2015-2016学年高中物理 第十章 热力学定律（课件+试题+学案）（打包12套）新人教版选修3-3.zip

1第 1 讲 功和内能第 2 讲 热和内能[目标定位] 1.知道做功可以改变物体的内能.2.知道热传递与内能变化的关系.3.知道热传递和做功对改变物体内能的等效结果．一、焦耳的实验1．系统不从外界吸热，也不向外界放热的过程叫做绝热过程．2．要使系统状态通过绝热过程发生变化，做功的数量只由过程始末两个状态 1、2 决定，而与做功方式无关．二、内能1．任何一个热力学系统都存在一个只依赖于系统自身状态的物理量，我们把它称之为系统的内能．2．当系统从状态 1 经过绝热过程达到状态 2 时，内能的增加量 Δ U＝ U2－ U1就等于外界对系统所做的功 W，即 Δ U＝ W.三、热和内能1．不仅对系统做功可以改变系统的内能，单纯的对系统传热也能改变系统的内能．2．当系统从状态 1 经过单纯的传热达到状态 2，内能的增加量 Δ U＝ U2－ U1就等于外界向系统传递的热量 Q，即 Δ U＝ Q.一、功和内能关系的理解1．内能(1)微观：所有分子的动能和势能之和．(2)宏观：只依赖于热力学系统自身状态的物理量．(3)状态量．2．功和内能变化的关系做功可以改变系统的内能，功是系统内能转化的量度，在绝热过程中：(1)外界对系统做功，系统内能增加，即 Δ U＝ U2－ U1＝ W；(2)系统对外界做功，系统内能减少，即 W＝Δ U.23．内能与机械能的区别和联系(1)区别：内能与机械能是两个不同的概念．(2)联系：在一定条件下可以相互转化，且总量保持不变．例 1 如图 1 所示，活塞将汽缸分成甲、乙两气室，汽缸、活塞(连同拉杆)是绝热的，且不漏气，以 E 甲 、 E 乙 分别表示甲、乙两气室中气体的内能，则在将拉杆缓慢向外拉的过程中( )图 1A． E 甲 不变， E 乙 减小 B． E 甲 不变， E 乙 增大C． E 甲 增大， E 乙 不变 D． E 甲 增大， E 乙 减小答案 D解析 本题解题的关键是明确甲、乙两气室气体都经历绝热过程，内能的改变取决了做功的情况，对甲室内的气体，在拉杆缓慢向外拉的过程中，活塞左移，压缩气体，外界对甲室气体做功，其内能应增大，对乙室内的气体，活塞左移，气体膨胀，气体对外界做功，内能就减小，故 D 选项正确．借题发挥 (1)压缩气体，外界对气体做功，内能增大，温度升高，柴油机就是利用这个原理点火的．(2)在绝热过程中，末态内能大于初态内能时，Δ U 为正， W 为正，外界对系统做功．末态内能小于初态内能时，Δ U 为负， W 为负，系统对外界做功．例 2 下列关于系统的内能的说法正确的是( )A．系统的内能是由系统的状态决定的B．分子动理论中引入的系统内能和热力学中引入的系统内能是一致的C．做功可以改变系统的内能，但单纯地对系统传热不能改变系统的内能D．气体在大气中绝热膨胀时对外做了功，但气体的内能不变答案 AB解析 系统的内能是一个只依赖于系统自身状态的物理量，所以是由系统的状态决定的，A 对；正因为内能是由系统的状态决定的，所以分子动理论中引入的内能和热力学中引入的内能是一致的，B 对；做功和热传递都可以改变系统的内能，C 错；气体绝热膨胀时对外界做了功，又因为与外界没有热交换，所以系统的内能要减小，故 D 错．二、热和内能1．传热和内能变化的关系系统在单纯传热过程中，内能的增量 Δ U 等于外界向系统传递的热量 Q，即 Δ U＝ Q.32．区分三组概念(1)内能与热量：内能是状态量，可以说系统具有多少内能而不能说传递多少内能；热量是过程量，不能说系统具有多少热量，只能说传递了多少热量．(2)热量与温度热量是系统的内能变化的量度，而温度是系统内部大量分子做无规则运动的激烈程度的标志．虽然热传递的前提是两个系统之间要有温度差，但是传递的是能量，不是温度．(3)热量与功热量和功，都是系统内能变化的量度，都是过程量，一定量的热量与一定量的功相当，功是能量变化的量度，但它们之间有着本质的区别．例 3 一铜块和一铁块，质量相等，铜块的温度 T1比铁块的温度 T2高，当它们接触在一起时，如果不和外界交换能量，则( )A．从两者开始接触到热平衡的整个过程中，铜块内能的减少量等于铁块内能的增加量B．在两者达到热平衡以前的任意一段时间内，铜块内能减少量不等于铁块内能的增加量C．达到热平衡时，铜块的温度 T＝T1＋ T22D．达到热平衡时，两者的温度相等答案 AD解析 一个系统在热交换的过程中，如果不与外界发生热交换，温度高的物体放出的热量等于温度低的物体吸收的热量，直到温度相等，不再发生热交换为止，而热量是热传递过程中内能的变化量，所以选项 A、D 都正确，选项 B 错误；根据热平衡方程 c 铜 m(T1－ T)＝ c 铁 m(T－ T2)，解得 T＝ ，由此可知选项 C 是错误的．c铜 T1＋ c铁 T2c铜 ＋ c铁例 4 若对物体做 1 200 J 的功，可使物体温度升高 3 ℃，改用传热的方式，使物体温度同样升高 3 ℃，那么物体应吸收________ J 的热量，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________(填“吸收”或“放出”)热量________ J.答案 1 200 放出 1 000解析 做功和传热在改变物体内能上是等效的，因此物体用做功方式使温度升高 3 ℃，如用吸热方式，也使温度升高 3 ℃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 Δ E.1 200 J＝ cm×3 ℃，Δ E＝ cm×5 ℃，所以 Δ E＝2 000 J.Q＝Δ E－ W＝－1 000 J，因此物体应放出 1 000 J 的热量．4做功与内能的关系1．在下述各种现象中，不是由做功引起系统温度变化的是( )A．在阳光照射下，水的温度升高B．用铁锤不断锤打铅块，铅块温度会升高C．在炉火上烧水，水的温度升高D．电视机工作一段时间，其内部元件温度升高答案 AC解析 阳光照射下水温升高是热辐射使水的温度升高，在炉火上烧水是热传导和对流使水的温度升高，用铁锤锤打铅块的过程，是做功的过程，铅块温度升高，是由于外界做功引起的．电视机工作时，电流通过各元件，电流做功使其温度升高．可见 A、C 不是由做功引起温度变化的，故选 A、C.2．一定质量的气体经历一缓慢的绝热膨胀过程．设气体分子间的势能可忽略，则在此过程中( )A．外界对气体做功，气体分子的平均动能增加B．外界对气体做功，气体分子的平均动能减少C．气体对外界做功，气体分子的平均动能增加D．气体对外界做功，气体分子的平均动能减少答案 D解析 绝热膨胀过程是指气体膨胀过程未发生热传递，膨胀过程气体体积增大，气体对外界做功 W＜0.由 Δ U＝ U2－ U1＝ W 可知，气体内能减小．由于气体分子间的势能忽略，故气体分子的平均动能减少．传热与内能的关系3．关于热传递，下列说法中正确的是( )A．热传递的实质是温度的传递B．物体间存在着温度差，才能发生热传递C．热传递可以在任何情况下进行D．物体内能发生改变，一定是吸收或放出了热量答案 B解析 热传递的实质是物体间内能的转移，故 A 错；热传递的条件是物体间存在温度差，高温物体放出热量，低温物体吸收热量，若两物体温度相同，它们之间便不再发生热传递，即达到了热平衡，故 B 对，C 错；物体吸收或放出热量，内能会发生变化，但内能变化不一定是热传递引起的，还可以通过做功的方式实现，故 D 错．4．对于热量、功和内能，三者的说法正确的是( )A．热量、功、内能三者的物理意义等同5B．热量、功都可以作为物体内能的量度C．热量、功、内能的单位不相同D．热量和功是由过程决定的，而内能是由物体状态决定的答案 D解析 物体的内能是指物体内所有分子动能和分子势能的总和，而要改变物体的内能可以通过做功或热传递两种途径，这三者的物理意义不同，A 错；热量是表示在热传递过程中物体内能变化多少的，而功是量度用做功的方式来改变物体内能多少的，B 错；三者单位都是焦耳，C 错；热量和功是过程量，内能是状态量，D 正确．(时间：60 分钟)题组一 做功与内能的变化1．用下述方法改变物体的内能，属于做功的方式是( )A．用锤子打铁时，铁块发热B．用磨刀石磨刀时，刀发热C．双手互搓，手发热D．用天然气烧水答案 ABC解析 A、B、C 中的过程都是力对系统(铁块、刀、手)做功，内能增加和温度升高的过程．而 D 中用天然气烧水则是通过热传导和热对流来实现水温升高的．2．在给自行车轮胎打气时，会发现胎内空气温度升高，这是因为( )A．胎内气体压强不断增大，而容积不变B．轮胎从外界吸热C．外界空气温度本来就高于胎内气体温度D．打气时，外界不断地对胎内气体做功答案 D解析 给自行车轮胎打气，人对胎内气体做功，气体内能增加，所以温度升高．3．一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．气体分子密度C．气体内能 D．气体分子的平均动能答案 BCD解析 绝热过程外力对系统做功，内能增加，温度升高，分子平均动能增加．64．如图 1 所示为某种椅子与其升降部分的结构示意图， M、 N 两筒间密闭了一定质量的气体， M 可沿 N 的内壁上下滑动．设筒内气体不与外界发生热交换，在 M 向下滑动的过程中( )图 1A．外界对气体做功，气体内能增大B．外界对气体做功，气体内能减小C．气体对外界做功，气体内能增大D．气体对外界做功，气体内能减小答案 A解析 因为 M、 N 内被封气体体积减小，所以外界对气体做功，又因气体与外界没有热交换即绝热过程，所以 Δ U＝ W，且 Δ U0，气体内能增加，A 正确．5．如图 2 所示，绝热容器中间用隔板隔开，左侧装有气体，右侧为真空．现将隔板抽掉，让左侧气体自由膨胀到右侧直至平衡，在此过程中( )图 2A．气体对外界做功，温度降低，内能减少B．气体对外界做功，温度不变，内能不变C．气体不做功，温度不变，内能不变D．气体不做功，温度不变，内能减少答案 C解析 气体向真空膨胀，不做功；此为绝热容器，无热传递， Q＝0.题组二 传热与内能的变化6．下列关于内能与热量的说法中，正确的是( )A．马铃薯所含热量高B．内能越大的物体热量也越多C．热量自发地从内能大的物体流向内能小的物体D．热量自发地从温度高的物体流向温度低的物体答案 D解析 选项 A 是一种很常见的说法，但从物理学的角度来看，却有不妥，热量是过程量，7不是状态量，不能像内能那样蕴含在物体中，选项 A 错；说法 B 与说法 A 存在相同的错误，此外，物体的内能与热量之间，在数量上没有必然联系，选项 B 错；两物体之间热量的流向只与它们的温度有关，与它们的内能无关，选项 C 错．7．在一个完全真空的绝热容器中放入两个物体，它们之间没有发生热传递，这是因为( )A．两物体没有接触B．两物体的温度相同C．真空容器不能发生热对流D．两物体具有相同的内能答案 B解析 发生热传递的条件是有温度差，而与物体内能的多少、是否接触周围的环境(是否真空)无关，故选项 B 正确，A、C、D 错误．题组三 综合应用8．如图 3 所示， A、 B 是两个完全相同的球，分别浸没在水和水银的同一深度处， A、 B 两球用同一种材料制成，当温度稍微升高时，球的体积会明显变大，如果开始水和水银的温度相同，且两液体温度同时缓慢升高到同一值，两球膨胀后，体积相等，则( )图 3A． A 球吸收的热量较多B． B 球吸收的热量较多C．两球吸收的热量一样多D．无法确定答案 B解析 A、 B 两球升高同样的温度，体积变化又相同，则二者内能的变化相同，而 B 球是处在水银中的， B 球膨胀时受到的压力大，对外做功多，因此 B 球吸收热量较多一些．9．在外界不做功的情况下，物体的内能增加了 50 J，下列说法中正确的是( )A．一定是物体放出了 50 J 的热量B．一定是物体吸收了 50 J 的热量C．一定是物体分子动能增加了 50 JD．物体的分子平均动能可能不变答案 BD解析 在外界不做功的情况下，内能的改变量等于传递的热量，内能增加，一定是吸收了8相等能量的热量，故 A 错，B 对；物体内能包括所有分子的动能和势能，内能由分子数、分子平均动能、分子势能共同决定，所以内能增加了 50 J 并不一定是分子动能增加了 50 J．物体的分子平均动能有可能不变，这时吸收的 50 J 热量全部用来增加分子势能．10．如图 4 所示的容器中， A、 B 中各有一个可自由移动的活塞，活塞下面是水，上面是大气，大气压恒定， A、 B 的底部由带阀门 K 的管道相连，整个装置与外界绝热．打开阀门前，A 中水面比 B 中水面高，打开阀门后， A 中的水逐渐向 B 中流，最后达到同一高度，在这个过程中( )图 4A．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解析 打开阀门 K 稳定后，容器 A、 B 中的水面相平，相当于图中画斜线部分的水从 A 移到 B，这部分水的重力势能减少了，即重力对水做了功，同时大气压力对 A 容器中的水做正功为 p0SAhA，对 B 容器中的水做负功为 p0SBhB，因为两部分水的体积相等，所以大气压力对水做的总功为零．由于容器绝热，系统与外界之间没有热交换，而重力对系统做正功，故水的内能增加．11．某同学做了一个小实验；先把空的烧瓶放入冰箱冷冻，一小时后取出烧瓶，并迅速把一个气球紧密地套在瓶颈上，然后将烧瓶放进盛满热水的烧杯里，气球逐渐膨胀起来，如图 5 所示．这是因为烧瓶里的气体吸收了水的____________，温度____________，体积________．图 5(2)若只对一定质量的理想气体做 1 500 J 的功，可使其温度升高 5 K．若改成只用热传递的方式，使气体温度同样升高 5 K，那么气体吸收________ J 的热量．如果对该气体做了2 000 J 的功，使其温度升高了 5 K，表明在该过程中，气体还________(选填“吸收”或“放出”)热量________J.9答案 (1)热量 升高 增大 (2)1 500 放出 500解析 (1)烧瓶和烧瓶内的气体要从热水杯中吸收水的热量，温度升高，体积增大．(2)做功和热传递都可以改变物体的内能，且是等效的．1第 3 讲 热力学第一定律 能量守恒定律[目标定位] 1.理解热力学第一定律，并掌握其表达式.2.能运用热力学第一定律解释自然界能量的转化、转移问题.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规律.4.知道第一类永动机是不可能制成的．一、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．数学表达式：Δ U＝ Q＋ W.二、能量守恒定律1．大量事实表明，各种形式的能量可以相互转化，并且在转化过程中总量保持不变．2．能量既不能凭空产生，也不能凭空消失，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别的物体，在转化和转移的过程中，能量的总量保持不变．3．能量守恒定律是自然界中最普遍、最重要的规律之一．三、永动机不可能制成1．第一类永动机：人们把设想的不消耗能量的机器称为第一类永动机．2．第一类永动机由于违背了能量守恒定律，所以不可能制成．一、热力学第一定律1．对热力学第一定律的理解(1)对 Δ U＝ W＋ Q 的理解：做功和热传递都可以改变内能，如果系统跟外界同时发生做功和热传递的过程，那么外界对系统所做的功 W 加上物体从外界吸收的热量 Q 等于系统内能的增加 Δ U，即 Δ U＝ Q＋ W.(2)对 Δ U、 Q、 W 符号的规定①功 W：外界对系统做功， W0，即 W 为正值；系统对外界做功， W0；系统放热为负， Q0，即 Δ U 为正值；系统内能减少，Δ U0.例 1 空气压缩机在一次压缩中，活塞对空气做了 2×105 J 的功，同时空气的内能增加了1.5×105 J，这一过程中空气向外界传递的热量是多少？答案 5×10 4 J解析 选择被压缩的空气为研究对象，根据热力学第一定律有 Δ U＝ W＋ Q.由题意可知 W＝2×10 5 J，Δ U＝1.5×10 5 J，代入上式得Q＝Δ U－ W＝1.5×10 5 J－2×10 5 J＝－5×10 4 J.负号表示空气向外释放热量，即空气向外界传递的热量为 5×104 J.借题发挥 应用热力学第一定律解题的一般步骤(1)明确研究对象是哪个物体或者是哪个热力学系统．(2)分别列出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或物体或系统对外所做的功．(3)根据热力学第一定律 Δ U＝ Q＋ W 列出方程进行求解．(4)特别注意的是物理量的正负号及其物理意义．针对训练 一定量的气体在某一过程中，外界对气体做了 8×104 J 的功，气体的内能减少了 1.2×105 J，则下列各式中正确的是( )A． W＝8×10 4 J，Δ U＝1.2×10 5 J， Q＝4×10 4 JB． W＝8×10 4 J，Δ U＝－1.2×10 5 J， Q＝－2×10 5 JC． W＝－8×10 4 J，Δ U＝1.2×10 5 J， Q＝2×10 4 JD． W＝－8×10 4 J，Δ U＝－1.2×10 5 J， Q＝－4×10 4 J答案 B解析 因为外界对气体做功， W 取正值，即 W＝8×10 4 J；内能减少，Δ U 取负值，即Δ U＝－1.2×10 5 J；根据热力学第一定律 Δ U＝ W＋ Q，可知 Q＝Δ U－ W＝－1.2×10 5 J－8×10 4 J＝－2×10 5 J，B 选项正确．二、能量守恒定律1．不同形式的能量之间可以相互转化(1)各种运动形式都有对应的能，如机械运动对应机械能，分子热运动对应内能等．(2)不同形式的能量之间可以相互转化，如“摩擦生热”机械能转化为内能， “电炉取热”电能转化为内能等．2．能量守恒定律及意义各种不同形式的能之间相互转化或转移时能量的总量保持不变．3意义：一切物理过程都适用，比机械能守恒定律更普遍，是 19 世纪自然科学的三大发现之一．3．第一类永动机是不可能制成的(1)不消耗能量而能源源不断地对外做功的机器，叫第一类永动机．因为第一类永动机违背了能量守恒定律，所以无一例外地归于失败．(2)永动机给我们的启示人类利用和改造自然时，必须遵循自然规律．例 2 如图 1 所示，直立容器内部被隔板隔开的 A、 B 两部分气体， A 的密度小， B 的密度大，加热气体，并使两部分气体混合均匀，设此过程中气体吸热为 Q，气体内能的增量为Δ U，则( )图 1A．Δ U＝ Q B．Δ UQ D．无法比较答案 B解析 因 A 部分气体密度小， B 部分气体密度大，以整体为研究对象，开始时，气体的重心在中线以下，混合均匀后，气体的重心应在中线上，所以有重力做负功，使气体的重力势能增大，由能量守恒定律可知，吸收的热量 Q 有一部分增加气体的重力势能，另一部分增加内能．故正确答案为 B.三、气体实验定律和热力学第一定律的综合应用气体实验定律和热力学第一定律的结合点是温度和体积．注意三种特殊过程的特点：1．等温过程：内能不变，Δ U＝02．等容过程：体积不变， W＝03．绝热过程： Q＝0例 3 如图 2 所示，倒悬的导热汽缸中封闭着一定质量的理想气体，轻质活塞可无摩擦地上下移动，活塞的横截面积为 S，活塞的下面吊着一个重为 G 的物体，大气压强恒为 p0，起初环境的热力学温度为 T0时，活塞到汽缸底面的距离为 L.当环境温度逐渐升高，导致活塞缓慢下降，该过程中活塞下降了 0.1L，汽缸中的气体吸收的热量为 Q.求：图 24(1)汽缸内部气体内能的增量 Δ U；(2)最终的环境温度 T.答案 (1) Q－0.1 p0SL＋0.1 LG (2)1.1 T0解析 (1)密封气体的压强 p＝ p0－GS密封气体对外做功 W＝ pS×0.1L由热力学第一定律 Δ U＝ Q－ W得 Δ U＝ Q－0.1 p0SL＋0.1 LG(2)该过程是等压变化，由盖—吕萨克定律有＝LST0  L＋ 0.1L ST解得 T＝1.1 T0热力学第一定律的理解和应用1．一定量的气体从外界吸收了 2.6×105 J 的热量，内能增加了 4.2×105 J.(1)是气体对外界做了功，还是外界对气体做了功？做了多少焦耳的功？(2)如果气体吸收的热量仍为 2.6×105 J 不变，但是内能增加了 1.6×105 J，计算结果W＝－1.0×10 5 J，是负值，怎样解释这个结果？(3)在热力学第一定律 Δ U＝ W＋ Q 中， W、 Q 和 Δ U 为正值、负值各代表什么物理意义？答案 见解析解析 (1)根据 Δ U＝ W＋ Q 得 W＝Δ U－ Q，将 Q＝2.6×10 5 J，Δ U＝4.2×10 5 J 代入式中得：W＝1.6×10 5 J0，说明外界对气体做了 1.6×105 J 的功．(2)如果吸收的热量 Q＝2.6×10 5 J，内能增加了 1.6×105 J，即 Δ U＝1.6×10 5 J，则W＝－1.0×10 5 J，说明气体对外界做功．(3)在公式 Δ U＝ W＋ Q 中，Δ U0，物体内能增加；Δ U0，物体吸热；Q0，外界对物体做功； W0，Δ U＝0，所以 Q 为负，即气体向外放热，故选项 A 错，C 对．正确答案为 C.10．如图 4 所示， a、 b、 c、 d 表示一定质量的理想气体状态变化过程中的四个状态，图中ad 平行于横坐标轴， dc 平行于纵坐标轴， ab 的延长线过原点，以下说法正确的是( )9图 4A．从状态 d 到 c，气体不吸热也不放热B．从状态 c 到 b，气体放热C．从状态 a 到 d，气体对外做功D．从状态 b 到 a，气体吸热答案 BCD解析 从状态 d 到 c，温度不变，理想气体内能不变，但是由于压强减小，所以体积增大，对外做功，还要保持内能不变，一定要吸收热量，故 A 错；气体从状态 c 到状态 b 是一个降压、降温过程，同时体积减小，外界对气体做功，而气体的内能还要减小(降温)，就一定要伴随放热的过程，故 B 对；气体从状态 a 到状态 d 是一个等压、升温的过程，同时体积增大，所以气体要对外做功，C 正确；气体从状态 b 到状态 a 是个等容变化过程，随压强的增大，气体的温度升高，内能增大，而在这个过程中气体的体积没有变化，就没有做功，气体内能的增大是因为气体吸热的结果，故 D 对．题组四 综合应用11．如图 5 所示，一定质量的理想气体从状态 A 先后经过等压、等容和等温过程完成一个循环， A、 B、 C 状态参量如图所示，气体在状态 A 的温度为 27 ℃，求：图 5(1)气体在状态 B 的温度 TB；(2)气体从 A→ B→ C 状态变化过程中与外界交换的总热量 Q.答案 (1)600 K(或 327℃) (2)2 p0V0解析 (1) A 到 B 的过程是等压变化，有 ＝VATA VBTB代入数据得 TB＝600 K(或 327 ℃)(2)根据热力学第一定律有 Δ U＝ Q＋ W其中 W＝－2 p0V0解得 Q＝2 p0V0(吸热)12．如图 6 所示，导热材料制成的截面积相等、长度均为 45 cm 的汽缸 A、 B 通过带有阀门10的管道连接．初始时阀门关闭，厚度不计的光滑活塞 C 位于 B 内左侧，在 A 内充满压强pA＝2.8×10 5 Pa 的理想气体， B 内充满压强 pB＝1.4×10 5 Pa 的理想气体，忽略连接汽缸的管道体积，室温不变，现打开阀门，求：图 6(1)平衡后活塞向右移动的距离和 B 中气体的压强；(2)自打开阀门到平衡， B 内气体是吸热还是放热(简要说明理由)．答案 (1)15 cm 2.1×10 5 Pa (2)放热，理由见解析解析 (1)活塞向右移动达到稳定后，对 A 气体，有 pALS＝ p(L＋ x)S对 B 气体，有 pBLS＝ p(L－ x)S得 x＝15 cmp＝2.1×10 5 Pa(2)活塞 C 向右移动，对 B 中气体做功，而气体做等温变化，内能不变，由热力学第一定律可知 B 内气体放热．13．如图 7 是用导热性能良好的材料制成的气体实验装置，开始时封闭的空气柱长度为 22 cm，现用竖直向下的外力 F 压缩气体，使封闭的空气柱长度为 2 cm，人对活塞做功 100 J，大气压强为 p0＝1×10 5 Pa，不计活塞的重力．问：图 7(1)若用足够长的时间缓慢压缩，求压缩后气体的压强多大？(2)若以适当的速度压缩气体，向外散失的热量为 20 J，则气体的内能增加多少？(活塞的横截面积 S＝1 cm 2)答案 (1)1.1×10 6 Pa (2)82 J解析 (1)设压缩后气体的压强为 p，活塞的横截面积为 S， l0＝22 cm， l＝2 cm， V0＝ l0S， V＝ lS，缓慢压缩，气体温度不变由玻意耳定律得 p0V0＝ pV解出 p＝1.1×10 6 Pa(2)大气压力对活塞做功 W1＝ p0S(l0－ l)＝2 J人做功 W2＝100 J由热力学第一定律 Δ U＝ W1＋ W2＋ Q11Q＝－20 J解得 Δ U＝82 J1第 4 讲 热力学第二定律[目标定位] 1.通过自然界中客观过程的方向性，了解热力学第二定律.2.了解热力学第二定律的两种不同表述，以及两种表述的物理实质.3.了解什么是第二类永动机，知道为什么它不能制成.一、热力学第二定律1．一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的．如物体间的传热、气体的膨胀、扩散……都有特定的方向性．2．反映宏观自然过程方向性的定律就是热力学第二定律．二、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．三、热机1．热机的效率 η ：热机输出的机械功与燃料产生的热量的比值，用公式表示为 η ＝ .热WQ机的效率不可能达到 100%.2．第二类永动机：只有单一热源，从单一热源吸收热量，可以全部用来做功的热机叫第二类永动机，它不违背能量守恒定律，但违背热力学第二定律，所以不能实现．一、宏观过程的方向性1．热传导具有方向性：两个温度不同的物体相互接触时，热量会自发地从高温物体传给低温物体，结果使高温物体的温度降低，低温物体的温度升高．2．气体的扩散现象具有方向性：两种不同的气体可以自发地进入对方，最后成为均匀的混合气体，但这种均匀的混合气体，决不会自发地分开，成为两种不同的气体．3．机械能和内能的转化过程具有方向性：物体在水平面上运动，因摩擦而逐渐停止下来，但绝不可能出现物体吸收原来传递出去的热量后，在地面上重新运动起来．4．气体向真空膨胀具有方向性：气体可自发地向真空容器膨胀，但绝不可能出现气体自发地从容器中流出，容器变为真空．5．在整个自然界中，无论有生命的还是无生命的，所有的宏观自发过程都具有单向性，都2有一定的方向性，都是一种不可逆过程．例 1 下列说法正确的是( )A．热量能自发地从高温物体传给低温物体B．热量不能从低温物体传到高温物体C．热传递是有方向性的D．气体向真空中膨胀的过程是有方向性的答案 ACD解析 如果是自发地进行，热量只能从高温物体传到低温物体，但这并不是说热量不能从低温物体传到高温物体，只是不能自发地进行，在外界条件的帮助下，热量也能从低温物体传到高温物体，A、C 对，B 错；气体向真空中膨胀的过程也是不可逆，具有方向性的，D 对．借题发挥 两个温度不同的物体相互接触时，热量会自发地从高温物体传给低温物体，使高温物体的温度降低，低温物体的温度升高，这个过程是自发进行的，不需要任何外界的影响或者帮助，有时我们也能实现热量从低温物体传给高温物体，如电冰箱，但这不是自发地进行的，需要消耗电能，其实自然界中所有的热现象都是具有单向性的．二、热力学第二定律和第二类永动机1．克劳修斯表述是按热传导的方向性表述的．热量可以由低温物体传到高温物体但不能是自发的，如：冰箱、空调．2．开尔文表述是按照机械能与内能转化过程的方向性来表述的．不是不能从单一热库吸收热量而对外做功，而是这样做的结果，一定伴随着其他变化或影响．3．这两种表述看似毫无联系，其实是等价的，可以从一种表述导出另一种表述．4．热力学第二定律揭示了自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性．5．第二类永动机不可能制成，它也是热力学第二定律的一种表述形式．虽然第二类永动机不违反能量守恒定律，但大量的事实证明，在任何情况下热机都不可能只有一个热源，热机要不断地把吸取的热量变为有用的功，就不可避免地将一部分热量传给低温热源．例 2 根据热力学第二定律可知，下列说法中正确的是( )A．不可能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B．没有冷凝器，只有单一的热源，能将从单一热源吸收的热量全部用来做功，而不引起其他变化的热机是可以实现的C．制冷系统将冰箱里的热量传给外界较高温度的空气中，而不引起其他变化D．不可能使热量由低温物体传递到高温物体，而不引起其他变化答案 AD解析 热力学第二定律揭示了与热现象有关的物理过程的方向性，机械能和内能的转化过3程具有方向性，机械能可以全部转化为内能，而内能要转化为机械能必须借助外部的帮助，即会引起其他变化，A 选项正确，B 选项错误；热传递过程也具有方向性，热量能自发地从高温物体传给低温物体，但是热量要从低温物体传到高温物体，必然要引起其他变化(外界对系统做功)，故 C 选项错误，D 选项正确．借题发挥 (1)一切物理过程均遵守能量守恒定律，但遵守能量守恒定律的物理过程不一定均能实现．(2)热力学第二定律的关键在于“自发性”和“方向性” ．例 3 第二类永动机不可能制成的原因是( )A．违背了能量守恒定律B．热量总是从高温物体传递到低温物体C．机械能不能全部转化为内能D．内能不能全部转化为机械能而不引起其他变化答案 D解析 第二类永动机的设想并不违背能量守恒定律，但是违背了热力学第二定律，所以不可能制成．宏观过程的方向性1．下列哪个过程具有方向性( )A．热传导过程B．机械能向内能的转化过程C．气体的扩散过程D．气体向真空中的膨胀答案 ABCD解析 这四个过程都是与热现象有关的宏观过程，根据热力学第二定律可知，它们都是不可逆的，具有方向性．热力学第二定律和第二类永动机2．根据热力学第二定律，下列判断正确的是( )A．电流的能不可能全部变为内能B．在火力发电机中，燃气的内能不可能全部变为电能C．热机中，燃气内能不可能全部变为机械能D．在热传导中，热量不可能自发地从低温物体传递给高温物体答案 BCD4解析 根据热力学第二定律可知，凡与热现象有关的宏观过程都具有方向性，电流的能可全部变为内能(由焦耳定律可知)，而内能不可能全部变成电流的能，而不产生其他影响．机械能可全部变为内能，而内能不可能全部变成机械能．在热传导中，热量只能自发地从高温物体传递给低温物体，而不能自发地从低温物体传递给高温物体．3．关于热力学第一定律和热力学第二定律，下列论述正确的是( )A．热力学第一定律指出内能可以与其他形式的能相互转化，而热力学第二定律则指出内能不可能完全转化为其他形式的能，故这两条定律是相互矛盾的B．内能可以全部转化为其他形式的能，只是会产生其他影响，故两条定律并不矛盾C．两条定律都是有关能量的转化规律，它们不但不矛盾，而且没有本质区别D．其实，能量守恒定律已经包含了热力学第一定律和热力学第二定律答案 B解析 热力学第一定律揭示了内能与其他形式能量之间的转化关系，是能量守恒定律在热学中的具体体现．热力学第二定律则进一步阐明了内能与其他形式能量转化时的方向性，二者表述的角度不同，本质不同，相互补充，并不矛盾，故选项 C、D 错误，选项 B 正确；内能在一定条件下可以全部转化为机械能，热量也可以由低温物体传递到高温物体，但是要引起其他变化，如电冰箱制冷机工作还要消耗电能，故选项 A 错误．4．关于热现象和热学规律，下列说法中正确的是( )A．随着低温技术的发展，我们可以使温度逐渐降低，并达到绝对零度，最终实现热机效率100%B．热量是不可能从低温物体传递给高温物体的C．第二类永动机遵从能量守恒定律，故能制成D．用活塞压缩汽缸里的空气，对空气做功 2.0×105 J，同时空气向外界放出热量1.5×105 J，则空气的内能增加了 5×104 J答案 D解析 由热力学第二定律知，B、C 错；绝对零度不可能达到，A 错；由热力学第一定律知D 正确.(时间：60 分钟)题组一 宏观过程的方向性1．关于热传导的方向性，下列说法正确的是( )A．热量能自发地由高温物体传给低温物体B．热量能自发地由低温物体传给高温物体C．在一定条件下，热量也可以从低温物体传给高温物体5D．热量不可能从低温物体传给高温物体答案 AC解析 在有外力做功的情况下，热量可以从低温物体传给高温物体，但热量只能自发地从高温物体传给低温物体．2．下列说法中正确的是( )A．一切涉及热现象的宏观过程都具有方向性B．一切不违反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答案 AC解析 能量转移和转化的过程都是具有方向性的，A 对；第二类永动机不违背能量守恒定律，但是不能实现，B 错；在热传递的过程中，能量可以自发地从高温物体传到低温物体，但其逆过程不可能自发地进行，C 对，D 错．3．以下说法正确的是( )A．热量不仅可以从高温物体传到低温物体，也可自发地从低温物体传到高温物体B．空调等设备就是利用了热传导的方向性C．无论采用什么方法，都不可能把热量从低温物体传递给高温物体D．热量能自发地传递的条件是必须存在温度差答案 D解析 热传导具有方向性，热量可以自发地由高温物体传到低温物体，也可以从低温物体传到高温物体，但不能自发地进行，故 A 错；空调等可以将热量由低温物体传到高温物体，但消耗了电能，故 B、C 错．题组二 热力学第二定律的理解4．关于热力学定律和分子动理论，下列说法中正确的是( )A．我们可以利用高科技手段，将流散到周围环境中的内能重新收集起来加以利用而不引起其他变化B．利用浅层海水和深层海水之间的温度差制造一种热机，将海水的一部分内能转化为机械能，这在原理上是可行的C．在分子力作用范围内，分子力总是随分子间距离的增大而减小D．温度升高时，物体中每个分子的运动速率都将增大答案 B解析 由热力学第二定律可知，A 错误，B 正确；由分子间作用力与分子间距的关系可知，C 项错误；温度升高时，物体中分子平均动能增大，但并不是每个分子的动能都增大，即并不是每个分子的运动速率都增大，故 D 项错误．65．用两种不同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1 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( )图 1A．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答案 AB解析 自然界中的任何自然现象或过程都不违反热力学定律，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，还升高金属丝的温度，电能不能全部转化为冷水的内能，C、D 错误．6．图 2 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( )图 2A．热量可以自发地从冰箱内传到冰箱外B．电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界，是因为其消耗了电能C．电冰箱的工作原理不违反热力学第二定律D．电冰箱的工作原理违反热力学第二定律答案 BC解析 根据热力学第二定律，热量不能自发地从低温物体传到高温物体，要想使热量从低温物体传到高温物体必须借助于其他系统做功，A 错误，B 正确．电冰箱的工作原理不违反热力学第二定律，C 正确，D 错误．故选 B、C.7．关于空调机，下列说法正确的是( )A．制冷空调机工作时，热量从低温物体传到高温物体B．制暖空调机工作时，热量从高温物体传到低温物体7C．冷暖空调机工作时，热量既可以从低温物体传到高温物体，也可以从高温物体传到低温物体D．冷暖空调机工作时，热量只能从低温物体传到高温物体答案 AD解析 空调机工作时，热量可以从低温物体传到高温物体，因为这里有外界做功．题组三 综合应用8．下列说法中正确的是( )A．功可以完全转化为热量，而热量不可以完全转化为功B．热机必须是具有两个热库，才能实现热功转化C．热机的效率不可能大于 1，但可能等于 1D．热机的效率必定小于 1答案 D解析 开尔文表述没有排除热量可以完全转化为功，但必然要产生其他变化，比如气体等温膨胀，气体内能完全转化为功，但气体体积增大了，A 错误；开尔文表述指出，热机不可能只有单一热库，但未必就是两个热库，可以具有两个以上热库，B 错误；由 η ＝可知，只要 Q2≠0， η ≠1，如果 Q2＝0，则低温热库不存在，违背了开尔文表述，Q1－ Q2Q1故 C 错误，D 正确．9．如图 3 所示，一演示用的“永动机”转轮由 5 根轻杆和转轴构成，轻杆的末端装有用形状记忆合金制成的叶片．轻推转轮后，进入热水的叶片因伸展而“划水” ，推动转轮转动．离开热水后，叶片形状迅速恢复，转轮因此能较长时间转动．下列说法正确的是( )图 3A．转轮依靠自身惯性转动，不需要消耗外界能量B．转轮转动所需能量来自形状记忆合金自身C．转动的叶片不断搅动热水，水温升高D．叶片在热水中吸收的热量一定大于在空气中释放的热量答案 D解析 轻推转轮后，叶片开始转动，由能量守恒定律可知，叶片在热水中吸收的热量一部分释放到空气中，另一部分使叶片在热水中膨胀做功，所以叶片在热水中吸收的热量一定大于在空气中释放的热量，D 正确．10．关于热力学定律，下列说法正确的是( )8A．为了增加物体的内能，必须对物体做功或向它传递热量B．对某物体做功，必定会使该物体的内能增加C．可以从单一热源吸收热量，使之完全变为功D．不可能使热量从低温物体传向高温物体E．功转变为热的实际宏观过程是不可逆过程答案 ACE解析 由 Δ U＝ W＋ Q 可知做功和热传递是改变内能的两种途径．它们具有等效性，故 A 正确，B 错误；由热力学第二定律可知，可以从单一热源吸收热量，使之全部变为功，但会产生其他影响，故 C 正确；热量只是不能自发的从低温物体传向高温物体，则 D 错误；一切与热现象有关的宏观过程都是不可逆的，则 E 正确．11．热力学第二定律常见的表述有两种：第一种表述：不可能使热量由低温物体传递到高温物体，而不引起其他变化；第二种表述：不可能从单一热库吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化．图 4 甲是根据热力学第二定律的第一种表述画出的示意图：外界对制冷机做功，使热量从低温物体传递到高温物体．请你根据第二种表述完成示意图乙．根据你的理解，热力学第二定律的实质是_____________________________________________________________________________________________________________________________________.图 4答案 见解析解析 示意图如图所示．一切与热现象有关的宏观过程都具有方向性．