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專題15.3　熱力學定律與能量守恒定律
物理觀念：理想氣體。
知道理想氣體的概念并且知道一定質量的理想氣體的內能只與溫度有關.
科學思維：理想氣體狀態方程、熱力學定律
1.理解熱力學第一定律，知道改變內能的兩種方式，并能用熱力學第一定律解決相關問題.
2.理解熱力學第二定律，知道熱現象的方向性.
3.知道第一類永動機和第二類永動機不可能實現.
科學態度：熱機在生產、生活中的應用。
【知識點一】熱力學第一定律與能量守恒定律
1.熱力學第一定律的理解
(1)內能的變化都要用熱力學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；體積縮小，外界對氣體做功，W為正。
(3)與外界絕熱，則不發生熱傳遞，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，所以當它的內能變化時，主要體現在分子動能的變化上，從宏觀上看就是溫度發生了變化。
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能的增加。
(3)若過程的初、末狀態物體的內能不變，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。
（2023 沙坪壩區校級模擬）某班同學在中央公園進行的踏青活動中放飛氣球，已知大氣壓強隨高度增加而降低，假設氣球在上升過程中溫度不變。某同學觀察一緩慢上升的氣球（球內氣體視為理想氣體），球內氣體在氣球上升的過程中（　?。?br/>A．內能增大 B．內能減小 C．從外界吸熱 D．向外界放熱
【解答】解：AB．理想氣體不計分子勢能，則理想氣體的內能由溫度決定，氣球在上升過程中溫度不變，則氣球內的氣體的內能不變，故AB錯誤；
CD．氣球在上升過程中溫度不變，根據玻意耳定律有p1V1＝p2V2，由于大氣壓強隨高度增加而降低，則氣球緩慢上升過程，氣體額壓強減小，體積增大，根據熱力學第一定律ΔU＝W+Q可知，由于氣體內能不變，體積增大，氣體對外做功，W取負值，則Q取正值，即氣體從外界吸熱，故C正確，D錯誤。
故選：C。
（2023 青島模擬）啤酒是青島這座城市的“專屬味道”，如圖是青島市民喜歡的袋裝原漿，某次售賣時，售貨員將7℃冰鎮原漿倒入密封袋中快速封口，密封袋內有啤酒和少部分空氣且不斷有氣體從啤酒中析出，靜置一段時間后，發現密封袋鼓脹起來。已知大氣壓強p0＝1.0×105Pa，室溫為27℃，封閉氣體體積從0.2L增大為0.25L。下列說法正確的是（　?。?br/>A．外界對內部封閉氣體做正功
B．靜置后內部封閉氣體的內能增加
C．靜置后內部封閉氣體的分子速率都增加
D．根據氣體實驗定律，可求出靜置后內部封閉氣體的壓強
【解答】解：A、封閉氣體體積增大，氣體對外界做正功，則外界對內部封閉氣體做負功，故A錯誤；
B、靜置一段時間后，封閉氣體溫度升高，氣體的內能增加，分子的平均動能和平均速率增大，但具體到某一個氣體分子，其速率有可能減小，故B正確，C錯誤；
D、根據題意，不斷有氣體從啤酒中析出，即氣體的物質的量在不斷增多，則根據氣體實驗定律，不能求出靜置后內部封閉氣體的壓強，故D錯誤。
故選：B。
（2023 通州區校級三模）如圖所示，自嗨鍋是一種自熱火鍋，加熱時既不用火也不插電，主要利用發熱包內的物質與水接觸，釋放出熱量。自嗨鍋的蓋子上有一個透氣孔，如果透氣孔堵塞，容易造成爆炸，非常危險，下列說法中正確的是（　?。?br/>A．自嗨鍋爆炸的瞬間，盒內氣體的內能增大
B．自嗨鍋爆炸的短時間內，單位時間單位面積上分子撞擊容器壁的次數增多
C．爆炸短時間內，溫度迅速降低，分子平均速率減小
D．能夠聞到自嗨鍋內食物的香味是布朗運動
【解答】解：A、自嗨鍋爆炸瞬間，盒內氣體對外做功，且來不及與外界進行熱量交換，根據熱力學第一定律ΔU＝W+Q，盒內氣體內能減小，溫度降低。故A錯誤；
BC、爆炸短時間內，溫度迅速降低，分子平均速率減小，氣體體積迅速膨脹，分子數密度減小，故單位時間單位面積上分子撞擊容器壁的次數減少。故B錯誤，C正確；
D、能夠聞到火鍋的香味是因為分子熱運動導致的，屬于擴散現象，而不是布朗運動。故D錯誤。
故選：C。
（2023 梅河口市校級三模）登山運動員從海拔500m的山腳下出發，來到海拔3200m的山頂，發現所攜帶的一密封著一定質量空氣的塑料袋的體積明顯增大了。山頂氣溫比山腳下低10℃左右。在登山過程中，下列關于塑料袋中氣體的說法正確的是（　?。?br/>A．塑料袋中氣體的內能變大了
B．塑料袋中氣體的壓強變大了
C．塑料袋中氣體對外界做的功小于其內能的變化量
D．塑料袋中氣體放出的熱量大于其對外界做的功
【解答】解：A、由于山頂溫度低，在登山過程中，塑料袋中氣體的溫度要降低，溫度是衡量理想氣體內能的標志，其內能減小，故A錯誤；
B、塑料袋中氣體溫度降低，體積增大，根據理想氣體狀態方程，可知氣體壓強減小，故B錯誤；
C、根據熱力學第一定律：ΔU＝W+Q，塑料袋中氣體的內能減小（ΔU＜0），體積增大，氣體對外做功（W＜0），可知塑料袋中氣體對外界做的功小于其內能的變化量，無法比較塑料袋中氣體放出的熱量和其對外界做的功的大小關系，故C正確，D錯誤；
故選：C。
（2023 棗強縣校級模擬）如圖所示，在大氣壓強為、室溫為T1＝300K的實驗室中，一高度L＝30cm、底面積S＝3×10﹣4m2、側壁及底面厚度不計的圓柱體氣缸豎直放置在地面上，內有一質量M＝4kg、厚度H＝5cm的活塞，氣缸側壁頂部和正中間分別有一個大小不計的微動開關P、Q，可以感知活塞是否與其接觸，以制成傳感器。初始時活塞底部距離氣缸底部20cm，不計活塞與氣缸側壁間的摩擦。
（1）若緩慢升高氣缸內氣體溫度，求活塞剛好接觸微動開關P時氣缸內氣體溫度。
（2）若第（1）問過程中，氣缸內氣體從外界吸收熱量Q1＝7.5J，氣體內能變化量為多少？
（3）保持溫度不變，在活塞上緩慢施加壓力以觸發開關Q可制成壓力傳感器，若Q到活塞底部距離的調節范圍為5～15cm，則可檢測的壓力的范圍是多少？
【解答】解；（1）初始時氣缸內氣柱的高度為
h1＝20cm
溫度為T1＝300K
活塞剛好接觸微動開關P時氣缸內氣柱的高度為
h2＝25cm
設此時氣體溫度為T2，此過程氣體發生等壓變化，由蓋—呂薩克定律有
解得：T2＝375K。
（2）由熱力學第一定律有
ΔU＝W+Q1＝﹣（Mg+p0S）ΔL+Q1
解得：ΔU＝4J
即氣體的內能增大了4J。
（3）此過程氣體發生等溫變化，由玻意耳定律有
p1V1＝p2V2
其中
V1＝h1S
V2＝hS（5cm＜h＜15cm）
解得：。
答：（1）活塞剛好接觸微動開關P時氣缸內氣體溫度為375K；
（2）氣體內能變化量為4J；
（3）可檢測的壓力的范圍是。
【知識點二】熱力學第一定律與圖像的綜合應用
1.氣體的狀態變化可由圖象直接判斷或結合理想氣體狀態方程＝C分析.
2.氣體的做功情況、內能變化及吸放熱關系可由熱力學第一定律分析.
(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能變化：溫度升高，氣體內能增大；溫度降低，氣體內能減小.
(3)由熱力學第一定律ΔU＝W＋Q判斷氣體是吸熱還是放熱.
（2023 南崗區校級三模）如圖所示的p﹣V圖象中，一定質量的理想氣體從狀態A開始，經過狀態B、C、D，最后回到狀態A。其中AD和BC平行于橫軸，AB和CD平行，AB延長線過坐標原點O，下列說法正確的是（　　）
A．A→B過程氣體分子熱運動的平均動能不變
B．C→D過程氣體單位體積內分子數增加
C．D→A過程中，氣體分子與器壁在單位時間、單位面積上的碰撞次數將減少
D．整個過程中，氣體向外界放出的熱量大于從外界吸收的熱量
【解答】解：A．由p﹣V圖像可知A→B過程氣體的壓強和體積均減小，由可知A→B過程氣體溫度降低，因此分子平均動能減小，故A錯誤；
B．C→D過程體積增大，分子數量保持不變，故氣體分子數密度減小，故B錯誤；
C．D→A過程氣體的壓強保持不變，體積減小，由可知D→A過程T降低，分子平均動能減小，分子對器壁的平均碰撞力減小，分子數密度變大，可知單位時間內單位器壁面積上分子碰撞次數增多，故C錯誤；
D．直線AD和BC平行于橫軸，直線AB和CD平行，p﹣V圖線與V軸圍成的面積表示功，A→B過程外界對氣體做功與C→D過程氣體對外界做功
W1+W3＝0
B→C過程氣體對外界做功與D→A過程外界對氣體做功
W2+W4＞0
即全過程
W＞0
由W+Q＝ΔU＝0
解得：Q＜0
故整個過程中，氣體向外界放出的熱量大于從外界吸收的熱量，故D正確。
故選：D。
（2023 江蘇三模）如圖所示，一定質量的理想氣體從狀態a依次經過狀態b、c和d后再回到狀態a，則（　　）
A．a到b過程，氣體內能增大
B．b到c過程，氣體對外界做功
C．c到d過程，氣體吸收熱量
D．經過一次循環過程，外界對氣體做功
【解答】解：A．a到b過程，為等容變化，氣體對外界不做功，由理想氣體狀態方程
可得Ta＞Tb
則氣體內能減少，故A錯誤；
B．b到c過程，體積減小，外界對氣體做功，故B錯誤；
C．c到d過程，為等容變化，氣體對外界不做功，由理想氣體狀態方程
可得Td＞Tc
則氣體內能增加，根據熱力學第一定律可知，氣體吸收熱量，故C正確；
D．由
W＝pV，p﹣V圖像面積代表做功
可知，經過一次循環過程，由d到a氣體對外做功大于由b到c外界對氣體做功，故一個循環過程后，氣體對外界做功，故D錯誤。
故選：C。
（2023 市中區校級一模）密閉容器內封有一定質量的理想氣體，V﹣T圖像如圖所示，從狀態a開始變化，經歷狀態b、狀態c，最后回到狀態a完成循環。下列說法正確的是（　?。?br/>A．氣體在由狀態a變化到狀態b的過程中放出熱量
B．氣體在由狀態b變化到狀態c的過程中，內能增加
C．氣體從狀態a完成循環回到狀態a的過程中，向外界放出熱量
D．氣體從狀態c變化到狀態a的過程中，單位時間撞擊單位面積容器壁的分子數增加
【解答】解：B、氣體在由狀態b變化到狀態c的過程中，氣體溫度不變，氣體內能不變，故B錯誤；
A、氣體在由狀態a變化到狀態b的過程中壓強不變，體積增大，氣體對外做功，即：W＜0
溫度升高，氣體內能增大，即：ΔU＞0
由熱力學第一定律有ΔU＝W+Q
可知：Q＝ΔU﹣W＞0，即氣體吸收熱量，故A錯誤；
C、氣體從狀態a完成循環回到狀態a的過程中，氣體溫度不變，氣體內能不變，由熱力學第一定律有ΔU＝W+Q＝0，從a到b為等壓變化，氣體體積變大，氣體對外做功為W1＝pb（Vb﹣Va）
從b到c為等溫變化，氣體體積減小，外界對氣體做功為：W2（Vb﹣Va），為從b到c的壓強的平均值，據pbVb＝pcVc，可得：pc＞pb。所以pb，數值上：W2＞W1，而氣體從c到a體積不變，氣體不做功，故氣體從狀態a完成循環回到狀態a的過程中，表現為外界對氣體做功，總全程功為正值，根據熱力學第一定律可知氣體向外界放出熱量，故C正確；
D、氣體從狀態c變化到狀態a的過程中，體積不變，分子密度不變，而溫度降低，分子的平均動能減小，氣體的壓強減小，所以單位時間撞擊單位面積容器壁的分子數不會增加，故D錯誤。
故選C。
（2023 懷仁市校級三模）一定質量的理想氣體經歷a→b、b→c、c→d三個變化過程，其體積V隨熱力學溫度T變化的關系圖像如圖所示，圖中從a到b過程的圖像反向延長線過原點，從b到c過程圖線與縱軸平行，a、c、d在與橫軸平行的直線上，則下列說法中正確的是（　?。?br/>A．從a→b過程，氣體內能的增量小于氣體放出熱量
B．從a→b過程，氣體分子運動的平均速率增大
C．從b→c過程，單位時間內容器壁單位面積上受到分子的平均作用力減小
D．從a→d過程，氣體對外做功為零
【解答】解：根據一定質量的理想氣體狀態方程可得：C，解得：V，所以圖像上某一點與坐標原點的連線的斜率越大、壓強p越小。
A、從a→b過程，氣體做等壓變化，體積增大、溫度升高、內能增大，氣體對外做功，根據熱力學第一定律ΔU＝W+Q可知，氣體吸收熱量，且氣體內能的增量小于氣體吸收的熱量，故A錯誤；
B、從a→b過程，氣體溫度升高、平均動能增大、則氣體分子運動的平均速率增大，故B正確；
C、從b→c過程，氣體做等溫變化，體積減小、壓強增大，單位時間內容器壁單位面積上受到分子的平均作用力增大，故C錯誤；
D、從a→b過程中的壓強小于b到c過程的平均壓強，則a到b過程中氣體對外做的功小于b到c過程中外界對氣體做的功，c到d過程中氣體不做功，所以從a→d過程，外界對氣體做正功，故D錯誤。
故選：B。
（2023 中山區校級模擬）氣壓式升降椅通過氣缸上下運動來控制椅子升降，其簡易結構如圖（a）所示，圓往形氣缸與椅面固定連接，柱狀氣動桿與底座固定連接?？勺杂梢苿拥臍飧着c氣動桿之間封閉一定質量的氣體，氣缸氣密性、導熱性能良好，忽略摩擦力，氣體可視為理想氣體。設氣體的初始狀態為A，接著某人虛坐在指面上，開始時此人的腳在地上，后逐漸減少對地面的壓力直至腳完全離開地面，此過程中（溫度不變）椅子緩慢下降一段距離后，氣體達到穩定狀態B。然后打開空調降低室溫，一段時間后，室內溫度緩慢降低到設定溫度，穩定后氣體狀態為C。最后人將腳緩慢放在地面上并逐漸增大對地面的壓力直至人離開椅面，氣體最終達到另一個穩定狀態該過程中氣體的壓強和體積倒數的關系如圖（b）所示，已知氣缸的橫截面積為S，重力加速度大小為g，外界大氣壓強不變，則（　?。?br/>A．由圖（b）數據可算得人的質量為
B．與狀態B相比，氣體處于狀態C時單位時間內碰撞單位面積容器壁的分子數較多
C．由圖（b）數據可算得從狀態C到狀態D氣體對外界做的功大小為（p1+p2）（V3﹣V4）
D．從狀態A到狀態D，氣體向外放出的熱量小于外界對氣體做的功
【解答】解：A、設外界大氣壓強為p0，對椅面和氣缸分析，初始時根據平衡條件可得：pS＝p0S+mg，人坐上椅面腳全部離開地面時，根據平衡條件可得：p2S＝p0S+mg+Mg，解得人的質量為：M，故A錯誤；
B、因pC＝pB，而TC＜TB，故單位時間內碰撞單位面積容器壁的分子數增多，故B正確；
C、C到D為等溫過程，故該過程做功小于（p1+p2）（V3﹣V4），故C錯誤；
D、由C知，p＝CT ，斜率越大，溫度越高，故TA＞TD，所以氣體的內能減少，而VD＜VA，外界對氣體做功，由熱力學第一定律知，氣體向外放熱，且放出的熱量大于外界對氣體做的功，故D錯誤。
故選：B。
【知識點三】熱力學第二定律的理解
1.熱力學第二定律的兩種表述
(1)克勞修斯表述：熱量不能自發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.熱力學第二定律的微觀意義
一切自發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第二定律.
（2023 ?？谀M）下列說法正確的是（　?。?br/>A．懸浮水中的碳粒做布朗運動的現象，間接反映了水分子的無規則熱運動
B．晶體有固定的熔點，但物理性質不可能表現為各向同性
C．溫度升高時，物體內每個分子的速率都增大，所以物體的分子平均動能增大
D．根據熱力學第二定律可知，熱量不可以從低溫物體傳到高溫物體
【解答】解：A．懸浮水中的碳粒做布朗運動的現象，是由水分子無規則運動撞擊碳粒形成的，間接反映了水分子的無規則熱運動，故A正確；
B．晶體有固定的熔點，單晶體具有各向異性，多晶體具有各向同性，故B錯誤；
C．溫度升高時，物體的分子平均動能增大，但不是物體內每個分子的速率都增大，故C錯誤；
D．根據熱力學第二定律可知，熱量不能從低溫物體傳到高溫物體而不引起其它變化，故D錯誤。
故選：A。
（2023 泉州模擬）2022年5月，我國首個商用壓縮空氣儲能電站投產發電。在用電低谷期，利用剩余的電力把洞外空氣壓縮到鹽礦開采后留下的密閉鹽穴礦洞中，儲存能量；在用電高峰期，將儲存在礦洞內的高壓空氣釋放出來驅動汽輪機發電。礦洞可視為絕熱容器，在充氣過程中，礦洞內（　?。?br/>A．氣體內能保持不變
B．氣體分子數密度不變
C．氣體分子的運動速率都增加了
D．氣體分子對洞壁單位面積平均撞擊力變大
【解答】解：A．礦洞可視為絕熱容器，即有Q＝0，在充氣過程中，外界對氣體做功，根據熱力學第一定律有ΔU＝W+Q，可知氣體內能增大，溫度升高，故A錯誤；
B．礦洞體積一定，充氣后氣體分子數增多，氣體分子數密度增大，故B錯誤；
C．根據上述，氣體溫度升高，氣體分子運動的平均速率增大，但具體到某一個分子，它的運動速率變化不確定，有可能增大，有可能減小，故C錯誤；
D．氣體質量不變，溫度升高，體積不變，則氣體壓強增大，即氣體分子對洞壁單位面積平均撞擊力變大，故D正確。
故選：D。
（2023 清遠模擬）關于分子動理論，下列說法正確的是（　?。?br/>A．布朗運動就是分子的運動
B．氣體溫度升高，每個分子的平均動能都增大
C．一切自發過程總是沿著分子熱運動的無序性增大的方向進行
D．當分子間作用力表現為斥力時，分子勢能隨分子間距離的減小而減小
【解答】解：A．布朗運動是懸浮在液體或氣體中的固體小顆粒的無規則運動，它間接反映了液體或氣體分子的無規則運動，故A錯誤；
B．溫度是分子平均動能的標志，溫度升高，則分子平均動能增大，由于碰撞等原因，少數分子的動能可能減小，因此氣體溫度升高，并不是所有分子的動能都增大，故B錯誤；
C．根據熵增加原理，一切自發過程總是沿著分子熱運動的無序性增大的方向進行，故C正確；
D．當分子間作用力表現為斥力時，分子間距離減小，分子間作用力做負功，分子勢能增大，故D錯誤。
故選：C。
（2023 重慶模擬）下列有關熱學現象的說法，正確的是（　　）
A．當分子間作用力表現為引力時，分子勢能隨分子間距離減小而增大
B．所有晶體都具有各向異性的特征
C．一切自然過程總是向著分子熱運動無序性減小的方向進行
D．高壓氣體突然快速膨脹會導致氣體溫度降低
【解答】解：A．當分子間作用力表現為引力時，分子間距離減小，分子間作用力做正功，此過程中分子勢能減小，故A錯誤；
B．只有單晶體才表現為各向異性，多晶體表現為各向同性，故B錯誤；
C．根據熵增加原理，一切自發過程總是沿著分子熱運動的無序性增大的方向進行，故C錯誤；
D．高壓氣體突然快速膨脹對外做功，根據熱力學第一定律ΔU＝Q+W可知氣體的內能減少，溫度降低，故D正確。
故選：D。
（2021 山東二模）中國最早的農學論文《呂氏春秋 任地》論述到：“人耨必以旱，使地肥而土緩”。農諺“鋤板底下有水”、“鋤頭自有三寸澤”。這都是對松土保墑功能的生動總結。關于農業生產中的松土保墑環節蘊含的科學原理，下列說法正確的是（　　）
A．松土是把地面的土壤鋤松，目的是破壞這些土壤里的毛細管，保存水分
B．松土是為了讓土壤里的毛細管變得更細，保護土壤里的水分
C．松土保墑利用了浸潤液體在細管中下降，不浸潤液體在細管中上升的科學原理
D．松土除了保墑、刈草外，還可促進蒸發、降低地溫；“多鋤地發暖”這句農諺沒有科學道理
【解答】解：AB、土壤的水分蒸發要通過土壤里的毛細管進行，鋤地松土后土壤里的毛細管被破壞，可以防止水分上升，保存水分，故A正確，B錯誤；
C、水對土壤是浸潤液體，松土保墑是利用了浸潤液體在細管中上升、不浸潤液體在細管中下降的原理，該現象稱為毛細現象，故C錯誤；
D、松土除了保墑、刈草外，由于鋤地破壞了土壤的毛細管，可以減少水分的蒸發，以及因為蒸發而散失的熱量，所以“多鋤地發暖”這句農諺是有道理的，故D錯誤。
故選：A。
【知識點四】熱力學定律與氣體實驗定律的綜合問題
1.熱力學定律與氣體實驗定律問題的處理方法
(1)氣體實驗定律研究對象是一定質量的理想氣體。
(2)解決具體問題時,分清氣體的變化過程是求解問題的關鍵,根據不同的變化,找出與之相關的氣體狀態參量,利用相關規律解決。
(3)對理想氣體,只要體積變化,外界對氣體(或氣體對外界)就要做功,如果是等壓變化,W=pΔV;只要溫度發生變化,其內能就發生變化。
(4)結合熱力學第一定律ΔU=W+Q求解問題。
2.與理想氣體相關的熱力學問題的分析方法
對一定量理想氣體的內能變化,吸熱還是放熱及外界對氣體如何做功等問題,可按下面方法判定:
(1)做功情況看體積
體積V減小→外界對氣體做功→W>0;
體積V增大→氣體對外界做功→W<0;
無阻礙地自由膨脹→W=0。
(2)內能變化看溫度
溫度T升高→內能增加→ΔU>0;
溫度T降低→內能減少→ΔU<0。
(3)吸熱還是放熱,一般題目中會告知,或由熱力學第一定律ΔU=Q+W,知道W和ΔU后確定Q。
（2023 山西模擬）一個密閉容器內封閉有m＝20g可視為理想氣體的氧氣，氧氣從狀態A變化到狀態B再變化到狀態C，其狀態變化過程的p﹣V圖像如圖中帶箭頭的實線所示，已知氧氣的摩爾質量為M＝32g/mol，阿伏加德羅常數為，一個標準大氣壓為1.0×105Pa。求：
（1）密閉容器中所封閉氧氣分子的個數n及每個氧氣分子的質量m′（結果保留2位有效數字）；
（2）由狀態A到C的整個過程中，被封閉氧氣與外界間傳遞的熱量Q。
【解答】解：（1）封閉氧氣分子的個數nNA6.02×1023（個）＝3.8×1023（個）
每個氧氣分子的質量為m′g＝5.3×10﹣26kg
（2）設狀態A對應氧氣的熱力學溫度為TA，壓強為pA＝1atm，體積為VA＝4L，狀態C對應氧氣的熱力學溫度為TC，壓強為pC＝4atm，體積為VC＝1L，由理想氣體狀態方程得：
代入數據解得：TA＝TC
即初末位置氧氣的溫度相同，則整個過程中被封氧氣的內能變化量ΔU＝0
由圖像得，整個過程中外界對氣體做功為W2×10﹣3J+4×105×1×10﹣3J＝900J
由熱力學第一定律得：ΔU＝Q+W
代入數據解得：Q＝﹣900J
即被封閉氧氣將向外界釋放900J的熱量。
答：（1）密閉容器中所封閉氧氣分子的個數n為3.8×1023（個），每個氧氣分子的質量m′為5.3×10﹣26kg；
（2）由狀態A到C的整個過程中，被封閉氧氣將向外界傳遞900J的熱量。
（2023 寧波一模）如圖所示，向一個空的鋁制飲料罐（即易拉罐）中插入一根透明吸管，接口用蠟密封，在吸管內引入一小段油柱（長度可以忽略）。如果不計大氣壓的變化，這就是一個簡易的氣溫計。已知鋁罐的容積是358cm3，吸管內部粗細均勻，橫截面積為0.2cm2，吸管的有效長度為20cm，當溫度為300K時，油柱離管口10cm。已知大氣壓強為105Pa。（結果保留到小數點后一位）
（1）這個氣溫計的刻度是否均勻；
（2）這個氣溫計的最大測量值是多少；
（3）已知氣溫計的溫度從300K緩慢上升到最大值的過程中，氣體從外界吸收了0.7J的熱量，則此過程中氣體內能增加了多少？
【解答】解：（1）根據題意可知，封閉氣體做等壓變化，根據
化簡得：
溫度與氣體在細管中的高度成線性關系，可知氣溫計的刻度是均勻的。
（2）封閉氣體做等壓變化，當液體到達飲料管的最上端時，氣體的溫度最高，由蓋—呂薩克定律知
可得
（3）氣體對外做功W＝pΔV＝105×0.1×0.2×10﹣4J＝0.2J
由熱力學第一定律知ΔU＝Q﹣W＝0.7J﹣0.2J＝0.5J
答：（1）氣溫計的刻度是均勻的；
（2）氣溫計的最大測量值是301.7K；
（3）過程中氣體內能增加了0.5J。
（2023 市中區校級一模）單級水火箭可以簡化為如圖（a）所示的下方開口的容器。容器中氣體體積V＝3L，壓強p0＝1×105Pa，下方水的深度h＝50cm。單向氣閥（不計質量）是一個只能朝一個方向通入氣體的裝置，它外部為橡膠材質，將其緊緊塞在容器口位置可將水堵住還能向容器內進行充氣。單向氣閥與容器口摩擦力的最大值f＝91.5N?，F用打氣筒通過單向氣閥向容器內一次次的充入壓強p0＝1×105Pa，V1＝300ml的氣體。當容器內的氣體壓強到達一定值時單向氣閥和容器中的水被一起噴出，水火箭可以獲得一定的速度發射。已知重力加速度g＝10m/s2，容器口的橫截面積S＝3×10﹣4m2，水的密度ρ＝1×103kg/m3。假設容器中的氣體為理想氣體，充氣和噴水時忽略溫度的變化。
（1）求水火箭剛好噴水時容器內氣體壓強p；
（2）求水火箭剛好噴水時的充氣次數；
（3）水火箭噴水過程中，容器內氣體的p﹣V圖像如圖（b）所示，試估算容器內氣體從狀態a到狀態b從外部吸收的熱量。
【解答】解：（1）對單向氣閥受力分析，根據平衡條件有p0S+f＝mg+pS，h＝50cm＝0.5m
解得
代入數據得p＝4×105Pa
（2）氣體做等溫變化，根據理想氣體狀態方程有p0V+Np0V1＝pV
解得充氣次數N＝30
（3）由p﹣V圖像可知，外界對氣體做功W＝﹣208×4＝﹣832J
由熱力學第一定律ΔU＝W+Q＝0
所以氣體吸收熱量Q＝832J
答：（1）水火箭剛好噴水時容器內氣體壓強4×105Pa；
（2）水火箭剛好噴水時的充氣次數30；
（3）估算容器內氣體從狀態a到狀態b從外部吸收的熱量832J。
（2023 全國）一定質量的理想氣體被活塞封閉在汽缸中，p﹣V圖中的a、b、c三點對應其三種狀態，若a、b兩狀態體積相等，則氣體無論通過什么途徑（　?。?br/>A．從狀態a變化到c，內能一定增加
B．從狀態b變化到c的過程中，氣體始終對外做功
C．從狀態b變化到a的過程中，氣體始終對外做功
D．從狀態a變化到b，吸收的熱量一定大于放出的熱量
【解答】解：A、從狀態a變化到c，氣體壓強增大、體積增大，由理想氣體狀態方程C可知，氣體溫度升高，則內能一定增加，故A正確；
B、從狀態b變化到c的過程中，當氣體按照從b到a再到c的途徑變化狀態時，在從b到a狀態過程中，氣體體積不變，此過程氣體沒有對外做功，故B錯誤；
C、從狀態b變化到a的過程中，若氣體從b狀態直接變化到a狀態，由于氣體體積不變，此過程氣體沒有對外做功，故C錯誤；
D、從狀態a直接變化到b時，氣體壓強減小、體積不變，由理想氣體狀態方程C可知，氣體溫度降低，內能減少，由熱力學第一定律ΔU＝W+Q可知，ΔU＜0，W＝0，則Q＜0。
當氣體按照從a到c再到b的途徑變化狀態時，從a到c，氣體壓強增大、體積增大，由理想氣體狀態方程C可知，氣體溫度升高，內能增加。由熱力學第一定律有ΔU1＝W1+Q1，ΔU1＞0，W1＜0，則Q1＞0，Q1為吸熱。
從c到b，氣體壓強減小、體積減小，由理想氣體狀態方程C可知，氣體溫度降低，內能減少。由熱力學第一定律有ΔU2＝W2+Q2，ΔU2＜0，W2＞0，則Q2＜0，Q2為放熱。
因為Q＝Q1+Q2，Q＜0，所以Q2的絕對值大于Q1的絕對值，即吸收的熱量小于放出的熱量，故D錯誤。
故選：A。
（多選）（2023 山東）一定質量的理想氣體，初始溫度為300K，壓強為1×105Pa。經等容過程，該氣體吸收400J的熱量后溫度上升100K；若經等壓過程，需要吸收600J的熱量才能使氣體溫度上升100K。下列說法正確的是（　　）
A．初始狀態下，氣體的體積為6L
B．等壓過程中，氣體對外做功400J
C．等壓過程中，氣體體積增加了原體積的
D．兩個過程中，氣體的內能增加量都為400J
【解答】解：C．令理想氣體的初始狀態的壓強，體積和溫度分別為
p1＝p0
V1＝V0
T1＝300K
等容過程為狀態二
p2＝？
V2＝V1＝V0
T2＝400K
等壓過程為狀態三
p3＝p0
V3＝？
T3＝400K
由理想氣體狀態方程可得
整理解得
p2
V3V0
體積增加了原來的，故C錯誤；
D．等容過程中氣體做功為零，由熱力學第一定律
ΔU＝W+Q
兩個過程的初末溫度相同即內能變化相同，因此內能增加都為400J，故D正確；
AB．等壓過程內能增加了400J，吸收熱量為600J，由熱力學第一定律
ΔU＝W+Q
可知
W＝400J﹣600J＝﹣200J
則氣體對外做功為200J，即做功的大小為
W＝p0（）＝200J
代入數據解得
V0＝6×10﹣3m3＝6L
故A正確，B錯誤；
故選：AD。
（多選）（2023 浙江）下列說法正確的是（　　）
A．熱量能自發地從低溫物體傳到高溫物體
B．液體的表面張力方向總是跟液面相切
C．在不同的慣性參考系中，物理規律的形式是不同的
D．當波源與觀察者相互接近時，觀察者觀測到波的頻率大于波源振動的頻率
【解答】解：A、根據熱力學第二定律得，熱量不能自發地從低溫物體傳到高溫物體，故A錯誤；
B、液體的表面張力方向總是跟液面相切，故B正確；
C、在不同的慣性參考系中，物理規律的形式是相同的，故C錯誤；
D、根據多普勒效應的原理可知，當波源與觀察者相互接近時，觀察者接收到波的頻率增大；反之，觀察者接收到波的頻率減小。故D正確。
故選：BD。
（2022 北京）2021年5月，中國科學院全超導托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST）取得新突破，成功實現了可重復的1.2億攝氏度101秒和1.6億攝氏度20秒等離子體運行，創造托卡馬克實驗裝置運行新的世界紀錄，向核聚變能源應用邁出重要一步。等離子體狀態不同于固體、液體和氣體的狀態，被認為是物質的第四態。當物質處于氣態時，如果溫度進一步升高，幾乎全部分子或原子由于激烈的相互碰撞而離解為電子和正離子，此時物質稱為等離子體。在自然界里，火焰、閃電、極光中都會形成等離子體，太陽和所有恒星都是等離子體。下列說法不正確的是（　　）
A．核聚變釋放的能量源于等離子體中離子的動能
B．可以用磁場來約束等離子體
C．盡管等離子體整體是電中性的，但它是電的良導體
D．提高托卡馬克實驗裝置運行溫度有利于克服等離子體中正離子間的庫侖斥力
【解答】解：A.核聚變釋放的能量源于來自于原子核的質量虧損，故A錯誤；
B.帶電粒子運動時，在勻強磁場中會受到洛倫茲力的作用而不飛散，故可以用磁場來約束等離子體，故B正確；
C.等離子體是各種粒子的混合體，整體是電中性的，但有大量的自由粒子，故它是電的良導體，故 C正確；
D.提高托卡馬克實驗裝置運行溫度，增大了等離子體的內能，使它們具有足夠的動能來克服庫侖斥力，有利于克服等離子體中正離子間的庫侖斥力，故D正確。
本題選擇錯誤的，
故選：A。
（2022 浙江）風力發電已成為我國實現“雙碳”目標的重要途徑之一。如圖所示，風力發電機是一種將風能轉化為電能的裝置。某風力發電機在風速為9m/s時，輸出電功率為405kW，風速在5～10m/s范圍內，轉化效率可視為不變。該風機葉片旋轉一周掃過的面積為A，空氣密度為ρ，風場風速為v，并保持風正面吹向葉片。下列說法正確的是（　?。?br/>A．該風力發電機的輸出電功率與風速成正比
B．單位時間流過面積A的流動空氣動能ρAv2
C．若每天平均有1.0×108kW的風能資源，則每天發電量為2.4×109kW h
D．若風場每年有5000h風速在6～10m/s范圍內，則該發電機年發電量至少為6.0×105kW h
【解答】解：AB、葉片旋轉所形成的圓面積為A
單位時間內流過該圓面積的空氣柱體積為
V＝S vt＝Av×1＝Av
空氣柱的質量為
m＝ρ V＝ρAv
空氣柱的動能為
EkρAv v2ρAv3
設轉化效率為η，轉化成的電能為E＝η EkηρAv3
p1ηρAv3，則該風力發電機的輸出電功率與風速的三次方成正比；故AB錯誤；
C、由B選項可知 η
設每天發電時間為t
每天發電量約為W＝η pt＝η×1.0×108kW×24h＝2.4η×109kW h＜2.4×109kW h，故C錯誤。
D、由題意可知某風力發電機在風速為9m/s時，輸出電功率為405kW
由p1ηρAv3
p1＝120kW
若風場每年有5000h風速在6～10m/s的風能資源，則該發電機年發電量至少為
E＝p1 t＝120kW×5000h＝6.0×105kW h，故D正確；
故選：D。
（多選）（2022 湖南）利用“渦流效應”可實現冷熱氣體的分離。如圖，一冷熱氣體分離裝置由噴嘴、渦流室、環形管、分離擋板和冷熱兩端管等構成。高壓氮氣由噴嘴切向流入渦流室中，然后以螺旋方式在環形管中向右旋轉前進，分子熱運動速率較小的氣體分子將聚集到環形管中心部位，而分子熱運動速率較大的氣體分子將聚集到環形管邊緣部位。氣流到達分離擋板處時，中心部位氣流與分離擋板碰撞后反向，從A端流出，邊緣部位氣流從B端流出。下列說法正確的是 （　?。?br/>A．A端為冷端，B端為熱端
B．A端流出的氣體分子熱運動平均速率一定小于B端流出的
C．A端流出的氣體內能一定大于B端流出的
D．該裝置氣體進出的過程滿足能量守恒定律，但違背了熱力學第二定律
E．該裝置氣體進出的過程既滿足能量守恒定律，也滿足熱力學第二定律
【解答】解：ABC、根據題目描述可知，從A端為冷端，B端為熱端，因此A端流出的氣體分子熱運動平均速率一定小于B端流出的，但氣體的質量未知，所以無法確定氣體內能的大小關系，故AB正確，C錯誤；
DE、該裝置氣體進出的過程既滿足能量守恒定律，也滿足熱力學第二定律，是在外界的影響下，冷熱氣體分離開來，故D錯誤，E正確；
故選：ABE。
（2021 北京）比較45℃的熱水和100℃的水蒸氣，下列說法正確的是（　?。?br/>A．熱水分子的平均動能比水蒸氣的大
B．熱水的內能比相同質量的水蒸氣的小
C．熱水分子的速率都比水蒸氣的小
D．熱水分子的熱運動比水蒸氣的劇烈
【解答】解：A：分子的平均動能只和溫度有關，溫度越高分子的平均動能越大，熱水溫度小于水蒸氣，所以熱水分子的平均動能小于水蒸氣分子的平均動能，故A錯誤；
B：熱水變成水蒸氣需要吸熱內能變大，所以熱水內能要小于同質量水蒸氣的內能，故B正確；
C：無論什么溫度的物體所含有的分子都有速率快的和慢的，只是溫度越高速率高的分子所占的比例比較高，故C錯誤；
D：溫度越高分子運動的越劇烈，熱水溫度小于水蒸氣溫度，水蒸氣分子運動的比較劇烈，故D錯誤；
故選：B。
（2021 山東）如圖所示，密封的礦泉水瓶中，距瓶口越近水的溫度越高。一開口向下、導熱良好的小瓶置于礦泉水瓶中，小瓶中封閉一段空氣，小瓶內的空氣可視為理想氣體。擠壓礦泉水瓶，小瓶下沉到底部；松開后，小瓶緩慢上浮。上浮過程中，小瓶內氣體（　　）
A．內能減少
B．對外界做正功
C．增加的內能大于吸收的熱量
D．增加的內能等于吸收的熱量
【解答】解：A、由題，越靠近瓶口水的溫度越高，則小瓶上升靠近瓶口的過程中溫度也升高，則氣體的溫度升高，由于一定量的理想氣體的內能僅僅與溫度有關，可知小瓶內氣體的內能增大，故A錯誤；
B、設大氣壓強為p0，瓶內氣體的壓強為p，瓶內氣體下側到水面的高度差為h，則瓶內氣體的壓強：p＝p0+ρgh，其中ρ為水的密度；小瓶上升的過程中瓶內氣體下側到水面的高度差減小，則瓶內氣體的壓強減??；由理想氣體的狀態方程：，可知小瓶上升的過程中瓶內氣體的體積一定增大，則小瓶內氣體對外界做正功，故B正確；
CD、氣體的內能增大，則ΔU為正，氣體對外做功，則W為負，根據熱力學第一定律：ΔU＝Q+W，可知氣體增大的內能小于氣體吸收的熱量，故CD錯誤。
故選：B。
（多選）（2021 天津）列車運行的平穩性與車廂的振動密切相關，車廂底部安裝的空氣彈簧可以有效減振，空氣彈簧主要由活塞、氣缸及內封的一定質量的氣體構成。上下乘客及劇烈顛簸均能引起車廂振動，上下乘客時氣缸內氣體的體積變化緩慢，氣體與外界有充分的熱交換；劇烈顛簸時氣缸內氣體的體積變化較快，氣體與外界來不及熱交換。若氣缸內氣體視為理想氣體，在氣體壓縮的過程中（　　）
A．上下乘客時，氣體的內能不變
B．上下乘客時，氣體從外界吸熱
C．劇烈顛簸時，外界對氣體做功
D．劇烈顛簸時，氣體的溫度不變
【解答】解：AB、上下乘客時氣缸內氣體的體積變化緩慢，氣體與外界有充分的熱交換，則氣體溫度不變、內能不變；上下乘客時，封閉氣體可能被壓縮而體積變小，也可能膨脹而體積變大，若氣體是在被壓縮的過程中，則外界對氣體做正功，氣體的內能不變，根據熱力學第一定律可知，氣體對外放出熱量，故A正確、B錯誤；
CD、劇烈顛簸時氣缸內氣體的體積變化較快，氣體與外界來不及熱交換，在氣體壓縮的過程中，外界對氣體做正功，氣體的內能增加，溫度升高，故C正確、D錯誤。
故選：AC。
（2023 浙江）某探究小組設計了一個報警裝置，其原理如圖所示。在豎直放置的圓柱形容器內用面積S＝100cm2、質量m＝1kg的活塞密封一定質量的理想氣體，活塞能無摩擦滑動。開始時氣體處于溫度TA＝300K、活塞與容器底的距離h0＝30cm的狀態A。環境溫度升高時容器內氣體被加熱，活塞緩慢上升d＝3cm恰好到達容器內的卡口處，此時氣體達到狀態B。活塞保持不動，氣體被繼續加熱至溫度Tc＝363K的狀態C時觸動報警器。從狀態A到狀態C的過程中氣體內能增加了ΔU＝158J。取大氣壓，求氣體：
（1）在狀態B的溫度；
（2）在狀態C的壓強；
（3）由狀態A到狀態C過程中從外界吸收熱量Q。
【解答】解：（1）從狀態A到狀態B的過程中氣體發生等壓變化，根據蓋—呂薩克定律得
代入數據解得：TB＝330K
（2）氣體在狀態B的壓強為pB＝p00.99×105PaPa＝1×105Pa
從狀態B到狀態C的過程中氣體發生等容變化，根據查理定律得
代入數據解得：pC＝1.1×105Pa
（3）從狀態A到狀態B的過程中氣體對外做的功為W＝pBSd＝1×105×100×10﹣4×0.03J＝30J
從狀態B到狀態C的過程中氣體不做功。由狀態A到狀態C過程中，根據熱力學第一定律得
ΔU＝Q﹣W
代入數據解得：ΔU＝188J
答：（1）氣體在狀態B的溫度為330K；
（2）氣體在狀態C的壓強為1.1×105Pa；
（3）由狀態A到狀態C過程中從外界吸收熱量Q為188J。
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專題15.3　熱力學定律與能量守恒定律
物理觀念：理想氣體。
知道理想氣體的概念并且知道一定質量的理想氣體的內能只與溫度有關.
科學思維：理想氣體狀態方程、熱力學定律
1.理解熱力學第一定律，知道改變內能的兩種方式，并能用熱力學第一定律解決相關問題.
2.理解熱力學第二定律，知道熱現象的方向性.
3.知道第一類永動機和第二類永動機不可能實現.
科學態度：熱機在生產、生活中的應用。
【知識點一】熱力學第一定律與能量守恒定律
1.熱力學第一定律的理解
(1)內能的變化都要用熱力學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；體積縮小，外界對氣體做功，W為正。
(3)與外界絕熱，則不發生熱傳遞，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，所以當它的內能變化時，主要體現在分子動能的變化上，從宏觀上看就是溫度發生了變化。
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能的增加。
(3)若過程的初、末狀態物體的內能不變，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。
（2023 沙坪壩區校級模擬）某班同學在中央公園進行的踏青活動中放飛氣球，已知大氣壓強隨高度增加而降低，假設氣球在上升過程中溫度不變。某同學觀察一緩慢上升的氣球（球內氣體視為理想氣體），球內氣體在氣球上升的過程中（　?。?br/>A．內能增大 B．內能減小 C．從外界吸熱 D．向外界放熱
（2023 青島模擬）啤酒是青島這座城市的“專屬味道”，如圖是青島市民喜歡的袋裝原漿，某次售賣時，售貨員將7℃冰鎮原漿倒入密封袋中快速封口，密封袋內有啤酒和少部分空氣且不斷有氣體從啤酒中析出，靜置一段時間后，發現密封袋鼓脹起來。已知大氣壓強p0＝1.0×105Pa，室溫為27℃，封閉氣體體積從0.2L增大為0.25L。下列說法正確的是（　?。?br/>A．外界對內部封閉氣體做正功
B．靜置后內部封閉氣體的內能增加
C．靜置后內部封閉氣體的分子速率都增加
D．根據氣體實驗定律，可求出靜置后內部封閉氣體的壓強
（2023 通州區校級三模）如圖所示，自嗨鍋是一種自熱火鍋，加熱時既不用火也不插電，主要利用發熱包內的物質與水接觸，釋放出熱量。自嗨鍋的蓋子上有一個透氣孔，如果透氣孔堵塞，容易造成爆炸，非常危險，下列說法中正確的是（　?。?br/>A．自嗨鍋爆炸的瞬間，盒內氣體的內能增大
B．自嗨鍋爆炸的短時間內，單位時間單位面積上分子撞擊容器壁的次數增多
C．爆炸短時間內，溫度迅速降低，分子平均速率減小
D．能夠聞到自嗨鍋內食物的香味是布朗運動
（2023 梅河口市校級三模）登山運動員從海拔500m的山腳下出發，來到海拔3200m的山頂，發現所攜帶的一密封著一定質量空氣的塑料袋的體積明顯增大了。山頂氣溫比山腳下低10℃左右。在登山過程中，下列關于塑料袋中氣體的說法正確的是（　?。?br/>A．塑料袋中氣體的內能變大了
B．塑料袋中氣體的壓強變大了
C．塑料袋中氣體對外界做的功小于其內能的變化量
D．塑料袋中氣體放出的熱量大于其對外界做的功
（2023 棗強縣校級模擬）如圖所示，在大氣壓強為、室溫為T1＝300K的實驗室中，一高度L＝30cm、底面積S＝3×10﹣4m2、側壁及底面厚度不計的圓柱體氣缸豎直放置在地面上，內有一質量M＝4kg、厚度H＝5cm的活塞，氣缸側壁頂部和正中間分別有一個大小不計的微動開關P、Q，可以感知活塞是否與其接觸，以制成傳感器。初始時活塞底部距離氣缸底部20cm，不計活塞與氣缸側壁間的摩擦。
（1）若緩慢升高氣缸內氣體溫度，求活塞剛好接觸微動開關P時氣缸內氣體溫度。
（2）若第（1）問過程中，氣缸內氣體從外界吸收熱量Q1＝7.5J，氣體內能變化量為多少？
（3）保持溫度不變，在活塞上緩慢施加壓力以觸發開關Q可制成壓力傳感器，若Q到活塞底部距離的調節范圍為5～15cm，則可檢測的壓力的范圍是多少？
【知識點二】熱力學第一定律與圖像的綜合應用
1.氣體的狀態變化可由圖象直接判斷或結合理想氣體狀態方程＝C分析.
2.氣體的做功情況、內能變化及吸放熱關系可由熱力學第一定律分析.
(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能變化：溫度升高，氣體內能增大；溫度降低，氣體內能減小.
(3)由熱力學第一定律ΔU＝W＋Q判斷氣體是吸熱還是放熱.
（2023 南崗區校級三模）如圖所示的p﹣V圖象中，一定質量的理想氣體從狀態A開始，經過狀態B、C、D，最后回到狀態A。其中AD和BC平行于橫軸，AB和CD平行，AB延長線過坐標原點O，下列說法正確的是（　?。?br/>A．A→B過程氣體分子熱運動的平均動能不變
B．C→D過程氣體單位體積內分子數增加
C．D→A過程中，氣體分子與器壁在單位時間、單位面積上的碰撞次數將減少
D．整個過程中，氣體向外界放出的熱量大于從外界吸收的熱量
（2023 江蘇三模）如圖所示，一定質量的理想氣體從狀態a依次經過狀態b、c和d后再回到狀態a，則（　　）
A．a到b過程，氣體內能增大
B．b到c過程，氣體對外界做功
C．c到d過程，氣體吸收熱量
D．經過一次循環過程，外界對氣體做功
（2023 市中區校級一模）密閉容器內封有一定質量的理想氣體，V﹣T圖像如圖所示，從狀態a開始變化，經歷狀態b、狀態c，最后回到狀態a完成循環。下列說法正確的是（　?。?br/>A．氣體在由狀態a變化到狀態b的過程中放出熱量
B．氣體在由狀態b變化到狀態c的過程中，內能增加
C．氣體從狀態a完成循環回到狀態a的過程中，向外界放出熱量
D．氣體從狀態c變化到狀態a的過程中，單位時間撞擊單位面積容器壁的分子數增加
（2023 懷仁市校級三模）一定質量的理想氣體經歷a→b、b→c、c→d三個變化過程，其體積V隨熱力學溫度T變化的關系圖像如圖所示，圖中從a到b過程的圖像反向延長線過原點，從b到c過程圖線與縱軸平行，a、c、d在與橫軸平行的直線上，則下列說法中正確的是（　?。?br/>A．從a→b過程，氣體內能的增量小于氣體放出熱量
B．從a→b過程，氣體分子運動的平均速率增大
C．從b→c過程，單位時間內容器壁單位面積上受到分子的平均作用力減小
D．從a→d過程，氣體對外做功為零
（2023 中山區校級模擬）氣壓式升降椅通過氣缸上下運動來控制椅子升降，其簡易結構如圖（a）所示，圓往形氣缸與椅面固定連接，柱狀氣動桿與底座固定連接?？勺杂梢苿拥臍飧着c氣動桿之間封閉一定質量的氣體，氣缸氣密性、導熱性能良好，忽略摩擦力，氣體可視為理想氣體。設氣體的初始狀態為A，接著某人虛坐在指面上，開始時此人的腳在地上，后逐漸減少對地面的壓力直至腳完全離開地面，此過程中（溫度不變）椅子緩慢下降一段距離后，氣體達到穩定狀態B。然后打開空調降低室溫，一段時間后，室內溫度緩慢降低到設定溫度，穩定后氣體狀態為C。最后人將腳緩慢放在地面上并逐漸增大對地面的壓力直至人離開椅面，氣體最終達到另一個穩定狀態該過程中氣體的壓強和體積倒數的關系如圖（b）所示，已知氣缸的橫截面積為S，重力加速度大小為g，外界大氣壓強不變，則（　?。?br/>A．由圖（b）數據可算得人的質量為
B．與狀態B相比，氣體處于狀態C時單位時間內碰撞單位面積容器壁的分子數較多
C．由圖（b）數據可算得從狀態C到狀態D氣體對外界做的功大小為（p1+p2）（V3﹣V4）
D．從狀態A到狀態D，氣體向外放出的熱量小于外界對氣體做的功
【知識點三】熱力學第二定律的理解
1.熱力學第二定律的兩種表述
(1)克勞修斯表述：熱量不能自發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.熱力學第二定律的微觀意義
一切自發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第二定律.
（2023 ?？谀M）下列說法正確的是（　?。?br/>A．懸浮水中的碳粒做布朗運動的現象，間接反映了水分子的無規則熱運動
B．晶體有固定的熔點，但物理性質不可能表現為各向同性
C．溫度升高時，物體內每個分子的速率都增大，所以物體的分子平均動能增大
D．根據熱力學第二定律可知，熱量不可以從低溫物體傳到高溫物體
（2023 泉州模擬）2022年5月，我國首個商用壓縮空氣儲能電站投產發電。在用電低谷期，利用剩余的電力把洞外空氣壓縮到鹽礦開采后留下的密閉鹽穴礦洞中，儲存能量；在用電高峰期，將儲存在礦洞內的高壓空氣釋放出來驅動汽輪機發電。礦洞可視為絕熱容器，在充氣過程中，礦洞內（　?。?br/>A．氣體內能保持不變
B．氣體分子數密度不變
C．氣體分子的運動速率都增加了
D．氣體分子對洞壁單位面積平均撞擊力變大
（2023 清遠模擬）關于分子動理論，下列說法正確的是（　?。?br/>A．布朗運動就是分子的運動
B．氣體溫度升高，每個分子的平均動能都增大
C．一切自發過程總是沿著分子熱運動的無序性增大的方向進行
D．當分子間作用力表現為斥力時，分子勢能隨分子間距離的減小而減小
（2023 重慶模擬）下列有關熱學現象的說法，正確的是（　　）
A．當分子間作用力表現為引力時，分子勢能隨分子間距離減小而增大
B．所有晶體都具有各向異性的特征
C．一切自然過程總是向著分子熱運動無序性減小的方向進行
D．高壓氣體突然快速膨脹會導致氣體溫度降低
（2021 山東二模）中國最早的農學論文《呂氏春秋 任地》論述到：“人耨必以旱，使地肥而土緩”。農諺“鋤板底下有水”、“鋤頭自有三寸澤”。這都是對松土保墑功能的生動總結。關于農業生產中的松土保墑環節蘊含的科學原理，下列說法正確的是（　　）
A．松土是把地面的土壤鋤松，目的是破壞這些土壤里的毛細管，保存水分
B．松土是為了讓土壤里的毛細管變得更細，保護土壤里的水分
C．松土保墑利用了浸潤液體在細管中下降，不浸潤液體在細管中上升的科學原理
D．松土除了保墑、刈草外，還可促進蒸發、降低地溫；“多鋤地發暖”這句農諺沒有科學道理
【知識點四】熱力學定律與氣體實驗定律的綜合問題
1.熱力學定律與氣體實驗定律問題的處理方法
(1)氣體實驗定律研究對象是一定質量的理想氣體。
(2)解決具體問題時,分清氣體的變化過程是求解問題的關鍵,根據不同的變化,找出與之相關的氣體狀態參量,利用相關規律解決。
(3)對理想氣體,只要體積變化,外界對氣體(或氣體對外界)就要做功,如果是等壓變化,W=pΔV;只要溫度發生變化,其內能就發生變化。
(4)結合熱力學第一定律ΔU=W+Q求解問題。
2.與理想氣體相關的熱力學問題的分析方法
對一定量理想氣體的內能變化,吸熱還是放熱及外界對氣體如何做功等問題,可按下面方法判定:
(1)做功情況看體積
體積V減小→外界對氣體做功→W>0;
體積V增大→氣體對外界做功→W<0;
無阻礙地自由膨脹→W=0。
(2)內能變化看溫度
溫度T升高→內能增加→ΔU>0;
溫度T降低→內能減少→ΔU<0。
(3)吸熱還是放熱,一般題目中會告知,或由熱力學第一定律ΔU=Q+W,知道W和ΔU后確定Q。
（2023 山西模擬）一個密閉容器內封閉有m＝20g可視為理想氣體的氧氣，氧氣從狀態A變化到狀態B再變化到狀態C，其狀態變化過程的p﹣V圖像如圖中帶箭頭的實線所示，已知氧氣的摩爾質量為M＝32g/mol，阿伏加德羅常數為，一個標準大氣壓為1.0×105Pa。求：
（1）密閉容器中所封閉氧氣分子的個數n及每個氧氣分子的質量m′（結果保留2位有效數字）；
（2）由狀態A到C的整個過程中，被封閉氧氣與外界間傳遞的熱量Q。
（2023 寧波一模）如圖所示，向一個空的鋁制飲料罐（即易拉罐）中插入一根透明吸管，接口用蠟密封，在吸管內引入一小段油柱（長度可以忽略）。如果不計大氣壓的變化，這就是一個簡易的氣溫計。已知鋁罐的容積是358cm3，吸管內部粗細均勻，橫截面積為0.2cm2，吸管的有效長度為20cm，當溫度為300K時，油柱離管口10cm。已知大氣壓強為105Pa。（結果保留到小數點后一位）
（1）這個氣溫計的刻度是否均勻；
（2）這個氣溫計的最大測量值是多少；
（3）已知氣溫計的溫度從300K緩慢上升到最大值的過程中，氣體從外界吸收了0.7J的熱量，則此過程中氣體內能增加了多少？
（2023 市中區校級一模）單級水火箭可以簡化為如圖（a）所示的下方開口的容器。容器中氣體體積V＝3L，壓強p0＝1×105Pa，下方水的深度h＝50cm。單向氣閥（不計質量）是一個只能朝一個方向通入氣體的裝置，它外部為橡膠材質，將其緊緊塞在容器口位置可將水堵住還能向容器內進行充氣。單向氣閥與容器口摩擦力的最大值f＝91.5N?，F用打氣筒通過單向氣閥向容器內一次次的充入壓強p0＝1×105Pa，V1＝300ml的氣體。當容器內的氣體壓強到達一定值時單向氣閥和容器中的水被一起噴出，水火箭可以獲得一定的速度發射。已知重力加速度g＝10m/s2，容器口的橫截面積S＝3×10﹣4m2，水的密度ρ＝1×103kg/m3。假設容器中的氣體為理想氣體，充氣和噴水時忽略溫度的變化。
（1）求水火箭剛好噴水時容器內氣體壓強p；
（2）求水火箭剛好噴水時的充氣次數；
（3）水火箭噴水過程中，容器內氣體的p﹣V圖像如圖（b）所示，試估算容器內氣體從狀態a到狀態b從外部吸收的熱量。
（2023 全國）一定質量的理想氣體被活塞封閉在汽缸中，p﹣V圖中的a、b、c三點對應其三種狀態，若a、b兩狀態體積相等，則氣體無論通過什么途徑（　　）
A．從狀態a變化到c，內能一定增加
B．從狀態b變化到c的過程中，氣體始終對外做功
C．從狀態b變化到a的過程中，氣體始終對外做功
D．從狀態a變化到b，吸收的熱量一定大于放出的熱量
（多選）（2023 山東）一定質量的理想氣體，初始溫度為300K，壓強為1×105Pa。經等容過程，該氣體吸收400J的熱量后溫度上升100K；若經等壓過程，需要吸收600J的熱量才能使氣體溫度上升100K。下列說法正確的是（　　）
A．初始狀態下，氣體的體積為6L
B．等壓過程中，氣體對外做功400J
C．等壓過程中，氣體體積增加了原體積的
D．兩個過程中，氣體的內能增加量都為400J
（多選）（2023 浙江）下列說法正確的是（　?。?br/>A．熱量能自發地從低溫物體傳到高溫物體
B．液體的表面張力方向總是跟液面相切
C．在不同的慣性參考系中，物理規律的形式是不同的
D．當波源與觀察者相互接近時，觀察者觀測到波的頻率大于波源振動的頻率
（2022 北京）2021年5月，中國科學院全超導托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST）取得新突破，成功實現了可重復的1.2億攝氏度101秒和1.6億攝氏度20秒等離子體運行，創造托卡馬克實驗裝置運行新的世界紀錄，向核聚變能源應用邁出重要一步。等離子體狀態不同于固體、液體和氣體的狀態，被認為是物質的第四態。當物質處于氣態時，如果溫度進一步升高，幾乎全部分子或原子由于激烈的相互碰撞而離解為電子和正離子，此時物質稱為等離子體。在自然界里，火焰、閃電、極光中都會形成等離子體，太陽和所有恒星都是等離子體。下列說法不正確的是（　　）
A．核聚變釋放的能量源于等離子體中離子的動能
B．可以用磁場來約束等離子體
C．盡管等離子體整體是電中性的，但它是電的良導體
D．提高托卡馬克實驗裝置運行溫度有利于克服等離子體中正離子間的庫侖斥力
（2022 浙江）風力發電已成為我國實現“雙碳”目標的重要途徑之一。如圖所示，風力發電機是一種將風能轉化為電能的裝置。某風力發電機在風速為9m/s時，輸出電功率為405kW，風速在5～10m/s范圍內，轉化效率可視為不變。該風機葉片旋轉一周掃過的面積為A，空氣密度為ρ，風場風速為v，并保持風正面吹向葉片。下列說法正確的是（　?。?br/>A．該風力發電機的輸出電功率與風速成正比
B．單位時間流過面積A的流動空氣動能ρAv2
C．若每天平均有1.0×108kW的風能資源，則每天發電量為2.4×109kW h
D．若風場每年有5000h風速在6～10m/s范圍內，則該發電機年發電量至少為6.0×105kW h
（多選）（2022 湖南）利用“渦流效應”可實現冷熱氣體的分離。如圖，一冷熱氣體分離裝置由噴嘴、渦流室、環形管、分離擋板和冷熱兩端管等構成。高壓氮氣由噴嘴切向流入渦流室中，然后以螺旋方式在環形管中向右旋轉前進，分子熱運動速率較小的氣體分子將聚集到環形管中心部位，而分子熱運動速率較大的氣體分子將聚集到環形管邊緣部位。氣流到達分離擋板處時，中心部位氣流與分離擋板碰撞后反向，從A端流出，邊緣部位氣流從B端流出。下列說法正確的是 （　?。?br/>A．A端為冷端，B端為熱端
B．A端流出的氣體分子熱運動平均速率一定小于B端流出的
C．A端流出的氣體內能一定大于B端流出的
D．該裝置氣體進出的過程滿足能量守恒定律，但違背了熱力學第二定律
E．該裝置氣體進出的過程既滿足能量守恒定律，也滿足熱力學第二定律
（2021 北京）比較45℃的熱水和100℃的水蒸氣，下列說法正確的是（　　）
A．熱水分子的平均動能比水蒸氣的大
B．熱水的內能比相同質量的水蒸氣的小
C．熱水分子的速率都比水蒸氣的小
D．熱水分子的熱運動比水蒸氣的劇烈
（2021 山東）如圖所示，密封的礦泉水瓶中，距瓶口越近水的溫度越高。一開口向下、導熱良好的小瓶置于礦泉水瓶中，小瓶中封閉一段空氣，小瓶內的空氣可視為理想氣體。擠壓礦泉水瓶，小瓶下沉到底部；松開后，小瓶緩慢上浮。上浮過程中，小瓶內氣體（　?。?br/>A．內能減少
B．對外界做正功
C．增加的內能大于吸收的熱量
D．增加的內能等于吸收的熱量
（多選）（2021 天津）列車運行的平穩性與車廂的振動密切相關，車廂底部安裝的空氣彈簧可以有效減振，空氣彈簧主要由活塞、氣缸及內封的一定質量的氣體構成。上下乘客及劇烈顛簸均能引起車廂振動，上下乘客時氣缸內氣體的體積變化緩慢，氣體與外界有充分的熱交換；劇烈顛簸時氣缸內氣體的體積變化較快，氣體與外界來不及熱交換。若氣缸內氣體視為理想氣體，在氣體壓縮的過程中（　?。?br/>A．上下乘客時，氣體的內能不變
B．上下乘客時，氣體從外界吸熱
C．劇烈顛簸時，外界對氣體做功
D．劇烈顛簸時，氣體的溫度不變
（2023 浙江）某探究小組設計了一個報警裝置，其原理如圖所示。在豎直放置的圓柱形容器內用面積S＝100cm2、質量m＝1kg的活塞密封一定質量的理想氣體，活塞能無摩擦滑動。開始時氣體處于溫度TA＝300K、活塞與容器底的距離h0＝30cm的狀態A。環境溫度升高時容器內氣體被加熱，活塞緩慢上升d＝3cm恰好到達容器內的卡口處，此時氣體達到狀態B?；钊３植粍?，氣體被繼續加熱至溫度Tc＝363K的狀態C時觸動報警器。從狀態A到狀態C的過程中氣體內能增加了ΔU＝158J。取大氣壓，求氣體：
（1）在狀態B的溫度；
（2）在狀態C的壓強；
（3）由狀態A到狀態C過程中從外界吸收熱量Q。
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