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能量守恒与热力学定律
能量守恒定律
内能
功和内能：在绝热的情况下，功是内能变化的量度 (热和内能：只有热传递时，热量是内能变化的量度做功和热传递在改变内能上是等效的
内容
理解及应用
第一类永动机
能量守恒与热力学定律
热力学第一定律
内容：如果物体跟外
界同时发生做功和热传,递的过程，那么外界对物体所做的功加上物,体从外界吸收的热量Q等于物体内能的增加.
公式表达：ΔU＝W＋Q
等号法则
能量守恒与热力学定律
热力学第二定律
自然过程的方向性
克劳修斯表述：不
可能把热量从低温物体传,递到高温物体而不产生其他影响.
开尔文表述：不可能从单一热源吸收热量使之全部变为有用的功而不产生其他影响
微观解释：一切自然过程总是沿分子热运动无序性增大的方向进行
熵增原理：孤立系统的熵总是增加
的，或者孤 立系统的熵总不减少
专题归纳整合
热力学第一定律及其应用
1．公式和符号
(1)公式：ΔU＝Q＋W.
(2)符号
①外界对物体做功，则W为正；物体对外界做功(多为气体膨胀)，则W为负．
②物体从外界吸热，Q为正；物体放热，Q为负．
③物体内能增加，ΔU为正；物体内能减少，ΔU为负．
2．注意问题
(1)只有绝热过程Q＝0，ΔU＝W，用做功可判断内能的变化．
(2)只有在气体体积不变时，W＝0，ΔU＝Q，用吸热放热情况可判断内能的变化．
(3)若物体内能不变，即ΔU＝0，W和Q不一定等于零，而是W＋Q＝0，功和热量符号相反,大小相等,因此判断内能变化问题一定要全面考虑．
(4)对于气体,做功W的正负一般要看气体体积变化,气体体积缩小，W>0；气体体积增大，W<0.
如图4－1所示，一定质量的理想气体，从状态A经绝热过程A→B、等容过程B→C、等温过程C→A又回到了状态A，则( )
A．A→B过程气体降温
B．B→C过程气体吸热
C．C→A过程气体放热
D．全部过程气体做功为零
图4－1
例1
【精讲精析】 A→B过程气体绝热膨胀，气体对外界做功，其对应的内能必定减小，即气体温度降低,选项A正确．B→C过程气体等容升压，由p/T＝恒量可知，气体温度升高，其对应内能增加，因做功W＝0，故该过程必定从外界吸热，即选项B正确．C→A过程气体等温压缩，故内能变化为零，但外界对气体做功，因此该过程中气体放热,选项C正确．A→B过程气体对外做功，其数值等于AB
线与横轴包围的面积．B→C过程气体不做功．C→A过程外界对气体做功，其数值等于CA线与横轴包围的面积，显然全过程对气体做的净功为ABC封闭曲线包围的面积，选项D不正确．由以上分析易知A、B、C选项正确．
【答案】 ABC
在应用能量守恒定律处理问题时，首先要分清系统有多少种能量(如动能、势能、内能、电能)在相互转化，哪种形式的能增加了，哪种形式的能减少了，某种形式的能增加，一定存在着其他形式的能减少，且增加量等于减少量．其实，计算时要在各自领域内遵循各自的规律，如在机械能领域内遵循动力学的规律．
能量守恒定律的应用
某学校兴趣小组为了估算太阳的全部辐射功率，做了如下研究：在横截面积为3 dm2的圆筒内装有0.54 kg的水，太阳光垂直照射它2 min，水温升高了1 ℃，经查阅资料可知，大气顶层的太阳能只有45%到达地面，太阳与地球之间的平均距离为1.5×1011 m，请你帮助他们估算出太阳的全部辐射功率是多少？
例2
103 W/m2.以太阳与地球间距离为半径的球体的表面积为：S′＝4πr2＝4×3.14×(1.5×1011)2 m2＝2.8×1023m2.太阳的全部辐射功率P＝P′S′＝1.4×103×2.8×1023 W＝3.9×1026 W.
【答案】 3.9×1026 W
1．分析问题的方法
掌握热力学第二定律时，要注意理解其本质，即热力学第二定律是对宏观自然过程进行方向的说明．凡是对这种宏观自然过程进行方向的说明，都可以作为热力学第二定律的表述．本章对热力学第二定律的表述很多，这些不同形式的表述都是等价的．
热力学第二定律及其应用
2．热力学第二定律的几种表现形式
(1)热传递具有方向性：两个温度不同的物体接触时,热量会自发地从高温物体传给低温物体，而低温物体不可能自发地将热量传给高温物体．要实现低温物体向高温物体传递热量，必须借助外界的帮助，因而产生其他影响或引起其他变化．
(2)气体的扩散现象具有方向性：两种不同的气体可以自发地进入对方，最后成为均匀的混合气体，但这种均匀的混合气体，绝不会自发地分开，成为两种不同的气体．
(3)机械能和内能的转化过程具有方向性：物体在水平面上运动，因摩擦而逐渐停下来，但绝不可能出现物体吸收原来传递出去的热量后，在地面上重新运动起来．
(4)气体向真空膨胀具有方向性：气体可自发地向真空容器膨胀，但绝不可能出现气体自发地再从容器中流回，使容器变为真空．
关于热力学第二定律，下列表述正确的是( )
A．不可能使热量从低温物体传递到高温物体
B．不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功
C．第二类永动机是不可能制成的
D．热力学第二定律是热力学第一定律的推论
例3
【精讲精析】 如果有外界的帮助，可以使热量从低温物体传递到高温物体，也可以把热量全部用来做功，故A、B错．热力学第一定律说明在任何过程中能量守恒，热力学第二定律却说明并非能量守恒过程均能实现．热力学第二定律是反映宏观自然过程进行的方向和条件的一个规律．它指出自然界中出现的过程是有方向性的，某些方向的过程可以实现，而另一方向的过程则不能实现，在热力学中，第二定律和第一定律相辅相成，缺一不可．故D错误，C正确．
【答案】 C
章末综合检测
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第3节 宏观过程的方向性
第4节 热力学第二定律
第5节 初识熵
课前自主学案
核心要点突破
课堂互动讲练
课标定位
知能优化训练
第
3、
4、
5
节
课标定位
学习目标：1.了解自然界中热传导方向性的实例．
2．了解热力学第二定律的两种不同的表述，以及这两种表述的物理实质．
3．知道熵的概念，了解熵增原理，能用熵增原理认识自然界中能量转化的方向性．
重点难点：1.热力学第二定律的表述和理解运用．
2．熵的概念．
课前自主学案
一、宏观过程的方向性
1．自然过程的方向性
(1)热传递的方向性：两个温度不同的物体相互接触时，热量会______地从高温物体传给低温物体，而低温物体不可能________将热量传给高温物体．
(2)扩散现象的方向性：两种不同的气体可以自发地进入对方，最后成为均匀的混合气体．气体的自由膨胀也是一种扩散现象，同样具有________．
自发
自发地
方向性
(3)机械能与内能转化的________．
(4)其他过程的方向性：如燃烧过程、爆炸过程等都具有方向性．
2．不可逆过程：某过程只沿__________发生，而________在没有外界影响(或不产生其他影响)的情况下沿_______方向发生．这些过程我们称之为不可逆过程．
方向性
某个方向
不可能
相反
二、热力学第二定律
1．热力学第二定律的克劳修斯表述：不可能把热量从____温物体传递到____温物体而不产生其他影响．
2．热力学第二定律的开尔文表述：不可能从单一热源吸取热量使之全部变为___________而不产生其他影响．
低
高
有用的功
三、初识熵
1．熵的概念：表示系统的________程度．无序性大，熵____；无序性小，熵____．
2．对熵的进一步认识
(1)熵是系统_________的量度．
(2)熵是________过程的共同判据．
(3)熵是系统______的函数．
3．熵增原理：孤立系统的熵总是______的，或者孤立系统的熵总不______．
无序性
大
小
无序程度
不可逆
状态
增加
减少
核心要点突破
一、对自然过程方向性的理解
1．热传导具有方向性：两个温度不同的物体相互接触时，热量会自发地从高温物体传给低温物体，而低温物体不可能自发地将热量传给高温物体，要实现低温物体向高温物体传递热量，必须借助外界的帮助，因而会产生其他影响或引起其他变化．
2．气体的扩散现象具有方向性：两种不同的气体可以自发地进入对方，最后成为均匀的混合气体，但这种均匀的混合气体，决不会自发地分开，成为两种不同的气体．
3．机械能和内能的转化过程具有方向性：物体在水平面上运动，因摩擦而逐渐停下来，但决不可能出现物体吸收原来传递出去的热量后，在地面上重新运动起来的情况．
4．气体向真空膨胀具有方向性：气体可自发地向真空容器膨胀，但决不可能出现气体自发地从容器中流出，容器变为真空．
5．在整个自然界中，无论是有生命的还是无生命的，所有的宏观自发过程都具有单向性，都有一定的方向性，都是一种不可逆过程．如河水向下流，重物向下落，山岳被侵蚀，房屋衰朽倒塌，人的一生从婴儿到老年到死亡等．
即时应用 (即时突破，小试牛刀)
1．热传递的方向性是指( )
A．热量只能从高温物体传到低温物体，而不能从低温物体传到高温物体
B．热量只能从低温物体传到高温物体，而不能从高温物体传递到低温物体
C．热量既能从高温物体传到低温物体，又可以从低温物体传递到高温物体
D．热量会自发地从高温物体传递到低温物体，而不会自发地从低温物体传递到高温物体
解析：选D.热力学第二定律告诉我们：热量不能自发地从低温物体传到高温物体，当提供能量让热机工作时，热量是可以从低温物体传到高温物体的，故能说明热传导具有方向性的事实，必须是自发的热传导现象，D选项正确．
二、对热力学第二定律的理解
1．热力学第二定律理解中的几个问题
(1)单一热源：指温度均匀并且恒定不变的系统．若一系统各部分温度不相同或者温度不稳定，则构成机器的工作物质可以在不同温度的两部分之间工作,从而可以对外做功．据报道，有些国家已在研究利用海水上下温度不同来发电．
(2)其他影响：指除了从单一热库吸收的热量，以及所做的功以外的其他一切影响；或者除了从低温物体吸收热量、高温物体得到相同的热量外，其他一切影响和变化，不是不能从单一热库吸收热量而对外做功，而是这样做的过程中，一定伴随着其他变化或影响．同样，也不是热量不能从低温物体传到高温物体，而是此过程的完成不产生其他影响的自发热传递是不可能的．
(3)关于“不可能”：实际上热机或制冷机系统循环终了时，除了从单一热库吸收热量对外做功，以及热量从低温热库传到高温热库以外，过程所产生的其他一切影响，不论用任何曲折复杂的办法都不可能加以消除．
(4)适用条件：只能适用于由很大数目分子所构成的系统及有限范围内的宏观过程．而不适用于少量的微观体系，也不能把它扩展到无限的宇宙．
(5)两种表述是等价的：两种表述都揭示了热现象宏观过程的方向性．两种表述可以相互推导．
2．热力学第二定律与热力学第一定律的比较
规律
区别
联系 热力学第一定律 热力学第二定律
区别 热力学第一定律是能量守恒定律在热力学中的表现，否定了创造能量和消灭能量的可能性，从而否定了第一类永动机 热力学第二定律是关于在有限空间和时间内，一切和热现象有关的物理过程、化学过程具有不可逆性的经验总结，从而否定了第二类永动机
规律
区别
联系 热力学第一定律 热力学第二定律
联系 两定律都是热力学基本定律，分别从不同角度揭示了与热现象有关的物理过程所遵循的规律，二者既相互独立，又相互补充，都是热力学的理论基础
即时应用 (即时突破，小试牛刀)
2．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．内能可以全部转化为其他形式的能，只是会产生其他影响，故两条定律并不矛盾
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
解析：选B.热力学第一定律和热力学第二定律并不矛盾，对于机械能和内能的转化所具有的方向性也是存在的，故B选项正确．
三、熵与熵增原理
“熵”是什么？“熵”是德国物理学家克劳修斯在1850年创造的一个术语，他用熵来表示任何一种能量在空间分布的均匀程度．能量分布得越均匀，熵就越大．如果对于我们所考虑的那个系统来说，能量完全均匀地分布，那么这个系统的熵就达到最大值．简单地说，“熵”就是微观粒子的无序程度、能量差别的消除程度．
在克劳修斯看来，在一个封闭的系统中，运动总是从有序到无序发展的．比如，把一块冰糖放入水中，结果整杯水都甜了．这就是说，糖分子的运动扩展到了整杯水中，它们的运动变得更加无序了．对于一个封闭的系统，能量差也总是倾向于消除的．比如，有水位差的两个水库，如果把它们连接起来，那么，重力就会使一个水库的水面降低，而使另一个水库的水面升高，直到两个水库的水面相等，势能取平为止．
克劳修斯总结说，自然界中的一个普遍规律是：运动总是从有序到无序，能量的差异总是倾向变平均等，也即“熵将随着时间而增大”．
特别提醒：(1)由熵的定义可知，熵较大的宏观状态就是无序程度较大的宏观状态，也就是出现概率较大的宏观状态．在自然过程中熵总是增加的,其原因并非因为有序是不可能的，而是因为通向无序的渠道要比通向有序的渠道多得多．把事情搞得乱糟糟的方式要比把事情做得整整齐齐的方式多得多．
(2)从微观的角度看，热力学第二定律是一个统计规律：一个孤立系统总是从熵小的状态向熵大的状态发展，而熵值较大代表着较为无序，所以自发的宏观过程总是向无序程度更大的方向发展．如果过程可逆，则熵不变；如果过程不可逆，则熵增加．
即时应用 (即时突破，小试牛刀)
3．下面关于熵的有关说法错误的是( )
A．熵是系统内分子运动无序性的量度
B．在自然过程中熵总是增加的
C．热力学第二定律也叫做熵减小原理
D．熵值越大代表着越无序
解析：选C.如果过程是可逆的，则熵不变，如果不可逆，则熵是增加的，而且一切自然过程都是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行．
课堂互动讲练
对热力学第二定律的理解
(2011年广州高二检测)随着世界经济的快速发展，能源短缺问题日显突出，近期油价不断攀升,已对各国人民的日常生活造成了各种影响，如排长队等待加油的情景已经多次在世界各地发生，能源成为困扰世界经济发展的重大难题之一，下列有关能量转化的说法中错误的是( )
例1
A．不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他的变化
B．只要对内燃机不断改进，就可以把内燃机得到的全部内能转化为机械能
C．满足能量守恒定律的物理过程都能自发的进行
D．外界对物体做功，物体的内能必然增加
【精讲精析】 由热力学第二定律的开尔文表述可知A对．热机效率总低于100%，B错．满足能量守恒的过程未必能自发进行，任何过程一定满足热力学第二定律，C错．由热力学第一定律ΔU＝W＋Q可知，W＞0，ΔU不一定大于0，即内能不一定增加，D错．
【答案】 BCD
【方法总结】 理解热力学第二定律的方法
(1)理解热力学第二定律的实质，即自然界中进行的所有涉及热现象的宏观过程都具有方向性，理解的关键在于“自发”和“不引起其他变化．”
(2)还要正确理解哪些过程不会达到(100%的转化而不产生其他影响)．
根据你对熵增原理的理解，举出一些系统从有序变为无序的例子．
【精讲精析】 根据熵增原理，自然界的一切自发的过程总是朝着熵增加的方向进行，而熵是描述系统无序程度的物理量．熵越大，无序程度越高，所以，熵的增加就意味着系统无序程度的增加，即从有序向无序的方向转化．
例2
熵增原理
【答案】 举例：燃料的燃烧；气体的扩散；破镜不能复原；覆水难收；一切生命体从生到亡等．
【方法总结】 一切自发的不可逆的过程都是从有序到无序．
如图4－3－1所示为电冰箱的工作原理示意图．压缩机工作时，强迫制冷剂在冰箱内外的管道中不断循环．在蒸发器中制冷剂汽化吸收箱体内的热量，经过冷凝器时制冷剂液化，放出热量到箱体外．下列说法正确的是( )
图4－3－1
例3
热力学第二定律在实际中的应用
A．热量可以自发地从冰箱内传到冰箱外
B．电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界，是因为其消耗了电能
C．电冰箱的工作原理不违反热力学第一定律
D．电冰箱的工作原理违反热力学第一定律
【思路点拨】 深刻理解热力学两大定律是解答本题的关键．
【自主解答】 热力学第一定律适用于所有的热学过程，C正确，D错误；由热力学第二定律可知A错误，B正确．
【答案】 BC
【方法总结】 电冰箱工作时既不违反热力学第一定律，也不违反热力学第二定律，它通过电流做功完成了热从低温物体向高温物体的传递．
变式训练 密闭隔热的房间内有一电冰箱，现接通电源使电冰箱开始工作，并打开电冰箱的门，则过段时间后室内的温度将( )
A．降低 B．不变
C．升高 D．无法判断
解析：选C.电冰箱制冷过程中，使冰箱内的温度降低的同时，又使其外部温度升高(使冰箱内部内能转移到外部)，此过程不可能自发发生，必又消耗电能，此部分电能最终也转变为内能，因此从总能量的角度看，内能增加，室内温度上升．
知能优化训练
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第4章 能量守恒与热力学定律
第1节 能量守恒定律的发现
第2节 热力学第一定律
课前自主学案
核心要点突破
课堂互动讲练
课标定位
知能优化训练
第
1、2
节
课标定位
学习目标：1.理解能量守恒定律，会用能量守恒的观点分析解决有关问题．
2．理解物体跟外界做功和热传递的过程及W、Q、ΔU的物理定义．
3．理解热力学第一定律，并能运用热力学第一定律分析和计算有关问题．
重点难点：1.理解第一类永动机是不可能制成的原因．
2．理解、应用热力学第一定律和能量守恒定律．
课前自主学案
一、能量守恒定律的发现
1．能量形式与能量转化
(1)各种能量：自然界存在着多种不同形式的运动，每种运动对应着一种形式的能量．如机械运动对应_________；分子热运动对应_______；电磁运动对应_________．
(2)各种能量之间可以互相转化：不同形式的能量之间可以相互转化．摩擦可以将_________转化为内能；炽热电灯发光可以将_______转化为光能．
机械能
内能
电磁能
机械能
电能
2．能量守恒定律发现的历史背景
(1)蒸汽技术的发展：18世纪80年代，蒸汽机的发展和使用，证明了______可以转化为_________、推动了热力学理论的发展．
(2)各种基本运动形式之间普遍联系性的发现
17世纪中叶：物理学家提出“运动量” ______的思想．
18世纪未到19世纪初：各种自然现象之间的普遍联系被发现， ____的概念被引入．
内能
机械能
守恒
能
(3)永动机研制的失败
概念：一种不消耗能量却可源源不断___________的机器叫永动机，并称为第一类永动机．
结果：无一例外地归于失败．
原因：违背___________原理．
对外做功
能量守恒
3．能量守恒定律的发现与确立
(1)能量守恒定律内容：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式______为另一种形式，或者从一个物体______到另一个物体，在转化或转移的过程中_________不变．
(2)意义
①各种形式的能可以__________．
②各种物理现象可以用_______________联系在一起．
转化
转移
其总量
相互转化
能量守恒定律
思考感悟
1．不耗油的汽车能不能制成？为什么？
提示：能制成．可以用太阳能、电能等能源代替石油能源，制造太阳能汽车、电动汽车等，但是不消耗任何能量的汽车不可能制成，因为它违背能量守恒定律．
二、热力学第一定律
1．改变物体内能的两种方式：______与________．两者在改变系统内能方面是等效的．
2．热力学第一定律
(1)内容：如果物体跟外界同时发生做功和热传递的过程，那么外界对物体__________加上物体从外界______________等于物体内能的增加．
(2)数学表达式：ΔU＝ ________.
做功
热传递
所做的功
吸收的热量
Q＋W
思考感悟
2．外界对物体做功10 J，物体内能改变了多少？若外界对物体传递10 J的热量，物体内能改变了多少？能否说明10 J的功等于10 J的热量？
提示：无论外界对物体做功10 J，还是外界给物体传递10 J的热量，物体内能都增加了10 J，说明做功和热传递在改变物体内能上是等效的，不能说10 J的功等于10 J的热量，因为功与热量具有本质区别．
核心要点突破
一、功、热量和内能之间的关系
1．功和内能的关系
(1)内能与内能变化的关系
①物体的内能是指物体内所有分子的动能和势能之和．因此物体的内能是一个状态量．
②当物体温度变化时，分子平均动能变化．物体体积变化时，分子势能发生变化，因此物体的内能变化只由初、末状态决定，与中间过程及方式无关．
(2)做功与内能变化的关系
①做功改变物体内能的过程是其他形式的能(如机械能)与内能相互转化的过程．
②在绝热过程中，外界对物体做多少功，就有多少其他形式的能转化为内能，物体的内能就增加多少．
(3)功和内能的区别
①功是过程量，内能是状态量．
②在绝热过程中，做功一定能引起内能的变化．
③物体的内能大,并不意味着做功多．在绝热过程中,只有内能变化较大时，对应着做功较多．
特别提醒：在绝热过程中，外界对系统做功，系统的内能增加，外界对系统做多少功，系统的内能就增加多少；系统对外界做功，系统的内能减少，系统对外界做多少功，系统的内能就减少多少．
2．热量、功和内能之间的关系
内能是由系统的状态决定的．状态确定了，系统的内能也就随之确定了．要使内能改变，可以通过做功和热传递两种方式来完成，功和热量都是过程量，两者对改变系统的内能是等效的，但做功是其他形式的能量转化为内能，功的多少是内能转化的量度，在绝热的过程中，对物体做了多少功，内能就增加多少；物体对外做了多少功，内能就减少多少．热传递是内能的转移，热量是内能转移的量度，在没有做功的情况下，物体吸
收了多少热量，就增加多少内能，或放出了多少热量，就减少多少内能．有过程(做功或热传递)，才有变化(内能改变)，离开过程，功和热量将毫无意义．就某一状态而言，只有“内能”，根本不存在“功”和“热量”．因此不能说物体中含有“多少热量”或“多少功”．可以说物体很热，这指的是物体的温度很高．
特别提醒：热传递改变物体内能的过程是物体间内能转移的过程．热传递使物体的内能发生变化时，内能改变的多少可用热量来量度．物体吸收了多少热量，物体的内能就增加多少；物体放出了多少热量，物体的内能就减少多少．
即时应用 (即时突破，小试牛刀)
1．对于热量、功和内能三者的关系下列说法中正确的是( )
A．三者单位相同，物理意义相同
B．热量和功是内能的量度
C．热量和功由过程决定，而内能由物体状态决定
D．系统内能增加了100 J，可能是外界采用绝热方式对系统做功100 J，也可能是外界单纯地对系统传热100 J
解析：选CD.热量、功和内能三者尽管单位相同，但物理意义有本质区别，A错．热量和功由过程决定，内能由物体状态决定，热量和功是内能变化的量度，C对，B错．对一个绝热过程ΔU＝W＝100 J,对一个单纯热传递过程ΔU＝Q＝100 J，D对．
二、热力学第一定律与改变内能的两种方式
1．对热力学第一定律的理解
(1)对ΔU＝W＋Q的理解：热力学第一定律是对单纯的绝热过程和单纯的热传递过程中内能改变的定量表达推广到一般情况，既有做功又有热传递的过程，其中ΔU表示内能改变的数量，W表示做功的数量，Q表示外界与物体间传递的热量．
(2)对公式ΔU＝Q＋W符号的规定
符号 W Q ΔU
＋ 外界对物体做功 物体吸收热量 内能增加
－ 物体对外界做功 物体放出热量 内能减少
2.改变内能的两种方式比较
比较项目 做 功 热传递
内能变化 外界对物体做功，物体的内能增加
物体对外做功，物体的内能减少 物体吸收热量，内能增加物体放出热量，内能减少
物理实质 其他形式的能与内能之间的转化 不同物体间或同一物体不同部分之间内能的转移
相互联系 做一定量的功或传递一定量的热在改变内能的效果上是相同的
3.几种特殊情况
(1)若过程是绝热的，则Q＝0，W＝ΔU，外界对物体做的功等于物体内能的增加．
(2)若过程中不做功，即W＝0，则Q＝ΔU，物体吸收的热量等于物体内能的增加．
(3)若过程的始末状态物体的内能不变，即ΔU＝0,则W＋Q＝0或W＝－Q，外界对物体做的功等于物体放出的热量．
特别提醒：研究对象为气体时，膨胀过程(除向真空中自由膨胀外)，气体对外做功，压缩过程,外界对气体做功．
4．应用热力学第一定律解题的思路与步骤
(1)首先应明确研究对象是哪个物体或者是哪个热力学系统．
(2)分别列出物体(或系统)吸收或放出的热量；外界对物体(或系统)所做的功或物体(或系统)对外界所做的功．
(3)根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W列出方程进行求解．
(4)特别注意的就是物理量的正负号及其物理意义．
即时应用 (即时突破，小试牛刀)
2.如图4－1－1所示，某同学将空的薄金属筒开口向下压入水中．设水温均匀且恒定，筒内空气无泄漏，不计气体分子间相互作用，则被淹没的金属筒在缓慢下降过程中，筒内空气体积减小，则空气( )
图4－1－1
A．从外界吸热 B．内能增大
C．向外界放热 D．内能减小
解析：选C.缓慢下降的过程中，筒内空气的温度与水温始终相同，即空气温度不变．由于不计气体分子间的相互作用，分子势能始终为零，筒内空气分子的平均动能不变，所以筒内空气的内能不变．筒内空气的体积减小，外界对气体做功，根据热力学第一定律：ΔU＝W＋Q，可知筒内空气向外放热．
三、对能量守恒定律的理解
1．能量的存在形式及相互转化
各种运动形式都有对应的能：机械运动有机械能，分子的热运动有内能，还有诸如电磁能、化学能、原子能等．
各种形式的能，通过某种力做功可以相互转化，例如：利用电炉取暖或烧水，电能转化为内能；煤燃烧，化学能转化为内能；列车刹车后，轮子温度升高，机械能转化为内能．
2．与某种运动形式对应的能是否守恒是有条件的,例如，物体的机械能守恒,必须是只有重力做功；而能量守恒定律是没有条件的，它是一切自然界现象都遵守的基本规律．
3．能量守恒定律的重要意义
(1)找到了各种自然现象的公共量度——能量，从而把各种自然现象用定量规律联系起来，揭示了自然规律的多样性和统一性．
(2)突破了人们关于物质运动的机械观念的范围，从本质上表明了各种运动形式之间相互转化的可能性．能量守恒定律比机械能守恒定律更普遍，它是物理学中解决问题的重要思维方法．能量守恒定律与电子的发现、达尔文的进化论并称19世纪自然科学中三大发现，其重要意义由此可见．
(3)具有重大实践意义，即彻底粉碎了永动机的幻想．
4．第一类永动机失败的原因分析
如果没有外界热源供给热量，则有U2－U1＝W，就是说，如果系统内能减少，即U2＜U1，则W＜0，系统对外做功是要以内能减少为代价的，若想源源不断地做功，就必须使系统不断回到初始状态，在无外界能量供给的情况下，是不可能的．
特别提醒：层出不穷的永动机设计方案，由于违背了能量守恒定律，无一例外地宣布失败，人类制造永动机的企图是没有任何成功希望的．
即时应用 (即时突破，小试牛刀)
3.(2011年浙江金华十校联考)如图
4－1－2所示的绝热容器中，A、B
各有一个可自由移动的轻活塞，活 图4－1－2
塞下面是水，上面是空气，大气压恒定．A、B底部由带有阀门K的管道相连，整个装置与外界绝热．原先A中水面比B中高，打开阀门，使A中的水逐渐向B中流动，最后达到平衡．在这个过程中，下面说法正确的是( )
A．大气压力对水做功，水的内能不变
B．水克服大气压力做功，水的内能减少
C．大气压力对水不做功，水的内能不变
D．大气压力对水不做功，水的机械能减少，内能增加
解析：选D.水的体积未变，故大气压力不做功，故A、B错；该过程中水的重心降低，重力势能减少，机械能转化为水的内能，故D对．
课堂互动讲练
功、热量和内能的区别与联系
对于热量、功和内能三者的说法正确的是
( )
A．热量、功、内能三者的物理意义相同
B．热量、功都可以作为物体内能的量度
C．热量、功、内能的单位不相同
D．热量和功是由过程决定的，而内能是由物体状态决定的
例1
【精讲精析】 物体的内能是指物体所有分子的动能和分子势能的总和，而要改变物体的内能可以通过做功和热传递两种途径，这三者的物理意义不同，A项错．热量是表示在热传递过程中物体内能变化多少的物理量，而功也是用做功的方式来量度改变物体内能多少的物理量，B项错．三者单位都是焦耳，C项错,热量和功是过程量，内能是状态量，D项正确．
【答案】 D
【方法总结】 区别热量、功和内能的技巧
(1)就某一状态而言，只有“内能”，根本谈不上“热量”和“功”．
(2)就某一过程而言，“内能”有变化,与“热量”、“功”对应．
(3)一个物体的内能无法计算，但物体的内能变化是可以计算的．
(2011年高考江苏卷)(1)如
图4－1－3所示，一演示用的“永
动机”转轮由5根轻杆和转轴构成，
轻杆的末端装有用形状记忆合金 图4－1－3
制成的叶片．轻推转轮后，进入热水的叶片因伸展而“划水”，推动转轮转动．离开热水后，叶片形状迅速恢复，转轮因此能较长时间转动．下列说法正确的是( )
例2
对热力学第一定律的理解及应用
A．转轮依靠自身惯性转动，不需要消耗外界能量
B．转轮转动所需能量来自形状记忆合金自身
C．转动的叶片不断搅动热水，水温升高
D．叶片在热水中吸收的热量一定大于在空气中释放的热量
(2)如图4－1－4所示，内壁光滑的汽缸水平放置，一定质量的理想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，气体吸收热量Q后，体积由V1增大为V2，则在此过程中，气体分子平均动能______(选填“增大”、“不变”或“减小”)，气体内能变化了________．
图4－1－4
【精讲精析】 (1)该永动机叶片进入水中，吸收热量而伸展划水，推动转轮转动，离开水面后向空气中放热，叶片形状迅速恢复，所以转动的能量来自热水，由于不断向空气释放热量，所以水温逐渐降低，A、B、C错，D对．
(2)气体做等压变化，体积变大，温度升高，平均动能增大，内能的变化为ΔU＝Q－p0(V2－V1)．
【答案】 (1)D (2)增大 Q－p0(V2－V1)
【方法总结】 (1)要明确研究的对象是哪个物体或者说是哪个热力学系统．
(2)应用热力学第一定律计算时，要依照符号法则代入数据，对结果的正、负，也同样依照符号法则来解释其意义．
(2011年德州高二检测)如图
4－1－5所示，一个质量为20 kg的
绝热汽缸竖直放置，绝热活塞的质
量为5 kg，处于静止状态时被封闭 图4－1－5
气体的高度为50 cm，现在在活塞上方加一15 kg的物体，待稳定后,被封闭气体的高度变为40 cm.求在这一过程中气体的内能增加了多少？(g取10 m/s2，不考虑活塞的大气压力及摩擦阻力)
例3
对能量守恒定律的理解及应用
【思路点拨】 (1)绝热过程内能增加，则应为其他形式的能转化为内能．
(2)绝热过程表示不吸热，也不放热；“导热性能良好且过程缓慢”表示此过程有热传递发生且及时充分，保持温度不变．
【自主解答】 由能的转化与守恒定律可知，内能的增加等于活塞和物体重力势能的减少，ΔU＝ΔE＝(M＋m)gh＝(15＋5)×10×(50－40)×10－2J＝20 J.
【答案】 20 J
变式训练 下列对能量的转化和守恒定律的认识正确的是( )
A．某种形式的能量减少，一定存在其他形式能量的增加
B．某个物体的能量减少，必然有其他物体的能量增加
C．不需要任何外界的动力而持续对外做功的机器——永动机是不可能制成的
D．石子从空中落下，最后停止在地面上，说明机械能消失了
解析：选ABC.能量守恒定律是指能量的总量不变,但更重要的是指转化和转移过程中的守恒．在不同形式的能量间发生转化，在不同的物体间发生转移．不需要任何外界动力而持续对外做功的机器是违背能量守恒定律的，是永远不可能制成的．机械能转化成了其他形式的能量而不能消失，能量是不会消失的．
知能优化训练
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