物理选修第三册第一节 物体的内能优质ppt课件

这是一份物理选修第三册第一节 物体的内能优质ppt课件，共60页。PPT课件主要包含了物体的内能，焦耳的实验，典例分析，热力学第一定律，能量守恒定律，热力学第二定律，能源是有限的等内容，欢迎下载使用。

在空气压缩引火仪底部放置少量的硝化棉，迅速压下筒中的活塞，可以观察到硝化棉燃烧的火苗。为什么筒底的硝化棉会被点燃呢？你能解释这个现象吗？
分子不停地做无规则运动，那么，像一切运动着的物体一样，做热运动的分子也具有动能，这就是分子动能。
物体内大量分子永不停息地做无规则热运动，对于每个分子来说都有无规则运动的动能。由于物体内各个分子的速率大小不同，因此，各个分子的动能大小也不同。又因为热现象是大量分子无规则运动的结果，所以研究个别分子运动的动能是非常困难、也是没有必要的。于是要研究大量分子热运动的动能，只有将所有分子热运动动能的平均值求出来才有意义，这个平均值就叫做分子热运动的平均动能。
在热现象的研究中，我们关心的是组成系统的大量分子整体表现出来的热学性质，因而，这里重要的不是系统中某个分子的动能大小，而是所有分子的动能的平均值。这个平均值叫作分子热运动的平均动能。
物体中分子热运动的速率大小不一，所以各个分子的动能也有大有小，而且在不断改变。
温度是描述物体大量分子无规则运动剧烈程度的物理量。温度升高时，分子的热运动加剧，温度越高，分子热运动的平均动能越大。温度越低，分子热运动的平均动能越小。
①宏观含义：温度是描述物体冷热程度的物理量
温度是分子热运动的平均动能的标志
温度是分子热运动平均动能的唯一标志。
①温度升高，分子的平均动能一定增大，但并不代表所有分子的动能都增大。
②分子的平均动能只与温度有关，与物体的种类及所处的状态无关
由于不同物质的分子质量一般不同，所以同一温度下，不同物质的分子热运动的平均动能相同，但平均速率一般不同。
所有分子热运动的动能总和等于分子的平均动能与分子数的乘积。
与分子的 总个数 和 平均动能 有关
与 物质的量 和 温度 有关
设空间存在两个不受外界影响的分子，两个分子相距无穷远，让一个分子A不动，另一个分子B从无穷远处逐渐靠近A。
①当r>r0时，分子力为引力，力的方向与分子的位移方向相同，分子力做正功。
定性分析分子力做功情况
②当r 分子势能的大小由分子间的相对位置决定，这说明分子势能Ep与分子间距离r是有关系的。那么，它们之间存在怎样的一种关系呢?
半定量分析分子力做功情况
分子作用力曲线与r轴之间所围面积等于分子力所做的功。
①当r>r0时，分子力做正功，所围面积在r轴下方，r不断减小，分子力做正功越来越多，所围面积越来越大。
②当r半定量分析分子势能变化情况
取无穷远处分子势能为0
分子力所做的功等于分子势能的减少
①当r>r0时，r不断减小，分子力做正功越来越多，分子势能越来越小。
③当r②当r＝r0时，分子势能最小且小于0。
物体的体积变化时，分子间距离将发生变化，因而分子势能随之改变。可见，分子势能与物体的体积有关。
【决定分子势能的因素】：
从宏观上看：分子势能跟物体的体积有关。从微观上看：分子势能跟分子间距离r有关。
一般选取两分子间距离无穷远时，分子势能为零。
当两分子间距离r＝r0时，分子势能最小且小于零。
① 在r＞r0的条件下，分子力为引力，当两分子逐渐靠近至r0过程中（r↓），分子力做正功，分子势能减小。
在r＜r0的条件下，分子力为斥力，当两分子间距离增大至r0过程中（r↑），分子力也做正功，分子势能也减小。
③在r≥10r0时，分子力可以忽略，若取此时的分子势能为0。则分子势能与分子间距离的关系：
无限远时分子势能EP=0
当r=r0时,分子势能最小且小于零.
向上平移即可，势能改变是绝对的。
注意：1、若取 r0处为零势能点，则分子势能都大于0.2、分子势能为0和分子势能最小的含义不同。如前者与选择的零势能点有关，后者的位置确定在r=r0处。
物体中所有分子的热运动动能与分子势能的总和。
内能（internal energy）：
⑴内能普遍性：任何物体都具有内能
一切物体都是由分子组成
所有分子都在永不停息地做无规则热运动
⑵决定物体内能的因素（内能是对大量分子而言的，对单个分子来说无意义）
①从宏观上看：物体内能的大小由物体的摩尔数、温度和体积三个因素决定。
②从微观上看：物体内能的大小由组成物体的分子总数，分子热运动的平均动能和分子间的距离三个因素决定。 
分子间有作用力，由分子间相对位置决定的势能
物体中所有分子热运动的动能和分子势能的总和
温度 体积 质量
分子热运动剧烈程度分子距离分子个数
同一个物体温度升高时内能增大，温度降低时内能减小。
分析：用活塞压缩空气对空气做功，空气内能增大，温度升高，达到燃点棉花燃烧。
冬天搓手可使双手变暖；向手吹气也可使双手变暖，是什么原因使温度发生了变化呢？
改变系统的热力学状态的方法：做功和传热（热传递）
1818年12月24日生于英国曼彻斯特 ，起初研究电学和磁学,从1840年开始，英国物理学家焦耳进行了多种多样的实验，以求精确测定外界对系统做功和传热对于系统状态的影响，以及功与热的相互关系（热功当量）。这项研究工作为热力学第一定律和能量守恒定律的建立奠定了坚实的实验基础。
重物下落带动轮叶旋转，通过搅拌对绝热容器内的液体做功，使液体升温，即状态发生变化.
焦耳热功当量实验装置——对系统做机械功
⑶研究对象——热力学系统：
——封闭系统：与外界没有物质交换，但有能量交换。
系统状态变化过程中，（只由于外界对它做功而与外界交换能量）系统不从外界吸热，也不向外界放热。
⑸焦耳的多次实验测量结论
尽管各次悬挂重物的质量不同，下落的高度也不一样，但只要重力所做的功相同，容器内水温上升的数值都是相同的，即系统状态的变化是相同的。
3、焦耳的这些实验结论
水与叶片摩擦而温度上升
发热丝对水加热温度上升
做功的数量只由过程始末两个状态1、2决定，而与重物的质量、做功的次数无关。
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。
在热力学系统的绝热过程中，外界对系统所做的功仅由过程的始末两个状态决定，不依赖于做功的具体过程和方式。
类比思考： 哪些力做功仅由物体的起点和终点两个位置决定，与物体的运动路径无关？
电场力做功对应电势能（电能）
★热功当量：做功和热传递对改变物体的内能是等效的。
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，这个物理量在初末两个状态间的差别与外界在绝热过程中对系统所做的功相联系.我们把这个物理量称为系统的内能。
⑵微观定义（分子动理论对内能的定义）：
物体中所有分子的热运动动能和分子势能的总和，叫做物体的内能。
⑴宏观定义（热力学对内能的定义）：
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一种能量，这种能量叫做系统的内能。
微观：分子热运动的激烈程度、分子间距、分子数。
宏观：温度、体积、物质的量（状态）。
在热力学系统的绝热过程中，系统从状态1经过绝热过程达到状态2。
对绝热系统做功：当系统从状态1经过绝热过程达到状态2时，内能的增加量△U=U2-U1就等于外界对系统所做的功W，即∆U=W。
说明：内能与内能变化(1)物体的内能是指物体内所有分子热运动的动能和分子势能之和。(2)当物体温度变化时，分子平均动能变化。物体体积变化时，分子势能发生变化，即物体的内能是由它的状态决定的，且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。
如果一个热学过程的状态变化发生得极快、经历时间很短，系统与外界交换的热量就很少，即系统与外界来不及交换热量，这样的过程若不计传递的热，可以看成绝热过程。
取一个透明塑料瓶，向瓶内注入少量的水。将橡胶塞打孔，安装上气门嘴，再用橡胶塞把瓶口塞紧，并向瓶内打气，观察橡胶塞跳出时瓶内的变化。
当橡胶塞跳出时，瓶内出现白雾。
以瓶内气体为研究对象，橡胶塞跳出后，瓶内的气体迅速膨胀，系统对外做功，因此，气体的内能迅速减少，瓶内气体温度迅速下降，瓶内水蒸气液化，就会出现大量的雾状小水滴。
热学过程的状态变化发生得极快、经历时间很短，系统与外界交换的热量就很少，即系统与外界来不及交换热量，这样的过程若不计传递的热，可以看成绝热过程。
气体膨胀，系统对外做功
内能↓，温度↓，液化，雾状
说明：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；物体对外界做多少功，就有多少内能转化为其他形式的能，物体的内能就减少多少；
在绝热过程中，功是系统内能转化的量度： ∆U=W
生活中常见的一些热现象
两个温度不同的物体A、B相互接触时，温度低的物体B要升温，我们说，热从高温物体A传到了低温物体B。这个过程称之为热传递(传热)。
单纯地对系统传热也能改变系统的热力学状态
当系统从状态1经过单纯的传热达到状态2，内能的增量△U=U2-U1就等于外界向系统传递的热量Q，即在外界对系统不做功的情况下，外界传递给系统的热量等于系统内能的改变量。
热量（Q）：是在单纯的传热过程中系统内能变化的量度.（过程量，国际制单位焦耳）
1、定义：两个温度不同的物体互相接触时温度高的物体要降温，温度低的物体要升温，并将持续到系统间达到热平衡即温度相等为止，我们说热量从高温物体传到了低温物体，这个过程称之为热传递（传热）.
2、发生条件：物体之间或物体的不同部分之间存在温度差。
两物体或物体的各个部分温度相同。（即达到热平衡）
能量的转移，改变系统的内能。
热传递传递的是热量，而不是温度。
3、传递规律：从高温物体传向低温物体。
7、热传递有三种方式：热传导、热对流、热辐射
热传导－－热沿着物体传递的热传递方式，不同物质传导热的能力各不相同，容易传导热的物体称之为热的良导体，所有金属都是热的良导体，不容易传导热的物体称之为热的不良导体，如空气、橡胶、绒毛、棉纱、木头、水、油等 热对流－－靠液体或气体的流动来传递热的方式，热对流是液体和气体所特有的热传递方式热辐射－－热从高温物体向周围以电磁波的形式沿直线射出去的方式，热辐射不依赖媒介质，可在真空中进行，温差越大，表面颜色越深，物体向外的热辐射能力越强
说明:（1）像做功一样，热量的概念也只有在涉及能量的传递时才有意义.所以不能说物体具有多少热量，只能说物体吸收或放出了多少热量. （2）物体从外界吸热，物体内能增加。物体对外界放热，物体内能减少。
做功使物体内能发生改变，内能的改变就用功的数值来量度。
热传递使物体的内能改变，是物体间内能的转移（同种形式能量的转移），从微观角度，传热是在分子相互作用下，通过分子热运动的碰撞实现内能的转移。
热传递使物体的内能发生改变，内能的改变用热量来量度。
2、做功和热传递在本质上是不同的：
做功使物体的内能改变，是其他形式的能量和内能之间的转化（不同形式能量间的转化）
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)。
热量是系统的内能变化的量度，而温度是系统内大量分子做无规则运动剧烈程度的标志。热传递的前提条件是两个系统之间要有温度差，传递的是热量而不是温度。
【特别提醒】只要存在温度差，热传递过程就会进行，与原来物体内能的多少大小无关。热传递过程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。
对于某物体，是否其温度升高，内能就一定增加；是否向物体传递能量，物体的内能就一定增加，分别说明原因？
通常情况下，对固体或液体，由于体积变化不明显，主要是通过温度的变化来判断内能是否改变。
★★★物体的温度升高，其内能一定增加；但物体内能增加，温度不一定升高。特殊情况：例如晶体熔化时，内能增加，温度不变。
一定质量的0℃的冰熔解成的0℃的水，虽然温度不变，但是因为吸收热量，所以其内能一定增大（分子势能增大）。
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）。
1、如果一个系统达到了平衡态，那么这个系统各处的（ ）A.温度、压强、体积都必须达到稳定的状态不再变化B.温度一定达到了某一稳定值，但压强和体积仍是可以变化的C.温度一定达到了某一稳定值，并且分子不再运动，达到了“凝固”状态D.温度、压强稳定，但体积仍可变化
2、下列说法正确的是（ ）A.放在腋下足够长时间的水银体温计中的水银与人体达到热平衡B.温度相同的棉花和石头相接触，需要经过一段时间才能达到热平衡C.若a与b、c分别达到热平衡，则b、c之间也达到了热平衡D.两物体温度相同，可以说两物体达到了热平衡
3、关于温度与温标，下列说法正确的是( )A.用摄氏温标和热力学温标表示温度是两种不同的表示方法B.水的沸点为100 ℃，用热力学温度表示即为373.15 KC.水从0 ℃升高到100 ℃，用热力学温度表示即为从273.15 K升高到373.15 KD.温度由摄氏温度t升至2t，对应的热力学温度由T升到2T
4、关于物体的内能，下列说法正确的是（　 ）A.相同质量的两种物体，升高相同的温度，内能增量一定相同B.一定量0℃的水结成0℃的冰，内能一定减少C.一定量气体体积增大，但既不吸热也不放热，内能一定减少D.一定量气体吸收热量而保持体积不变，内能一定减少
5、关于温度与温标，下列说法正确的是( )A.用摄氏温标和热力学温标表示温度是两种不同的表示方法B.水的沸点为100 ℃，用热力学温度表示即为373.15 KC.水从0 ℃升高到100 ℃，用热力学温度表示即为从273.15 K升高到373.15 KD.温度由摄氏温度t升至2t，对应的热力学温度由T升到2T
温标是温度数值的表示方法，常用的温标有摄氏温标和热力学温标，选项A正确；根据T＝t＋273.15 K可知，100 ℃相当于热力学温度373.15 K，水从0 ℃升高到100 ℃，即从273.15 K升高到373.15 K；温度由摄氏温度t升高到2t，对应的热力学温度从T＝t＋273.15 K升高到2t＋273.15 K，选项B、C正确，D错误。
6、关于物体的内能，下列说法正确的是（　 ）A.相同质量的两种物体，升高相同的温度，内能增量一定相同B.一定量0℃的水结成0℃的冰，内能一定减少C.一定量气体体积增大，但既不吸热也不放热，内能一定减少D.一定量气体吸收热量而保持体积不变，内能一定减少
内能是物体内所有分子的动能和相互作用的势能之和。相同质量的两种物体，分子数不同，初始温度及分子间相互作用都不尽相同，升高相同的温度时，内能增量不一定相同，项A错误；0℃的水结成0℃的冰，既放出热量，又增大体积对外做功，因此，其内能一定减少，B项正确；一定量气体经历绝热膨胀过程，对外做功，气体的内能一定减少，选项C正确；一定量气体吸收热量而体积不变，气体不对外做功，内能一定增加而不可能减少，D项错误。
第二节 能量的转化与守恒
压缩气体，内能增大，给气体加热内能也是增大。两者叠加所以就更明显。
汽缸内有一定质量的气体，压缩气体的同时给汽缸加热。那么，气体内能的变化会比单一方式（做功或传热）更明显。这是为什么呢？
另一方面也向我们表明，为了改变系统的状态，做功和传热这两种方法是等价的。也就是说，一定数量的功与确定数量的热相对应。
一方面表明，以不同的方式对系统做功时，只要系统始末两个状态是确定的，做功的数量就是确定的；
单纯地对系统做功做功：
当外界既对系统做功又对系统传热时，内能的变化量就应该是：
1、内容：一个热力学系统的内能变化量（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、物理意义：热力学第一定律不仅反映了做功与传热在改变系统内能方面是等效的，而且给出了功、热量跟系统内能改变之间的定量关系.
ΔU ：物体内能的增加量
W： 外界对物体做的功
Q： 物体吸收的热量
4、推广：上式也适用于物体对外做功、向外界散热和内能减少的情况。但要注意各量的符号.
定律中各量的正、负号及含义 ΔU = W + Q
5、判断是否做功的方法
一般情况下外界对系统做功与否，需要看物体的体积是否变化。①若系统体积增大，表明系统对外界做功，W ＜ 0；②若系统体积减小，表明外界对系统做功，Ｗ ＞ 0．
(1)若过程是绝热的，即Q＝0，则ΔU＝W，系统内能的增加量等于外界对物体做的功。(2)若过程中不做功（单纯传热），即W＝0，则ΔU＝Q，系统内能的增加量等于物体从外界吸收的热量。(3)若过程的始末状态系统的内能不变，即ΔU＝0，则W＝－Q(或Q＝－W)，外界对系统做的功等于系统放出的热量(或系统吸收的热量等于系统对外界做的功)。(4)对于理想气体，温度变化，内能一定变化，等温过程ΔU＝0。
【特别提醒】 (1)当做功和热传递同时发生时，物体的内能可能增加，也可能减小，还可能保持不变。(2)物体内能发生变化可能是由做功引起的，也可能是由热传递引起的，还可能是两者共同作用的结果。
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.
1、 第一类永动机 概念：不需要任何动力或燃料，却能源源不断地对外做功. 结果：无一例外地归于失败. 原因：违背了能量守恒定律.
3、热力学第一定律的另一种表达：第一类永动机是不可能造成的。
第一类永动机是不能制成的
人们曾期望设计一种永动机，这种机器不消耗任何能量，却能源源不 断地对外做功，这类永动机称为第一类永动机。
在物理学中，若系统经历任意过程回到初始状态，即∆ U = 0 ，称系统经历一个循环过 程。根据热力学第一定律，若系统 (机器) 不断地对外做功，则必须从外界吸收热量。所 以，既不消耗内能又不借助外界能量而不断对外做功是不可能的，即第一类永动机是不能 实现的。因此，热力学第一定律也可以表述为“第一类永动机是不能制成的”。
大量事实证明，任何制造永动机的设想无论看上去多 么巧妙，最终都是无法实现的。虽然制造永动机的梦想最 终破灭，但是人们从研制永动机所经历的无数次失败和挫 折中吸取了教训，从而进一步研究各种不同形式的能量的 转化规律。
能量的概念是人类在对物质运动规律进行长期探索中建立起来的。所有自然现象都涉及能量，人类的任何活动都离不开能量。
不同形式的运动都可以用能量来描述
可以用能量的观念把热、电、光、磁等都统一起来描述
⑵各种形式的能量之间可以相互转化
机械能的各种形式之间可以相互转化
在认识自然的进程中，科学家慢慢知道了要用联系的观点去观察自然。
2、能量守恒观念的形成
俄国化学家盖斯：任何一个化学反应，不论是一步完成，还是分几步完成，放出的总热量相同。
表明一个系统（即参加化学反应的几种物质）存在着一个与热量相关的物理量，在一个确定的化学反应中这个量是不变的。
德国医生迈尔通过比对不同地区人血颜色的差异，认识到食物中化学能与内能的等效性，即生物体内能量的输入和输出是平衡的。另外，他还通过海水在暴风雨中较热的现象，猜想热与机械运动的等效性。他在1841年和1842年连续写出“论‘自然力’（指能量）守恒”的论文，并推算了多少热与多少功相当。因此，迈尔是公认的第一个提出能量守恒思想的人。
化学反应放出的热量与反应步骤无关
概括和总结能量守恒定律
能量守恒不是由某一个人通过某一项的研究而得到的。
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．
热机中的气体推动活塞做功：
2、能量守恒定律的历史意义：能的转化和守恒定律是19世纪自然科学中三大发现之一（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），也庄严宣告了永动机幻想的彻底破灭. 能量守恒定律是认识自然、改造自然的有力武器，这个定律将广泛的自然科学技术领域联系起来，使不同领域的科学工作者有一系列的共同语言.
①自然界存在着多种不同形式的运动，每种运动对应着一种形式的能量
原子核内部的运动——原子能
②不同形式的能量之间可以相互转化。
③能量守恒定律适用于任何物理现象和物理过程
4、能量守恒定律的特例
能量守恒在机械能范围内的表现
能量守恒在热力学范围内的表现
区别：热力学第一定律和机械能守恒定律能够给出具体的定量形式，而能量守恒定律却给不出。
1、某汽车的四冲程内燃机利用奥托循环进行工作，该循环可视为由两个绝热过程和两个等容过程组成如图所示为一定质量的理想气体所经历的奥托循环，则该气体（ ） A.在 a→b 的过程中，外界对其做的功全部用于增加内能 B.在状态 a 和 c 时气体分子的平均动能可能相等 C.在 b→c 的过程中，气体温度不变 D.在一次循环过程中气体吸收的热量小于放出的热量
2、气闸舱是载人航天器中供航天员进入太空或由太空返回用的气密性装置，其原理图如图所示。座舱A与气闸舱B之间装有阀门K，座舱A中充满空气，气闸舱B内为真空。航天员从太空返回气闸舱时，打开阀门K，A中的气体进入B中，最终达到平衡。假设此过程中系统与外界没有热交换，舱内气体可视为理想气体，下列说法正确的是（　 ）A.气体并没有对外做功，气体内能不变B.气体温度不变，体积增大，压强减小C.气体体积膨胀，对外做功，内能减小D.气体体积变大，气体分子单位时间对气缸壁单位面积碰撞的次数将变少
3、如图，一台四冲程内燃机，活塞在压缩冲程某段时间内移动的距离为0.1 m，这段过程活塞对气体的压力逐渐增大，其做的功相当于2×103N的恒力使活塞移动相同距离所做的功（图甲）。内燃机工作时汽缸温度高于环境温度，该过程中压缩气体传递给汽缸的热量为25J。⑴求上述压缩过程中气体内能的变化量。
①确定研究对象：汽缸中的气体。
（1）压缩过程活塞（外界）对气体（系统）做功，W是正值：
W1= F1l1= 2×10²×0.1 J = 200 J
系统向外放热：Q=-25J
气体内能的变化量：ΔU1= W1＋Q1= 200 J -25 J = 175 J
③正确选取W与Q的正负。
②明确气体状态变化过程。
4、如图，一台四冲程内燃机，活塞在压缩冲程某段时间内移动的距离为0.1 m，这段过程活塞对气体的压力逐渐增大，其做的功相当于2×103N的恒力使活塞移动相同距离所做的功（图甲）。内燃机工作时汽缸温度高于环境温度，该过程中压缩气体传递给汽缸的热量为25J。⑵燃烧后的高压气体对活塞做功，气体推动活塞移动0.1m，其做的功相当于9×103N的恒力使活塞移动相同距离所做的功（图乙），该做功过程气体传递给汽缸的热量为30J，求此做功过程气体内能的变化量。
（2）气体膨胀过程中气体（系统）对外界所做功，W是负值：
W2= F2L2=-9×10²×0.1 J =-900 J
系统向外放热：Q=-30J
气体内能的变化量：ΔU2= W2＋Q2=-900 J - 30J =-930 J
5、某汽车的四冲程内燃机利用奥托循环进行工作，该循环可视为由两个绝热过程和两个等容过程组成如图所示为一定质量的理想气体所经历的奥托循环，则该气体（ ） A.在 a→b 的过程中，外界对其做的功全部用于增加内能 B.在状态 a 和 c 时气体分子的平均动能可能相等 C.在 b→c 的过程中，气体温度不变 D.在一次循环过程中气体吸收的热量小于放出的热量
a→b 过程为绝热压缩过程，外界对其做正功，根据热力学第一定律，外界对其做的功全部用于增加内能，故 A 正确；由 A 的分析可知，状态 b 的温度比 a 的温度高，由状态 b 到 c 的过程是等容过程，压强增大，温度升高，所以 c 状态的温度大于 a 状态的温度，故气体分子的平均动能不可能相等，故 BC 错误；在 b→c 的过程中，气体吸收热量，从 c→d 是绝热过程，气体对外做功，从 d→a 是等容过程，温度降低，气体放热，在一次循环过程中，气体内能变化为零，而图像中 abcd 的面积为气体对外做功，所以气体吸收的热量大于放出的热量，故 D 错误。
6、如图所示，内壁光滑的绝热汽缸固定在水平面上，其右端由于有挡板，厚度不计的绝热活塞不能离开汽缸，汽缸内封闭着一定质量的理想气体，活塞距汽缸右端的距离为0.2 m.现对封闭气体加热，活塞缓慢移动，一段时间后停止加热，此时封闭气体的压强变为2×105 Pa.已知活塞的横截面积为0.04 m2，外部大气压强为1×105 Pa，加热过程中封闭气体吸收的热量为2 000 J，则封闭气体的内能变化量为（ ） A.400 J B.1200 J C.2 000 J D.2 800 J
解析：由题意可知，气体先等压变化，到活塞运动到挡板处再发生等容变化，等压变化过程气体对外做功，做功为W＝－p0Sx＝－1×105×0.04×0.2 J＝－800 J，由热力学第一定律可知，封闭气体的内能变化量为ΔU＝W＋Q＝(－800＋2 000)J＝1200 J。
7、一定质量的理想气体，从状态a开始，经历ab、bc、ca三个过程回到原状态，其V－T图像如图所示，其中图线ab的反向延长线过坐标原点O，图线bc平行于T轴，图线ca平行于V轴，则（ ）A.ab过程中气体压强不变，气体从外界吸热B.bc过程中气体体积不变，气体不吸热也不放热C.ca过程中气体温度不变，气体从外界吸热D.整个变化过程中气体的内能先减少后增加
8、如图所示容器中,A、B各有一个可自由移动的轻活塞,活塞下面是水,上面为空气,大气压恒定。A、B底部由带有阀门K的管道相连,整个装置与外界绝热。原先A中的水面比B中高,打开阀门,使A中的水逐渐向B中流,最后达到平衡。在这个过程中 (　　)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
打开阀门K后,据连通器原理,最后A、B两管中的水面将相平,如图所示,即A中水面下降,B中水面上升;设A管横截面积为S1,水面下降距离为h1,B管横截面积为S2,水面上升距离为h2,由于水的总体积保持不变,则有S1h1=S2h2,A管中大气压力对水做的功:W1=p0S1h1,B管中大气压力对水做的功:W2=-p0S2h2,大气压力对水做的总功:W=W1+W2=p0S1h1-p0S2h2,因为S1h1=S2h2,所以W=0,即大气压力对水不做功;由于水的重心降低,重力势能减小,由能量守恒定律知水的内能增加。故D正确。
9、如图所示,有人设计了这样一台“永动机”:距地面一定高度架设一个水槽,水从槽底的管中流出,冲击一个水轮机,水轮机的轴上安装一个抽水机和一个砂轮。他指望抽水机把地面水槽里的水抽上去,这样循环不已,机器不停地转动,就可以永久地用砂轮磨制工件做功了。请你分析一下,高处水槽中水的势能转变成哪几种形式的能,说明这个机器是否能够永远运动下去。
取顶部水槽中流出的水为研究对象,在其从顶部水槽中流出至底部水槽的过程中,它的重力势能一部分转化为自身的动能,一部分转化为水轮机、抽水机、砂轮的动能,一部分转化为砂轮和工件的内能,还有一部分转化为抽水机抽上的水的重力势能。由能的转化和守恒定律知,抽水机抽上的水的重力势能必然小于流下的水的重力势能,如果上抽的水管的横截面积大于或等于下流的水管的横截面积,则根本不可能将底部水槽中的水抽至顶部水槽,即使上抽水管的横截面积小于下流水管的横截面积也不一定能将水抽上去,如果上抽水管比下流水管细很多且能够将底部水槽中的水抽至顶部水槽,则相等时间里抽上去的水也要比流下的水的质量小得多,最后顶部水槽中的水很快就会流光。
10、(多选)约翰·维尔金斯设计了一种磁力“永动机”,如图所示,在斜坡顶上放一块强有力的磁铁,斜坡上端有一个小孔,斜面下有一个连接小孔直至底端的弯曲轨道。维尔金斯认为:如果在斜坡底端放一个小铁球,那么由于磁铁的吸引,小铁球就会向上运动,当小球运动到小孔P处时,它就要掉下,再沿着斜面下的弯曲轨道返回斜坡底端Q,由于有速度而可以对外做功,然后又被磁铁吸引回到上端,到小孔P处又掉下。关于维尔金斯“永动机”,正确的认识应该是(　 　) A.一定不可能实现B.如果忽略斜面的摩擦,维尔金斯“永动机”一定可以实现C.如果忽略斜面的摩擦,铁球质量较小,磁铁磁性又较强,则维尔金斯“永动机”可以实现D.违背能量守恒定律
维尔金斯“永动机”不可能实现,因为它违背了能量守恒定律。小球上升过程中,磁场力对小球做正功,使小球增加了机械能;但小球下落时,同样也受到磁场力,而且磁场力做负功,这个负功与上升过程的正功相互抵消,可见,即使忽略摩擦,要想在Q处对外做功,也是没有能量来源的,所以维尔金斯“永动机”不可能实现。故选AD。
11、如图所示，直立的绝热容器内部有被隔板隔开的A和B两部分气体，A的密度较小，B的密度较大，抽去隔板，加热气体，使两部分气体均匀混合，设在此过程中气体吸收的热量为Q，气体内能增量为ΔU，则(　　)A.ΔU=Q　　　　B.ΔUQ D.无法比较
据题意，A的密度小，B的密度大，两气体均匀混合后整体的重心升高，重力势能增加，吸收的热量一部分用来增加内能，一部分用来增加系统的重力势能，根据能量守恒定律可知：ΔU12、在一个标准大气压下，水在沸腾时，1 g的水由液态变成同温度的水蒸气，其体积由1.043 cm3变为1676 cm3。在物理学中，单位质量的物质在一定温度下从液态变成气态时，所吸收的热量叫作汽化热。已知水的汽化热为2263.8 J/g。一个标准大气压p＝1.013×105 Pa。求1 g水在沸腾汽化的过程中：(1)体积膨胀时对外界做的功W；(2)吸收的热量Q；(3)增加的内能ΔU。
解析　取1 g水为研究系统，把大气视为外界。(1)等压(大气压)膨胀时对外界做的功：W＝p(V2－V1)＝1.013×105×(1676－1.043)×10－6 J≈169.7 J。(2)吸收的热量：Q＝mL＝1×2263.8 J＝2263.8 J。(3)根据热力学第一定律，增加的内能：ΔU＝Q＋(－W)＝2263.8 J＋(－169.7 J)＝2094.1 J。
第三节 能量转化的方向性
生活经验告诉我们，诸如热传递、摩擦生热等实际过程可以自发地朝某个方向进行， 而它们的逆过程即使不违背能量守恒定律，也不能自发地进行。大量事实表明，涉及热现象的自然过程都有方向性。这就是说，一切与热现象有关的 宏观自然过程都是不可逆的。
能量守恒定律告诉我们，在自然界发生的一切过程中能量都是守恒的，一个导致能量创生或能量消失的过程是不可能出现的。
符合能量守恒定律的宏观过程都能自发地进行吗？
物体间的热传递有特定的方向性：
只能自发地从高温物体传递到低温物体，或从物体的高温部分传递到物体的低温部分。
凡是实际的过程，只要涉及热现象，都有特定的方向性。例如上面列举的这些例子，而相反的过程，即使不违背能量守恒定律，也不会自发地进行。这就是说，一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的。
反映宏观自然过程的方向性的定律就是热力学第二定律。
1850年，德国物理学家克劳修斯(R.Clausius，1822-1888)将热力学第二定律表述为：
1、热力学第二定律的克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传到高温物体.（即：不可能制造这样一台机器，在一个循环动作后，只是将热量从低温物体传到高温物体，而不引起其他变化）
Q1：向高温热库放出的热量
Q2：从低温热库吸收的热量
热力学第二定律是用否定语句表述的（绝大多数物理定律都是用肯定语句表述的），它告诉我们什么样的过程不可能发生。
⑴这里阐述的是热传递的方向性。
⑵“自发”二字的意义：
当两个物体接触时，不需要任何第三者的介入、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。
⑶克劳修斯表述也相当于：
不可能造成这样一台制冷机器，W→0，ε→∝，该机器在一个循环动作完成后，外界没有变化，唯一的结果是把Q2从低温物体传送到高温物体。
当两个温度不同的物体接触时，这个“自发”的方向是从高温物体指向低温物体的。
(3)如果设想克劳修斯表述不成立，即在无任何外界做功的情况下，热量就能从低温热源传向高温热源.按此设想就可制成一种无功致冷机，如图所示，它无需消耗功就能致冷。克劳修斯表述否定了这种可能性.
(2) 要实现相反方向的过程，必须借助外界的帮助，因而产生其它影响或引起其它变化。如果允许“其它变化”，例如利用致冷机做功，热量可以从低温物体传到高温物体上，而致冷机做功就属于“其它变化”。如：夏天空调压缩机工作时，可将室内低温空气的热量传到室外高温的空气中去。
(1)克劳修斯表述阐述的是传热的方向性——两个温度不同的物体相互接触时,热量可以自发地从高温物体传向低温物体。强调了“在不引起其它的变化的条件下，热量不可能自发地从低温物体传到高温物体.”
电冰箱通电后箱内温度低于箱外温度，并且还会继续降温，直至达到设定的温度。显然这是热量从低温物体传递到了高温物体。这一现象是否违背热力学第二定律呢？
电冰箱工作时热量的确从低温物体——冰箱内的食品，传到了高温物体——冰箱外的空气。但是这不是自发的过程，这个过程必须有第三者的介入，即压缩机消耗电能，对制冷系统做了功。
1851，英国物理学家开尔文将热力学第二定律表述为：
1、热力学第二定律的开尔文表述： 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。（即：不可能制造这样一台机器，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，而不引起其他变化）
Q1：从高温热库吸收的热量
Q2：向低温热库散发的热量
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或大气中。
热力学第二定律的开尔文表述
⑴这里阐述的是机械能与内能转化的方向性。
⑵“不可能从单一热库吸收热量”的意义：
不仅要从一个热库吸热，而且一定会向另一个热库放热。
机械能可以全部转化为内能，而内能无法全部用来做功以转换成机械能。
⑶克劳修斯表述也可以改为：
第二类永动机是不可能制造成功的。
（1）开尔文表述揭示机械能与内能转化方向性——机械能可以全部转化为内能，而内能无法全部用来做功以转换成机械能。
（2）“不可能从单一热库吸收热量”指：不仅要从一个热库吸热，而且一定会向另一个热库放热。单独提供热不足以给出推动力，还必须要冷。没有冷，热将是无用的。
（3）“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。
（4）自然界的一切自发过程都不可逆。
在整个自然界中，无论是他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。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。
功  热：可自动进行(如摩擦生热、焦耳实验)
热  功：不可自动进行(焦耳实验中，不可能水温自动降低推动叶片而使重物升高)
思考：假设能避免这些损失，热机燃料产生的热量Q=W？
燃料在燃烧（高温物体）
冷凝器或大气（低温物体）
热机在工作过程中必然排出部分热量，热机用于做功的热量一定小于它从高温热库吸收的热量，即
4、热力学第二定律的两种表述之间的关系
1、热量不能自发地从低温物体传到高温物体.
1、按热传递的方向性来表述
2、是按机械能与内能转化过程的方向来表述.
2、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.
①两种表述是等价的 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。 ②对任何一类宏观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：气体向真空的自由膨胀是不可逆的。
6、热力学第二定律得其他描述：
（1）一切宏观自然过程的进行都具有方向性。
（2）气体向真空的自由膨胀是不可逆的。
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,
7、热力学第二定律的适用范围
8、与热力学第一定律的关系 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.
5、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。 
不管如何表述，热力学第二定律的实质在于揭示了：一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的。
能量守恒定律在热力学中的表现，否定了创造能量和消灭能量的可能性，从而否定了第一类永动机。
是关于在有限空间和时间内，一切和热现象有关的物理过程、化学过程具有不可逆性的经验总结，从而否定了第二类永动机。
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。
热力学第二定律与第一定律的比较
热力学第二定律的开尔文表述和克劳修斯表述是等价的
Q1──热机从T1吸热A ──热机输出功Q2──热机从T2吸热Q1+Q2──致冷机向T1放热
证明：用反正法（假设开尔文表述不成立）
假设：热机从高温热源T1 吸收热量Q1 ，全部变成有用功A而不产生其它影响。
用这部热机做的功A去驱动另一部制冷机，它从低温热源T2吸收热量Q2 ，在高温热源放出A + Q2 ＝ Q1 +Q2，于是两部机器合起来，总的效果等于一部机器，它从低温热源T2吸收热量Q2 ，在高温热源放出Q2 ，此外没有其它变化，这是违反克劳修斯表述。
热力学第二定律的克劳修斯表述和开尔文表述是等价的
证明：用反正法（克劳修斯表述不成立）
假设：热量可以从低温物体传到高温物体，因而可以设计一卡诺热机，工作于这两个热源之间，从高温热源T1 吸收热量Q1 ，向低温热源放出热量Q2 ，同时对外做功A ；我们使Q2自动传到高温热源。经过一个循环后，总的效果是从高温热源T1吸取热量Q1 －｜Q2｜，低温热源状态不变。这相当于是从单一热源吸取热量对外做功的机器，因而违了开尔文表述。
自然界的一切变化，人类社会的所有活动，都伴随着能量的转移和转化，能量是一切物质运动的源泉，是一切生命活动的基础。
能量被其他物质吸收之后变成周围环境的内能，我们无法把这些内能收集起来重新利用。这种现象叫做能量的耗散。
能量在数量上虽然守恒，但其转移和转化却具有方向性。
高品质：机械能、光能、化学能、电能
能源：其实是指具有高品质的容易利用的储能物质
例如石油、天然气、煤等。
每天我们使用的能源最后都转化成了内能，能源消耗使得周围环境升温。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”。
机械能、光能、化学能、电能相对于周围环境中的内能来说，可利用的品质要高。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能量。
虽然能量总量不会减少，但能源会逐步减少，因此能源是有限的资源。
能源的使用过程中虽然能的总量保持守恒，但能量的品质下降了。
克服摩擦力所做的功可以完全变成热量，热量能不能完全转化为功呢？
汽车行驶时，汽油在汽缸中燃烧，汽缸中高温气体的部分内能转化为驱动汽车行驶的机 械能。同时，另一部分内能被汽车排气管排出的废气带走，这部分内能就很难再被利用了。在宏观过程中，机械能可以完全转化为内能而不引起其他变化，但内能却不能完全转 化为机械能而不引起其他变化。所以，从机械能转化为内能时能量退降。19 世纪中叶，物理学家研究发现，自然界发生的各种变化中，能量的总值虽然保持 不变，但是能量可被利用的价值却越来越小，即能量退降了。能量退降是自然界中的宏观过程方向性的体现，是热力学第二定律的必然结果。能源 被利用时，虽然能量不会减少，但能量退降了。煤炭、石油、天然气等能源被利用时，由 于能量退降，可被利用的价值减少，所以我们要节约能源。
1、根据热力学第二定律判断，下列说法正确的是（　　） A.功可以全部转化为热，但热不能全部转化为功 B.热可以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 C.气体向真空的自由膨胀是不可逆的 D.随着技术的进步，热机的效率可以达到100%
功可以全部转化为热，根据热力学第二定律的开尔文表述，不可能从单一热源取热，把它全部变为功而不产生其他任何影响，把热全部转换为功并不是不可能，只是需要产生其他影响而已，所以A错误；热可以从高温物体传到低温物体，根据热力学第二定律的克劳修斯表述，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，也就是说热量可以从低温物体传递到高温物体，只是需要产生其他影响，所以B错误；一切与热现象有关的宏观过程都是不可逆的，所以C正确；热机的效率绝对不可能达到100%，一定会有能量损失，所以D错误。
2、在热学中,下列说法正确的是(　　)A.第一类永动机不可制成是由于它违背了能量守恒定律B.第二类永动机不可制成是由于它违背了能量守恒定律C.热力学第二定律告诉我们机械能可以转化为内能而内能不能转化为机械能D.热量只能从高温物体传向低温物体,而不能从低温物体传向高温物体
不消耗能量而不断对外做功的第一类永动机是不可能制成的,因为它违背了能量守恒定律,故A正确;从单一热库吸收热量而对外做功的第二类永动机不违反能量守恒定律,但违反了热力学第二定律,故B错误;热力学第二定律告诉我们机械能可以转化为内能,而内能在“一定的条件下”也能转化为机械能,故C错误;热量能从高温物体传向低温物体,在“一定的条件下”也能从低温物体传向高温物体。故D错误。。
3、热现象过程中不可避免地出现能量耗散的现象。下列关于能量耗散的说法中正确的是(　　　) A.能量耗散不符合热力学第一定律 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不守恒 D.能量耗散是从能量转化的角度反映出自然界中的与热现象有关的宏观过程具有方向性
能量耗散是指能量在转化和转移的过程中扩散到周围环境中无法再自动聚集起来,其满足热力学第一定律,也符合热力学第二定律,能量在数量上并未减少,但是可利用的品质上降低了。能量耗散反映了涉及热运动的宏观过程都具有方向性,所以A、B、C错误,D正确。
4、根据热力学定律,下列判断正确的是(　　)A.空调可以制冷说明热量可以自发地从低温物体传到高温物体B.利用浅层海水和深层海水间的温度差制造出一种热机,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.制冷系统能将冰箱内的热量传给外界较高温度的空气,而不引起其他变化D.满足能量守恒定律的客观过程都可以自发地进行
热量不能自发地从低温物体传到高温物体,A错;由热力学第二定律可知,B正确;热量从低温物体传给高温物体时一定会引起其他变化,C错;只满足能量守恒定律而不满足热力学第二定律的过程是不可能发生的,D错。
5、关于热力学定律,下列说法正确的是(　　)A.功转变为热的实际宏观过程是不可逆过程B.对某物体做功,必定会使该物体的内能增加C.不可能从单一热源吸收热量,使之完全变为功D.不可能使热量从低温物体传向高温物体
根据热力学第二定律可知,一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的,功转变为热的实际宏观过程是不可逆过程,故A正确;做功和热传递是改变物体内能的两种方法,由热力学第一定律知,对物体做功,内能不一定增加,故B错误;根据热力学第二定律可知,若产生其他影响,可能从单一热源吸收热量,使之完全变为功,故C错误;根据热力学第二定律,不可能使热量自发地从低温物体传向高温物体,但在外界的作用下,能使热量从低温物体传向高温物体,故D错误。
6、(多选)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错误的是(　　)A．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
7、根据热力学定律,下列判断正确的是(　　)A.空调可以制冷说明热量可以自发地从低温物体传到高温物体B.利用浅层海水和深层海水间的温度差制造出一种热机,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.制冷系统能将冰箱内的热量传给外界较高温度的空气,而不引起其他变化D.满足能量守恒定律的客观过程都可以自发地进行