性，在無外界作用時，B中氣體不可能自發(fā)地全部退回到A中，故D正確.6.(多選)(2020·山東省實驗中學(xué)模擬)2020年初，新冠病毒來襲，我國人民萬眾一心、英勇抗“疫”，取得階段性勝利.為確保師生健康，各校都進行了嚴(yán)格的消殺工作，圖3為某同學(xué)設(shè)計的消殺噴藥裝置，內(nèi)部裝有8 L藥液，上部密封1 atm的空氣1 L，保持閥門關(guān)閉，再充入1 atm的空氣0.2 L.設(shè)在所有過程中空氣可看成理想氣體，且溫度不變，下列說法正確的是(　　)圖3A.充氣后，密封氣體的壓強增大為1.2 atmB.充氣后，密封氣體的分子平均動能不變C.打開閥門后，密封氣體對外界做正功D.打開閥門后，不再充氣也能把藥液噴光答案　ABC解析　以密封空氣和充入空氣為研究對象，由p1V1＋p2V2＝pV1可得p＝1.2 atm，故A正確；溫度不變，分子平均動能不變，故B正確；由于p>p0，打開閥門后密封氣體膨脹，對外界做正功，故C正確；由p1V1＋p2V2＝p3V3可得：1 atm×1 L＋1 atm×0.2 L＝p3×9 L得p3＝ atm<p0，故不能把藥液噴光，故D錯誤.7.(多選)如圖4所示，一定質(zhì)量的理想氣體經(jīng)歷了a→b、b→c、c→d三個狀態(tài)變化過程，其中縱坐標(biāo)表示理想氣體壓強p、橫坐標(biāo)表示理想氣體的熱力學(xué)溫度T.則下列結(jié)論正確的是(　　)圖4A.a→b過程，理想氣體對外界做正功B.b→c過程，理想氣體向外界放出熱量C.c→d過程，理想氣體內(nèi)能不變D.三個狀態(tài)變化過程對比，c→d過程是理想氣體對外界做正功最多的過程答案　ABD解析　a→b過程為等溫變化，且壓強減小，由公式pV＝C知，體積增大，氣體對外界做正功，故A正確；b→c過程為等容變化，且溫度降低，理想氣體內(nèi)能減小，氣體做功為零，由熱力學(xué)第一定律可知，氣體應(yīng)放熱，故B正確；c→d過程為等壓變化，溫度升高，理想氣體內(nèi)能增大，故C錯誤；根據(jù)＝C可得p＝·T，設(shè)b處的體積為Vb，則a處的體積為，c處的體積為Vb，d處的體積為6Vb，根據(jù)W＝p·ΔV可知三個狀態(tài)變化過程對比，c→d過程是理想氣體對外界做正功最多的過程，故D正確.8.(2020·山東棗莊市模擬)如圖5所示，一定質(zhì)量的理想氣體從狀態(tài)A經(jīng)過狀態(tài)B、C又回到狀態(tài)A.下列說法正確的是(　　)圖5A.A→B過程中氣體分子的平均動能增加，單位時間內(nèi)撞擊單位面積器壁的分子數(shù)增加B.C→A過程中單位體積內(nèi)分子數(shù)增加，單位時間內(nèi)撞擊單位面積器壁的分子數(shù)減少C.A→B過程中氣體吸收的熱量大于B→C過程中氣體放出的熱量D.A→B過程中氣體對外做的功小于C→A過程中外界對氣體做的功答案　C解析　A→B過程中，溫度升高，氣體分子的平均動能增大，AB直線過原點表示該過程為等壓變化，故單位時間內(nèi)撞擊單位面積器壁的分子數(shù)減少，故A錯誤；C→A過程中體積減小，單位體積內(nèi)分子數(shù)增加，溫度不變，故單位時間內(nèi)撞擊單位面積器壁的分子數(shù)增加，故B錯誤；氣體從A→B過程中，溫度升高且體積增大，故氣體吸收熱量且對外做功，設(shè)吸熱大小為Q1，做功大小為W1，根據(jù)熱力學(xué)第一定律有：ΔU1＝Q1－W1，氣體從B→C過程中，溫度降低且體積不變，故氣體不做功且對外放熱，設(shè)放熱大小為Q2，根據(jù)熱力學(xué)第一定律：ΔU2＝－Q2，氣體從C→A過程中，溫度不變，內(nèi)能增量為零，有：ΔU＝ΔU1＋ΔU2＝Q1－W1－Q2＝0，即Q1＝W1＋Q2>Q2，所以A→B過程中氣體吸收的熱量Q1大于B→C過程中氣體放出的熱量Q2，故C正確；氣體做功W＝pΔV，A→B過程中體積變化的大小等于C→A過程中體積變化的大小，但圖象上的點與原點連線的斜率越大，壓強越小，故A→B過程中氣體對外做的功大于C→A過程中外界對氣體做的功，故D錯誤.9.(2020·甘肅臨夏中學(xué)期末)在如圖6所示的坐標(biāo)系中，一定質(zhì)量的某種理想氣體先后發(fā)生以下兩種狀態(tài)變化過程：第一種變化是從狀態(tài)A到狀態(tài)B，外界對該氣體做功為6 J；第二種變化是從狀態(tài)A到狀態(tài)C，該氣體從外界吸收的熱量為9 J.圖線AC的反向延長線過坐標(biāo)原點O，B、C兩狀態(tài)的溫度相同，理想氣體的分子勢能為零.求：圖6(1)從狀態(tài)A到狀態(tài)C的過程，該氣體對外界做的功W1和其內(nèi)能的增量ΔU1；(2)從狀態(tài)A到狀態(tài)B的過程，該氣體內(nèi)能的增量ΔU2及其從外界吸收的熱量Q2.答案　(1)0　9 J　(2)9 J　3 J解析　(1)由題意知，從狀態(tài)A到狀態(tài)C的過程，氣體發(fā)生等容變化，該氣體對外界做的功W1＝0根據(jù)熱力學(xué)第一定律有ΔU1＝W1＋Q1得內(nèi)能的增量ΔU1＝Q1＝9 J.(2)從狀態(tài)A到狀態(tài)B的過程，體積減小，溫度升高，B、C兩狀態(tài)溫度相同，則該氣體內(nèi)能的增量ΔU2＝ΔU1＝9 J根據(jù)熱力學(xué)第一定律有ΔU2＝W2＋Q2則從外界吸收的熱量Q2＝ΔU2－W2＝3 J.10.如圖7所示，一定質(zhì)量的理想氣體從A狀態(tài)經(jīng)過一系列的變化，最終回到A狀態(tài)，已知A狀態(tài)的溫度為27 ℃，求C狀態(tài)的溫度以及全過程中氣體吸收(或放出)的熱量.圖7答案　2 400 K　氣體放出的熱量為1.5×103 J解析　氣體由A到B過程：初狀態(tài)：pA＝1×105 Pa，TA＝300 K，VA＝10 L末狀態(tài)：pB＝2×105 Pa，VB＝20 L由理想氣體狀態(tài)方程得：＝解得：TB＝1 200 KB到C過程為等容變化，則有：＝解得：TC＝2 400 K整個過程中從A狀態(tài)回到A狀態(tài)，溫度不變，則ΔU＝Q＋W＝0因為外界對氣體做的功在數(shù)值上等于四邊形ABCD圍成的面積，即W＝×1×105×10×10－3 J＋×2×105×10×10－3 J＝1.5×103 J則：Q＝－1.5×103 J，即氣體放出的熱量為1.5×103 J. 11.如圖8所示，一定質(zhì)量的理想氣體從狀態(tài)A經(jīng)等溫過程到狀態(tài)B.此過程中，氣體溫度t＝20 ℃，吸收的熱量Q＝360 J，已知A狀態(tài)的體積為1 L.圖8(1)求此過程中氣體內(nèi)能的增量.(2)此過程中氣體是對外做功還是外界對氣體做功，做的功是多少？(3)若氣體先從狀態(tài)A經(jīng)等壓變化到狀態(tài)C，再經(jīng)等容變化到狀態(tài)B，則這個過程氣體吸收的熱量是多少？答案　(1)0　(2)對外做功　360 J　(3)600 J解析　(1)從狀態(tài)A到狀態(tài)B，氣體的溫度不變，則內(nèi)能不變，即ΔU＝0.(2)氣體從A到B內(nèi)能不變，體積變大，氣體對外做功，根據(jù)ΔU＝W＋Q可知，W＝－360 J，即氣體對外做的功為360 J.(3)A狀態(tài)的體積是1 L，壓強為3×105 Pa，B狀態(tài)壓強為1×105 Pa，根據(jù)玻意耳定律有pAVA＝pBVB可得VB＝3 LWA→C→B＝－pAΔV＝－3×105×2×10－3 J＝－600 J由ΔU＝WA→C→B＋Q′知，氣體吸收的熱量為Q′＝600 J.12.(2020·安徽省舒城中學(xué)期末)如圖9所示，絕熱汽缸倒扣放置，質(zhì)量為M的絕熱活塞在汽缸內(nèi)封閉一定質(zhì)量的理想氣體，活塞與汽缸間摩擦可忽略不計，活塞下部空間與外界連通，汽缸底部連接一U形細(xì)管(管內(nèi)氣體的體積忽略不計).初始時，封閉氣體溫度為T0，活塞距離汽缸底部為h0，細(xì)管內(nèi)兩側(cè)水銀柱存在高度差.已知水銀密度為ρ，大氣壓強為p0，汽缸橫截面積為S，重力加速度為g.圖9(1)求U形細(xì)管內(nèi)兩側(cè)水銀柱的高度差；(2)通過加熱裝置緩慢提升氣體溫度使活塞下降Δh0，求此時的溫度；此加熱過程中，若氣體吸收的熱量為Q，求氣體內(nèi)能的變化.答案　(1)　(2)T0　Q－(p0S－Mg)Δh0解析　(1)設(shè)封閉氣體的壓強為p，對活塞受力分析，根據(jù)平衡條件有p0S＝pS＋Mg，用水銀柱表達氣體的壓強為p＝p0－ρgΔh，解得Δh＝.(2)緩慢加熱過程中封閉氣體做等壓變化，由蓋—呂薩克定律知＝，解得T＝T0，氣體對外做功為W＝pSΔh0＝(p0S－Mg)Δh0，則氣體內(nèi)能的變化ΔU＝Q－W＝Q－(p0S－Mg)Δh0. 

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