功、热和内能的改变
知识结构导图
核心素养目标
物理观念：能够知道功、热量和内能的概念．
科学思维：能够理解改变物体内能的两种方式．
科学探究：探究改变物体内能与做功和传热的关系.
知识点一、焦耳的实验
1．绝热过程：系统不从外界________，也不向外界________．
2．代表性实验：
(1)重物下落带动叶片转动，搅拌容器中的水，引起水温________．
(2)通过电流的________给水加热．
3．实验结论：要使系统状态通过绝热过程发生变化，做功的数量只由过程始末两个________决定，而与________无关．
知识点二、功和内能的改变
1．内能：只依赖于一个热力学系统________的物理量，是热力学系统的一种能量．
2．绝热过程中做功与内能变化的关系：________.
知识点三、热和内能的改变
1．传热：热量总是从________物体向________物体传递．
2．热量和内能：
(1)关系描述：热量是在单纯的传热过程中系统______________________的量度．
(2)公式表示：________.
点睛：
焦耳的两个著名实验，一个是做功、一个是传热．
拓展(类比法)：
内能的提出采用了类比的方法，和重力做功引起的重力势能的变化进行了类比．
警示：
传热是热量从高温物体传向低温物体，并非从内能多的物体传向内能少的物体．
要点一 做功与内能变化的关系
1．做功与内能变化的关系：
(1)做功改变物体内能的过程是其他形式的能(如机械能)与内能相互转化的过程．
(2)在绝热过程中，外界对物体做多少功，就有多少其他形式的能转化为内能，物体的内能就增加多少．
2．功与内能的区别：
(1)功是过程量，内能是状态量．
(2)在绝热过程中，做功一定能引起内能的变化．
(3)物体的内能大，并不意味着做功多．在绝热过程中，只有内能变化越大时，相应地做功才越多．
注意：
①外界对某一系统做功时系统的内能不一定增加，还要看该系统有没有向外放热，以及向外放热的多少．
②在绝热过程中，系统内能的增加量等于外界对系统所做的功．
题型1 焦耳的实验
【例1】 如图所示是焦耳研究热与功之间关系的两个典型实验，那么从焦耳的这两个实验中可得出的结论是( )
A．热量可由高温物体传给低温物体
B．机械能守恒
C．在各种不同的绝热过程中，系统状态的改变与做功方式无关，仅与做功数量有关
D．在各种不同的绝热过程中，系统状态的改变不仅与做功方式有关，还与做功数量有关
焦耳实验的结论
在各种不同的绝热过程中，要使系统的状态发生变化，做功的数量只由过程始末两个状态决定，而与做功的方式无关．
做功与内能变化的关系
在绝热过程中，内能的增加量等于外界对系统所做的功，即ΔU＝W.
题型2 做功和内能变化的关系
【例2】 古代人们发明的点火器如图所示，用牛角做套筒，木制推杆前端粘着艾绒，猛推推杆，艾绒即可点燃．对筒内封闭的气体，在此压缩过程中( )
A．气体温度升高，压强不变
B．气体温度升高，压强变大
C．气体对外界做正功，气体的内能增加
D．外界对气体做正功，气体的内能减少
分析绝热过程的方法
(1)在绝热的情况下，若外界对系统做正功，系统内能增加，ΔU为正值；若系统对外界做正功，系统内能减少，ΔU为负值．此过程做功的多少为内能转化的量度．
(2)在绝热过程中，内能和其他形式的能一样也是状态量，气体的初、末状态确定了，即在初、末状态的内能也相应地确定了，内能的变化ΔU也确定了．而功是能量转化的量度，所以ΔU＝W，即W为恒量，这也是判断绝热过程的一种方法．
变式训练1 如图所示，一个质量为20
kg的绝热汽缸竖直放置，绝热活塞的质量为5
kg，面积为0.1
m2，处于静止状态时被封闭气体的高度为50
cm，现在活塞上方加一15
kg的物体，待稳定后，被封闭气体的高度变为40
cm.求在这一过程中气体的内能增加了多少？(p0＝1.01×105
Pa，g取10
m/s2)
要点二 传热与内能改变的关系
1．传热与物体内能的多少无关，只与两个物体(或一个物体的两部分)的温度差有关，热量总是从高温物体自发地传递到低温物体．
2．传热过程中，热量可以由内能大的物体传递到内能小的物体，也可以由内能小的物体传递到内能大的物体．
对热量的理解
热量是单纯传热过程中系统内能变化的量度，是一个过程量，因此，只有在传热过程中才能谈热量．热量和内能是两个不同的概念，内能是状态量，我们说物体在某一状态下有内能，而不能说有热量．
热和内能变化的关系
在单纯传热中，系统从外界吸收多少热量，内能就增加多少；系统向外界放出多少热量，系统的内能就减少多少，即ΔU＝Q.
题型1 传热与内能的改变
【例3】 关于物体的内能和热量，下列说法正确的是( )
A．热水的内能比冷水的内能多
B．温度高的物体其热量必定多，内能必定大
C．在热传递过程中，内能大的物体其内能将减少，内能小的物体其内能将增加，直到两物体的内能相等
D．热量是热传递过程中内能转移多少的量度
题型2 对温度、热量、内能和功等物理量的综合理解
【例4】 (多选)对于热量、功和内能三者的理解，下列说法中正确的是( )
A．三者单位相同，物理意义相同
B．热量和功是内能的量度
C．热量和功由过程决定，而内能由物体状态决定
D．系统内能增加了100
J，可能是外界采用绝热方式对系统做功100
J，也可能是外界单纯地对系统传热100
J
变式训练2 (多选)下列关于做功和热传递的说法正确的是( )
A．做功和热传递的实质是相同的
B．做功和热传递可以同时发生
C．做功和热传递在改变物体内能上是等效的
D．做功和热传递是对同一过程的两种说法
1．某驾驶员发现中午时车胎内的气压高于清晨时的，且车胎体积增大．若这段时间胎内气体质量不变且可视为理想气体，那么( )
A．外界对胎内气体做功，气体内能减小
B．外界对胎内气体做功，气体内能增大
C．胎内气体对外界做功，内能减小
D．胎内气体对外界做功，内能增大
2．采取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，下面说法正确的是( )
A．对气体所做的功不同
B．对气体所做的功相同
C．对气体不需做功，因为没有能量的传递
D．以上说法都不正确
3．物体的内能增加了20
J，下列说法正确的是( )
A．一定是外界对物体做了20
J的功
B．一定是物体吸收了20
J的热量
C．一定是物体分子动能增加了20
J
D．物体分子的平均动能可能不变
4．如图所示，一定质量的理想气体密封在绝热(即与外界不发生热交换)容器中，容器内装有一可以活动的绝热活塞．今对活塞施加一竖直向下的压力F，使活塞缓慢向下移动一段距离后，气体的体积减小．若忽略活塞与容器壁间的摩擦，则被密封的气体( )
A．温度升高，压强增大，内能减少
B．温度降低，压强增大，内能减少
C．温度升高，压强增大，内能增加
D．温度降低，压强减小，内能增加
5．如图所示，厚壁容器的一端通过胶塞插进一支灵敏温度计和一根气针，另一端有个用卡子卡住的可移动胶塞．用打气筒慢慢向容器内打气，使容器内的压强增大到一定程度，这时读出温度计示数．打开卡子，胶塞冲出容器口后( )
A．温度计示数变大，实验表明气体对外界做功，内能减少
B．温度计示数变大，实验表明外界对气体做功，内能增加
C．温度计示数变小，实验表明气体对外界做功，内能减少
D．温度计示数变小，实验表明外界对气体做功，内能增加
6．如图所示，在大口的玻璃瓶内装一些水，水的上方有水蒸气．然后用一与打气筒相连的活塞密闭瓶口，并给瓶内打气，当打到某一状态时，瓶塞会跳起来．当瓶塞跳起时，我们会看到瓶内出现“白雾”．对于“白雾”的形成，下列说法正确的是( )
A．“白雾”是当瓶塞跳起后外界的水蒸气在瓶口遇冷形成的小水珠
B．这是打气筒向瓶内打进去的水蒸气
C．这是瓶内的水向外膨胀形成的水雾
D．瓶内空气推动瓶塞做功，空气的内能减小，温度降低，使水蒸气液化形成小水滴
第三章 热力学定律
1．功、热和内能的改变
基础导学 研读教材
一、1.吸热 放热
2．(1)上升 (2)热效应
3．状态 做功的方式
二、1.自身状态
2．ΔU＝W
三、1.高温 低温
2．(1)内能变化 (2)ΔU＝Q
课堂互动 合作探究
要点一
【例1】 【解析】 焦耳通过多次实验，最后得到的结论是，在各种不同的绝热过程中，系统状态的改变与做功方式无关，仅与做功数量有关，故选项C正确，其余选项均不是焦耳实验的结论．
【答案】 C
【例2】 【解析】 C、D错：对封闭气体，猛推推杆压缩的过程中，时间极短，传热不计，故该过程中外界对气体做正功，使其内能增加．
A错，B对：因气体的内能是所有分子动能与分子势能之和，而气体的分子间距很大，分子力可以忽略，故分子势能不计，所以分子的平均动能增加，温度升高，再由理想气体状态方程＝C可知，气体的压强变大．
【答案】 B
变式训练1 解析：由于汽缸及活塞均绝热，故外界对气体所做的功全部转化为气体的内能，即ΔU＝W外＝(m活塞＋m物体)gΔh＋p0SΔh
＝(5＋15)×10×0.1
J＋1.01×105×0.1×0.1
J＝1
030
J
答案：1
030
J
要点二
【例3】 【解析】 内能是物体内所有分子动能和势能的总和，宏观上看，其大小取决于物体的温度、体积、物质的量，温度高只能说明其分子的平均动能大，因为物质的量不一定相同，所以并不能说明它的分子总动能大，更不能说明它的内能大，A选项错误；热量是一个过程量，说哪个物体具有热量是毫无意义的，且温度高内能也不一定大，B选项错误；热传递的实质是传递内能，但是物体之间发生热传递的条件并不是内能不相等，而是温度不同，热传递的最终结果也不是内能相等，而是温度相同，C选项错误；热量是热传递过程中内能转移的量度，是一个过程量，D选项正确．
【答案】 D
【例4】 【解析】 A错：热量、功和内能三者尽管单位相同，但物理意义有本质区别．
B错，C对：热量和功由过程决定，内能由物体状态决定，热量和功是内能变化的量度．
D对：对一个绝热过程ΔU＝W＝100
J，对一个单纯传热过程ΔU＝Q＝100
J.
【答案】 CD
变式训练2 解析：做功和热传递在改变物体内能上是等效的，但有着本质区别．做功是内能和其他形式能量间的相互转化．外界对物体做功，其他形式的能量转化为物体的内能，物体对外界做功，物体的内能转化为其他形式的能量；而热传递是将高温物体的内能传递给低温物体，或是将同一物体高温部分的内能传递给低温部分．做功和热传递互不影响，所以二者可以同时进行，故B、C正确，A、D错误．
答案：BC
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1．解析：对车胎内的理想气体分析知，体积增大时气体对外做功．由于气体分子间势能可忽略，内能只与分子的平均动能有关，分子总数不变，分子平均动能的标志是温度，中午胎内气体温度升高，内能增加，故选D.
答案：D
2．解析：对一定质量的气体，不管采取哪一种绝热方式，由初状态A变化至末状态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U1，在末状态B有另一确定的内能U2，由绝热过程中ΔU＝W＝U2－U1知，W为恒量，所以选项B正确．
答案：B
3．解析：做功和热传递都可以改变物体内能，物体内能改变20
J，改变方式是不确定的，因此A、B错误；物体内能包括所有分子的动能和分子势能，内能由分子数、分子平均动能、分子势能三者决定，故C错误，D正确．
答案：D
4．解析：由F通过活塞对密封的理想气体做正功，容器及活塞绝热，知Q＝0，由功和内能的关系知理想气体内能增大，温度T升高，再根据＝C，体积V减小，知压强p增大．
答案：C
5．解析：胶塞冲出容器口，气体膨胀，对外做功．由于没来得及发生热交换，由W＝ΔU可知内能减少温度降低．
答案：C
6．解析：当用打气筒向瓶内打气时，外界对系统做功，使系统的内能增加，温度升高，压强增大，当达到某一状态时，瓶塞从瓶口跳起．形成“白雾”的原因是，在瓶塞突然跳起时，气体绝热膨胀对外做功，内能减少，温度下降，水蒸气有一部分被液化成小水滴，形成“白雾”．
答案：D
-
9
-热力学第一定律
能量守恒定律
知识结构导图
核心素养目标
物理观念：了解能量的转化和守恒．
科学思维：知道能量在不同形式间转化总量不变．
科学探究：能够掌握能量的转化过程和总量的变化情况．
科学态度与责任：体会科学探索中的挫折和失败对科学发现的意义.
知识点一、热力学第一定律
1．改变内能的两种方式
做功和______，两者在改变系统内能方面是____的．
2．热力学第一定律
(1)内容：一个热力学系统的内能变化量等于外界向它传递的____________与外界对它所做的____________的和．
(2)表达式：________________________.
注意：
热力学第一定律是能量守恒定律在热现象范围内的具体体现．只适用于热现象．
知识点二、能量守恒定律
1．探索能量守恒的足迹
2．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____为其他形式，或者从一个物体____到别的物体，在转化或转移的过程中能量的总量保持不变．
3．能量守恒定律的意义
(1)各种形式的能可以________．
(2)各种物理现象可以用__________________联系在一起．
4．永动机不可能制成
永动机的思想违背了__________，所以是不可能制成的．
能量存在的形式
热运动的内能
机械运动的机械能
电场的电势能：Ep＝qφ
光辐射的光能：E＝hν
要点一 热力学第一定律的应用
1．对公式ΔU＝Q＋W中ΔU、Q、W符号的规定
符号
Q
W
ΔU
＋
物体吸收热量
外界对物体做功
内能增加
－
物体放出热量
物体对外界做功
内能减少
2.几种特殊情况
(1)若过程是绝热的，即Q＝0，则ΔU＝W，物体内能的增加量等于外界对物体做的功．
(2)若过程中不做功，即W＝0，则ΔU＝Q，物体内能的增加量等于物体从外界吸收的热量．
3．判断是否做功的方法：一般情况下外界对物体做功与否，需看物体的体积是否变化．
(1)若物体体积增大，表明物体对外界做功，W<0.
(2)若物体体积减小，表明外界对物体做功，W>0.
题型1 热力学第一定律的理解与应用
【例1】 (多选)以下过程可能发生的是( )
A．对物体做功，物体的内能增加
B．对物体做功，同时物体吸热，物体的内能不变
C．物体对外做功，同时放热，物体的内能不变
D．物体对外做功，同时吸热，物体的内能不变
公式中符号的意义
①ΔU>0，表示系统的内能增加；ΔU<0，表示系统的内能减少．
②W>0，表示外界对系统做功；W<0，表示系统对外界做功．
③Q>0，表示系统从外界吸热；Q<0，表示系统向外界放热．
【例2】 一定质量的气体从外界吸收了4.2×105
J的热量，同时气体对外做了6×105
J的功，问：
(1)气体的内能是增加还是减少？变化量是多少？
(2)气体分子势能是增加还是减少？
(3)气体分子的平均动能是增加还是减少？
应用热力学第一定律的解题思路
①首先应明确研究对象是哪个物体或者是哪个热力学系统．
②其次要明确物体(或系统)吸收或放出的热量；外界对物体(或系统)所做的功或物体(或系统)对外界所做的功．
③最后根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W列出方程进行求解．
④特别要注意的是物理量的正负号及其物理意义．
(3)若过程的始末状态系统的内能不变，即ΔU＝0，则W＝－Q，外界对系统做的功等于系统放出的热量；或Q＝－W系统吸收的热量等于系统对外界做的功．
变式训练1 (多选)如图，一开口向上的导热汽缸内，用活塞封闭了一定质量的理想气体，活塞与汽缸壁间无摩擦．现用外力作用在活塞上，使其缓慢下降．环境温度保持不变，系统始终处于平衡状态．在活塞下降过程中( )
A．气体体积逐渐减小，内能增加
B．气体压强逐渐增大，内能不变
C．气体压强逐渐增大，放出热量
D．外界对气体做功，气体内能不变
变式训练2 若将气泡内的气体视为理想气体，气泡从湖底缓慢上升到湖面的过程中，对外界做了0.6
J的功．(设湖水的温度相等且保持不变)
(1)气泡上升过程中吸收的热量是多少？
(2)气泡到达湖面后，由于太阳的照射，在温度上升的过程中对外界做了0.1
J的功，同时吸收了0.3
J的热量，则此过程中，气泡内气体内能增加了多少？
题型2 热力学第一定律与气体实验定律的综合应用
【例3】 如图所示，圆柱形汽缸竖直放置，质量m＝2.0
kg，横截面积S＝1.0×10－3
m2的活塞封闭一定质量的理想气体，活塞与汽缸壁封闭良好，不计摩擦，不计活塞和汽缸的厚度．开始时活塞距汽缸底距离h1＝0.50
m，此时温度T1＝300
K．给汽缸缓慢加热至T2，活塞上升到距离汽缸底h2＝0.80
m处，同时缸内气体内能增加300
J，已知外界大气压p0＝1.0×105
Pa，g取10
m/s2.求：
(1)缸内气体加热后的温度T2；
(2)此过程中缸内气体吸收的热量Q.
热力学第一定律与气体实验定律综合问题的解题方法
①根据题意分析气体状态变化，利用气体实验定律分析温度、体积、压强之间的关系．
②由温度的变化判断内能的变化，温度升高则气体内能增大，温度降低则内能减小，温度不变则内能不变．
③根据体积变化计算做功情况：W＝FL＝pSL＝pΔV，即气体对外做的功等于气体压强与体积变化量的乘积．
④确定了ΔU和W，根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W判断吸热还是放热及计算Q的大小．
变式训练3 如图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20
cm，用竖直向下的力F压活塞，使空气柱长度变为原来的一半，人对活塞做功10
J，大气压强为p0＝1×105
Pa，不计活塞的重力，求：
(1)若用足够长的时间缓慢压缩，压缩后气体的压强；
(2)若以适当的速度压缩气体，此过程气体向外散失的热量为2
J，则气体的内能增加多少？(活塞的横截面积S＝1
cm2)
题型3 热力学第一定律与气体状态图像的综合应用
【例4】 一定质量的理想气体从状态a开始，经a→b、b→c、c→a三个过程后回到初始状态a，其p－V图像如图所示．已知三个状态的坐标分别为a(V0
2p0)、b(2V0，p0)、c(3V0
2p0)．以下判断正确的是( )
A．气体在a→b过程中对外界做的功小于在b→c过程中对外界做的功
B．气体在a→b过程中从外界吸收的热量大于在b→c过程中从外界吸收的热量
C．在c→a过程中，外界对气体做的功小于气体向外界放出的热量
D．气体在c→a过程中内能的减少量大于b→c过程中内能的增加量
【例5】 (多选)一定质量的理想气体经历如图所示的一系列变化过程，ab、bc、cd和da这四段过程在p－T图上都是直线段，其中ab的延长线通过坐标原点O，bc垂直于ab，而cd平行于ab，da平行于p轴．由图可以判断( )
A．ab过程中气体分子的密集程度不断减小
B．bc过程中外界对气体做功
C．da过程中气体从外界吸收热量
D．ab过程的内能减小量等于cd过程中气体内能增加量
【例6】
如图所示，一定质量的理想气体在状态A时压强为2.0×105
Pa，经历A→B→C→A的过程，整个过程中对外界放出61.4
J热量．求该气体在A→B过程中对外界所做的功．
热力学第一定律与图像综合问题的一般规律
(1)首先明确气体状态图像的物理意义
①等温线(如图1所示)：一定质量的理想气体，T1>T2.a→b，等温降压膨胀，内能不变，吸收的热量等于对外做功；b→c，等容升温升压，不做功，吸收的热量等于内能增加量；c→a，等压降温压缩，放出的热量等于外界做的功和内能减少量之和．
图1 图2
②等容线(如图2所示)：一定质量的理想气体，V1>V2.a→b、b→c、c→a，状态及能量变化同等温线分析．
③等压线(如图所示)：一定质量的理想气体，p1>p2.a→b，等温升压压缩，内能不变，外界做的功等于放出的热量；b→c，等压升温膨胀，吸收的热量等于内能增加量和对外做的功之和；c→a，等容降温降压，内能减小量等于放出的热量．
(2)能结合气体实验定律的方程列式，列式时要找清气体初态和末态的位置以及状态参量．
(3)挖掘气体状态参量的变化因素与热力学第一定律ΔU＝W＋Q中各物理量的对应关系．
变式训练4 如图所示，A、B两点表示一定质量的某种理想气体的两个状态，当气体从状态A变化到状态B时( )
A．气体内能一定增加
B．气体压强变大
C．气体对外界做功
D．气体对外界放热
变式训练5 一定质量的理想气体从状态A经状态B变化到状态C，其p－图像如图所示，求该过程中气体吸收的热量Q.
要点二 能量守恒定律的理解与应用
1．能量的存在形式及相互转化
(1)各种运动形式都有对应的能：机械运动有机械能，分子的热运动有内能，还有电磁能、化学能、原子能等．
(2)各种形式的能，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，必须是只有重力或系统内的弹力做功；而能量守恒定律是没有条件的，它是一切自然现象都遵守的基本规律．
3．第一类永动机失败的原因分析：如果没有外界热源供给热量，则有U2－U1＝W，就是说，如果系统内能减少，即U2【例7】
如图所示，密闭绝热容器内有一绝热的具有一定质量的活塞，活塞的上部封闭着气体，下部为真空，活塞与器壁间的摩擦忽略不计．置于真空中的轻弹簧一端固定于容器的底部，另一端固定在活塞上，弹簧被压缩到底后用绳扎紧，此时弹簧的弹性势能为Ep(弹簧处在自然长度时的弹性势能为零)．现绳突然断开，弹簧推动活塞向上运动，经过多次往复运动后活塞静止，气体达到平衡状态．经过此过程( )
A．Ep全部转换为气体的内能
B．Ep一部分转换成活塞的重力势能，其余部分仍为弹簧的弹性势能
C．Ep全部转换成活塞的重力势能和气体的内能
D．Ep一部分转换成活塞的重力势能，一部分转换为气体的内能，其余部分仍为弹簧的弹性势能
变式训练6 据报道，2011年5月13日，太阳能飞机首次实现跨国飞行，它长达63.4
m的机翼上覆盖着太阳能电池板．下列说法正确的是( )
A．太阳能可以转化为电能 B．太阳能不可以转化为电能
C．太阳能的利用，说明能量可以消失
D．太阳能的利用，说明能量可以创生
[注意]
①能量守恒定律是一个自然界中普遍适用的规律．凡是遇到涉及能量的转化和转移问题时可优先考虑使用其解决．
②第一类永动机违背了能量守恒定律．故不可能制造成功．
用能量守恒定律解题的步骤：
①确定研究的对象和范围．分析在研究的过程中有多少种不同形式的能(包括动能、势能、内能、电能等)发生变化．
②找出减少的能，并求总的减少量ΔE减，找出增加的能并求总的增加量ΔE增．
③由能量守恒ΔE减＝ΔE增列方程．
④代入已知条件求解方程．
1．(多选)下列关于第一类永动机的说法正确的是( )
A．第一类永动机是不消耗任何能量却能源源不断地对外做功的机器
B．第一类永动机不能制成的原因是违背了热力学第一定律
C．第一类永动机不能制成的原因是技术问题
D．第一类永动机不能制成的原因是违背了能量守恒定律
2．如图所示是密闭的汽缸，外力推动活塞P压缩气体，对缸内气体做功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，内能减少200
J
3．(多选)一定质量的理想气体从状态A经过状态B变化到状态C，其V－T图像如图所示，下列说法正确的有( )
A．A→B的过程中，气体对外界做功
B．A→B的过程中，气体放出热量
C．B→C的过程中，气体压强不变
D．A→B→C的过程中，气体内能增加
4．(多选)下列各物体在所经历的过程中，内能增加的有( )
A．在光滑斜面上由静止释放而下滑的物体
B．水平飞行并射穿木块的子弹
C．在绝热的条件下被压缩的气体
D．在空中匀速下落的雨滴
5．如图所示p－V图像中，一定质量的理想气体由状态A经过ACB过程至状态B，气体对外做功280
J，吸收热量410
J；气体又从状态B经BDA过程回到状态A，这一过程中外界对气体做功200
J．则ACB过程中气体的内能是增加了还是减少了？变化量是多少？BDA过程中气体是吸热还是放热？吸收或放出的热量是多少？
6．如图所示在绝热汽缸内，有一绝热轻活塞封闭一定质量的气体，开始时缸内气体温度为27
℃，封闭气柱长为9
cm，活塞横截面积S＝50
cm2.现通过汽缸底部电阻丝给气体加热一段时间，此过程中气体吸热22
J，稳定后气体温度变为127
℃.已知大气压强等于105
Pa，活塞与汽缸间无摩擦，求：
(1)加热后活塞到汽缸底部的距离；
(2)此过程中气体内能改变了多少？
2．热力学第一定律
3．能量守恒定律
基础导学 研读教材
一、1.传热 等效
2．(1)热量 功 (2)ΔU＝Q＋W
二、2.转化 转移
3．(1)相互转化 (2)能量守恒定律
4．能量守恒定律
课堂互动 合作探究
要点一
【例1】 【解析】 根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W判断
A对：对物体做功，物体的内能会增加．
B错：对物体做功，同时物体吸热，物体的内能增加．
C错：物体对外做功，同时放热，物体的内能减少．
D对：物体对外做功，同时吸热，且做功与吸热的数值相等，物体的内能不变．
【答案】 AD
【例2】 【解析】 (1)气体从外界吸收的热量为Q＝4.2×105
J
气体对外做功W＝－6×105
J
由热力学第一定律
ΔU＝W＋Q＝－6×105
J＋4.2×105
J＝－1.8×105
J
ΔU为负，说明气体的内能减少了，所以气体内能减少了1.8×105
J.
(2)因为气体对外做功，所以气体的体积膨胀，分子间的距离增大了，分子力做负功，气体分子势能增加了．
(3)因为气体内能减少，同时气体分子势能增加，所以气体分子的平均动能一定减少了．
【答案】 (1)减少 1.8×105
J (2)增加 (3)减少
变式训练1 解析：A错：温度不变，理想气体的内能不变．
B对：根据玻意耳定律，体积减小，压强增大．
C、D对：根据ΔU＝W＋Q，内能不变，外界对气体做功气体放出热量．
答案：BCD
变式训练2 解析：(1)气体温度不变，内能不变，由热力学第一定律ΔU＝Q＋W，得Q＝ΔU－W＝0－(－0.6
J)＝0.6
J；
(2)由热力学第一定律得ΔU＝Q＋W＝0.3
J＋(－0.1
J)＝0.2
J，内能增加0.2
J.
答案：(1)0.6
J (2)0.2
J
【例3】 【解析】 (1)气体做等压变化，根据盖－吕萨克定律可得：＝
解得T2＝480
K
(2)缸内气体压强：p＝p0＋＝1.2×105
Pa
在气体膨胀的过程中，外界对气体做功为W0＝－pΔV＝－36
J
根据热力学第一定律ΔU＝W0＋Q得Q＝ΔU－W0＝336
J.
【答案】 (1)480
K (2)336
J
变式训练3 解析：(1)设压缩后气体的压强为p，缓慢压缩，气体温度不变，由玻意耳定律：p0V0＝pV
解得p＝2×105
Pa.
(2)大气压力对活塞做功W1＝p0SΔh＝1
J，人对活塞做功W2＝10
J，由热力学第一定律：ΔU＝W1＋W2＋Q
将数据代入，解得ΔU＝9
J.
答案：(1)2×105
Pa (2)9
J
【例4】 【解析】 A错：p－V图线与V轴所围面积代表气体状态变化所做的功，由图知，a→b和b→c过程中，气体对外界做的功相等．
B错：由＝C知，a、b两状态温度相等，内能相同，ΔU＝0；由ΔU＝W＋Q知，Qab＝－W；而c状态的温度高于b状态的温度，则b→c过程中，ΔU>0，据ΔU＝W＋Q知，Qbc>|W|.
C对：c→a过程内能减少，ΔU<0，外界对气体做正功，W>0，由ΔU＝Q＋W知，Q＝ΔU－W<0，W<|Q|.
D错：由于a、b状态内能相等，故c→a内能减少量等于b→c内能增加量．
【答案】 C
【例5】 【解析】 A错：根据理想气体状态方程＝C，可知p＝T，则p－T图像中过原点的直线为等容变化，所以ab过程中气体体积不变，所以气体分子的密集程度不变．
B对：过c点作过原点的直线，则为一条等容线，且斜率比ab斜率大，根据p＝T可知，VcC对：da过程，气体温度不变，则气体内能不变；压强减小，根据玻意耳定律可知，体积增大，则气体对外界做功，根据热力学第一定律可知，气体应吸热．
D错：bc垂直于ab，而cd平行于ab，说明ab的温度变化比cd的温度变化小，且理想气体内能只与温度有关，温度升高，内能增加，可知ab过程的内能减小量小于cd过程中气体内能增加量．
【答案】 BC
【例6】 【解析】 由A→B的过程为等温膨胀，温度T不变，内能不变，ΔU1＝0，但体积增大，对外做功，W1<0，气体需从外界吸热，假设为Q1，则ΔU1＝W1＋Q1.
由B→C的过程为等容升温，温度T升高，内能增大ΔU2，体积不变，不做功，W2＝0，气体需从外界吸热，假设为Q2.由C→A的过程为等压压缩，此时温度T降低，内能减少ΔU3，体积变小，外界对气体做功，W3>0，气体需向外放热，假设为Q3.
而由A→B→C→A的过程中，内能不变，
所以ΔU＝Q1＋W1＋Q2＋W2＋Q3＋W3＝W1＋W3＋ΔQ＝0
则W3＝pA(VC－VA)
所以W1＝－W3－ΔQ
代入数据得W1＝－138.6
J，即气体对外界做功138.6
J.
【答案】 气体对外界做的功为138.6
J
变式训练4 解析：由题图可知，理想气体的变化为等温膨胀，气体压强减小，气体的内能不变，故气体对外做功；由热力学第一定律可知，气体一定从外界吸收热量．
答案：C
变式训练5 解析：A→B过程，外界对气体做的功W1＝p(VA－VB)
B→C过程W2＝0
根据热力学第一定律得ΔU＝(W1＋W2)＋Q
A和C的温度相等ΔU＝0
代入数据解得Q＝2×105
J.
要点二
【例7】
【解析】 当绳子突然断开时，活塞受弹簧的弹力F、活塞的重力G、封闭气体对活塞向下的压力F′共同作用，如图所示，其合力向上，经多次往复运动后活塞静止时，活塞处于三力平衡状态，气体体积必减小，外力对气体做正功，由于绝热，气体的内能增加，而活塞最终的静止位置比初始位置高，其重力势能增加，最终弹力与另外两个力的合力平衡，弹簧仍有形变．设最终弹簧的弹性势能为Ep′，由能量守恒定律得Ep＝Ep′＋活塞增加的重力势能＋气体增加的内能，所以D选项正确．
【答案】 D
变式训练6 解析：A对，B错：太阳能电池工作时，将太阳能转化为电能．
C、D错：太阳能在用于其他途径过程中，能量是守恒的，没有消失，也没有创生，太阳能的利用，只能说明能量是可以相互转化的．
答案：A
随堂演练 达标检测
1．解析：第一类永动机是不消耗任何能量却能源源不断对外做功的机器，这是人们的美好愿望，但它违背了能量守恒定律，这也是它不能制成的原因．选项A、D正确，B、C错误．
答案：AD
2．解析：由热力学第一定律ΔU＝W＋Q得：ΔU＝800
J＋(－200J)＝600
J，因ΔU＝600
J>0，故内能增加600
J，一定质量的理想气体的内能大小只与温度有关，故温度一定升高，选项A正确．
答案：A
3．解析：由题图可知，从A到B气体的体积减小，外界对气体做功，A错误；从A到B气体的温度不变，内能不变，根据热力学第一定律可知，气体放出热量，B正确；由理想气体状态方程＝C可知，从B到C气体发生的是等压变化，气体的温度在降低，内能在减少，C正确，D错误．
答案：BC
4．解析：在光滑斜面上由静止释放而下滑的物体，机械能守恒；子弹穿过木块的过程中克服摩擦力做功，机械能转化为内能；在绝热的条件下压缩气体，对气体做功，使其内能增加；雨滴匀速下落，重力势能减少，转化为内能．由此判断选项B、C、D正确．
答案：BCD
5．解析：ACB过程中W1＝－280
J，Q1＝410
J
由热力学第一定律得ΔU＝W1＋Q1＝130
J
气体内能增加130
J
因为一定质量理想气体的内能只由温度决定，
气体由状态A经过ACB过程至状态B，又从状态B经BDA过程回到状态A，整个过程内能变化为0
从状态B经BDA过程回到状态A
ΔU′＝－130
J
由题意知W2＝200
J
由热力学第一定律ΔU′＝W2＋Q2
Q2＝－330
J
即放出热量330
J.
答案：ACB过程内能增加130
J；BOA过程放热330
J
6．解析：(1)取被封闭的气体为研究的对象，开始时气体的体积为L1S，温度为T1＝(273＋27)
K＝300
K，
末状态的体积为L2S，温度为
T2＝(273＋127)
K＝400
K，
气体做等压变化，则＝，
代入数据得L2＝12
cm.
(2)在该过程中，气体对外做功
W＝F·ΔL＝p0S(L2－L1)
＝105×50×10－4×(12－9)×10－2
J＝15
J，
由热力学第一定律ΔU＝Q－W＝22
J－15
J＝7
J.
答案：(1)12
cm (2)7
J
-
18
-热力学第二定律
知识结构导图
核心素养目标
物理观念：热力学第二定律
科学思维：①会用能流图理解热力学第二定律．
②与热现象有关的宏观过程的方向性．
科学探究：研究热机的工作原理．
科学态度与责任：通过学习热力学第二定律树立节约能源的意识.
知识点一、热力学第二定律
1．热力学第二定律的克劳修斯表述
(1)热传导的方向性：一切与热现象有关的宏观自然过程都是________．
(2)热力学第二定律的克劳修斯表述：德国物理学家克劳修斯在1850年提出：热量不能自发地从________物体传到________物体．热力学第二定律的克劳修斯表述，阐述的是传热的________．
点睛：
克劳修斯的描述可以说：热量能从低温物体传到高温物体，但需要第三者参与，对第三者产生影响．
2．热力学第二定律的开尔文表述
(1)热机：
①热机工作的两个阶段：第一个阶段是燃烧燃料，把燃料中的________变成工作物质的________．第二个阶段是工作物质对外________，把自己的内能变成______．
②热机用于做功的热量一定____它从高温热库吸收的热量．
(2)开尔文表述：不可能从单一热库吸收热量，使之________，而不产生其他影响．(该表述阐述了机械能与内能转化的方向性)
拓展：
开尔文的表述相当于：不可能制造成这样一种机器，在一个循环动作后，只是从单一热库吸收热量，使之完全变为功，而不产生其他影响．这是对热机工作的总结．
知识点二、能源是有限的
1．能源：能源是指具有高品质的容易利用的储能物质．
2．“能量耗散”分散在环境中的内能不管数量多么巨大，它也只不过能使地球、大气稍稍变暖一点，却再也不能自动聚集起来驱动机器做功了．这样的转化过程叫作“能量耗散”．
要点一 热力学第二定律的应用
1．理解热力学第二定律的实质，即自然界中进行的所有涉及热现象的宏观过程都具有方向性．理解的关键在于“自发”和“不引起其他变化”．
2．还要正确理解哪些过程不会达到100%的转化而不产生其他影响．
题型1 热力学第二定律的理解及应用
【例1】 下列说法中正确的是( )
A．热量能自发地由高温物体传到低温物体
B．热量能自发地由低温物体传到高温物体
C．热量一定不可能由低温物体传到高温物体
D．空调机既能制热又能制冷，说明热传递不存在方向性
对克劳修斯表述的理解
(1)阐述的是热传递的方向性．
(2)表述中“自发”二字指的是：当两个物体接触时，不需要任何第三者介入、不会对任何第三者产生任何影响，热量就能从一个物体传向另一个物体．
(3)热量可以从低温物体传到高温物体，但一定不是自发地，即一定有第三者介入．
对开尔文表述的理解
①阐述的是机械能与内能转化的方向性．
②表述中的“其他影响”是指除了从单一热库吸热，把所吸收的热用来做功，而自身的状态(温度、体积、压强)是否变化．
③可以从单一热库吸收热量使之完全变成功或者说内能，可以完全转化为机械能，但这一定产生了其他影响(如等温膨胀时体积改变)．
热力学第一定律与第二定律的关系
①热力学第一定律揭示了做功和传热改变物体内能的规律关系，是能量守恒定律在热学中的表现，否定了第一类永动机．
②热力学第二定律揭示了有大量分子参与的宏观自然过程的方向性．
③两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．
变式训练1 (多选)下列现象中能够发生的是( )
A．一杯热茶在打开杯盖后，茶会自动变得更热
B．蒸汽机把蒸汽的内能全部转化成机械能
C．桶中混浊的泥水在静置一段时间后，泥沙下沉，上面的水变清，泥、水自动分离
D．电冰箱通电后把箱内低温物体的热量传到箱外高温物体
变式训练2 (多选)根据热力学第二定律，下列判断正确的是( )
A．热机中燃气的内能不可能全部转化为机械能
B．电能不可能全部变成内能
C．在火力发电机中，燃气的内能不可能全部转化成电能
D．在热传导中，热量不可能自发地从低温物体传到高温物体
题型2 热力学第一定律与热力学第二定律的关系
【例2】 关于热力学第一定律和热力学第二定律，下列论述正确的是( )
A．热力学第一定律指出内能可以与其他形式的能相互转化，而热力学第二定律则指出内能不可能完全转化为其他形式的能，故这两条定律是相互矛盾的
B．内能可以全部转化为其他形式的能，只是会产生其他影响，故两条定律并不矛盾
C．两条定律都是有关能量的转化规律，它们不但不矛盾，而且没有本质区别
D．其实，能量守恒定律已经包含了热力学第一定律和热力学第二定律
变式训练3 (多选)关于热力学两大定律，下列说法正确的是( )
A．热力学第一定律和热力学第二定律是相互独立的
B．热力学第二定律的两种表述是等效的
C．由热力学第一定律可知做功不一定改变内能，传热也不一定改变内能，但同时做功和传热一定会改变内能
D．由热力学第二定律可知热量从低温物体传向高温物体是可能的，从单一热库吸收热量，完全变成功也是可能的
对能量耗散的理解
(1)能量耗散从能量转化的角度反映了自然界的宏观过程具有方向性．
(2)能量耗散现象不违背能量守恒定律．
(3)能量耗散使能量品质降低：能量耗散虽然不会使能量减少，却会使能量从高度有用的形式降为不太可用的形式．
要点二 能量耗散与能源问题
【例3】 关于能量和能源，下列说法中正确的是( )
A．能量在转化和转移过程中，其总量有可能增加
B．能量在转化和转移过程中，其总量会不断减少
C．能量在转化和转移过程中总量保持不变，故节约能源没有必要
D．能量的转化和转移具有方向性，且现有可利用的能源有限，故必须节约能源
变式训练4 (多选)空调市场上有很多变频空调，据专家介绍变频空调比定频的要节能，因为定频空调开机时就等同于汽车启动时，很耗能，是正常运行的5～7倍．空调在工作时达到设定温度就停机，等温度高了再继续启动，这样的频繁启动，耗电多．而变频空调启动时有一个由低到高的过程，运行过程是自动变速来保持室内温度，从开机到关机中间不停机，而是达到设定温度后就降到最小功率运行，所以比较省电．阅读上述介绍后，以下说法合理的是( )
A．变频空调节能，运行中不遵守能量守恒定律
B．变频空调运行中做功少，转化能量多
C．变频空调在同样工作条件下运行效率高，省电
D．变频空调与定频空调做同样功时，消耗同样电能
1．在一个与外界没有热交换的房间内打开冰箱门，冰箱正常工作，过一段时间房间内的温度将( )
A．降低
B．升高
C．不变
D．无法确定
2．关于热力学第二定律，下列说法正确的是( )
A．热力学第二定律是通过实验总结出来的实验定律
B．热力学第二定律是通过大量自然现象的不可逆性总结出来的经验定律
C．热力学第二定律是物理学家从理论推导得出来的结果
D．由于热力学第二定律没有理论和实验的依据，因此没有实际意义
3．(多选)如图所示，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背热力学第一定律
4．汽油机等内燃机中，燃料燃烧释放的能量并不会全部用来做有用功，试在图中的括号①②内填出能量流失的形式．
①________________________________________________________________________，
②________________________________________________________________________.
已知某台汽油机的效率是20%，如果这台汽油机用来做有用功的能量是9×104
J，则这段时间里汽油机消耗了________g的汽油(假设汽油的热值为4.5×107
J·kg－1)．
温馨提示：请完成单元素养评价卷三
4．热力学第二定律
基础导学 研读教材
一、1.(1)不可逆的 (2)低温 高温 方向性
2．(1)①化学能 内能 做功 机械能 ②小于 (2)完全变成功
课堂互动 合作探究
要点一
【例1】 【解析】 A对，B错：热量能自发地由高温物体传到低温物体，但不能自发地由低温物体传到高温物体．
C错：热量可能由低温物体传到高温物体，如电冰箱将内部的热量传到外部．
D错：热传递存在方向性的含义是指热量可以自发地从高温物体传递到低温物体，而不能自发地从低温物体传递到高温物体，但若有其他影响也可以将热量从低温物体传递到高温物体，空调机制冷时必须通过压缩机做功才能实现热量从低温物体传递到高温物体．
【答案】 A
变式训练1 解析：A、B错：一杯热茶在打开杯盖后，茶会自动变得更热，蒸汽机把蒸汽的内能全部转化成机械能，都违背了热力学第二定律，故不能发生．
C对：泥、水分离是由于重力作用，能够发生．
D对：由热力学第二定律可知，电冰箱通电后把热量由低温物体传到高温物体是可以通过消耗电能的方式实现的，故能够发生．
答案：CD
变式训练2 解析：A对：与热现象有关的宏观自然过程都具有方向性，无论采用什么设备和手段进行能量转化，总是遵循“在没有引起其他变化的情况下，机械能可全部转化为内能，而内能不能全部转化为机械能”．
B错：由焦耳定律可知，电能可以全部转化为内能．
C对：火力发电机发电时，能量转化的过程为化学能→内能→机械能→电能，因为燃气的内能向机械能的转化过程中会对外放出热量，故燃气的内能不能全部转变为电能．
D对：热量从低温物体传递到高温物体不能自发进行，必须借助外界的帮助．
答案：ACD
【例2】 【解析】 热力学第一定律揭示了内能与其他形式的能之间的转化关系，是能量守恒定律在热学中的具体体现．热力学第二定律则进一步阐明了内能与其他形式的能转化时的方向性，二者表述的角度不同，本质不同，并不矛盾，故B项正确．
【答案】 B
变式训练3 解析：A、B对：热力学第二定律有几种不同的表述形式，但它们是等效的，它与热力学第一定律是各自独立的．
C错：由热力学第一定律可知W≠0，Q≠0，但ΔU＝W＋Q可以等于0.
D对：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．
答案：ABD
要点二
【例3】 【解析】 A、B错：能量在转化和转移过程中，总量是守恒的．
C错，D对：能量在转化和转移过程中总量保持不变，但能量的转化和转移具有方向性，且现有可利用的能源有限，我们要注意节约能源．
答案：D
变式训练4 解析：A错：自然界的一切过程都遵守能量守恒定律．
B错，D对：功是能量转化的量度，做同样的功，消耗同样电能．
C对：由变频空调的工作特点可知其省电的原因是效率高．
答案：CD
随堂演练 达标检测
1．解析：取房间内气体及电冰箱(有散热装置)为系统，外界消耗电能，对系统做功，系统总内能增加，房间内温度升高．
答案：B
2．解析：热力学第二定律是一个经验定律，它并不能通过理论和实验来证明，但它符合客观事实，因此是正确的，它揭示了宏观过程的方向性，对我们认识自然和利用自然有着重要的指导意义．
答案：B
3．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可知，热量不能自发地从低温物体传到高温物体，必须借助于外界做功，A错误、B正确，故选B、C.
答案：BC
4．解析：根据内燃机燃料燃烧能量走向示意图分析可知，能量流失的形式：①克服机械间的摩擦损失了一部分能量；②排放的废气带走大部分能量．
机械效率等于有用功与总功的比值，总功W总＝＝＝4.5×105
J；根据能量守恒定律可知，W总＝Qm，消耗的汽油m＝＝＝0.01
kg＝10
g.
答案：①克服机械间的摩擦损失了一部分能量 ②排放的废气带走大部分能量 10
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8
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