1.功、热和内能的改变
素养目标
1.能够知道功、热量和内能的概念．(物理观念)
2．能够知道改变内能的两种方式．(科学思维)
3．能够掌握改变物体内能与做功和传热的关系．(科学探究)
自主落实·必备知识全过关
一、功和内能
1．焦耳的实验
(1)绝热过程：系统不从外界________，也不向外界________的过程．
(2)代表性实验
①重物下落带动叶片搅拌容器中的水，引起水温________；
②通过电流的________给水加热．
(3)实验结论：要使系统状态通过绝热过程发生变化，做功的数量只由过程始末两个状态决定，而与做功的________无关．
2．功与内能的改变
状态量
(1)内能：任何一个热力学系统都必定存在一个只依赖于系统________的物理量，这个物理量在两个状态间的差别与外界在________过程中对系统所做的功相联系．鉴于功是能量________的量度，所以这个物理量必定是系统的一种能量，我们把它称为系统的内能．
过程量
(2)功和内能：在绝热过程中，系统内能的变化量等于外界对系统做的功与做功方式无关，即________．
二、热与内能的改变
1．传热
(1)条件：物体的温度不同．
(2)定义：两个__________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，________从高温物体传到了低温物体．
2．热和内能
(1)热量：它是在单纯的传热过程中系统________变化的量度．
(2)表达式：________．
两种方式改变内能的效果是等效的
(3)传热与做功在改变系统内能上的异同：①做功和传热都能引起系统________的改变．②做功时是内能与其他形式的能发生________；传热只是不同物体(或一个物体的不同部分)之间________________．
情 境 体 验
原始社会，人们靠钻木取火，你知道其中的道理吗？
合作探究·能力素养全提升
探究一 做功与内能变化的关系
情境探究
幼儿园里一般都有滑梯，小朋友沿滑梯下滑时屁股通常会感到发热．
这是为什么？还有其他方式能达到同样效果吗？
核心归纳
1.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．
2．功与内能的区别：
(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，只有内能变化越大时，相应做的功才越多．
提醒：(1)外界对某一系统做功时系统的内能不一定增加，还要看该系统有没有向外放热，以及向外放热的多少．
(2)在绝热过程中，系统内能的增加量等于外界对系统所做的功．
应用体验
题型1 焦耳的实验
例1 如图所示是焦耳研究热与功之间关系的两个典型实验装置图，那么从焦耳的这两个实验中可得出的结论是( )
A．热量可由高温物体传给低温物体
B．机械能守恒
C．在各种不同的绝热过程中，系统状态的改变与做功方式无关，仅与做功数值有关
D．功和热量是完全等价的，无区别
题型2 做功与内能变化的关系
例2 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，下列说法正确的是( )
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
规律方法
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，ΔU为正值；若系统对外界做正功，系统内能减少，ΔU为负值．此过程做功的多少为内能转化的量度．
(2)在绝热过程中，内能和其他形式的能一样也是状态量，气体的初、末状态确定了，即在初、末状态的内能也相应地确定了，内能的变化量ΔU也确定了．而功是能量变化的量度，所以ΔU＝W，即W为恒量，这也是判断绝热过程的一种方法．
针对训练
1.(多选)某汽车后备箱内安装有撑起箱盖的装置，它主要由汽缸和活塞组成．开箱时，密闭于汽缸内的压缩气体膨胀，将箱盖顶起，如图所示．在此过程中，若缸内气体与外界无热交换，忽略气体分子间的相互作用，则缸内气体( )
A．对外做正功，分子的平均动能减小
B．对外做正功，内能增大
C．对外做负功，分子的平均动能增大
D．对外做正功，内能减小
探究二 功、内能、热量和温度的区别与联系
情境探究
如图所示是传热的三种方式——传导、对流和辐射，请在图片基础上思考以下问题：
(1)这三种方式在传递能量时有什么共同点？
(2)传热和做功都可以改变物体的内能，这两种方式在改变物体内能时本质上又有什么不同？
核心归纳
1.内能与温度：从宏观上看，温度表示的是物体的冷热程度；从微观上看，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．物体的温度升高，其内能一定增加．但向物体传递热量，物体的内能却不一定增加(可能同时对外做功)．
2．热量和内能：
(1)内能是由系统的状态决定的．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，可以通过传热和做功两种方式来完成．
(2)热量是传热过程中的特征物理量，热量只是反映物体在状态变化过程中所转移的能量，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．
(3)对某一状态而言，只有“内能”，根本不存在“热量”和“功”．不能说一个系统中含有多少热量．
3．热量与温度：热量是系统的内能变化的量度，而温度是系统内大量分子做无规则运动剧烈程度的标志．传热的前提条件是两个系统之间要有温度差，传递的是热量而不是温度．
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，一定量的热量与一定量的功相当，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．
5．改变内能的两种方式的比较：
比较 项目 做功 传热
内能 变化 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 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量在改变内能的效果上是相同的
应用体验
例3[2022·滨州高二检测](多选)下列说法中正确的是( )
A．做功和传热是改变物体内能的两种本质不同的物理过程，做功是其他形式的能和内能之间的转化，传热是物体内能的转移
B．外界对物体做功，物体的内能一定增大
C．物体向外界放热，物体的内能一定增大
D．物体内能发生了改变，可能是做功引起的，也可能是传热引起的，还可能是两者共同引起的
误区警示
传热、做功和内能的改变的认知误区
(1)误认为有传热或做功时，内能一定变化．
如果只是做功或只是进行热量传递都会改变物体的内能，但是如果做功的同时还有热量的传递，则内能不一定会发生变化．
(2)对做功与内能变化关系认识不清．
在判断内能增加或减小时，一定要搞清是对内做功还是对外做功，是从外界吸收热量还是向外界放出热量．
针对训练
2.[2022·泰安高二检测]如图所示，太阳能热水器是一种能够将太阳的光能转化为内能的装置．这种装置可以使装置内的水温度升高，这种改变水的内能的方式是( )
A．做功
B．热传递
C．既有做功也有热传递
D．电流的热效应
3．[2022·江苏江阴高中期中](多选)对于热量、功和物体的内能这三个物理量，下列叙述正确的是( )
A．热量、功、内能三者的物理意义相同
B．热量和功都可以作为物体内能的量度
C．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
D．热量和功是由过程决定的，而内能是由物体的状态决定的
学以致用·随堂检测全达标
1.关于传热，下列说法正确的是( )
A．传热是高温物体的温度传给低温物体
B．不接触的物体之间不会发生传热
C．比热容相同的物体之间不会发生传热
D．温度相同的物体之间不会发生传热
2．关于物体的内能和热量，下列说法中正确的是( )
A．热水的内能比冷水的内能多
B．温度高的物体其热量必定多，内能必定多
C．在热传递过程中，内能多的物体其内能将减少，内能少的物体其内能将增加，直至两物体的内能相等
D．热量是热传递过程中内能转移多少的量度
3．一定质量的气体经历一缓慢的绝热膨胀过程．设气体分子间的势能可忽略，则在此过程中( )
A．外界对气体做功，气体分子的平均动能增加
B．外界对气体做功，气体分子的平均动能减少
C．气体对外界做功，气体分子的平均动能增加
D．气体对外界做功，气体分子的平均动能减少
4．(多选)对于实际的气体，下列说法正确的是( )
A．气体的体积变化时，其内能可能不变
B．气体的内能包括气体分子热运动的动能
C．气体的内能包括气体整体运动的动能
D．气体的内能包括气体分子的重力势能
5．(多选)如图所示，透明瓶内有一些水，水的上方有水蒸气，用橡皮塞把瓶口封住，用气筒向瓶内打气，然后瓶塞会突然跳出，此时观察到瓶内有白雾产生．关于上述过程下列说法正确的有( )
A．快速向瓶内打入气体的过程，气体状态变化是等容变化
B．快速向瓶内打入气体时，瓶内水蒸气分子密度保持不变
C．瓶塞突然跳出瞬间，气体对外做功，瓶内气体温度降低
D．瓶内瞬间形成的白雾是悬浮在气体中的小水滴
1．功、热和内能的改变
自主落实·必备知识全过关
一、
1．(1)吸热 放热 (2)①上升 ②热效应 (3)具体过程和方式
2．(1)自身状态 绝热 变化 (2)ΔU＝W
二、
1．(2)温度 热
2．(1)内能 (2)ΔU＝Q (3)内能 转化 内能的转移
情境体验
提示：钻木时摩擦力做功，产生内能，温度升高．
合作探究·能力素养全提升
探究一
情境探究
提示：小朋友沿滑梯下滑时克服摩擦力做功，内能增加．热传递可以达到同样效果．
应用体验
[例1] 解析：焦耳通过多次实验，最后得到的结论是在各种不同的绝热过程中，系统状态的改变与做功方式无关，仅与做功数值有关，做功和传热产生的效果相同，但功和热量是不同的概念，故选项C正确．
答案：C
[例2] 解析：打开卡子，胶塞冲出容器口瞬间，由于时间极短，故瓶内气体与外界无热交换，气体体积变大，气体对外做功，W<0，内能减小，温度降低，C正确．
答案：C
针对训练
1．解析：气体膨胀，对外做正功，W<0，又因为缸内气体与外界无热交换，ΔU＝W，由此可知，气体内能减小，选项D正确；缸内气体忽略气体分子间的相互作用，即不考虑分子势能，分子的平均动能减小，选项A正确．
答案：AD
探究二
情境探究
提示：(1)热量从高温处向低温处传递．(2)传热改变内能是能量的转移过程，做功改变内能是能量的转化过程．
应用体验
[例3] 解析：做功和传热改变物体内能的本质不同，因为做功的过程一定是不同形式的能相互转化的过程，而传热是同种形式的能量(内能)在不同的物体之间或物体不同的部分之间传递或转移，A正确；物体内能的变化取决于做功和传热两种途径，单就一个方面的改变不足以断定其内能的变化情况，B、C错误，D正确．故选A、D.
答案：AD
针对训练
2．解析：太阳能热水器是通过吸收太阳光的热量，通过热传递的方式将水加热的，故选B.
答案：B
3．解析：热量、功和内能是三个不同的物理量，它们的物理意义不同，故A错误；功与热量都是能量转化的量度，都可以作为物体内能变化的量度，但不是物体内能的量度，故B错误；对一个绝热过程ΔU＝W＝100 J，对一个单纯传热过程ΔU＝Q＝100 J，C正确；功和热量由过程决定，内能由物体的状态决定．故D正确．
答案：CD
学以致用·随堂检测全达标
1．解析：A错：传热的实质是内能从高温物体转移到低温物体，传递的不是温度，传递的是热量．B错：不接触的物体之间可以通过热辐射的方式进行传热．C错：热量总是从温度高的物体传递给温度低的物体，和物体的比热容没有关系．D对：温度相同的物体之间不存在温度差，不会发生传热．
答案：D
2．解析：内能是物体内所有分子动能和势能的总和，宏观上看，其大小取决于物体的温度、体积、物质的量，温度高只能说明其分子的平均动能多，因为物质的量不一定相同，所以并不能说明它的分子总动能多，更不能说明它的内能多，A错误；热量是一个过程量，说哪个物体具有热量是毫无意义的，且温度高内能也不一定多，B错误；热传递的目的是传递内能，但是物体之间发生热传递的条件并不是内能不相等，而是温度不同，热传递的最终结果也不是内能相等，而是温度相同，C错误；热量是热传递过程中内能转移的量度，是一个过程量，D正确．
答案：D
3．解析：绝热膨胀过程气体体积增大，气体对外界做正功，外界对气体做负功，W<0，由ΔU＝W＝U2－U1知，气体的内能减少．由于气体分子间的势能可以忽略，分子总数不变，所以气体分子的平均动能减少．
答案：D
4．解析：气体的体积变化时，存在做功情况，但如果同时有热量交换，则其内能可能不变，A项正确；气体的内能包括气体分子热运动的动能和分子势能，B项正确；气体的内能不包括气体整体运动的动能，C项错误；气体的内能不包括气体分子的重力势能，D项错误．
答案：AB
5．解析：等容变化要求气体体积、质量均不变，而题目气体质量增大，故A错误；被打入的气体也含有水分子，瓶子体积不变，故瓶内水蒸气分子密度变大，B错误；瓶塞突然跳出瞬间，由于时间极短，故瓶内气体与外界无热交换，气体体积变大，气体对外做功，因此内能减小，温度降低，瓶内的水蒸气液化成小水珠，在瓶内形成白雾，C、D正确．
答案：CD2．热力学第一定律
3．能量守恒定律
素养目标
1.了解能量的转化和守恒．(物理观念)
2．知道能量在不同形式间转化总量不变，能够掌握能量的转化过程和总量的转化情况．(科学思维)
3．体会科学探索中的挫折和失败对科学发现的意义．(科学态度与责任)
自主落实·必备知识全过关
一、热力学第一定律
1．改变内能的两种方式
做功与传热．两者在改变系统内能方面是________.
2．热力学第一定律
末状态的内能减去初状态的内能
(1)内容：一个热力学系统的内能变化量等于外界向它传递的________与外界对它________的和．
(2)表达式：________．
二、热力学第一定律的应用
对于公式ΔU＝Q＋W的理解：外界对系统做功，W取________；系统对外界做功，W取________．外界对系统传递的热量Q取________；系统向外界传递的热量Q取________．
三、能量守恒定律自然界的普遍规律
1．内容：能量既不会凭空________，也不会凭空________，它只能从一种形式________为其他形式，或者从一个物体________到别的物体，在转化或转移的过程中，能量的________保持不变．
2．意义
(1)各种形式的能可以相互________．
(2)各种互不相关的物理现象可以用________定律联系在一起．
四、永动机不可能制成
第一类永动机
1．永动机：不需要任何动力或燃料，却能不断地对外做功的机器．
2．永动机不可能制成的原因：违背了________定律．
3．意义：正是历史上设计永动机的________，才使后人的思考走上了正确的道路．
情 境 体 验
1．汽缸内有一定质量的气体，压缩气体的同时给汽缸加热．气体内能的变化会比单一方式(做功或传热)更明显．这是为什么呢？
2．让“饮水小鸭”“喝”完一口水后，直立起来．直立一会儿，又会慢慢俯下身去，再“喝”一口，然后又会直立起来．如此循环往复……这种“饮水小鸭”玩具是一架永动机吗？为什么？
合作探究·能力素养全提升
探究一 热力学第一定律
情境探究
如图所示，一定质量的理想气体由a状态变化到b状态，请在图像基础上思考以下问题：
(1)在变化过程中是气体对外做功，还是外界对气体做功？
(2)在变化过程中气体吸热，还是向外放热？气体内能增加了，还是减少了？
核心归纳
1.对公式ΔU＝Q＋W中ΔU、Q、W符号的规定：
符号 Q W ΔU
＋ 物体吸收热量 外界对物体做功 内能增加
－ 物体放出热量 物体对外界做功 内能减少
2.几种特殊情况：
(1)若过程是绝热的，即Q＝0，则ΔU＝W，物体内能的增加量等于外界对物体做的功．
(2)若过程中不做功，即W＝0，则ΔU＝Q，物体内能的增加量等于物体从外界吸收的热量．
(3)若过程的始末状态物体的内能不变，即ΔU＝0，则W＝－Q(或Q＝－W)，外界对物体做的功等于物体放出的热量(或物体吸收的热量等于物体对外界做的功)．
3．判断是否做功的方法：一般情况下外界对物体做功与否，需看物体的体积是否变化．
(1)若物体体积增大，表明物体对外界做功，W<0.
(2)若物体体积减小，表明外界对物体做功，W>0.
应用体验
题型1 对热力学第一定律的理解
例1[2022·天津等级考]水枪是孩子们喜爱的玩具，常见的气压式水枪储水罐示意图如图所示．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M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
题型2 热力学第一定律的应用
例2[2022·辽宁沈阳郊联体高二期中]一定质量的气体，在保持压强恒等于1.0×105Pa的状况下，体积从20 L膨胀到30 L，这一过程中气体共从外界吸热4×103J，求：
(1)气体对外界做了多少焦耳的功？
(2)气体的内能变化了多少？
规律方法
应用热力学第一定律解题的方法
(1)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)对外界做的功；
(3)根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q列出方程进行求解；
(4)特别注意的是物理量的正负号及其物理意义．
题型3 热力学第一定律与气体状态图像的综合应用
例3[2022·北京卷]如图所示，一定质量的理想气体从状态a开始，沿图示路径先后到达状态b和c.下列说法正确的是( )
A．从a到b，气体温度保持不变
B．从a到b，气体对外界做功
C．从b到c，气体内能减小
D．从b到c，气体从外界吸热
题型4 气体实验定律与热力学第一定律的综合问题
例4 如图所示，圆柱形汽缸竖直放置，内有一质量m＝2 kg、横截面积S＝1×10－3m2的活塞封闭着一定质量的理想气体，活塞与汽缸壁封闭良好，不计摩擦．开始时活塞距汽缸底h1＝0.50 m，此时温度T1＝300 K．将汽缸缓慢加热至T2，活塞上升到距离汽缸底h2＝0.80 m处，同时缸内气体内能增加300 J，已知外界大气压p0＝1.0×105Pa，g取10 m/s2.求：
(1)缸内气体加热后的温度T2；
(2)此过程中缸内气体吸收的热量Q.
针对训练
1.一定质量的气体在保持压强恒等于1.0×105Pa的状况下，体积从20 L膨胀到30 L，这一过程中气体从外界吸收4×103J的热量，则气体的内能( )
A．增加了5×103J
B．减少了5×103J
C．增加了3×103J
D．减少了3×103J
2．[2022·江苏卷]如图所示，一定质量的理想气体分别经历a→b和a→c两个过程，其中a→b为等温过程，状态b、c的体积相同，则( )
A．状态a的内能大于状态b
B．状态a的温度高于状态c
C．a→c过程中气体吸收热量
D．a→c过程中外界对气体做正功
探究二 能量守恒定律
情境探究
(1)下图所示的永动机能实现吗？
(2)热力学第一定律与能量守恒定律是什么关系？
核心归纳
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量：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．
各种形式的能量，通过做功可以相互转化，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．守恒条件
与某种运动形式对应的能量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弹力做功；而能量守恒定律是没有条件的，它是一切自然现象都遵循的基本规律．
3．第一类永动机失败的原因分析
如果没有外界热库供给热量，则有U2－U1＝W，就是说，如果系统内能减少，即U2
应用体验
例5 如图所示为冲击摆实验装置，一质量为m的子弹以v0射入质量为M的沙箱后与沙箱合为一体，共同摆起一定高度h，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)
规律方法
应用能量守恒定律解决问题时，首先应明确题目中涉及了哪几种形式的能量，然后分析哪种形式的能量增加，哪种形式的能量减少，确定了研究的系统后，用能量守恒的观点即可求解．
针对训练
3.太阳能飞机是以太阳辐射作为推进能源的飞机．下列说法正确的是( )
A．太阳能可以转化为电能
B．太阳能不可以转化为电能
C．太阳能的利用，说明能量可以消失
D．太阳能的利用，说明能量可以创生
4．如图所示，直立容器内部有被位于中线位置的隔板隔开的A、B两部分气体，A的密度较大，B的密度较小，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热Q，气体内能增量为ΔU，则( )
A．ΔU＝Q B．ΔUC．ΔU>Q D．无法比较
学以致用·随堂检测全达标
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．煤燃烧是内能转化为化学能
D．风车发电是风的动能转化为电能
2.如图所示是密闭的汽缸，外力推动活塞P压缩气体(可视为理想气体)，对缸内气体做功800 J，同时气体向外界放热200 J，则缸内气体的( )
A．温度升高，内能增加600 J
B．温度升高，内能减少200 J
C．温度降低，内能增加600 J
D．温度降低，内能减少200 J
3.(多选)约翰·维尔金斯设计了一种磁力“永动机”，如图所示，在斜坡顶上放一块强有力的磁铁，斜坡上端有一个小孔，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P处时，它就要掉下，再沿着斜面下的弯曲轨道返回斜坡底端Q，由于有速度而可以对外做功，然后又被磁铁吸引回上端，到小孔P处又掉下．关于维尔金斯“永动机”，正确的认识应该是( )
A.一定不可能实现
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．违背了能量守恒定律
4．如图所示，一定质量的理想气体从状态a开始，经历状态b、c，到达状态d，已知一定质量的理想气体的内能与温度满足U＝kT(k为常数)．该气体在状态a时温度为T0，求：
(1)气体在状态d时的温度；
(2)气体从状态a到达状态d过程从外界吸收的热量．
2．热力学第一定律
3．能量守恒定律
自主落实·必备知识全过关
一、
1．等价的
2．(1)热量 所做的功 (2)ΔU＝Q＋W
二、
正值 负值 正值 负值
三、
1．产生 消失 转化 转移 总量
2．(1)转化 (2)能量守恒
四、
2．能量守恒
3．失败
情境体验
1．提示：做功和传热都可以使气体的内能增加．
2．提示：不是．这种玩具并不是永动机，它之所以能不停地点头喝水，是因为它包含着复杂的物理学原理。原来“饮水小鸭”内的液体是乙醚，一类易挥发的液体，在高温里很容易蒸发，而液体的饱和蒸汽所产生的压力又会随温度的改变而剧烈的改变．
合作探究·能力素养全提升
探究一
情境探究
提示：(1)由题图可知，气体的变化为等压膨胀，一定是对外做功．
(2)由日常经验可知，理想气体在等压膨胀过程中需要从外界吸收热量．由盖 吕萨克定律可知，理想气体在等压膨胀过程中温度升高，内能一定增加．
应用体验
[例1] 解析：由题可知，在水不断喷出的过程中，罐内气体的温度始终不变，体积变大，气体对外界做功，则根据玻意耳定律可知，气体的压强变小，A错误、B正确；由于温度始终不变，所以气体的内能不变，根据ΔU＝Q＋W可知，气体从外界吸收热量，C错误；因为气体的温度不变，所以气体分子平均动能不变，D错误．
答案：B
[例2] 解析：(1)气体对外做功W1＝p(V2－V1)＝1.0×105×(30－20)×10－3 J＝1×103 J.
(2)根据热力学第一定律有ΔU＝－W1＋Q，
解得ΔU＝－1×103 J＋4×103 J＝3×103 J，
即内能增加了3×103 J.
答案：(1)1×103 J (2)3×103 J
[例3] 解析：一定质量的理想气体从状态a开始，沿题图路径到达状态b过程中气体发生等容变化，压强减小，根据查理定律＝C，可知气体温度降低，再根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W，由于气体不做功，内能减小，则气体放热，A、B错误；一定质量的理想气体从状态b沿题图路径到达状态c过程中气体发生等压变化，体积增大，根据＝C，可知气体温度升高，内能增大，再根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W，可知b到c过程吸热，且吸收的热量大于功值，C错误、D正确．
答案：D
[例4] 解析：(1)气体做等压变化，
根据盖 吕萨克定律有＝，
解得T2＝480 K.
(2)缸内气体的压强p＝p0＋＝1.2×105 Pa，
在气体膨胀的过程中，外界对气体做的功W＝－pΔV＝－36 J，
根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，
得Q＝ΔU－W＝336 J.
答案：(1)480 K (2)336 J
针对训练
1．解析：气体等压膨胀过程中外界对气体做的功W＝－pΔV＝－1.0×105 Pa×(30－20)×10－3 m3＝－1.0×103 J，这一过程气体从外界吸收的热量Q＝4×103 J，由热力学第一定律ΔU＝W＋Q，可得ΔU＝－1.0×103 J＋4.0×103 J＝3.0×103 J，即气体内能增加了3×103 J，C正确．
答案：C
2．解析：由于a→b的过程为等温过程，即状态a和状态b温度相同，根据温度是气体分子平均动能的标志，可知状态a和状态b的分子平均动能相同，而理想气体内能只与温度有关，所以理想气体状态a的内能等于状态b的内能，选项A错误；由于状态b和状态c体积相同，且pb答案：C
探究二
情境探究
提示：(1)不能，违反了能量守恒定律和动量守恒定律．(2)能量守恒定律是各种形式的能相互转化或转移的过程，总能量保持不变，它包括各个领域，范围广泛．热力学第一定律是物体内能与其他形式的能之间的相互转化或转移，是能量守恒定律的具体体现．
应用体验
[例5] 解析：子弹和沙箱相互作用的过程中，损失动能，产生内能，由能量守恒定律得
ΔU＝－(M＋m)v2①
由于子弹和沙箱相互作用的时间极短，则它们一起从最低点以v做圆周运动，满足机械能守恒，即
(M＋m)v2＝(M＋m)gh②
由①②解得ΔU＝－(M＋m)gh.
答案：－(M＋m)gh.
针对训练
3．解析：A对，B错：太阳能电池工作时，将太阳能转化为电能．C、D错：太阳能在用于其他途径过程中，能量是守恒的，没有消失，也没有创生，太阳能的利用，只能说明能量是可以相互转化的．
答案：A
4．解析：抽去隔板前，因为B的密度小于A的密度，所以A、B气体的整体重心在中线以上，抽去隔板待气体混合均匀后，重心恰好在中线上，系统的重力势能减少，由能量守恒定律知，减少的重力势能与内能发生转化而使得气体内能增加，吸收的热量也使得气体内能增加，则气体内能的增量大于气体所吸收的热量，选项C正确．
答案：C
学以致用·随堂检测全达标
1．解析：用太阳灶烧水是光能转化为内能，A正确；电灯发光是电能转化为光能，B正确；煤燃烧是化学能转化为内能，C错误；风车发电是风的动能转化为电能，D正确．
答案：ABD
2．解析：对一定质量的理想气体，由热力学第一定律ΔU＝W＋Q可知，ΔU＝800 J＋(－200 J)＝600 J，ΔU为正，表示内能增加了600 J，对一定质量的理想气体来说，内能等于所有分子动能的和，内能增加，则气体分子的平均动能增加，温度升高，A正确．
答案：A
3．解析：维尔金斯“永动机”不可能实现，因为它违背了能量守恒定律．小球上升过程中，磁场力对小球做正功，使小球增加了机械能；但小球下落时，同样也受到磁场力，而且磁场力做负功，这个负功与上升过程的正功相互抵消，可见，即使忽略摩擦，要想在Q处对外做功，也是没有能量来源的，所以维尔金斯“永动机”不可能实现．故选A、D.
答案：AD
4．解析：(1)状态a与状态d压强相等，由盖 吕萨克定律有＝，解得Td＝3T0.
(2)由题意可知，Ua＝kT0，Ud＝3kT0，
由热力学第一定律有Ud－Ua＝Q＋W，
其中W＝－3p0(Vc－Vb)，联立可得Q＝2kT0＋6p0V0.
答案：(1)3T0 (2)2kT0＋6p0V04.热力学第二定律
素养目标
1.了解传热、扩散现象、机械能与内能的转化等都具有方向性．知道具有方向性的过程为不可逆的．(物理观念)
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第二类永动机不能制造成功的原因．(物理观念)
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．(科学思维)
4．了解能量耗散、能源和环境．(科学态度与责任)
自主落实·必备知识全过关
一、热力学第二定律
1．热力学第二定律的克劳修斯表述
不需要任何第三者介入就能发生
(1)内容：热量不能自发地从________物体传到________物体．即传热的过程具有________．
(2)传热的方向性
①热量可以自发地由____________物体传给________物体．
②热量不能自发地由______物体传给________物体．
③一切与热现象有关的宏观自然过程都是________.
2．热力学第二定律的另一种表述克劳修斯表述和开尔文表述是等价的
(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________变成工作物质的________．第二个阶段是工作物质对外________，把自己的内能变成________．
(2)开尔文表达阐述了机械能与内能转化的方向性
不可能从单一热库吸收热量，使之________________，而不产生其他影响．
二、能源是有限的
反映出自然界中的自发变化过程具有方向性
1．能量耗散：人类使用的能源最后都转化成________分散在环境中不能________聚集起来驱动机器做功，这样的转化过程叫作“能量耗散”．
2．能量耗散虽然不会导致能量总量的减少，却会导致能量________的降低，它实际上是将能量从高度有用的____________形式降级为可用性差的____________形式．
3．能源：是指具有高品质的容易利用的________________，例如石油、天然气、煤等．
走 进 生 活
电冰箱通电后箱内温度低于箱外温度，并且还会继续降温，直至达到设定的温度．显然这是热量从低温物体传递到高温物体．这一现象是否违背热力学第二定律呢？为什么？
合作探究·能力素养全提升
探究一 热力学第二定律
情境探究
如图是热量在传递过程中的情景．
(1)在自然过程中热量是如何传递的？
(2)空调是如何传递热量的？
核心归纳
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．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：
(1)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．
(2)除了从低温物体吸收热量、高温物体得到热量外，其他一切影响和变化．
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．
应用体验
例1 下列说法中正确的是( )
A．热量能自发地由高温物体传到低温物体
B．热量能自发地由低温物体传到高温物体
C．热量一定不可能由低温物体传到高温物体
D．空调机既能制热又能制冷，说明传热不存在方向性
针对训练
1.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
2．地球上有很多的海水，它的总质量约为1.4×1018t，如果这些海水的温度降低0.1 ℃，将要放出5.8×1023J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，但这种机器是不可能制成的，其原因是( )
A．内能不可以转化成机械能
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器不满足热力学第二定律
D．上述三种原因都不正确
探究二 能源和能量耗散
情境探究
如图所示是两幅宣传节约能源的图片．请思考：既然能量是守恒的，我们为什么还要节约能源？
核心归纳
1.如何正确理解能量耗散和品质降低
(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，它也不过只能使地球、大气稍稍变暖一点，却再也不能驱动机器做功了．
(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．由此可知，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形式降级为不大可用的形式．
(3)能量耗散导致可利用能源减少，所以要节约能源．
2．熵增加原理
(1)熵是无序程度的量度：根据熵的含义，热力学系统处于非平衡态时的粒子热运动有一定的有序性，因此，其熵值较小；当其达到平衡态后，其粒子热运动的无序性达到极高程度，使其熵值达到最大值．
(2)热力学系统演化的方向性：对于绝热或孤立的热力学系统而言，发生的是由非平衡态向平衡态变化的过程，因此，总是朝着熵增加的方向进行，或者说，一个孤立系统总是从熵小的状态向熵大的状态发展，这就是熵增加原理，也就是热力学第二定律的另一种表述形式．
如果过程可逆，则熵不变；如果过程不可逆，则熵增加，熵增加原理的适用对象是孤立系统，如果是非孤立系统，熵有可能减少．
应用体验
例2 (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、重新加以利用的现象．下列关于能量耗散的说法中正确的是( )
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方向性
针对训练
3.[2022·辽宁大连高二期中]下列说法中正确的是( )
A．自然界的能量的总和是守恒的，所以节约能源是毫无意义的
B．电源是通过静电力做功把其他形式的能转化为电势能的装置
C．电能转化为其他形式的能，是通过电流做功来实现的
D．能量耗散表明自然界的能量总和在不断减少
学以致用·随堂检测全达标
1.下列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方向进行
C．有的自然过程沿着分子热运动无序性增大的方向进行，有的自然过程沿着分子热运动无序性减小的方向进行
D．在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵一定会减小
2．关于自然过程中的方向性，下列说法正确的是( )
A．摩擦生热的过程是可逆的
B．凡是符合能量守恒的过程一般都是可逆的
C．实际的宏观过程都具有“单向性”或“不可逆性”
D．空调机既能制冷又能制热，说明热传递不存在方向性
3．煤、石油、水能、生物能的共同点是( )
A．都是来自太阳辐射的能量
B．都是可再生能源
C．都是不可再生能源
D．都是二次能源
4．[2022·福建泉州科技中学高二期中]随着人们对社会发展、全球环境问题认识的加深，可持续能源的开发和利用，已成为人类社会可持续发展的重要前提之一．以下关于能源开发和利用的认识，正确的是( )
A．地球上的能源是取之不尽，用之不竭的
B．节约能源是人类社会可持续发展的重要方面
C．提倡“低碳生活”就是提倡生活中不用或少用二氧化碳
D．能源的利用过程是可逆的
4．热力学第二定律
自主落实·必备知识全过关
一、
1．(1)低温 高温 方向性 (2)①高温 低温 ②低温 高温 ③不可逆的
2．(1)化学能 内能 做功 机械能 (2)完全变成功
二、
1．内能 自动
2．品质 高品质 低品质
3．储能物质
走进生活
提示：不违背．电冰箱工作时热量的确从低温物体(冰箱内的食品)传到了高温物体(冰箱外的空气)，但是这不是自发的过程，这个过程必须有第三者的介入，即压缩机消耗电能，对制冷系统做了功．
合作探究·能力素养全提升
探究一
情境探究
提示：(1)热量由温度高的物体传递给温度低的物体，或由温度高的地方传递到温度低的地方．
(2)空调可以通过电机做功，把热量从温度比较低的房间内传递到房间外．
应用体验
[例1] 解析：A对，B错：热量能自发地由高温物体传到低温物体，但不能自发地由低温物体传到高温物体．C错：热量可能由低温物体传到高温物体，如电冰箱将内部的热量传到外部．D错：传热存在方向性的含义是指热量可以自发地从高温物体传到低温物体，而不能自发地从低温物体传到高温物体，但若有其他影响也可以将热量从低温物体传到高温物体，例如，空调机制冷时必须通过压缩机做功才能实现热量从低温物体传到高温物体．
答案：A
针对训练
1．解析：热力学第一定律揭示了内能与其他形式的能之间的转化关系，是能量守恒定律在热学中的具体体现．热力学第二定律则进一步阐明了内能与其他形式的能转化时的方向性，二者表述的角度不同，本质不同，并不矛盾，故B项正确．
答案：B
2．解析：本题考查热力学第一、第二定律的应用，内能可以转化成机械能，如热机，选项A错误；内能转化成机械能的过程满足热力学第一定律，即能量守恒定律，选项B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，选项C正确．
答案：C
探究二
情境探究
提示：能量是守恒的，但能量耗散却会导致能量品质降低，它实际上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．
应用体验
[例2] 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，符合热力学第二定律，C、D正确．
答案：CD
针对训练
3．解析：自然界的能量的总和是守恒的，但人类可以利用的能源是有限的，节约能源不仅能使我们长久利用，并且可以减少常规能源在使用中带来的污染，节约能源对人类社会的发展有很大的意义，A、D错误；电源是通过非静电力做功把其他形式的能转化为电势能的装置，B错误；通过电流做功，可以把电能转化为其他形式的能，C正确．
答案：C
学以致用·随堂检测全达标
1．解析：系统的热力学过程就是大量分子无序运动状态的变化，从微观的角度看，热力学第二定律是一个统计规律，A正确；根据熵增加原理，一切自然过程总是沿着分子热运动无序性增大的方向进行，B、C错误；根据热力学第二定律可知，在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵一定不会减小，D错误．
答案：A
2．解析：摩擦生热的过程是不可逆的，A错误；符合能量守恒的过程一般都是不可逆的，B错误；实际的宏观过程都具有“单向性”或“不可逆性”，C正确；空调机在引起其他变化的情况下既能制冷又能制热，不能说明热传递不存在方向性，D错误．
答案：C
3．解析：煤、石油、水能、生物能都是来自太阳辐射的能量，是一次能源，煤和石油是不可再生能源，水能和生物能是可再生能源，A正确．
答案：A
4．解析：地球上的能源不是取之不尽，用之不竭的，故A错误；节约能源是人类社会可持续发展的重要方面，故B正确；提倡“低碳生活”是提倡生活中所耗用的能量要尽量减少，从而降低碳特别是二氧化碳的排放量，故C错误；能源的利用过程是不可逆的，故D错误．
答案：B