人教版物理选择性必修第三册
第三章 热力学定律
第2、3节 热力学第一定律能量守恒定律
1．理解热力学第一定律，并能进行有关计算。
2.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。
3．知道第一类永动机是不可能制成的。
1．填一填
(1)改变内能的两种方式：做功和传热都可以改变物体的内能，而且这两种方式是等价的。
(2)单纯地对系统做功时内能的变化量与功的关系：ΔU＝W。
(3)单纯地对系统传热时内能的变化量与传递热量的关系：ΔU＝Q。
(4)当外界既对系统做功又对系统传热时，内能的变化量：ΔU＝Q＋W。
(5)热力学第一定律的内容
一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和。
2．判一判
(1)外界对系统做功，系统的内能一定增加。(×)
(2)系统内能增加，一定是系统从外界吸收热。(×)
(3)系统从外界吸收热量5 J，内能可能增加5 J。(√)
(4)系统内能减少，一定是系统对外界做功。(×)
3．想一想
快速推动活塞对汽缸内气体做功10 J，气体内能改变了多少？若保持气体体积不变，外界对汽缸传递10 J的热量，气体内能改变了多少？能否说明10 J的功等于10 J的热量？
提示：无论外界对气体做功10 J，还是外界给气体传递10 J的热量，气体内能都增加了10 J，说明做功和传热在改变物体内能上是等效的，但不能说10 J的功等于10 J的热量，因为功与热量具有本质区别。
1．填一填
(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，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变。
(2)意义
①各种形式的能可以相互转化。
②各种物理现象可以用能量守恒定律联系在一起。
(3)永动机不可能制成
①第一类永动机：不需要任何动力或燃料，却能不断地对外做功的机器。
②第一类永动机不可能制成的原因：违背了能量守恒定律。
2．判一判
(1)运动的物体在阻力作用下会停下来，说明机械能凭空消失了。(×)
(2)功和能可以相互转化。(×)
(3)第一类永动机不能制成，是因为它违背了能的转化和守恒定律。(√)
(4)某个物体的能量减少，必然有其他物体的能量增加。(√)
3．选一选
“第一类永动机”是不可能制成的，这是因为( )
A．它不符合机械能守恒定律
B．它违背了能量守恒定律
C．它做功产生的热不符合热功当量
D．暂时找不到合理的设计方案和理想材料
解析：选B 第一类永动机不可能制成的原因是违背了能量守恒定律，故B项正确。
热力学第一定律的理解及应用
[学透用活]
1．公式ΔU＝Q＋W中符号的规定
符号 Q W ΔU
＋ 物体吸热 外界对物体做功 内能增加
－ 物体放热 物体对外界做功 内能减少
2．三种特殊情况
(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。
一定质量的实际气体从外界吸收了4.2×105 J的热量，同时气体对外做了6×105 J的功，问：
(1)气体的内能是增加还是减少？变化量是多少？
(2)分子势能是增加还是减少？
(3)分子的平均动能是增加还是减少？
[解析] (1)气体从外界吸热，故Q＝4.2×105 J，
气体对外做功，故W＝－6×105 J，
由热力学第一定律有ΔU＝W＋Q＝(－6×105 J)＋(4.2×105 J)＝－1.8×105 J。
ΔU为负，说明气体的内能减少了，所以，气体内能减少了1.8×105 J。
(2)因为气体对外做功，所以气体的体积膨胀，分子间的距离增大了，分子力做负功，气体分子势能增加。
(3)因为气体内能减少，同时气体分子势能增加，说明气体分子的平均动能一定减少。
[答案] (1)减少 1.8×105 J (2)增加 (3)减少
[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意义。
[对点练清]
1．下列说法正确的是( )
A．物体放出热，其内能一定减少
B．物体对外做功，其内能一定减少
C．物体吸收热，同时对外做功，其内能可能增加
D．物体放出热，同时对外做功，其内能可能不变
解析：选C 根据热力学第一定律(公式ΔU＝Q＋W)可知，做功和传热都可以改变物体的内能，当外界对物体做的功大于物体放出的热量或物体吸收的热量大于物体对外做的功时，物体的内能增加，选项A、B错误，C正确；物体放出热同时对外做功，则Q＋W<0，内能减小，选项D错误。
2．一定质量的理想气体从状态a变化到状态b，其体积V和热力学温度T变化图像如图所示，此过程中该系统( )
A．对外界做正功
B．压强保持不变
C．向外界放热
D．内能减少
解析：选A 根据题意，气体体积增加，因此对外做正功，故A正确；题目中图像延长线没有过原点，因此不是等压线，故B错误；温度升高且对外做功，根据热力学第一定律，该过程需要吸热，故C错误；温度升高，内能增加，故D错误。
3．(2025·黑吉辽蒙高考)某同学冬季乘火车旅行，在寒冷的站台上从气密性良好的糖果瓶中取出糖果后拧紧瓶盖，将糖果瓶带入温暖的车厢内一段时间后，与刚进入车厢时相比，瓶内气体( )
A．内能变小 B．压强变大
C．分子的数密度变大 D．每个分子动能都变大
解析：选B 将糖果瓶带入温暖的车厢内一段时间后，瓶内气体体积不变，外界对气体不做功，即W＝0，瓶内气体温度升高，从外界吸收热量，即Q＞0，由热力学第一定律可知ΔU＝W＋Q＞0，即瓶内气体内能变大，故A错误；将糖果瓶带入温暖的车厢内，瓶内气体做等容变化，根据＝C，可知温度升高，则压强变大，故B正确；瓶内气体分子数量不变、体积不变，则瓶内气体分子的数密度不变，故C错误；温度升高，瓶内气体分子的平均动能增大，但不是每个分子的动能都增大，故D错误。
对能量守恒定律的理解
[学透用活]
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，还有电磁能、化学能、原子能等。
(2)各种形式的能可以相互转化。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．能量守恒定律中的“转化”和“转移”
(1)某种形式的能量减少，一定有其他形式的能量增加，且减少量和增加量一定相等。
(2)某个物体的能量减少，一定存在其他物体的能量增加，且减少量和增加量一定相等。
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，则有U2－U1＝W，就是说，如果系统内能减少，即U2
如图所示，直立容器的内部有被隔板隔开的A、B两部分气体，A的密度小，B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的热量为Q，气体内能的增量为ΔE，则( )
A．ΔE＝Q B．ΔEC．ΔE>Q D．ΔE＝0
[解析] 抽去隔板，加热气体，使两部分气体均匀分布，其重心升高，重力势能增加，由能量守恒定律知，增加的重力势能由内能转化而来，所以内能的增量小于吸收的热量，故选项B正确。
[答案] B
[规律方法]
利用能量守恒定律解决问题时，首先应明确题目中涉及哪几种形式的能量，其次分析哪种能量增加了，哪种能量减少了，确定研究的系统后，用能量守恒的观点求解。
[对点练清]
1．[多选]下列关于第一类永动机的说法正确的是( )
A．第一类永动机是不消耗任何能量却可源源不断地对外做功的机器
B．第一类永动机不能制成的原因是违背了热力学第一定律
C．第一类永动机不能制成的原因是技术问题
D．第一类永动机不能制成的原因是违背了能量守恒定律
解析：选AD 第一类永动机是不消耗任何能量却能源源不断地对外做功的机器，这是人们的美好愿望，但它违背了能量守恒定律，这也是它不能制成的原因，故A、D正确。
2．[多选]行驶中的汽车制动后滑行一段距离，最后停下；流星在夜空中坠落并发出明亮的火焰；降落伞在空中匀速下降；条形磁铁在下落过程中穿过闭合线圈，线圈中产生电流。上述不同现象中所包含的相同的物理过程是( )
A．物体克服阻力做功
B．物体的动能转化为其他形式的能量
C．物体的势能转化为其他形式的能量
D．物体的机械能转化为其他形式的能量
解析：选AD 这四个现象中物体运动过程都受到阻力作用，汽车主要是制动阻力，流星、降落伞是空气阻力，条形磁铁下落主要是受到磁场阻力，因而物体都克服阻力做功，故A正确；四个运动过程中，汽车是动能转化成了其他形式的能，流星、降落伞、条形磁铁是重力势能转化成其他形式的能，总之是机械能转化成了其他形式的能，故D正确，B、C错误。
3.
如图所示，容器A、B各有一个可以自由移动的轻活塞，活塞下面是水，上面是大气，大气压恒定。A、B的底部由带阀门K的管道相连，整个装置与外界绝热，原先A中水面比B中的高，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( )
A．大气压对水不做功，水的内能减少
B．水克服大气压做功，水的内能减少
C．大气压对水不做功，水的内能不变
D．大气压对水不做功，水的内能增加
解析：选D 打开阀门K，使A中的水逐渐流向B中，最后水面持平，A中水面下降hA，B中水面上升hB，相当于A中SAhA体积的水移到B中，且SAhA＝SBhB，这部分水的重心降低，重力对水做正功，重力势能减小了。大气压力做功情况是大气压对A容器中的水做正功，对B容器中的水做负功，所以，大气压力对水做的总功为p0SAhA－p0SBhB，由于SAhA＝SBhB，所以大气压对水做的总功为零，又由于系统绝热，与外界没有热交换，只有水重力做功，重力势能转化为内能，故选项D正确。
一、认识历史上曾出现的几种永动机(科学思维)
如图是历史上曾经出现的几种永动机的设计方案示意图：图(a)是想利用短杆上的重球产生的作用，使轮子不停地转动；图(b)是想利用像灯芯那样的棉线把水吸到高处，再流下冲击轮子的叶片，使轮子不停地转动；图(c)是想利用重物在水中受浮力作用而上升，带动轮子不停地转动。
请仔细分析这些永动机的设想，指出它们不可能实现的原因。
提示：图(a)设计，利用了杠杆的原理，认为左侧球的力臂长，力矩大，右侧球的力臂短，力矩小，故轮能逆时针转动，实际上，左侧球不如右侧球数量多，左、右力矩平衡，轮子不可能永远转动。
图(b)设计，利用棉线吸水到高处，水流下时推动轮子上的叶片转动，实际上棉线吸水是由于水的表面张力，当棉线吸水后，表面张力等于水的重力和摩擦阻力时，吸水停止，上边的水流完后，轮子也就不再转动了。
图(c)设计，右边的物体浸在水中，受浮力作用，推动右侧重物上升，左侧重物下降，带动轮子不停地转动。实际上，上面的重物漏出水面，下面的重物进入右侧容器时，就是不考虑漏水的技术问题，还应考虑下面进入的重物要承受上面水的压力，这个压力很大，可抵消上面几个球所受的浮力，因此，这个永动机也就无法永动了。
二、典题好题发掘，练典题做一当十
一定质量的气体从外界吸收了3.5×105 J的热量，内能增加了1.2×105 J。气体对外界做功还是外界对气体做功？做了多少功？
[分析] 气体与外界有热量的传递，其内能发生了变化，涉及热量、内能、做功三者之间的关系，可应用热力学第一定律解决问题。
[解析] 由热力学第一定律，外界对气体所做的功
W＝ΔU－Q＝(1.2×105－3.5×105) J＝－2.3×105 J
W为负值，说明气体对外界做功2.3×105 J。
[答案] 气体对外界做功2.3×105 J
[策略提炼]
应用热力学第一定律解决问题时，需要注意热力学第一定律表达式中的各个量可能为正值，也可能为负值，它们分别代表不同的意义。计算时已知量应代入正负号。
[迁移] 生活中的热学问题通常涉及多个过程。例如，将气泡内的气体视为理想气体，气泡在从湖底上升到湖面过程中，对外界做了0.20 J的功。假设湖水温度保持不变，此过程中的气泡是吸热还是放热？吸收或放出的热量是多少？气泡到达湖面后，在其温度上升的过程中，又对外界做了0.02 J的功，同时吸收了0.05 J的热量，气泡内气体内能增加了多少？
[解析] 气泡从湖底上升到湖面过程中，水温度保持不变，气泡内气体的内能不变ΔU＝0，
由ΔU＝Q＋W可得，Q＝－W＝0.20 J，
即气泡吸收热量0.20 J，
气泡到达湖面后，由W＝－0.02 J，Q＝0.05 J，
ΔU＝W＋Q，可得ΔU＝0.03 J，即气泡内气体内能增加了0.03 J。
[答案] 吸热 0.20 J 0.03 J
[课时跟踪训练]
A级—双基达标
1．汽车关闭发动机后恰能沿斜坡匀速运动，在这一过程中( )
A．汽车的机械能守恒
B．汽车的动能和势能相互转化
C．机械能逐渐转化为内能，总能量逐渐减少
D．机械能逐渐转化为内能，总能量不变
解析：选D 汽车在关闭发动机后能匀速运动，说明汽车和斜坡之间一定有摩擦力作用，所以汽车的机械能不守恒，一部分机械能转化为内能，但能的总量保持不变，故D正确。
2．自由摆动的秋千摆动幅度越来越小，下列说法中正确的是( )
A．机械能守恒
B．能量正在消失
C．只有动能和重力势能的相互转化
D．减少的机械能转化为内能，但总能量守恒
解析：选D 自由摆动的秋千摆动幅度越来越小，说明机械能在减小，故A、C错误；而减少的机械能通过摩擦转化成了内能，故B错误，D正确。
3．对于一个大气压下100 ℃的水变成100 ℃的水蒸气的过程中，下列说法正确的是( )
A．水的内能增加，对外界做功，一定是吸热
B．水的内能不变，对外界做功，从外界吸热
C．水的内能减少，对外界不做功，向外界放热
D．水的内能增加，对外界做功，向外界放热
解析：选A 水变成水蒸气的过程是吸热的过程，又因气体膨胀对外界做功，分子间距增大，分子势能增加，分子动能不变，由此判断可知A对。
4．(2025·北京高考)我国古代发明的一种点火器如图所示，推杆插入套筒封闭空气，推杆前端粘着易燃艾绒。猛推推杆压缩筒内气体，艾绒即可点燃。在压缩过程中，筒内气体( )
A．压强变小
B．对外界不做功
C．内能保持不变
D．分子平均动能增大
解析：选D 猛推推杆压缩筒内气体，气体来不及与外界发生热交换，则Q＝0，气体被压缩，体积减小，则外界对气体做正功，W>0，根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W可知，气体内能增大，故其温度升高，分子平均动能增大，又气体体积减小，根据理想气体状态方程＝C，可知气体压强增大，故A、C错误，D正确；气体被压缩，体积减小，则气体对外界做负功，故B错误。
5．如图所示，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( )
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)
解析：选A 气体等压膨胀，由＝C，体积V增大，故温度T升高；温度是分子热运动平均动能的标志，温度升高，气体分子平均动能增大，故选项A正确，B、C错误；根据热力学第一定律得：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错误。
6．出租车常以天然气作为燃料。加气站储气罐中天然气的温度随气温升高的过程中，若储气罐内气体体积及质量均不变，则罐内气体(可视为理想气体)( )
A．压强增大，内能减小
B．吸收热量，内能增大
C．压强减小，分子平均动能增大
D．对外做功，分子平均动能减小
解析：选B 温度是分子平均动能的宏观标志，故天然气的温度升高过程中，分子平均动能增大，又天然气可视为理想气体，不需要考虑分子势能，而气体质量不变，储气罐内天然气分子数不变，所以气体分子总动能增大，故内能增大，A、D项错误；由热力学第一定律可知，气体体积不变，内能增大，则一定从外界吸收热量，B项正确；天然气体积不变，随温度升高，气体压强增大，C项错误。
7．(2025·江苏高考)如图所示，取装有少量水的烧瓶，用装有导管的橡胶塞塞紧瓶口，并向瓶内打气。当橡胶塞跳出时，瓶内出现白雾。橡胶塞跳出后，瓶内气体( )
A．内能迅速增大 B．温度迅速升高
C．压强迅速增大 D．体积迅速膨胀
解析：选D 瓶塞跳出的过程中，气体体积迅速膨胀，瓶内的气体对外做功，由于该过程的时间比较短，可知气体来不及吸收热量，根据热力学第一定律可知，气体的内能减小，则温度降低，由理想气体状态方程＝C可知，气体压强减小。故选D。
8．某救生手环主要由高压气囊密闭，气囊内气体视为理想气体。密闭气囊与人一起上浮的过程中，若气囊内气体温度不变，体积增大，则( )
A．外界对气囊内气体做正功
B．气囊内气体压强增大
C．气囊内气体内能增大
D．气囊内气体从外界吸热
解析：选D 气囊上浮过程，密闭气体温度不变，由玻意耳定律pV＝C可知，体积变大，则压强变小，气体对外做功，故A、B错误；气体温度不变，内能不变，气体对外做功，W<0，由热力学第一定律ΔU＝Q＋W可知Q>0，气体从外界吸热，故C错误，D正确。
9．目前地热资源主要用来发电和供暖。若有85 ℃的地热水，质量为4×105 kg，经过散热器放热后的水温为35 ℃，则这些地热水放出了多少热量？[c水＝4.2×103 J/(kg·℃)]
解析：地热水的质量：m＝4×105 kg，地热水放出的热量：Q放＝c水mΔt＝4.2×103 J/(kg·℃)×4×105 kg×(85 ℃－35 ℃)＝8.4×1010 J。
答案：8.4×1010 J
B级—选考提能
10．(2025·甘肃高考)(多选)如图所示，一定质量的理想气体从状态A经等容过程到达状态B，然后经等温过程到达状态C。已知质量一定的某种理想气体的内能只与温度有关，且随温度升高而增大。下列说法正确的是( )
A．A→B过程为吸热过程
B．B→C过程为吸热过程
C．状态A压强比状态B的小
D．状态A内能比状态C的小
解析：选ACD A→B过程，气体体积不变，则W＝0，温度升高，则ΔU>0，根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，可知Q>0，即该过程为吸热过程，选项A正确；B→C过程，气体温度不变，则ΔU＝0，体积减小，则W>0，根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，可知Q<0，即该过程为放热过程，选项B错误；A→B过程，气体体积不变，温度升高，根据理想气体状态方程＝C，可知，气体压强变大，即状态A压强比状态B压强小，选项C正确；气体在状态A的温度低于在状态C的温度，可知状态A的内能比状态C的内能小，选项D正确。
11.(多选)如图，在水平放置的刚性汽缸内用活塞封闭两部分气体A和B，质量一定的两活塞用杆连接。汽缸内两活塞之间保持真空，活塞与汽缸壁之间无摩擦，左侧活塞面积较大，A、B的初始温度相同，略抬高汽缸左端使之倾斜，再使A、B升高相同温度，气体最终达到稳定状态。若始末状态A、B的压强变化量ΔpA、ΔpB均大于零，对活塞压力的变化量为ΔFA、ΔFB，则( )
A．A体积增大 B．A体积减小
C．ΔFA>ΔFB D．ΔpA<ΔpB
解析：选AD 以两个活塞和杆整体为研究对象，初始时刻有pASA＝pBSB，略抬高汽缸左端使之倾斜，由于活塞的重力作用，A部分气体压强减小，B部分气体压强增大。对A部分气体，压强减小，温度升高，由理想气体状态方程＝C可知体积增大。因A部分气体体积增大，所以B部分气体体积减小，活塞向B端移动，A项正确，B项错误；仍以两个活塞为研究对象，开始时，两活塞受力平衡，略抬高汽缸左端使之倾斜，再使A、B升高相同温度，最终两个活塞的受力还要平衡，有pA′SA＋mgsin θ＝pB′SB，则压力的变化不相等，ΔFB>ΔFA，C项错误；由Δp＝，又SA>SB，结合C项分析可得ΔpA<ΔpB，D项正确。
12．(2024·湖北高考)如图所示，在竖直放置、开口向上的圆柱形容器内用质量为m的活塞密封一部分理想气体，活塞横截面积为S，能无摩擦地滑动。初始时容器内气体的温度为T0，气柱的高度为h。当容器内气体从外界吸收一定热量后，活塞缓慢上升h再次平衡。已知容器内气体内能变化量ΔU与温度变化量ΔT的关系式为ΔU＝CΔT，C为已知常数，大气压强恒为p0，重力加速度大小为g，所有温度为热力学温度。求：
(1)再次平衡时容器内气体的温度。
(2)此过程中容器内气体吸收的热量。
解析：(1)由题意可知，气体进行等压变化，则由盖 吕萨克定律得＝，即＝，解得T1＝T0。
(2)此过程中气体内能增加ΔU＝CΔT＝CT0
气体对外界做的功W＝pSΔh＝h(p0S＋mg)，
根据热力学第一定律可知，此过程中容器内气体吸收的热量Q＝ΔU＋W＝h(p0S＋mg)＋CT0。
答案：(1)T0 (2)h(p0S＋mg)＋CT0
7 / 7人教版物理选择性必修第三册
第三章 热力学定律
第2、3节 热力学第一定律能量守恒定律
1．理解热力学第一定律，并能进行有关计算。
2.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。
3．知道第一类永动机是不可能制成的。
1．填一填
(1)改变内能的两种方式：做功和传热都可以改变物体的内能，而且这两种方式是等价的。
(2)单纯地对系统做功时内能的变化量与功的关系：ΔU＝W。
(3)单纯地对系统传热时内能的变化量与传递热量的关系：ΔU＝Q。
(4)当外界既对系统做功又对系统传热时，内能的变化量：ΔU＝Q＋W。
(5)热力学第一定律的内容
一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和。
2．判一判
(1)外界对系统做功，系统的内能一定增加。( )
(2)系统内能增加，一定是系统从外界吸收热。( )
(3)系统从外界吸收热量5 J，内能可能增加5 J。( )
(4)系统内能减少，一定是系统对外界做功。( )
3．想一想
快速推动活塞对汽缸内气体做功10 J，气体内能改变了多少？若保持气体体积不变，外界对汽缸传递10 J的热量，气体内能改变了多少？能否说明10 J的功等于10 J的热量？
1．填一填
(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，能量的总量 。
(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。
(3)永动机不可能制成
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第一类永动机不可能制成的原因：违背了 。
2．判一判
(1)运动的物体在阻力作用下会停下来，说明机械能凭空消失了。( )
(2)功和能可以相互转化。( )
(3)第一类永动机不能制成，是因为它违背了能的转化和守恒定律。( )
(4)某个物体的能量减少，必然有其他物体的能量增加。( )
3．选一选
“第一类永动机”是不可能制成的，这是因为( )
A．它不符合机械能守恒定律
B．它违背了能量守恒定律
C．它做功产生的热不符合热功当量
D．暂时找不到合理的设计方案和理想材料
热力学第一定律的理解及应用
[学透用活]
1．公式ΔU＝Q＋W中符号的规定
符号 Q W ΔU
＋ 物体吸热 外界对物体做功 内能增加
－ 物体放热 物体对外界做功 内能减少
2．三种特殊情况
(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。
一定质量的实际气体从外界吸收了4.2×105 J的热量，同时气体对外做了6×105 J的功，问：
(1)气体的内能是增加还是减少？变化量是多少？
(2)分子势能是增加还是减少？
(3)分子的平均动能是增加还是减少？
[对点练清]
1．下列说法正确的是( )
A．物体放出热，其内能一定减少
B．物体对外做功，其内能一定减少
C．物体吸收热，同时对外做功，其内能可能增加
D．物体放出热，同时对外做功，其内能可能不变
2．一定质量的理想气体从状态a变化到状态b，其体积V和热力学温度T变化图像如图所示，此过程中该系统( )
A．对外界做正功
B．压强保持不变
C．向外界放热
D．内能减少
3．(2025·黑吉辽蒙高考)某同学冬季乘火车旅行，在寒冷的站台上从气密性良好的糖果瓶中取出糖果后拧紧瓶盖，将糖果瓶带入温暖的车厢内一段时间后，与刚进入车厢时相比，瓶内气体( )
A．内能变小 B．压强变大
C．分子的数密度变大 D．每个分子动能都变大
对能量守恒定律的理解
[学透用活]
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，还有电磁能、化学能、原子能等。
(2)各种形式的能可以相互转化。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．能量守恒定律中的“转化”和“转移”
(1)某种形式的能量减少，一定有其他形式的能量增加，且减少量和增加量一定相等。
(2)某个物体的能量减少，一定存在其他物体的能量增加，且减少量和增加量一定相等。
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，则有U2－U1＝W，就是说，如果系统内能减少，即U2
如图所示，直立容器的内部有被隔板隔开的A、B两部分气体，A的密度小，B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的热量为Q，气体内能的增量为ΔE，则( )
A．ΔE＝Q B．ΔEC．ΔE>Q D．ΔE＝0
[对点练清]
1．[多选]下列关于第一类永动机的说法正确的是( )
A．第一类永动机是不消耗任何能量却可源源不断地对外做功的机器
B．第一类永动机不能制成的原因是违背了热力学第一定律
C．第一类永动机不能制成的原因是技术问题
D．第一类永动机不能制成的原因是违背了能量守恒定律
2．[多选]行驶中的汽车制动后滑行一段距离，最后停下；流星在夜空中坠落并发出明亮的火焰；降落伞在空中匀速下降；条形磁铁在下落过程中穿过闭合线圈，线圈中产生电流。上述不同现象中所包含的相同的物理过程是( )
A．物体克服阻力做功
B．物体的动能转化为其他形式的能量
C．物体的势能转化为其他形式的能量
D．物体的机械能转化为其他形式的能量
3.
如图所示，容器A、B各有一个可以自由移动的轻活塞，活塞下面是水，上面是大气，大气压恒定。A、B的底部由带阀门K的管道相连，整个装置与外界绝热，原先A中水面比B中的高，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( )
A．大气压对水不做功，水的内能减少
B．水克服大气压做功，水的内能减少
C．大气压对水不做功，水的内能不变
D．大气压对水不做功，水的内能增加
一、认识历史上曾出现的几种永动机(科学思维)
如图是历史上曾经出现的几种永动机的设计方案示意图：图(a)是想利用短杆上的重球产生的作用，使轮子不停地转动；图(b)是想利用像灯芯那样的棉线把水吸到高处，再流下冲击轮子的叶片，使轮子不停地转动；图(c)是想利用重物在水中受浮力作用而上升，带动轮子不停地转动。
请仔细分析这些永动机的设想，指出它们不可能实现的原因。
二、典题好题发掘，练典题做一当十
一定质量的气体从外界吸收了3.5×105 J的热量，内能增加了1.2×105 J。气体对外界做功还是外界对气体做功？做了多少功？
[分析] 气体与外界有热量的传递，其内能发生了变化，涉及热量、内能、做功三者之间的关系，可应用热力学第一定律解决问题。
[迁移] 生活中的热学问题通常涉及多个过程。例如，将气泡内的气体视为理想气体，气泡在从湖底上升到湖面过程中，对外界做了0.20 J的功。假设湖水温度保持不变，此过程中的气泡是吸热还是放热？吸收或放出的热量是多少？气泡到达湖面后，在其温度上升的过程中，又对外界做了0.02 J的功，同时吸收了0.05 J的热量，气泡内气体内能增加了多少？
[课时跟踪训练]
A级—双基达标
1．汽车关闭发动机后恰能沿斜坡匀速运动，在这一过程中( )
A．汽车的机械能守恒
B．汽车的动能和势能相互转化
C．机械能逐渐转化为内能，总能量逐渐减少
D．机械能逐渐转化为内能，总能量不变
2．自由摆动的秋千摆动幅度越来越小，下列说法中正确的是( )
A．机械能守恒
B．能量正在消失
C．只有动能和重力势能的相互转化
D．减少的机械能转化为内能，但总能量守恒
3．对于一个大气压下100 ℃的水变成100 ℃的水蒸气的过程中，下列说法正确的是( )
A．水的内能增加，对外界做功，一定是吸热
B．水的内能不变，对外界做功，从外界吸热
C．水的内能减少，对外界不做功，向外界放热
D．水的内能增加，对外界做功，向外界放热
4．(2025·北京高考)我国古代发明的一种点火器如图所示，推杆插入套筒封闭空气，推杆前端粘着易燃艾绒。猛推推杆压缩筒内气体，艾绒即可点燃。在压缩过程中，筒内气体( )
A．压强变小
B．对外界不做功
C．内能保持不变
D．分子平均动能增大
5．如图所示，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( )
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)
6．出租车常以天然气作为燃料。加气站储气罐中天然气的温度随气温升高的过程中，若储气罐内气体体积及质量均不变，则罐内气体(可视为理想气体)( )
A．压强增大，内能减小
B．吸收热量，内能增大
C．压强减小，分子平均动能增大
D．对外做功，分子平均动能减小
7．(2025·江苏高考)如图所示，取装有少量水的烧瓶，用装有导管的橡胶塞塞紧瓶口，并向瓶内打气。当橡胶塞跳出时，瓶内出现白雾。橡胶塞跳出后，瓶内气体( )
A．内能迅速增大 B．温度迅速升高
C．压强迅速增大 D．体积迅速膨胀
8．某救生手环主要由高压气囊密闭，气囊内气体视为理想气体。密闭气囊与人一起上浮的过程中，若气囊内气体温度不变，体积增大，则( )
A．外界对气囊内气体做正功
B．气囊内气体压强增大
C．气囊内气体内能增大
D．气囊内气体从外界吸热
9．目前地热资源主要用来发电和供暖。若有85 ℃的地热水，质量为4×105 kg，经过散热器放热后的水温为35 ℃，则这些地热水放出了多少热量？[c水＝4.2×103 J/(kg·℃)]
B级—选考提能
10．(2025·甘肃高考)(多选)如图所示，一定质量的理想气体从状态A经等容过程到达状态B，然后经等温过程到达状态C。已知质量一定的某种理想气体的内能只与温度有关，且随温度升高而增大。下列说法正确的是( )
A．A→B过程为吸热过程
B．B→C过程为吸热过程
C．状态A压强比状态B的小
D．状态A内能比状态C的小
11.(多选)如图，在水平放置的刚性汽缸内用活塞封闭两部分气体A和B，质量一定的两活塞用杆连接。汽缸内两活塞之间保持真空，活塞与汽缸壁之间无摩擦，左侧活塞面积较大，A、B的初始温度相同，略抬高汽缸左端使之倾斜，再使A、B升高相同温度，气体最终达到稳定状态。若始末状态A、B的压强变化量ΔpA、ΔpB均大于零，对活塞压力的变化量为ΔFA、ΔFB，则( )
A．A体积增大 B．A体积减小
C．ΔFA>ΔFB D．ΔpA<ΔpB
12．(2024·湖北高考)如图所示，在竖直放置、开口向上的圆柱形容器内用质量为m的活塞密封一部分理想气体，活塞横截面积为S，能无摩擦地滑动。初始时容器内气体的温度为T0，气柱的高度为h。当容器内气体从外界吸收一定热量后，活塞缓慢上升h再次平衡。已知容器内气体内能变化量ΔU与温度变化量ΔT的关系式为ΔU＝CΔT，C为已知常数，大气压强恒为p0，重力加速度大小为g，所有温度为热力学温度。求：
(1)再次平衡时容器内气体的温度。
(2)此过程中容器内气体吸收的热量。
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