1 功和内能
互动课堂
疏导引导
1.物体的内能及内能的变化
物体的内能是指物体内所有分子的平均动能和势能之和，在微观上由分子数和分子热运动剧烈程度和相互作用力决定，宏观上体现为物体的物质的量、温度和体积，因此物体的内能是一个状态量.
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，分子间距变化，分子势能发生变化.因此物体内能变化只由初末状态决定，与中间过程及变化方式无关.
2.做功与内能的变化
做功改变物体内能的过程是将其他形式的能（如机械能）与内能相互转化的过程，做功使物体内能发生变化时，内能改变了多少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.
压缩气体，外界对气体做了功，气体的内能增加，气体内能的增加量等于外界对气体做的功；气体膨胀，是气体对外界做功，气体内能减少，气体内能的减少量等于气体膨胀对外做的功.
3.物体内能和机械能的区别与联系
（1）描述的对象不同：内能是描述物体热学状态的量，机械能是描述物体机械运动状态的量.
（2）对应的运动形式不同：内能对应的是热运动，机械能对应的是机械运动.
（3）决定因素不同：内能由物体所含物质的量、温度和体积决定，机械能由物体宏观运动的速度、质量、零势能面的选取等因素决定.
（4）内能和机械能在一定条件下可以相互转化，在转化过程中，能的总量保持不变.
（5）一个物体具有机械能，同时也具有内能；一个物体的机械能可为零，但内能不可能为零.
4.功和内能的区别
功是能量转化的量度，与内能变化相联系，是过程量；而内能是状态量，只有在内能变化过程中才有功.物体内能大，并不意味着做功多，只有内能变化大，才可能做功多.
活学巧用
1.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.气体在大气中做绝势膨胀时做了功，但气体的内能不变
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.气体做绝势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.
答案：AB
2.绝热过程中，外界压缩气体做功20 J，下列说法中正确的是（ ）
A.气体内能一定增加20 J B.气体内能增加必定小于20 J
C.气体内能增加可能小于20 J D.气体内能可能不变
解析：绝热过程中，做功的过程是能量转化的过程，做了多少功，就有多少内能发生变化.
答案：A
3.关于物体的内能，以下说法不正确的是（ ）
A.一架飞机以某一速度在空中飞行，由于组成飞机的所有分子都具有这一速度，所以分子具有动能，又由于所有分子都在高处，所有分子具有势能，所以上述分子的动能与势能的总和就是物体的内能
B.当物体的机械能为零时，其内能一定为零
C.温度是分子平均动能的标志
D.内能指某个分子的动能和势能之和
解析：本题考查的是内能与机械能的区别.物体内能是所有分子无规则热运动所具有的分子总动能和分子相互作用所具有的分子总势能之和，内能和物体有无机械能没有关系.因此，选项A、B不正确.
温度是分子平均动能的标志.所以选项C正确.内能是物体所有分子动能和势能的总和，所以选项D不正确.
答案：ABD
4.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
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.
答案：D
1 功和内能
课堂互动
三点剖析
1.物体内能的改变与做功
(1)物体内能的改变
从宏观上看，物体温度和体积发生改变.物体的内能可能发生改变，从微观角度看，分子间的距离发生变化和分子热运动的剧烈程度发生变化，物体的内能可能发生变化.
(2)做功与内能变化
做功改变物体内能是其他形式的能与内能的转化过程.
(3)内能与机械能
物体的内能和机械能是两个不同的物理概念.内能和机械能在一定条件下可以相互转化.
(4)功是能量转化的量度.即做了多少功,就有多少某种形式的能转化为等量的另一种形式能.
2.内能和其它形式的能的转化
首先判断物体的内能是否发生了转化.若内能增加了,就有可能是其他形式的能转化为内能.若内能减小了,就有可能是内能转化为其他形式的能.
其次看其他形式的能是否发生了变化.若绝热，物体内能变化则一定是做功引起的.
各个击破
【例1】 用下列方法改变物体的内能,属于做功的方式是( )
A.搓搓手会感到手暖和些 B.汽油机汽缸压缩气体
C.车刀切下炽热铁屑 D.物体在阳光下被晒热
解析：搓手时克服摩擦力做功，机械能转化为内能.汽缸压缩气体，对气体做功.车刀切削钢件，机械能转化为内能，使切下的铁屑温度升高.物体在阳光下被晒热，不是外力做功，改变物体内能.
答案：ABC
类题演练 切割机切割水泥路面时,不断洒水,为什么?
解析：切割机切割水泥路面时,摩擦力做功,刀片内能增加,温度迅速上升,加快对刀片的磨损,因此要洒水降温.
答案:见解析
【例2】 绝热过程中,外界压缩气体做功20 J,下列说法中正确的是( )
A.气体内能一定增加20 J B.气体内能增加必定小于20 J
C.气体内能增加可能小于20 J D.气体内能可能不变
解析:绝热过程中,做功的过程是能量转化的过程,做了多少功,就有多少内能发生变化.
答案：A
2 热和内能
互动课堂
疏导引导
1.知道热传递的三种方式及特点
热传递有三种方式，分别是传导、对流和辐射.热从物体上温度较高的部分沿着物体传递到温度较低的部分，叫传导.靠液体或气体的流动来传热的方式，叫对流.热由物体沿直线向外射出去，叫辐射.
三种热传递的方式各有特点.传导的特点在于沿着物体但不伴之以物质的迁移，所以多发生于固体上；对流则是靠物质的流动来传递热，所以对流是液体和气体特有的传热方式；辐射则无需物质作为媒介，而是以直线方式向外传递的.领会了这些特点，对日常接触到的一些热现象就很容易解释了.
2.对于热量的理解
热量是用来衡量热传递过程中内能变化的一个物理量，是一个过程量.因此，只有在热传递过程中才谈热量.热量和内能是两个截然不同的概念，内能是状态量，我们说物体在一定状态下有内能而不能说有热量.
3.改变内能的两种方式
（1）做功
做功改变物体的内能体现了其他形式的能和内能之间的转化.功是能量转化的量度.
在无热交换时，外界对物体做了多少功（指改变物体内能的这部分功，不包括改变物体机械能的那部分功），物体的内能就增加多少，反之，物体对外界做了多少功，物体的内能就减少多少，即ΔU=W.
（2）热传递
热传递的过程就是物体间或同一物体的不同部分间内能的转移过程.热传递方向是内能从高温物体传给低温物体，但高温物体内能不一定比低温物体内能大.在物体做功为零时，放出多少热，物体的内能就减少多少；吸收多少热，物体的内能就增加多少，即ΔU=Q.
（3）做功和热传递对改变物体内能是等效的
做功和热传递虽有本质区别，但在改变物体内能上是等效的.热量和功都是过程量，热量是量度内能转移的过程量，功也是量度内能转化的过程量.热量不是内能，也不是温度.
4.热量、内能和温度的区别与联系
内能是由系统状态决定的，系统状态确定了系统内能也随之确定.
热量是热传递过程中的特征物理量，是用来衡量物体内能变化的，反映物体在状态变化过程中所转移的能量.
温度是分子平均动能的标志.
热量是能量转移的量度，是与内能的变化相联系的，是过程量.内能是状态量.物体的内能大，并不意味着物体一定会对外做功或向外传递热量，或者做的功多，传递的热量多.只有物体内能的变化大时，过程中做的功或传递的热量才会多.温度只是分子平均动能的标志.物体的内能除与温度有关外，还与物体的质量、体积、物态等因素有关.
活学巧用
1.关于热传递，下列说法正确的是（ ）
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
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着温度差，高温物体放出热量，低温物体吸收热量，若两物体温度相同，它们之间便不会发生热传递，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，可能是做功引起的，故D错.
答案：B
2.关于系统内能的下述说法中正确的是（ ）
A.物体内所有分子的动能与分子势能的总和叫物体的内能
B.一个物体当它的机械能发生变化时，其内能也一定发生变化
C.外界对系统做了多少功W，系统的内能就增加多少，即ΔU=W
D.系统从外界吸收了多少热量Q，系统的内能就增加多少,即ΔU=Q
解析：在分子动理论中，我们把物体内所有分子的分子动能与分子势能的总和定义为物体的内能，选项A对.物体的内能与机械能是两个不同的物理概念，两者没有任何关系.如物体的速度增加了，机械能可能增加；但如果物体的温度不变，物体的内能可能不变，故选项B错.只有当系统与外界绝热时，外界对系统做的功才等于系统内能的增量，同理，只有在单纯的热传递过程中，系统吸收（或放出）的热量才等于系统内能的增量，故选项C、D都错.
答案：A
3.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.热量总是从内能大的物体流向内能小的物体
D.热量总是从温度高的物体流向温度低的物体
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，但从物理学的角度看，确有不妥.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有相同的错误.此外，物体的内能改变与可能传递的热量之间，在数量上没有必然联系，选项B错；两物体之间热量流向只与它们的温度有关，而与它们的内能无关，选项C错.
答案：D
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
解析：物体的内能是指物体的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和热传递两种途径，这三者的物理意义不同，A项错.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项错.三者单位都是焦耳，C项错.热量和功是过程量，内能是状态量，D项正确.
答案：D
2 热和内能
课堂互动
三点剖析
1.热传递
(1)热传递
热量从高温物体传到低温物体的过程，叫做热传递.
发生热传递的条件是两物体间存在温差并接触，热传递的方式有传导、对流和辐射.
(2)热量和内能
内能在单独的传热过程中，由始末状态决定，与传热方式无关.
热量是热传递过程中，物体内能改变的量度.
2.“温度”、“热量”、“功”、“内能”四个量的区别与联系
功、热量是能量转化的量度，是过程量.内能是状态量，内能大并不意味着功或热量就多，只有内能变化越大，功或热量才越多.温度是物体分子平均动能的标志.物体的内能除与温度有关外，还与物体的质量、体积物态等因素有关.
3.做功和热传递的理解
做功和热传递在改变物体内能上是等效的，但有本质区别.做功使物体内能改变，是其他形式的能和内能之间的转化，如摩擦生热是机械能转化为内能.热传递改变物体的内能是物体间内能的转移，如太阳照射冰，使冰化成水，就是通过热辐射的方式.此时太阳的内能传递给冰，使冰的内能增加.
各个击破
【例1】 关于热传递，下列说法正确的是( )
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
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着温度差，高温物体放出热量，低温物体吸收热量，若两物体温度相同，它们之间便不会发生热传递，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，可以是做功的方式，故D错.
答案：B
类题演练 热传递实质上就是( )
A.能量从内能大的物体传给内能小的物体
B.能量从热量多的物体传给热量少的物体
C.能量从温度高的物体传给温度低的物体
D.能量从质量大的物体传给质量小的物体
解析：热传递是指热量自发地由高温物体传到低温物体，因此A、B、D是错误的.
答案:C
【例2】 二氧化碳对长波辐射有强烈的吸收作用，行星表面发出的长波辐射到大气以后被二氧化碳截获，最后使大气升温，大气中的二氧化碳像暖房的玻璃一样，只准太阳的辐射热进来，却不让室内的长波热辐射出去，大气中的二氧化碳的这种效应叫温室效应.这是目前科学界对地球气候变暖进行分析的一种观点，根据这种观点，以下说法成立的是( )
A.在地球形成的早期，火山活动频繁，排出大量的二氧化碳，当时地球的气温很高
B.经过漫长的年代，地壳的岩石和气体二氧化碳发生化学反应，导致二氧化碳减少，地球上出现了生命
C.由于工业的发展和人类的活动，导致二氧化碳在空气中的含量增大，地球上的气温正在升高
D.现在地球正在变暖的原因是工业用电和生活用电的急剧增加，是电能和其他形式的能转化为内能
解析：火山喷发，工业生产，都产生大量CO2导致温室效应，气温升高.
答案：ABC
【例3】 到达地球表面的太阳辐射功率在与阳光垂直的表面上每平方米约为P=1 400 W，如果用面积S=2 m2的反射镜把阳光聚集到盛有m=1 kg水的容器上，水的初温为20℃，需经过多少时间才能使水温达到100℃？假如太阳能的80%被水吸收.
解析：2 m2的反射镜吸收的太阳能的功率为：1 400×2 W=2 800 W，水吸收的太阳能的功率为P′=80%×2 800 W=2 240 W
水吸收的太阳能转化为水的内能，温度升高
P′·t=cmΔt
2 240×t=4.2×103×1×(100-20)
t=150 s
答案：150 s
3 热力学第一定律能量守恒定律
互动课堂
疏导引导
1.对热力学第一定律的理解
做功和热传递都能改变物体的内能，因此物体内能的改变量ΔU，必与功W和热量Q有关：
（1）如果单纯通过做功改变物体的内能，内能的变化可以用做功的多少来量度，这时，物体内能的增加（或减小）量ΔU就等于外界（或物体对外界）所做的功W的数值，即ΔU=W.
（2）如果单纯通过热传递来改变物体的内能，内能的变化便可用传递热量的多少来量度.物体内能的增加（或减少）量ΔU应等于从外界吸收（或向外界放出）热量Q的数值，即ΔU=Q.
（3）在做功和热传递同时存在的过程中，物体内能的变化则由做功和所传递的热量共同决定.在这种情况下，物体内能的增加量就应等于外界对物体所做的功W和物体从外界吸收的热量Q之和.即ΔU=W+Q.
（4）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.
2.热力学第一定律的应用
（1）热力学第一定律不仅反映了做功和热传递这两种改变内能的方式是等效的，而且给出了内能的变化量和做功与热传递之间的定量关系.此定律是标量式，应用时热量的单位应统一为国际单位制中的焦耳.
（2）应用热力学第一定律时，必须明确研究对象，搞清它与周围物体的做功关系和热传递关系.
（3）为正确应用热力学第一定律，应注意以下符号法则：
外界对物体做功，W取正值，W＞0；
物体对外界做功，W取负值，W＜0；
物体吸收热量，Q取正值，Q＞0；
物体放出热量，Q取负值，Q＜0；
物体内能增加，ΔU取正值，ΔU＞0；
物体内能减少，ΔU取负值，ΔU＜0.
3.能量守恒定律
（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：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，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.
（2）能量守恒定律的内容
能最既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为别的形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化和转移的过程中，其总量不变，这就是能量守恒定律.
（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.
（4）能量守恒守律的重要意义：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十九世纪自然科学中三大发现.其重要意义由此可见一斑.
4.第一类永动机不可能制成
永动机的诱人前景，曾使许多人致力于永动机的研究，但都以失败告终.
能量守恒定律的发现，使人们进一步认识到，任何一部机器，只要对外做功，都要消耗能量，都只能使能量从一种形式转化为别的形式，或者从一个物体转移到别的物体，而不能无中生有地创造能量.不消耗能量，却可以源源不断地对外做功的机器（第一类永动机）是不可能制成的.
活学巧用
1.关于物体内能的变化，以下说法中正确的是（ ）
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
解析：根据热力学第一定律ΔU=W+Q，物体内能的变化与外界对气体做功（或气体对外界做功）、气体从外界吸热（或向外界放热）两种因素有关.物体吸收热量，但有可能同时对外做功，故内能有可能不变甚至减小，故选项A错；同理，物体对外做功的同时有可能吸热，故内能不一定减小，选项B错；若物体吸收的热量与对外做功相等，则内能不变，选项C正确.而放热与对外做功都是使物体内能减小，选项D错.
答案：C
2.一定量的气体从外界吸收了2.6×105 J的热量，内能增加了4.2×105 J.（1）是气体对外界做了功，还是外界对气体做了功？做了多少焦耳的功？（2）如果气体吸收的热量仍为2.6×105 J不变，但是内能增加了1.6×105 J，计算结果W=-1.0×105 J,是负值，怎样解释这个结果？（3）在热力学第一定律ΔU=Q+W中，W、Q和ΔU的正值、负值各代表什么物理意义？
解析：（1）由热力学第一定律：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
将Q=2.6×105 J,ΔU=4.2×105 J代入上式得
W=ΔU-Q=4.2×105 J-2.6×105 J=1.6×105 J
W＞0，说明外界对气体做了1.6×105 J的功.
（2）如果吸收的热量Q=2.6×105 J,内能ΔU增加了1.6×105 J,计算结果为W=-1.0×105 J,说明气体对外界做功.
（3）在公式ΔU=Q+W中，ΔU＞0，物体内能增加；ΔU＜0，物体内能减少.
Q＞0，物体吸热，Q＜0，物体放热.
W＞0，外界对物体做功；W＜0物体对外界做功.
答案：（1）外界对气体做了1.6×105 J的功.
（2）说明气体对外界做功.（3）略.
3.汽车关闭发动机后，沿斜面匀速下滑的过程中（ ）
A.汽车的机械能守恒
B.汽车的动能和势能相互转化
C.汽车的机械能转化成内能，汽车的总能量减少
D.汽车的机械能逐渐转化为内能，汽车的总能量守恒
解析：汽车能匀速下滑，一定受阻力作用，克服阻力做功，机械能转化为内能，一部分内能散发出去，汽车的总能量减少.
答案：C
4.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光焰；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：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，条形磁铁下落受磁场阻力.因而物体都克服阻力做功，A项对；四个物体运动过程中，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，D项对.
答案：AD
5.要把质量为103 kg的卫星发射到地球附近的圆形轨道上，如果燃料完全燃烧产生的热量有1%转化为卫星轨道上运行时的动能，试求燃料质量m至少为多少？（地球半径为R=6 400 km，燃料的燃烧值q=6.4×107 J/kg,g=9.8 m/s2）
解析：卫星在地球附近圆形轨道上的运行速度v为
m0g=, ①
由题意得ηqm=m0v2 ②
联立①②式得
=
=4.9×104 kg.
答案：4.9×104 kg
3 热力学第一定律能量守恒定律
课堂互动
三点剖析
1.热力学第一定律的应用
热力学第一定律的物理意义：热力学第一定律就是能的转化与守恒定律在改变物体内能这一特定过程中的具体表现.能量是量度物质运动的物理量，不同形式的能与物质的不同运动形式相对应.内能与分子热运动相对应;电能与电荷的运动相对应;原子能与原子核运动相对应等等.
2.应用能量守恒定律解决力学综合问题
(1)自然界存在着许多不同形式的运动，每种运动都有一种相应的能量.
(2)各种形式的能都可以相互转化.
(3)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别的形式，或者从一个物体转移到另一个物体，这就是能量守恒定律.它是自然现象中普遍适用的自然规律，而机械能守恒定律的应用是有条件的，因为它只是能的转化与守恒定律的一个特例.
3.能量守恒定律的重要意义
能的转化与守恒是分析解决问题的一个极为重要的方法，它比机械能守恒定律更普遍.
(1)能的转化与守恒定律是自然界的普遍规律，热力学第一定律是能的转化与守恒定律在改变物体内能这一特定过程中的具体体现.
(2)一切违背能的转化与守恒定律的过程都是不可能实现的，能的转化与守恒定律证明第一类永动机不可能制成.
各个击破
【例1】 气体膨胀对外做功100 J，同时从外界吸收了120 J的热量，它的内能的变化是( )
A.减小20 J B.增大20 J C.减小220 J D.增大220 J
解析：研究对象为气体，依符号规则，对外做功W=-100 J，吸收热量Q=+120 J.由热力学第一定律有：ΔU=W+Q=-100 J+120 J=20 J.ΔU＞0，说明气体的内能增加，故选项B正确.
答案：B
类题演练 一池塘中的水上、下温度相同，一气泡由水底上升，下面说法正确的是( )
A.气泡的内能增加 B.气泡的内能减少
C.气泡吸收热量 D.气泡放出热量
解析：气泡在上升过程中气体的温度不变，分子的平均动能不变，分子的总动能也不变；又由于气体分子间距离较大，已达10r0，分子力可视为零，气泡上升过程中虽然体积增大，分子间距离增大，可视为分子力不做功，分子势能不变，故气泡的内能不变.气泡在上升过程中体积膨胀对外界做功，W＜0,由公式W+Q=ΔU知，ΔU=0，故Q＞0?,表明气泡吸热.
答案:C
【例2】 在太阳光的直射下，地球表面每平方厘米每分钟可获得4.2 J?的能量，试估算我国所有江河每年(525 600 min)流入海洋的水流量(取一位有效数字).
解析：因为海洋面积约占地球总面积S总的3/4，并且只有S总的一半受太阳光的照射，因此，一年内地球上所有海洋吸收的太阳能为
Q=(1/2)×(3/4)×S总×4.2 J/(cm2·min)×525 600 min=8.3×105S总 J
如果取25℃时水的汽化热为2.44×106 J/kg，则所有海洋一年中总共蒸发水汽的质量为
m=Q/L=(8.3×105S总)/(2.44×106) kg=0.34S总 kg
再设我国的大陆面积为S，则一年中输送到我国大陆上空的水汽质量为
m′=(S/S总)·m=(S/S总)·0.34S总=0.34S kg
而我国大陆面积S约为9.6×106 km2，即
S=9.6×1016 cm2，故
m′=0.34 ×9.6×1016 kg≈3×1016 kg
V=m′/ρ=3×1016 kg/(103 kg·m-3)=3×1013 m3
即我国所有江河每年流入海洋的水流量约为
3×1013 m3.
答案：3×1013 m3
【例3】 一铁球从高H处由静止落到地面上，回弹速率是落地速率的一半，设撞击所转化的内能全部使铁球温度升高，则铁球的温度升高多少？(设铁的比热容为c，各物理量取国际制单位)
解析：由题意可知，需根据能量守恒定律来分析，铁球损失的动能全部转化为铁球的内能.
设落到地面时的速率为v，由v2=2gH得落地时v=.则铁球在地面撞击时损失的动能ΔE=.
由能量守恒定律得，损失的动能全部转化为铁球的内能，则ΔU=ΔE=mgH，
由Q=mcΔt得Δt=
答案：
4 热力学第二定律
5 热力学第二定律的微观解释
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1.热传导的方向性
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，使高温物体的温度降低，低温物体的温度升高.这个过程是自发地进行的，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向高温物体，如电冰箱，但这不是自发地进行的，需要消耗电能.
其实，自然界中很多宏观的自发地过程都具有单向性，是不可逆的，如：水往低处流，事物由新变旧，人的生老病死等.
2.第二类永动机
历史上也曾有不少人设想制造一种热机，用它把物体与地面摩擦所生成的热量都吸收过来，并对物体做功，将内能全部转化为动能，使因摩擦停止运动的物体在地面上运动起来，而不引起其他变化，这种机械称为第二类永动机.第二类永动机不违反能量守恒定律，但要注意：尽管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.比如，内燃机汽缸中的气体吸收燃料燃烧时产生的热量Q1，推动活塞做功W，但排去的废气同时把一部分热量Q2散发到大气中，由能量守恒定律知道Q1=W+Q2，所以气体燃烧产生的热量并没有全部转化为机械能，热机的效率不可能达到100%，所以第二类永动机不可能制成，这表明机械能和内能的转化过程具有方向性.
3.热力学第二定律的两种表述
（1）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.
（2）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.
表述（1）是按照热传导的方向性来表述的；表述（2）是按照机械能与内能转化过程的方向性来表述的.
上述两种表述看似毫无联系，其实是等价的，即如果一个说法是正确的，另一个说法也必然是正确的；如果一个说法是错误的，另一个说法必然也不成立，下面给以证明：
图10-4-1
设表述（1）不成立.如图10-4-1所示，低温热源T2可以自发地向高温热源T1传递热量Q2.那么，我们可在高温热源T1和低温热源T2之间设置一热机，使它从高温热源吸收热量Q1，对外做功W，并把热量Q2传递给低温热源.当这一过程完成之时，低温热源由于吸热和放热相等，没有引起其他变化.高温热源放出热量Q1大于吸收热量Q2，热机对外做功W=Q1-Q2，相当于高温热源放出的热量全部用来对外做功，也就是说单一热源所放出的热量全部用来做功，这显然是违反表述（2）的,即凡违反表述（1）的说法，必然违反表述（2）.反之，也可以证明，凡违反表述（2）的，也必然违反表述（1）.
4.怎样理解热力学第二定律的微观意义？
系统的热力学过程就是大量分子无序运动状态的变化.从微观看，在功转化为热的过程中，自然过程是大量分子从有序运动状态向无序运动状态转化的过程，但其逆过程却不能自发地进行，即不可能由大量分子无规则的热运动自发转变为有序运动.
从微观看，热传递的过程中，自然过程是大量分子从无序程度小的运动状态向无序程度大的运动状态转化的过程，其逆过程不能自发进行.
大量分子无序运动状态变化的方向总是向无序性增大的方向进行，即一切自然过程总是沿着无序性增大的方向进行，这就是热力学第二定律的微观意义.
5.熵
（1）物理学中用字母Ω表示一个宏观状态所对应的微观状态的数目，为了研究的方便，玻尔兹曼在1877年提出一个与微观态的数目Ω相关的物理量S，S=K·lnΩ(K为玻尔兹曼常数）.这个S就是今天常常听到的“熵”，用熵值的高低反映系统的无序程度.
(2)引入熵之后，关于自然过程的方向性就可以表述为：在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减少，这就是用熵的概念表示的热力学第二定律.为此，不少人把热力学第二定律叫做熵增加原理.
（3）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程度更大的方向发展.
活学巧用
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.热传导是有方向性的 D.气体向真空中膨胀的过程是有方向性的
解析：如果是自发的过程，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，选项A对，B错，C对；气体向真空中膨胀的过程也是不可逆的，具有方向性的，选项D对.
答案：ACD
2.第二类永动机不可能制成，是因为（ ）
A.违背了能量守恒定律 B.热量总是从高温物体传递到低温物体
C.机械能不能全部转化为内能 D.内能不能全部转化为机械能，同时不引起其他变化
解析：第二类永动机的设想并不违背能量守恒定律，但却违背了涉及热现象的能量转化过程具有方向性的规律，选项A错.在引起其他变化的情况下，热量也可由低温物体非自发地传递到高温物体，选项B错.机械能可以全部转化为内能，如物体克服摩擦力做功的过程，选项C错.但在不引起其他变化的情况下，内能却不能全部转化成机械能，选项D对.
答案：D
3.(2004天津高考)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.不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化
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向高温物体，例如电冰箱的工作过程，故选项A错.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，所以选项B错.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，选项C错.选项D是热力学第二定律的表述形式之一，是正确的.
答案：D
4.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10-4-2所示，电流计指针会发生偏转，这就是温差发电现象，这一实验是否违反热力学第二定律？热水和冷水的温度是否会发生变化？简述这一过程中能的转化情况.
图10-4-2
解析：温差发电现象中产生了电能是因为热水中的内能减少，一部分转化为电能，一部分传递给冷水，不违反热力学第二定律.
答案：不违反.热水温度降低，冷水温度升高.转化效率低于100%.
5.关于热力学第二定律的微观意义，下列说法正确的是（ ）
A.大量分子无规则的热运动能够自动转变为有序运动
B.热传递的自然过程是大量分子从有序运动状态向无序运动状态转化的过程
C.热传递的自然过程是大量分子从无序程度小的运动状态向无序程度大的运动状态转化的过程
D.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
解析：热传递的自然过程是大量分子从无序程度小的运动状态向无序程度大的运动状态转化的过程，其传递过程不能自发进行，故选项C、D正确.
答案：CD
6.热力学第二定律的开尔文表述指出：内能与机械能的转化具有方向性.请结合熵的变化加以解释.
解析：机械运动是宏观情况下物体在空间位置上的变化，物体运动状态的变化完全遵循牛顿运动定律所反映的因果关系，这是一种有序的运动.热运动是大量分子的无规则运动，系统的一个宏观状态包含着大量的微观状态，这是一种无序的运动.机械运动向热运动的转化，属于从有序向无序的转化，会导致熵的增加，符合热力学的规律，因此机械能可以全部转换化为内能.反之，热运动向机械运动的转化，属于从无序向有序的转化，即从高熵向低熵转化，不符合熵增加原理，因此内能不可能全部转化为机械能而不引起其它变化.
4 热力学第二定律
5 热力学第二定律的微观解释
1．热传导的方向性
热传导的过程可以向一个方向自发地进行(热量从高温物体自发地传给低温物体)；但向相反的方向不会自发地进行(热量不会自发地从低温物体传给高温物体)，只有借助外界的帮助才能进行。
①“自发地”过程就是在不受外来干扰的条件下进行的自然过程。
②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。
③要将热量从低温物体传向高温物体，必须有“外界的影响或帮助”，就是要由外界对其做功才能完成。电冰箱、空调就是例子。
【例1】 两个温度不同的物体接触时，热量会自发地从高温物体传向低温物体，直到两者温度相等；一个温度处处相等的物体，不可能自发地变得一部分温度高、另一部分温度低。怎样从分子热运动的角度解释热传递的方向性？
解析：两个物体温度不同，分子热运动的平均动能不同，一个物体分子平均动能大，另一个物体分子平均动能小，总体来看，分子热运动的分布较为有序，能量适当集中，而热量由高温物体传到低温物体的过程中，能量变得分散和退降，分子热运动的分布较为无序。由于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。所以热传递是由高温物体传向低温物体的，即热传递具有方向性。
答案：见解析
点技巧：热现象的方向性 自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性。无论是有生命的或是无生命的，所有的宏观自发过程都具有单向性，都有一定的方向性，都是不可逆过程。如河水向下流，重物向下落，山岳被侵蚀，人的一生从婴儿到老年到死亡等。
2．第二类永动机
(1)定义：只从单一热源吸收热量，使之完全变为有用的功而不引起其他变化的热机。
(2)第二类永动机不可能制成，因为尽管机械能可以全部转化为内能，但内能却不能全部转化成机械能而不引起其他变化。
释疑点：第一类永动机和第二类永动机的比较
它们都不可能制成，第一类永动机的设想违反了能量守恒定律；第二类永动机的设想虽不违反能量守恒定律，但违背了跟热现象相联系的宏观自然过程具有方向性的规律。
【例2】 我们绝不会看到：一个放在水平地面上的物体，靠降低温度，可以把内能自发地转化为动能，使这个物体运动起来，其原因是( )
A．违反了能量守恒定律
B．在任何条件下内能不可能转化成机械能，只有机械能才能转化成内能
C．机械能和内能的转化过程具有方向性，内能转化成机械能是有条件的
D．以上说法均不正确
解析：机械能和内能的相互转化必须通过做功来实现。机械能可以自发地转化为内能，但内能不能自发地转化为机械能。
答案：C
3．热力学第二定律
(1)热力学第二定律常见的两种表述：
①按热传递的方向性来表述：不可能使热量从低温物体传到高温物体，而不引起其他变化。——克劳修斯表述，这是按热传递的方向性来表述的。
②按机械能与内能转化过程的方向性来表述：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。——开尔文表述，这是按机械能与内能转化过程的方向来表述的。
(2)两种表述是等价的。
可以从一种表述导出另一种表述，两种表述都称为热力学第二定律。
(3)热力学第二定律的意义
揭示了有大量分子参与的宏观过程的方向性，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，是独立于热力学第一定律的一个重要自然规律。
【例3】 下列说法中正确的是( )
A．机械能全部变成内能是不可能的
B．第二类永动机不可能制造成功的原因是能量既不能凭空产生，也不会凭空消失，只能从一个物体转移到另一个物体，或从一种形式转化为另一种形式
C．根据热力学第二定律可知，热量不可能从低温物体传到高温物体
D．从热库吸收的热量全部变成功是可能的
解析：机械能可以全部转化为内能，A错；第二类永动机不违反能量守恒定律，不可能制成的原因是机械能与内能的转化具有方向性，内能不会全部转化为机械能同时不引起其他变化，B错；热量在一定条件下可以从低温物体传到高温物体，只不过会引起其他变化，C错。
答案：D
归纳小结：热力学第二定律的两种表述是等价的，都说明一切与热现象有关的宏观过程都是不可逆的。其中“自发地”是指在热传递过程中不会对其他物体产生影响或不借助其他物体提供能量等的帮助。
点技巧：热力学第二定律的适用范围
①适用于宏观过程，对微观过程不适用；
②孤立系统有限范围，对整个宇宙不适用。
4．有序和无序、宏观态和微观态
(1)有序：只要确定了某种规则，符合这个规则的就叫做有序。
无序：不符合某种确定规则的称为无序。
(2)宏观态：符合某种规定、规则的状态，叫做热力学系统的宏观态。
微观态：在宏观状态下，符合另外的规定、规则的状态叫做这个宏观态的微观态。
(3)正确理解有序和无序
①无序意味着各处都一样、平均、没有差别；而有序则是相反。
②有序和无序是相对的。
【例4】 一锅开水投入了5个糖馅甜汤圆，随后又投入了5个肉馅的咸汤圆，甜、咸汤圆在沸水中游动，象征着封闭系统进入了一个自发的过程。随后，用两只碗各盛了5个汤圆，每碗汤圆中共有六种可能：①全是甜的，②全是咸的，③1甜4咸，④4甜1咸，这是四种不平衡的宏观态；⑤2甜3咸，⑥3甜2咸，这是两种相对平衡的宏观态。
两只碗各盛5个汤圆共有32种组合方式，我们称为32个微观态。试问以上六种宏观态所对应的微观态的个数各是多少？设计一个图表来表示。
解析：
宏观态
全是甜的
全是咸的
1甜4咸
4甜1咸
2甜3咸
3甜2咸
微观态个数
1
1
5
5
10
10
答案：见解析
特别提醒：系统的宏观态所对应的微观态的多少表现为宏观态无序程度的大小。如果一个“宏观态”对应的“微观态”比较多，就说这个“宏观态”是比较无序的，同时也决定了宏观过程的方向性——从有序到无序。
5．热力学第二定律的微观解释
(1)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。
我们所说的有序状态，指的是对应着较少微观态的那样的宏观态。自发的过程总是倾向于出现与较多微观态对应的宏观态，因此自发的过程总是从有序向着无序发展的。
(2)熵
①“熵”的名称是由德国物理学家道尔夫·克劳修斯于1868年提出来的，它代表着宇宙中不能再被转化做功的能量的总和的测定单位，即熵的增加表示宇宙物质的日益混乱和无序，是无效能量的总和。
熵和系统内能一样，都是一个状态函数，仅由系统的状态决定。从分子运动论的观点来看，熵是分子热运动无序(混乱)程度的定量量度。
②热力学几率：与同一宏观态相应的微观态数称为热力学几率。记为Ω 。
③熵与热力学几率的关系：S＝kln Ω，k是波尔兹曼常数。
④熵增加原理：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。因此热力学第二定律也叫做熵增加原理。
(3)热力学第二定律的统计意见
从微观的角度看，热力学第二定律是一个统计规律：孤立系统内部所发生的过程总是从包含微观态数少的宏观态向包含微观态数多的宏观态过渡，从热力学几率小的状态向热力学几率大的状态过渡，从熵小的状态向熵大的状态发展。
【例5－1】 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，其熵不会减小
C．气体向真空扩散时，熵值减小
D．自然过程中熵总是增加，是因为通向无序的渠道要比通向有序的渠道多得多
解析：熵是系统内分子运动无序性的量度，熵越大，其无序性越大，A项正确。不可逆绝热过程中，其宏观态对应的微观态数目增加，其熵会增加，不会减小，B项正确。气体向真空中扩散，无序度增大，熵值增大，C项错误。自然过程中，无序程度较大的宏观态出现概率较大，因而通向无序的渠道多，D项正确。
答案：ABD
【例5－2】 关于热力学第二定律，下列表述正确的是( )
A．不可能使热量从低温物体传递到高温物体
B．不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功
C．第二类永动机是不可能制成的
D．热力学第二定律是热力学第一定律的推论
解析：如果有外界的帮助，可以使热量从低温物体传递到高温物体，也可以把热量全部用来做功。热力学第一定律说明在任何过程中能量必须守恒，热力学第二定律却说明并非能量守恒过程均能实现。热力学第二定律是反映自然界过程进行的方向和条件的一个规律，它指出自然界中出现的过程是有方向性的，某些方向的过程可以实现，而另一方向的过程则不能实现，在热力学中，第二定律和第一定律相辅相成，缺一不可。
答案：C
点技巧：热力学第二定律的微观解释
①热传导的方向性：热量不能自发地从低温物体传到高温物体。
②机械能与内能转化的方向性：不可能从单一热源吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响。
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，即在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小。
6．比较法学习热力学第一定律和热力学第二定律
(1)热力学第一定律揭示了做功和热传递对改变物体内能的规律关系ΔU＝W＋Q，指明内能不但可以转移，而且还能跟其他形式的能相互转化。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，热力学第一定律只有一种表述形式。
(2)热力学第二定律揭示了有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，进一步揭示了各种物质及其运动形式的转化过程都具有方向性。告诫人们：第二类永动机不可能制成。热力学第二定律有多种表述形式。
(3)热力学第一定律和热力学第二定律的联系
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。
【例6－1】 如图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( )
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一定律
D．电冰箱的工作原理违反热力学第一定律
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，是能的转化和守恒定律的具体表现，适用于所有的热学过程，故C正确，D错误；再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。
答案：BC
【例6－2】 一种冷暖两用型空调，铭牌标注：输入功率1 kW，制冷能力1.2×104 kJ/h，制热能力1.3×104 kJ/h。这样，该空调在制热时，每消耗1 J电能，将放出3 J多热量。是指标错误还是能量不守恒？
解析：空调制冷、制热靠压缩机做功，从室内(室外)吸收热量放到室外(室内)。在制热时，放出的热量等于消耗的电能与从室外吸收的热量之和，完全可以大于电能消耗。这既不违背热力学第一定律，也不违背热力学第二定律。
答案：都不是
7．热力学第二定律在实际生活生产中的应用
(1)电冰箱和空调机
空调机和电冰箱都是制冷机，它们的工作原理基本相同。为了便于解析，我们以电冰箱为研究对象，认识它的基本结构和工作过程。从图中可以知道，电冰箱由压缩机、冷凝器、毛细管、蒸发器四个部分组成。这四个部分由管道连接，组成一个密闭的连通系统，制冷剂作为工作物质，由管道输送，经过这四个部分，完成工作循环。
(2)热机
①定义：是一种把内能转化为机械能的装置。
②原理：燃料燃烧产生热量 Q1(高温热库)，推动活塞对外做功 W，排出废气向外界(低温热库)放热 Q2。
③效率：由能量守恒定律知道η＝W/Q1，Q1 ＝ W ＋Q2
热机的效率小于100%，就不可能把从高温热源吸收的热量全部转化为机械能，总有一部分热量散发到冷凝器中。不可避免地要释放一部分热量Q2，所以总有Q1＞W。
【例7－1】下列说法正确的是( )
A．冰箱能使热量从低温物体传递给高温物体，因此不遵从热力学第二定律
B．空调工作时消耗的电能与室内温度降低所放出的热量可以相等
C．自发的热传导是不可逆的
D．不可能通过给物体加热而使它运动起来，因为违背热力学第一定律
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，空调消耗的电能必须大于室内温度降低所放出的热量。不可能通过给物体加热而使它运动起来，违背了热力学第二定律。
答案：C
【例7－2】 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。一位同学说：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。另一位同学说：热力学第二定律是热力学系统的普通规律，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论。
解析：压缩机是空调机的“心脏”，它消耗电能对来自蒸发器的制冷剂蒸气做功，使它变成高温高压的蒸汽。然后这些高温高压的蒸汽来到冷凝器，向低温的环境放热，同时自身被冷却而凝成低温高压的液体。
这些低温高压的液体制冷剂由过滤器滤掉水分和杂质，进入毛细管，经节流阀膨胀，变为低温低压的液体，随后进入电冰箱的蒸发器。在蒸发器内，这些低温低压的液态制冷剂在低压条件下迅速汽化，从外界(电冰箱内)吸收热量，使冰箱内的温度降低。这样就完成了一个制冷循环。
由此可见乙同学的论点正确。
答案：见解析
【例7－3】 一辆汽车的发动机输出功率为66.15 kW，每小时耗(柴)油14 kg，请计算发动机的效率。(柴油的燃烧值为4.3×107 J/kg)
解析：计算发动机的效率可根据热机效率的定义，先求出发动机做的有用功和消耗的燃料完全燃烧放出的能量。然后再求效率。
发动机每小时做的功
W＝Pt＝66 150 W×3 600 s＝2.38×108 J
完全燃烧14 kg柴油放出的能量
Q总＝4.3×107 J/kg×14 kg＝6.02×108 J，
做有用功的能量
Q有＝W＝2.38×108 J
所以η＝＝×100%＝39.5%
发动机的效率是39.5%。
答案：39.5%
4 热力学第二定律
5 热力学第二定律的微观解释
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三点剖析
1.热传导的方向性和热力学第二定律
(1)热传导的方向性
温度不同的两个物体接触时，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：热传导的过程是具有方向性的.这个过程可以自发地进行，但是向相反的方向却不能自发地进行.要实现相反方向的过程，必须借助外界的帮助，因而会产生其他影响或引起其他变化.
(2)热力学第二定律
①常见的两种表述
按热传递的方向性来表述(克劳修斯表述)：不可能使热量从低温物体传到高温物体而不引起其他变化.
按机械能与内能转化过程的方向性来表述(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.
②两种表述是等价的
可以从一种表述导出另一种表述，两种表述都称为热力学第二定律.
③热力学第二定律的意义
提示了有大量分子参与的宏观过程的方向性，是独立于热力学第一定律的一个重要自然规
律.
(3)热机效率
①热机做的功W和它从热源吸收的热量Q的比值叫做热机的效率η=
②热机的效率不可能达到100%
2.对永动机和热力学第二定律的认识
(1)对永动机的认识
①第二类永动机：人们把想象中能够从单一热源吸收热量，全部用来做功而不引起其他变化的热机叫做第二类永动机.
②第二类永动机不可能制成
表示机械能和内能的转化过程具有方向性.尽管机械能可以全部转化为内能，内能却不能全部转化成机械能，同时不引起其他变化.
(2)对热力学第二定律的微观解释
几个概念：
①微观态和宏观态
如果对某一问题事先规定了一定的限制，实际上就规定了一个“宏观态”.如果满足条件的情况有很多，每一种情况就称为一个“微观态”，此时，一个“宏观态”对应着多个“微观态”.
②有序和无序
如果一个“宏观态”对应着的“微观态”非常少，说明这个“宏观态”比较有序，反之，如果一个“宏观态”对应着的“微观态”非常多，说明这个“宏观态”比较无序.
③熵：熵是一个与微观态的数目有关的物理量.用字母S表示.
熵是系统内分子运动无序性的量度.熵较大的宏观状态就是无序程度较大的宏观状态，也就是出现概率较大的宏观状态.
熵增加原理：在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减少.
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.
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.
各个击破
【例1】 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.不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化
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向高温物体，例如电冰箱的工作过程，故选项A错.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，所以选项B错.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，选项C错.选项D是热力学第二定律的表述形式之一，是正确的.
答案：D
类题演练1 根据热力学第二定律，可知下列说法中正确的是( )
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.机械能可以全部转化为热量，但热量不可能全部转化为机械能
D.机械能可以全部转化为热量，热量也可能全部转化为机械能
解析：根据热传导的规律可知热量能够从高温物体传到低温物体，当外界对系统做功时，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.但是热量不能自发的从低温物体传到高温物体.选项A错误，B正确.
一个运动的物体，克服摩擦力做功，最终静止；在这个过程中机械能全部转化为热量.外界条件变化时，热量也可以全部转化机械能.例如在等温膨胀过程中，系统吸收的热量全部通过对外做功转化成对外界做的功.选项C错误，D正确.
答案:BD
【例2】 关于热机的效率，下列说法正确的是( )
A.有可能达到80% B.有可能达到100%
C.有可能超过80% D.一定能达到100%
解析：因为第二类永动机不能实现，所以热机效率永远也达不到100%.
答案：AC
【例3】 第二类永动机不可以制成，是因为( )
A.违背了能量的守恒定律
B.热量总是从高温物体传递到低温物体
C.机械能不能全部转变为内能
D.内能不能全部转化为机械能，同时不引起其他变化
解析：第二类永动机设想虽然符合能量守恒定律，但是违背了能量转化中有些过程是不可
逆的规律.所以不可能制成，选项D正确.
答案：D
类题演练2 下列说法正确的有( )
A.第二类永动机和第一类永动机一样，都违背了能量守恒定律
B.第二类永动机违背了能量转化的方向性
C.自然界中的能量是守恒的，所以不用节约能源
D.自然界中的能量尽管是守恒的，但有的能量便于利用，有的不便于利用，故要节约能源
解析：第一类永动机违背了能量守恒定律，第二类永动机违背了能量转化的方向性.
答案:BD
【例4】 对于孤立体系中发生的实际过程，下列说法中正确的是( )
A.系统的总熵只能增大或不变，不可能减小
B.系统的总熵可能增大，可能不变，还可能减小
C.系统逐渐从比较有序的状态向更加无序的状态发展
D.系统逐渐从比较无序的状态向更加有序的状态发展
解析：根据熵增加原理在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减少可知，A对，B错.根据热力学第二定律的微观解释可知，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，所以C对，D错.
答案：AC
类题演练3 一定质量的理想气体在一容器中推动活塞绝热向外膨胀，下列说法正确的是( )
A.气体的熵减少，但由于是绝热过程，内能不变
B.气体的熵减少，同时对外做功，内能减少
C.气体的熵不会减少，但由于是绝热过程，内能不变
D.气体的熵不会减少，同时对外做功，内能减少
解析：根据熵增加原理在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减少可知，A、B错.
由于是绝热过程，没有热传递，但又对外做功，所以内能减少.D对，C错.
答案：D
6 能源和可持续发展
互动课堂
疏导引导
1.能源
（1）定义：能够提供可利用能量的物质.
（2）常规能源
煤、石油、天然气是目前人们消耗能量的主要来源，称为常规能源.常规能源的储量是有限的，是不可再生能源，按现在的开采速度，石油将在几十年内采完，煤也将在二百多年内采完，故加强新能源的开发和利用已迫在眉睫.
（3）可再生能源
风能、水流能，海水的潮汐能等都是可再生的能源.
（4）新能源
这里所说的新能源指的是近几年正在开发利用的新能源，如太阳能、核能、生物能等.
2.环境
（1）常规能源对环境的影响
石油和煤燃烧产生的二氧化碳增加了大气中二氧化碳的含量，产生了“温室效应”，引发了一系列问题，如两极的冰雪融化、海平面上升、海水倒灌、耕地盐碱化……这些都是自然对人类的报复.
还有一些问题，如煤燃烧时形成的二氧化硫等物质使雨水形成“酸雨”，工厂里机器工作时会导致有毒气体的产生等等.
（2）大力发展新型能源
常规能源的有限和其对环境的污染，都促使人类加紧新型能源的开发和利用，这些新型能源如风能、水能、太阳能、核能等，它们的优点是：能量丰富，环境污染小.
3.能量耗散与品质降低
机械能、电能、光能、声能、化学能、核能、生物能等，在被利用的过程中有时可相互转化，但最终转化为内能，流散到周围环境中去，是由集中度较高、有序度较高的能量转化为分散的、无序的能量，这就是能量耗散.这些流散的内能大多都无法被重新收集起来加以利用，从被利用的角度来说能量的品质降低了，或者说“贬值”了.
活学巧用
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
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，选项A对；汽油燃烧会引起一些化合物的产生，导致有毒气体的生成，选项B错；水能是可再生能源，选项C对；煤、石油等储量是有限的，是不可再生能源，选项D错.
答案：AC
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、两极冰雪融化
D.“温室效应”使得土壤酸化
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、两极冰雪融化、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B、C选项正确.
答案：BC
3.下列说法中，正确的是（ ）
A.从甲物体自发传递Q热量给乙物体，说明甲物体的内能比乙物体多Q
B.热机的效率从原理上讲可达100%
C.因为能量守恒，所以“能源危机”是不可能的
D.以上说法均不正确
解析：自发的热传递的条件是存在温度差，而不是内能差，甲物体传递热量给乙物体，说明甲物体的温度比乙物体高，选项A错.
热力学第二定律：“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.”可知，任何热机的效率都不可能达100%，选项B错.
关于能源危机，必须明白：①能源是提供能量的资源，如煤、石油等；②人们在消耗能源时，放出的热量，有的转化为内能，有的转化为机械能等等，但最终基本上都转化成了内能，人们无法把这些内能收集起来再利用（能量耗散），而可供利用的能源是有限的，不可能在短时间内再生，因此“能源危机”并非说明能量不守恒，选项C错，选项D对.
答案：D
6 能源和可持续发展
1．能量耗散和品质降低
(1)能量耗散
集中度较高且有序度较高的能量如机械能、电能、化学能等，当它们变为环境的内能后，就成为更加分散且无序度更大的能量，内能作为能量发展的最终形式，没有办法把这些流散的内能重新收集起来加以利用。这样的转化过程叫做能量耗散。
(2)品质降低：能量从高度有用的形式降级为不大可用的形式叫品质降低。能量在利用过程中，总是由高品质的能量最终转化为低品质的内能。
说明：①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。
又如流动的水带动水磨做功，由于磨盘之间的摩擦，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内能，这些内能最终流散到周围的环境中，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，是一种低品质的能量。
②能量虽然不会减少但能源会越来越少，所以要节约能源。
【例1】 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。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的方向性
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，恰恰说明符合热力学第二定律。
答案：CD
2．能源与人类社会
(1)能源的定义：能源是指能够提供可利用能量的物质，它是现代社会生活的重要物质基础。
(2)常规能源：指已被广泛应用的能源，如煤、石油、天然气、水能、风能等。
(3)能源的供需现状：石油将在几十年内采完，煤也将在二百多年内采完，故需加强新能源的开发和利用，如水能、风能等。
(4)能源的分类：①不可再生能源：如前面提到的煤、石油、天然气等常规能源；②可再生能源：如风能、水能等。
(5)新能源的开发：
开发的新能源主要有下列几种：太阳能、生物质能、风能、水能等。
①太阳能：是取之不尽、用之不竭的。同时太阳能是一种清洁能源，不会污染环境。
②生物质能：生物质能指绿色植物通过光合作用储存在生物体内的太阳能，储存形式是生物分子的化学能。
③风能：为了增加风力发电的功率，通常把很多风车建在一起，成为“风车田”。我国的新疆、内蒙古等地已经开始大规模利用风力发电。
④水能：水是可再生的。水电对环境的影响小，发电成本低。
谈重点：人类的生活离不开能源 如果没有能源，人就得吃生米、生菜、生肉，这对原始人来说，可以，对现代人来说，那不可想象。要把饭菜烧熟，就需要能源。照明需要能源，坐汽车、火车、轮船、飞机也需要能源，炼钢炼铁、开动机器都得有能源。人类能源的总来源是太阳。这就是说，不仅风能、水力能、海浪能、生物能、太阳能等自然能源来自太阳，就是矿物燃料煤、石油、天然气也来自太阳。以上这些属于一次能源，由一次能源生产的电力属于二次能源。
由于分类标准不同，同一种能源既可能作为常规能源，又可能属于可再生能源。
【例2】 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
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对；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；水能是可再生能源，C对；煤、石油等存储量是有限的，是不可再生能源，D错。
答案：AC
3．能源与环境
(1)常规能源对环境污染严重。
(2)新能源：指目前尚未被人类大规模利用而有待进一步研究、开发和利用的能源，如核能、太阳能、风能、地热能、海洋能、氢能等。
谈重点：环境污染的种类 大气污染、水污染、噪声污染，具体有温室效应、酸雨、光化学污染。
①温室效应：化石燃料燃烧放出的大量二氧化碳，使大气中二氧化碳的含量大量增高，导致“温室效应”，造成地面温度上升、两极的冰雪融化、海平面上升、淹没沿海地区等不良影响。
②酸雨污染：排放到大气中的大量二氧化硫和氮氧化物等在降水过程中溶入雨水，使其形成酸雨，酸雨进入地表、江河，破坏土壤，影响农作物生长，使生物死亡，破坏生态平衡。同时腐蚀建筑结构、工业装备、动力和通讯设备等，还直接危害人类健康。
③臭氧层的破坏：臭氧层的存在对吸收紫外线方面起着举足轻重的作用，一旦臭氧层遭到破坏，对生物有害的紫外线会毫无遮拦地照射到地面上，会提高皮肤癌和白内障的发病率，也会影响我们的免疫系统。同时对不同生态系统中生物的生长、发育、繁殖、分布和生物地球化学循环都会造成一系列危害。
【例3】 二氧化碳对长波辐射有强烈的吸收作用，行星表面发出的长波辐射到大气以后被二氧化碳截获，最后使大气升温，大气中的二氧化碳像暖房的玻璃一样，只准太阳的热辐射进来，却不让室内的长波热辐射出去，大气中的二氧化碳的这种效应叫温室效应。这是目前科学界对地球气候变暖进行分析的一种观点，根据这种观点，以下说法成立的是( )
A．在地球形成的早期，火山活动频繁，排出大量的二氧化碳，当时地球的气温很高
B．经过漫长的年代，地壳的岩石和气体二氧化碳发生化学反应，导致二氧化碳减少，地球上出现了生命
C．由于工业的发展和人类的活动，导致二氧化碳在空气中的含量增大，地球上的气温正在升高
D．现在地球正在变暖的主要原因是工业用电和生活用电的急剧增加，使电能和其他形式的能转化为内能
解析：地球形成的早期，地壳不如现在牢固，地球不如现在稳定，火山活动频繁，符合地质的发展规律。由于火山的喷发，排出大量的二氧化碳，进而导致当时地球的气温很高。地球上的岩石由于多种原因，其中包括岩石中的矿物质成分与水、氧气、二氧化碳发生化学反应，使岩石进一步分化，最后形成土壤，二氧化碳减少，形成了适合生物生存的条件。由于工业的发展和人类的活动，大量地使用常规能源，导致二氧化碳在空气中的含量增大，地球上的气温正在升高。生活用电和工业用电是电能和其他形式的能的转变，会产生热，但它们并不是地球正在变暖的主要原因，因此A、B、C项是正确的。
答案：ABC
点评：明确二氧化碳对长波辐射有强烈的吸收作用，使星球表面发出的长波辐射到大气层后被二氧化碳吸收产生温室效应，最后使大气温度升高这一特性是解题的关键。
4．能量守恒定律解题思路与方法
能量守恒定律是自然界普遍适用的规律，不同形式的能量可以相互转化，这需要做功来实现，而能的转移是通过某种形式的能传递来完成。无论是能的转移还是转化，其能的总量保持不变。运用能量守恒定律解题关键是弄明白哪些能量参与转化和转移，在其过程中遵循怎样的规律转化和转移，然后根据能量守恒定律列等式求解。
太阳能的特点：
①数量巨大：太阳辐射功率为3.9×1026瓦。能到达地球表面的太阳能每年约为1.3×1010吨标准煤，是目前全世界所消耗的各种能量总和的1×104倍。
②时间长久：根据天文学的研究结果，可知太阳系已存在大约5×109年左右，估计尚可继续维持大约1010年之久。
③清洁安全：太阳能素有“干净能源”和“安全能源”之称，它不仅毫无污染，也毫无危险。
水利发电的能流图：
风能发电原理图：
风力发电的原理：利用风力带动风车叶片旋转，再通过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。依据目前的风车技术，大约是每秒三千米的微风速度(微风的程度)，便可以开始发电。
【例4－1】 瀑布从20 m高处以103 m3/s的流量竖直落下，流进底部的水轮机后再以2 m/s的速度流出，水轮机再带动发电机发电。如果水的机械能转化为电能的效率是80%，那么发电机发出的电功率有多大？(瀑布在山顶的速度可忽略不计，g取10 m/s2)
解析：设t时间内流下的水的质量为m，以m为研究对象，竖直下落后减少的机械能为mgh－mv2
转化为电能的功率为P＝＝＝(gh－)×0.8
＝103×103×(10×20－×22)×0.8 W≈1.58×108 W＝1.58×105 kW。
答案：1.58×105 kW
【例4－2】 说明下列能源利用方式中的能量转化过程：
(1)水力发电：_____________________________________________________________；
(2)电动水泵抽水：_________________________________________________________；
(3)柴油机牵引列车前进：____________________________________________________；
(4)火箭发射人造卫星：______________________________________________________。
解析：水力发电是将水的机械能转化为电能。电动水泵抽水是将电能转化为水的机械能。柴油机牵引列车前进是将柴油的化学能先转化为内能，再转化为列车的机械能。火箭发射人造卫星是将燃料的化学能转化为卫星的机械能。
答案：见解析
点评：自然界中的能量可以相互转化，且转化过程中能量是守恒的。
【例4－3】 某地的平均风速为5 m/s，已知空气密度是1.2 kg/m3，有一风车，它的车叶转动时可形成半径为12 m的圆面，如果这个风车能将此圆内10%的气流的动能转变为电能，则该风车带动的发电机功率是多大？
解析：首先可以求出在时间t内作用于风车的气流质量为
m＝πr2Vtρ，
这些气流的动能为mv2；
转变的电能为E＝mv2×10%，
故风车带动发电机发电的功率为
P＝＝πr2ρv3×10%
代入数据以后得P＝3.4 kW。
答案：3.4 kW
6 能源和可持续发展
课堂互动
三点剖析
1.能源与环境
第一，能源
(1)定义：能够提供可利用能量的物质.
(2)常规能源：煤、石油、天然气.
(3)能源的供需现状：石油将在几十年内采完，煤也将在二百多年内采完，故需加强新能源的开发和利用，如水能、风能等.
(4)能源的分类：①不可再生能源：如前面提出的煤、石油、天然气等常规能源；②可再生能源：如风能、水能等.
第二，环境
(1)常规能源对环境的影响
石油和煤燃烧产生的二氧化碳增加了大气中二氧化碳的含量，产生了“温室效应”，引发了一系列问题，如两极的冰雪融化、海平面上升、海水倒灌、耕地盐碱化…….这些都是自然对人类的报复.
还有一些问题，如煤燃烧时形成的二氧化硫等物质使雨水形成“酸雨”，机器在工作时会导致有毒气体的产生等等.
2.新能源的优点
太阳能是同学们比较熟悉的，在人们的生活中得到了广泛的应用，在高科技方面也有应用，如人造卫星上的太阳能电池，像这样不污染环境的能源称为清洁能源，如太阳能、风能、水能、沼气等.
3.能源与环境的关系及开发新能源
(1)能源与环境
能源越用越少，也对环境有很大破坏，例如石油、煤矿的燃烧产生CO2，污染了空气，还产生了“温室效应”，使全球气温升高，两极冰雪融化，海平面上升.有的燃料燃烧后，产生了SO2等气体，形成酸雨酸化了土壤.
(2)开发新能源
新能源主要指太阳能、风能、水能等.这些能源一是取之不尽、用之不竭，二是不会污染环境等等.
各个击破
【例1】 说明下列能源利用方式中的能量转化过程：
(1)水力发电：__________；
(2)电动水泵抽水__________.
(3)柴油机牵引列车前进：__________；
(4)火箭发射人造卫星__________.
解析：水力发电是将水的机械能转化为电能.电动水泵抽水是将电能转化为水的势能.柴
油机牵引列车前进是将柴油的化学能转化为内能，再转化为列车的机械能.火箭发射人造卫
星是燃料的化学能转化为卫星的机械能.
答案：见解析
类题演练 除了合理开发和节约使用煤、石油、天然气等常规能源，同时大力开发新能源，新能源有__________.
解析：目前新能源主要有核能、太阳能、地热能、海洋能.
答案:见解析
【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
解析：煤、石油、天然气等燃料的利用，使人类获得大量的内能.但由于这些燃料中含有
杂质以及燃烧的不充分，使得废气中含有粉尘、一氧化碳、二氧化硫等物质污染了大气.而
太阳能是一种无污染的能源，应大为推广，故答案应选D.
答案：D
【例3】 能源按其是否自然存在来分，可以分为__________和__________，以天然的形式存在于自然界的能源叫做__________，如__________、__________、__________、__________、__________、__________、__________等.需要人工制取的能源叫做__________，如__________、__________、__________、等.太阳是一个巨大的能源，它不断地向外辐射能量，其中辐射到地面的总功率为8×1023 kW,直接利用太阳能不会污染环境.
答案：一次能源 二次能源 一次能源 煤 石油 天然气 风 流水 地热 太阳能
二次能源 电能 汽油 氢能 酒精
第1节 功和内能
课堂合作探究
问题导学
功和内能的关系
活动与探究
1．观察压缩空气引火器的构造，然后取一小块干燥硝化棉，用镊子拉得疏松一些，放入玻璃筒底。将活塞涂上少许蓖麻油（起润滑和密封作用），放入玻璃筒的上口。迅速压下活塞，可看到什么现象？实验现象说明了什么？
2．焦耳的热功当量实验和电流热效应给水加热的实验中做功的方式相同吗？你能得出什么结论？
迁移与应用
采用绝热的方式使一定量的气体由初状态A变化至末状态B。对于不同的绝热方式，下列说法正确的是（ ）
A．对气体所做的功不同
B．对气体所做的功相同
C．对气体不做功，因为没有能量的传递
D．以上三种说法都不对
1．内能及内能的变化
（1）物体的内能是指物体内所有分子的动能和势能之和。因此物体的内能是一个状态量。
（2）当物体温度变化时，分子的平均动能变化；物体的体积变化时，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，与中间过程及方式无关。
2．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。
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，才对应着做功较多。
当堂检测
1．英国物理学家焦耳的主要贡献有（ ）
A．发现了电流通过导体产生热量的定律，即焦耳定律
B．测量了热和机械功之间的关系——热功当量
C．第一次计算了气体分子的速度
D．与W.汤姆孙合作研究了气体自由膨胀降温的实验
2．在绝热过程中，外界压缩气体做功20 J，下列说法中正确的是（ ）
A．气体内能一定增加20 J
B．气体内能增加必定小于20 J
C．气体内能增加可能小于20 J
D．气体内能可能不变
3．下列实例中，属于做功来增加物体内能的是（ ）
A．铁棒放在炉子里被烧红
B．锯条锯木头时会发热
C．钻木取火
D．冬天在阳光下取暖
4．气体在等压变化中（ ）
A．一定对外界做功
B．外界一定对气体做正功
C．若温度升高，一定对外界做正功
D．可能既不对外界做功，外界也不对气体做功
答案：
课堂·合作探究
【问题导学】
活动与探究：
1．答案：可以看到硝化棉燃烧。实验现象说明压缩空气做功，使空气内能增大，温度升高引起硝化棉燃烧。
2．答案：不同。在各种不同的绝热过程中，系统内能的改变与做功方式无关，仅与做功多少有关。
迁移与应用：B 解析：对于一定质量的气体，不管采用任何一种绝热方式由状态A变化到状态B，都是绝热过程。在这一过程中，气体在初状态A有一确定的内能UA，在状态B有另一确定的内能UB，由绝热过程中ΔU＝UB－UA＝W知，W为恒量，所以B正确。
【当堂检测】
1．ABCD
2．A 解析：做功的过程是能量转化的过程，在绝热过程中，做多少功，内能就增加多少，所以A正确。
3．BC 解析：A、D属于热传递，锯条锯木头与钻木取火时都会做功从而使物体的内能增加。
4．C 解析：在等压变化过程中，若温度升高，则气体的体积增大，即气体膨胀对外界做功，C正确，B错误；若温度降低，则气体体积减小，即外界压缩气体对气体做功，A错误；在等压变化中，气体体积一定变化，所以要么外界对气体做功，要么气体对外界做功，D错误。
2 热和内能
内容
要求
功和内能
了解焦耳的两个实验的原理，通过焦耳实验的探究，培养学生的科学探索精神；理解内能的概念，掌握绝热过程中做功与内能变化的关系。
热和内能
知道什么是热传递，会区分热量与内能的概念；知道做功和热传递是改变系统内能的两种方式，并且在改变系统内能上是等效的，还要知道这两种方式在改变系统内能上的区别。
打气筒是日常生活中的一种工具，当我们用打气筒给自行车打气的时候，就是在克服气体压力和摩擦力做功。打气的过程中你有没有试着去摸一下打气筒的外壳，有什么感觉？这是怎么回事？
提示：打气筒的温度升高了，这是由于给自行车打气时，压缩空气做功使得系统的内能增加，所以温度升高。
一、焦耳的实验
1．实验条件
绝热过程：系统只通过对外界____或外界对它____而与外界交换能量，它不从外界____，也不向外界____。
2．代表性实验
(1)让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
在各种不同的绝热过程中，如果使系统从状态1变为状态2，所需外界做功的数量是____的。即：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________决定，而与做功的方式____。
二、功和内能
1．内能的定义
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绝热过程中____________相联系，是系统的一种____，我们把它称为系统的内能。
2．绝热过程中做功与系统内能变化的关系
当系统从某一状态经过____过程达到另一状态时，内能的增加量ΔU就等于外界对系统所做的功W，即：ΔU＝____。
思考1：如图所示，大口玻璃瓶内有一些水，水的上方有水蒸气，向瓶内打气，在瓶塞跳出的过程中，会观察到什么现象？这个过程是外界对系统做功还是系统对外界做功？该过程系统的内能如何变化？
三、热和内能
1．热传递
(1)热传递的条件：不同物体(或一个物体的不同部分)存在____差。
(2)热传递的方向：热量从____物体传向____物体。
(3)热传递的结果：最终____相同。
(4)热传递的实质：不同物体(或一个物体的不同部分)之间____的转移。
2．热量：是用来衡量热传递过程中________多少的一个物理量，是一个____量，不能说物体具有多少热量，只能说物体__________多少热量。
3．热传递与系统内能变化的关系
系统在单纯的传热过程中内能的增量ΔU等于外界向系统传递的______，即ΔU＝____。
思考2：物体内能增加是否一定是从外界吸收了热量？
答案：一、1.做功 做功 吸热 放热
2．(1)上升 (2)热效应
3．相同 状态1、2 无关
二、1.自身状态 对系统做的功 能量
2．绝热 W
思考1
提示：当瓶塞跳出时，我们会发现瓶内和瓶口处有“白雾”产生。我们所选的研究对象是瓶内水面上方的水蒸气，在瓶塞跳出的过程中，是系统膨胀对外界做功，在这个过程中系统的内能减少，温度降低。瓶内和瓶口处的“白雾”实际上是瓶内的水蒸气遇冷液化形成的小液滴。
三、1.(1)温度 (2)高温 低温 (3)温度 (4)内能
2．内能变化 过程 吸收或放出了
3．热量Q Q
思考2
提示：不一定，这是因为做功和热传递都可以改变物体的内能。
一、功、内能、内能的变化之间的关系
1．内能与内能的变化
(1)物体的内能是指物体内所有分子的动能和势能之和。在微观上由分子数和分子热运动剧烈程度和相互作用力决定，宏观上体现为物体的温度和体积，因此物体的内能是一个状态量。
(2)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，与中间过程及方式无关。
2．做功与内能的变化的关系
做功改变物体内能的过程是将其他形式的能(如机械能)与内能相互转化的过程。
例如在绝热过程中做功使物体内能发生变化时，内能改变了多少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。
压缩气体时，外界对气体做了功，气体的内能增加，气体内能的增加量等于外界对气体做的功；气体膨胀，是气体对外界做功，气体内能减少，气体内能的减少量等于气体膨胀对外做的功。
3．功和内能的区别
(1)功是能量转化的量度，是过程量，而内能是状态量。
(2)做功过程中，能量一定会发生转化，而内能不一定变化，只有在绝热过程中，做功才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，只有内能变化大，才可能做功多。
(1)内能是物体所具有的，对于物体中的某一个具体分子，无内能可言。
(2)做功方式的多样性决定了能量转化方式的多样性，不同形式的功对于内能的转化是等效的。
二、温度、内能和热量之间的区别与联系
1．温度与内能
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激烈程度，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
热量是热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”。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，可以通过热传递或做功两种方式来完成。
3．热量和温度
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剧烈程度的标志。虽然热传递的前提是两个系统之间存在温度差，但是传递的是能量，不是温度。
热传递不仅可以使系统温度发生变化，还可以使物质状态发生变化。在物质状态变化中，传递给系统的热量并没有使系统的温度发生变化，因此不能说“系统吸收热量多，温度变化一定大”，也不能认为“系统的温度高，它放出的热量一定多”。因为放出的热量，不但和温度的变化值有关，还和比热容有关。总之，热量和温度之间虽然有一定的联系，但它们是不同的两个物理量。
只要存在温度差，热传递就会进行，与原来物体内能的多少无关。热传递过程中能量可以由内能大的物体传到内能小的物体上，也可以由内能小的物体传到内能大的物体上。
三、改变内能的两种方式的比较
方式
内容
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在改变内能的效果上是相同的
(1)当一个系统的内能发生改变时，必然伴随着做功或热传递现象。
(2)当系统与外界只有做功(或热传递)现象时，系统的内能一定改变。
类型一 功和内能
【例1】 一定质量的理想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小
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小
点拨：在绝热过程中，外界对系统做功，系统内能增加，温度升高；系统对外界做功，系统内能减少，温度降低。
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，外界对气体做的功W<0，由ΔU＝U2－U1＝W可知，气体内能减少。由于气体分子间的势能忽略，故气体分子的平均动能减小。故D项正确。
答案：D
题后反思：在判断系统内能的变化情况时，应先判断系统是否处于绝热过程，若处于绝热过程，再依据系统对外界做功，还是外界对系统做功来判断系统内能的变化情况。
触类旁通：若本题中气体是在真空中发生绝热膨胀，不考虑分子势能，气体的内能如何变化？
类型二 热和内能
【例2】 下列关于物体内能的说法中正确的是( )。
A．物体吸收热量，内能一定增加
B．物体放出热量，内能一定减少
C．当做功和热传递同时存在时，物体的内能可能不变
D．物体对外做功，内能可能增加
点拨：改变物体的内能有两种方式：做功和热传递，不能只从一种方式得出结论。
解析：当物体从外界吸收的热量Q与对外做的功W正好相等时，物体的内能不变，C项正确；当物体对外做功时，如果同时吸收热量Q，且吸收的热量比对外做的功W多时，内能就可能增加，D项正确。
答案：CD
题后反思：做功和热传递在改变物体内能上是等效的，且它们可以同时进行。它们引起内能变化的方向可以是都使系统内能增加或减少；也可以是一个使系统内能增加，另一个使系统内能减少。
触类旁通：若理想气体在等容过程中吸收热量，气体的内能如何变化？
答案：触类旁通
【例1】 答案：不变(因气体在真空中绝热膨胀，无法对外做功，故内能不变)。
【例2】 答案：内能一定增加。
1．如果铁丝的温度升高了，则( )。
A．铁丝一定吸收了热量 B．铁丝一定放出了热量
C．外界可能对铁丝做功 D．外界一定对铁丝做功
2．(2011·广州高二检测)如图所示，把浸有乙醚的一小团棉花放在厚玻璃筒的底部，当很快地向下压活塞时，由于被压缩的气体骤然变热，温度升高，达到乙醚的燃点，使浸有乙醚的棉花燃烧起来，此实验的目的是要说明( )。
A．做功可以增加物体的热量 B．做功一定升高物体的温度
C．做功可以改变物体的内能 D．做功一定可以增加物体的内能
3．下列关于热量的说法中正确的是( )。
A．温度高的物体含有的热量多
B．内能多的物体含有的热量多
C．热量、功和内能的单位相同
D．热量和功都是过程量，而内能是一个状态量
4．一个气泡从恒温水槽的底部缓慢向上浮起，若不计气泡内空气分子势能的变化，则( )。
A．气泡对外做功，内能不变，同时放热 B．气泡对外做功，内能不变，同时吸热
C．气泡内能减少，同时放热 D．气泡内能不变，不吸热也不放热
答案：1．C 做功和热传递对改变物体的内能是等效的，温度升高可能是做功，也可能是热传递。
2．C 迅速向下压活塞，实际上是在对玻璃气筒内的气体做功，由于是迅速向下压筒内的气体，做功时间极短，因此实验过程可认为是绝热过程(即Q＝0)。乙醚达到燃点而燃烧，表明气体温度升高，内能增大，这说明做功可以改变物体的内能。
3．CD 热量和功都是过程量，而内能是一个状态量，所以不能说温度高的物体含有的热量多，内能多的物体含有的热量多；热量、功和内能的单位相同，都是焦耳。
4．B 在气泡缓慢上升的过程中，气泡外部的压强逐渐减小，气泡膨胀，对外做功，故气泡中空气分子的内能减小，温度降低。但由于外部恒温，且气泡缓慢上升，故可以认为上升过程中气泡内空气的温度始终等于外界温度，内能不变，故需从外界吸收热量，且吸收的热量等于对外界所做的功。
第2节 热和内能
课堂合作探究
问题导学
热量、内能之间的关系
活动与探究
1．热传递的条件是什么？能否发生热传递与物体内能的多少是否有关？
2．在单纯的热传递过程中，怎样计算内能的增量？
3．做功和热传递都能改变物体的内能。做功和热传递在改变物体内能上的本质是否相同？
迁移与应用
关于温度、热量、内能，以下说法中正确的是（ ）
A．一个铁块的温度升高，其内能增大
B．物体吸收热量，其温度一定升高
C．温度高的物体比温度低的物体含有的热量多
D．温度总是从物体热的部分传递至冷的部分
温度、热量、内能、比热容是热学部分的重要概念。高考围绕这几个概念之间的区别与联系考查的题目比较多。应正确理解好这几个概念。
概念
区别
联系
温度
表示物体的冷热程度，其实质是：反映了物体内部大量分子无规则运动的激烈程度
①温度、内能：温度是影响内能的因素之一，温度升高，内能增加；温度降低，内能减少
②内能、热量：热量是用来衡量热传递过程中内能变化多少的
③温度、热量：热量与温度的变化有关，在不发生物态变化时，物体吸收热量，内能增加，温度升高；物体放出热量，内能减少，温度降低
内能
物体内部所有分子的动能和分子势能的总和。一切物体都具有内能
热量
在热传递过程中，传递内能的多少。与物质的种类（比热容）、质量和温度的变化量有关
注意：温度不能“传”，热量不能“含”
吸热不一定升温（如：晶体的熔化、水的沸腾）
升温不一定吸热（也可以通过做功实现）
当堂检测
1．下列关于热量的说法正确的是（ ）
A．温度高的物体含有的热量多
B．内能多的物体含有的热量多
C．热量、功和内能的单位相同
D．热量和功都是过程量，而内能是状态量
2．关于热传递的下列说法中正确的是（ ）
A．热量总是从内能大的物体传给内能小的物体
B．热量总是从分子平均动能大的物体传给分子平均动能小的物体
C．热传递的实质是物体之间内能的转移而能的形式不发生变化
D．只有通过热传递的方式，才能使物体的温度发生变化
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，如果不和外界发生能量交换，则（ ）
A．从两者开始接触到热平衡的整个过程中，铁块减少的内能等于铜块增加的内能
B．在两者达到热平衡前的任一时间段内，铁块内能的减少量不等于铜块内能的增加量
C．达到热平衡时，两者的温度T＝
D．达到热平衡时，两者的温度相等
4．对于热量、功、内能三个量，下列说法中正确的是（ ）
A．热量、功、内能三个量的物理意义是等同的
B．热量和功二者可作为物体内能的量度
C．热量、功和内能的国际单位都相同
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
5．某同学做了一个小实验：先把空的锥形瓶放入冰箱冷冻，一小时后取出锥形瓶，并迅速把一个气球紧密地套在瓶颈上，然后将锥形瓶放进盛满热水的烧杯内，气球逐渐膨胀起来，如图所示。这是因为锥形瓶内的气体吸收了水的______，温度______，体积______。
答案：
课堂·合作探究
【问题导学】
活动与探究：
1．答案：热传递的条件：存在温度差。与物体内能的多少无关。只要存在温度差，热量就会从高温物体传到低温物体，与原来物体内能的多少无关。热传递过程中能量可以由内能大的物体传到内能小的物体上，也可以由内能小的物体传到内能大的物体上。
2．答案：当系统从状态1经过单纯的热传递达到状态2时，内能的增加量ΔU＝U2－U1等于外界对系统传递的热量Q，即ΔU＝Q。
3．答案：不相同。热传递是物体间内能的转移，即内能从物体的一部分传到另一部分，或从一个物体传递给另一物体。做功是物体的内能与其他形式的能量的转化，如内能与机械能、内能与电能等发生转化。
迁移与应用：A 解析：B选项中，物体吸收热量，温度不一定就升高，例如晶体熔化、液体沸腾这些过程。C选项中热量是在热传递过程中传递能量的多少，是过程量，因此不能说物体含有热量。D选项中，在热传递的过程中，传递的是能量，不是温度，温度变化是能量变化的表象。
【当堂检测】
1．CD 解析：热量和功都是过程量，而内能是状态量，所以不能说温度高的物体含有的热量多，内能多的物体含有的热量多；热量、功和内能的单位相同，都是焦耳。故C、D正确。
2．BC 解析：内能包括分子势能和分子动能，改变内能的方式有两种：热传递和做功，热传递是能的转移，做功是能的转化，热传递是从高温物体向低温物体传递，而温度是分子平均动能的标志。
3．AD 解析：一个系统如果不和外界发生能量交换，温度高的物体放出的热量等于温度低的物体吸收的热量，直到温度相等为止。而热量是热传递过程中内能的变化量，所以A、D正确，B、C错误。
4．CD 解析：热量、功和内能的国际单位都是焦耳，但热量、功、内能三个量的物理意义是不同的，热量和功是过程量，内能是状态量；热量和功二者可作为物体内能改变的量度而不是内能大小的量度。
5．答案：热量 升高 增大
解析：当用气球封住锥形瓶，在瓶内就封闭了一定质量的气体，当将瓶放到热水中，瓶内气体将吸收水的热量，增加气体的内能，温度升高，由理想气体状态方程＝C可知，气体体积增大。
3 热力学第一定律 能量守恒定律
内容
要求
热力学第一定律
能够从能量守恒的观点理解热力学第一定律，能利用热力学第一定律分析计算有关问题。
能量守恒定律
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，知道第一类永动机是不可能实现的。
有一种全自动手表，既不需要上发条，也不用任何电池，却能不停地走下去，这是不是一种永动机？如果不是，你知道维持指针走动的能量是从哪里来的吗？你能设法验证吗？
提示：全自动手表是通过一种机械装置把人体活动时的能量储存起来，连续地向外释放，所以它不是永动机。如果将这种手表长时间放在一个无振动的地方，不再有动能向弹性势能的积累，表就会停止走动。
一、热力学第一定律
1．改变内能的两种方式：____与______。
(1)联系：两者在改变系统内能方面是____的。
(2)区别：____是内能与其他形式能量的相互转化，而______只是不同物体(或一个物体的不同部分)之间内能的转移。
2．热力学第一定律
(1)内容：一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的____与外界对它所做的____的和。
(2)表达式：ΔU＝______。
(3)W、Q、ΔU正负号的确定
①W：外界对系统做功，W取____值；系统对外界做功，W取____值。
②Q：系统从外界吸热，Q取____值；系统向外界放热，Q取____值。
③ΔU：系统内能增加，ΔU取____值；系统内能减少，ΔU取____值。
思考1：给旱区送水的消防车停于水平地面。在缓慢放水的过程中，若车胎不漏气且胎内气体温度不变，不计分子间的势能，试分析气体的吸放热情况。
二、能量守恒定律
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____为另一种形式，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)能量守恒定律告诉我们，各种形式的能量可以________。
(2)各种互不相干的物理现象——力学的、热学的、电学的、磁学的、光学的、化学的、生物学的、地学的等可以用__________联系在一起。
三、永动机不可能制成
1．第一类永动机：人们设想中的不需要任何动力或燃料，却能不断________的机器。
2．第一类永动机不可制成的原因：违背了________定律。
思考2：不耗油的汽车能不能制成，为什么？不消耗能量的汽车呢？
答案：一、1.做功 热传递 (1)等价 (2)做功 热传递
2．(1)热量 功 (2)Q＋W (3)①正 负 ②正 负 ③正 负
思考1
提示：由于车胎内气体温度不变，故气体分子的平均动能不变，内能不变。放水过程中气体体积增大，对外做功，由热力学第一定律可知，车胎内气体吸热。
二、1.转化 转移 总量
2．(1)相互转化 (2)能量守恒定律
三、1.对外做功 2.能量守恒
思考2
提示：前者能制成而后者不能制成。这是因为可以用太阳能、电能等能源代替石油能源制造出太阳能汽车、电动汽车等，但是不消耗任何能量的汽车不可能制成，因为它违背了能量守恒定律。
一、对热力学第一定律的理解
1．热力学第一定律不仅反映了做功和热传递这两种改变内能过程是等效的，而且给出了内能的变化量和做功与热传递之间的定量关系。此定律是标量式，应用时热量的单位应统一为国际单位制中的焦耳。
2．对表达式ΔU＝W＋Q中各量符号的规定
做功W
热量Q
内能的改变Δ U
取正值“＋”
外界对系统做功
系统从外界吸收热量
系统的内能增加
取负值“－”
系统对外界做功
系统向外界放出热量
系统的内能减少
3．几种特殊情况
(1)若过程是绝热的，即Q＝0，则W＝ΔU，外界对物体做的功等于物体内能的增加；
(2)若过程中不做功，即W＝0，即Q＝ΔU，物体吸收的热量等于物体内能的增加；
(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。
(1)应用热力学第一定律时要明确研究的对象是哪个物体或者哪个热力学系统。
(2)应用热力学第一定律计算时，要根据符号法则代入数据，对结果的正、负也同样依照规则来解释其意义。
二、对能量守恒定律的理解
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：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，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。
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．能量守恒定律的重要意义
(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定量规律联系起来，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，即彻底粉碎了永动机的幻想。
4．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。
(1)虽然功和能具有相同的单位，但两者是完全不同的两个概念，在能量守恒定律的表达式中，只存在能量，不存在功。
(2)能量守恒定律是自然界中普遍遵循的一种规律，是无条件的，而机械能守恒定律是有条件的。
类型一 热力学第一定律的应用
【例1】 (2010·广东)如图是密闭的汽缸，外力推动活塞P压缩气体，对缸内理想气体做功800 J，同时气体向外界放热200 J。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，内能增加200 J
点拨：熟练掌握热力学第一定律表达式中各物理量的符号是正确处理本题的关键。
解析：由热力学第一定律：
W＋Q＝ΔU得：
ΔU＝800 J＋(－200 J)＝600 J，一定质量的理想气体的内能大小只与温度有关，ΔU＝600 J>0，故温度一定升高，A选项正确。
答案：A
题后反思：应用热力学第一定律计算时，要依照符号法则代入数据，对结果的正、负，也同样依照符号法则来解释其意义。
触类旁通：若使例题中的气体返回原来的状态，在此过程中放出了400 J的热量，试分析是气体对外界做功，还是外界对气体做功？做了多少功？
类型二 对能量守恒定律的理解
【例2】 A、B两装置，均由一支一端封闭、一端开口且带有玻璃泡的管状容器和水银槽组成，除玻璃泡在管上的位置不同外，其他条件都相同。将两管抽成真空后，开口向下竖直插入水银槽中(插入过程没有空气进入管内)，水银柱上升至图示位置停止。假设这一过程水银与外界没有热交换，则下列说法中正确的是( )。
A．A中水银的内能增量大于B中水银的内能增量
B．B中水银的内能增量大于A中水银的内能增量
C．A和B中水银体积保持不变，故内能增量相同
D．A和B中水银温度始终相同，故内能增量相同
点拨：一个大气压支持的水银柱高是相同的，所以两管中水银等高。
解析：大气压对水银槽内的水银做相同的功，因为玻璃管内吸进的水银一样多，所以水银槽内的液面下降相同的高度，A管重心高于B管，A管内水银重力势能大于B管的，根据能量的转化和守恒可知，A管内的内能增加得少，B管内的内能增加得多。
答案：B
题后反思：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，然后分析哪种能量增加了，哪种能量减少了，确定研究的系统后，用能量守恒观点求解。
答案：触类旁通
答案：气体对外界做功200 J。
1．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．外界对物体做功，同时物体放热，内能增加
2．(2011·福建高考)一定量的理想气体在某一过程中，从外界吸收热量2.5×104 J，气体对外界做功1.0×104 J，则该理想气体的( )。
A．温度降低，密度增大 B．温度降低，密度减小
C．温度升高，密度增大 D．温度升高，密度减小
3．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．秋千的机械能守恒
B．秋千的能量正在消失
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
4．下列关于第一类永动机的说法中正确的是( )。
A．第一类永动机是不消耗任何能量却源源不断地对外做功的机械
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
5(2011·南宁高二检测)爆米花酥脆可口、老少皆宜，是许多人喜爱的休闲零食。如图为高压爆米花的装置原理图，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，已知密闭容器打开前的气体压强达到4p0，取T＝t＋273 K。试分析：
(1)容器内的气体看做理想气体，求容器内气体的温度。
(2)假定在一次打开的过程中，容器内气体膨胀对外界做功15 kJ，并向外释放了20 kJ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．ABD 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项正确；当物体吸收的热量比对外做功的数值少时，物体的内能就减少，B项正确；外界对物体做功，同时物体吸热，则物体的内能必增加，C项错误；当物体放出的热量比外界对物体做功的数值少时，物体的内能增加，D项正确。
2．D 由热力学第一定律ΔE＝W＋Q，Q＝2.5×104 J，W＝－1.0×104 J可知ΔE大于零，气体内能增加，温度升高，A、B项错误；气体对外做功，体积增大，密度减小，C项错误，D项正确。
3．D 自由摆动的秋千摆动幅度减小，说明机械能在减少，减少的机械能克服阻力做功，增加了内能。
4．AD 考查对第一类永动机的理解。
5．解析：(1)根据查理定律：＝
p1＝p0，T1＝300 K，p2＝4p0
整理得：T2＝1 200 K，t2＝927 ℃。
(2)由热力学第一定律ΔU＝Q＋W
得ΔU＝－20 kJ－15 kJ＝－35 kJ
故内能减少35 kJ。
答案：(1)927 ℃ (2)减少 35 kJ
4 热力学第二定律
内容
要求
热力学第二定律
通过自然界中热传导的方向性等实例，初步了解热力学第二定律，知道热力学第二定律的两种不同表述及实质，能运用热力学第二定律解释自然界中的能量转化、转移以及方向性问题。
第二类永动机
了解什么是第二类永动机，能用热力学第二定律解释第二类永动机不能制成的原因。
有人提出这样一种设想，发明一种热机，用它把物体与地面摩擦所产生的热量都吸收过来并对物体做功，将内能全部转化为动能，使因摩擦停止运动的物体在地面上重新运动起来，而不引起其他变化。这是一个非常诱人的设想，并且这种设想并不违背能量守恒定律，如果真能造出这样的热机，“能源问题”也就解决了。同学们想一下，这样的热机能制成吗？为什么？
提示：不能制成，因为它违背了热力学第二定律。
一、热传导的方向性
1．温度不同的两个物体接触时，热量会自发地从____物体传给____物体，但不会自发地从____物体传给____物体，这说明热传导的过程具有____性。
2．无数事实告诉我们，一切与热现象有关的宏观自然过程都是______的。
思考1：结合电冰箱的工作情况想一下，热传导的方向性是否说明“热量不能从低温物体传给高温物体”？
二、热力学第二定律
1．定义：在物理学中，反映宏观自然过程的______的定律就是热力学第二定律。
2．表述
(1)克劳修斯表述：热量不能______从低温物体传到高温物体。(该表述阐述的是传热的______)
(2)开尔文表述：不可能从单一热库________，使之完全变成____，而不产生其他影响。(该表述阐述的是机械能与内能转化的______)
(3)其他表述：对任何一类宏观自然过程进行____的说明，都可以作为热力学第二定律的表述。例如，热力学第二定律可以表述为：气体向真空的自由膨胀是______的。
三、热机和第二类永动机
1．热机
(1)热机工作的两个阶段
第一个阶段是________，把燃料中的____能变成工作物质的____。
第二个阶段是工作物质________，把自己的____能变成____能。
(2)热机的效率
热机输出的__________与燃料产生的热量Q的比值叫做热机的效率，用公式可表述为η＝__________。
2．第二类永动机
(1)定义：只从单一热库吸收热量，并使之完全变成有用功而不产生________的热机。
(2)第二类永动机不可制成的原因：违背了__________定律。
思考2：如果随着科技的不断发展，能够使热机没有漏气，没有摩擦，也没有机体热量损失，是不是能使热机的效率达到100%?
答案：一、1.高温 低温 低温 高温 方向
2．不可逆
思考1
提示：不能，这是因为热量能从低温物体传向高温物体，只不过不能自发进行，而是需要外界帮助。
二、1.方向性
2．(1)自发地 方向性 (2)吸收热量 功 方向性 (3)方向 不可逆
三、1.(1)燃烧燃料 化学 内能 对外做功 内 机械 (2)机械功W
2．(1)其他影响 (2)热力学第二
思考2
提示：不能，这是因为由热力学第二定律可知热机的工作物质吸收的热量不能完全用来对外做功。
一、对热力学第二定律的理解
1．在热力学第二定律的表述中，“自发地”指明了热传递等热力学宏观现象的方向性，不需要借助外界提供能量的帮助。“不产生其他影响”的涵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．对热力学第二定律的两种表述等价性的证明
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。下面给出证明：
设表述(1)不成立，如图所示，低温热源T2可以自发地向高温热源T1传递热量Q2。那么，我们可在高温热源T1和低温热源T2之间设置一热机，使它从高温热源吸收热量Q1，对外做功W，并把热量Q2传递给低温热源。当这一过程完成之时，低温热源由于吸热和放热相等，没有引起其他变化。高温热源放出热量Q1大于吸收热量Q2，热机对外做功W＝Q1－Q2，相当于高温热源放出的热量全部用来对外做功，且没有引起其他变化，也就是说单一热源所放出的热量全部用来做功。这显然是违反表述(2)的。即凡违反表述(1)的说法，必然违反表述(2)。反之，也可以证明，凡违反表述(2)的，也必然违反表述(1)。
热力学第二定律的提出具有如下意义：
(1)揭示了自然界中进行的涉及热现象的宏观过程(或自然界中实际的宏观过程)都具有方向性。
(2)说明自然界中各种不可逆过程都是相关联的，即由某一过程的不可逆性可推出另一过程的不可逆性。
二、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动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，除非靠外界影响。所以二者相互独立，又相互补充。
三、两类永动机的比较
分类
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
违背了能的转化与守恒定律
违背了热力学第二定律
看一种热机设计方案是否可行，不仅要看是否遵守能量守恒定律，还要看是否满足热力学第二定律。
类型一 对热力学第二定律的理解及应用
【例1】 如图所示，汽缸内盛有一定质量的理想气体，汽缸壁是导热的，缸外环境保持恒温，活塞与汽缸壁接触光滑，但不漏气，现将活塞杆缓慢地向右移动，气体膨胀对外做功。已知理想气体的内能只与温度有关，则下列说法中正确的是( )。
A．气体是从单一热库吸热，全用来对外做功，因此此过程违反热力学第二定律
B．气体是从单一热库吸热，但并未全用来对外做功，因此此过程不违反热力学第二定律
C．气体是从单一热库吸热，全部用来对外做功，但此过程不违反热力学第二定律
D．以上三种说法都不正确
点拨：熟记热力学第二定律的两种表述并准确理解其含义是正确处理此类问题的关键。
解析：由于气体始终通过汽缸壁与外界接触，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，所以汽缸内的气体温度也不变。要保持其内能不变，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，但此过程不违反热力学第二定律。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。
答案：C
题后反思：根据热力学第二定律的两种表述可知，热量可以从低温物体传向高温物体，内能也可以全部转化为机械能，但要引起其他变化或借助外界的帮助。
触类旁通：本题中“活塞杆缓慢地向右移动，气体膨胀对外做功”能自发进行吗？
类型二 热力学第一定律与热力学第二定律的比较
【例2】 关于热力学第一定律和热力学第二定律，下列论述中正确的是( )。
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
点拨：准确透彻地理解热力学第一定律和热力学第二定律的几种表达方式是解答本题的关键。
解析：热力学第一定律揭示了内能与其他形式能量之间的转化关系，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能量转化时的方向性，二者表述的角度不同，本质不同，相互补充，并不矛盾，故C、D项错误，B项正确；内能在一定条件下可以全部转化为机械能，热量也可以由低温物体传递到高温物体，但是要引起其他变化，如电冰箱制冷机工作还要消耗电能，故A项错误。
答案：B
题后反思：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，并不违背能量守恒定律，热力学第一定律揭示了能量守恒定律中的内能变化的方式。
答案：触类旁通
答案：不能。
1．随着世界经济的快速发展，能源短缺问题日显突出，近期油价不断攀升，已对各国人民的日常生活造成了各种影响，如排长队等待加油的情景已经多次在世界各地发生，能源成为困扰世界经济发展的重大难题之一，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，就可以把内燃机得到的全部内能转化为机械能
C．满足能量守恒定律的物理过程都能自发地进行
D．外界对物体做功，物体的内能必然增加
2．(2011·三亚高二检测)下列说法中正确的是( )。
A．一切形式的能量间的相互转化都具有方向性
B．热量不可能由低温物体传给高温物体
C．气体的扩散过程具有方向性
D．一切形式的能量间的相互转化都不具有可逆性
3．关于第二类永动机，下列说法中正确的是( )。
A．它既不违反热力学第一定律，也不违反热力学第二定律
B．它既违反了热力学第一定律，也违反了热力学第二定律
C．它不违反热力学第一定律，却违反了热力学第二定律
D．它只违反热力学第一定律，不违反热力学第二定律
4．关于两类永动机和热力学两个规律，下列说法中正确的是( )。
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，从单一热源吸收热量，完全变成功也是可能的
答案：1．A 由热力学第二定律的开尔文表述可知A项正确；热机效率总低于100%，B项错误；满足能量守恒的过程未必能自发进行，任何过程一定满足热力学第二定律，C项错误；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项错误。
2．C 热力学第二定律反映的是所有与热现象有关的宏观过程都具有方向性，A、D项错误；热量不是不能从低温物体传给高温物体，关键是看能否还产生其他影响，B项错误；气体的扩散过程具有方向性，C项正确。
3．C 第二类永动机仍然遵循能量守恒定律，所以不违反热力学第一定律，但能量的转化和转移具有一定的方向性，它违反了热力学第二定律。
4．D 第一类永动机违反热力学第一定律，第二类永动机违反热力学第二定律，A、B项错误；由热力学第一定律可知W≠0，Q≠0，但ΔU＝W＋Q可以等于0，C项错误；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项正确。
第一节 功和内能 第二节 热和内能
课堂探究
探究一功和内能
问题导引
如图所示，大口玻璃瓶内有一些水，水的上方有水蒸气，向瓶内打气，在瓶塞跳出的过程中，会观察到什么现象？这个过程是外界对系统做功还是系统对外界做功？该过程系统的内能如何变化？
提示：当瓶塞跳出时，我们会发现瓶内的瓶口处有“白雾”产生。我们所选的研究对象是瓶内水面上方的水蒸气，在瓶塞跳出的过程中，是系统膨胀对外界做功，在这个过程中系统的内能减少，温度降低。瓶内和瓶口处的“白雾”实际上是瓶内的水蒸气遇冷液化形成的小液滴。
名师精讲
1．内能与内能的变化
(1)物体的内能是指物体内所有分子的动能和势能之和。因此物体的内能是一个状态量。
(2)当物体温度变化时，分子的平均动能变化；物体的体积变化时，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，与中间过程及方式无关。
2．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，即：ΔU＝W。
3．功和内能的区别
(1)功是能量转化的量度，是过程量，而内能是状态量。
(2)做功过程中，能量一定会发生转化，而内能不一定变化，只有在绝热过程中，做功才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，才对应着做功较多。
4．判断绝热过程中内能变化的方法
判断气体绝热过程的内能变化一般情况下只需看气体体积变化就可决定：
若体积增大，气体对外界做功，W<0，即ΔU<0，即内能减小；
若体积缩小，外界对气体做功，W>0，即ΔU>0，即内能增加。
温馨提示气体自由膨胀时，气体与外界相互不做功，因此这种情况下气体体积增大没有外界阻力，也就不需要对外界做功。
【例题1】 一定质量的理想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大
B．外界对气体做功，气体分子的平均动能减小
C．气体对外界做功，气体分子的平均动能增大
D．气体对外界做功，气体分子的平均动能减小
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，外界对气体做的功W<0，由ΔU＝U2－U1＝W可知，气体内能减少。由于气体分子间的势能忽略，故气体分子的平均动能减小。故D项正确。
答案：D
题后反思在应用ΔU＝W判断系统内能的变化情况时，应先判断系统是否处于绝热过程，若处于绝热过程，再依据系统对外界做功还是外界对系统做功来判断系统内能的变化情况。
触类旁通若本题中气体是在真空中发生绝热膨胀，不考虑分子势能，气体的内能如何变化？
答案：不变(因气体在真空中绝热膨胀，无法对外做功，故内能不变)。
探究二热和内能
问题导引
1．热传递的条件是什么？能否发生热传递与物体内能的多少是否有关？
提示：热传递的条件是两个物体(或一个物体的两部分)间存在温度差，与物体内能的多少无关。只要它们存在温度差，热量就会从高温物体传到低温物体(或从物体的高温部分传到低温部分)，与原来物体内能的多少无关。热传递过程中能量可以由内能大的物体传到内能小的物体上，也可以由内能小的物体传到内能大的物体上。
2．在单纯的热传递过程中，怎样计算内能的增量？
提示：当系统从状态1经过单纯的热传递达到状态2时，内能的增加量ΔU＝U2－U1等于外界对系统传递的热量Q，即ΔU＝Q。
3．做功和热传递都能改变物体的内能。做功和热传递在改变物体内能上的本质是否相同？
提示：不相同。热传递是物体间内能的转移，即内能从物体一部分传到另一部分，或从一个物体传递给另一物体。做功是物体的内能与其他形式能量的转化，如内能与机械能、内能与电能间的转化等。
名师精讲
【例题2】 关于温度、热量、内能，以下说法中正确的是( )
A．一个铁块的温度升高，其内能增大
B．物体吸收热量，其温度一定升高
C．温度高的物体比温度低的物体含有的热量多
D．温度总是从物体热的部分传递至冷的部分
解析：B选项中，物体吸收热量，温度不一定就升高，例如晶体熔化、液体沸腾这些过程。C选项中热量是在热传递过程中传递能量的多少，是过程量，因此不能说物体含有热量。D选项中，在热传递的过程中，传递的是能量，不是温度，温度变化是能量变化的表象。
答案：A
题后反思温度、热量、内能都是热学部分的重要概念。弄清这几个量之间的联系与区别是处理这类问题的关键。
第一节 功和内能 第二节 热和内能
预习导航
情境导入
课程目标
冬天由于温度太低，很难启动摩托车(在农村启动195型拖拉机也会遇到类似情况)。这时驾驶者往往先关闭油门，连续踏下启动摇杆若干次，然后再打开油门，踏下启动摇杆即可启动，你知道这是运用了什么原理吗？提示：连续踏下启动摇杆，活塞不断压缩汽缸里的气体做功，增加气体的内能，使气体的温度升高，当达到汽油的燃点后，即可启动。
1.了解焦耳的两个实验的原理，通过焦耳实验的探究，培养学生的科学探索精神；理解内能的概念，掌握绝热过程中做功与内能变化的关系。
2．知道什么是热传递，会区分热量与内能的概念；掌握单纯的传热过程中热量与内能变化的关系；知道做功和热传递是改变系统内能的两种方式，并且在改变系统内能上是等效的，知道这两种方式在改变系统内能上的区别。
一、焦耳的实验
1．实验条件
绝热过程：系统只通过对外界做功或外界对它做功而与外界交换能量，它不从外界吸热，也不向外界放热。
2．代表性实验
(1)让重物下落带动叶片搅拌容器中的水，引起水温上升。
(2)通过电流的热效应给水加热。
3．实验结论
在各种不同的绝热过程中，如果使系统从状态1变为状态2，所需外界做功的数量是相同的。即：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1、2决定，而与做功的方式无关。
二、功和内能
1．内能的定义
任何一个热力学系统都必定存在一个只依赖于系统自身状态的物理量，这个物理量在两个状态间的差别与外界在绝热过程中对系统做的功相联系，是系统的一种能量，我们把它称为系统的内能。
2．绝热过程中做功与系统内能变化的关系
当系统从某一状态经过绝热过程达到另一状态时，内能的增加量ΔU就等于外界对系统所做的功W，即：ΔU＝W。
思考打气筒是日常生活中的一种工具，当我们用打气筒给自行车打气的时候，就是在克服气体压力和摩擦力做功。打气的过程中你有没有试着去摸一下打气筒的外壳，有什么感觉？这是怎么回事？
提示：打气筒的温度升高了，这是由于给自行车打气时，压缩空气做功使得系统的内能增加，所以温度升高。
三、热和内能
1．热传递
(1)热传递的条件：不同物体(或一个物体的不同部分)存在温度差。
(2)热传递的方向：热量从高温物体传向低温物体。
(3)热传递的结果：最终温度相同。
(4)热传递的实质：不同物体(或一个物体的不同部分)之间内能的转移。
(5)热传递的三种方式：热传导、热对流和热辐射。
2．热量
是用来衡量热传递过程中内能变化多少的一个物理量，是一个过程量，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。
3．热传递与系统内能变化的关系
系统在单纯的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。
思考物体内能增加是否一定是从外界吸收了热量？
提示：不一定，这是因为做功和热传递都可以改变物体的内能。
第三节 热力学第一定律 能量守恒定律
名师导航
知识梳理
1.热力学第一定律
(1)内容：一个物体内能的变化，决定于_________和_________.
(2)表达式：ΔU=_________.
(3)符号定义：上式中W表示_________，Q表示_________，ΔU表示_________.
(4)符号正负意义：
W>0，表示_________，W<0，表示_________；Q>0表示物体_________，Q<0表示物体_________；ΔU>0，表示物体内能_________，ΔU<0，表示物体内能_________.
2.能量守恒定律
(1)内容：能量既不会_________也不会_________，它只能从_________或者_________，在转化和转移过程中，其总量不变.
(2)意义：_________说明第一类永动机不可能制成.
疑难突破
怎样理解热力学第一定律是研究功、能量和内能之间的关系的？
剖析：(1)热力学第一定律的表达式
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等于物体内能的增加ΔU，即
ΔU=Q＋W
上式所表示的功、热量跟内能改变之间的关系，叫做热力学第一定律.
(2)对ΔU=Q＋W的说明
热力学第一定律的数学表达式也适用于物体对外做功、向外界散热和内能减少的情况，因此在使用ΔU=Q＋W时，通常有以下规定：
为了区分以上两种情况，在应用ΔU=Q＋W进行计算时，它们的正负符号规定：外界对系统做功，W>0，即W为正值；系统对外界做功，也就是外界对系统做负功，W<0，即W为负值；外界对系统传递热量，也就是系统从外界吸收热量，Q>0，即Q为正值；外界从系统吸收热量，或系统向外界放出热量，Q<0，即Q为负值；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.
问题探究
问题：第一类永动机为什么不能制成？
大家也许听说过“永动机”，这是一种不需要任何能量，自己就能够做功干活，并且永远运动的机器.但是，这种“永动机”是否能制造出来呢？同永远找不到不吃草的好马一样，不需要能量而永远运动并且能够做功的永动机，也是不可能制造出来的.因为在自然界中物质的任何一种形式的能量，在一定条件下都能够用直接或间接的方式，转化成其他形式的能量，在转化中，总能量保持不变.这就是能量守恒和转化定律.用恩格斯的话来说，这是一条“绝对的自然规律”.
典题精讲
【例1】 汽车关闭发动机后，沿斜面匀速下滑的过程中( )
A.汽车的机械能守恒
B.汽车的动能和势能相互转化
C.汽车的机械能转化成内能，汽车的总能量减少
D.汽车的机械能逐渐转化为内能，汽车的总能量守恒
思路解析：汽车能匀速下滑，一定受阻力作用，克服阻力做功，机械能转化为内能，一部分内能散发出去，汽车的总能量减少.
答案：C
【例2】 某物体温度升高了，这说明( )
A.该物体一定吸收了热量 B.该物体可能放出了热量
C.外界对物体可能做了功 D.物体可能吸收了热量
思路解析：由ΔU=Q＋W来分析，物体温度升高了，一定有物体的内能增加，ΔU>0，要满足ΔU>0可能有各种情况：①W>0,Q=0；②W=0，Q>0；③W>0，Q>0；④W>0，Q<0，W>|Q|；⑤W<0，Q>0，Q>|W|.由①否定选A；④与选项B一致；①、③、④与选项C一致；②、③、⑤与选项D一致，故选项B、C、D正确.
答案：BCD
知识导学
1.用热力学第一定律时要明确：(1)热力学第一定律不仅反映了做功和热传递这两种改变内能过程是等效的，而且给出了内能的变化量和功的数值，热量和数值之间的定量关系.(2)应用此定律前应准确理解各物理量的物理含义：ΔU是物体内能的增量，当物体内能增加时取“＋”号，当物体的内能减少时取“-”号，Q是外界与系统之间传递的热量，当外界传递给系统热量(系统吸热)时取“＋”号，当系统向外界传递热量(系统放热)时取“-”号.
2.用能的转化和守恒定律时要明确：(1)能的转化与守恒定律是自然界的普遍规律.(2)一切违背能的转化与守恒定律的过程是不可能实现的，能的转化与守恒定律表明永动机不可能制成.
疑难导析
做功和热传递都能改变物体的内能，因此物体内能的改变量ΔU，必与功W和热量Q有关：(1)如果单纯通过做功改变物体的内能，内能的变化可以用做功的多少来量度，这时，物体内能的增加(或减少)量ΔU就等于外界(或物体对外界)所做的功W的数值，即ΔU=W.(2)如果单纯通过热传递来改变物体的内能，内能的变化便可用传递热量的多少来量度，物体内能的增加(或减少)量ΔU应等于从外界吸收(或向外界放出)热量Q的数值，即ΔU=Q.(3)在做功和热传递同时存在的过程中，物体内能的变化则由做功和所传递的热量共同决定.在这种情况下，物体内能的增加量就应等于外界对物体所做的功W和物体从外界吸收的热量Q之和，即ΔU=Q＋W.
问题导思
永动机的诱人前景，曾使许多人致力于永动机的研究，但都以失败告终.
能量守恒定律的发现，使人们进一步认识到，任何一部机器，只要对外界做功，都要消耗能量，都只能使能量从一种形式转化成别的形式，或者从一个物体转移到别的物体，而不能无中生有地创造能量.不消耗能量，却可以源源不断地对外做功的机器(第一类永动机)是不可能制成的.
典题导考
绿色通道：解此类问题要用能量转化和能量守恒的观点去考虑，重在理解能量的转化关系和能量的守恒定律.
【典题变式1】 (2006重庆理综，16) 如图10-3-1，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，不计气体分子间相互作用，则被淹没的金属筒在缓慢下降过程中，筒内空气体积减小( )
图10-3-1
A.从外界吸热 B.内能增大
C.向外界放热 D.内能减小
绿色通道：应用热力学第一定律解题，先要明确研究对象，其次要根据符号的法则判断符号的正负.
【典题变式2】 某一定量的气体膨胀对外做功100 J，同时从外界吸收了120 J的热量，它的内能的变化可能是( )
A.减少了20 J B.增加了20 J
C.减少了220 J D.增加了220 J
典题变式答案
【典题变式1】 解析：水温恒定且金属筒缓慢下降，则空气的温度始终不变，气体的内能不变，B、D错误.筒内空气体积减小，外界对气体做功，由热力学第一定律，气体必须向外界放热，A错误，所以C正确.
答案：C
【典题变式2】 答案：B
第三节 热力学第一定律 能量守恒定律
课堂探究
探究一热力学第一定律
问题导引
1．一个物体，它既没有吸收热量也没有放出热量，那么：
(1)如果外界对物体做的功为W，则它的内能如何变化？变化了多少？
(2)如果物体对外界做的功为W，则它的内能如何变化？变化了多少？
提示：(1)一个物体，如果它既没有吸收热量也没有放出热量，那么，外界对它做功为W，它的内能就增加W；
(2)物体对外界做功为W，它的内能就减少W。
2．一个物体，外界既没有对它做功，它也没有对外界做功，那么：
(1)如果物体从外界吸收热量Q，它的内能如何变化？变化了多少？
(2)如果物体向外界放出热量Q，它的内能如何变化？变化了多少？
提示：(1)如果外界既没有对物体做功，物体也没有对外界做功，那么物体从外界吸收热量Q，它的内能就增加Q；
(2)物体向外界放出热量Q，它的内能就减少Q。
3．如果某一过程中，物体跟外界同时发生了做功和热传递，那么，该物体内能的变化ΔU与热量Q及做的功W之间又满足怎样的关系呢？
提示：ΔU＝W＋Q。该式表示的是功、热量跟内能改变之间的定量关系，在物理学中叫作热力学第一定律。
名师精讲
1．热力学第一定律的意义
热力学第一定律不仅反映了做功和热传递这两种改变内能的过程是等效的，而且给出了内能的变化量和做功与热传递之间的定量关系。此定律是标量式，应用时热量的单位应统一为国际单位制中的焦耳。
2．热力学第一定律的符号法则
做功W
热量Q
内能的变化ΔU
取正值“＋”
外界对系
统做功
系统从外界
吸收热量
系统的内
能增加
取负值“－”
系统对外
界做功
系统向外界
放出热量
系统的内
能减少
3.几种特殊情况
(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增加。
(2)若过程中不做功，即W＝0，则Q＝ΔU，物体吸收的热量等于物体内能的增加。
(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。
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)若物体体积变小，表明外界对物体做功，W＞0。
5．应用热力学第一定律解题的一般步骤
(1)根据符号法则写出各已知量(W、Q、ΔU)的正负；
(2)根据方程ΔU＝W＋Q求出未知量；
(3)再根据未知量结果的正负来确定吸热、放热情况或做功情况。
【例题1】 (2013·西城高二检测)外界对一定质量的气体做了200 J的功，同时气体又向外界放出了80 J的热量，则气体的内能________(选填“增加”或“减少”)了________J。
解析：外界对气体做了200 J的功，则W＝200 J，气体向外界放出了80 J的热量，则Q＝－80 J，根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q得：
ΔU＝200 J－80 J＝120 J＞0，故内能增加，增加了120 J。
答案：增加 120
题后反思应用热力学第一定律计算时，要依据符号法则代入数据，对运算结果的正、负，也同样依照符号法则来解释其意义。
探究二能量守恒定律
问题导引
不耗油的汽车能不能制成，为什么？不消耗能量的汽车呢？
提示：前者能制成而后者不能制成。这是因为可以用太阳能、电能等能源代替石油能源制造出太阳能汽车、电动汽车等，但是不消耗任何能量的汽车不可能制成，因为它违背能量守恒定律。
2．热力学第一定律与能量守恒定律是什么关系？
提示：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，其范围广泛，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。
名师精讲
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：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，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，机械能转化为内能等。
2．能量守恒的条件
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，必须是只有重力做功；而能量守恒定律是没有条件的，它是一切自然现象都普遍遵守的基本规律。
3．能量守恒定律的重要意义
(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定量的规律联系起来，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认识范围，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。能量守恒定律与细胞学说、生物进化论并称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，即彻底粉碎了永动机的幻想。
4．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。
温馨提醒虽然功和能量具有相同的单位，但两者是完全不同的两个概念，所以在能量守恒的表达式中，只存在能量，不存在功。
【例题2】 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)
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＝mv－ (M＋m)v2①
由于子弹和沙箱相互作用的时间极短，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＝mv－(M＋m)gh
答案：mv－(M＋m)gh
题后反思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。
第三节 热力学第一定律 能量守恒定律
预习导航
情境导入
课程目标
有一种全自动手表，既不需要上发条，也不用任何电池，却能不停地走下去，这是不是一种永动机呢？如果不是，你知道维持指针走动的能量是从哪儿来的吗？你能设法验证吗？
1.能够从能量守恒的观点理解热力学第一定律，会利用热力学第一定律分析计算有关问题。
2．理解能量守恒定律，知道它是自然界普遍遵循的基本规律，会应用能量守恒定律分析计算有关问题；知道什么是第一类永动机及其不可能制成的原因。
一、热力学第一定律
1．改变内能的两种方式：做功与热传递。
(1)联系：两者在改变系统内能方面是等效的，一定数量的功与确定数量的热相对应。
(2)区别：做功是内能与其他形式能量的相互转化，而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。
2．热力学第一定律。
(1)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)表达式：ΔU＝Q＋W。
(3)W、Q、ΔU正负号的确定：
①W：外界对系统做功，W取正值；系统对外界做功，W取负值。
②Q：系统从外界吸热，Q取正值；系统向外界放热，Q取负值。
③ΔU：系统内能增加，ΔU取正值；系统内能减少，ΔU取负值。
思考给旱区送水的消防车停于水平地面。在缓慢放水的过程中，若车胎不漏气且胎内气体温度不变，不计分子间的势能，试分析气体的吸放热情况。
提示：由于胎内气体温度不变，故气体分子的平均动能不变，内能不变。放水过程中气体体积增大对外做功，由热力学第一定律可知，胎内气体吸热。
二、能量守恒定律
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另一种形式，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)能量守恒定律告诉我们，各种形式的能量可以相互转化。
(2)各种互不相关的物理现象——力学的、热学的、电学的、磁学的、光学的、化学的、生物学的等可以用能量守恒定律联系在一起。
思考热力学第一定律、机械能守恒定律是能量守恒定律的具体体现吗？
提示：是。热力学第一定律、机械能守恒定律是能量守恒定律在不同形式的能相互转化时的具体体现。
三、永动机不可能制成
1．第一类永动机：人们设想中的不需要任何动力或燃料，却能不断地对外做功的机器。
2．第一类永动机不可制成的原因：违背了能量守恒定律。
3．意义：正是历史上设计永动机的失败，才使后人的思考走上了正确的道路。
第二节 热和内能
名师导航
知识梳理
1.热传递有三种方式_______、_______和_______.
2.内能的变化是由_______量度的，即_______.
3.热传递的前提是两个系统要有_______，但传递的是_______，而不是_______.
4.不能说物体具有多少的_______，只能说物体_______或_______多少热量.
5.改变物体内能的方式有_______和_______，它们对改变物体内能是_______.
疑难突破
1.热量和内能的区别与联系.
剖析：内能是由系统状态决定的，系统状态一定，内能也随之确定.热量是传递过程中的特征物理量，是用来衡量物体内能变化的，反映物体在状态变化过程中所转移的能量.就系统某一状态而言，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”.
2.物体内能和机械能的区别与联系.
剖析：(1)描述的对象不同：内能是描述物体热学状态的量，机械能是描述物体机械运动状态的量.
(2)对应的运动形式不同：内能对应的是热运动，机械能对应的是机械运动.
(3)决定因素不同：内能是由物体所含物质的量、温度和体积决定，机械能是由物体宏观运动的速度、零势能面的选取等因素决定.
(4)内能和机械能在一定条件下可以相互转化，在转化过程中，能的总量保持不变.一个物体具有机械能，同时也具有内能；一个物体的机械能可为零，但内能不可能为零.
问题探究
问题：不同种类的物质，吸热的本领一样吗？
图10-2-1
探究：实验装置如图10-2-1所示，取两只相同的烧杯分别装入500 g水和500 g煤油，它们的初温都处于室温，用相同的电加热器加热.
(1)使它们被加热的时间相等，观察并读出温度计示数.
(2)让它们的温度都从20 ℃升高到40 ℃，记录并比较加热时间.
物质
加热时间
初温
末温
物质
加热时间
初温
末温
煤油
3min
20 ℃
40 ℃
水
3 min
20 ℃
40 ℃
煤油
3 min
20 ℃
60 ℃
3
1.5min
3
min
实验现象分析：给等质量、相同温度的水和煤油加热，吸收相等的热量(加热时间相同)煤油上升的温度比较高；使它们上升的温度相等，对水加热时间更长一些.
探究结论：不同种类的物质吸热的本领不一样.
典题精讲
【例1】 关于物体的内能，以下说法正确的是( )
A.一架飞机以某一速度在空中飞行，由于组成飞机的所有分子都具有这一速度，所以分子具有动能，又由于所有分子都在高处，所有分子具有势能，所以上述分子的动能与势能的总和就是物体的内能
B.当物体的机械能为零时，其内能一定不为零
C.温度是物体内能的标志
D.内能指某个分子的动能和势能之和
思路解析：本题考查的是内能与机械能的区别.物体内能是所有分子无规则热运动所具有的分子总动能和分子相互作用所具有的分子总势能之和，内能和物体有无机械能没有关系.因此A选项不正确.温度是分子平均动能的标志.所以C不正确.内能是物体所有分子动能和势能的总和，所以D不正确.
答案：B
【例2】 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.热量总是从内能大的物体流向内能小的物体
D.热量总是从温度高的物体流向温度低的物体
思路解析：A是一种很常见的说法，在日常生活中无须计较，但从物理学的角度看，确有不妥.热量是过程量，不是状态量，不能像内能那样蕴含在物体中，A错.说法B与说法A有相同的错误.此外，物体的内能与可能发生的热量之间，在数量上没有必然联系，B错.两物体之间热量流向只与它们的温度高低有关，而与它们的内能无关，C错，D对.
答案：D
知识导学
本节重点是热和内能，以及热量和内能之间的差别.
学习本节知识前要复习第一节学习过的知识.要明确地知道内能变化的原因，功和热相互比较学习，要知道做功和热传递都可以改变物体内能，而且改变物体内能是等效的，但应注意它们之间的区别，做功是机械能转化为内能，而热传递是将能量从一个物体转移到另一个物体.
疑难导析
1.热传递改变内能的实质是内能从一个物体转移到另一个物体或者从一个物体的高温部分转移到低温部分，在这个过程中，吸收热量的物体内能增加，放出热量的物体内能减少，内能的变化由热量来量度，即Q=ΔE.
2.内能和机械能是两个不同的概念，内能是由大量分子的热运动和分子间的相对位置决定的；机械能是由物体运动或物体形变决定的能，物体具有内能的同时具有机械能.
内能是由物质微观运动和分子势能共同决定，机械能是由物体宏观运动和零势能共同决定，学习时要认真区分它们.
问题导思
探究结论说明不同物质吸热的本领不同，说明吸热本领和物质的材料密切相关.比热容是物质本身的一种属性，每种物质都有自己的比热容，比热容一般不同，进而影响两种物质的吸热本领，而就同一种物质而言，在同一状态下相同，在不同状态下就可能不同.
典题导考
绿色通道：机械能是由于物体运动和物体形变而引起的能，而内能则不同，它是由微观分子的无规则热运动所具有的分子总动能和势能之和，机械能可以为零，而内能不可能为零.由于组成它的微观分子永不停息地运动，分子之间有相互作用力.
【典题变式1】 物体沿斜面匀速下滑，其机械能和内能的变化情况( )
A.机械能减小，内能增大 B.机械能、内能都不变
C.机械能不变，内能增大 D.机械能增加，内能不变
绿色通道：本例中须注意，热量是交换传递中的内能，如果脱离热传递过程，就谈不上什么热量，并且内能是状态量，而热量是过程量.
【典题变式2】 关于物体的内能变化，下列说法中正确的是( )
A.物体吸收热量，内能一定增大
B.物体对外做功，内能一定减小
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
典题变式答案
【典题变式1】 答案：A
【典题变式2】 答案：C
第五节 热力学第二定律的微观解释
名师导航
知识梳理
1.系统的宏观表现源于组成系统的_________的统计规律.
2.如果一个_________对应的_________比较多，就说这个_________是比较无序的.
3.一切自然过程总是沿着的_________的_________方向进行.
4.自发的过程总是倾向于出现与较多_________对应的_________，因此自发的过程总是从_________向着_________发展的.
5.在任何自然过程中，一个孤立系统的_________不会减小，因此，热力学第二定律又叫做_________.
疑难突破
怎样理解热力学第二定律是一个统计规律？
剖析：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多无序，所以自发的宏观过程总是向无序度更大的方向发展.
热力学第二定律的适用范围：1.热力学第二定律是一个统计规律，只有对有大量分子所组成的系统才适用；2.不能把热力学第二定律推广到浩瀚的宇宙中去，因为宇宙不是一个孤立的系统.
问题探究
问题：熵增加原理表示的是热力学第二定律吗？
探究：大量实验事实证明：
热力学系统从一平衡态绝热地到达另一个平衡态的过程中，它的熵永不减少.若过程是可逆的，则熵不变；若过程是不可逆的，则熵增加.
不可逆绝热过程总是向着熵增加的方向变化，可逆绝热过程总是沿等熵线变化.
可以证明，熵增加原理表示的就是热力学第二定律.
对于一个绝热的不可逆过程，其按相反次序重复的过程不可能发生，因为这种情况下的熵将变小.
不可逆过程相对于时间坐标轴是肯定不对称的.
典题精讲
【例题】 试计算焦耳热功当量实验中，水的熵变和整个孤立系统熵的增量.
思路解析：焦耳实验：在焦耳热功当量实验中，通过重物下落做功，旋转叶片，搅动盛于绝热容器中的水，使水温升高，这是一个不可逆绝热过程.忽略绳、轴、叶片的状态变化，我们可以把重物和水作为研究对象，认为它们组成了一个孤立系统.因为重物下落只是机械运动，熵不变，所以水的熵变也就是水和重物组成的孤立系统的熵变.设水温由T1升高到T2，它的熵的增量为ΔS水=cmln，整个孤立系统熵的增量为ΔS=ΔS系统=Δ水=cmln.由于T2>T1，所以ΔS>0.
答案：cmln
知识导学
本节知识所要讲的是从微观的角度说明为什么涉及热运动的宏观过程会有一定的方向性，所以在学习本节知识时，要明确有序和无序，宏观态和微观态的概念，用具体的例子来描述它们，以便更好地区分它们.要知道为什么宏观自发的过程是有方向性，方向是什么，用什么实验能够解释它，要了解什么是熵，熵的增加原理是什么.
疑难导析
从以上说明可知：不可逆过程实质上是一个从几率较小的状态到几率较大的状态的变化过程.
在一个孤立系统内，一切实际过程都向着状态的几率增大的方向进行.只有在理想的可逆过程中，几率才保持不变.
能量从高温热库传给低温热库的几率要比反向传递的几率大得多.
宏观物体有规则机械运动(做功)转变为分子无规则热运动的几率要比反向转变的几率大得多.
问题导思
热力学第二定律指出，一切与热现象有关系的实际宏观过程都是不可逆的，在一定条件下，系统从非平衡状态向平衡状态的自然倾向，这种倾向总是不可逆的.
熵的本质意义是与热力学概率一样，熵是系统内分子热运动的无序性或混乱度的一种量度，在绝对零度(T=0)条件下，系统的熵S=0，此时系统内分子的无规则运动完全停止.
典题导考
绿色通道：此类题主要考查熵的定义和熵增加原理.熵是系统内分子运动无序性的量度；熵增加原理是指在任何自然过程中一个孤立系统的总熵不变，即熵始终向着增大方向进行.
【典题变式】 在一定速度下发生变化的孤立体系，其总熵的变化是什么( )
A.不变 B.可能增大或减小
C.总是增大 D.总是减小
典题变式答案
【典题变式】 答案：C
第五节 热力学第二定律的微观解释
第六节 能源和可持续发展
课堂探究
探究一对热力学第二定律微观意义的理解
问题导引
质量相同、温度相同的水，如图所示分别处于固态、液态和气态三种状态下，它们的熵的大小有什么关系？为什么？
提示：气态时的熵最大，其次是液态，固态时熵最小。这是因为质量相同的水，可以由固态自发地向液态、气态转化，也可由液态自发地向气态转化，根据熵增加原理，任何一个系统自发变化时，系统的熵要么增加，要么不变，但不会减小，所以，气态时的熵最大，其次是液态，固态时的熵最小。
名师精讲
1．对熵的理解
(1)熵是反映系统无序程度的物理量，正如温度反映物体内分子平均动能大小一样，系统越混乱，无序程度越大，这个系统的熵就越大。
(2)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程度更大的方向发展。
(3)对于绝热或孤立的热力学系统而言，所发生的是由非平衡态向着平衡态的变化过程，因此，总是朝着熵增加的方向进行。或者说，一个孤立系统的熵永远不会减小，这就是熵增加原理。
(4)在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小，如果过程可逆，则熵不变；如果过程不可逆，则熵增加。
温馨提醒熵增加原理的适用对象是对于孤立系统，如果是非孤立系统，熵有可能减少。
2．对热力学第二定律微观意义的理解
(1)热力学第二定律的微观解释：
高温物体和低温物体中的分子都在做无规则的热运动，但是高温物体中分子热运动的平均速率较大，所以在高温物体分子与低温物体分子的碰撞过程中，低温物体分子运动的剧烈程度会逐渐加剧，即低温物体的温度升高。而高温物体分子运动的剧烈程度会减缓，即高温物体的温度降低。所以从宏观热现象角度来看，热传递具有方向性，总是从高温物体传给低温物体。换一种角度看，初始我们根据温度的高低来区分两个物体，而最终状态是两个物体上的温度处处相同，无法区别，我们就说系统的无序程度增加了。
同理可知，在通过做功使系统内能增加的过程中，自然过程是大量分子从有序运动状态向无序运动状态转化的过程。
(2)热力学第二定律的微观意义：
热力学第二定律揭示了涉及热现象的一切宏观自然过程都只能在一个方向上发生，而不会可逆地在相反的方向上出现，它指出在能量得以平衡的众多过程中，哪些可能发生，哪些不可能发生。自然界涉及热现象的一切宏观过程都是不可逆的，宏观自发过程的这种方向性(熵增加的方向)，也就成为时间的方向性。所以，“熵”又被称为“时间箭头”。
【例题1】 关于热力学第二定律的微观意义，下列说法中正确的是( )
A．大量分子无规则的热运动能够自动转变为有序运动
B．传热的自发过程是大量分子从无序运动状态向有序运动状态转化的过程
C．传热的自发过程是大量分子从无序程度小的运动状态向无序程度大的运动状态转化的过程
D．一切自发过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行
解析：分子热运动是大量分子的无规则运动，系统的一个宏观过程包含着大量的微观状态，这是一个无序的运动，根据熵增加原理，热运动的结果只能使分子热运动更加无序，而不是变成了有序。传热的自发过程从微观上讲就是大量分子从无序程度小的运动状态向无序程度大的运动状态转化的过程。一切自发过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行。
答案：CD
题后反思一切自然过程总是沿着分子无序性增大的方向进行。系统自发变化时，总是向着无序程度增加的方向发展，至少无序程度不会减少。也就是说，系统自发变化时，总是由热力学概率小的状态向热力学概率大的状态进行。
探究二能源和可持续发展
问题导引
既然能量是守恒的，我们为什么还要节约能源？
提示：能量是守恒的，但能量耗散却导致能量品质的降低，高品质的能量释放出来并最终转化为低品质的能量。可见，虽然能量不会减少，但方便使用的能源会越来越少，所以要节约能源。
名师精讲
1．对“能量耗散和品质降低” 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．能源的分类
能源分
类方法
能源分
类名称
特点
举例
按形式
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、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
水能、风能、生物质能、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)
3.能源的开发与利用关系图
4．当前我国的几大能源工程
(1)“西气东输”工程是我国西部开发的重要项目之一，它是把新、蒙、甘等西部地区的天然气开发出来，通过地下输气管道送到苏、浙、沪等对能源需求量大的地区。
(2)“南水北调”工程是继三峡工程之后，我国又一重大的国土建设工程，它对中国社会进步和经济持续发展的意义甚至超过了三峡工程，对我国提高水资源利用效率、合理配置资源、改善北方缺水地区的生态环境有重大的意义。
(3)“西电东送”工程也是西部大开发的标志性工程，是把云、贵、川、陕等西部地区的电力资源输送到电力紧缺的粤、沪、苏、浙和京、津等地区，把西部丰富的资源优势转化为经济优势，并为东部提供清洁的电力，以促进东、西部的共同发展。
(4)“热电联产”工程，既发电，又集中供热，具有节约能源、改善环境、提高供热质量、增加电供应等综合效应。
(5)长江三峡水利枢纽工程已全面建成，它每年能提供约8.47×1011 kW·h的电能。
【例题2】 下列关于能量耗散的说法，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
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项错，D项对；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。
答案：BCD
题后反思能量耗散不仅遵循能量守恒定律，而且从能量的角度反映出自然界的宏观过程具有方向性。
第五节 热力学第二定律的微观解释
第六节 能源和可持续发展
预习导航
情境导入
课程目标
如图所示，威武的解放军在阅兵式上整齐地行进；春运中拥挤的人群杂乱无章。这两个例子中，哪个是有序的，哪个是无序的？自发的过程是从有序向着无序发展还是从无序向着有序发展？
1.了解有序和无序，知道有序和无序是相对的；了解宏观态与微观态，知道宏观态对应的微观态的数目与无序程度的关系。
2．知道熵的概念，知道熵是描述系统无序程度的物理量，了解熵增加原理，知道它是热力学第二定律的另一种表述，能用熵增加原理解释生活中的一些现象。
3．了解什么是能量耗散和品质降低，能利用熵增加原理认识自然界中能量转化的方向性，能从熵增加的角度认识当前环境问题，增强环保和可持续发展意识。
一、热力学第二定律的微观解释
1．有序和无序
(1)概念：一个系统的个体按确定的某种规则有顺序地排列即为有序；如果对个体的分布没有确定的要求，“怎样分布都可以”即为无序。
(2)特点：有序和无序是相对的，即存在一个有序程度的问题。
2．宏观态和微观态
(1)概念：在统计物理学中，规定了某种规则，我们就规定了一个“宏观态”，这个“宏观态”可能包含一种或几种“微观态”，不同的“宏观态”对应的“微观态”的个数不同。
(2)特点：如果一个“宏观态”对应的“微观态”比较多，那么这个“宏观态”是比较无序的。
3．热力学第二定律的微观意义
一切自发过程总是沿着分子热运动的无序性增大(选填“增大”或“减小”)的方向进行。这就是热力学第二定律的微观意义。
4.熵及熵增加原理
(1)熵：
①物理意义：用来量度系统无序程度的物理量叫作熵。
②表达式：S＝kln_Ω，其中k表示玻尔兹曼常数， Ω表示一个宏观态所对应的微观态的数目，S表示熵。
(2)熵增加原理：在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小。这就是用熵的概念表示的热力学第二定律。
思考一定质量的气体被压缩，从而放出热量，其熵怎样变化？
提示：气体被压缩过程中，体积减小，分子间的相对位置越来越确定，系统的无序程度越来越小，所以熵减小。
二、能源和可持续发展
1．能量耗散和品质降低
(1)能量耗散：有序度较高(集中度较高)的能量转化为内能，流散到环境中无法重新收集起来加以利用的现象。
(2)各种形式的能量向内能的转化，是无序程度较小的状态向无序程度较大的状态的转化，是能够自动发生、全额发生的。
(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)能量耗散虽然不会导致能量总量的减少，却会导致能量品质的降低，它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。
思考流动的水带动水磨做功，由于磨盘之间的摩擦、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内能，这些内能最终流散到周围的空气中，我们没有办法把这些流散的内能重新收集起来加以利用。请思考：内能与机械能相比，哪种能量的品质低？
提示：内能。能量的耗散虽然不会使能量减少，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。故内能较之机械能是一种低品质的能量。
2．能源与环境
(1)能源的种类：
①常规能源：煤、石油、天然气等。
②新能源：太阳能、生物质能、风能、水能等。
(2)环境问题：化石能源的资源有限，而且使用时对环境有很大的破坏，造成的环境污染主要有：温室效应、酸雨、光化学烟雾、浮尘等。
第六节 能源和可持续发展
名师导航
知识梳理
1.能源是指________.
2.常规能源有________、________、________.
3.能源的分类：_______如_______、_______、_______等_______；如_______、_______等.
4.人类历史进程的各个阶段，如石器时代、铁器时代、蒸气时代、电气时代等各个时代的主要动力来源分别是________、________、________、________.
疑难突破
如何认识能源对人类发展的重要性以及能源消耗给我们带来的负面影响？
剖析：能源是指能够提供利用能量的物质，为人类提供衣、食、住、行物质基础，在人类各行各业中都需要消耗能量.能源分为常规能源和新能源，常规能源有：煤、石油、天然气、水力、风力.新能源有：核能和太阳能等.在人类社会发展中，能源过度开发利用会引起资源短缺和大气污染等负面影响.大气污染对人体健康的危害很大，主要表现在呼吸道疾病，除此之外，空气污染物会对植物、动物、农作物、气候都产生有害的影响.
问题探究
问题：未来理想能源所具备的条件是什么？
探究：未来的理想能源要能够大规模替代石油、煤炭和天然气等常规能源，它必须满足以下几个条件：第一，必须足够丰富，可以保证长期使用；第二，必须足够便宜，可以保证多数人用得起；第三，相关的技术必须成熟，可以保证大规模使用；第四，必须足够安全、清洁，可以保证不会严重影响环境.
同学们，你们的责任重大，希望你们成为未来理想的探索者，为人类的文明作出自己的贡献！
典题精讲
【例题】 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，大气中二氧化碳气体浓度的急剧增加已导致气温的逐步上升，使全球气候变暖.
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
思路解析：CO2气体具有很强的吸收红外热辐射作用，使全球的气候变暖，这样的效应称为温室效应，故选D.
答案：D
知识导学
学习本节知识主要是要求学生了解能源现状与社会可持续发展的关系，要了解什么是能源，什么是常规能源，了解常规能源的储量与人类需求的矛盾，了解常规能源的使用与环境污染的关系.了解哪些是清洁能源，哪些是可再生能源.怎样合理利用和开发现有资源，要知道怎样处理能源与环境之间的关系.
疑难导析
人类的生活、生产、学习、研究都离不开能源.人类在能源革命的进程中给自己带来了便利，同时也带来了一系列的危机.大量化石能源的使用造成了空气污染和温室效应的加剧.一些欠发达国家过分依靠柴薪能源，加剧了水土流失和沙漠化.总之，人类不应当无限制地向大自然索取，我们必须在提升物质文明的同时，保持与自然、环境的和谐与平衡.
问题导思
要找到未来理想能源，主要考虑现有常规能源的缺点，即现有的常规能源的不可再生，使用常规能源对环境的污染太大，价格昂贵，对人类健康影响太大，分散性大，不能合理调配等，这些缺点使得我们不得不寻找新的理想能源.
典题导考
绿色通道：解此类题应注意题中所提供的信息，筛选有效信息，综合讨论得出最佳答案.
【典题变式】 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
典题变式答案
【典题变式】 答案：B
第四节 热力学第二定律
名师导航
知识梳理
1.热传导的方向性：热传导的过程是有_________的(从高温物体到低温物体)，这个过程可以向一个方向自发地进行，但是向相反的方向却不能_________进行，要实现相反方向的过程，要有_________.
2.第二类永动机；从单一热库吸收热量_________而不引起其他变化的热机.
第二类永动机不违反_________定律，但不可能制成，表示机械能和内能的转化过程具有_________，尽管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，同时不引起其他变化.
3.热力学第二定律的两种表述
一种表述是：____________________________________.
另一种表述是：__________________________________.
疑难突破
1.怎样理解热力学第二定律
剖析：(1)两种表述的内容
①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，这是按照热传导的方向性来表述的.
②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，也可以表述为：第二类永动机是不可能制成的.这是按照机械能与内能转化过程的方向性来表述的.
(2)热力学第二定律的实质和实际意义
热力学第二定律的几种表述是等价的，可以从一种表述导出另一种表述，所以它们实质上说的是同一件事.自然界中的各种过程是有内在联系的，这使得热力学第二定律的意义和应用远远超出了热传导以及机械能和内能转化的范围.应用热力学第二定律可以导出其他过程的方向性，在热力学第二定律的基础上经过推理可以判断出某个过程能否自发地进行，以及在什么条件下过程能够进行，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.
2.热力学第一、第二定律意义的比较
剖析：(1)热力学第一定律揭示了做功和热传递对改变物体内能的规律关系ΔU=W＋Q，指明内能不但可以转移，而且还能跟其他形式的能相互转化.热力学第一定律是能量守恒定律在热力学中的一种表述形式，是从能的角度揭示不同物体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，热力学第一定律只有一种表述形式.
(2)热力学第二定律揭示了有大量分子参与宏观过程的方向性，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，进一步揭示了各种物质运动过程及其运动形式的转化过程都具有方向性，告诉人们：第二类永动机不可能制成，热力学第二定律有多种表述形式.
问题探究
问题：第二类永动机为什么不可能制成？
探究：热机从高温热库吸收热量Q1，其中一部分转化为对外所做的机械功W，另一部分热量Q2随废气放出到冷凝器中，根据能的转化和守恒定律，应有Q1=W＋Q2，热机效率
η=<1
可见，任何热机(即使是理想热机，没有摩擦，也没有漏气等能量损失)都不可能把吸收的能量百分之百地转化成机械能，总有一部分热量Q2散发到冷凝器中.也就是说，那种没有冷凝器，只有单一热库，从这个单一热库吸收的热量能全部用来做功而不引起其他变化的热机是不存在的.
探究结论：第二类永动机是永远不可能制造成功的.
典题精讲
【例1】 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
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
思路解析：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(由电流热效应中的焦耳定律可知)，而内能不可能全部变成电流的能．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.
答案：BCD
【例2】 第二类永动机不可以制成，是因为( )
A.违背了能量守恒定律
B.热量总是从高温物体传递到低温物体
C.机械能不能全部转变为内能
D.内能不能全部转化为机械能，同时不引起其他变化
思路解析：第二类永动机设想虽然符合能量守恒定律，但是违背了能量转化中有些过程是不可逆的规律，所以不可能制成.
答案：D
知识导学
学习本节知识应对上节知识有很深的理解，这样才能学好这节课的知识，而且要明确不论是哪种表述，都是揭示了自然界的基本规律：一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的.热量的传导有方向性，前提是两系统存在温度差，当两个温度不同的物体接触，就会有热量从高温物体传向低温物体，相反的过程是不会自发进行的，这就说明热量传递具有方向性.
疑难导析
1.热力学第二定律的两种表述是等效的，都揭示了自然界的基本规律，即热量只能自发性地从高温物体传递给低温物体，而不能自发地由低温物体传给高温物体，而不引起任何影响，这说明它的能量传递是有方向的.我们知道，热量传递的前提是存在温度差，当两个温度不同的物体相互接触，热量总是从高温物体流向低温物体，相反的过程不会自发发生，也就是说热传导过程是不可逆的.相反的过程并非不能发生，而是不能自发地发生，即不能仅通过热传递过程实现热量的反方向流动且不发生其他变化，若辅以其他手段(如外界做功)，热量是可以从低温物体流向高温物体的.例如，制冷机的原理就是这样.
2.热力学第二定律的实质，就是指出了宏观过程的不可逆性，也就是说，自然界的一切宏观过程都是循着一定的方向进行，这个方向也就是俗称的时间箭头，为了细致地描述宏观过程的方向性，克劳修斯引入了“熵”的概念.
热力学第二定律是独立于热力学第一定律的又一条热力学基本定律，也是自然界中具有深远意义的一条规律.热力学第二定律有两种等价的表述，它们分别从热传导过程与热机效率中总结得出，第二类永动机是违反热力学第二定律的设想，但不违背能量守恒定律，热力学第二定律指出了能量传递与转换过程中一个重要事实——能量耗散.
问题导思
第二类永动机违背了能量传递的方向性，能量不可能由低温物体传递到高温物体，而不引起其他变化.机械能可以完全转化为内能，但是内能不可能完全转化为机械能，因为在这个过程中有能量损失，一部分能量以热能的形式流失了，最后只有一部分能量转化为机械能，根据能量守恒定律可以知道，用来做功的能量小于从热库吸收的热量，所以永动机是不可能制成的.
绿色通道：此类题主要考查的是热力学第二定律的内涵，解题的关键是要对热力学第二定律有深刻的认识，并且能灵活地做相应的变换.
【典题变式1】 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
绿色通道：热力学第二定律表明，凡与热现象有关的宏观过程都具方向性，机械能可全部变为内能，而内能不可能全部变成机械能，而不引起其他变化.
【典题变式2】 下列说法正确的是( )
A.热力学第二定律的两种表述是等价的
B.热力学第二定律还可表述为第二类永动机不可能制成
C.热力学第二定律揭示了宏观过程的方向性
D.能量耗散反映出自然界中宏观过程具有方向性
典题变式答案
【典题变式1】 答案：AC
【典题变式2】 答案：ABCD
第四节 热力学第二定律
课堂探究
探究一热力学第二定律
问题导引
1．温度不同的两个物体相互接触时，热量会自发地从高温物体传递给低温物体。此处“自发地”的含义是什么？
提示：“自发地”是指没有任何外界影响或者其他帮助。
2．空调和电冰箱工作时，热量都是从低温物体传递给高温物体的，它们违反热力学第二定律吗？
提示：不违反；因为这不是自发的过程，这个过程必须有第三者的介入，即必须开动空调、电冰箱的压缩机消耗电能才能进行。
3．设想在一间与外界绝热的房间里，有一台正在工作的冰箱，如果冰箱门是开着的，那么室内的温度将如何变化？为什么？
提示：升高，这是因为冰箱内的热量传到房间内，对于房间而言，总内能不变，但是由于热量由低温物体(冰箱)传到高温物体(房间)时不能自发进行，需要借助外界的帮助，即消耗电能，而消耗的电能最终转化为内能，所以房间内的温度会升高。
名师精讲
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。要将热量从低温物体传向高温物体，必须有“对外界的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，它是靠电流做功的帮助把热量从低温处“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.对热力学第二定律的两种表述等价性的证明
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。下面给出证明：
设表述(1)不成立，如图所示，低温热源T2可以自发地向高温热源T1传递热量Q2。那么，我们可在高温热源T1和低温热源T2之间设置一热机，使它从高温热源吸收热量Q1，对外做功W，并把热量Q2传递给低温热源。当这一过程完成之时，低温热源由于吸热和放热相等，没有引起其他变化。高温热源放出热量Q1大于吸收热量Q2，热机对外做功W＝Q1－Q2，相当于高温热源放出的热量全部用来对外做功，且没有引起其他变化，也就是说单一热源所放出的热量全部用来做功。这显然是违反表述(2)的。即凡违反表述(1)的说法，必然违反表述(2)。反之，也可以证明，凡违反表述(2)的，也必然违反表述(1)。
【例题1】如图所示，汽缸内盛有一定质量的理想气体，汽缸壁是导热的，缸外环境保持恒温，活塞与汽缸壁接触光滑，但不漏气，现将活塞杆缓慢地向右移动，气体膨胀对外做功。已知理想气体的内能只与温度有关，则下列说法中正确的是( )
A．气体是从单一热库吸热，全用来对外做功，因此此过程违反热力学第二定律
B．气体是从单一热库吸热，但并未全用来对外做功，因此此过程不违反热力学第二定律
C．气体是从单一热库吸热，全部用来对外做功，但此过程不违反热力学第二定律
D．以上三种说法都不正确
解析：由于气体始终通过汽缸壁与外界接触，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，所以汽缸内的气体温度也不变。要保持其内能不变，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，但此过程不违反热力学第二定律。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。
答案：C
题后反思根据热力学第二定律的两种表述可知，热量可以从低温物体传向高温物体，内能也可以全部转化为机械能，只不过要引起其他变化或需要借助外界帮助。
触类旁通本题中“活塞杆缓慢地向右移动，气体膨胀对外做功”能自发进行吗？
答案：不能。
探究二第二类永动机
问题导引
1．汽车发动机工作时，汽缸(燃烧室)是它的高温热库，低温热库在哪里？
提示：汽车发动机工作时低温热库就是汽缸外界的大气。
2．我们把“从单一热库吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响的热机称为第二类永动机”，如果随着科技的不断发展，能够使热机没有漏气、没有摩擦，也没有机体热量损失，是不是就能制成第二类永动机？
提示：不能。这是因为热机必须有热源和冷凝器，热机工作时，总要向冷凝器放热，不可避免地要由工作物质带走一部分热量，即使是理想热机，没有摩擦、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，总要有一部分热量散发到冷凝器中。所以说第二类永动机是不可能制成的。
名师精讲
1．热机
(1)热机：热机是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；内燃机是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。
工作物质从热源吸收热量Q1，推动活塞做功W，然后排出废气，同时把热量Q2散发到冷凝器中。
根据能量守恒有Q1＝W＋Q2。
(3)热机的效率。
把热机做的功W与它从热源中吸收的热量Q1的比值叫作热机的效率，用η表示，有η＝。
因为Q1＝W＋Q2，所以Q1＞W，η＜1。
这说明热机不可能把吸收的热能全部转化为机械能，总有一部分要散失到冷凝器中。
(4)特别提示：①热机必须有热源和冷凝器。
②热机不能把它得到的全部内能转化为机械能。
③因热机工作时，总要向冷凝器散热，不可避免地要释放一部分热量Q2，所以总有Q1＞W。
④热机的效率不可能达到100%，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，总要有一部分热量散发到冷凝器中。
2．第二类永动机
(1)第二类永动机。
只从单一热源吸收热量，使之完全变为有用的功而不引起其他变化的热机。
(2)第二类永动机不可能制成。
这类机器虽然不违背能量守恒定律，但因为机械能和内能的转化过程是有方向性的，热机工作时从高温热库吸收的热量Q，只有一部分用来做功W，转变为机械能，另一部分热量要排放给低温热库。也就是说，热机在工作过程中必然排出部分热量，热机用于做机械功的热量仅是它从高温热库吸收热量的一部分，绝不会是全部。所以第二类永动机是不可能制成的。从上面的分析可知，即使没有任何漏气、摩擦、不必要的散热等损失，也总有W(3)热力学第二定律还可表述为：第二类永动机不可能制成。
3．两类永动机的比较
分类
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
【例题2】 第二类永动机不可能制成的原因是( )
A．违背了能量守恒定律
B．热量总是从高温物体传递到低温物体
C．机械能不能全部转化为内能
D．内能不能全部转化为机械能而不引起其他变化
解析：本题考查第二类永动机。第二类永动机的设想并不违背能量守恒定律，但是却违背了涉及热现象的能量转化过程是有方向性的规律，故选项A错；在引起其他变化的情况下，热量也可由低温物体非自发地传递到高温物体，选项B错；机械能可以全部转化为内能，如物体克服摩擦力做功的过程，选项C错，显然选项D正确。故正确选项为D。
答案：D
题后反思虽然第二类永动机不违反能量守恒定律，大量的事实证明，在任何情况下，热机都不可能只有一个热源，热机要不断地把吸取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源。所以第二类永动机不可能制成，因为它违背了热力学第二定律。
第四节 热力学第二定律
预习导航
情境导入
课程目标
有人提出这样一种设想，发明一种热机，用它把物体与地面摩擦所产生的热量都吸收过来并对物体做功，将内能全部转化为动能，使因摩擦停止运动的物体在地面上重新运动起来，而不引起其他变化。这是一个非常诱人的设想，并且这种设想也不违背能量守恒定律，如果真能造出这样的热机，“能源问题”也就解决了。同学们想一下，这样的热机能制成吗？为什么？
1.通过自然界中热传导的方向性等实例，初步了解热力学第二定律，知道热力学第二定律的两种不同表述及实质，能运用热力学第二定律解释自然界中的能量转化、转移以及方向性问题。
2．了解什么是第二类永动机，能用热力学第二定律解释第二类永动机不能制成的原因。
一、热传导的方向性
1．温度不同的两个物体接触时，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，这说明热传导的过程具有方向性。
2．无数事实告诉我们，一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的。
思考
结合电冰箱的工作情况想一下，热传导的方向性是否说明“热量不能从低温物体传给高温物体”？
提示：不能。这是因为热量能从低温物体传向高温物体，只不过不能自发进行，需要外界帮助罢了。
二、热力学第二定律
1．定义：在物理学中，反映宏观自然过程的方向性的定律就是热力学第二定律。
2．表述
(1)克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传到高温物体。(该表述阐述的是热传递的方向性)
(2)开尔文表述：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。(该表述阐述的是机械能与内能转化的方向性)
(3)其他表述：对任何一类宏观自然过程进行方向的说明，都可以作为热力学第二定律的表述。例如，热力学第二定律可以表述为：气体向真空的自由膨胀是不可逆的。
三、热机和第二类永动机
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W与燃料燃烧产生的热量Q的比值叫作热机的效率，用公式可表述为η＝。
2．第二类永动机
(1)定义：只从单一热库吸收热量，并使之完全变成有用功而不产生其他影响的热机。
(2)第二类永动机不可制成的原因：违背了热力学第二定律。
思考如果随着科技的不断发展，能够使热机没有漏气，没有摩擦，也没有机体热量损失，是否能使热机的效率达到100%?
提示：不能。这是因为由热力学第二定律可知热机的工作物质吸收的热量不能完全用来对外做功，而不产生其他影响。
