第五讲 能源与可持续发展
第六讲 研究性学习——能源的开发利用与环境保护
[目标定位] 1.知道一些常规能源.2.知道温室效应和酸雨形成的原因、危害及防治措施.3.了解新能源开发与利用.
一、能源与环境
1.常规能源：煤、石油、天然气.
2.大量消耗常规能源造成的危害
(1)空气质量恶化，危害生态环境.
(2)大气污染最突出的影响是：温室效应和酸雨.
二、温室效应
1.温室效应是人类过多地排放二氧化碳，干扰了地球的热量平衡造成的.
2.控制全球变暖的对策：调整能源结构，控制二氧化碳的过量排放.
三、酸雨
1.定义：pH值小于5.6的降水.
2.酸雨形成原因：人为排放的二氧化硫和氮氧化合物是酸雨形成的根本原因.
3.酸雨的危害：酸雨影响人的健康，危害生态系统，使土壤酸化和贫瘠，腐蚀建筑物和艺术品.
4.防治酸雨的措施
(1)健全法规，强化管理，控制排放.
(2)发展清洁煤技术，减少燃烧过程SO2的排放.
(3)改造发动机，安装汽车尾气净化器.
四、能量降退与节约能源
1.能量降退：能量可利用程度降低的现象.
2.节约能源：由于常规能源是不可再生的能源，不是用之不竭的.
五、新能源的开发和利用
1.化石能源的短缺和利用常规能源带来的环境污染，使得新能源的开发成为当务之急.
2.新能源主要有下列几种
(1)太阳能
(2)生物质能
(3)风能
(4)水(河流、潮汐)能
太阳能、风能、水能是清洁能源.风能和水能是可再生能源.
[温馨提示] 能量耗散虽然不会使能的总量减少，却会导致能量品质的降低，它实际上将能量从高度有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.
解决学生疑难点
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一、能源的特点及分类
能源分类方法
能源分类名称
特点
举例
按形成或转换特点分
一次能源
自然形成，未经加工
太阳能、风能、地热能、核能、潮汐能
二次能源
由一次能源经加工转换而成
焦炭、木炭、蒸汽、液化气、酒精、汽油、电能
按利用技术分
常规能源
已大规模正常使用
煤、石油、天然气、水能
新能源
正在开发，或有新的利用方式
太阳能、核能、地热能、海洋能、沼气、风能
按可否再生分
可再生能源
可循环使用、不断补充
水能、风能、太阳能、地热能
不可再生能源
短期内无法转换获得
煤、石油、天然气、核燃料
按对环境污染情况分
清洁能源
对环境基本上没有污染
太阳能、海洋能、风能、水能
污染能源
会严重污染环境
化石燃料(煤、石油、天然气)
例1 水力发电站的电能最终来自于( )
A.太阳能
B.水的动能
C.水的势能
D.水的内能
答案 A
二、能量降退与节约能源
1.能量降退
(1)概念：能量可利用程度降低的现象.
(2)对能量降退的理解
①由于自然界中的宏观过程的方向性，使能量在转化过程中，可利用程度逐渐降低.
②内燃机不可能把燃料燃烧释放的内能全部用来对外做功，总有散失到环境中的能量，这些能量很难重新利用，可利用程度很低，若用内燃机输出的机械能带动发电机发电，又有一部分机械能转化为发电机的内能，发电机温度升高，把这些内能散失到周围空间，这些弥散的能量可利用程度也很低，由此看来，能量的可利用程度是逐渐降低的.
2.节约能源的原因
(1)煤炭、石油、天然气等常规能源都是不可再生能源，都存在能量降退的现象.
(2)随着生产力的飞速发展，能源的消耗急剧增长.
(3)地球上的石油、煤炭等能源储藏量有限，能源需求的成倍增长与常规能源的有限性的矛盾将不断引起能源危机.
例2 下列供热方式最有利于环境保护的是( )
A.用煤做燃料供热
B.用石油做燃料供热
C.用天然气或煤气做燃料供热
D.用太阳能灶供热
答案 D
解析 煤、石油、天然气等燃料的使用，使人类获得大量能源，但是由于这些燃料中含有杂质以及燃烧的不充分，使得废气中含有粉末、一氧化碳、二氧化硫等物质污染大气，而太阳能是一种无污染的能源.
借题发挥 太阳能是一种清洁能源，不会污染环境.不会污染环境的能源还有：风能、海洋能、地热能、生物质能和氢能等.
针对训练 下列对能量降退的理解正确的是( )
A.能量降退说明能量在不断减少
B.能量降退遵守能量守恒定律
C.能量降退说明能量不能凭空产生，但可以凭空消失
D.能量降退从能量角度反映出自然界的宏观过程具有方向性
答案 BD
解析 能量降退是在能量转化的过程中可利用程度逐渐降低，散失的部分无法再回收利用，但不违反能量守恒定律，能量既没有减少，也没有消失，它只是从能量角度反映出自然界的宏观过程具有方向性，故B、D选项正确.
能源与环境
1.下列情况可引起大气污染的是( )
A.太阳能热水器的使用
B.工业废气的排放
C.燃放鞭炮
D.风车在发电
答案 BC
解析 太阳能与风能是清洁能源，而工业废气及燃放鞭炮都可能会引起大气污染，选B、C.
2.关于“温室效应”，下列说法正确的是( )
A.太阳能源源不断地辐射到地球上，由此产生了“温室效应”
B.石油和煤炭燃烧时产生的二氧化碳增加了大气中二氧化碳的含量，由此产生了“温室效应”
C.“温室效应”使得地面气温上升，两极冰雪熔化
D.“温室效应”使得土壤酸化
答案 BC
解析 “温室效应”的产生是由于石油和煤炭燃烧时产生的二氧化碳增加了大气中二氧化碳的含量.它的危害是使地面气温上升、两极冰雪熔化、海平面上升淹没沿海城市、海水向河流倒灌、耕地盐碱化等，故正确答案为B、C.
能源开发与利用
3.下列关于能量耗散的说法，不正确的是( )
A.能量耗散使能的总量减少，违背了能量守恒定律
B.能量耗散是指耗散在环境中的内能再也不能被人类利用
C.各种形式的能量向内能的转化，是能够自动全额发生的
D.能量耗散导致能量品质的降低
答案 A
解析 能量耗散是能量在转化的过程中有一部分以内能的形式被周围环境吸收，遵守能量守恒定律，但使得能量品质降低，故A错、D对；耗散的内能无法再被利用，B项对；其他形式的能在一定的条件下可以全部转化为内能，但相反过程却不能够全额进行，C项对；故选B、C、D.
(时间：60分钟)
题组一 能源的分类
1.以下说法正确的是( )
A.煤、石油、天然气等燃料的最初来源可追溯到太阳能
B.汽油是一种清洁能源
C.水能是可再生能源
D.煤、石油等常规能源是取之不尽、用之不竭的
答案 AC
解析 煤、石油、天然气等是动植物转化成的，其来源可追溯到太阳能，A正确；汽油燃烧会引起一些化合物的产生，导致有毒气体的生成，B错误；水能是可再生能源，C正确；煤、石油等存量是有限的，是不可再生能源，D错误.
2.作为新型燃料，从环保角度来看，氢气具有的突出特点是( )
A.在自然界里存在氢气
B.氢气轻，便于携带
C.燃烧氢气污染小
D.氢气燃烧发热量高
答案 C
解析 氢气燃烧生成水，所以对环境污染小.
题组二 能源与环境
3.你认为下列能源中，最适合作为未来能源的是( )
A.太阳能
B.风能
C.柴薪能源
D.潮汐能
答案 A
4.关于能源的开发和节约，你认为下列哪些观点是错误的( )
A.常规能源是有限的，无节制地利用常规能源，如石油之类，是一种盲目的短期行为
B.根据能量守恒定律，担心能源枯竭是一种杞人忧天的表现
C.能源的开发和利用，必须要同时考虑其对环境的影响
D.通过核聚变和平利用核能是目前开发新能源的一种新途径
答案 B
解析 能量虽然守恒，但能量的耗散导致能量的品质降低及不可再利用，也往往对环境产生破坏，从而应开发新型的清洁型的能源，故B选项错.
5.下列叙述中不正确的是( )
A.市区禁止摩托车通行是为了提高城区空气质量
B.无氟冰箱的使用会使臭氧层受到不同程度的破坏
C.大气中CO2含量的增多是引起温室效应的主要原因
D.“白色污染”是当前环境保护亟待解决的问题之一
答案 B
解析 城市的空气污染一方面来自工业，另一方面来自机动车尾气的排放；氟是促使臭氧分解的催化剂，所以无氟冰箱的使用会降低对臭氧层的破坏；二氧化碳的性质决定了它能引起温室效应，现在大气中二氧化碳的浓度日益增大；由于塑料极难分解，所以“白色污染”成了当前环境保护的重大问题之一.
题组三 能源的开发与利用
6.下面关于能源的说法中正确的是( )
A.一切能源是取之不尽，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 BC
解析 尽管能量守恒，但耗散的内能无法重新收集利用，所以能源是有限的，特别是常规能源，A错、B对；常规能源的利用比核能的利用对环境的影响大，C对、D错.
7.为了减缓大气中CO2浓度的增加，可以采取的措施有( )
A.禁止使用煤、石油和天然气
B.开发利用核能、太阳能
C.将汽车燃料由汽油改为液化石油气
D.植树造林
答案 BD
解析 能源与环境是相互制约的，在目前能源比较短缺的情况下还不能禁止使用常规能源，A、C错，B正确；通过植树造林，可以把太阳辐射到地球的能量转化为生物的能量储存起来，又能吸收大气中的CO2，释放出O2，D正确.
8.关于能量和能源，下列说法中正确的是( )
A.化石能源是清洁能源，水能是可再生能源
B.人类在不断地开发和利用新能源，所以能量可以被创造
C.在能源的利用过程中，由于能量在数量上并未减少，所以不需要节约能源
D.能量耗散现象说明：在能量转化的过程中，虽然能量的总量并不减少，但能量品质降低了
答案 D
解析 化石能源在燃烧时放出SO2、CO2等气体，形成酸雨和温室效应，破坏生态环境，不是清洁能源，A项错；能量是守恒的，既不能创造也不可能消失，但能量品质会下降，故要节约能源，B、C均错，D项正确.
9.有一位柴油机维修师傅，他介绍说不用任何仪器，只要将手伸到柴油机排气管附近，感知一下排出尾气的温度，他就能够判断这台柴油机是否节能，关于尾气的温度跟柴油机是否节能之间的关系，你认为正确的是( )
A.尾气的温度越高，柴油机越节能
B.尾气的温度越低，柴油机越节能
C.尾气的温度高低与柴油机是否节能无关
D.以上说法均不正确
答案 B
解析 气体的内能不可能完全转化为柴油机的机械能，柴油机使柴油在它的气缸中燃烧，产生高温高压的气体，是一个高温热源；而柴油机排气管排出的尾气是一个低温热源，根据能量守恒定律，这两个热源之间的能量差就是转换的机械能，燃烧相同质量的柴油，要想输出的机械能越多，尾气的温度就要越低.
10.煤是重要的能源和化工原料，直接燃烧既浪费资源又污染环境.最近，某企业利用“煤粉加压气化制备合成气新技术”，让煤变成合成气(一氧化碳及氢气总含量≥90%)，把煤“吃干榨尽”.下列有关说法中不正确的是( )
A.煤粉加压气化制备合成气过程涉及化学变化和物理变化
B.煤粉加压气化制备合成气过程涉及化学变化但没有物理变化
C.该技术实现了煤的清洁利用
D.该技术实现了煤的高效利用
答案 B
解析 煤粉加压汽化制备合成气中既有物理变化，又有化学变化，A正确；该技术使煤得以良好利用又环保，C、D正确，故选B.
11.CO2气体有个“怪脾气”，它几乎不吸收太阳的短波辐射，大气中CO2浓度增加，能使地表温度因受太阳辐射
而上升；另外，它还有强烈吸收地面红外热辐射的作用，阻碍了地球周围的热量向外层空间的排放，使整个地球就像一个大温室一样.因此，大气中CO2浓度的急剧增加已导致气温的逐步上升，使全球气候变暖.
(1)这种大气中以CO2为主的气体产生的效应称为( )
A.光热效应
B.光电效应
C.光气效应
D.温室效应
(2)导致大气中CO2浓度增加的主要原因是( )
A.大量植物和生物物种灭绝
B.大量燃料如石油、煤炭、天然气等的燃烧
C.人口剧增，呼出的二氧化碳增多
D.自然因素破坏了地球环境生态平衡
答案 (1)D (2)B
解析 以CO2为主的气体产生的效应称为温室效应，导致这种效应产生的重要原因为大量燃料如石油、煤炭、天然气等的燃烧.
12.能源问题是当前热门话题，传统的能源——煤和石油，由于储量有限，有朝一日要被开采完毕，同时在使用过程中也会带来污染，寻找新的、无污染的能源是人们努力的方向，利用潮汐发电即为一例.如图1表示的是利用潮汐发电，左方为陆地和海湾，中间为大坝；其下有通道，水经通道可带动发电机.涨潮时，水进入海湾，待内外水面高度相同时，堵住通道如图甲；潮落至最低点时放水发电，如图乙；待内外水面高度相同时，再堵住通道，直到下次涨潮至最高点，又进水发电，如图丙.设海湾面积为5.0×107m2，高潮与低潮间高度差为3.0m，则一天内流水的平均功率为( )
图1
A.75MW
B.100MW
C.125MW
D.150MW
答案 B
解析 潮汐发电其实质就是将海水的重力势能转化为电能.每次涨潮时流进海湾(落潮时流出海湾)的海水的重力为mg＝ρShg＝1.0×103×5.0×107×3×10N＝1.5×1012N，其重心高度变化为h′＝1.5m.
一天内海水两进两出，故水流功率为
P＝＝W＝1.0×108W＝100MW.第三章
热力学基础
一、做功、热传递与内能变化的关系
1.做功与热传递的区别与联系
做功和热传递是改变物体内能的两种方式，它们在改变物体的内能上是等效的，但它们的本质不同.做功是其他形式的能和内能之间的转化，热传递则是物体间内能的转移.
2.热力学第一定律
ΔU＝W＋Q正确理解公式的意义及符号含义是解决本类问题的关键.
(1)外界对物体做功，W>0；物体对外做功，W<0；
(2)物体从外界吸热，Q>0；物体放出热量，Q<0；
(3)ΔU>0，物体的内能增加；ΔU<0，物体的内能减少.
分析题干，确定内能改变的方式(W、Q)→判断W、Q的符号→代入公式ΔU＝W＋Q→得出结论
例1 当把打足气的车胎内的气体迅速放出时，会发现车胎气嘴处的温度明显降低，则在这个过程中( )
A.气体对外做功，同时向外散发热量
B.气体对外做功，车胎内气体温度降低，从外界吸热
C.外界对车胎内气体做功，车胎内气体向外传递热量
D.外界对车胎内气体做功，同时向车胎内气体传递热量
答案 B
解析 气体迅速放出时，气体体积膨胀对外做功，同时温度降低，使气嘴处温度明显低于外界温度，从外界吸热.故正确答案为B.
例2 一定质量的理想气体自状态A经状态C变化到状态B.这一过程的V－T图象表示如图1所示，则( )
图1
A.在过程AC中，外界对气体做功，内能不变
B.在过程CB中，外界对气体做功，内能增加
C.在过程AC中，气体压强不断变大
D.在过程CB中，气体压强不断减小
答案 AC
解析 由图象可知，AC过程是等温压缩，CB过程是等容升温，据气态方程可判断出：AC过程气体体积变小，外界对气体做功，气体内能不变，气体压强不断变大；CB过程气体体积不变，内能增加，显然气体从外界吸热，气体压强不断增大，故A、C正确.
例3 一定质量的气体从外界吸收了4.2×105J的热量，同时气体对外做了6×105J的功，问：
(1)物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？
答案 (1)内能减少1.8×105J (2)分子势能增加
(3)分子平均动能减少
解析 (1)气体从外界吸热为Q＝4.2×105J，气体对外做功W＝－6×105J，由热力学第一定律ΔU＝W＋Q＝(－6×105J)＋(4.2×105J)＝－1.8×105J.ΔU为负，说明气体的内能减少了.所以，气体内能减少了1.8×105J.(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，气体分子势能增加了.(3)因为气体内能减少，同时分子势能增加，所以分子平均动能减少.
二、能量守恒定律及应用
1.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另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体，在能的转化或转移过程中其总量不变.
能量守恒定律是自然界普遍适用的规律，不同形式的能可以相互转化.
2.应用能量守恒定律解题的方法和步骤
(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ΔE减和增加的能量ΔE增的表达式.
(3)根据下列两种思路列出能量守恒方程：ΔE减＝ΔE增.
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，且减少量与增加量一定相等.
(4)解方程，代入数据，计算结果.
例4 在近地的高空中，雨滴几乎是匀速下落的，设在此过程中所产生的热量有30%被雨滴吸收，求雨滴在近地下落40m前、后的温度差？(g取10m/s2，水的比热容为4.2×103
J/kg·℃)
答案 升高0.03℃
解析 设雨滴的质量为m
因为雨滴匀速下落，所以雨滴重力势能的减少等于雨滴克服阻力所做的功
雨滴重力势能的减少，W＝mgh＝400mJ
转化成雨滴内能的为Q＝W·η＝400mJ×30%＝120mJ
由Q＝cmΔt得：Δt＝≈0.03℃
三、热力学第二定律的应用
1.热力学第二定律的两种表述
(1)按照热传递的方向性表述为：热量不能自发地从低温物体传到高温物体，这是热力学第二定律的克劳修斯表述.
(2)按照机械能与内能转化的方向性表述为：不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响.这是热力学第二定律的开尔文表述.
2.热力学第二定律的微观意义
(1)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.
(2)用熵来表示热力学第二定律：在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小.
3.在整个自然界中，无论有无生命，所有宏观的自发过程都具有单向性，都是不可逆过程.如河水向下游流，重物向下落，房屋由新到旧直至倒塌，人要从婴儿到老年直至死亡等.
例5 下面关于热力学第二定律微观意义的说法中正确的是( )
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不会减小
答案 AD
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，从微观角度看，热力学第二定律是一个统计规律，所以A对；热力学第二定律的微观意义是“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”，所以B、C均错；D项是在引入熵之后对热力学第二定律微观意义的描述，D对.故正确答案为A、D.
例6 炎炎夏日，两位同学在充满凉意的空调室内，就空调机的工作过程是否遵循热力学第二定律的问题发生了争论.
甲同学说：空调机工作时，不断地把热量从室内传到室外，即从低温物体传到高温物体，可见它并不遵循热力学第二定律.
乙同学说：热力学第二定律是热力学系统的普遍规律，空调机的工作过程不可能违反它.
两人各执一词，都无法使对方信服.请你对他们的论点作出评价.
答案 空调机工作时，热量是由低温物体传到高温物体，但不是自发的，要有压缩机工作，产生了其它影响，所以不违背热力学第二定律，乙同学的观点正确.第四讲 热力学第二定律
[目标定位] 1.通过自然界中客观过程的方向性，了解热力学第二定律.2.了解热力学第二定律的两种不同表述，以及两种表述的物理实质.3.了解什么是第二类永动机，知道为什么它不能制成.4.了解热力学第二定律的微观实质.5.了解熵是反映系统无序程度的物理量.
一、热传导的方向性
1.两个温度不同的物体互相接触时，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：热传导过程是有方向性的.
2.热力学第二定律是一条反映自然界过程进行方向和条件的规律.
二、机械能和内能转化过程的方向性
1.机械能和内能转化过程具有方向性，即机械能全部转化为内能的过程是可以自发进行的，内能全部转化为机械能的过程，是不能自发进行的，要将内能全部转化为机械能，必然会引起其他影响.
2.第二类永动机
(1)定义
从单一热源吸热全部用来做功，而不引起其他变化的热机.
(2)第二类永动机不可能制成的原因是它违背了热力学第二定律.
三、热力学第二定律的表述
1.第一种表述(克劳修斯表述)：热量不能自发地从低温物体传递到高温物体.(按照热传导的方向性来表述的).
2.第二种表述(开尔文表述)：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.(按照机械能与内能转化过程的方向性来表述的)
热力学第二定律的这两种表述是等价的.热现象的宏观过程都具有方向性.
3.自然界中一切与热现象有关的自然过程都具有方向性.
想一想 热传导的方向性能否简单理解为“热量不会从低温物体传给高温物体”？
答案：不能.“自发地”是指没有第三者影响，例如空调、冰箱等制冷机就是把热量从低温物体传到了高温物体，但是也产生了其他影响，即外界做了功.
四、热力学第二定律的微观实质
1.做功是与分子群体的有序运动联系在一起的，内能是和分子的无序运动联系在一起的，机械能转化为内能的过程，从微观上来说，是大量分子的有序运动朝无序运动的方向转换的过程，其相反方向的过程是大量分子从无序运动朝有序运动方向转换的过程.
2.热传导过程是使物体内部分子的热运动由比较有序的状态向无序的状态转化的过程.
3.热力学第二定律的微观实质
与热现象有关的自发的宏观过程，总是朝着分子热运动状态无序性增加的方向进行的.
五、熵
意义：描述物体的无序程度，物体内部分子热运动无序程度越高，物体的熵就越大.
解决学生疑难点
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一、宏观过程的方向性
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，结果使高温物体的温度降低，低温物体的温度升高.
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，因摩擦而逐渐停止下来，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从容器中流出，容器变为真空.
5.在整个自然界中，无论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.
例1 下列说法正确的是( )
A.热量能自发地从高温物体传给低温物体
B.热量不能从低温物体传到高温物体
C.热传递是自发的双向的
D.气体向真空中膨胀的过程是有方向性的
答案 AD
解析 如果是自发地进行，热量只能从高温物体传到低温物体，但这并不是说热量不能从低温物体传到高温物体，只是不能自发地进行，在外界条件的帮助下，热量也能从低温物体传到高温物体，A对，B、C错；气体向真空中膨胀的过程也是不可逆，具有方向性的，D对.
借题发挥 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，使高温物体的温度降低，低温物体的温度升高，这个过程是自发进行的，不需要任何外界的影响或者帮助，有时我们也能实现热量从低温物体传给高温物体，如电冰箱，但这不是自发地进行的，需要消耗电能，其实自然界中所有的热现象都是具有单向性的.
二、热力学第二定律和熵
1.克劳修斯表述是按热传导的方向性表述的.热量可以由低温物体传到高温物体但不能是自发的，如：冰箱、空调.
2.开尔文表述是按照机械能与内能转化过程的方向性来表述的.不是不能从单一热库吸收热量而对外做功，而是这样做的结果，一定伴随着其他变化或影响.
3.这两种表述看似毫无联系，其实是等价的，可以从一种表述导出另一种表述.
4.热力学第二定律揭示了自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性.
5.熵较大的宏观状态就是无序性较大的宏观状态，在自发过程中熵总是增加的，即向无序性增加的方向进行.
6.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度更大的方向发展.
例2 根据热力学第二定律可知，下列说法中正确的是( )
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到外界较高温度的空气中，而不引起其他变化
D.不可能使热量由低温物体传递到高温物体，而不引起其他变化
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，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，而内能要转化为机械能必须借助外部的帮助，即会引起其他变化，A选项正确、B选项错误；热传递过程也具有方向性，热量能自发地从高温物体传给低温物体，但是热量要从低温物体传到高温物体，必然要引起其他变化(外界对系统做功)，故C选项错误、D选项正确.
借题发挥 (1)一切物理过程均遵守能量转化与守恒定律，但遵守能量守恒的物理过程不一定均能实现.
(2)热力学第二定律的关键在于“自发性”和“方向性”.
例3 下列关于熵的观点中正确的是( )
A.熵越大，系统的无序度越大
B.对于一个不可逆绝热过程，其熵总不会增加
C.气体向真空扩散时，熵值减小
D.自然过程中熵总是增加的，是因为通向无序的渠道要比通向有序的渠道多得多
答案 AD
解析 熵是系统内分子运动无序性的量度，熵越大，其无序度越大，选项A正确；一个不可逆绝热过程，其宏观状态对应微观态数目增大，其熵会增加，不会减小，选项B错误；气体向真空中扩散，无序度增大，熵值增大，选项C错误；自然过程中，无序程度较大的宏观态出现的概率大，因而通向无序的渠道多，选项D正确.
宏观过程的方向性
1.下列哪个过程具有方向性( )
①热传导过程 ②机械能向内能的转化过程 ③气体的扩散过程 ④气体向真空中的膨胀
A.①②
B.②③
C.①②③
D.①②③④
答案 D
解析 这四个过程都是与热现象有关的宏观过程，根据热力学第二定律可知，它们都是不可逆的，具有方向性.
热力学第二定律
2.根据热力学第二定律，下列判断正确的是( )
A.电流的能不可能全部变为内能
B.在火力发电机中，燃气的内能可能全部变为电能
C.热机中，燃气内能不可能全部变为机械能
D.在热传导中，热量不可能自发地从低温物体传递给高温物体
答案 CD
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，电流的能可全部变为内能(由焦耳定律可知)，而内能不可能全部变成电流的能，而不产生其它影响.机械能可全部变为内能，而内能不可能全部变成机械能.在热传导中，热量只能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.
3.关于热现象和热学规律，下列说法中正确的是( )
A.随着低温技术的发展，我们可以使温度逐渐降低，并达到绝对零度，最终实现热机效率100%
B.热量是不可能从低温物体传递给高温物体的
C.第二类永动机遵从能量守恒故能做成
D.用活塞压缩气缸里的空气，对空气做功2.0×105J，同时空气向外界放出热量1.5×105J，则空气的内能增加了0.5×105J
答案 D
解析 由热力学第二定律知，B、C错；绝对零度不可能达到，A错；由热力学第一定律知D正确.
(时间：60分钟)
题组一 宏观过程的方向性
1.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给高温物体，但热量只能自发地从高温物体传给低温物体.
2.下列说法中正确的是( )
A.一切涉及热现象的宏观过程都具有方向性
B.一切不违反能量守恒与转化定律的物理过程都是可能实现的
C.由热力学第二定律可以判断物理过程能否自发进行
D.一切物理过程都不可能自发地进行
答案 AC
解析 能量转移和转化的过程都是具有方向性的，A对；第二类永动机不违背能量守恒定律，但是不能实现，B错；在热传递的过程中，能量可以自发地从高温物体传到低温物体，但其逆过程不可能自发地进行，C对、D错.
3.以下说法正确的是( )
A.热量不仅可以从高温物体传到低温物体，也可自发地从低温物体传到高温物体
B.空调等设备就是利用了热传导的方向性
C.无论采用什么方法，都不可能把热量从低温物体传递给高温物体
D.热量能自发地传递的条件是必须存在“温度差”
答案 D
解析 热传导具有方向性，热量可以自发地由高温物体传到低温物体，也可以从低温物体传到高温物体，但不能自发地进行，故A错；空调等可以将热量由低温物体传到高温物体，但消耗了电能，故B、C错.
题组二 热力学第二定律的理解
4.关于热力学定律和分子动理论，下列说法中正确的是( )
A.我们可以利用高科技手段，将流散到周围环境中的内能重新收集起来加以利用而不引起其他变化
B.利用浅层海水和深层海水之间的温度差制造一种热机，将海水的一部分内能转化为机械能，这在原理上是可行的
C.在分子力作用范围内，分子力总是随分子间距离的增大而减小
D.温度升高时，物体中每个分子的运动速率都将增大
答案 B
解析 由热力学第二定律可知，A错误、B正确；由分子间作用力与分子间距的关系可知，C项错误；温度升高时，物体中分子平均动能增大，但并不是每个分子的动能都增大，即并不是每个分子的运动速率都增大，故D项错误.
5.下列有关能量转化的说法中正确的是( )
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，就可以使内燃机的效率达到100%
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
答案 A
解析 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，因为还要看是否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.
6.用两种不同的金属丝组成一个回路，接触点1插在热水中，接触点2插在冷水中，如图1所示，电流计指针会发生偏转，这就是温差发电现象.关于这一现象的正确说法是( )
图1
A.这一实验不违背热力学第二定律
B.在实验过程中，热水温度降低，冷水温度升高
C.在实验过程中，热水的内能全部转化成电能，电能则部分转化成冷水的内能
D.在实验过程中，热水的内能只有部分转化成电能，电能则全部转化成冷水的内能
答案 AB
解析 自然界中的任何自然现象或过程都不违反热力学定律，本实验现象也不违反热力学第二定律，A正确；整个过程中能量守恒且热传递有方向性，B正确；在实验过程中，热水中的内能除转化为电能外，还升高金属丝的温度，内能不能全部转化为电能；电能除转化为冷水的内能外，还升高金属丝的温度，电能不能全部转化为冷水的内能，C、D错误.注意与热现象有关的宏观现象的方向性，这是应用热力学第二定律的关键.
7.图2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2
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二定律
D.电冰箱的工作原理违反热力学第二定律
答案 BC
解析 热力学第一定律是热现象中内能与其他形式能的转化规律，是能量守恒定律的具体表现，适用于所有的热现象，故C正确、D错误；根据热力学第二定律，热量不能自发地从低温物体传到高温物体，必须借助于其他系统做功，A错误、B正确.故选B、C.
8.下列关于气体在真空中的扩散规律的叙述中正确的是( )
A.气体分子数越小，扩散到真空中的分子全部回到原状态的可能性越小
B.气体分子数越大，扩散到真空中的分子全部回到原状态的可能性越大
C.扩散到真空容器中的分子在整个容器中分布越均匀，其宏观态对应的微观态数目越大
D.气体向真空中扩散时，总是向着分子热运动的无序性增大的方向进行
答案 CD
解析 由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方向进行”和熵的概念可知，C、D正确.
题组三 综合应用
9.下列说法中正确的是( )
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
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，气体内能完全转化为功，但气体体积增大了，A错误；开尔文表述指出，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，B错误；由η＝可知，只要Q2≠0，η≠1，如果Q2＝0，则低温热库不存在，违背了开尔文表述，故C错误、D正确.
10.用隔板将一绝热容器隔成A和B两部分，A中盛有一定质量的理想气体，B为真空(如图3甲所示)，现把隔板抽去，A中的气体自动充满整个容器(如图乙所示)，这个过程称为气体的自由膨胀，下列说法正确的是( )
图3
A.自由膨胀过程中，气体分子只做定向运动
B.自由膨胀前后，气体的压强不变
C.自由膨胀前后，气体的温度不变
D.容器中的气体在足够长的时间内，能全部自动回到A部分
答案 C
解析 由分子动理论知，气体分子的热运动是永不停息地做无规则运动，故选项A错误；由能量守恒定律知，气体膨胀前后内能不变，又因一定质量理想气体的内能只与温度有关，所以气体的温度不变，故选项C正确；由＝常量，所以气体压强变小，故选项B错误；由热力学第二定律知，真空中气体膨胀具有方向性，在无外界影响的情况下，容器中的气体不能自发地全部回到容器的A部分，故选项D错误.
11.关于热力学定律，下列说法正确的是( )
A.为了增加物体的内能，必须对物体做功或向它传递热量
B.对某物体做功，必定会使该物体的内能增加
C.不可能使热量从低温物体传向高温物体
D.功转变为热的实际宏观过程是不可逆过程
答案 AD
解析 由ΔU＝W＋Q可知做功和热传递是改变内能的两种途径.它们具有等效性，故A正确.热量只是不能自发的从低温物体传向高温物体，则C项错；一切与热现象有关的宏观过程不可逆，则D正确.
12.热力学第二定律常见的表述有两种.
第一种表述：不可能使热量由低温物体传递到高温物体，而不引起其他变化；
第二种表述：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.
图4甲是根据热力学第二定律的第一种表述画出的示意图：外界对制冷机做功，使热量从低温物体传递到高温物体.请你根据第二种表述完成示意图乙.根据你的理解，热力学第二定律的实质是________.
图4
答案 见解析
解析 示意图如下图所示.
一切与热现象有关的宏观过程都具有方向性.第二讲 热力学第一定律
第三讲 能量守恒定律
[目标定位] 1.理解热力学第一定律，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.3.理解能量守恒定律，知道能量守恒定律是自然界普遍遵从的基本规律.4.知道第一类永动机是不可能制成的.
一、热力学第一定律
1.定律内容：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.数学表达式：ΔU＝Q＋W.
二、能量守恒定律
1.大量事实表明，各种形式的能量可以相互转化，并且在转化过程中总量保持不变.
2.能量既不能凭空产生，也不能凭空消失，它只能从一种形式转化成另一种形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化和转移的过程中其总量保持不变.
3.能量守恒定律是自然界中最普遍、最重要的规律之一.
三、永动机不可能制成
1.第一类永动机：人们把设想的不需要任何动力或燃料却能不断对外做功的机器称为第一类永动机.
2.第一类永动机由于违背了能量守恒定律，所以不可能制成.
一、热力学第一定律
1.对热力学第一定律的理解
(1)对ΔU＝W＋Q的理解：做功和热传递都可以改变内能，如果系统跟外界同时发生做功和热传递的过程，那么外界对系统所做的功W加上物体从外界吸收的热量Q等于系统内能的增加ΔU，即ΔU＝Q＋W.
(2)对ΔU、Q、W符号的规定
①功W：外界对系统做功，W>0，即W为正值；系统对外界做功，W<0，即W为负值.
②热量Q：系统吸热为正：Q>0；系统放热为负：Q<0.
③内能变化：系统内能增加，ΔU>0，即ΔU为正值；
系统内能减少，ΔU<0，即ΔU为负值.
2.判断是否做功的方法
一般情况下外界对系统做功与否，需看系统的体积是否变化.
(1)若系统体积增大，表明系统对外界做功，W<0；
(2)若系统体积变小，表明外界对系统做功，W>0.
例1 空气压缩机在一次压缩中，活塞对空气做了2×105J的功，同时空气的内能增加了1.5×105J，这一过程中空气向外界传递的热量是多少？
答案 5×104J
解析 选择被压缩的空气为研究对象，根据热力学第一定律有ΔU＝W＋Q.
由题意可知W＝2×105J，
ΔU＝1.5×105J，
代入上式得
Q＝ΔU－W＝1.5×105J－2×105J＝－5×104J.
负号表示空气向外释放热量，即空气向外界传递的热量为5×104J.
借题发挥 应用热力学第一定律解题的一般步骤
(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)特别应注意的就是物理量的正负号及其物理意义.
针对训练 一定量的气体在某一过程中，外界对气体做了8×104J的功，气体的内能减少了1.2×105J，则下列各式中正确的是( )
A.W＝8×104J，ΔU＝1.2×105J，Q＝4×104J
B.W＝8×104J，ΔU＝－1.2×105J，Q＝－2×105J
C.W＝－8×104J，ΔU＝1.2×105J，Q＝2×104J
D.W＝－8×104J，ΔU＝－1.2×105J，Q＝－4×104J
答案 B
解析 因为外界对气体做功，W取正值，即W＝8×104J；内能减少，ΔU取负值，即ΔU＝－1.2×105J；根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，可知Q＝ΔU－W＝－1.2×105J－8×104J＝－2×105J，B选项正确.
二、能量守恒定律
1.不同形式的能量之间可以相互转化
(1)各种运动形式都有对应的能，如机械运动对应机械能，分子热运动对应内能等.
(2)不同形式的能量之间可以相互转化，如“摩擦生热”机械能转化为内能，“电炉取热”电能转化为内能等.
2.能量守恒定律及意义
各种不同形式的能之间相互转化时保持总量不变.
意义：一切物理过程都适用，比机械能守恒定律更普遍，是19世纪自然科学的三大发现之一.
3.第一类永动机是不可能制成的
(1)不消耗能量能源源不断地对外做功的机器，叫第一类永动机，其前景是诱人的.但因为第一类永动机违背了能量守恒定律，所以无一例外地归于失败.
(2)永动机给我们的启示
人类利用和改造自然时，必须遵循自然规律.
例2 如图1所示，直立容器内部被隔板隔开的A、B两部分气体，A的密度小，B的密度大，加热气体，并使两部分气体混合均匀，设此过程中气体吸热为Q，气体内能的增量为ΔU，则( )
图1
A.ΔU＝Q
B.ΔUC.ΔU>Q
D.无法比较
答案 B
解析 因A部分气体密度小，B部分气体密度大，以整体气体为研究对象，开始时，气体的重心在中线以下，混合均匀后，气体的重心应在中线上，所以有重力做负功，使气体的重力势能增大，由能量守恒定律可知，吸收的热量Q有一部分增加气体的重力势能，另一部分增加内能.故正确答案为B.
例3 第一类永动机是不可能制成的，这是因为第一类永动机( )
A.不符合机械能守恒定律
B.违背了能量守恒定律
C.没有合理的设计方案
D.找不到合适的材料
答案 B
三、气体实验定律和热力学第一定律的综合应用
气体实验定律和热力学第一定律的结合点是温度和体积.注意三种特殊过程的特点：
1.等温过程：内能不变，ΔU＝0
2.等容过程：体积不变，W＝0
3.绝热过程：Q＝0
例4 如图2所示，倒悬的导热气缸中封闭着一定质量的理想气体，轻质活塞可无摩擦地上下移动，活塞的横截面积为S，活塞的下面吊着一个重为G的物体，大气压强恒为p0，起初环境的热力学温度为T0时，活塞到气缸底面的距离为L.当环境温度逐渐升高，导致活塞
缓慢下降，该过程中活塞下降了0.1L，气缸中的气体吸收的热量为Q.求：
图2
(1)气缸内部气体内能的增量ΔU；
(2)最终的环境温度T.
答案 (1)Q－0.1p0SL＋0.1LG (2)1.1T0
解析 (1)密封气体的压强p＝p0－
密封气体对外做功W＝pS×0.1L
由热力学第一定律ΔU＝Q－W
得ΔU＝Q－0.1p0SL＋0.1LG
(2)该过程是等压变化，
由盖·吕萨克定律有＝
解得T＝1.1T0
热力学第一定律的理解和应用
1.用密封性好、充满气体的塑料袋包裹易碎品，如图3所示，充气袋四周被挤压时，假设袋内气体与外界无热交换，则袋内气体( )
图3
A.体积减小，内能增大
B.体积减小，压强减小
C.对外界做负功，内能增大
D.对外界做正功，压强减小
答案 AC
解析 充气袋被挤压时，体积减小，压强增大，同时外界对气体做功，又因为袋内气体与外界无热交换，故其内能增大，A、C选项正确.
2.关于内能的变化，以下说法正确的是( )
A.物体吸收热量，内能一定增大
B.物体对外做功，内能一定减少
C.物体吸收热量，同时对外做功，内能可能不变
D.物体放出热量，同时对外做功，内能可能不变
答案 C
解析 根据热力学第一定律，ΔU＝W＋Q，物体内能的变化与做功及热传递两个因素均有关，物体吸收热量，内能也不一定增大，因为物体可能同时对外做功，故内能有可能不变或减少，A错；物体对外做功，还有可能吸收热量、内能可能不变或增大，B错、C正确；放出热量，同时对外做功，内能一定减少，D错误.
能量守恒定律的理解和应用
3.自由摆动的秋千摆动幅度越来越小，下列说法正确的是( )
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
答案 D
解析 自由摆动的秋千摆动幅度减小，说明机械能在减少，减少的机械能等于克服阻力、摩擦力做的功，增加了内能.
气体实验定律和热力学第一定律的结合
4.如图4所示，两个截面积都为S的圆柱形容器，右边容器高为H，上端封闭，左边容器上端是一个可以在容器内无摩擦滑动的质量为M的活塞.两容器由装有阀门的极细管道相连，容器、活塞和细管都是绝热的.开始时阀门关闭，左边容器中装有理想气体，平衡时活塞到容器底的距离为H，右边容器内为真空.现将阀门缓慢打开，活塞便缓慢下降，直至系统达到新的平衡，此时理想气体的温度增加为原来的1.4倍，已知外界大气压强为p0，求此过程中气体内能的增加量.
图4
答案 (Mg＋p0S)H
解析 理想气体发生等压变化.设封闭气体压强为p，分析活塞受力有pS＝Mg＋p0S
设气体初态温度为T，活塞下降的高度为x，
系统达到新平衡，由盖·吕萨克定律＝
解得x＝H，又因系统绝热，即Q＝0
外界对气体做功为W＝p0Sx
根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W
所以ΔU＝(Mg＋p0S)H
(时间：60分钟)
题组一 热力学第一定律的应用
1.关于物体内能的变化情况，下列说法中正确的是( )
A.吸热的物体，其内能一定增加
B.体积膨胀的物体，其内能一定减少
C.放热的物体，其内能也可能增加
D.绝热压缩的物体，其内能一定增加
答案 CD
解析 做功和传热都可以改变物体的内能，不能依据一种方式的变化就判断内能的变化.
2.下列过程可能发生的是( )
A.物体吸收热量，对外做功，同时内能增加
B.物体吸收热量，对外做功，同时内能减少
C.外界对物体做功，同时物体吸热，内能减少
D.物体对外做功，同时物体放热，内能增加
答案 AB
解析 当物体吸收的热量多于对外做的功时，物体的内能就增加，A正确；当物体吸收的热量少于对外做的功时，物体的内能就减少，B正确；外界对物体做功，同时物体吸热，则物体的内能必增加，C错误；物体对外做功，同时物体放热，则物体的内能必减少，D错误.
3.如图1所示是密闭的气缸，外力推动活塞P压缩气体，对缸内气体做功800J，同时气体向外界放热200J，缸内气体的( )
图1
A.温度升高，内能增加600J
B.温度升高，内能减少200J
C.温度降低，内能增加600J
D.温度降低，内能减少200J
答案 A
解析 对一定质量的气体，由热力学第一定律ΔU＝W＋Q可知，ΔU＝800J＋(－200J)＝
600J，ΔU为正表示内能增加了600J，对气体来说，分子间距较大，分子势能为零，内能等于所有分子动能的和，内能增加，气体分子的平均动能增加，温度升高，选项A正确.
4.小明同学将喝空的饮料瓶遗留在车内，当夜晚来临，车内温度降低时，密闭在瓶内的气体(可视为理想气体)将( )
A.内能增大，放出热量
B.内能增大，吸收热量
C.内能减小，放出热量
D.内能减小，吸收热量
答案 C
解析 一定质量的理想气体的内能由温度决定，当温度降低时，内能减少，ΔU＜0，由于体积不变，W＝0，由热力学第一定律ΔU＝W＋Q可得Q＜0，故气体放热，正确答案为C项.
5.给旱区送水的消防车停于水平地面，在缓慢放水过程中，若车胎不漏气，胎内气体温度不变，不计分子间势能，则胎内气体( )
A.从外界吸热
B.对外界做负功
C.分子平均动能减小
D.内能增加
答案 A
解析 胎内气体经历了一个温度不变、压强减小、体积增大的过程.温度不变，分子平均动能和内能不变.体积增大气体对外界做正功.根据热力学第一定律气体一定从外界吸热.
6.夏季烈日下的高速路面温度很高，汽车行驶过程中轮胎与路面摩擦也产生大量的热.因此高速行驶的汽车容易爆胎而出现事故，酿成悲剧.对车胎爆裂这一现象下列说法正确的是(假设升温过程轮胎容积不变)( )
A.车胎爆裂，是车胎内气体温度升高，气体分子间斥力急剧增大的结果
B.在爆裂前的过程中，气体温度升高，分子无规则热运动加剧，气体压强增大
C.在车胎突然爆裂的瞬间，气体内能增加
D.在车胎突然爆裂的瞬间，气体内能减少
答案 BD
题组二 能量转化与守恒定律
7.一物体获得一定初速度后，沿着一粗糙斜面上滑，在上滑过程中，物体和斜面组成的系
统( )
A.机械能守恒
B.总能量守恒
C.机械能和内能增加
D.机械能减少，内能增加
答案 BD
解析 物体沿斜面上滑的过程中，有摩擦力对物体做负功，所以物体的机械能减少，由能量转化和守恒定律知，内能应增加，能的总量不变.
8.如图2所示为冲击摆实验装置，一飞行子弹射入沙箱后与沙箱合为一体，共同摆起一定的高度，则下面有关能量的转化的说法中正确的是( )
图2
A.子弹的动能转变成沙箱和子弹的内能
B.子弹的动能转变成了沙箱和子弹的热能
C.子弹的动能转变成了沙箱和子弹的动能
D.子弹动能的一部分转变成沙箱和子弹的内能，另一部分转变成沙箱和子弹的机械能
答案 D
解析 子弹在射入沙箱瞬间，要克服摩擦阻力做功，一部分动能转变成沙箱和子弹的内能，另一部分动能转变成沙箱和子弹的机械能.
题组三 气体实验定律与热力学第一定律的结合
9.如图3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，不计气体分子间的相互作用，则被淹没的金属筒在缓缓下降过程中，筒内空气体积减小，空气一定( )
图3
A.从外界吸热
B.内能增大
C.向外界放热
D.内能减小
答案 C
解析 本题考查气体性质和热力学第一定律，由于不计气体分子之间的相互作用，且整个过程缓慢进行，所以可看成温度不变，即气体内能不变，选项B、D均错；热力学第一定律ΔU＝W＋Q，因为在这个过程中气体体积减小，外界对气体做了功，式中W取正号，ΔU＝0，所以Q为负，即气体向外放热，故选项A错、C对.正确答案为C.
10.如图4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( )
图4
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，温度降低
D.气体压强变小，温度不变
答案 BD
解析 因b内为真空，所以抽开隔板后，a内气体可以“自发”进入b，气体不做功，又因容器绝热，不与外界发生热量传递，根据热力学第一定律可以判断其内能不变，温度不变，由玻意耳定律可知：气体体积增大，压强必然变小，综上可判断B、D项正确.
11.如图5所示，a、b、c、d表示一定质量的理想气体状态变化过程中的四个状态，图中ad平行于横坐标轴，dc平行于纵坐标轴，ab的延长线过原点，以下说法正确的是( )
图5
A.从状态d到c，气体不吸热也不放热
B.从状态c到b，气体放热
C.从状态a到d，气体对外做功
D.从状态b到a，气体放热
答案 BC
解析 从状态d到c，温度不变，理想气体内能不变，但是由于压强减小，所以体积增大，对外做功，还要保持内能不变，一定要吸收热量，故A错；气体从状态c到状态b是一个降压、降温过程，同时体积减小，外界对气体做功，而气体的内能还要减小(降温)，就一定要伴随放热的过程，故B对；气体从状态a到状态d是一个等压、升温的过程，同时体积增大，所以气体要对外做功，C正确；气体从状态b到状态a是个等容变化过程，随压强的增大，气体的温度升高，内能增大，而在这个过程中气体的体积没有变化，就没有做功，气体内能的增大是因为气体吸热的结果，故D错误.
题组四 综合应用
12.如图6所示，一定质量的理想气体从状态A先后经过等压、等容和等温过程完成一个循环，A、B、C状态参量如图所示，气体在状态A的温度为27℃，求：
图6
(1)气体在状态B的温度TB；
(2)气体经A→B→C状态变化过程中与外界交换的总热量Q.
答案 (1)600K (2)2p0V0
解析 (1)A到B的过程是等压变化，有＝
代入数据得TB＝600K
(2)根据热力学第一定律有ΔU＝Q＋W
其中W＝－2p0V0
解得Q＝2p0V0(吸热)
13.如图7所示，导热材料制成的横截面积相等、长度均为45cm的气缸A、B通过带有阀门的管道连接.初始时阀门关闭，厚度不计的光滑活塞C位于B内左侧，在A内充满压强pA＝2.8×105Pa的理想气体，B内充满压强pB＝1.4×105Pa的理想气体，忽略连接气缸的管道体积，室温不变，现打开阀门，求：
图7
(1)平衡后活塞向右移动的距离和B中气体的压强；
(2)自打开阀门到平衡，B内气体是吸热还是放热(简要说明理由).
答案 (1)15cm 2.1×105Pa
(2)放热，理由见解析
解析 (1)活塞向右运动后，对A气体，
有pALS＝p(L＋x)S
对B气体，
有pBLS＝p(L－x)S
得x＝15cm
p＝2.1×105Pa
(2)活塞C向右移动，对B中气体做功，而气体做等温变化，内能不变，由热力学第一定律可知B内气体放热.
14.如图8是用导热性能良好的材料制成的气体实验装置，开始时封闭的空气柱长度为22cm，现用竖直向下的外力F压缩气体，使封闭的空气柱长度为2cm，人对活塞做功100J，大气压强为p0＝1×105Pa，不计活塞的重力.问：
图8
(1)若用足够长的时间缓慢压缩，求压缩后气体的压强多大？
(2)若以适当的速度压缩气体，向外散失的热量为20J，则气体的内能增加多少？(活塞的横截面积S＝1cm2)
答案 (1)1.1×106Pa (2)82J
解析 (1)设压缩后气体的压强为p，
活塞的横截面积为S，
l0＝22cm，
l＝2cm，
V0＝l0S，V＝lS，
缓慢压缩，气体温度不变
由玻意耳定律得p0V0＝pV
解出p＝1.1×106Pa
(2)大气压力对活塞做功
W1＝p0S(l0－l)＝2J
人做功W2＝100J
由热力学第一定律ΔU＝W1＋W2＋Q
Q＝－20J
解出ΔU＝82J第一讲 内能 功 热量
[目标定位] 1.知道热传递的实质.2.知道做功和热传递是改变内能的两种方式，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
.
一、内能
1.定义：物体内部所有分子做热运动的动能和分子势能的总和.
2.影响因素：物体的内能由物体的温度、体积、物质的量共同决定.
二、改变物体内能的两种方式
1.做功
在绝热过程中内能的改变用功来量度.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
(1)热传递：高温物体总是自发地把它的内能传递给低温物体，这种没有做功而使物体内能改变的现象称为热传递.
(2)热量：热传递过程中物体内能变化的量度.
(3)在系统与外界互不做功的条件下系统吸收了多少热量，系统的内能就增加多少；系统放出了多少热量，系统的内能就减少多少.
解决学生疑难点
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一、功和内能关系的理解
1.内能
(1)微观：所有分子的动能和势能之和.
(2)宏观：只依赖于热力学系统自身状态的物理量.
(3)状态量.
2.功和内能变化的关系
做功可以改变系统的内能，功是系统内能转化的量度，在绝热过程中：
(1)外界对系统做功，系统内能增加，即ΔU＝U2－U1＝W；
(2)系统对外界做功，系统内能减少，即ΔU＝W.
3.内能与机械能的区别和联系
(1)区别：内能与机械能是两个不同的概念.
(2)联系：在一定条件下可以相互转化，且总量保持不变.
例1 如图1所示，活塞将气缸分成甲、乙两气室，气缸、活塞(连同拉杆)是绝热的，且不漏气，以E甲、E乙分别表示甲、乙两气室中气体的内能，则在将拉杆缓慢向外拉的过程中( )
图1
A.E甲不变，E乙减小
B.E甲不变，E乙增大
C.E甲增大，E乙不变
D.E甲增大，E乙减小
答案 D
解析 本题解题的关键是明确甲、乙两气室气体都经历绝热过程，内能的改变取决于做功的情况，对甲室内的气体，在拉杆缓慢向外拉的过程中，活塞左移，压缩气体，外界对甲室气体做功，其内能应增大，对乙室内的气体，活塞左移，气体膨胀，气体对外界做功，内能就减少，故D选项正确.
借题发挥 (1)压缩气体，外界对气体做功，内能增大，温度升高，柴油机就是利用这个原理点火的.
(2)在绝热过程中，末态内能大于初态内能时，ΔU为正，W为正，外界对系统做功，末态内能小于初态内能时，ΔU为负，W为负，系统对外界做功.
例2 下列关于系统的内能的说法正确的是( )
A.系统的内能是由系统的状态决定的
B.分子动理论中引入的系统内能和热力学中引入的系统内能是一致的
C.做功可以改变系统的内能，但单纯地对系统传热不能改变系统的内能
D.气体在大气中绝热膨胀时对外做了功，但气体的内能不变
答案 AB
解析 系统的内能是一个只依赖于系统自身状态的物理量，所以是由系统的状态决定的，A对；正因为内能是由系统的状态决定的，所以分子动理论中引入的内能和热力学中引入的内能是一致的，B对；做功和热传递都可以改变系统的内能，C错；气体绝热膨胀时对外界做了功，又因为与外界没有热交换，所以系统的内能要减小，故D错.
二、热和内能
1.传热和内能变化的关系
系统在单纯传热过程中，内能的增量ΔU等于外界向系统传递的热量Q，即ΔU＝Q.
2.区分三组概念
(1)内能与热量：内能是状态量，可以说系统具有多少内能而不能说传递多少内能；热量是过程量，不能说系统具有多少热量，只能说传递了多少热量.
(2)热量与温度
热量是系统的内能变化的量度，而温度是系统内部大量分子做无规则运动的激烈程度的标志.虽然热传递的前提是两个系统之间要有温度差，但是传递的是能量，不是温度.
(3)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，功是能量变化的量度，但它们之间有着本质的区别.
例3 一铜块和一铁块，质量相等，铜块的温度T1，比铁块的温度T2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，铜块内能减少量不等于铁块内能的增加量
C.达到热平衡时，铜块的温度T＝
D.达到热平衡时，两者的温度相等
答案 AD
解析 一个系统在热交换的过程中，如果不与外界发生热交换，温度高的物体放出的热量等于温度低的物体吸收的热量，直到温度相等，不再发生热交换为止，而热量是热传递过程中内能的变化量，所以选项A和D都正确，选项B错误；根据热平衡方程c铜m(T1－T)＝c铁m(T－T2)，解得T＝，由此可知选项C是错误的.
例4 若对物体做1200J的功，可使物体温度升高3℃，改用传热的方式，使物体温度同样升高3℃，那么物体应吸收________J的热量，如果对该物体做3000J的功，物体的温度升高5℃，表明该过程中，物体应________(填“吸收”或“放出”)热量________J.
答案 1200 放出 1000
解析 做功和传热在改变物体内能上是等效的，因此物体用做功方式使温度升高3℃，如用吸热方式，也使温度升高3℃应吸收1200J的热量.
如对物体做功3000J，温度升高5℃，而物体温度升高5℃，需要的功或热量应为ΔE.
1200J＝cm×3℃，ΔE＝cm×5℃，
所以ΔE＝2000J.
Q＝ΔE－W＝－1000J，
因此物体应放出1000J的热量.
做功与内能的关系
1.在下述各种现象中，不是由做功引起系统温度变化的是( )
A.在阳光照射下，水的温度升高
B.用铁锤不断锤打铅块，铅块温度会升高
C.在炉火上烧水，水的温度升高
D.电视机工作一段时间，其内部元件温度升高
答案 AC
解析 阳光照射下水温升高是热辐射使水的温度升高，在炉火上烧水是热传导和对流使水的温度升高，用铁锤锤打铅块的过程，是做功的过程，铅块温度升高，是由于外界做功引起的.电视机工作时，电流通过各元件，电流做功使其温度升高.可见A、C不是由做功引起温度变化的，故选A、C.
2.一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
答案 D
解析 绝热膨胀过程是指气体膨胀过程未发生热传递，膨胀过程气体体积增大，气体对外界做功W＜0.由ΔU＝U2－U1＝W可知，气体内能减小.由于气体分子间的势能忽略，故气体分子的平均动能减小.
传热与内能的关系
3.关于热传递，下列说法中正确的是( )
A.热传递的实质是温度的传递
B.物体间存在着温度差，才能发生热传递
C.热传递可以在任何情况下进行
D.物体内能发生改变，一定是吸收或放出了热量
答案 B
解析 热传递的实质是物体间内能的转移，故A错；热传递的条件是物体间存在温度差，高温物体放出热量，低温物体吸收热量，若两物体温度相同，它们之间便不再发生热传递，即达到了热平衡，故B对、C错；物体吸收或放出热量，内能会发生变化，但内能变化不一定是热传递引起的，还可以通过做功的方式实现，故D错.
4.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等同
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
答案 D
解析 物体的内能是指物体内所有分子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或热传递两种途径，这三者的物理意义不同，A错；热量是表示在热传递过程中物体内能变化多少的，而功也是量度用做功的方式来改变物体内能多少的，B错；三者单位都是焦耳，C错；热量和功是过程量，内能是状态量，D正确.
(时间：60分钟)
题组一 做功与内能的变化
1.用下述方法改变物体的内能，不属于做功的方式是( )
A.用锤子打铁时，铁块发热
B.用磨刀石磨刀时，刀发热
C.双手互搓，手发热
D.用天然气烧水
答案 D
解析 A、B、C中的过程都是力对系统(铁块、刀、手)做功，内能增加和温度升高的过程.而D中的用天然气烧水则是通过热传导和热对流来实现水温升高的.
2.在给自行车轮胎打气时，会发现胎内空气温度升高，这是因为( )
A.胎内气体压强不断增大，而容积不变
B.轮胎从外界吸热
C.外界空气温度本来就高于胎内气体温度
D.打气时，外界不断地对胎内气体做功
答案 D
解析 给自行车轮胎打气，人对胎内气体做功，气体内能增加，所以温度升高.
3.一定质量的气体封闭在绝热的气缸内，当用活塞压缩气体时，一定增大的物理量有(不计气体分子势能)( )
A.气体体积
B.气体分子数
C.气体内能
D.气体分子的平均动能
答案 CD
解析 绝热过程外力对系统做功，气体内能增加，温度升高，分子平均动能增加.
4.如图1所示为某种椅子与其升降部分的结构示意图，M，N两筒间密闭了一定质量的气体，M可沿N的内壁上下滑动.设筒内气体不与外界发生热交换，在M向下滑动的过程中( )
图1
A.外界对气体做功，气体内能增大
B.外界对气体做功，气体内能减小
C.气体对外界做功，气体内能增大
D.气体对外界做功，气体内能减小
答案 A
解析 因为M、N内被封气体体积减小，所以外界对气体做功，又因气体与外界没有热交换即绝热过程，所以ΔU＝W，且ΔU>0，气体内能增加，A正确.
5.如图2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，用打气筒通过气针慢慢向容器内打气，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( )
图2
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，内能增大
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，内能增大
答案 C
解析 打开卡子，胶塞冲出容器口后，密封气体体积增大，气体膨胀对外做功，气体内能减少，同时温度降低，温度计示数变小.
题组二 热传递与内能
6.热传递的规律是( )
A.热量从内能大的物体传给内能小的物体
B.热量从内能较小的物体传给内能较大的物体
C.热量从温度高的物体传给温度低的物体
D.热量从高温内能大的物体传给低温内能小的物体
答案 C
解析 自发的热传递的方向是从温度高的物体传给温度低的物体，与物体的内能大小无关.
7.下列关于内能与热量的说法中，正确的是( )
A.马铃薯所含热量高
B.内能越大的物体热量也越多
C.热量自发地从内能大的物体流向内能小的物体
D.热量自发地从温度高的物体流向温度低的物体
答案 D
解析 选项A是一种很常见的说法，在日常生活中似无须计较，但从物理学的角度来看，却有不妥，热量是过程量，不是状态量，不能像内能那样蕴含在物体中，选项A错；说法B与说法A存在相同的错误，此外，物体的内能与热量之间，在数量上没有必然联系，选项B错；两物体之间热量的流向只与它们的温度有关，与它们的内能无关，选项C错.
8.在一个完全真空的绝热容器中放入两个物体，它们之间没有发生热传递，这是因为( )
A.两物体没有接触
B.两物体的温度相同
C.真空容器不能发生热对流
D.两物体具有相同的内能
答案 B
解析 发生热传递的条件是有温度差，而与物体内能的多少、是否接触周围的环境(是否真空)无关，故选项B正确，A、C、D错误.
题组三 综合题组
9.物体由大量分子组成，下列说法正确的是( )
A.分子热运动越剧烈，物体内每个分子的动能越大
B.分子间引力总是随着分子间距离的减小而减小
C.物体的内能跟物体的温度和体积有关
D.只有外界对物体做功才能增加物体的内能
答案 C
解析 分子热运动越剧烈，分子的平均动能越大，但不一定是每个分子的动能都大，故A错；分子间的引力和斥力都是随着分子间距离的减小而增大，故B错；物体的内能由物质的量、物态、体积及温度决定，即所有分子动能和分子势能之和，故C正确；物体内能的变化由做功和热传递共同决定，故D错.
10.如图3所示，A、B是两个完全相同的球，分别浸没在水和水银的同一深度处，A、B两球用同一种材料制成，当温度稍微升高时，球的体积会明显变大，如果开始水和水银的温度相同，且两液体温度同时缓慢升高到同一值，两球膨胀后，体积相等，则( )
图3
A.A球吸收的热量较多
B.B球吸收的热量较多
C.两球吸收的热量一样多
D.无法确定
答案 B
解析 A、B两球升高同样的温度，体积变化又相同，则二者内能的变化相同，而B球是处在水银中的，B球膨胀时受到的压力大，对外做功多，因此B球吸收热量较多一些.
11.在外界不做功的情况下，物体的内能增加了50J，下列说法中正确的是( )
A.一定是物体放出了50J的热量
B.一定是物体吸收了50J的热量
C.一定是物体分子动能增加了50J
D.物体的分子平均动能可能不变
答案 BD
解析 在外界不做功的情况下，内能的改变量等于传递的热量，内能增加，一定是吸收了相等能量的热量，故A错、B对；物体内能包括所有分子的动能和势能，内能由分子数、分子平均动能、分子势能共同决定，所以内能增加了50J并不一定是分子动能增加了50J.物体的分子平均动能有可能不变，这时吸收的50J热量全部用来增加分子势能.
12.如图4所示的容器中，A、B中各有一个可自由移动的活塞，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.打开阀门前，A中水面比B中水面高，打开阀门后，A中的水逐渐向B中流，最后达到同一高度，在这个过程中( )
图4
A.大气压力对水做功，水的内能增加
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，水的内能增加
答案 D
解析
打开阀门K稳定后，容器A、B中的水面相平，相当于图中画斜线部分的水从A移到B，这部分水的重力势能减少了，即重力对水做了功，同时大气压力对A容器中的水做正功为p0SAhA，对B容器中的水做负功为p0SBhB，因为两部分水的体积相等，所以大气压力对水做的总功为零.由于容器绝热，系统与外界之间没有热交换，而重力对系统做正功，故水的内能增加.
13.(1)某同学做了一个小实验；先把空的烧瓶放入冰箱冷冻，一小时后取出烧瓶，并迅速把一个气球紧密地套在瓶颈上，然后将烧瓶放进盛满热水的烧杯里，气球逐渐膨胀起来，如图5所示.这是因为烧瓶里的气体吸收了水的____________，温度____________，体积____________.
图5
(2)若只对一定质量的理想气体做1500J的功，可使其温度升高5K.若改成只用热传递的方式，使气体温度同样升高5K，那么气体吸收________J的热量.如果对该气体做了2000J的功，使其温度升高了5K，表明在该过程中，气体还________(选填“吸收”或“放出”)热量________J.
答案 (1)热量 升高 增大
(2)1500 放出 500
解析 (1)烧瓶和烧瓶内的气体要从热水杯中吸收水的热量，温度升高，体积增大.
(2)做功和热传递在改变物体内能上是等效的，因此对气体做功1500J使温度升高5K，
如用吸热方式，也使温度升高5K应吸收1500J的热量.
如果对气体做功2000J，温度升高5K，
则气体内能增加ΔU＝1500J，
由W＋Q＝ΔU，
知Q＝ΔU－W＝－500J，
因此，气体应放出热量500J.
