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第3講　熱力學定律與能量守恒
課 程 標 準 素 養 目 標
1.知道熱力學第一定律．通過有關史實，了解熱力學第一定律和能量守恒定律的發現過程，體會科學探索中的挫折和失敗對科學發現的意義． 2.理解能量守恒定律，能用能量守恒的觀點解釋自然現象．體會能量守恒定律是最基本、最普遍的自然規律之一． 3.通過自然界中宏觀過程的方向性，了解熱力學第二定律． 物理觀念：(1)知道熱力學第一定律及其符號法則，了解能量守恒定律及永動機不可能制成． (2)知道傳熱、擴散現象、機械能與內能的轉化具有方向性，了解能量耗散和品質降低的內容，能解釋相關現象． 科學思維：(1)理解熱力學第一定律的公式并能進行相關的分析計算，能根據能量守恒定律解釋永動機不可能制成的原因． (2)理解熱力學第二定律的兩種表述，學會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，提高分析推理能力．
考點一　熱力學第一定律的理解和應用
【必備知識·自主落實】
一、改變物體內能的兩種方式
1．________．
2．熱傳遞．
二、熱力學第一定律實質是能量守恒定律
1．內容：一個熱力學系統的內能變化量等于外界向它傳遞的________與外界對它所做的功的和．
2．表達式：ΔU＝________．
3．表達式中的正、負號法則
符號 W Q ΔU
＋ 外界對物體做功 物體________熱量 內能________
－ 物體對外界做功 物體________熱量 內能________
三、能量守恒定律
1．內容：能量既不會憑空________，也不會憑空消失，它只能從一種形式________為其他形式，或者是從一個物體________到別的物體，在轉化或轉移的過程中，能量的總量________．
2．第一類永動機是不可能制成的，它違背了________________．
【關鍵能力·思維進階】
1．[2023·天津卷] 如圖是爬山所帶氧氣瓶，氧氣瓶里的氣體容積質量不變，爬高過程中，溫度減小，則氣體(　　)
A．對外做功
B．內能減小
C.吸收熱量
D．壓強不變
2．(多選)如圖，甲圖實驗1密封的桶裝薯片從上海帶到拉薩后蓋子凸起．若兩地溫度相同，研究桶內的氣體壓強p和分子平均動能Ek的變化情況．乙圖實驗2中中國制造的列車空氣彈簧實現了歐洲高端鐵路市場全覆蓋，空氣彈簧安裝在列車車廂底部，可以起到有效減震、提升列車運行平穩性的作用．空氣彈簧主要由活塞、氣缸及密封在氣缸內的一定質量氣體構成．列車上下乘客及劇烈顛簸均會引起車廂震動．上下乘客時氣缸內氣體的體積變化較慢，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，外界溫度恒定，氣缸內氣體視為理想氣體．下列說法正確的是(　　)
甲　　　　　　　乙
A．甲圖實驗1中桶內的氣體壓強p減小和分子平均動能Ek減小
B．甲圖實驗1中桶內的氣體壓強p減小和分子平均動能Ek不變
C．乙圖實驗2中劇烈顛簸造成氣體壓縮的過程中，空氣彈簧內氣體的內能增加
D．乙圖實驗2中劇烈顛簸造成氣體壓縮的過程中，空氣彈簧內氣體分子的平均動能減小
3．如圖a，一臺四沖程內燃機，活塞在壓縮沖程某段時間內移動的距離為0.1 m，這段過程活塞對氣體的壓力逐漸增大，其做的功相當于2×103 N的恒力使活塞移動相同距離所做的功(圖b甲)．內燃機工作時汽缸溫度高于環境溫度，該過程中壓縮氣體傳遞給汽缸的熱量為25 J.
(1)求上述壓縮過程中氣體內能的變化量；
(2)燃燒后的高壓氣體對活塞做功，氣體推動活塞移動0.1 m，其做的功相當于9×103 N的恒力使活塞移動相同距離所做的功(圖b乙)，該做功過程氣體傳遞給汽缸的熱量為30 J，求此做功過程氣體內能的變化量．
考點二　熱力學第一定律與圖像的綜合應用
例 1 一定質量的理想氣體從狀態A經過狀態B變化到狀態C再回到狀態A，其V-T圖像如圖所示．O、C、B三點在同一直線上，AB與縱軸平行，則下列說法不正確的是(　　)
A．A→B過程中，單位時間內打到容器壁上單位面積的分子數增多
B．A→B過程中，氣體吸收熱量
C．B→C過程中，氣體放出的熱量比外界對氣體做的功多
D．C→A過程中，速率大的分子數增多
例 2 [2023·廣東卷]在駐波聲場的作用下，水中小氣泡周圍液體的壓強會發生周期性變化，使小氣泡周期性膨脹和收縮，氣泡內的氣體可視為質量不變的理想氣體，其膨脹和收縮過程可簡化為如圖所示的p-V圖像，氣泡內氣體先從壓強為p0、體積為V0、溫度為T0的狀態A等溫膨脹到體積為5V0、壓強為pB的狀態B，然后從狀態B絕熱收縮到體積為V0、壓強為1.9p0、溫度為TC的狀態C，B到C的過程外界對氣體做功為W.已知p0、V0、T0和W.求：
(1)pB的表達式；
(2)TC的表達式；
(3)B到C的過程，氣泡內氣體的內能變化了多少？
思維提升
1.氣體的狀態變化可由圖像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．
(4)在p-V圖像中，圖像與橫軸所圍面積表示氣體對外界或外界對氣體整個過程中所做的功．
考點三　氣體實驗定律與熱力學第一定律的綜合應用
例 3 (多選)[2023·山東卷]一定質量的理想氣體，初始溫度為300 K，壓強為1×105 Pa.經等容過程，該氣體吸收400 J的熱量后溫度上升100 K；若經等壓過程，需要吸收600 J的熱量才能使氣體溫度上升100 K．下列說法正確的是(　　)
A．初始狀態下，氣體的體積為6 L
B．等壓過程中，氣體對外做功400 J
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400 J
例 4 [2023·浙江1月]
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＝100 cm2、質量m＝1 kg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＝300 K、活塞與容器底的距離h0＝30 cm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＝3 cm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＝363 K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＝158 J．取大氣壓p0＝0.99×105 Pa，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過程中從外界吸收的熱量Q.
例 5 [2024·浙江紹興高三統考階段練習]如圖1所示，豎直玻璃管上端封閉、下端開口，總長L＝68.8 cm，橫截面積S＝0.1 cm2，管內液柱的長度L0＝7.6 cm，質量m＝10 g，液柱密封一定質量的理想氣體，氣體的長度L1＝50 cm，氣體溫度T1＝300 K．現將玻璃管緩慢轉到水平位置，氣體溫度仍為T1，氣體長度變為L2，如圖2所示．然后對氣體進行緩慢加熱，使氣體溫度上升至T2＝360 K，加熱過程氣體吸收熱量Q，內能增加ΔU＝0.23 J，氣體長度變為L3，如圖3所示．已知大氣壓強p0＝1.0×105 Pa，玻璃管內壁光滑，重力加速度g＝10 m/s2.
(1)求氣體長度L2；
(2)求氣體長度L3；
(3)求加熱過程氣體吸收熱量Q.
思維提升
氣體實驗定律與熱力學定律的綜合問題的求解思路
考點四　熱力學第二定律的理解和應用
【必備知識·自主落實】
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．
不需要任何第三者介入，就能發生
(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“________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________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．
【關鍵能力·思維進階】
4.
[2024·廣東廣州模擬預測]火熱的6月即將到來，高三的同學們也進入高考最后的沖刺，教室里的空調為同學們提供了舒爽的環境，空調的工作原理如圖所示，以下表述正確的是(　　)
A．空調的工作原理對應的是熱力學第一定律的開爾文表述制冷機
B．空調的工作原理反映了熱傳導的方向性
C．此原理圖中的Q1＝Q2
D．此原理圖說明熱量不能從低溫物體傳到高溫物體
5．(多選)下列說法正確的是(　　)
A．冰箱能使熱量從低溫物體傳遞到高溫物體，因此不遵循熱力學第二定律
B．自發的熱傳導是不可逆的
C．可以通過給物體加熱而使它運動起來，但不產生其他影響
D．氣體向真空膨脹具有方向性
思維提升
熱力學第二定律的理解
第3講　熱力學定律與能量守恒
考點一
必備知識·自主落實
一、
1．做功
二、
1．熱量
2．Q＋W
3．吸收　增加　放出　減少
三、
1．產生　轉化　轉移　保持不變
2．能量守恒定律
關鍵能力·思維進階
1．解析：由于爬山過程中氣體體積不變，故氣體不對外做功，故A錯誤；爬山過程中溫度降低，則氣體內能減小，故B正確；根據熱力學第一定律可知ΔU＝W＋Q，爬山過程中氣體不做功，但內能減小，故可知氣體放出熱量，故C錯誤；爬山過程中氧氣瓶里的氣體容積質量均不變，溫度減小，根據理想氣體狀態方程有＝C，可知氣體壓強減小，故D錯誤．故選B.
答案：B
2．解析：根據一定質量的理想氣體狀態方程pV＝nRT可知，當溫度相同時，體積變大則桶內的氣體壓強p減小，而溫度是影響分子平均動能的唯一因素，則分子平均動能Ek不變，A錯誤，B正確；劇烈顛簸造成氣體壓縮的過程中，因為時間很短，所以氣體與外界來不及熱交換，Q＝0，外界對氣體做功，根據熱力學第一定律ΔU＝Q＋W
可得，空氣彈簧內氣體內能增加，氣體分子的平均動能增大，C正確，D錯誤．故選BC.
答案：BC
3．解析：(1)壓縮過程活塞對氣體做的功W1＝F1l1＝2×103×0.1 J＝200 J
氣體內能的變化量ΔU1＝W1＋Q1＝200 J－25 J＝175 J.
(2)氣體膨脹過程中氣體對外界所做的功W2＝F2l2＝－9×103×0.1 J＝－900 J
氣體內能的變化量ΔU2＝W2＋Q2＝－900 J－30 J＝－930 J
汽缸內氣體在壓縮過程中內能增加了175 J，在膨脹做功過程中氣體內能減少了930 J.
答案：(1)增加了175 J　(2)減少了930 J
考點二
例1　解析：A→B過程中，氣體體積減小，溫度不變，壓強增大，單位時間內打到容器壁上單位面積的分子數增多，A項正確，不符合題意；A→B過程中，溫度不變，內能不變，外界對氣體做功，根據熱力學第一定律可知，氣體放出熱量，B項錯誤，符合題意；B→C過程中，氣體壓強不變，體積減小，溫度降低，內能減小，外界對氣體做功，根據熱力學第一定律，氣體放出熱量，且放出熱量比外界對氣體做的功多，C項正確，不符合題意；C→A過程中，溫度升高，速率大的分子數增多，D項正確，不符合題意．故選B.
答案：B
例2　解析：(1)由題意可知從狀態A到狀態B，氣體發生等溫變化，由玻意耳定律有
p0V0＝pB·5V0
解得pB＝
(2)解法一　由題圖可知，若從狀態A沿虛線到狀態C，
則氣體發生等容變化，由查理定律有
＝
解得TC＝1.9T0
解法二　氣體從B到C的過程，由理想氣體狀態方程有
＝
已知pB＝，VB＝5V0，TB＝TA＝T0，pC＝1.9p0，VC＝V0
解得TC＝1.9T0
(3)由題意可知從狀態B到狀態C，氣體發生絕熱收縮，吸放熱Q＝0
根據熱力學第一定律有ΔU＝Q＋W＝W
故B到C的過程，氣泡內氣體的內能增加了W
答案：(1)　(2)1.9T0　(3)增加了W
考點三
例3　解析：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＝300 K
等容過程為狀態二
p2＝？，V2＝V1＝V0，T2＝400 K
等壓過程為狀態三
p3＝p0，V3＝？，T3＝400 K
由理想氣體狀態方程可得
＝＝
解得p2＝p0，V3＝V0
體積增加了原來的，C錯誤；
等容過程中氣體做功為零，由熱力學第一定律
ΔU＝W＋Q＝400 J
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400 J，D正確；
等壓過程內能增加了400 J，吸收熱量為600 J，由熱力學第一定律可知氣體對外做功為200 J，即做功的大小為
W＝p0(V0－V0)＝200 J
解得V0＝6 L
A正確，B錯誤．故選AD.
答案：AD
例4　解析：(1)從狀態A到狀態B，封閉氣體發生等壓變化，
由蓋－呂薩克定律可得＝
其中VA＝h0S，VB＝(h0＋d)S
解得TB＝330 K
(2)從狀態A到狀態B，活塞緩慢上升，則有
pBS＝p0S＋mg
解得pB＝1×105 Pa
由狀態B到狀態C，封閉氣體發生等容變化
由查理定律可得＝
解得pC＝1.1×105 Pa
(3)從狀態A到狀態C過程中，氣體對外做功
則W＝－pBSd＝－30 J
由熱力學第一定律有ΔU＝Q＋W
解得Q＝188 J
答案：(1)330 K　(2)1.1×105 Pa　(3)188 J
例5　解析：(1)設玻璃管豎直放置時密封氣體的壓強為p1，則p1＝p0－＝0.9×105 Pa
玻璃管轉到水平過程氣體溫度不變，由玻意耳定律p1L1S＝p0L2S
得L2＝45 cm
(2)加熱過程氣體的壓強保持不變，由蓋-呂薩克定律＝
得L3＝54 cm
(3)設外界對氣體做功W，則W＝－p0S(L3－L2)＝－0.09 J
由熱力學第一定律ΔU＝Q＋W
得Q＝0.32 J
答案：(1)45 cm　(2)54 cm　(3)0.32 J
考點四
必備知識·自主落實
1．（2）第二類
2．無序性
關鍵能力·思維進階
4．解析：空調的工作原理對應的是熱力學第二定律的開爾文表述制冷機，A錯誤；空調的工作原理反映了熱傳導的方向性，熱量不能自發的從低溫物體傳導給高溫物體，但在其他能力干預下，可以從低溫物體傳導給高溫物體，B正確；此原理圖中的Q1＝Q2＋W，C錯誤；此原理圖說明在外界干預下，熱量能從低溫物體傳到高溫物體，D錯誤．故選B.
答案：B
5．解析：有外界的幫助和影響，熱量可以從低溫物體傳遞到高溫物體，仍遵循熱力學第二定律，A錯誤；由熱力學第二定律可知，自發的熱傳導是不可逆的，B正確；不可能通過給物體加熱而使它運動起來但不產生其他影響，這違背了熱力學第二定律，C錯誤；氣體可自發地向真空容器膨脹，具有方向性，D正確．
答案：BD(共38張PPT)
第3講　熱力學定律與能量守恒
課 程 標 準 素 養 目 標
1.知道熱力學第一定律．通過有關史實，了解熱力學第一定律和能量守恒定律的發現過程，體會科學探索中的挫折和失敗對科學發現的意義． 2.理解能量守恒定律，能用能量守恒的觀點解釋自然現象．體會能量守恒定律是最基本、最普遍的自然規律之一． 3.通過自然界中宏觀過程的方向性，了解熱力學第二定律． 物理觀念：(1)知道熱力學第一定律及其符號法則，了解能量守恒定律及永動機不可能制成．
(2)知道傳熱、擴散現象、機械能與內能的轉化具有方向性，了解能量耗散和品質降低的內容，能解釋相關現象．
科學思維：(1)理解熱力學第一定律的公式并能進行相關的分析計算，能根據能量守恒定律解釋永動機不可能制成的原因．
(2)理解熱力學第二定律的兩種表述，學會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，提高分析推理能力．
考點一
考點二
考點三
考點四
考點一
考點一　熱力學第一定律的理解和應用
【必備知識·自主落實】
一、改變物體內能的兩種方式
1．________．
2．熱傳遞．
二、熱力學第一定律 實質是能量守恒定律
1．內容：一個熱力學系統的內能變化量等于外界向它傳遞的________與外界對它所做的功的和．
2．表達式：ΔU＝________．
做功
熱量
Q＋W
3．表達式中的正、負號法則
符號 W Q ΔU
＋ 外界對物體做功 物體________熱量 內能________
－ 物體對外界做功 物體________熱量 內能________
吸收
增加
放出
減少
三、能量守恒定律
1．內容：能量既不會憑空________，也不會憑空消失，它只能從一種形式________為其他形式，或者是從一個物體________到別的物體，在轉化或轉移的過程中，能量的總量________．
2．第一類永動機是不可能制成的，它違背了_____________．
產生
轉化
轉移
保持不變
能量守恒定律
【關鍵能力·思維進階】
1．[2023·天津卷] 如圖是爬山所帶氧氣瓶，氧氣瓶里的氣體容積質量不變，爬高過程中，溫度減小，則氣體(　　)
A．對外做功
B．內能減小
C. 吸收熱量
D．壓強不變
答案：B
解析：由于爬山過程中氣體體積不變，故氣體不對外做功，故A錯誤；爬山過程中溫度降低，則氣體內能減小，故B正確；根據熱力學第一定律可知ΔU＝W＋Q，爬山過程中氣體不做功，但內能減小，故可知氣體放出熱量，故C錯誤；爬山過程中氧氣瓶里的氣體容積質量均不變，溫度減小，根據理想氣體狀態方程有＝C，可知氣體壓強減小，故D錯誤．故選B.
2．(多選)如圖，甲圖實驗1密封的桶裝薯片從上海帶到拉薩后蓋子凸起．若兩地溫度相同，研究桶內的氣體壓強p和分子平均動能Ek的變化情況．乙圖實驗2中中國制造的列車空氣彈簧實現了歐洲高端鐵路市場全覆蓋，空氣彈簧安裝在列車車廂底部，可以起到有效減震、提升列車運行平穩性的作用．空氣彈簧主要由活塞、氣缸及密封在氣缸內的一定質量氣體構成．列車上下乘客及劇烈顛簸均會引起車廂震動．上下乘客時氣缸內氣體的體積變化較慢，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，外界溫度恒定，氣缸內氣體視為理想氣體．
甲　　　 　　　　乙
下列說法正確的是(　　)
A．甲圖實驗1中桶內的氣體壓強p減小和分子平均動能Ek減小
B．甲圖實驗1中桶內的氣體壓強p減小和分子平均動能Ek不變
C．乙圖實驗2中劇烈顛簸造成氣體壓縮的過程中，空氣彈簧內氣體的內能增加
D．乙圖實驗2中劇烈顛簸造成氣體壓縮的過程中，空氣彈簧內氣體分子的平均動能減小
答案：BC
解析：根據一定質量的理想氣體狀態方程pV＝nRT可知，當溫度相同時，體積變大則桶內的氣體壓強p減小，而溫度是影響分子平均動能的唯一因素，則分子平均動能Ek不變，A錯誤，B正確；劇烈顛簸造成氣體壓縮的過程中，因為時間很短，所以氣體與外界來不及熱交換，Q＝0，外界對氣體做功，根據熱力學第一定律ΔU＝Q＋W
可得，空氣彈簧內氣體內能增加，氣體分子的平均動能增大，C正確，D錯誤．故選BC.
3．如圖a，一臺四沖程內燃機，活塞在壓縮沖程某段時間內移動的距離為0.1 m，這段過程活塞對氣體的壓力逐漸增大，其做的功相當于2×103 N的恒力使活塞移動相同距離所做的功(圖b甲)．內燃機工作時汽缸溫度高于環境溫度，該過程中壓縮氣體傳遞給汽缸的熱量為25 J.
(1)求上述壓縮過程中氣體內能的變化量；
(2)燃燒后的高壓氣體對活塞做功，氣體推動活塞移動0.1 m，其做的功相當于9×103 N的恒力使活塞移動相同距離所做的功(圖b乙)，該做功過程氣體傳遞給汽缸的熱量為30 J，求此做功過程氣體內能的變化量．
解析：(1)壓縮過程活塞對氣體做的功W1＝F1l1＝2×103×0.1 J＝200 J
氣體內能的變化量ΔU1＝W1＋Q1＝200 J－25 J＝175 J.
(2)氣體膨脹過程中氣體對外界所做的功W2＝F2l2＝－9×103×0.1 J＝－900 J
氣體內能的變化量ΔU2＝W2＋Q2＝－900 J－30 J＝－930 J
汽缸內氣體在壓縮過程中內能增加了175 J，在膨脹做功過程中氣體內能減少了930 J.
答案：(1)增加了175 J　(2)減少了930 J
考點二
考點二　熱力學第一定律與圖像的綜合應用
例 1 一定質量的理想氣體從狀態A經過狀態B變化到狀態C再回到狀態A，其V-T圖像如圖所示．O、C、B三點在同一直線上，AB與縱軸平行，則下列說法不正確的是(　　)
A．A→B過程中，單位時間內打到容器壁上單位面積的分子數增多
B．A→B過程中，氣體吸收熱量
C．B→C過程中，氣體放出的熱量比外界對氣體做的功多
D．C→A過程中，速率大的分子數增多
答案：B
解析：A→B過程中，氣體體積減小，溫度不變，壓強增大，單位時間內打到容器壁上單位面積的分子數增多，A項正確，不符合題意；A→B過程中，溫度不變，內能不變，外界對氣體做功，根據熱力學第一定律可知，氣體放出熱量，B項錯誤，符合題意；B→C過程中，氣體壓強不變，體積減小，溫度降低，內能減小，外界對氣體做功，根據熱力學第一定律，氣體放出熱量，且放出熱量比外界對氣體做的功多，C項正確，不符合題意；C→A過程中，溫度升高，速率大的分子數增多，D項正確，不符合題意．故選B.
例 2 [2023·廣東卷]在駐波聲場的作用下，水中小氣泡周圍液體的壓強會發生周期性變化，使小氣泡周期性膨脹和收縮，氣泡內的氣體可視為質量不變的理想氣體，其膨脹和收縮過程可簡化為如圖所示的p-V圖像，氣泡內氣體先從壓強為p0、體積為V0、溫度為T0的狀態A等溫膨脹到體積為5V0、壓強為pB的狀態B，然后從狀態B絕熱收縮到體積為V0、壓強為1.9p0、溫度為TC的狀態C，B到C的過程外界對氣體做功為W.已知p0、V0、T0和W.求：
(1)pB的表達式；
(2)TC的表達式；
(3)B到C的過程，氣泡內氣體的內能變化了多少？
解析：(1)由題意可知從狀態A到狀態B，氣體發生等溫變化，由玻意耳定律有p0V0＝pB·5V0,解得pB＝
(2)解法一　由題圖可知，若從狀態A沿虛線到狀態C，
則氣體發生等容變化，由查理定律有＝,解得TC＝1.9T0
解法二　氣體從B到C的過程，由理想氣體狀態方程有＝
已知pB＝，VB＝5V0，TB＝TA＝T0，pC＝1.9p0，VC＝V0
解得TC＝1.9T0
(3)由題意可知從狀態B到狀態C，氣體發生絕熱收縮，吸放熱Q＝0
根據熱力學第一定律有ΔU＝Q＋W＝W
故B到C的過程，氣泡內氣體的內能增加了W
答案：(1)　(2)1.9T0　(3)增加了W
思維提升
1.氣體的狀態變化可由圖像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．
(4)在p-V圖像中，圖像與橫軸所圍面積表示氣體對外界或外界對氣體整個過程中所做的功．
考點三
考點三　氣體實驗定律與熱力學第一定律的綜合應用
例 3 (多選)[2023·山東卷]一定質量的理想氣體，初始溫度為300 K，壓強為1×105 Pa.經等容過程，該氣體吸收400 J的熱量后溫度上升100 K；若經等壓過程，需要吸收600 J的熱量才能使氣體溫度上升100 K．下列說法正確的是(　　)
A．初始狀態下，氣體的體積為6 L
B．等壓過程中，氣體對外做功400 J
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400 J
答案：AD
解析：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＝300 K
等容過程為狀態二
p2＝？，V2＝V1＝V0，T2＝400 K
等壓過程為狀態三
p3＝p0，V3＝？，T3＝400 K
由理想氣體狀態方程可得
＝＝
解得p2＝p0，V3＝V0
體積增加了原來的，C錯誤；
等容過程中氣體做功為零，由熱力學第一定律
ΔU＝W＋Q＝400 J
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400 J，D正確；
等壓過程內能增加了400 J，吸收熱量為600 J，由熱力學第一定律可知氣體對外做功為200 J，即做功的大小為
W＝p0(V0－V0)＝200 J
解得V0＝6 L
A正確，B錯誤．故選AD.
例 4 [2023·浙江1月]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＝100 cm2、質量m＝1 kg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＝300 K、活塞與容器底的距離h0＝30 cm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＝3 cm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＝363 K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＝158 J．取大氣壓p0＝0.99×105 Pa，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過程中從外界吸收的熱量Q.
解析：(1)從狀態A到狀態B，封閉氣體發生等壓變化，
由蓋－呂薩克定律可得＝
其中VA＝h0S，VB＝(h0＋d)S,解得TB＝330 K
(2)從狀態A到狀態B，活塞緩慢上升，則有pBS＝p0S＋mg
解得pB＝1×105 Pa
由狀態B到狀態C，封閉氣體發生等容變化
由查理定律可得＝,解得pC＝1.1×105 Pa
(3)從狀態A到狀態C過程中，氣體對外做功
則W＝－pBSd＝－30 J
由熱力學第一定律有ΔU＝Q＋W
解得Q＝188 J
答案：(1)330 K　(2)1.1×105 Pa　(3)188 J
例 5 [2024·浙江紹興高三統考階段練習]如圖1所示，豎直玻璃管上端封閉、下端開口，總長L＝68.8 cm，橫截面積S＝0.1 cm2，管內液柱的長度L0＝7.6 cm，質量m＝10 g，液柱密封一定質量的理想氣體，氣體的長度L1＝50 cm，氣體溫度T1＝300 K．現將玻璃管緩慢轉到水平位置，氣體溫度仍為T1，氣體長度變為L2，如圖2所示．然后對氣體進行緩慢加熱，使氣體溫度上升至T2＝360 K，加熱過程氣體吸收熱量Q，內能增加ΔU＝0.23 J，氣體長度變為L3，如圖3所示．已知大氣壓強p0＝1.0×105 Pa，玻璃管內壁光滑，重力加速度g＝10 m/s2.
(1)求氣體長度L2；
(2)求氣體長度L3；
(3)求加熱過程氣體吸收熱量Q.
解析：(1)設玻璃管豎直放置時密封氣體的壓強為p1，則p1＝p0－＝0.9×105 Pa
玻璃管轉到水平過程氣體溫度不變，由玻意耳定律p1L1S＝p0L2S
得L2＝45 cm
(2)加熱過程氣體的壓強保持不變，由蓋-呂薩克定律＝
得L3＝54 cm
(3)設外界對氣體做功W，則W＝－p0S(L3－L2)＝－0.09 J
由熱力學第一定律ΔU＝Q＋W
得Q＝0.32 J
答案：(1)45 cm　(2)54 cm　(3)0.32 J
思維提升
氣體實驗定律與熱力學定律的綜合問題的求解思路
考點四
考點四　熱力學第二定律的理解和應用
【必備知識·自主落實】
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．
不需要任何第三者介入，就能發生
(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“________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________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．
第二類
無序性
【關鍵能力·思維進階】
4.[2024·廣東廣州模擬預測]火熱的6月即將到來，高三的同學們也進入高考最后的沖刺，教室里的空調為同學們提供了舒爽的環境，空調的工作原理如圖所示，以下表述正確的是(　　)
A．空調的工作原理對應的是熱力學第一定律的開爾文表述制冷機
B．空調的工作原理反映了熱傳導的方向性
C．此原理圖中的Q1＝Q2
D．此原理圖說明熱量不能從低溫物體傳到高溫物體
答案：B
解析：空調的工作原理對應的是熱力學第二定律的開爾文表述制冷機，A錯誤；空調的工作原理反映了熱傳導的方向性，熱量不能自發的從低溫物體傳導給高溫物體，但在其他能力干預下，可以從低溫物體傳導給高溫物體，B正確；此原理圖中的Q1＝Q2＋W，C錯誤；此原理圖說明在外界干預下，熱量能從低溫物體傳到高溫物體，D錯誤．故選B.
5．(多選)下列說法正確的是(　　)
A．冰箱能使熱量從低溫物體傳遞到高溫物體，因此不遵循熱力學第二定律
B．自發的熱傳導是不可逆的
C．可以通過給物體加熱而使它運動起來，但不產生其他影響
D．氣體向真空膨脹具有方向性
答案：BD
解析：有外界的幫助和影響，熱量可以從低溫物體傳遞到高溫物體，仍遵循熱力學第二定律，A錯誤；由熱力學第二定律可知，自發的熱傳導是不可逆的，B正確；不可能通過給物體加熱而使它運動起來但不產生其他影響，這違背了熱力學第二定律，C錯誤；氣體可自發地向真空容器膨脹，具有方向性，D正確．
思維提升
熱力學第二定律的理解

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