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三十三 热力学定律与能量守恒
1．关于热力学定律，下列说法正确的是( )
A．在肯定条件下，物体的温度可以降到0 K
B．物体从单一热源吸取的热量可全部用于做功
C．吸取了热量的物体，其内能肯定增加
D．压缩气体总能使气体的温度上升
答案：B 解析：依据热力学第三定律可知，确定零度不行能达到，A错误；物体从外界吸取热量、对外做功，依据热力学第肯定律可知内能可能增加、削减或不变，C错误；压缩气体，外界对气体做正功，气体可能向外界放热，内能可能削减、温度降低，D错误；物体从单一热源吸取的热量全部用于做功而引起其他变化是可能的，B正确．
2．依据你所学热学中的有关学问，推断下列说法中正确的是( )
A．机械能可以全部转化为内能，内能也可以全部用来做功以转化成机械能
B．凡与热现象有关的宏观过程都具有方向性，在热传递中，热量只能从高温物体传递给低温物体，而不能从低温物体传递给高温物体
C．尽管技术不断进步，热机的效率仍不能达到100%，制冷机却可以使温度降到－293 ℃
D．第一类永动机违反能量守恒定律，其次类永动机不违反能量守恒定律，随着科技的进步和进展，其次类永动机可以制造出来
答案：A 解析：机械能可以全部转化为内能，而内能在引起其他变化时也可以全部转化为机械能，A正确；凡与热现象有关的宏观过程都具有方向性，在热传递中，热量可以自发地从高温物体传递给低温物体，也能从低温物体传递给高温物体，但必需借助外界的挂念，B错误；尽管技术不断进步，热机的效率仍不能达到100%，制冷机也不能使温度降到－293 ℃，只能无限接近－273 ℃，却永久不能达到，C错误；第一类永动机违反能量守恒定律，其次类永动机不违反能量守恒定律，但违反了热力学其次定律，其次类永动机不行能制造出来，D错误．
3．肯定量的抱负气体在某一过程中，从外界吸取热量2.5×104 J，气体对外界做功1.0×104 J，则该抱负气体的( )
A．温度降低，密度增大 B．温度降低，密度减小
C．温度上升，密度增大 D．温度上升，密度减小
答案：D 解析：由ΔU＝W＋Q可得抱负气体内能变化ΔU＝－1.0×104 J＋2.5×104 J＝1.5×104 J＞0，故温度上升，A、B两项均错．由于气体对外做功，所以气体肯定膨胀，体积变大，由ρ＝可知密度变小，故C项错误，D项正确．
4．(多选)下列说法正确的是( )
A．内能不同的物体，它们的分子热运动的平均动能可能相同
B．可以从单一热源吸取热量，使之全部变成有用的机械功而不产生其他影响
C．盛有水的水杯自由下落时，水对杯底有压力
D．若一气泡从湖底上升到湖面的过程中温度保持不变，则在此过程中气泡内气体组成的系统的熵增加
答案：AD 解析：温度是分子平均动能的标志，内能不同的物体温度可能相同，故A正确；水杯自由下落时，杯内水处于完全失重状态，对杯底无压力，故C错误；气泡内气体做等温膨胀，依据熵增加原理可知D正确．
5．(多选)关于热现象和热学规律，下列说法中正确的是( )
A．布朗运动就是液体分子的热运动
B．其次类永动机不行能制造成功的缘由是能量既不会凭空产生，也不会凭空消逝，它只能从一个物体转移到另一个物体，或从一种形式转化成另一种形式
C．用活塞压缩汽缸里的气体，对气体做功2.0×105 J，若气体向外界放出热量1.5×105 J，则气体内能增加了0.5×105 J
D．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是可能的
答案：CD 解析：布朗运动是悬浮在液体中的固体小颗粒的运动，不是液体分子的运动，但它说明液体分子在永不停息地做无规章运动，选项A说法错误；其次类永动机不行能制造成功的缘由是它违反了热力学其次定律，选项B错误；依据题意及热力学第肯定律ΔU＝Q＋W＝－1.5×105 J＋2.0×105 J＝0.5×105 J，选项C正确；选项D中的热机既不违反能量守恒定律，也不违反热力学其次定律，所以是可能制造出来的，选项D正确．本题答案为C、D.
6．(多选)电冰箱能够不断地把热量从温度较低的冰箱内部传给温度较高的外界空气，下列说法中正确的是( )
A．热量能自发地从低温物体传给高温物体
B．在肯定条件下，热量可以从低温物体传给高温物体
C．热量的传导过程不具有方向性
D．在自发条件下热量的传导过程具有方向性
答案：BD 解析：一切自发过程都有方向性，热传导过程是热量由高温物体传向低温物体．假如在外界挂念下热量可以从低温物体传向高温物体，电冰箱就是借助外力做功把热量从低温物体(冷冻食品)传向高温物体(四周的大气)．电冰箱内热量传递的过程是有外界参与的．
7．如图是密闭的汽缸，外力推动活塞P压缩气体，对缸内气体做功800 J，同时气体向外界放热200 J，缸内气体的( )
A．温度上升，内能增加600 J
B．温度上升，内能削减200 J
C．温度降低，内能增加600 J
D．温度降低，内能削减200 J
答案：A 解析：对肯定质量的气体，由热力学第肯定律ΔU＝W＋Q可知，ΔU＝800 J＋(－200 J)＝600 J，ΔU为正表示内能增加了600 J，对气体来说，分子间距较大，分子势能为零，内能等于全部分子动能的和，内能增加，气体分子的平均动能增加，温度上升，选项A正确．
8．(多选)如图所示，内壁光滑的汽缸水平放置，肯定质量的抱负气体被活塞密封在汽缸内，外界大气压强为p0.现对汽缸缓慢加热，气体吸取热量Q后，体积由V1增大为V2.则在此过程中( )
A．气体分子平均动能增大
B．气体分子平均动能不变
C．气体分子平均动能减小
D．气体内能变化了Q－p0(V2－V1)
答案：AD 解析：气体等压膨胀，由＝C，体积V增大，故温度T上升；温度是分子热运动平均动能的标志，温度上升，气体分子平均动能增大，故选项A对，B、C错；依据热力学第肯定律得：ΔU＝Q＋W，而W＝－p0SΔL＝－p0ΔV＝－p0(V2－V1)，所以气体内能变化了ΔU＝Q－p0(V2－V1)，故选项D对．
9．(多选)如图甲所示，导热汽缸内封闭肯定质量的抱负气体，由于外界大气压的变化，该气体经受了A→B→C的变化过程，其压强随摄氏温度变化的pt图象如图乙所示．下列说法正确的是( )
A．从A到B外界对气体做功
B．从A到B气体对外界做功
C．从B到C气体从外界吸热
D．从B到C气体对外界放热
E．气体在变化的全过程中，分子间的引力和斥力都在不断增大
答案：ADE 解析：由抱负气体状态方程＝k得：p＝T，pT图线斜率越大，气体的体积越小．将题中的图象转移到pT图象中，不难发觉A、B、C不在等容线上，并且VA＞ VB＞ VC，所以A对，B错；依据热力学第肯定律W＋Q＝ΔU可得，气体从B到C过程中ΔU不变，外界对气体做功，气体对外界放热，C错，D对；依据分子动理论，分子间距离减小时，分子间的引力和斥力都在不断增大，E正确．
10．(多选)如图所示，电路与一绝热密闭汽缸相连，R为电热丝，汽缸内有肯定质量的抱负气体，外界大气压恒定．闭合电键后，绝热活塞K缓慢且无摩擦地向右移动，则下列说法正确的是( )
A．气体的内能增加
B．气体分子平均动能不变
C．电热丝放出的热量等于气体对外所做的功
D．气体的压强不变
E．气体分子单位时间内对器壁单位面积的撞击次数削减
答案：ADE 解析：活塞缓慢无摩擦移动，依据活塞的平衡条件可知，气体的压强不变，选项D正确；气体的压强不变，体积增大，气体的温度肯定上升，气体的内能增加，气体分子平均动能增大，选项A正确，B错误；体积增大，气体肯定对外做功，因内能增加，依据热力学第肯定律可知，电热丝放出的热量大于气体对外所做的功，选项C错误；气体温度上升，而压强不变，说明气体分子单位时间内对器壁单位面积的撞击次数削减，选项E正确，本题答案为A、D、E.
11．(2021·江苏南通市一调)如图所示，1 mol的抱负气体由状态A经状态B、状态C、状态D再回到状态A.BC、DA线段与横轴平行，BA、CD的延长线过原点．
(1)气体从B变化到C的过程中，下列说法中正确的是________．
A．分子势能增大 B．分子平均动能不变
C．气体的压强增大 D．分子的密集程度增大
(2)气体在A→B→C→D→A整个过程中，内能的变化量为________；其中A到B的过程中气体对外做功W1，C到D的过程中外界对气体做功W2，则整个过程中气体向外界放出的热量为________．
答案：(1)C (2)0 W2－W1
解析：(1)B→C过程为等容过程，温度上升，分子平均动能变大，B错；由＝C知气体压强增大，C正确；由于体积不变，分子的密集程度不变，D错；抱负气体分子之间无相互作用力，分子势能不变，A错．
(2)内能只与温度有关，初末状态相同，故内能变化量为0；依据热力学第肯定律ΔU＝Q＋W，有0＝Q＋W2－W1，所以Q＝W1－W2，则放出热量为W2－W1.
12．肯定量的抱负气体从状态a开头，经受三个过程ab、bc、ca回到原状态，其VT图象如图所示．则a→b过程中气体________(填“吸热”、“放热”或“绝热”)；b→c过程中气体________(填“吸热”、“放热”或“绝热”)；a、b和c三个状态中，________状态分子的平均动能最小；b→c过程，容器壁单位面积单位时间内受到气体分子撞击的次数________(填“增大”、“减小”或“不变”)．
答案：吸热 放热 a 增大
解析：从图中可以看出，a→b过程，体积V变大，因此对外做功，W＜0.抱负气体温度上升，则内能增加ΔU＞0，依据热力学第肯定律ΔU＝Q＋W可知Q＞0，即气体吸热；b→c过程，气体温度不变，ΔU＝0.由于气体V变小，故外界对气体做功，W＞0，由ΔU＝Q＋W可知Q＜0，即气体放热；a、b和c三个状态中，a状态温度最低，而温度是分子平均动能的标志，故在a状态分子的平均动能最小；b→c过程，体积变小，容器内分子数密度增大，温度不变，分子平均动能即平均速率不变，因此容器壁单位面积单位时间内受到分子撞击的次数增大．
13．某同学争辩肯定质量抱负气体的状态变化，得出如下的pV图象．已知气体在状态A时的温度为327 ℃.
(1)求气体处于状态C时的温度TC(用热力学温标表示)；
(2)已知气体在C→A的过程中做功150 J，同时吸取了300 J的热量，若气体的内能与热力学温度成正比，试求气体处于状态C时所具有的内能EC.
答案：(1)300 K (2)150 J
解析：(1)从图中可以看出，气体在C→A的过程中压强不变，由盖－吕萨克定律可得＝，代入数据可得：TC＝＝300 K.
(2)在C→A的过程中气体的体积膨胀，因此气体肯定要对外做功．设气体在状态A时所具有的内能为EA.则有EA＝EC－150 J＋300 J＝EC＋150 J
又由于气体的内能与热力学温度成正比，即＝
代入数据可得EC＝150 J.
14．肯定质量的抱负气体被活塞封闭在汽缸内，如图所示水平放置．活塞的质量m＝20 kg，横截面积S＝100 cm2，活塞可沿汽缸壁无摩擦滑动但不漏气，开头时
汽缸水平放置，活塞与汽缸底的距离L1＝12 cm，离汽缸口的距离L2＝3 cm.外界气温为27 ℃，大气压强为1.0×105 Pa，将汽缸缓慢地转到开口向上的竖直位置，待稳定后对缸内气体渐渐加热，使活塞上表面刚好与汽缸口相平，取g＝10 m/s2，求：
(1)此时气体的温度为多少？
(2)在对缸内气体加热的过程中，气体膨胀对外做功，同时吸取Q＝370 J的热量，则气体增加的内能ΔU多大？
答案：(1)450 K (2)300 J
解析：(1)当汽缸水平放置时，p0＝1.0×105 Pa，V0＝L1S，T0＝(273＋27)K
当汽缸口朝上，活塞到达汽缸口时，活塞的受力分析图如图所示，有p1S＝p0S＋mg
则p1＝p0＋＝1.0×105 Pa＋ Pa＝1.2×105Pa，
V1＝(L1＋L2)S
由抱负气体状态方程得＝
则T1＝T0＝×300 K＝450 K.
(2)当汽缸口向上，未加热稳定时：由玻意耳定律得p0L1S＝p1LS
则L＝＝ cm＝10 cm
加热后，气体做等压变化，外界对气体做功为W＝－p1(L1＋L2－L)S－mg(L1＋L2－L)＝－70 J
依据热力学第肯定律ΔU＝W＋Q得ΔU＝300 J.
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