知识排查
热力学第一定律
1.改变物体内能的两种方式 (1)做功；(2)热传递。 2.热力学第一定律
(1)内容：一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和。 (2)表达式：ΔU＝Q＋W。 (3)符号法则：
物理量 意义 符号 ＋ － 能量守恒定律 1.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，或者是从一个物体转移到另一个物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变。 2.条件性
能量守恒定律是自然界的普遍规律，某一种形式的能是否守恒是有条件的。 3.第一类永动机是不可能制成的，它违背了能量守恒定律。 热力学第二定律
1.热力学第二定律的两种表述
(1)克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传到高温物体。
(2)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。或表述为“第二类永动机是不可能制成的”。 2.用熵的概念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.热力学第二定律的微观意义
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。 4.第二类永动机不可能制成的原因是违背了热力学第二定律。
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W Q ΔU 外界对物体做功 物体对外界做功 物体吸收热量 物体放出热量 内能增加 内能减少 小题速练
1.思考判断
(1)做功和热传递的实质是相同的。( )
(2)绝热过程中，外界压缩气体做功20 J，气体的内能一定减少。( ) (3)物体吸收热量，同时对外做功，内能可能不变。( )
(4)电冰箱的工作过程表明，热量可以从低温物体向高温物体传递。( ) 答案 (1)× (2)× (3)√ (4)√
2.(多选)根据你学过的热学中的有关知识，判断下列说法中正确的是( ) A.机械能可以全部转化为内能，内能也可以全部用来做功转化成机械能
B.凡与热现象有关的宏观过程都具有方向性，在热传递中，热量只能从高温物体传递给低温物体，而不能从低温物体传递给高温物体
C.尽管技术不断进步，热机的效率仍不能达到100%
D.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
解析 机械能可以全部转化为内能，而内能在引起其他变化时也可以全部转化为机械能，选项A正确；凡与热现象有关的宏观过程都具有方向性，在热传递中，热量可以自发地从高温物体传递给低温物体，也能从低温物体传递给高温物体，但必须借助外界的帮助，选项B错误；尽管科技不断进步，热机的效率仍不能达到100%，选项C正确；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，而是违背了热力学第二定律，第二类永动机不可能制造出来，选项D错误。 答案 AC
3.(多选)关于热现象，下列叙述正确的是( ) A.温度降低，物体内所有分子运动的速度一定都变小 B.任何热机都不可能使燃料释放的热量完全转化成机械能 C.凡是不违背能量守恒定律的实验构想，都是能够实现的 D.温度升高，物体的内能不一定增加 答案 BD
热力学第一定律的理解与应用
1.热力学第一定律的理解
(1)内能的变化都要用热力学第一定律进行综合分析。
(2)做功情况看气体的体积变化：体积增大，气体对外界做功，W为负；体积缩小，外界对气体做功，W为正。
(3)与外界绝热，则不发生热传递，此时Q＝0。
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(4)如果研究对象是理想气体，则由于理想气体没有分子势能，所以它的内能变化，只体现在分子动能的变化上，从宏观上看就是温度发生了变化 。 2.几种特殊情况
(1)若过程是绝热的，则Q＝0，则W＝ΔU，外界对物体做的功等于物体内能的增加量。 (2)若过程中不做功，即W＝0，则Q＝ΔU，物体吸收的热量等于物体内能的增加量。 (3)若过程的初、末状态物体的内能不变，即ΔU＝0，则W＋Q＝0或W＝－Q，外界对物体做的功等于物体放出的热量。
【例1】 (多选)如图1所示，用隔板将一绝热汽缸分成两部分，隔板左侧充有理想气体，隔板右侧与绝热活塞之间是真空。现将隔板抽开，气体会自发扩散至整个汽缸。待气体达到稳定后，缓慢推压活塞，将气体压回到原来的体积。假设整个系统不漏气。下列说法正确的是( )
图1
A.气体自发扩散前后内能相同 B.气体在被压缩的过程中内能增加 C.在自发扩散过程中，气体对外界做功 D.气体在被压缩的过程中，外界对气体做功
解析 因为汽缸、活塞都是绝热的，隔板右侧是真空，所以理想气体在自发扩散的过程中，既不吸热也不放热，也不对外界做功。根据热力学第一定律可知，气体自发扩散前后，内能不变，选项A正确，C错误；气体被压缩的过程中，外界对气体做功，气体内能增加，选项B、D正确。 答案 ABD
1.某驾驶员发现中午时车胎内的气压比清晨时高，且车胎体积增大。若这段时间胎内气体质量不变且可视为理想气体，那么( ) A.外界对胎内气体做功，气体内能减少 B.外界对胎内气体做功，气体内能增加 C.胎内气体对外界做功，内能减少 D.胎内气体对外界做功，内能增加
解析 车胎体积增加，故胎内气体对外界做功，胎内气体温度升高，故胎内气体内能增大，D项正确。 答案 D
2.(多选)关于气体的内能，下列说法正确的是( ) A.质量和温度都相同的气体，内能一定相同
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B.气体温度不变，整体运动速度越大，其内能越大 C.气体被压缩时，内能可能不变
D.一定量的某种理想气体的内能只与温度有关
解析 质量和温度都相同的气体，虽然分子平均动能相同，但是不同的气体，则其摩尔质量不同，即分子个数不同，所以分子总动能不一定相同，选项A错误；宏观运动和微观运动没有关系，所以宏观运动速度大，内能不一定大，选项B错误；如果等温压缩，则内能不变，选项C正确；理想气体的分子势能为零，所以理想气体的内能与分子平均动能有关，而分子平均动能和温度有关，选项D正确。 答案 CD
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热力学第二定律的理解与应用
1.对热力学第二定律的理解
(1)定律中“自发地”指明了热传递等热力学宏观现象的方向性，不需要借助外界提供能量的帮助。
(2)定律中“不产生其他影响”的涵义是指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)意义：热力学第二定律表明自然界中出现的与热现象有关的宏观过程都具有方向性。 2.热力学第一、第二定律的比较
热力学第一定律 它从能量守恒的角度揭示了功、热力学第二定律 它指出自然界中出现的宏观过程是有方向性的 内能不可能在不引起其他变化的情况下完全变成机械能 说明热量不能自发地从低温物体传向高温物体 有多种表述形式 定律揭示的问题 热量和内能改变量三者的定量关系 机械能和内能的转化 热量的传递 表述形式 两定律的关系 当摩擦力做功时，机械能可以全部转化为内能 热量可以从高温物体自发传向低温物体 只有一种表述形式 在热力学中，两者既相互独立，又互为补充，共同构成了热力学知识的理论基础 1.(多选)关于热力学定律，下列说法正确的是( ) A.气体吸热后温度一定升高 B.对气体做功可以改变其内能 C.理想气体等压膨胀过程一定放热
D.热量不可能自发地从低温物体传到高温物体
解析 气体吸热为Q，但不确定外界做功W的情况，根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W，不能确定ΔU变化情况，故不能确定气体温度变化，选项A错误；气体内能的改变ΔU＝Q＋W，故对气体做功可改变气体内能，选项B正确；理想气体等压膨胀，W<0，由理想气体状态方程＝
pVTC，p不变，V增大，气体温度升高，内能增加，ΔU>0，由ΔU＝Q＋W，知Q>0，气体一定吸
热，选项C错误；由热力学第二定律，选项D正确。 答案 BD
2.根据热力学定律，下列说法正确的是( ) A.第二类永动机违反能量守恒定律，因此不可能制成
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B.效率为100%的热机是不可能制成的
C.电冰箱的工作过程表明，热量可以自发的从低温物体向高温物体传递 D.从单一热源吸收热量，使之完全变为功是提高机械效率的常用手段
解析 第二类永动机不可能制成，是因为它违反了热力学第二定律，故选项A错误；效率为100%的热机是不可能制成的，故选项B正确；电冰箱的工作过程表明，热量可以从低温物体向高温物体传递，但是有条件，故选项C错误；从单一热源吸收热量，使之完全变为功是不可能实现的，故选项D错误。 答案 B
四个常见的宏观热现象方向性实例
热量Q能自发传递给
(1)高温物体
热量Q不能自发传递给
能独立地完全转化为
(2)功
不能独立地完全转化为
能自发膨胀到
(3)气体体积V1
不能自发压缩到能自发混合成
(4)不同气体A和B不能自发分离成
热力学定律与气体实验定律的综合应用
解决热力学定律与气体实验定律的综合问题的思维流程
【例2】 (多选)如图2所示，一定质量的理想气体从状态a出发，经过等容过程ab到达状态
混合气体AB。
气体体积V2(V2>V1)。
热量。
低温物体。
b，再经过等温过程bc到达状态c，最后经等压过程ca回到初态a。下列说法正确的是( )
图2
A.在过程ab中气体的内能增加 B.在过程ca中外界对气体做功 C.在过程ab中气体对外界做功 D.在过程bc中气体从外界吸收热量
解析 在过程ab中，体积不变，气体对外界不做功，压强增大，温度升高，内能增加，故选项A正确，C错误；在过程ca中，气体的体积缩小，外界对气体做功，故选项B正确；在过程bc中，温度不变，内能不变，体积增大，气体对外界做功，由热力学第一定律可知，气体要从外界吸收热量，故选项D正确。 答案 ABD
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1.如图3所示，一定质量的理想气体从状态A依次经过状态B、C和D后再回到状态A。其中，
A→B和C→D为等温过程，B→C和D→A为绝热过程(气体与外界无热量交换)。该循环过程中，
下列说法正确的是( )
图3
A.A→B过程中，气体的内能不变 B.B→C过程中，气体分子的平均动能增大
C.C→D过程中，气体分子数密度增大，单位时间内碰撞单位面积器壁的分子数减少 D.D→A过程中，外界对气体做的功小于气体内能的增加量
解析 A→B为等温过程，气体的内能不变，选项A正确；B→C为绝热过程，气体没有与外界热交换，体积增大，气体对外界做功，内能减少，所以B→C过程中，气体分子的平均动能减少，选项B错误；C→D为等温过程，气体体积减小，单位时间内碰撞单位面积器壁的分子数增多，选项C错误；D→A过程中，气体与外界无热量交换，体积减小，外界对气体做功，外界对气体做的功等于气体内能的增加量，选项D错误。 答案 A
2.我国“蛟龙”号深海探测船载人下潜超过七千米，再创载人深潜新纪录。在某次深潜实验中，“蛟龙”号探测到990 m深处的海水温度为280 K。某同学利用该数据来研究气体状态随海水深度的变化。如图4所示，导热良好的汽缸内封闭一定质量的气体，不计活塞的质量和摩擦，汽缸所处海平面的温度T0＝300 K，压强p0＝1 atm，封闭气体的体积V0＝3 m，如果将该汽缸下潜至990 m深处，此过程中封闭气体可视为理想气体。
图4
(1)下潜过程中封闭气体________(选填“吸热”或“放热”)，传递的热量________(选填“大于”或“小于”)外界对气体所做的功；
(2)求990 m深处封闭气体的体积(1 atm相当于10 m深的海水产生的压强)。 解析 (1)下潜过程中温度降低，则ΔU<0，气体体积减小，则W>0，由ΔU＝
3
Q＋W知，Q<0，放热，且|Q|>W。
(2)当汽缸下潜至990 m时，设封闭气体的压强为p，温度为T，体积为V，由题意可知p＝100 atm
根据理想气体状态方程得
p0V0pV＝ T0T3
代入数据得V＝2.8×10 m。 答案 (1)放热 大于 (2)2.8×10 m
－2
3
－2
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活页作业 (时间：40分钟) 基础巩固练
1.关于热力学定律，下列说法正确的是( ) A.气体吸热后温度一定升高
B.对气体做功是改变其内能的唯一方式 C.理想气体等压膨胀过程一定放热
D.热量不可能自发地从低温物体传到高温物体
解析 根据热力学第一定律气体，吸热后如果同时对外做功，温度不一定升高，选项A错误；改变气体内能的方式有两种，一种是热传递，一种是做功，选项B错误；由＝C知，一定质量理想气体在等压膨胀过程中温度升高，内能增大，气体一定吸收热量，选项C错误；根据热力学第二定律，热量不可能自发的从低温物体传到高温物体，选项D正确。 答案 D
2.以下现象违背热力学第二定律的是( ) A.一杯热茶在打开盖后，茶会自动变凉
B.没有漏气、没有摩擦的理想热机，其效率可能达到100%
C.桶中浑浊的泥水在静置一段时间后，泥沙下沉，上面的水变清，泥、水自动分离 D.在地面上运动的物体逐渐停下来，机械能全部变为内能
解析 热茶自动变凉是热从高温物体传递到低温物体；任何热机效率都不可能达到100%；泥水分离是机械能(重力势能)向内能的转化；物体因摩擦力而停下来，是机械能(动能)向内能的转化，是自发过程。故选项B正确。 答案 B
3.下列关于热现象的描述正确的是( )
A.做功和热传递都是通过能量转化的方式改变系统内能的
B.温度是描述热运动的物理量，一个系统与另一个系统达到热平衡时两系统温度相同 C.物体由大量分子组成，其单个分子的运动是无规则的，大量分子的运动也是无规则的 D.空调机作为制冷机使用时，将热量从温度较低的室内送到温度较高的室外，所以制冷机的工作不遵守热力学第二定律
解析 做功是通过能量转化改变系统的内能，热传递是通过能量的转移改变系统的内能，选项A错误；温度是表示热运动的物理量，热传递过程中达到热平衡时，温度相同，选项B正确；单个分子的运动是无规则的，大量分子的运动表现出统计规律，选项C错误；由热力学第二定律知，热量不可能从低温物体传到高温物体而不产生其他影响，空调机作为制冷机使
pVT - 8 -
用时，消耗电能，将热量从温度较低的室内送到温度较高的室外，选项D错误。 答案 B
4.下列叙述和热力学定律相关，其中正确的是( ) A.第一类永动机不可能制成，是因为违背了热力学第二定律 B.能量耗散过程中能量不守恒
C.电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界，违背了热力学第二定律 D.能量耗散是从能量转化的角度反映出自然界中的宏观过程具有方向性
解析 第一类永动机违背能量守恒定律，选项A错误；能量耗散过程中能量也是守恒的，选项B错误；电冰箱不违背热力学第二定律，选项C错误；能量耗散反映了能量转化的方向性，选项D正确。 答案 D
5.(多选)(2019·临沂模拟)下列说法中正确的是( ) A.相互间达到热平衡的两物体的内能一定相等
B.民间常用“拔火罐”来治疗某些疾病，方法是将点燃的纸片放入火罐内，当纸片燃烧完时，迅速将火罐开口端紧压在皮肤上，火罐就会紧紧地“吸”在皮肤上。其原因是火罐内的气体体积不变时，温度降低，压强减小
C.空调既能制热又能制冷，说明在不自发的条件下，热传递可以逆向 D.自发的热传递过程是向着分子热运动无序性增大的方向进行的
解析 相互间达到热平衡的两物体的温度相同，内能不一定相等，选项A错误；火罐内气体压强小于大气压强，所以火罐能“吸”在皮肤上，选项B正确；根据热力学第二定律可知，热量不能自发地从低温物体传递到高温物体，但在一定外界条件影响下可以实现，选项C正确；根据热力学第二定律可知，自然发生的热传递过程是向着分子热运动无序性增大的方向进行的，选项D正确。 答案 BCD
6.一定质量的理想气体被活塞封闭在导热的汽缸中，如图1所示。不计活塞与汽缸的摩擦，当用外力向上缓慢拉动活塞的过程中，环境温度保持不变。下列判断正确的是( )
图1
A.拉力对气体做正功，气体内能增加，吸收热量 B.气体对外做功，内能不变，吸收热量 C.外界对气体做功，内能不变，放出热量 D.气体吸收的热量大于气体对活塞做的功
解析 活塞缓慢上移的过程中，气体膨胀对活塞做功，而气体温度保持不变，内能不变，由热力学第一定律ΔU＝W＋Q＝0知，Q＞0，即吸收热量，选项B正确。
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答案 B
7.(多选)封闭在汽缸内一定质量的理想气体由状态A变到状态D，其体积V与热力学温度T的关系如图2所示，O、A、D三点在同一直线上。下列说法正确的是( )
图2
A.由状态A变到状态B过程中，气体吸收热量
B.由状态B变到状态C过程中，气体从外界吸收热量，内能增加 C.C状态气体的压强小于D状态气体的压强
D.D状态时单位时间内与器壁单位面积碰撞的分子数比A状态少
解析 由状态A变到状态B过程中，温度升温，内能增加，体积不变，做功为零，由热力学第一定律可知，气体要吸收热量，选项A正确；由状态B变到状态C过程中，温度不变，内能不变，体积膨胀，气体对外界做功，由热力学第一定律可知，要吸收热量，选项B错误；由C状态到D状态过程是等容降温，由pV＝nRT，可知C状态气体的压强大于D状态气体的压强，选项C错误；由图看出气体在D状态时的体积大于在A状态时的体积，所以D状态时单位时间内与器壁单位面积碰撞的分子数比A状态少，选项D正确。 答案 AD
综合提能练
8.(2019·保定模拟)一定质量的理想气体，其内能跟温度成正比。在初始状态A时，体积为
V0，压强为p0，温度为T0，已知此时其内能为U0。该理想气体从状态A经一系列变化，最终还
回到原来状态A，其变化过程的p－T图线如图3所示，其中CA延长线过坐标原点，BA在同一竖直直线上。求：
图3
(1)状态B的体积； (2)状态C的体积；
(3)从状态B经由状态C，最终回到状态A的过程中，气体与外界交换的热量是多少？ 解析 (1)由题图可知，从状态A到状态B为等温变化过程，状态B时气体压强为p1＝3p0，设体积为V1，由玻意耳定律得p0V0＝p1V1，解得V1＝。
3
(2)由题图可知，从状态B到状态C为等压变化过程，状态C时气体温度为T2＝3T0，设体积为
V0
V1V2
V2，由盖—吕萨克定律得＝，解得V2＝V0。
T0T2
(3)由状态B经状态C回到状态A，外界对气体做的总功为W；从状态B到状态C，设外界对气体做功为WBC，WBC＝p2(V1－V2)，联立解得WBC＝－2p0V0；
从状态C回到状态A，由图线知为等容过程，外界对气体不做功，所以W＝WBC＝－2p0V0，
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从状态B经状态C回到状态A，内能增加量为U＝0，气体从外界吸收的热量为Q，内能增加量为U，由热力学第一定律得U＝Q＋W，解得Q＝2p0V0，即气体从外界吸收热量2p0V0。 答案 (1) (2)V0 (3)气体吸收热量2p0V0
3
9.(2019·德州月考)某次科学实验中，从高温环境中取出一个如图4所示的圆柱形导热汽缸，把它放在大气压强为p0＝1 atm、温度为t0＝27℃的环境中自然冷却。该汽缸内壁光滑，容积为V＝1 m，开口端有一厚度可忽略的活塞。开始时，汽缸内密封有温度为t＝447℃、压强为
3
V0
p＝1.2 atm的理想气体，将汽缸开口向右固定在水平面上，假设汽缸内气体的所有变化过程
都是缓慢的。求：
图4
(1)活塞刚要向左移动时，汽缸内气体的温度t1； (2)最终汽缸内气体的体积V1；
(3)试分析在整个过程中，汽缸内气体对外界________(“做正功”“做负功”或“不做功”)，汽缸内气体放出的热量________是(“大于”“等于”或“小于”)气体内能的减少量。 解析 (1)气体做等容变化，由查理定律得＝ 代入数值解得T1＝600 K，t1＝327 ℃ (2)由理想气体状态方程，得代入数值解得V1＝0.5 m
(3)在整个过程中，汽缸内气体对外界做负功，汽缸内气体放出的热量大于气体内能的减少量。 答案 (1)327 ℃ (2)0.5 m (3)做负功 大于
10.(2019·衡阳市联考)如图5所示，一个质量为m的“T”型活塞在汽缸内封闭一定量的理想气体，活塞体积可忽略不计，距汽缸底部h0处连接一U形细管(管内气体的体积忽略不计)。初始时，封闭气体温度为T0，活塞距离汽缸底部为1.8h0，两边水银柱存在高度差。已知水银密度为ρ，大气压强为p0，汽缸横截面积为S，活塞竖直部分高为1.2h0，重力加速度为g，求：
图5
(1)通过制冷装置缓慢降低气体温度，当温度为多少时两边水银面恰好相平；
(2)从开始至两水银面恰好相平的过程中，若气体放出的热量为Q，求气体内能的变化。 解析 (1)初态时，对活塞受力分析，可求气体压强
3
3
pp0
TT1
pVp0V1
＝ TT0
mgp1＝p0＋①
S
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体积V1＝1.8h0S，温度T1＝T0
要使两边水银面相平，汽缸内气体的压强p2＝p0， 此时活塞下端一定与汽缸底接触，V2＝1.2h0S 设此时温度为T2，由理想气体状态方程有
p1V1T＝p2V2
T② 12
得T＝
2p0T0S3（p 0S＋mg）
(2)从开始至活塞竖直部分恰与汽缸底接触，气体压强不变，外界对气体做功W＝pmg1ΔV＝(p0＋S)×0.6h0S③
由热力学第一定律得ΔU＝0.6(pmg0＋S)h0S－Q
答案 (1)2p0T0Smg3（p (2)0.60S＋mg）
p0＋Sh0S－Q
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