高二下物理周末同步辅导4热力学定律

第四讲热力学定律
【考点分解】
考点一：热力学第零定律和热力学第一定律
热力学第零定律：如果两个热力学系统中的每一个都与第三个热力学系统处于热平衡，则它们彼此也必定处于热平衡。

热力学第零定律用来作为进行体系测量的基本依据，其重要性在于它说明了温度的定义和温度的测量方法。

热力学第一定律：
1．改变内能的两种方式：和。

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与外界对它所的和。

(2)数学表达式：ΔU＝
热力学第一定律不仅反映了做功和热传递这两种改变内能的过程是等效的，而且给出了内能的变化量和做功与热传递之间的定量关系。

应用时，要特别注意式中各物理量正负的约定及含意。

特别地，对于一定质量的理想气体，热力学第一定律有一些具体特征：ΔU的正负只与温度T有关，与其他任何因素均无关；W的正负只与体积V有关，向真空自由膨胀除外；Q的正负在接触两个系统有明显温度差时可以直接确定，若两系统温度相等，则需要间接确定吸热还是放热。

特别容易出错的理解是：两系统温度相等就不吸热也不放热；系统吸了热温度就一定升高等。

1．关于物体的内能以及变化，以下说法正确的是()
A．物体的温度改变时，其内能必定改变
B．物体对外做功，其内能不一定改变；向物体传递热量，其内能也不一定改变
C．物体对外做功，其内能必定改变，物体向外传出一定热量其内能必定改变
D．若物体与外界不发生热交换，则物体的内能必定不改变
2．下列说法正确的是()
A．若A、B两物体接触但没有热传递，则两物体具有的热量相等
B．做功和热传递的共同点是都能使系统内能改变
C．一物体先后经几个不同的物理过程，其温度均从t1升高到t2，则在这些过程中物体一定从外界吸收相同的热量
D．高温物体内能多，低温物体内能少
3．如图所示，厚壁容器的一端通过胶塞插迚一只灵敏温度计和一根气针，另一端有个用卡子卡住的可移动的胶塞。

用打气筒慢慢向筒内打气，使容器内的
压强增加到一定程度，这时读出温度计示数。

打开卡子，胶塞冲出容器后()
A．温度计示数变大，实验表明气体对外界做功，内能减少
B．温度计示数变大，实验表明外界对气体做功，内能增加
C．温度计示数变小，实验表明气体对外界做功，内能减少
D．温度计示数变小，实验表明外界对气体做功，内能增加
4．分别以p 、V 、T 表示气体的压强、体积、温度，一定质量的理想气体，其初
始状态表示为(p 0、V 0、T 0)。

若分别经历如下两种变化过程：
①从(p 0、V 0、T 0)变为(p 1、V 1、T 1)的过程中，温度保持不变(T 1＝T 0)；
②从(p 0、V 0、T 0)变为(p 2、V 2、T 2)的过程中，既不吸热，也不放热。

在上述两种变化过程中，如果V 1＝V 2>V 0，则( )
A ．p 1>p 2，T 1>T 2
B ．p 1>p 2，T 1<T 2
C ．p 1<p 2，T 1<T 2
D ．p 1<p 2，T 1>T 2
5．如图所示，绝热汽缸中间用固定栓将可无摩擦移动的导热隔板固定，隔板质
量不计，左右两室分别充有一定量的氢气和氧气(视为理想气体)。

初始时，两室气体的温度相等，氢气的压强大于氧气的压强，松开固定栓直至系统重新达到平衡，下列说法中正确的是( )
A ．初始时氢分子的平均动能大于氧分子的平均动能
B ．系统重新达到平衡时，氢气的内能比初始时的小
C ．松开固定栓直至系统重新达到平衡的过程中有热量从氧气传递到氢气
D ．松开固定栓直至系统重新达到平衡的过程中，氧气的内能先增大后减小
6．如图所示，绝热隔板K 把绝热的气缸分隔成体积相等的两部分，K 与气缸壁
的接触是光滑的.两部分中分别盛有相同质量、相同温度的同种气体a 和b 。

气体分子之间相互作用势能可忽略.现通过电热丝对气体a 加热一段时间后，a 、b 各自达到新的平衡（ ）
A ．a 的体积增大了，压强变小了
B ．b 的温度升高了
C ．加热后a 的分子热运动比b 的分子热运动更激烈
D ．a 增加的内能大于b 增加的内能
7．如图所示，一个与外界绝热的气缸有一个绝热的活塞，中间有一个固定的导
热性良好的隔板，封闭着两部分气体 A 和 B ，活塞处于静止平衡状态，现通过电热丝对 A 气体加热一段时间，后来活塞达到新的静止平衡状态，不计气体分子势能，不计活塞与气缸壁的摩擦，大气压强保持不变，则
( )
A ．气体 A 吸热，内能增加
B ．气体 B 吸热，对外做功，内能不变
C ．气体 A 分子单位时间内对器壁单位面积碰撞次数增多
D ．气体 B 分子单位时间内对器壁单位面积碰撞次数不变
8．一定质量的理想气体沿p-V 坐标图中曲线所示的斱向发生变化，其中曲线
DBA 是以p 轴、V 轴为渐近线的双曲线的一部分，则 ( )
A ．气体由A 变到
B ，一定是吸热的
B ．气体由B 变为A ，一定是吸热的
C ．气体由A 变到B 再变到A ，吸热多于放热
D ．气体由A 变到B 再变到A ，放热多于吸热
9．要使质量一定的理想气体由某一状态经过一系列状态变化，最后再回到初始
状态。

下列各过程可能实现这个要求的是( )
A ．先等容放热，再等压升温，最后等温放热
B ．先等温膨胀，再等压升温，最后等容吸热
C ．先等容吸热，再等温膨胀，最后等压降温
D ．先等压升温，再等容吸热，最后等温放热
10．飞机在万米高空飞行时，舱外气温往往在-50℃以下。

在研究大气现象时可
把温度、压强相同的一部分气体作为研究对象，叫做气团。

气团直径可达几千米，由于气团很大，边缘部分与外界的热交换对整个气团没有明显影响，可以忽略。

高空气团温度很低的原因可能是( )
A ．地面的气团上升到高空的过程中膨胀，同时对外放热，使气团自身温度降低
B ．地面的气团上升到高空的过程中收缩，同时从周围吸收热量，使周围温度降低
C ．地面的气团上升到高空的过程中膨胀，气团对外做功，气团内能大量减少，气团温度降低
D ．地面的气团上升到高空的过程中收缩，外界对气团做功，故周围温度降低
11．如图所示，为一汽缸内封闭的一定质量的气体的p －V 图线，当该系统从状
态a 沿过程a →c →b 到达状态b 时，有热量335 J 传入系统，系统对外界做功126 J ，求：
(1)若沿adb 过程系统对外做功42 J ，则有多少热量传入系统？
(2)若系统由状态b 沿曲线过程返回状态a 时，外界对系统做功84 J ，系统是吸热还是放热？热量传递是多少？
12．如图所示，一圆柱形绝热气缸竖直放置，通过绝热活塞封闭着一定质量的
理想气体。

活塞的质量为m ，横截面积为S ，与容器底部相距h 。

现通过电热丝缓慢加热气体，当气体吸收热量Q 时，活塞上升了h ，此时气体的温为T 1。

已知大气压强为P 0，重力加速度为g ，不计活塞与气缸的摩擦，求： ① 加热过程中气体的内能增加量。

② 现停止对气体加热，同时在活塞上缓慢添加砂粒，当添加砂粒的质量为m 0时，活塞恰好回到原来的位置，求此时气体的温度。

考点二：热力学第二定律及其微观解释
热传递、扩散现象、机械能和内能的转化以及气体向真空膨胀等都具有方向性。

大量事实表明：一切与热现象相关的自发宏观过程都是不可逆的。

这种自然宏观过程的方向性概括为热力学第二定律。

两种经典表述：
1．克劳修斯表述：热量不能_____地从物体传到物体，阐述的是热传递的方向性。

2．开尔文表述：不可能从吸收热量，使之完全变成功，而____________________。

阐述的是即机械能与内能转化的方向性。

事实上，对任何一种自然宏观过程的方向性阐述都可以作为热力学第二定律的一种表述。

比如对扩散现象和气体向真空膨胀等过程的阐述。

虽然热力学第二定律的具体表述有很多种，但实质上是等价的。

因为自然的宏观过程是相互联系的，如果一种过程可逆，那么一定可以推出其他的过程也可逆。

热力学第二定律的微观解释
宏观态与微观态：
一个宏观态对应的微观态的个数Ω有多有少。

这种多少形象地表现为该宏观态的无序程度。

由于分子做无规则运动，每一种微观态出现的概率是一样的，所以对应微观态越多的宏观态出现的概率就越大。

宏观表现就是系统会自发地向着更加无序的方向变化。

宏观系统的这种无序程度，可以用熵来定量描述。

于是热力学第二定律还有关于熵的一种表述：孤立系统总是朝着熵增加的方向变化。

又称为熵增加原理。

所以，有序状态和无序状态并没有优劣，大自然也不存在偏爱，一切都是概率支配的结果。

13．根据热力学第二定律，可知下列说法中正确的有()
A．热量能够从高温物体传到低温物体，但不能从低温物体传到高温物体B．热量能够从高温物体传到低温物体，也可能从低温物体传到高温物体C．机械能可以全部转化为热能，但热能不可能全部转化为机械能
D．机械能可以全部转化为热能，热能也可能全部转化为机械能
14．关于热力学第二定律的微观意义，下列说法正确的是() A．大量分子无规则的热运动能够自动转变为有序运动
B．热传递的自然过程是大量分子从比较有序运动状态向比较无序运动状态转变的过程
C．热传递的自然过程是大量分子从无序程度小的运动状态向无序程度大的运动状态转变的过程
D．一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大的斱向迚行
15．从微观角度看（）
A．热力学第二定律是一个统计规律
B．一个孤立系统总是从熵大的状态向熵小的状态发展
C．一个宏观状态所对应的微观状态越多，越是无序，熵值越大
D．出现概率越大的宏观状态，熵值越大
16．下列过程中，可能发生的是()
A．某工作物质从高温热源吸收20 kJ的热量，全部转化为机械能，而没有产生其他任何影响
B．打开一高压密闭容器，其内气体自发溢出后又自发跑迚去，恢复原状C．利用其他手段，使低温物体温度更低，高温物体的温度更高
D．将两瓶不同液体自发混合，然后又自发地各自分开
17．下列说法正确的是()
A．如果大量分子的集合从A分布迚入B分布的概率大于从B分布迚入A分布的概率，则B分布更无序
B．如果大量分子的集合从A分布迚入B分布的概率大于从B分布迚入A分布，则A分布更无序
C．大量分子的集合能自发地从A分布迚入B分布，则该过程是可逆的
D．大量分子的集合能自发地从A分布迚入B分布，则该过程是不可逆的
考点三：热力学第三定律
通过任何有限的步骤都不可能让系统的温度达到绝对零度。

第三定律并不像第一、二定律那样明白地告诫人们放弃制造第一种永动机和第二种永动机的意图。

而是鼓励人们想方设法尽可能接近绝对零度。

现代科学可以使用绝热去磁的方法达到5×10-10K，但永远达不到0K。

考点四：永动机
第一类永动机：不用输入任何能量，却能源源不断地对外做功。

因为违反能量守恒定律而不能制成。

第二类永动机：不违反能量守恒定律，但违反热力学第二定律而不能制成。

18．如图所示为英国赛斯特城的主教约翰·维尔金斯在1670年设计的一种机器，原理是这样的：在立柱上放一个强力磁铁A，两槽M和N靠在立柱旁。

上槽M上端有一个小孔C，下槽N弯曲。

如果在B处放一小铁球，它就会在强磁
力作用下向上滚，滚到C时从小孔下落沿N回到B，开始往复运动，从而迚行“永恒的运动”。

关于这种机器，下列说法正确的是()
A．这种机器可以永恒运动，说明了永动机可以制成
B．这种机器是可以制成的，幵且小铁球在下滑时能不断对外做功
C．这种机器不能永恒运动，如果小铁球能从静止加速上升到C，它就不可能从C加速下滑到B，幵再次从B回到C
D．这种机器不能永恒运动，关键是因为摩擦阻力太大，要消耗能量
考点五：能量守恒定律与能源
1．能量守恒定律
能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形为另一种形式，或者从一个物体到别的物体，在转化或转移的过程中保持不变。

2.各种形式的能量间可以转化，但由于不同形式的能量有序性不一样，所以能量转化过程中也有方向性。

例如电能可以全部转化成内能，但内能却不能全部转化成电能而不产生其他影响。

把这种特性形象地称之为各种形式的能量品质高低不同。

热能无序性最高，是品质最低的一种能量。

所以，虽然自然界的能量总量不会减少，但我们依然要节约能源。

3.寻找和开发新能源，清洁能源。

19．下列关于能量耗散的说法，正确的是()
A．能量耗散使能的总量减少，违背了能量守恒定律
B．能量耗散是指耗散在环境中的内能再也不能被人类利用
C．各种形式的能量向内能的转化，是能够自动全额发生的
D．能量耗散导致能量品质的降低
20．下列关于能源的说法中正确的是()
A．能源是取之不尽，用之不竭的
B．能源是有限的，特别是常规能源，如煤、石油、天然气等
C．大量消耗常规能源会使环境恶化，故提倡开发利用新能源
D．核能的利用对环境的影响比燃烧石油、煤炭大
【巩固练习】
21．根据热力学第二定律，下列判断正确的有()
A．热机中燃气的内能不可能全部变成机械能
B．电流的能不可能全部变成内能
C．在火力发电机中，燃气的内能不可能全部变成电能
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
22．下面关于热力学第二定律微观意义的说法正确的是()
A．从微观的角度看，热力学第二定律是一个统计规律
B．一切自然过程总是沿着分子热运动无序性减小的斱向迚行
C．有的自然过程沿着分子热运动无序性增大的斱向迚行，有的自然过程沿着分子热运动无序性减小的斱向迚行
D．在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小
23．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．内能可以转化为其他形式的能，只是会产生其他影响，故两条定律幵不矛盾
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24．一定质量的理想气体的状态变化过程表示在如图所示的P-V图上，气体先由a状态沿双曲线经等温过程变化到b状态，再沿与横轴平行的直线变化到c状态，a、c两点位于与纵轴平行的直线上，以下说法中正确的是( ) A．由a状态至b状态过程中，气体放出热量，内能不变
B．由b状态至c状态过程中，气体对外做功，内能增加
C．c状态与a状态相比，c状态分子平均距离较大，分子平均动能较大
D．b状态与a状态相比，b状态分子平均距离较小，分子平均动能较小25．如图所示，绝热隔板S把绝热的气缸分隔成体积相等的两部分，S与气缸壁的接触是光滑的。

两部分中分别盛有相同质量、相同温度的同种气体a和b。

气体分子之间相互作用可忽略不计．现通过恒定电压为U的电源和阻值为R的电热丝构成回路，对气体a缓慢加热一段时间t后，a、b各自达到新的平衡状态。

在此过程中，气体a内能增加量为U
，试求气体b的内能增加量。

【参考答案】
1.B
2.B
3.C
4.A
5.CD
6.BCD
7.AC
8.ACD
9.AC 10.C 11. (1)251 J(2)放热P
O
293 J 12. h mg S P Q U )(0+-=∆，1002]1[21T mg
S p g m T ++= 13.BD 14.BCD 15.ACD 16.C 17.AD 18.C 19.BCD 20.BC 21.ACD 22.AD 23.B 24.AB 25. 2
U U W t U R '∆==-∆。