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第三章　熱力學定律 章末素養提升
物理觀念 描述熱力 學的物理量 (1)熱量(Q)：是傳熱過程中______的改變量，用來度量單純傳熱過程中______轉移的多少 (2)功(W): 做功過程是機械能或其他形式的能與內能之間的轉化過程。功是該過程能量轉化的量度
熱力學 第一定律 內容：一個熱力學系統的內能變化量等于外界向它傳遞的______與外界對它所做的______的和 表達式：ΔU＝______
熱力學 第二定律 克勞修斯表述：熱量不能______地從低溫物體傳到高溫物體 開爾文表述：不可能從______吸收熱量，使之完全變成功，而不產生其他影響 第二類永動機不可能制成的原因：違背了____________
能量守 恒定律 內容：能量既不會憑空______，也不會憑空______，它只能從一種形式______為其他形式，或者從一個物體______到別的物體，在轉化或轉移的過程中，能量的總量______ 第一類永動機不能制成的原因：違背了____________
科學思維 1.經歷絕熱過程模型的構建過程，會推導熱力學第一定律 2．能運用熱力學第一定律解釋和計算能量的轉化和轉移問題 3．能用熱力學第二定律解釋自然界中的能量轉化、轉移及方向性問題
科學態度與責任 1.通過對能量守恒的探索過程，領會人類對自然的認識要有實踐的過程 2．了解永動機的探索過程，領會科學探索的艱辛與曲折性
例1　對于熱力學第一定律和熱力學第二定律的理解，下列說法正確的是(　　)
A．一定質量的氣體膨脹對外做功100 J，同時從外界吸收80 J的熱量，則它的內能增大20 J
B．物體從外界吸收熱量，其內能一定增加；物體對外界做功，其內能一定減少
C．凡與熱現象有關的宏觀過程都具有方向性，在傳熱中，熱量能從高溫物體傳遞給低溫物體，而不能從低溫物體傳遞給高溫物體
D．熱現象過程中不可避免地出現能量耗散現象，能量耗散符合熱力學第二定律
例2　我國建成后的“天宮”空間站，是“天和核心艙”、“問天實驗艙”和“夢天實驗艙”的三艙組合體，三艙皆有“氣閘艙”；航天員出站時，要途經“氣閘艙”“減壓”后才能出站；從太空返回空間站時要途經“氣閘艙”“升壓”后才能進站?！皻忾l艙”的原理如圖所示，相通的兩容器A、B之間裝有閥門K，A內充滿氣體，B內為真空；打開閥門K后，A內的氣體進入B中，達到平衡后，再關閉閥門K；B即為“氣閘艙”。若整個系統跟外界沒有熱交換，氣體為理想氣體，則(　　)
A．容器A內的氣體進入容器B的過程中，氣體膨脹，對外做了功
B．容器A內的氣體進入容器B的過程中，氣體膨脹，溫度降低
C．容器A內的氣體進入容器B的過程中，氣體分子勢能減少
D．即使閥門K一直處于打開狀態，容器B中氣體也不可能自發地全部退回到容器A中
例3　(2022·徐州市高二月考)一定質量的理想氣體從狀態a開始，經歷a→b→c→d→a一次循環回到原狀態，其體積隨熱力學溫度變化的圖像如圖所示，其中ab、dc均垂直于橫軸，ad、bc的延長線均過原點O。下列表述不正確的是(　　)
A．在過程d→a中氣體從外界吸收熱量
B．在過程d→a中在單位時間單位面積上碰撞容器壁的氣體分子數減少
C．在過程b→c中外界對氣體做的功等于在過程d→a中氣體對外界做的功
D．經歷a→b→c→d→a一次循環，氣體從外界吸收熱量
例4　(2021·江蘇卷)如圖所示，一定質量理想氣體被活塞封閉在汽缸中，活塞的面積為S，與汽缸底部相距L，汽缸和活塞絕熱性能良好，氣體的壓強、溫度與外界大氣相同，分別為p0和T0?，F接通電熱絲加熱氣體，一段時間后斷開，活塞緩慢向右移動距離L后停止，活塞與汽缸間的滑動摩擦力大小為Ff，最大靜摩擦力等于滑動摩擦力，整個過程中氣體吸收的熱量為Q，求該過程中：
(1)內能的增加量ΔU；
(2)最終溫度T。
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例5　(2022·南通市高二期中)一定質量的理想氣體從狀態A變化到狀態B再變化到狀態C，其狀態變化過程的p－V圖像如圖所示。已知該氣體在狀態A時的溫度為27 ℃。
(1)求該氣體在狀態B、C時的溫度(用攝氏溫度表示)；
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(2)該氣體從狀態A到狀態C的過程中是吸熱還是放熱？熱量值為多少？
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章末素養提升
物理觀念 描述熱力 學的物理量 (1)熱量(Q)：是傳熱過程中內能的改變量，用來度量單純傳熱過程中內能轉移的多少 (2)功(W): 做功過程是機械能或其他形式的能與內能之間的轉化過程。功是該過程能量轉化的量度
熱力學 第一定律 內容：一個熱力學系統的內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 表達式：ΔU＝ Q＋W
熱力學 第二定律 克勞修斯表述：熱量不能自發地從低溫物體傳到高溫物體 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 第二類永動機不可能制成的原因：違背了熱力學第二定律
能量守 恒定律 內容：能量既不會憑空產生，也不會憑空消失，它只能從一種形式轉化為其他形式，或者從一個物體轉移到別的物體，在轉化或轉移的過程中，能量的總量保持不變 第一類永動機不能制成的原因：違背了能量守恒定律
科學思維 1.經歷絕熱過程模型的構建過程，會推導熱力學第一定律 2．能運用熱力學第一定律解釋和計算能量的轉化和轉移問題 3．能用熱力學第二定律解釋自然界中的能量轉化、轉移及方向性問題
科學態度與責任 1.通過對能量守恒的探索過程，領會人類對自然的認識要有實踐的過程 2．了解永動機的探索過程，領會科學探索的艱辛與曲折性
例1　對于熱力學第一定律和熱力學第二定律的理解，下列說法正確的是(　　)
A．一定質量的氣體膨脹對外做功100 J，同時從外界吸收80 J的熱量，則它的內能增大20 J
B．物體從外界吸收熱量，其內能一定增加；物體對外界做功，其內能一定減少
C．凡與熱現象有關的宏觀過程都具有方向性，在傳熱中，熱量能從高溫物體傳遞給低溫物體，而不能從低溫物體傳遞給高溫物體
D．熱現象過程中不可避免地出現能量耗散現象，能量耗散符合熱力學第二定律
答案　D
解析　根據熱力學第一定律知ΔU＝W＋Q＝－100 J＋80 J＝－20 J，它的內能減小20 J，故A錯誤；根據熱力學第一定律ΔU＝W＋Q，可知物體從外界吸收熱量，其內能不一定增加，物體對外界做功，其內能不一定減少，故B錯誤；通過做功的方式可以讓熱量從低溫物體傳遞給高溫物體，如電冰箱，故C錯誤；能量耗散過程體現了宏觀自然過程的方向性，符合熱力學第二定律，故D正確。
例2　我國建成后的“天宮”空間站，是“天和核心艙”、“問天實驗艙”和“夢天實驗艙”的三艙組合體，三艙皆有“氣閘艙”；航天員出站時，要途經“氣閘艙”“減壓”后才能出站；從太空返回空間站時要途經“氣閘艙”“升壓”后才能進站。“氣閘艙”的原理如圖所示，相通的兩容器A、B之間裝有閥門K，A內充滿氣體，B內為真空；打開閥門K后，A內的氣體進入B中，達到平衡后，再關閉閥門K；B即為“氣閘艙”。若整個系統跟外界沒有熱交換，氣體為理想氣體，則(　　)
A．容器A內的氣體進入容器B的過程中，氣體膨脹，對外做了功
B．容器A內的氣體進入容器B的過程中，氣體膨脹，溫度降低
C．容器A內的氣體進入容器B的過程中，氣體分子勢能減少
D．即使閥門K一直處于打開狀態，容器B中氣體也不可能自發地全部退回到容器A中
答案　D
解析　當閥門K被打開時，容器A中的氣體進入容器B中，由于容器B中為真空，所以氣體體積膨脹，對外不做功，又因為系統與外界無熱交換，所以氣體內能不變，氣體為理想氣體，分子勢能不變，則氣體的溫度也不變，故A、B、C錯誤；由熱力學第二定律知，真空中氣體膨脹具有方向性，在無外界作用時，容器B中氣體不能自發地全部退回到容器A中，故D正確。
例3　(2022·徐州市高二月考)一定質量的理想氣體從狀態a開始，經歷a→b→c→d→a一次循環回到原狀態，其體積隨熱力學溫度變化的圖像如圖所示，其中ab、dc均垂直于橫軸，ad、bc的延長線均過原點O。下列表述不正確的是(　　)
A．在過程d→a中氣體從外界吸收熱量
B．在過程d→a中在單位時間單位面積上碰撞容器壁的氣體分子數減少
C．在過程b→c中外界對氣體做的功等于在過程d→a中氣體對外界做的功
D．經歷a→b→c→d→a一次循環，氣體從外界吸收熱量
答案　D
解析　d→a體積增大，氣體對外做功，又因為溫度升高，內能變大，所以氣體從外界吸收熱量，故A正確，不符合題意；由于壓強不變，體積變大，故相同時間內碰撞容器壁的氣體分子數變少，故B正確，不符合題意；從圖像上可以看出從b→c和從d→a過程中溫度變化是相等的，結合公式＝C可知這兩個過程中pV＝CT也是相等的，即在過程b→c中外界對氣體做的功等于在過程d→a中氣體對外界做的功，故C正確，不符合題意；由題圖可知一個循環內外界對氣體做功，而內能不變，所以氣體要放熱，故D錯誤，符合題意。
例4　(2021·江蘇卷)如圖所示，一定質量理想氣體被活塞封閉在汽缸中，活塞的面積為S，與汽缸底部相距L，汽缸和活塞絕熱性能良好，氣體的壓強、溫度與外界大氣相同，分別為p0和T0?，F接通電熱絲加熱氣體，一段時間后斷開，活塞緩慢向右移動距離L后停止，活塞與汽缸間的滑動摩擦力大小為Ff，最大靜摩擦力等于滑動摩擦力，整個過程中氣體吸收的熱量為Q，求該過程中：
(1)內能的增加量ΔU；
(2)最終溫度T。
答案　(1)Q－(p0S＋Ff)L　(2)t0
解析　(1)活塞移動時受力平衡p1S＝p0S＋Ff，
氣體對外界做功W＝－p1SL，
根據熱力學第一定律ΔU＝Q＋W
解得ΔU＝Q－(p0S＋Ff)L
(2)活塞發生移動前，等容過程：＝
活塞向右移動了L，等壓過程：＝，
且V2＝2V1，
解得T＝T0。
例5　(2022·南通市高二期中)一定質量的理想氣體從狀態A變化到狀態B再變化到狀態C，其狀態變化過程的p－V圖像如圖所示。已知該氣體在狀態A時的溫度為27 ℃。
(1)求該氣體在狀態B、C時的溫度(用攝氏溫度表示)；
(2)該氣體從狀態A到狀態C的過程中是吸熱還是放熱？熱量值為多少？
答案　(1)－73 ℃　27 ℃　(2)放熱　200 J
解析　(1)氣體在狀態A時的熱力學溫度為TA＝(27＋273) K＝300 K，對A→B過程根據蓋－呂薩克定律有＝，解得TB＝200 K，由題圖易知pCVC＝pAVA，根據理想氣體狀態方程＝，可知TC＝TA＝300 K，所以tB＝(200－273) ℃＝－73 ℃，tC＝tA＝(300－273) ℃＝27 ℃
(2)該氣體從狀態A到狀態C的過程中體積減小，外界對氣體做功，而氣體溫度不變，則內能不變，根據熱力學第一定律可知氣體放熱。由ΔU＝Q＋W，結合p－V圖像與橫軸圍成的面積表示外界對氣體做的功，可得W＝pΔV＝2×105×(3－2)×10－3 J＝200 J，所以Q＝－200 J，即氣體放出的熱量值為200 J。

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