(共36张PPT)
第三章 热力学定律
本章小结
构建知识网络
归纳专题小结
我们知道，做功和热传递都可以改变物体的内能．在一般情况下，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W加上物体从外界吸收的热量Q就等于物体内能的增量ΔU，即ΔU＝Q＋W.此即为热力学第一定律，式中各物理量符号的含义规定如下：
专题1 热力学第一定律及其符号法则
物理量 符号 ＋ －
W 外界对系统做功 系统对外界做功
Q 系统吸热 系统放热
ΔU 内能增加 内能减少
应用热力学第一定律解题时，应注意挖掘题目隐含的条件：
(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变化量．
(2)若过程中不做功，即W＝0，则Q＝ΔU，物体吸收(或放出)的热量等于物体内能的变化量．
(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．
例1 一定质量的气体，在从一个状态变化到另一个状态的过程中，吸收热量280 J，并对外做功120 J，试问：
(1)这些气体的内能发生了怎样的变化？
(2)如果这些气体又返回到原来的状态，并放出了240 J热量，那么在返回的过程中是气体对外界做功，还是外界对气体做功？做功多少？
解：(1)由热力学第一定律得：ΔU＝W＋Q＝280 J－120 J＝160 J，内能增加了160 J.
(2)ΔU′＝－ΔU＝－160 J，Q′＝－240 J，由热力学第一定律得：W′＝ΔU′－Q′＝－160 J－(－240 J)＝80 J，即外界对气体做了80 J的功．
热力学第一定律与气体实验定律的结合量是气体的体积和温度，当温度变化时，气体的内能变化；当体积变化时，气体将伴随着做功．解题时要掌握气体变化过程的特点：
1．等温过程：内能不变ΔU＝0.
2．等容过程：W＝0.
3．绝热过程：Q＝0.
专题2 热力学定律与气体实验定律的结合
例2 如图所示，体积为V、内壁光滑的圆柱形导热汽缸顶部有一质量和厚度均可忽略的活塞；汽缸内密封有温度为2.4T0、压强为1.2p0的理想气体．p0和T0分别为大气的压强和温度．已知气体内能U与温度T的关系为U＝aT，a为正数常量；容器内气体的所有变化过程都是缓慢的．求：
(1)汽缸内气体与大气达到平衡时的体积V1；
(2)在活塞下降过程中，汽缸内气体放出的热量Q.
1．用于分析宏观过程的方向性
“自动地”和“不引起其他变化”是理解热力学第二定律的关键．第二定律的每一种表述，都揭示了自然界中涉及热现象的宏观过程都具有方向性．
2．分析永动机不可能制成的原因
第一类永动机违背了能量守恒定律，不可能制成．第二类永动机也是不可能制成的，它虽然不违背能量守恒定律，但违背热力学第二定律中宏观热现象的方向性．
专题3 热力学第二定律
3．热力学第二定律在生活中的综合应用
(1)生活中有时也会出现热量从低温物体传到高温物体的机器，如最典型的制冷类型机器，像电冰箱、空调等，但这些都是有条件的，即有外界参与的．让热量无条件地、自发地从低温物体传到高温物体是不可能的．
(2)用热力学第二定律的两种表述来解释有关物理现象，是判断物理过程能否发生的依据．
例3 (多选)根据热力学第二定律，下列判断正确的是 ( )
A．电流的能量不可能全部变为内能
B．在火力发电机中，燃气的内能不可能全部变为电能
C．热机中，燃气内能不可能全部变为机械能而不引起其他变化
D．在热传递中，热量可能自发地从低温物体传递给高温物体
解析：根据热力学第二定律可知，凡与热现象有关的宏观过程都具有方向性，电流的能量可全部变为内能(由焦耳定律可知)，而内能不可能全部变为电能而不产生其他影响．机械能可全部变为内能，而内能不可能全部变成机械能而不产生其他影响．在热传递中，热量可以自发地从高温物体传递给低温物体，而不能自发地从低温物体传递给高温物体，所以选项B、C正确．
答案：BC
典练素养提升
1．[物理观念](多选)如图所示，一绝热容器被隔板K隔开成a、b两部分．已知a内有一定量的稀薄气体，b内为真空．抽开隔板K后，a内气体进入b，最终达到平衡状态．在此过程中 ( )
A．气体对外界做功，内能减少
B．气体不做功，内能不变
C．气体压强变小，温度不变
D．气体压强变大，温度不变
【答案】BC
【解析】由于b内为真空，抽开隔板K后，a内气体进入b，气体不做功，内能不变，A错误，B正确．由于气体体积增大，温度不变，气体压强变小，C正确，D错误．
2．[物理观念]密闭有空气的薄塑料瓶因降温而变扁，此过程中瓶内空气(不计分子势能) ( )
A．内能减小，吸收热量 B．内能减小，外界对其做功
C．内能增大，放出热量 D．内能增大，对外界做功
【答案】B
【解析】因不计分子势能，所以瓶内空气内能由温度决定，内能随温度降低而减小．空气内能减小、外界对空气做功，根据热力学第一定律可知空气向外界放热．故A、C、D错误，B正确．
3．[科学思维](多选)如图，用隔板将一绝热汽缸分成两部分，隔板左侧充有理想气体，隔板右侧与绝热活塞之间是真空．现将隔板抽开，气体会自发扩散至整个汽缸．待气体达到稳定后，缓慢推压活塞，将气体压回到原来的体积．假设整个系统不漏气．下列说法正确的是 ( )
A．气体自发扩散前后内能相同
B．气体在被压缩的过程中内能增大
C．在自发扩散过程中，气体对外界做功
D．气体在被压缩的过程中，外界对气体做功
【答案】ABD
【解析】由于隔板右侧与绝热活塞之间是真空，气体在真空中自发扩散，不对外界做功，又由于绝热汽缸，与外界无热量交换，根据热力学第一定律，所以气体自发扩散前后内能相同，选项A正确，C错误；气体被压缩时，体积减小，外界对气体做功W>0 ，而Q＝0，根据热力学第一定律，ΔU＝Q＋W，则ΔU>0，即气体在被压缩的过程中内能增大，选项B、D正确．
4．[物理观念](多选)如图所示，一定质量的理想气体经历了A→B→ C的状态变化过程，则下列说法正确的是 ( )
A．A→B过程中，压强不变
B．A→B过程中，外界对气体做负功
C．B→C过程中，气体分子间距增大
D．B→C过程中，气体分子无规则热运动变剧烈
【答案】BD
5．[物理观念](多选)如图所示，一演示用的“永动机”转轮由5根轻杆和转轴构成，轻杆的末端装配用形状记忆合金制成的叶片．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 ( )
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从热水中吸收的热量
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
【答案】BD
【解析】根据能量守恒定律知，形状记忆合金从热水中吸收热量后，一部分能量在伸展划水时转变为水和转轮的动能，另一部分释放到空气中．转轮转动的过程中克服摩擦力做功，转轮的速度越来越小，所以要维持转轮转动需要外力做功，故A错误，B正确．转动的叶片不断搅动热水的过程是水对转轮做功的过程，同时水会向四周放出热量，根据热力学第一定律可知水的内能减小，故水温降低，故C错误．根据热力学第二定律，物体不可能从单一热源吸收能量全部用来对外做功而不引起其他变化，故叶片在热水中吸收的热量一定大于在空气中释放的热量，也一定大于水和转轮获得的动能，故D正确．
6．[物理观念](多选)一定质量的理想气体，从状态A变化到状态B，再变化到状态C，其状态变化过程的p－V图像如图所示，已知气体处于状态A时的温度为300 K，则下列判断正确的是 ( )
A．气体处于状态B时的温度为900 K
B．气体处于状态C时的温度为300 K
C．从状态A变化到状态C过程气体内能一直
增大
D．从状态A变化到状态B过程气体放热
【答案】AB
7．[科学思维](多选)(2023年广东学业考试)将一个踩扁的乒乓球放到热水中，乒乓球会恢复原形，则在乒乓球恢复原形的过程中，球内气体 ( )
A．吸收的热量等于其增加的内能
B．压强变大，分子平均动能变大
C．吸收的热量大于其增加的内能
D．对外做的功大于其吸收的热量
【答案】BC
【解析】将一个踩扁的乒乓球放入热水中，一段时间后，乒乓球恢复为球形，是因为乒乓球中的气体吸收热量，温度升高，气体内能增大；压强变大，体积膨胀，所以对外做功．吸收的热量一部分转化为气体的内能，一部分用来对外做功，因此吸收的热量大于其增加的内能，B、C正确．
8．[科学思维](多选)(2022年天津卷)采用涡轮增压技术可提高汽车发动机效率．将涡轮增压简化为两个过程：一定质量的理想气体首先经过绝热过程被压缩，然后经过等压过程回到初始温度，则 ( )
A．绝热过程中，气体分子平均动能增加
B．绝热过程中，外界对气体做负功
C．等压过程中，外界对气体做正功
D．等压过程中，气体内能不变
【答案】AC
9．[科学思维](2023年梅州联考)在党的二十大会议中要求坚定实施创新驱动发展战略，向创新要动力．压缩空气储能(CAES)是一种利用压缩空气来储存能量的新型储能技术，绝热压缩空气储能方式是压缩空气并将产生的热能储存在各种介质当中，比如混凝土、石头、矿洞矿石中等．需要发电的时候让压缩空气推动发电机工作，这种方式能够将压缩空气储能的效率提升．对于上述过程的理解，下列说法正确的是 ( )
A．绝热压缩空气，分子平均动能不变
B．绝热压缩空气，温度升高，气体内能一定增大
C．该方式能够将压缩空气储能的效率提升到100%
D．压缩空气推动发电机工作，是气体对外做功，内能增大
【答案】B
【解析】绝热压缩空气前后，外界对气体做功，根据热力学第一定律，内能增大，温度升高，分子平均动能增大，A错误，B正确；压缩空气储能的过程涉及热运动的能量转换过程，任何转换过程效率都不可能达到100%，C错误；压缩空气膨胀推动发电机工作，是气体体积增大对外做功，根据热力学第一定律可知，内能减少，D错误．
10．[科学思维]在如图所示的坐标系中，一定质量的某种理想气体发生以下两种状态变化：第一种变化是从状态A到状态B，外界对该气体做功为6 J；第二种变化是从状态A到状态C，该气体从外界吸收的热量为9 J，图线AC的反向延长线通过坐标原点O，B、C两状态的温度相同，理想气体的分子势能为零，求：
(1)从状态A到状态C的过程，外界对该气体做的功W1和气体内能的增量ΔU1；
(2)从状态A到状态B的过程，该气体内能的增量ΔU2及其从外界吸收的热量Q2.
解：(1)从状态A到状态C过程，气体发生等容变化，该气体对外界做功W1＝0，
根据热力学第一定律有ΔU1＝W1＋Q1，
内能的增量ΔU1＝Q1＝9 J.
(2)已知从状态A到状态B的过程中，外界对气体做功，体积减小，温度升高，
由B、C两状态的温度相同，知该气体内能的增量
ΔU2＝ΔU1＝9 J，
根据热力学第一定律有ΔU2＝W2＋Q2，
从外界吸收的热量Q2＝ΔU2－W2＝3 J．(共9张PPT)
第三章 热力学定律
本章易错题归纳
丢分题1 关于温度、热量和内能，下列说法中正确的是 ( )
A．温度是分子动能的标志，动能越大的分子其温度也就越高
B．物体吸热，内能增加，温度一定升高
C．温度高的物体比温度低的物体含的热量多
D．物体的温度升高，分子热运动加快，内能一定增加
【答案】D
类型
混淆“温度、热量、内能”三个概念的区别
【解析】温度是描述热现象的一个基本概念，凡是跟温度有关的现象都是热现象，从分子动理论的观点看，温度是物体分子无规则运动(热运动)的平均动能的标志，它是状态量，是大量分子热运动的宏观表现，对于个别分子来说，温度是没有意义的，因此A错误；物体吸热，内能增加，但温度不一定升高，所以B错误；热量是一个过程量，它是内能变化的一种量度，只有在热传递的过程中才有意义，它度量了热传递过程中内能转移的数量．热量只能“传递”，不能“具有”，所以C错误；物体的温度升高了，说明分子热运动加快，内能一定增加，其原因可能是吸收了热量，也可能是另外的物体对它做了功，D正确．
易错分析 有些同学认为物体吸热，内能增加，温度一定升高，而晶体熔化时，液体沸腾时，都需吸热，但温度都没升高，由于物质状态的变化，使分子间相互作用情况发生了变化，分子势能增加，因此增加了物体的内能．内能是物体的状态量，它是物体在某一时刻所具有的一种能量．热量是过程量，它是在某一段过程中物体之间发生热交换的那一部分能量．热量是物体在热传递的过程中其内能(热能)改变量的量度．在只发生热传递的过程中，物体吸收(放出)多少热量，其内能就增加(减少)多少．热量不属于哪一个物体，它量度的是变化量、交换量．说某一物体具有多少热量，就如同说某一物体具有多少功一样不正确.
丢分题2 对一定质量的气体，下列说法正确的是 ( )
A．在体积不断缓慢增大的过程中，气体一定对外界做功
B．在压强不断增大的过程中，外界对气体一定做功
C．在体积不断被压缩的过程中，内能一定增加
D．在与外界没有发生热量交换的过程中，内能一定不变
【答案】A
类型
对热力学第一定律三个物理量之间的关系认识不全面
易错分析 热力学第一定律是跟热现象有关的物理过程中能量守恒定律的特殊表达形式，它说明功、热量与内能改变之间的定量关系．指出在任何热力学过程中能量不会有任何增加或损失．外界对物体所做的功W加上物体从外界吸收的热量Q等于物体内能的增加ΔU，即ΔU＝W＋Q处理问题时必须注意三者的关系．
丢分题3 (多选)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．机械功可以全部转化为热量，但热量不可能全部转化为机械功
D．机械功可以全部转化为热量，热量也可能全部转化为机械功
类型
错误理解热力学第二定律
【答案】BD
【解析】根据热传递的规律可知热量能够自发地从高温物体传到低温物体；当外界对系统做功的时，可以使系统从低温物体吸取热量传到高温物体上去，制冷机(例如冰箱和空调)就是这样的装置，但是热量不能自发地从低温物体传到高温物体，A错误，B正确；一个运动的物体，克服摩擦阻力做功，最终停止；在此过程中机械功全部转化为热量．外界条件发生变化时，热量也可以全部转化为机械功；例如在等温膨胀过程中，系统吸收的热量全部转化为对外界做的功，C错误，D正确．
易错分析 热力学第二定律揭示了大量分子参与宏观过程的方向性，使人们认识到自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性．热量会自发地从高温物体传给低温物体，但不会自发地从低温物体传给高温物体．这说明：热传导的过程是有方向性的．这个过程可以向一个方向自发地进行，但是向相反的方向不会自发进行．要实现相反方向的过程，必须借助外界帮助，因而产生其他影响或引起其他变化．显然在引起了其他变化的情况下，热量能够从低温物体传到高温物体；同理，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成内能，内能却不能全部转化成机械能，而不引起其他变化．(共26张PPT)
第三章 热力学定律
第二节 能量守恒定律及其应用
学习目标 学法与考法
1．学会运用热力学第一定律解释自然界能量的转化、转移问题(难点) 2．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规律(重点) 3．理解第一类永动机是不可能制成的(难点) 学法：①通过实例理解能量守恒定律．②通过查阅资料，理解能量守恒是自然界普遍遵循的重要规律
考法：①考查能量守恒定律的理解和运用．②考查热力学第一定律和气体状态方程的综合运用
知识导图
课前 · 自主预习
1．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，_____________保持不变．
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．
能量守恒定律
转化
转移
能量的总量
相互转化
能量守恒定律
运动的物体在阻力作用下会停下来，其机械能会凭空消失了吗？
【答案】运动的物体在阻力作用下会停下来，克服阻力做功，其机械能转化为内能．
微思考
(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】AB
【解析】A中是光能转化为内能，C中是核能转化为电能，D中是化学能转化为内能，A、B正确．
1．第一类永动机：不需要任何动力或燃料，却能不断地_________ 的机器．
2．不可制成的原因：违背了__________定律．
永动机
对外做功
能量守恒
课堂 · 重难探究
1．能量的存在形式及相互转化
(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，还有诸如电磁能、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．
对能量守恒定律的理解及应用
(3)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．
(4)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．
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，必须是只有重力或系统内的弹力做功；而能量守恒定律是没有条件的，它是一切自然现象都遵守的基本规律．
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．
能量守恒定律的理解及应用
例1 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)
变式1 (2023年聊城检测)某地强风风速为14 m/s，设空气密度为ρ＝1.3 kg/m3，若某风力发电机的风扇叶片长10 m，当风通过风扇的扇叶时，其动能的20%将转化为电能，则该风力发电机的功率是多大？
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．
小练 · 随堂巩固
1．(多选)(2023年佛山检测)关于能量和能量守恒，下列表述正确的是 ( )
A．能量可以从一种形式转化为另一种形式
B．能量可以从一个物体转移到另一个物体
C．第一类永动机不可能制成是因为违背了能量守恒定律
D．满足能量守恒定律的物理过程一定能自发进行
【答案】ABC
【解析】根据能量守恒定律，能量可以从一种形式转化为另一种形式，也可以从一个物体转移到另一个物体，A、B正确；第一类永动机不可能制成是因为它违背了能量守恒定律，C正确；自然界的宏观热现象的过程都有方向性，满足能量守恒定律的物理过程不一定能自发进行，D错误．
2．(多选)下列关于能量守恒定律的认识正确的是 ( )
A．某种形式的能量减少，一定存在其他形式的能量增加
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械(第一类永动机)不可能制成
D．能量是守恒的，所以能源永不枯竭
【答案】ABC
【解析】由能量守恒定律可知，某种形式的能量减少，必然有其他形式的能量增加，A正确；由能量守恒定律可知，某个物体能量减少，必然有其他物体能量增加，B正确；不需要任何外界的动力而持续对外做功的第一类永动机不可能制成，因为它违背了能量守恒定律，C正确；能量与能源不同，能量是守恒的，但随着能量的耗散，能量可以利用的品质会下降，则依然要节约能源，D错误．
3．(2023年惠州检测)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，在斜坡顶上放一块强有力的磁铁AB，斜坡上端有一个圆孔P，斜面下有一个连接圆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C，那么由于磁铁的吸引，小铁球就会向上运动，当小球运动到圆孔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到上端，到圆孔P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，即在能量转化和守恒定律确定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．违背能量转化和守恒定律，不可能实现
【答案】D
【解析】根据上述，维尔金斯“永动机”不消耗能量，又能源源不断对外做功，这是第一类永动机，违背了能量转化和守恒定律，不可能实现，故选D．
4．(2023年东莞测试)如图所示，一物体质量m＝2 kg，在倾角θ＝37°的斜面上的A点以初速度v0＝3 m/s下滑，A点距弹簧上端挡板位置B点的距离AB＝4 m．当物体到达B点后将弹簧压缩到C点，最大压缩量BC＝0.2 m，然后物体又被弹簧弹上去，弹到的最高位置为D点，D点距A点的距离AD＝3 m.挡板及弹簧质量不计，g取10 m/s2，sin 37°＝0.6，求：
(1)物体与斜面间的动摩擦因数μ；
(2)弹簧的最大弹性势能Epm.
解：(1)物体从开始位置A点到最后D点的过程中，弹性势能没有发生变化，机械能的减少量全部用来克服摩擦力做功，即(共46张PPT)
第三章 热力学定律
第三节 热力学第二定律
学习目标
1．知道热传导、扩散现象、机械能与内能的转化等都具有方向性．具有方向性的过程是不可逆的(重点)
2．理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可能制成(重难点)
3．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(重点)
4．学会运用热力学第二定律解决一些实际问题(难点)
学法与考法
学法：①通过自然过程发展方向性实例得出自然过程具有方向性结论，继而分析热量传递的方向性．②通过小组合作讨论认识到“第二类永动机”不可能实现
考法：①对自然过程具有方向性理解的考查．②对热力学第二定律的两种表述实质及其关系的理解和考查．③考查热力学第二定律在实际中的应用
知识导图
课前 · 自主预习
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．热传导过程是有__________的．
4．两种不同的气体_______自发地混合，最后成为一种均匀的混合气体．相反，一种均匀的混合气体却______自发地分开成为两种气体．
热传导及扩散的方向性
高温
低温
低温
高温
方向性
可以
不会
热量能从高温物体自发传递到低温物体，但能从低温物体传递到高温物体吗？
【答案】热量能从高温物体传递到低温物体，也能从低温物体传递到高温物体．
微思考
(多选)关于热传导的方向性．下列说法正确的是 ( )
A．热量能自发地由高温物体传给低温物体
B．热量能自发地由低温物体传给高温物体
C．在一定条件下，热量也可以从低温物体传给高温物体
D．热量一定不可能从低温物体传给高温物体
【答案】AC
【解析】在有外力做功的情况下，热量可以从低温物体传递给高温物体；而在自发的条件下，热量只能从高温物体传给低温物体，故A、C正确．
1．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________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)热机的效率：热机输出的____________与燃料产生的________的
比值．用公式表示η＝________．
机械能和内能转化的方向性
化学能
内能
做功
机械能
机械功W
热量Q
2．第二类永动机
(1)定义：只从单一热库吸收热量，使之完全变为功而不引起其他变化．
(2)第二类永动机不可能制成的原因：虽然第二类永动机不违背______________，但大量的事实证明，在任何情况下，热机都不可能只有一个热库，热机要不断地把吸收的热量变为有用的功，就不可避免地将一部分热量传给低温热库．
能量守恒定律
科技发达后，热机的效率可以达到100%吗？
【答案】凡是与热现象有关的宏观热现象都具有方向性，无论采用任何设备和手段进行能量转化，热机的效率不可能达到100%.
微思考
1．热力学第二定律的克劳修斯表述
热量不能自发地从______物体传到______物体．即热传导的过程具有________．
2．开尔文表述
不可能从单一热库吸收热量，使之_____________，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)
热力学第二定律
低温
高温
方向性
完全变成功
3．热力学第二定律的理解
(1)一切宏观自然过程的进行都具有________.
(2)气体向真空的自由膨胀是________的．
(3)第二类永动机是不可能制成的．
(4)机械能可以全部转化为内能，而内能无法全部用来做功而转化成机械能．
方向性
不可逆
(多选)根据热力学第二定律，下列说法正确的是 ( )
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，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】AD
【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，A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，B错误；冰箱向外传递热量时消耗了电能，C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，D正确.
课堂 · 重难探究
1．对热力学第二定律的理解
在热力学第二定律的表述中，正确地理解“自发地”“不产生其他影响”的确切含义是理解热力学第二定律的关键所在．
(1)“自发地”过程就是不受外来干扰进行的自然过程，如重物下落、植物的开花结果等都是自然界客观存在的一些过程，它不受外界干扰．在热传递过程中，热量可以自发地从高温物体传向低温物体，却不能自发地从低温物体传向高温物体．
对热力学第二定律的理解
要将热量从低温物体传向高温物体，必须有“外界的影响或外界的帮助”，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．
2．热力学第二定律的实质
热力学第二定律的每一种表述，都揭示了大量分子参与宏观过程的方向性，进而使人们认识到自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性．
3．热力学第二定律的微观解释
一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行．
4．热力学第二定律的两种表述的等价性
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．
5．热平衡
两个有温差的物体互相接触，通过接触面上两侧分子的互相碰撞，使得温度高的物体分子平均动能逐渐减少，温度低的物体分子平均动能逐渐增大，直至两者温度相同达到热平衡．
对热力学第二定律的理解
例1 对热力学第二定律的理解，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．第二类永动机不可能制成，是因为违反了能量守恒定律
D．不可能从单一热库吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化
【答案】D
【解析】根据热力学第二定律，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，A错误；根据热力学第一定律，物体内能的变化取决于吸收或放出的热量和做功的正负两个因素，B错误；第二类永动机不违反能量守恒定律，而违反了热力学第二定律，C错误；选项D是热力学第二定律的表述形式之一，是正确的．
变式1 下列叙述和热力学定律相关，其中正确的是 ( )
A．第二类永动机不可能制成，是因为违背了热力学第一定律
B．能量耗散过程中能量不守恒
C．夏天打开电冰箱的门，可以起到室内降温作用
D．一切自发过程总是沿着分子无序性增大的方向进行
【答案】D
【解析】第二类永动机不可能制成，是因为违背了热力学第二定律，A错误；能量耗散过程中能量也是守恒的，B错误；电冰箱制冷机工作后，冰箱冷冻室内的蒸发器温度降低，吸收空气中的热量，而与此同时，冰箱外部的冷凝器温度升高，将热量传给空气，室内空气的热量只是被冰箱吸收后又被放出，所以室温不会下降，不可以起到室内降温作用，C错误；根据熵增加原理，一切自发过程总是沿着分子无序性增大的方向进行，D正确．
理解热力学第二定律的关键
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”．
1．在热力学第二定律的表述中，“自发地”“不产生其他影响”“单一热库”“不可能”的含义
(1)“自发地”是指热量从高温物体“自发地”传给低温物体的方向性．在传递过程中不会对其他物体产生影响或借助其他物体提供能量等．
(2)“不产生其他影响”：其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．
对第二类永动机的理解
(3)“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的表层与深处的温度差来发电的技术．
(4)“不可能”：实际上热机或制冷机系统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过程所产生的其他一切影响，不论用任何的办法都不可能加以消除．
2．热力学第二定律的其他描述
(1)一切宏观自然过程的进行都具有方向性．
(2)气体向真空的自由膨胀是不可逆的．
(3)第二类永动机是不可能制成的．
3．两类永动机的比较
永动机 第一类永动机 第二类永动机
设计要求 不消耗任何能量，可以不断做功(或只给予很小的能量启动后，可以永远运动下去) 将内能全部转化为机械能，而不引起其他变化(或只有一个热源，实现内能与机械能的转化)
不可能的原因 违背了能量守恒定律 违背了热力学第二定律
对第二类永动机的理解
例2 (2023年广州检测)党的二十大报告提出，加强文物保护利用，推进文化自信自强，铸就社会主义文化新辉煌．如图所示是中国传统玩具饮水鸟．在鸟的面前放上一杯水，用手把鸟嘴浸到水里，“喝”了一口后，又直立起来．之后，无须人的干预，小鸟直立一会儿就会自己俯下身去使鸟嘴浸入水中“喝”水，然后又会直立起来．就
这样周而复始，小鸟不停地点头“喝”水，则下列说法正
确的是 ( )
A．饮水鸟上下运动的能量来源于周围空气的内能
B．水杯中的水干了之后，小鸟还能点头“喝”水
C．这种饮水鸟玩具是一架永动机
D．此现象违背了热力学第二定律
【答案】A
【解析】玩具饮水鸟的内部结构如图所示．其原理是先在鸟嘴上滴一些水，水分蒸发后吸热使得头部气压小于肚子中的气压，从而使肚子中的部分液体压入头部，使重心上移，鸟的身体变得不稳定而发生倾斜，倾斜的过程中肚子中的玻璃管口脱离液面，
从而使头部的液体又回流到肚子中，使鸟的身体再回到开始的竖直状态，而刚才倾斜的过程中鸟嘴刚好又沾到了水，之后鸟回到竖直状态后，鸟嘴的水分蒸发，重复前面的运动，即饮水鸟上下运动的能量来源于周围空气的内能，A正确；根据上述可知，当水杯中的水干了之后，由于不能形成头部和肚子的压强差，小鸟不能再上下运动，即小鸟不能点头“喝”水，B错误；这种玩具饮水鸟仍然遵循能量守恒定律，不是一架永动机，C错误；根据上述可知，此现象没有违背热力学第二定律，D错误．
变式2 (多选)如图中汽缸内盛有一定量的理想气体，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】CD
【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，即全部用来对外做功才能保证内能不变，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，此过程由外力对活塞做功来维持，如果没有外力F对活塞做功，此过程不可能发生，C、D正确．
1．热力学第一定律是能量守恒定律在热学中的一种表述形式，是从能的角度揭示不同物质运动形式相互转化的可能性．告诫人们：第一类永动机不可能制成．
2．热力学第二定律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．告诫人们：第二类永动机不可能制成．
小练 · 随堂巩固
1．(2023年武汉联考)1827年，布朗作为英国植物学家，在花粉颗粒的水溶液中观察到花粉永不停息地做无规则运动.1905年，爱因斯坦根据扩散方程建立布朗运动的统计理论，从而使分子动理论的物理图景为人们广泛接受．关于分子动理论相关知识，下列说法中正确的是 ( )
A．分子的扩散现象是可逆的
B．布朗运动证明组成固体小颗粒的分子在做无规则运动
C．花粉颗粒越小，无规则运动越明显
D．分子永不停息的无规则运动说明永动机是可以实现的
【答案】C
【解析】分子的扩散现象是不可逆的，A错误；布朗运动是固体小颗粒的无规则运动，反映了液体分子在做无规则运动，B错误；温度越高，花粉颗粒越小，无规则运动越明显，C正确；永动机是不可以实现的，D错误．
2．(2023年宜春检测)根据热力学定律和能量守恒定律，下列说法中正确的是 ( )
A．空调在制冷过程中，从室内吸收的热量少于向室外放出的热量
B．通过采用先进技术，热机可以实现把燃料产生的内能全部转化为机械能
C．在密闭的房间里，把正常工作的冰箱门打开，可以使房间降温
D．热量可以自发地从低温物体传到高温物体
【答案】A
【解析】空调在制冷过程中，把室内的热量向室外释放，消耗电能，产生热量，则从室内吸收的热量少于向室外放出的热量，A正确；根据热力学第二定律可知，即使通过采用先进技术，热机也不能够实现把燃料产生的内能全部转化为机械能，B错误；冰箱的工作原理是将里面的热量吸收到外面使内部的温度降低，并且自身工作也会消耗电能产生热量，所以当冰箱在密闭的房间里并打开，此时冰箱内外部相通，所以无法降温，C错误．根据热力学第二定律克劳修斯表述，热量不能自发地从低温物体传到高温物体，D错误．
3．(2023年长春期中)对热力学第二定律理解，正确的是 ( )
A．热力学第二定律是从另一个侧面阐述能量守恒定律
B．若消除热机的漏气、摩擦和热量损耗，热机效率可以达到100%
C．第二类永动机不可能制成，说明机械能可以全部转化为内能，内能却不能全部转化为机械能
D．熵是系统内分子运动无序性的量度，一个孤立系统总是从熵小的状态向熵大的状态发展
【答案】D
【解析】热力学第二定律从微观上阐述一个统计规律，它反映的是宏观自然过程中的方向性，而不是另一个侧面阐述能量守恒定律，A错误；若消除热机的漏气、摩擦和热量损耗，热机效率也不可能达到100%，B错误；第二类永动机不可能制成，说明机械能可以全部转化为内能，内能也能全部转化为机械能，但要引起外界的变化，C错误；熵是系统内分子运动无序性的量度，一个孤立系统总是从熵小的状态向熵大的状态发展，D正确．
4．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】D
5．关于两类永动机和热力学两大定律，下列说法正确的是 ( )
A．第二类永动机不可能制成是因为违反了热力学第一定律
B．第一类永动机不可能制成是因为违反了热力学第二定律
C．由热力学第一定律可知做功不一定改变内能，热传递也不一定改变内能，但同时做功和热传递一定会改变内能
D．由热力学第二定律可知热量从低温物体传向高温物体是可能的，从单一热库吸收热量，完全变成功也是可能的
【答案】D
【解析】第一类永动机违反能量守恒定律，第二类永动机违反热力学第二定律，A、B错误；由热力学第一定律可知W≠0，Q≠0，但ΔU＝W＋Q可以等于0，C错误；由热力学第二定律可知D中现象是可能的，但不引起其他变化是不可能的，D正确．(共64张PPT)
第三章 热力学定律
①物理观念：对热量、功、内能、热力学第一、二定律的学习，进一步促进学生的物理观念、运动与相互作用观念、能量观念这些物理学科核心素养的形成．
②科学思维：能在特定情境中将气体的变化过程抽象为绝热过程、气体不做功的等容过程；能运用能量守恒的观点分析解决实际问题．
③科学探究：具有一定发现问题的意识；通过对两种改变物体内能方式的探究，运用多种方法，创设多种问题情境，引导学生探究并讨论，让学生广泛了解热力学定律对人类生活和社会发展的影响．
④科学态度与责任：知道物理学研究的很多问题就在身边，对自然界有好奇心，具有探索的兴趣；注重运用热力学定律分析和解决人们生产、生活中相关的一些问题．
本章重点①内能、功、热量、温度四个物理量的区别和联系；②理解能量守恒定律，知道能量守恒定律是自然界中普遍遵循的基本规律；③理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可能制成．
本章难点①知道做功和热传递是改变内能的两种方式，且对改变系统内能是等效的；②运用热力学第一定律解释自然界中能量的转化、转移问题，理解第一类永动机是不可能制成的；③学会运用热力学第二定律解决一些实际问题．
第一节 热力学第一定律
学习目标
1．知道分子势能与物体体积有关
2．理解分子势能与分子间距离的变化关系曲线(难点)
3．知道物体的内能跟温度和体积有关(重点)
4．知道做功和热传递是改变内能的两种方式，且对改变系统内能是等效的(难点)
5．掌握内能、功、热量、温度四个物理量的区别和联系(重点)
6．掌握热力学第一定律及其表达式(重难点)
学法与考法
学法：①通过分析推理法弄清分子势能与分子间距离的变化关系．②通过对改变内能变化两种方式的探究，培养实验探究能力、提高科学思维水平．③通过举例知道ΔU、Q、W的正、负号的物理意义，会用表达式ΔU＝Q＋W解决问题．④通过类比方法，理解内能的概念．⑤通过实验加深对热力学第一定律的理解
考法：①考查分子势能与分子间距离的变化关系曲线．②考查对内能、功、热量、温度四个物理量的理解以及区别和联系．③对改变物体内能两种方式的考查．④考查热力学第一定律的理解和运用
知识导图
课前 · 自主预习
1．定义：物体中所有分子______________与__________的总和．
2．内能的普遍性：组成任何物体的分子都在做_______________，所以任何物体都具有内能．
3．决定因素
(1)物体所含的分子总数由__________决定．
(2)分子的热运动平均动能由________决定．
(3)分子势能与物体的______有关，故物体的内能由_________、________、________共同决定，同时受物态变化的影响．
物体的内能
热运动的动能
分子势能
无规则的热运动
物质的量
温度
体积
物质的量
温度
体积
0 ℃的冰熔化为0 ℃的水时，内能是否发生变化？
【答案】要吸收热量，内能变化了．
微思考
下列关于物体内能的说法，正确的是 ( )
A．一个分子的动能和分子势能的总和叫作该分子的内能
B．物体中所有分子热运动的动能与分子势能的总和叫作物体的内能
C．当一个物体的机械能发生变化时，其内能也一定发生变化
D．温度高的物体一定比温度低的物体内能大
【答案】B
【解析】根据内能的概念可知B正确．
1．改变内能的两种方式________和________．
2．做功改变物体的内能
(1)外界对物体做功，物体的内能________．
(2)物体对外界做功，物体的内能________．
3．热传递改变物体的内能
(1)条件：物体的________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．
改变物体内能的两种方式
做功
热传递
增加
减少
温度
温度
热量
4．热量和内能
(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：__________．
(3)热传递与做功在改变系统内能上的异同：
①做功和热传递都能引起系统______的改变．
②做功是内能与其他形式能的_______；热传递只是不同物体(或一个物体的不同部分)之间_____________．
内能
ΔU＝Q
内能
转化
内能的转移
功就是能吗？功和内能都是能量转化的量度吗？
【答案】功和能是两个不同的物理量，功是过程量，能是状态量，不能认为功就是能．功是能量转化的量度．
微思考
(多选)关于物体的内能和热量，下列说法中不正确的有 ( )
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，内能必定大
C．在热传递过程中，内能大的物体其内能将减小，内能小的物体其内能将增大，直到两物体的内能相等
D．在热传递过程中，热量从高温物体传递到低温物体，直到两物体的温度相同为止
【答案】ABC
【解析】物体的内能由温度、体积及物体的质量决定，不是只由温度决定，故A、B错误；在热传递过程中，热量由高温物体传给低温物体，而与物体的内能大小无关，所以完全有可能是内能大的物体内能继续增大，内能小的物体内能继续减小，故C错误，D正确．
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____________与外界对它所____________的和．
2．表达式：ΔU＝________．
热力学第一定律及其应用
热量
做的功
Q＋W
物体从外界吸热，物体的内能一定增加吗？
【答案】物体从外界吸热，物体的内能不一定增加，还要看做功情况．
微思考
一定量的气体膨胀对外做功100 J，同时对外放热40 J，气体内能的增量ΔU是 ( )
A．60 J B．－60 J
C．－140 J D．140 J
【答案】C
【解析】由热力学第一定律得ΔU＝W＋Q＝－100 J－40 J＝－140 J，C正确．
课堂 · 重难探究
1．对内能的理解
(1)内能是对大量分子而言的，对单个分子来说无意义．
(2)某种物体的内能在宏观上是由物质的量、温度和体积决定的；微观上由分子数、分子平均动能和分子间的距离决定．
(3)物体的内能跟物体的机械运动状态无关．
对物体的内能的理解
2．内能与机械能的区别和联系
项目 内能 机械能
对应的运动形式 微观分子热运动 宏观物体的机械运动
能量常见形式 分子动能、分子势能 物体动能、重力势能或弹性势能
能量存在的原因 物体内大量分子的热运动和分子间的相互作用力 由于物体做机械运动和物体发生弹性形变或被举高
影响因素 物质的量、物体的温度和体积 物体的机械运动的速度、离地高度(或相对于参考平面的高度)或弹性形变
能否为零 永远不能等于零 一定条件下可以等于零
关系 在一定条件下可以相互转化 例1 关于物体的内能，下列说法中正确的是 ( )
A．水分子的内能比冰分子的内能大
B．物体所处的位置越高，分子势能就越大，内能越大
C．一定质量的0 ℃的水结成0 ℃的冰，内能一定减少
D．两个相同的物体，运动物体的内能一定大于静止物体的内能
【答案】C
【解析】因内能是指组成物体的所有分子的热运动的动能与分子势能的总和，说单个分子的内能没有意义，故A错误．内能与机械能是两种不同性质的能，它们之间无直接联系，内能与“位置高低”“运动”还是“静止”没有关系，故B、D错误．一定质量的0 ℃的水结成0 ℃的冰，放出热量，使得内能减小，故C正确．
变式1 下列生活实例中通过热传递改变物体内能的是 ( )
A．野外生存中利用钻木取火
B．暖手宝可以使手变得暖和
C．搓搓手可以让手变得暖和
D．铁钉被锤子敲打后会升温
【答案】B
【解析】野外生存中利用钻木取火是做功改变内能，A错误；暖手宝可以使手变得暖和是热传递改变内能，B正确；搓搓手可以让手变得暖和是做功改变内能，C错误；铁钉被锤子敲打后会升温是做功改变内能，D错误．
对内能理解的要点
1．内能是一种与分子热运动及分子间相互作用相关的能量形式，与物体宏观有序运动状态无关，它取决于物质的量、温度、体积及物态．
2．研究热现象时，一般不考虑机械能，在机械运动中有摩擦时，有可能发生机械能转化为内能．
3．物体温度升高，内能不一定增加；温度不变，内能可能改变；温度降低，内能可能增加．
1．做功
做功使物体内能发生改变的时候，内能的改变就用做功的数值来量度．外界对物体做多少功，物体的内能就增加多少；物体对外界做多少功，物体的内能就减少多少．
2．热传递
热传递使物体的内能发生改变的时候，内能的改变是用热量来量度的．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．
理解改变物体内能的两种方式
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Q吸＝ΔU.
(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Q放＝－ΔU.
4．改变内能的两种方式的比较
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 对功和内能的理解
例2 如图所示，一定质量的理想气体密封在绝热(即与外界不发生热交换)容器中，容器内装有一可以活动的绝热活塞．今对活塞施以一竖直向下的压力F，使活塞缓慢向下移动一段距离后，气体的体积减小．若忽略活塞与容器壁间的摩擦，则被密封的气体 ( )
A．温度升高，压强增大，内能减少
B．温度降低，压强增大，内能减少
C．温度升高，压强增大，内能增加
D．温度降低，压强减小，内能增加
【答案】C
变式2 (多选)现在骑自行车成为一种流行的运动，而山地自行车更是受到大众的青睐．山地自行车前轮有气压式减震装置来抵抗颠簸，其原理如图所示．随着骑行时自行车的颠簸，活塞上下振动，在汽缸内封闭的气体的作用下，起到延缓震动的目的．如果路面不平，下列关于该减震装置的说法正确的是 ( )
A．活塞迅速下压时汽缸内的气体温度不变
B．活塞迅速下压时汽缸内的气体压强增大
C．活塞下压后迅速反弹时汽缸内有些气体分子的速率增大
D．活塞下压后迅速反弹时汽缸内气体内能增加
【答案】BC
【解析】如果活塞迅速下压，活塞对气体做功，气体来不及散热，则由热力学第一定律可知，气体内能增加，温度升高，压强增大，A错误，B正确；活塞下压后迅速反弹时，气体对外做功，来不及吸热，气体内能减少，温度降低，气体分子平均速率减小，但不是每个气体分子的速率都减小，有些分子的速率可能增大，C正确，D错误．
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，气体在初、末状态的内能确定了，内能的变化ΔU也确定了．而功是能量转化的量度，所以ΔU＝W，即W为恒量，这也是判断绝热做功过程的一种方法．
对热和内能的理解
例3 党的二十大报告中，习近平总书记明确指出，中国式现代化是人与自然和谐共生的现代化，尊重自然、顺应自然、保护自然是全面建设社会主义现代化国家的内在要求．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
【答案】B
【解析】太阳能热水器是通过热传递的方式将水加热，B正确．
变式3 下列现象中，通过传热的方法来改变物体内能的是 ( )
A．打开电灯开关，灯丝的温度升高，内能增加
B．太阳能热水器在阳光照射下，水的温度逐渐升高
C．用磨刀石磨刀时，刀片的温度升高，内能增加
D．打击铁钉，铁钉的温度升高，内能增加
【答案】B
【解析】打开电灯开关，灯丝的温度升高，是通过电流做功的方法来改变物体内能的，A错误；太阳能热水器中水的内能增加是以传热方式进行的，B正确；用磨刀石磨刀时，刀片温度升高，是通过摩擦力做功的方法来改变物体内能的，C错误；打击铁钉，铁钉温度升高，是通过做功的方法来改变物体内能的，D错误．
热量和内能的理解
1．热量的概念只有在涉及能量的传递时才有意义，因此不能说物体具有多少热量，只能说物体吸收或放出了多少热量．
2．在系统与外界只发生热传递时，系统吸收多少热量，系统内能就增加多少；系统放出多少热量，系统内能就减少多少．
1．应用热力学第一定律解题的思路
(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)分别找出题目中研究对象吸收或放出的热量；外界对研究对象所做的功或研究对象对外界所做的功；研究对象内能的增加量或减少量．
(3)根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W列出方程进行求解．
(4)特别注意物理量的正负号及其物理意义
对热力学第一定律的理解及应用
2．公式ΔU＝W＋Q中符号的规定
符号 W Q ΔU
＋ 外界对系统做功 系统吸收热量 内能增加
－ 系统对外界做功 系统放出热量 内能减少
3．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).
4．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.
热力学第一定律的应用
例4 美丽的氢气球是很多小孩喜欢的玩具，将一个氢气球释放，它就会在空中持续上升，环境温度会降低，气球体积变大，若氢气球不漏气，下列说法正确的是 ( )
A．气体分子平均间距减小
B．气体的压强不会发生变化
C．外界将对氢气球内气体做正功
D．气体放出的热量小于内能的减少量
【答案】D
变式4 爆米花酥脆可口、老少皆宜，是许多人喜爱的休闲零食．高压爆米花的原理为：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，“嘭”的一声，气体迅速膨胀，压强急剧减小，玉米粒就“爆炸”成了爆米花．设当地温度为t1＝27 ℃，大气压为p0.已知密闭容器打开盖前的气体压强达到4p0.
(1)将封闭容器内的气体看成理想气体，求打开盖前容器内气体的温度；
(2)假定在一次打开的过程中，容器内的气体膨胀对外界做功15 kJ，并向外释放了20 kJ的热量，则容器内原有气体的内能如何变化？变化了多少？
变式5 (2023年北京海淀检测)关于热力学定律，下列说法正确的是 ( )
A．在一定条件下物体的温度可以降到0 K
B．做功和热传递都能改变物体的内能
C．吸收了热量的物体，其内能一定增加
D．压缩气体总能使气体的温度升高
【答案】B
【解析】绝对零度只能无限趋近，永远无法达到，A错误；由热力学第一定律可知，内能的变化决定于做功和热传递两个方面，所以吸收了热量的物体，其内能不一定增加．压缩气体不一定能使气体的温度升高，B正确，C、D错误．
应用热力学第一定律解题
1．明确研究哪一部分气体和气体的哪一个状态变化过程．
2．分清ΔU＝W＋Q中各量的正、负号的意义．
小练 · 随堂巩固
1．(2023年天津期末)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．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．分子平均动能不变
C．对外界放热
D．对外界不做功
【答案】B
2．(多选)一定量的理想气体从状态a变化到状态b，其过程如p－T图像上从a到b的线段所示．在此过程中 ( )
A．气体一直对外做功
B．气体的内能一直增加
C．气体一直从外界吸热
D．气体吸收的热量等于其对外做的功
【答案】BC
3．下列关于做功和热传递的说法中，正确的是 ( )
A．做功和热传递都能引起系统内能的改变
B．只要外界对物体做功，物体的内能就一定改变
C．热传递的条件是物体间存在内能差
D．做功和热传递改变物体内能的实质是一样的
【答案】A
【解析】做功和热传递都能引起系统内能的改变，效果相同，但它们的实质不同，做功是其他形式的能和内能之间的转化，而热传递是不同物体或一个物体的不同部分间内能的转移，A正确，D错误；因为热量交换情况未知，所以外界对物体做功，物体的内能不一定改变，B错误；热传递的条件是物体间存在温度差，而不是存在内能差，C错误．
4．下列事例中通过热传递改变物体内能的是 ( )
A．车床上车刀切削工件后发热
B．擦火柴时火柴头温度升高
C．用肥皂水淋车刀后车刀降温
D．搓搓手就会觉得手发热
【答案】C
【解析】车床上车刀切削工件后发热，擦火柴时火柴头温度升高，搓搓手就会觉得手发热都是通过做功改变物体的内能；用肥皂水淋车刀后车刀降温是通过热传递改变物体内能的，C正确．
5．(多选)对于热量、功和内能三者的理解，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，也可能是外界单一地向系统传递热量100 J
【答案】CD
【解析】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错误；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正确，B错误；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正确．
6．(2023年天津卷)如图是爬山所带氧气瓶，氧气瓶里气体的体积、质量不变，爬山过程中，温度降低，则瓶内气体 ( )
A．对外做功
B．内能减小
C．吸收热量
D．压强不变
【答案】B
7．(多选)如图所示，为焦耳的热功当量实验装置图，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．这个装置可测定热功当量
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】AC
【解析】将做功过程和吸热过程在同等条件下比较，可测出热功当量，故A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，故B错误，C正确；做功和热传递产生的效果相同，但功和热量是不同的概念，D错误．
