第1节功、热和内能的改变
课标解读 课标要求 素养要求
1.了解焦耳的两个实验的原理，知道做功和热传递的实质。 2.知道做功和热传递是改变内能的两种方式，理解做功和热传递对改变系统内能是等效的，明确两种方式的区别。 3.明确内能、功、热量、温度四个物理量的区别和联系。 1.物理观念：知道焦耳的两个实验，功与内能改变及热与内能改变的数量关系。 2.科学思维：掌握焦耳的两个实验的实质，理解功、热和内能改变的关系，会解释相关的现象，分析相关的问题。 3.科学探究：掌握两个实验的探究过程，利用“做一做”体验功与内能改变的关系，学会观察与操作并与他人合作交流，提高实验技能。 4.科学态度与责任：理解功、热与内能改变的实质，培养积极探究科学的兴趣，激发学习热情。
自主学习·必备知识
教材研习
教材原句
要点一功与内能的改变
在绝热过程中，外界对系统做功，系统的内能增加；系统对外做功，系统的内能减少。①
要点二热传递
两个温度不同的物体、相互接触时，温度高的物体要降温，温度低的物体要升温，我们说，热从高温物体传到了低温物体②
自主思考
①远古时代，取火是一件困难的事，火一般产生于雷击或白磷的自燃，随着人类文明的进步，我们的祖先发明了“钻木取火”的用具，使人们不再仅仅依靠自然的“恩赐”而得到“火”。你知道“钻木取火”的原理吗？
答案：提示做功可以改变物体的内能，“钻木取火”就是通过外力做功，使木材内能增加，温度达到着火点而燃烧。
②如图所示是热传递的三种方式——传导、对流和辐射。这三种方式在传递能量时有什么共同点？
答案：提示三种方式都是热量从高温物体传递到另外低温物体。
名师点睛
1.内能的理解
（1）微观：物体内所有分子热运动的动能和分子势能之和。
（2）宏观：只依赖于热力学系统自身状态的物理量。
2.功和内能
（1）在绝热过程中，外界对系统做的功等于系统内能的变化量，即。
（2）在热力学系统的绝热过程中，外界对系统所做的功仅由过程的始末两个状态决定，不依赖于做功的具体过程和方式。
3.热和内能
（1）热量：它是在单纯的传热过程中系统内能变化的量度。
（2）表达式：。
（3）功、热和内能的改变：做功和热传递都能引起系统内能的改变。做功是内能与其他形式能的转化；热传递只是不同物体（或一个物体的不同部分）之间内能的转移。
互动探究·关键能力
见学用157页
探究点一焦耳的实验
知识深化
1.两个实验的比较
项目 实验一 实验二
实验装置
做功方式 通过重物下落带动叶片搅水，靠叶片与水摩擦使水温升高，通过机械功实现能量转化 通过重物下落使发电机发电，电流通过电阻丝做功使水温升高，通过电功实现能量转化
实验条件 容器及其中的水组成的系统与外界绝热
共性 外界对系统做功相同，系统温度上升的数值相等，内能改变相同
2.实验结论：焦耳的实验表明，要使系统状态通过绝热过程发生变化，做功的多少只由过程的始末两个状态决定，而与做功的方式无关。
题组过关
1.（多选）如图所示为焦耳实验装置图，用绝热性能良好的材料将容器包好，重物下落带动叶片搅拌容器里的水，引起水温升高。关于这个实验，下列说法正确的是( )
A.只要重力做功相同，水温上升的数值就相同
B.做功增加了水的热量
C.做功增加了水的内能
D.功和热量是完全等价的，无区别
答案： ;
解析：只要重力做功相同，水温上升的数值就相同，项正确；做功增加了水的内能，热量只是热传递过程中内能改变的量度，项错误，项正确；做功和传热产生的效果相同，但功和热量是不同的概念，项错误。
探究点二功与内能的改变
情境探究
1.如图，在有机玻璃筒底放少量浸有乙醚的棉花，用力迅速压下活塞，观察棉花的变化。
（1）能看到什么现象？该实验现象说明了什么？
（2）用力按下活塞时为什么一定要迅速？
答案：提示（1）可以看到棉花燃烧起来，该现象说明压缩空气做功，使空气内能增大，温度升高，达到乙醚的着火点后引起棉花燃烧。
（2）迅速压下活塞是为了减少热传递，尽量创造一个绝热条件。
探究归纳
1.内能的理解
（1）物体的内能是指物体内所有分子的动能和势能的总和。在微观上由分子数和分子热运动剧烈程度及相互作用力决定，宏观上体现为物体温度和体积，因此物体的内能是一个状态量。
（2）在系统不吸热也不放热的绝热过程中，状态发生变化是由做功造成的，伴随的能量转化是外界的能量与系统自身的能量发生了转化。
（3）当物体温度变化时，分子热运动剧烈程度发生改变，分子平均动能变化。物体体积变化时，分子间距离变化，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，与中间做功的具体过程及方式无关。
（4）内能是状态量，由它的状态、温度、体积、质量决定。
2.做功与内能的变化的关系
（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；物体对外界做多少功，就有多少内能转化为其他形式的能，物体的内能就减少多少。用式子表示为：。
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。
探究应用
例如图所示，厚壁容器的一端通过胶塞插进一支灵敏温度计和一根气针，另一端有个用卡子卡住的可移动胶塞。用打气筒慢慢向容器内打气，使容器内的压强增大到一定程度，这时读出温度计示数。打开卡子，胶塞冲出容器口后( )
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
答案：
解析：胶塞冲出容器口后，气体膨胀，对外做功。由于没来得及发生热交换，由可知内能减小。内能等于物体内所有分子动能和势能之和，由于体积增大，势能增大，由此可知分子平均动能减小，所以温度降低。
解题感悟
分析绝热过程的方法
（1）在绝热的情况下，若外界对系统做正功，系统内能增加，为正值；若系统对外界做正功，系统内能减少，为负值。此过程做功的多少为内能转化多少的量度。
（2）在绝热过程中，内能和其他形式能一样也是状态量，气体的初、末状态确定了，在初、末状态的内能也相应地确定了，内能的变化量也确定了。而功是能量转化的量度，，这也是判断绝热过程的一种方法。
迁移应用
1.如图是压力保温瓶的结构简图，活塞与液面之间密闭了一定质量的气体。假设封闭气体为理想气体且与外界没有热交换，则向下压的过程中，瓶内气体( )
A.内能增大B.体积增大
C.压强不变D.温度不变
答案：
解析：向下压的过程中，外界对气体做功，瓶内气体内能增大，温度升高，再根据，体积减小，所以压强增大。
探究点三热与内能的改变
情境探究
1.当我们双手靠近火源，双手立即感受到热，这是为什么？冬天，我们搓搓手就会感到手暖一些，你认为改变物体内能有几种方式？
答案：提示双手靠近火源，热量从火源传到了手上，手的内能增加，所以手变热了。搓手是通过做功改变手的内能，所以改变物体内能有两种方式，即做功和热传递。
探究归纳
1.温度、内能、热量、功等概念的理解
（1）内能与温度：从宏观看，温度表示的是物体的冷热程度；从微观看，温度反映了分子热运动的剧烈程度，是分子平均动能的标志。对于理想气体，气体的温度升高，其内能一定增加，但向气体传递热量，内能却不一定增加（可能同时对外做功）。
（2）热量和内能：内能是由系统状态决定的，状态确定，系统的内能也随之确定，要使系统的内能发生变化，可以通过热传递或做功两种途径来完成。而热量是传递过程中的特征物理量，和功一样，热量只是反映物体在状态变化过程中所迁移的能量，是用来衡量物体内能变化的。有过程，才有变化，离开过程，毫无意义。就某一状态而言，只有“内能”，根本不存在什么“热量”和“功”，因此，不能说一个系统中含有“多少热量”或“多少功”。
（3）热量与温度：热量是系统的内能变化的量度，而温度是系统内分子做无规则运动剧烈程度的标志。
（4）热量与功：热量和功都是系统内能变化的量度，都是过程量，热量可以通过系统转化为功，功也可以通过系统转化为热量，但它们之间有着本质的区别。
2.热传递的理解
（1）热传递的实质：热传递实质上传递的是能量，结果是改变了系统的内能。传递能量的多少用热量来度量。
（2）热传递具有方向性：热量从高温物体传递到低温物体，或从物体的高温部分传递到低温部分。
（3）热传递的三种方式：热传导、热对流和热辐射。
3.传递的热量与内能改变的关系
（1）在单纯热传递中，系统从外界吸收多少热量，系统的内能就增加多少，即。
（2）在单纯热传递中，系统向外界放出多少热量，系统的内能就减少多少，即。
4.改变内能的两种方式的比较
项目 做功 热传递
内能变化 在绝热过程中，外界对物体做功，物体的内能增加；物体对外界做功，物体的内能减少 在单纯热传递过程中，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 都能引起系统内能的改变
探究应用
例（多选）一铜块和一铁块，质量相等，铜块的温度比铁块的温度高，当它们接触在一起时，如果不和外界交换能量，则 ( )
A.从两者开始接触到达到热平衡的整个过程中，铜块内能的减少量等于铁块内能的增加量
B.在两者达到热平衡以前的任意一段时间内，铜块内能的减少量不等于铁块内能的增加量
C.在两者达到热平衡以前的任意一段时间内，铜块内能的减少量都等于铁块内能的增加量
D.达到热平衡时，铜块的温度比铁块的低
答案： ;
解析：热平衡条件是温度相等，热传递的方向是从温度高的物体传向温度低的物体；在热传递过程中高温物体放出的热量等于低温物体吸收的热量，故、两项正确。
解题感悟
热传递的理解要点
（1）热传递与物体的内能的多少无关，只与两个物体（或一个物体的两部分）的温度差有关，热量总是从高温物体自发地传递到低温物体。（2）热传递过程中，热量可以由内能大的物体传递到内能小的物体上，也可以由内能小的物体传递到内能大的物体上，但一定是从高温物体传递到低温物体。
迁移应用
1.（2021广西防城中学高二月考）关于热传递，下列说法中正确的是( )
A.热传递是温度的传递
B.物体的内能发生了改变，一定是吸收或放出了热量
C.热传递可以在任何情况下进行
D.物体间存在着温度差，才能发生热传递
答案：
解析：物体的内能发生了改变，可能是由于发生了热传递，也可能是由于外界对物体做功；热传递的实质是能量的传递，必须在有温度差的情况下进行。
8第2节热力学第一定律
课标解读 课标要求 素养要求
1.知道热力学第一定律,并掌握其表达式。 2.能运用热力学第一定律解释自然界能量的转化、转移问题,并进行具体的计算。 1.物理观念：知道热力学第一定律及其符号法则。 2.科学思维：理解热力学第一定律的公式并能进行相关的分析计算。 3.科学探究：通过热力学第一定律的应用，养成与他人合作探究的习惯，体验科学家探究规律的艰辛与执着。 4.科学态度与责任：了解热力学第一定律的发现过程，体会科学探索中的挫折和失败对科学发展的意义。
自主学习·必备知识
教材研习
教材原句
要点热力学第一定律
一个热力学系统的内能变化量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和。
自主思考
①对于某一系统，当外界对系统做功为，又对系统传热为时，系统内能的增量应该是多少？
答案：提示系统内能的增量。
名师点睛
热力学第一定律的理解
（1）热力学第一定律将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述推广到一般情况。既有做功又有热传递的过程中，公式中表示内能的变化量，表示外界对系统做功，表示外界向系统传递的热量。
（2）热力学第一定律的表达式也适用于物体对外界做功、向外界散热和内能减少的情况，在应用进行计算时，注意它们的正、负。
互动探究·关键能力
见学用157页
探究点一热力学第一定律的理解和应用
情境探究
1.如图所示，汽缸内封闭了一定质量的气体。
（1）快速推动活塞，对汽缸内气体做功，气体内能改变了多少？
（2）若保持气体体积不变，外界对汽缸内气体传递的热量，气体内能改变了多少？
（3）若推动活塞压缩气体，对汽缸内气体做功的同时给汽缸传递的热量，气体内能改变了多少？内能的变化比单一方式有什么不同？
答案：（1）提示快速推活塞过程中，有，根据功和内能变化的关系，可知气体内能增加了。
（2）保持气体体积不变，则，根据热和内能变化的关系，可知气体内能增加了。
（3）气体内能增加了，汽缸内气体内能的变化量等于活塞对气体所做的功与外界对汽缸内气体传递的热之和，内能变化会比单一方式变化得更明显。
探究归纳
1.公式的符号规定
符号
+ 体积减小，外界对热力学系统做功 热力学系统吸收热量 内能增加
- 体积增大，热力学系统对外界做功 热力学系统放出热量 内能减少
2.热力学第一定律的几种特殊情况
（1）若过程是绝热的，即，则，外界对物体做的功等于物体内能的增加量。
（2）若过程中不做功，即，则，物体吸收的热量等于物体内能的增加量。
（3）若过程中物体的始、末内能不变，即，则或，外界对物体做的功等于物体放出的热量。
3.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)对外所做的功。
（3）根据热力学第一定律列出方程进行求解。
（4）特别注意的就是物理量的正负号及其物理意义。
探究应用
例（多选）（2021江苏南通高三月考）如图所示，由导热材料制成的汽缸和活塞将一定质量的理想气体封闭在汽缸内，活塞与汽缸壁之间无摩擦，活塞上方存有少量液体，将一细管插入液体，活塞上方液体会缓慢流出，在此过程中，大气压强与外界的温度保持不变，则关于这一过程中汽缸内的气体( )
A.单位时间内气体分子对活塞撞击的次数增多
B.气体分子间存在的斥力是活塞向上运动的原因
C.气体分子的速率分布情况不变
D.气体对外界做的功等于气体从外界吸收的热量
答案： ;
解析：活塞上方液体逐渐流出，对活塞受力分析可得，汽缸内气体压强减小，又汽缸内气体温度不变，则单位时间内气体分子对活塞撞击的次数减少，故项错误；气体分子对活塞的碰撞是活塞向上运动的原因，故项错误；外界的温度保持不变，导热材料制成的汽缸内气体温度不变，气体分子的速率分布情况不变，故项正确；汽缸内气体温度不变，汽缸内气体内能不变；汽缸内气体压强减小，体积变大，气体对外界做功；根据热力学第一定律可得，气体对外界做的功等于气体从外界吸收的热量，故项正确。
迁移应用
1.如图所示，直立容器内部有被隔板隔开的、两部分气体，的密度小，的密度大，抽去隔板，加热气体，使两部分气体均匀混合，设在此过程中气体吸收热量为、气体内能增加量为，则( )
A.
B.
C.
D.无法比较
答案：
解析：因的密度大，两部分气体混合后，整体重心升高，重力做负功，由热力学第一定律可得。
探究点二热力学第一定律和气体实验定律的综合应用
情境探究
1.爆米花酥脆可口、老少皆宜，是许多人喜爱的休闲零食。如图为“中国老式高压爆米花机”，那“嘭”的一声巨响，是许多70后、80后人童年的有趣记忆。玉米在铁质的密闭容器内被加热，封闭气体被加热成高温高压气体，当打开容器盖后，气体迅速膨胀，压强急剧减小，玉米粒就“爆炸”成了爆米花。思考以下问题：
（1）若加热前温度为，大气压为，密闭容器打开前的气体压强达到。试分析打开容器前气体的温度。
（2）假定在一次打开的过程中，容器内气体膨胀对外界做功，并向外释放了的热量，容器内原有气体的内能如何变化？变化了多少？
答案：（1）提示根据查理定律得，其中，，。解得，则。即打开容器前气体的温度为。
（2）由热力学第一定律，得，故内能减少。
探究归纳
1.对理想气体应用热力学第一定律
（1）对于理想气体来说，因不考虑分子势能，故其内能为所有分子动能的总和（即等于分子数与分子热运动的平均动能的乘积）。内能仅由分子数与温度决定，因此对于一定质量的理想气体来说，内能是否变化取决于其温度是否变化。升温，为正;降温，为负;温度不变，。
（2）理想气体是否做功，取决于其体积的变化。若体积变大，则气体对外界做功；体积变小，则外界对气体做功；体积不变，则做功为零。
（3）热量取决于容器是绝热的还是导热的，并不是温度升高吸热，温度降低放热。
（4）外界对理想气体做功或理想气体对外界做功时，若恒压膨胀，即压强不变时，功的计算公式为为理想气体的压强、为理想气体体积的变化量）。
2.理想气体与热力学第一定律综合问题的解法
探究应用
例（2021重庆西南大学附中高三月考）如图所示，一导热性能良好的球形容器内部不规则，某兴趣小组为了测量它的容积，在容器上插入一根两端开口的长玻璃管，接口处用蜡密封。玻璃管内部横截面积为，管内一长为的静止水银柱封闭着长度为的空气柱，此时外界温度为。现把容器浸在温度为的热水中，水银柱缓慢上升，当水银柱重新静止时下方空气柱长度变为。实验过程中认为大气压没有变化，大气压（相当于高水银柱的压强）。（的热力学温度值为，忽略水银柱与玻璃管壁之间的阻力）
（1）容器的容积为多少？
（2）若实验过程中管内气体内能增加了，请判断气体是从外界吸收热量还是向外界放出热量，并计算热量的大小。
答案：（1）（2）从外界吸热
解析：（1）设容器的容积为，，由盖-吕萨克定律得
（2）因为气体膨胀对外做功，而内能增加，由热力学第一定律可知，气体从外界吸收热量容器内气体压强为气体对外做功为由热力学第一定律得得吸收的热量
迁移应用
1.（多选）（2021天津耀华中学高三月考）一定质量的理想气体由状态经状态、到状态，其体积与热力学温度的关系如图所示，、、三点在同一直线上，和平行于横轴，平行于纵轴，则下列说法正确的是( )
A.由状态变到状态的过程中，气体吸收热量，每个气体分子的动能都会增大
B.从状态到状态，气体对外做功，内能减小
C.从状态到状态，气体内能增加
D.从状态到状态，气体密度不变
答案： ;
解析：由状态变到状态过程中，气体体积不变，则，温度升高，分子的平均动能增大，但并不是每个分子的动能都增大；同时，根据可知气体吸收热量，项错误。从状态到，气体温度不变，内能不变；体积变大，则气体对外做功，项错误。从状态到状态气体温度升高，则内能增加，项正确。从状态到状态，气体体积不变，则气体的密度不变，项正确。
6第3节能量守恒定律
课标解读 课标要求 素养要求
1.理解能量守恒定律，知道能量守恒定律是自然界普遍遵循的基本规律。2.能用能量守恒的观点解释自然现象，会用能量守恒的观点分析、解决有关问题。3.知道什么是第一类永动机及其不可能制成的原因。 1.物理观念：理解能量守恒定律及永动机不可能制成。2.科学思维：体会能量守恒定律的发现历程，培养归纳总结、分析推理能力。3.科学探究：通过了解能量守恒定律的探索过程，养成与他人合作探究的习惯，体验科学家探究规律的艰辛。4.科学态度与责任：学习科学家执着探索的科学精神，实事求是的科学态度，培养探究科学的兴趣。
自主学习·必备知识
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教材研习
教材原句
要点能量守恒定律
能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移①的过程中，能量的总量保持不变。
自主思考
①在热力学领域内，使热力学系统内能改变的方式有做功和热传递两种。做功的过程是其他形式的能转化为内能的过程，热传递是把其他物体的内能转移为系统的内能。在能量发生转化或转移时，能量的总量会减少吗？
答案：提示能量的总量不会减少。
名师点睛
能量守恒定律的理解
（1）意义：各种形式的能可以相互转化；各种互不相关的物理现象可以用能量守恒定律联系在一起。
（2）能量守恒的两种表达：某种形式的能减少，一定有其他形式的能增加，且减少量和增加量一定相等；某个物体的能量减少，一定存在其他物体的能量增加，且减少量和增加量一定相等。
互动探究·关键能力
见学用158页
探究点一能量守恒定律
情境探究
1.某同学利用“能量守恒定律”研究汽车油耗与行驶里程的关系。已知一辆汽车正在平直的公路上以速度匀速行驶，此时功率为，汽车的总效率为η，所使用的汽油的热值为（每完全燃烧单位质量的燃料释放的热量叫热值），现油箱中还有质量为的汽油（设汽车的质量为）。
（1）从此时到汽油消耗完，汽车还能行驶多远？
（2）从此时到汽车停下，行驶总距离为多少？
答案：（1）提示设汽车匀速行驶，则汽车行驶需要的能量，解得。
（2）设汽油用完后汽车做匀减速运动的距离为，则由动能定理知，又，所以汽车行驶的总距离：。
探究归纳
1.能量守恒定律的理解
（1）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，还有电磁能、化学能、原子能等。
（2）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；煤的燃烧，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。
（3）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，必须是只有重力或系统内的弹力做功；而能量守恒定律是没有条件的，它适用于任何物理现象和物理过程，是一切自然现象都遵守的基本规律。
2.能量守恒定律的意义
（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能量规律联系起来，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，彻底粉碎了永动机的幻想。
探究应用
例如图所示，密闭绝热容器内有一绝热的具有一定质量的活塞，活塞的上部封闭着气体，下部为真空，活塞与器壁间的摩擦忽略不计。置于真空中的轻弹簧一端固定于容器的底部，另一端固定在活塞上，弹簧被压缩后用绳扎紧，此时弹簧的弹性势能为（弹簧处在自然长度时的弹性势能为零）。现绳突然断开，弹簧推动活塞向上运动，经过多次往复运动后活塞静止，气体达到平衡状态。经过此过程( )
A.全部转化为气体的内能
B.一部分转化成活塞的重力势能，其余部分仍为弹簧的弹性势能
C.全部转化成活塞的重力势能和气体的内能
D.一部分转化成活塞的重力势能，一部分转化为气体的内能，其余部分仍为弹簧的弹性势能
答案：
解析：当绳子突然断开时，活塞受弹簧的弹力、重力、封闭气体对活塞向下的压力共同作用，其合力方向向上，经多次往复运动后活塞静止时，活塞处于三力平衡状态，气体体积必减小，外力对气体做功，由于容器绝热，气体的内能增加，而活塞最终的静止位置比初始位置高，其重力势能增加，弹力与另外两个力的合力平衡，弹簧仍有形变量。设最终弹簧的弹性势能为，由能量守恒定律得活塞增加的重力势能+气体增加的内能，所以项正确。
解题感悟
利用能量守恒定律解题的方法在应用能量守恒定律处理问题时，首先要弄清系统有多少种能量相互转化，分析哪种形式的能量增加了，哪种形式的能量减少了；或者弄清哪个物体的能量增加，哪个物体的能量减少，增加量等于减少量。
迁移应用
1.（多选）下列关于能量转化现象的说法中，正确的是( )
A.用太阳灶烧水是光能转化为内能
B.电灯发光是电能转化为光能
C.核电站发电是电能转化为内能
D.生石灰放入盛有凉水的烧杯里，水温升高是动能转化为内能
答案： ;
解析：核电站发电是核能转化为电能，生石灰放入盛有凉水的烧杯里，水温升高是化学能转化为内能。
2.如图所示为冲击摆实验装置，一质量为的子弹以射入质量为的沙箱后与沙箱合为一体，共同摆起一定高度，则整个过程中子弹和沙箱由于相互作用所产生的内能为多少？（不计空气阻力，重力加速度为）
答案：
解析：子弹和沙箱相互作用的过程中，损失的动能转化为系统内能，由能量守恒定律得
由于子弹和沙箱相互作用的时间极短，它们一起从最低点运动到最高点，满足机械能守恒定律，即
解得
探究点二永动机不可能制成
情境探究
1. 如图展示了一个极具想象力的设想，其大意是：上面水池中的水流下来，冲击叶轮转动；叶轮带动打磨轮和水泵的轴转动；人利用打磨轮打磨工件，同时，运转的水泵又把流到下面水池中的水抽到上面的水池中……只要一开始在上面水池中注满水，就能通过水的上下循环，使机器不停地工作。
（1）从上面水池中流下来的水，能否被水泵全部抽送到上面水池中？说明理由。
（2）这个设想曾得到不少人的赞许，并把这个装置誉为“永动机”。请运用你掌握的知识，说明这个装置是否真能“永动”。
答案：（1）提示不能，因为高处水池中水的重力势能，只有部分转化为叶轮的动能；而叶轮的动能部分用来打磨工件及克服摩擦力做功，不会全部供给水泵用来抽水。
（2）不能，由于水从上面流到下面水池的过程中，用来打磨工件消耗能量，故流下来的水不能全部被抽送到上面水池中，随着时间的推移，上面的水越来越少，一定时间后便不再有水从上面流下来，所以这个装置不能“永动”。
探究归纳
1.永动机失败的原因分析
答案：如果没有外界热源供给热量，则有，就是说，永动机对外做功，则，那么一定有，即系统内能减少，所以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。
2.永动机给我们的启示
答案：人类利用和改造自然时，必须遵循自然规律，永动机失败为能量守恒定律的建立从反面提供了证据。
探究应用
例（2021辽宁辽河油田第二中学高二期中）大约在1670年，英国赛斯特城的主教约翰·维尔金斯设计了一种磁力“永动机”。如图所示，在斜面顶上放一块强力的磁铁，斜面上端有一个小孔，斜面下有一个连接小孔直至底端的弯曲轨道，维尔金斯认为：如果在斜坡底端放一个小铁球，那么由于磁铁的吸引，小铁球就会向上运动，当小球运动到小孔处时，它就要掉下，再沿着斜面下的弯曲轨道返回斜坡底端，由于有速度而可以对外做功，然后又被磁铁吸引回到上端，到小孔处又掉下。在以后的二百多年里，维尔金斯的永动机居然改头换面地出现过多次，其中一次是在1878年，即在能量守恒定律确定20年后，竟在德国取得了专利权。关于维尔金斯“永动机”，正确的认识应该是( )
A.符合理论规律，一定可以实现，只是实现时间早晚的问题
B.如果忽略斜面的摩擦，维尔金斯“永动机”一定可以实现
C.如果忽略斜面的摩擦，铁球质量较小，磁铁磁性又较强，则维尔金斯“永动机”可以实现
D.违背能量守恒定律，不可能实现
答案：
解析：该思想违背了能量守恒定律，所以该“永动机”不可能实现。
迁移应用
1.有人设计了如图所示的“浮力永动机”，永动机的传动绳上均匀地固定了许多密度小于水的小球，容器底部的管道内径与小球直径相等。设计者认为，左边容器里的小球受到浮力的作用向上运动，管道中的小球也将被带着向上运动，一旦这个小球要上升离开管道，下一个小球就会进入管道而不使水漏出，因此永动机将永不休止地顺时针转动。你认为该“浮力永动机”能否实现永动 为什么
答案：不能，由能量守恒定律可知永动机是不可能制成的。
6第4节热力学第二定律
课标解读 课标要求 素养要求
1.通过自然界中宏观过程的方向性，了解热力学第二定律。 2.了解热力学第二定律的两种表述,并能用热力学第二定律解释为什么第二类永动机不能制造成功。 3.能用热力学第二定律解释自然界中的能量转化、转移及方向性问题,并能解决一些实际问题。 4.了解能量耗散、能源和环境。 1.物理观念：知道传热、扩散现象、机械能与内能的转化具有方向性，了解能量耗散和品质降低的原因，能解释相关现象。 2.科学思维：理解热力学第二定律的两种表述，学会用热力学第二定律解释自然界中的能量转化、转移及方向性问题，提高分析推理能力。 3.科学探究：通过对热机效率的探讨，揭示热机效率不能达到100%的实质，学会与他人交流合作，提高探索科学的能力。 4.科学态度与责任：学会科学家探索问题的方法，养成实事求是的科学态度，培养学习科学的兴趣。
自主学习·必备知识
见学用159页
教材研习
教材原句
要点一热力学第二定律
克劳修斯表述：热量不能自发地①从低温物体传到高温物体。该表述阐述的是传热的方向性。
开尔文表述：不可能从单一热库吸收热量，使之完全②变成功，而不产生其他影响。该表述阐述了机械能与内能转化的方向性。
要点二能量耗散和能源是有限的
分散在环境中的内能不能自动聚集起来驱动机器做功，这样的转化过程叫作“能量耗散”。能源的使用过程中虽然能的总量保持守恒，但能量的品质③下降了。虽然能量总量不会减少，但能源会逐步减少，因此能源是有限的资源。
自主思考
①“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”这一说法是否正确？为什么？
答案：提示这一说法是不正确的。热力学第二定律是说热量不能自发地从低温物体传到高温物体。此说法略去了“自发地”，通过外界做功是可以把热量从低温物体传到高温物体的。例如电冰箱的制冷就是这一情况。
②如图所示为国内某柴油机厂所产的单缸柴油机，图中上方部分为水箱。水箱所起的作用是什么 柴油机工作时，内能可以全部转化为机械能吗？为什么？
答案：提示柴油机工作时水箱所起的作用是作为低温热库。在内能向机械能转化的过程中，内能有一部分转移到低温热库（水箱），不可能全部转化为机械能。
③既然能量是守恒的，我们为什么还要节约能源？
答案：提示能量是守恒的，但能量耗散却会导致能量品质降低，它将能量从可用的形式降级为不大可用的形式。煤、石油、天然气等能源储存着高品质的能量，在利用它们的时候，高品质的能量释放出来并最终转化为低品质的内能。故能量虽然不会减少但可利用的高品质能源会越来越少，所以要节约能源。
名师点睛
热力学第二定律的理解
（1）传热的方向性
①热量可以自发地由高温物体传给低温物体。
②热量不能自发地由低温物体传给高温物体。
③一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的。
（2）热机
①热机工作的两个阶段：第一个阶段是燃烧燃料，把燃料中的化学能变成工作物质的内能。第二个阶段是工作物质对外做功，把自己的内能变成机械能。
②热机的效率：热机输出的机械功与燃料产生的热量的比值。用公式表示：。
互动探究·关键能力
见学用159页
探究点一热力学第二定律的理解
情境探究
1.地球上有大量的海水，它的总质量约为，有人设想让这些海水的温度降低，它将放出的热量，若全部用来发电，这相当于1 800万个功率为100万千瓦的核电站一年的发电量。
（1）这是一件既经济又没有环境污染的事情，这一想法违背能量守恒定律吗？
（2）这个设想能成功吗？为什么？
答案：提示（1）这一设想从能量转化角度是海水的内能转化为电能，并不违背能量守恒定律。
（2）这种利用海水的内能发电的过程，违背了热力学第二定律，所以不会成功。
2.电冰箱是一种利用工作物质，使热量从低温物体传到高温物体的装置，通过压缩机的工作可以使一定空间内的物体温度低于环境温度并维持低温状态。
（1）电冰箱“将热量从低温物体传到高温物体”是否违背热力学第二定律？
（2）夏天，将房间一台正在工作的电冰箱的门打开，这是否可以降低室内的平均温度？为什么？
答案：提示（1）在电冰箱的实例中，热量确实是从低温物体传到高温物体，但这不是自发的过程，这个过程必须有第三者的介入，即压缩机必须工作，所以其不违背热力学第二定律。
（2）不会降低室内的平均温度。若将一台正在工作的电冰箱的门打开，尽管可以不断向室内释放冷气，但同时冰箱的箱体也向室内散热，就整个房间来说，由于外界通过导线不断有能量输入，室内的温度会不断升高。
探究归纳
1.热力学第二定律的理解
（1）“自发地”过程就是不受外来干扰进行的自然过程，在热传递过程中，热量可以自发地从高温物体传到低温物体，却不能自发地从低温物体传到高温物体。要将热量从低温物体传到高温物体，必须“对外界有影响或有外界的帮助”，就是要有外界对其做功才能完成。电冰箱就是一例，它是靠电流做功把热量从低温处“搬”到高温处的。
（2）“不产生其他影响”的含义是发生的热力学宏观过程只在本系统内完成，对周围环境不产生热力学方面的影响。如吸热、放热、做功等。
（3）热力学第二定律的每一种表述都揭示了大量分子参与的宏观过程的方向性。如机械能可以全部转化为内能，内能却不可能全部转化为机械能而不引起其他变化，进一步揭示了各种有关热的物理过程都具有方向性。
（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）热力学第二定律的两种表述是等价的，即一个说法是正确的，另一个说法也必然是正确的；如一个说法是错误的，另一个说法必然是不成立的。
2.热力学第一定律与第二定律的比较
项目 热力学第一定律 热力学第二定律
定律揭示的问题 它从能量守恒的角度揭示了功、热量和内能改变量三者间的定量关系 它指出自然界中出现的宏观过程是有方向性的
机械能和内能的转化 当摩擦力做功时，机械能可以全部转化为内能 内能不可能在不引起其他变化的情况下全部转化为机械能
热量的传递 热量可以从高温物体自发地传到低温物体 说明热量不能自发地从低温物体传到高温物体
表述形式 只有一种表述形式 有多种表述形式
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，二者相互独立，又相互补充，都是热力学的理论基础
探究应用
例对热力学第一定律和第二定律的理解，下列说法正确的是( )
A. 热量不能由低温物体传递到高温物体
B. 外界对物体做功，物体的内能必定增加
C. 内能不能全部转化为机械能，同时不引起其他变化
D. 机械能不能全部转化为内能
答案：
解析：根据热力学第二定律可知，热量不能自发地由低温物体传递到高温物体，但在一定条件下，热量可以由低温物体传递到高温物体，例如电冰箱的工作过程，项错误；根据热力学第一定律，物体内能的变化量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和，项错误；项是热力学第二定律的表述形式之一；机械能可以全部转化为内能，项错误。
迁移应用
1.（多选）下列哪些过程具有方向性( )
A. 热传递过程
B. 动能向势能的转化过程
C. 气体的扩散过程
D. 气体向真空中的膨胀过程
答案： ; ;
解析：热传递、气体的扩散和气体在真空中的膨胀都是与热现象有关的宏观自然过程，由热力学第二定律可知，它们都具有方向性，故选项、、正确；动能向势能的转化与热现象无关，不具有方向性，故选项错误。
2.（多选）根据热力学第二定律，下列说法中正确的是( )
A. 不可能从单一热源吸热并把它全部用来做功，而不引起其他变化
B. 没有冷凝器，只有单一的热源，能将从单一热源吸收的热量全部用来做功，而不引起其他变化的热机是可以实现的
C. 制冷系统将冰箱里的热量传给外界较高温度的空气而不引起其他变化
D. 在火力发电中，燃气的内能不可能全部变成电能
答案： ;
解析：热力学第二定律揭示了与热现象有关的物理过程的方向性，故项正确；机械能和内能的转化过程具有方向性，机械能可以全部转化为内能，而内能要全部转化为机械能必须有外界的帮助，故项错误；冰箱向外传递热量时消耗了电能，故项错误；火力发电时，能量转化的过程为内能机械能电能，因为内能向机械能转化过程中会对外放出热量，故燃气的内能必然不会全部变为电能，故项正确。
探究点二热力学第二定律的应用
情境探究
1.如图是制冷机和热机的工作过程示意图，通过此图思考以下问题：
（1）制冷机工作时热量是自发地从低温热库传到高温热库吗？
（2）热机工作时能否将从高温热库吸收的热量全部用来做功？
答案：提示（1）不是，这个过程不是自发的，必须有第三者的介入，即必须开启制冷机的压缩机。
（2）不能，吸收的热量不可能全部转化为机械能。
探究归纳
1.热机
（1）热机：把内能转化成机械能的一种装置。
如蒸汽机把水蒸气的内能转化为机械能；内燃机把燃烧后的高温高压气体的内能转化为机械能。
（2）热机的工作原理
工作物质从热库吸收热量，推动活塞做功，然后排出废气，同时把热量散发到冷凝器或大气中。
根据能量守恒定律有。
（3）热机的效率
把热机做的功与它从热库中吸收的热量的比值叫作热机的效率，用表示，有。
因为，所以，。
这说明热机不可能把吸收的热量全部转化为机械能，总有一部分要散失到冷凝器或大气中。
（4）特别提示：①热机必须有热源和冷凝器。
②热机不能把它吸收的全部热量转化为机械能。
③因热机工作时，总要向冷凝器或大气散热，不可避免地要释放一部分热量，所以总有。
④热机的效率不可能达到，即使是理想热机，没有摩擦，也没有漏气等能量损失，它也不可能把吸收的热量百分之百地转化为机械能，总要有一部分热量要散发到冷凝器或大气中。
2.几个概念的理解
（1）单一热库：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。
（2）其他影响：指除了从单一热库吸收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全部对外做功，而是这样做的结果，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，而是指不产生其他影响的自动传热是不可能的。
（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。
探究应用
例下列宏观过程不能用热力学第二定律解释的是( )
A. 大米和小米混合后小米能自发地填充到大米空隙中而经过一段时间大米、小米不会自动分开
B. 将一滴红墨水滴入一杯清水中，会均匀扩散到整杯水中，经过一段时间，墨水和清水不会自动分开
C. 冬季的夜晚，放在室外的物体随气温的降低，不会由内能自发地转化为机械能而动起来
D. 随着节能减排措施的不断完善，最终也不会使汽车热机的效率达到100%
答案：
解析：热力学第二定律反映的是与热现象有关的宏观过程的方向性的规律，而项不属于热现象。
迁移应用
1.下列说法正确的是( )
A. 功可以完全转化为热量，而热量不可以完全转化为功
B. 热机必须是具有两个热库，才能实现热功转化
C. 热机的效率不可能大于1，但可能等于1
D. 热机的效率必定小于1
答案：
解析：开尔文表述没有排除热量可以完全转化为功，但必然要产生其他变化，比如气体等温膨胀，气体吸收的热量完全转化为功，但气体体积增大了，项错误；热机不可能只有单一热库，但未必就是两个热库，可以具有两个以上热库，项错误；热机不可能把吸收的热量全部转化为机械能，所以热机的效率不可能达到1，项错误，项正确。
2.（多选）如图中汽缸内盛有定量的理想气体，汽缸壁是导热的，缸外环境保持恒温，活塞与汽缸壁的接触是光滑的，但不漏气，现将活塞杆缓慢向右移动，这样气体将等温膨胀并通过杆对外做功。若已知理想气体的内能只与温度有关，则下列说法正确的是( )
A. 气体是从单一热源吸热，全部用来对外做功，此过程违背热力学第二定律
B. 气体是从单一热源吸热，但并未全部用来对外做功，此过程不违背热力学第二定律
C. 气体是从单一热源吸热，全部用来对外做功，此过程不违背热力学第二定律
D. 气体是从单一热源吸热，全部用来对外做功，此过程不违背热力学第一定律
答案： ;
解析：由于气体始终通过汽缸与外界接触，外界温度不变，活塞杆与外界连接并使其缓慢地向右移动过程中，有足够时间进行热交换，气体等温膨胀，所以汽缸内的气体温度不变，内能也不变，该过程气体是从单一热源即外部环境吸收热量，全部用来对外做功，此过程既不违背热力学第二定律，也不违背热力学第一定律，、项正确。
探究点三能源是有限的
情境探究
1.水磨是中国民间用水力带动的石磨。水磨用石制成，分上下两片，呈圆形。流动的水带动水磨做功，由于磨盘和粮食之间的摩擦和挤压，使磨盘和粮食的温度升高，水流的一部分机械能转变成了磨盘和粮食等的内能。
（1）分析通过什么方式使磨盘和粮食的内能增加了？
（2）这些内能最终流散到周围的环境中，但我们没有办法把这些流散的内能重新收集起来加以利用，可见，内能与机械能相比，哪种能量的品质低？
答案：提示（1）做功；
（2）内能品质低。
探究归纳
能量耗散的理解
1.各种形式的能最终都转化为内能，流散到周围的环境中，分散在环境中的内能不管数量多么巨大，它也只能使地球、大气稍稍变暖一点，却再也不能自动聚集起来驱动机器做功了。
2.从可被利用的价值来看，内能较之机械能、电能等，是一种低品质的能量。所以，能量耗散虽然不会导致能量的总量减少，却会导致能量品质的降低，实际上是将能量从高度有用的高品质形式降级为不大可用的低品质形式。
3.能量耗散从能量转化的角度反映出自然界中的自发变化过程具有方向性。
4.能量耗散导致可利用能源减少，所以要节约能源。
探究应用
例（多选）热现象过程中不可避免地出现能量耗散的现象，所谓能量耗散是指在能量转化的过程中无法把流散的能量重新收集、加以利用。下列关于能量耗散的说法正确的是 ( )
A. 能量耗散说明能量不守恒
B. 能量耗散不符合热力学第二定律
C. 能量耗散过程中能量仍守恒
D. 能量耗散是从能量转化的角度反映出自然界中的宏观过程具有的方向性
答案： ;
解析：能量耗散过程能量仍守恒，但可利用的能源越来越少，这说明自然界中的宏观过程具有方向性，恰恰符合热力学第二定律，故、项正确。
解题感悟
能量与能源的区别
（1）能量是守恒的，既不会增加也不会减少。
（2）能源是能够提供可利用能量的物质。
（3）能量耗散，能量总量不变，但能量品质会下降即能源减少，故我们要节约能源。
迁移应用
1.（多选）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
答案： ;
解析：尽管能量守恒，但耗散的能量无法重新收集利用，所以能源是有限的，特别是常规能源。
9章末总结
体系构建
见学用160页
① ② ③ ④ 自发地 ⑤ 完全 ⑥ 品质
综合提升
见学用160页
提升一热力学第一定律及其应用
例1 在如图所示的坐标系中，一定质量的某种理想气体先后发生以下两种状态变化过程：第一种变化是从状态到状态，外界对该气体做功为；第二种变化是从状态到状态，该气体从外界吸收的热量为。图线的反向延长线过坐标原点，、两状态的温度相同，理想气体的分子势能为零。求：
（1）从状态到状态的过程，该气体对外界做的功和其内能的增量；
（2）从状态到状态的过程，该气体内能的增量及其从外界吸收的热量。
答案：（1）0 （2）
解析：（1）由题意知从状态到状态的过程，气体发生等容变化
该气体对外界做的功
根据热力学第一定律有
内能的增量
（2）状态到状态与状态到状态升高相同的温度，故内能增量相同。到的过程，体积减小，温度升高
该气体内能的增量
根据热力学第一定律有
从外界吸收的热量
综合提升
1.公式：
其揭示了内能的增量、外界对物体做功与物体从外界吸热之间的关系。
2.各物理量符号的意义
物理量
大于零 物体的内能增加 外界对物体做功 物体吸热
小于零 物体的内能减少 物体对外界做功 物体放热
等于零 物体内能不变 物体对外界(或外界对物体)不做功 物体与外界绝热
3.应用热力学第一定律应注意的问题
（1）只有绝热过程，，用做功可判断内能的变化。
（2）只有在气体体积不变时，，，用吸热、放热情况可判断内能的变化。
（3）若物体内能不变，即，和不一定等于零，而是，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，做功的正负一般要看气体体积变化，气体体积缩小，；气体体积增大，。
迁移应用
1.（多选）（2021河北任丘第一中学高三月考）如图所示，一定质量的理想气体从状态依次经过状态、后又回到状态其中为等温过程。下列说法正确的是( )
A. 过程中，单位时间内、单位面积上与器壁碰撞的分子数增加
B. 过程中，气体放出热量
C. 过程中，气体分子的平均动能保持不变
D. 过程中，气体吸收热量
答案： ;
解析：过程中，压强不变，体积变大，分子数密度减小，温度升高，分子平均速率变大，则单位时间内、单位面积上与器壁碰撞的分子数减小，项错误；过程中，气体体积不变，温度降低内能减小，根据可知，气体放出热量，项正确；过程中，气体温度不变，则分子的平均动能保持不变，项正确；过程中，气体温度不变，内能不变，即；气体体积减小，外界对气体做功，即，则根据可知，气体放出热量，项错误。
2.对于一定质量的理想气体，下列说法错误的是( )
A. 若气体的压强和体积都不变，其内能也一定不变
B. 若气体的温度不断升高，其压强也一定不断增大
C. 若气体温度升高，其等容过程所吸收的热量一定小于等压过程所吸收的热量
D. 当气体温度升高时，气体的内能一定增大
答案：
解析：一定质量的理想气体的内能与温度有关，若气体的压强和体积都不变，则温度不变，其内能也一定不变，项正确；由知，气体的温度不断升高，压强不一定增大，项错误；根据热力学第一定律有，气体温度升高，相同，等容过程，等压过程，体积增大，则，故等容过程所吸收的热量一定小于等压过程所吸收的热量，项正确；温度升高，理想气体的内能一定增大，项正确。
提升二热力学第二定律及其应用
例2 (多选)地球上有很多的海水，它的总质量约为，如果这些海水的温度降低，将要放出的热量，有人曾设想利用海水放出的热量使它完全变成机械能来解决能源危机，但这种机器是不能制成的，关于其原因下列说法中不正确的是( )
A.内能不能转化成机械能
B.内能转化成机械能不满足热力学第一定律
C.只从单一热源吸收热量并完全转化成机械能的机械不满足热力学第二定律
D.机械能可全部转化为内能，内能不可能全部转化为机械能，同时不引起其他变化
答案： ;
解析：内能可以转化成机械能，如热机，项错误；内能转化成机械能的过程满足热力学第一定律，项错误；热力学第二定律告诉我们：不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化，、项正确。
综合提升
1.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进行接触时，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，来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。
2.热力学第一定律与热力学第二定律的比较
（1）关于摩擦生热：热力学第一定律中，滑动摩擦力做功可以全部转化为热。热力学第二定律却说明这一热量不可能在不引起其他变化的情况下完全变成功。
（2）关于热量的传递：热力学第一定律说明，热量可以从高温物体自动传向低温物体，而热力学第二定律却说明热量不能自发地从低温物体传向高温物体。
（3）关于能量：热力学第一定律说明在任何过程中能量必定守恒，热力学第二定律却说明并非所有能量守恒过程均能实现，能量转化具有方向性。
（4）两定律的关系：热力学第一定律是和热现象有关的物理过程中能量守恒的特殊表达形式，说明功及热量与内能改变的定量关系，而热力学第二定律指出了能量转化与守恒能否实现的条件和过程进行的方向，指出了一切变化过程的自然发展方向不可逆。所以二者相互独立，又相互补充。
迁移应用
1.(多选)下列说法正确的是( )
A. 冰箱能使热量从低温物体传递到高温物体，因此不遵循热力学第二定律
B. 空调工作时消耗的电能比室内温度降低所放出的热量要多
C. 自发的热传导是不可逆的
D. 可以通过给物体加热而使它运动起来，但不产生其他影响
答案： ;
解析：有外界的帮助和影响，热量可以从低温物体传递到高温物体，空调消耗的电能必大于室内温度降低所放出的热量，项错误，项正确；不可能通过给物体加热而使它运动起来但不产生其他影响，这违背了热力学第二定律，项错误，项正确。
提升三能量守恒定律的应用
例3 如图所示，绝热的容器内密闭一定质量的气体(不考虑分子间的作用力)，用电阻丝缓慢对其加热时，绝热活塞无摩擦地上升，下列说法错误的是( )
A.单位时间内气体分子对活塞碰撞的次数减少
B.气体吸热，气体对外做功，气体内能可能减少
C.气体吸热，气体对外做功，气体内能一定增加
D.气体吸热一定大于气体对外做功
答案：
解析：由题意知，气体压强不变，活塞上升，体积增大，由为恒量知，气体温度升高，内能一定增加，由热力学第一定律知，气体吸热一定大于气体对外做功，项错误，项正确；由气体压强的微观解释知温度升高，气体分子与活塞碰撞一次对活塞的冲击力增大，而压强不变，单位时间内对活塞的冲击力不变。因此单位时间内对活塞的碰撞次数减少，项正确。
综合提升
应用能量守恒定律解题的方法步骤
（1）认清有多少种形式的能(例如动能、势能、内能、电能、化学能、光能等)在相互转化。
（2）分别写出减少的能量和增加的能量的表达式。
（3）根据下列两种思路列出能量守恒方程：
①某种形式的能减少，一定存在其他形式的能增加，且减少量与增加量一定相等。
②某个物体的能量减少，一定存在其他物体的能量增加，且减少量与增加量一定相等。
（4）解方程，代入数据，计算结果。
迁移应用
1.水能不产生污染物，是一种清洁能源。位于美国和加拿大交界处的尼亚加拉瀑布流量可达每秒，而且一年四季流量稳定，瀑布落差。若利用这一资源发电，设其效率为50%，估算发电机的输出功率。（取，水的密度）
答案：
解析：水力发电的基本原理是水的机械能转化为电能
每秒钟流下的水的质量为
每秒钟水减少的机械能为
设发电机的输出功率为，则由能量守恒定律可得
解得
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见学用160页
1.（2021河北，15，12分）（1）两个内壁光滑、完全相同的绝热汽缸、，汽缸内用轻质绝热活塞封闭完全相同的理想气体，如图1所示。现向活塞上表面缓慢倒入细沙，若中细沙的质量大于中细沙的质量，重新平衡后，汽缸内气体的内能（填“大于”“小于”或“等于”）汽缸内气体的内能。图2为重新平衡后、汽缸中气体分子速率分布图像，其中曲线（填图像中曲线标号）表示汽缸中气体分子的速率分布规律。
（2）某双层玻璃保温杯夹层中有少量空气，温度为时，压强为。
（ⅰ）当夹层中空气的温度升至，求此时夹层中空气的压强；
（ⅱ）当保温杯外层出现裂隙，静置足够长时间，求夹层中增加的空气质量与原有空气质量的比值。设环境温度为，大气压强为。
答案：（1）大于; ① （2）（ⅰ）（ⅱ）
解析：（1）对活塞有 ,中细沙多，中活塞下降多，外界对中气体做功多，中气体内能大于中气体内能，中气体温度高，根据分子速率分布规律可知温度升高时分子速率分布峰值向右移，故曲线①表示汽缸中气体分子的速率分布规律。
（2）（ⅰ）夹层内气体原状态：、
温度升高后：、求
等容变化：
解得:
（ⅱ）设夹层容积为，夹层中增加的气体在压强为状态下的体积为 ,大气压强为
等温变化：
解得
2.（2020课标Ⅱ，33，5分）下列关于能量转换过程的叙述，违背热力学第一定律的有，不违背热力学第一定律、但违背热力学第二定律的有。（填正确答案标号）
A.汽车通过燃烧汽油获得动力并向空气中散热
B.冷水倒入保温杯后，冷水和杯子的温度都变得更低
C.某新型热机工作时将从高温热源吸收的热量全部转化为功，而不产生其他影响
D.冰箱的制冷机工作时从箱内低温环境中提取热量散发到温度较高的室内
答案： ;
解析：燃烧汽油产生的内能一方面向机械能转化，同时向空气中散热，符合热力学第一定律和热力学第二定律；冷水倒入保温杯后，没有对外做功，同时也没有热传递，内能不可能减少，故违背热力学第一定律；某新型热机工作时将从高温热源吸收的热量全部转化为功，必然产生其他影响，故违背热力学第二定律；制冷机消耗电能工作时从箱内低温环境中提取热量散发到温度较高的室内，发生了内能的转移，同时对外界产生了影响，既不违背热力学第一定律，也不违背热力学第二定律。
3.（多选）（2020课标Ⅲ，33，5分）如图，一开口向上的导热汽缸内，用活塞封闭了一定质量的理想气体，活塞与汽缸壁间无摩擦。现用外力作用在活塞上，使其缓慢下降。环境温度保持不变，系统始终处于平衡状态。在活塞下降过程中( )
A.气体体积逐渐减小，内能增加
B.气体压强逐渐增大，内能不变
C.气体压强逐渐增大，放出热量
D.外界对气体做功，气体内能不变
E.外界对气体做功，气体吸收热量
答案： ; ;
解析：理想气体的内能只与温度有关，温度保持不变，所以内能不变，项错误；由理想气体状态方程，可知体积减小，温度不变，所以压强增大，因为温度不变，内能不变，项正确；体积减少，外界对做功，但内能不变，由热力学第一定律可知，气体放热，、两项正确，项错误。
4.（2020山东，6，3分）一定质量的理想气体从状态开始，经、、三个过程后回到初始状态，其图像如图所示。已知三个状态的坐标分别为、、。以下判断正确的是( )
A.气体在过程中对外界做的功小于在过程中对外界做的功
B.气体在过程中从外界吸收的热量大于在过程中从外界吸收的热量
C.在过程中，外界对气体做的功小于气体向外界放出的热量
D.气体在过程中内能的减少量大于过程中内能的增加量
答案：
解析：根据气体做功的表达式可知图线和体积横轴围成的面积表示做功大小，所以在过程中气体对外界做的功等于过程中气体对外界做的功，项错误；气体从，满足玻意耳定律
，所以，所以，根据热力学第一定律可知，气体从，温度升高，所以，根据热力学第一定律可知，结合项可知，所以，过程气体吸收的热量大于过程气体吸收的热量，项错误；气体从，温度降低，所以，气体体积减小，外界对气体做功，所以，根据热力学第一定律可知，放出热量，项正确；理想气体的内能只与温度有关，根据可知，所以气体在过程中内能的减少量等于过程中内能的增加量，项错误。
5.（2020天津，5，5分）水枪是孩子们喜爱的玩具，常见的气压式水枪储水罐示意如图。从储水罐充气口充入气体，达到一定压强后，关闭充气口。扣动扳机将阀门打开，水即从枪口喷出。若在水不断喷出的过程中，罐内气体温度始终保持不变，则气体( )
A.压强变大
B.对外界做功
C.对外界放热
D.分子平均动能变大
答案：
解析：随着水向外喷出，气体的体积增大，由于温度不变，根据可知罐内气体压强减小，项错误；由于气体体积增大，对外界做功，气体温度不变，内能不变，根据热力学第一定律可知气体一定从外界吸收热量，项正确，项错误；温度是分子平均动能的标志，温度不变，分子平均动能不变，项错误。
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