山东省专用2019_2020学年高中物理第十章热力学定律第3节热力学第一定律能量守恒定律讲义含解析新人教版选修3_3.pdf

第 3 节热力学第一定律 能量守恒定律第 3 节热力学第一定律 能量守恒定律 1.热力学第一定律：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热力学第一定律的表达式 UQW，要熟悉 其符号法则。 3能量守恒定律：能量既不会凭空产生，也不会 凭空消失，它只能从一种形式转化为另一种形 式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或 转移的过程中，能量的总量保持不变。 4第一类永动机不可能制成，因为它违背了能量 守恒定律。 一、热力学第一定律 1改变内能的两种方式 做功和热传递。 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：UQW。 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)各种形式的能可以相互转化。 (2)各种物理现象可以用能量守恒定律联系在一起。 三、永动机不可能制成 1第一类永动机：不需要任何动力或燃料，却能不断地对外做功的机器。 2不可制成的原因：违背了能量守恒定律。 1自主思考判一判 (1)做功和热传递在改变物体内能上是不等效的。(×) (2)运动的物体在阻力作用下会停下来，说明机械能凭空消失了。(×) (3)功和能可以相互转化。(×) (4)第一类永动机不能制成，是因为它违背了能的转化和守恒定律。() (5)某个物体的能量减少，必然有其他物体的能量增加。() (6)自由摆动的秋千摆动幅度越来越小，减少的机械能转化为内能，但总能量守恒。() 2合作探究议一议 (1)快速推动活塞对汽缸内气体做功 10 J，气体内能改变了多少？若 保持气体体积不变， 外界对汽缸传递 10 J 的热量， 气体内能改变了多少？ 能否说明 10 J 的功等于 10 J 的热量？ 提示 ： 无论外界对气体做功 10 J， 还是外界给气体传递 10 J 的热量， 气体内能都增加了 10 J，说明做功和热传递在改变物体内能上是等效的，但不能说 10 J 的功等于 10 J 的热量，因 为功与热量具有本质区别。 (2)有一种“全自动”机械手表，即不需要上发条，也不用任何电源，却能不停地走下去。 这是不是一种永动机？并说明理由。 提示：这不是永动机。手表戴在手腕上，通过手臂的运动，机械手表获得能量，供手表 指针走动。若将此手表长时间放置不动，它就会停下来。 (3)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：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。 热力学第一定律的理解及应用 1公式 UWQ 中符号的规定 符号WQU 外界对物体做功物体吸收热量内能增加 物体对外界做功物体放出热量内能减少 2.几种特殊情况 (1)若过程是绝热的，即 Q0，则 UW，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W0， 则 UQ， 物体内能的增加量等于物体从外界吸收的热量。 (3)若过程的始末状态物体的内能不变，即 U0，则WQ(或 QW)，外界对物体 做的功等于物体放出的热量(或物体吸收的热量等于物体对外界做的功)。 3判断是否做功的方法 一般情况下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，W0。 4应用热力学第一定律解题的思路 (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)分别找出题目中研究对象吸收或放出的热量；外界对研究对象所做的功或研究对象对 外界所做的功；研究对象内能的增加量或减少量。 (3)根据热力学第一定律 UQW列出方程进行求解。 (4)特别注意物理量的正负号及其物理意义。 典例 多选(2017·全国卷)如图，一定质量的理想气体从状态 a出发，经过等容过程ab到达状态b， 再经过等温过程bc到达状态c， 最 后经等压过程ca回到初态a。下列说法正确的是( ) A在过程ab中气体的内能增加 B在过程ca中外界对气体做功 C在过程ab中气体对外界做功 D在过程bc中气体从外界吸收热量 E在过程ca中气体从外界吸收热量 解析 ab过程中气体压强增大，体积不变，则温度升高，内能增加，A 项正确；ab过 程发生等容变化，气体对外界不做功，C 项错误；一定质量的理想气体内能仅由温度决定，bc 过程发生等温变化，内能不变，bc过程中气体体积增大，气体对外界做正功，根据热力学第 一定律可知气体从外界吸收热量，D 项正确；ca过程发生等压变化，气体体积减小，外界对 气体做功，B 项正确；ca过程中气体温度降低，内能减小，外界对气体做功，根据热力学第 一定律可知气体向外界放热，E 项错误。 答案 ABD 应用热力学第一定律时的两个注意事项 (1)明确研究是哪一部分气体和气体经历了怎样的状态变化过程。 (2)分清 UWQ 中各量的正、负号的意义。 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 JD.增大 220 J 解析：选 B 研究对象为气体。依符号规则，对外做功W100 J，吸收热量 Q120 J。 由热力学第一定律有 UWQ100 J120 J20 J。 U0，说明气体的内能增加。故选 B。 2(2017·江苏高考)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V­T图像如图所示。下列说法正确的有( ) AAB的过程中，气体对外界做功 BAB的过程中，气体放出热量 CBC的过程中，气体压强不变 DABC的过程中，气体内能增加 解析：选 BC 由题图可知，从A到B气体的体积减小，外界对气体做功，A 项错误；从A 到B过程气体的温度不变，内能不变，根据热力学第一定律可知，气体放出热量，B 项正确； 从B到C过程中 是一个常数， 气体发生的是等压变化， 气体的温度降低， 内能减少， C 项正确， D V T 项错误。 对能量守恒定律的理解及应用 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，还有诸如电 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。 (3)某种形式的能减少，一定有其他形式的能增加，且减少量和增加量一定相等。 (4)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。 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U2U1W，就是说，如果系统内能减少，即U2U1， 则W0，系统对外做功是要以内能减少为代价的。若想源源不断地做功，就必须使系统不断 回到初始状态，在无外界能量供给的情况下是不可能的。 1.如图所示， 直立容器内部有被隔板隔开的A、B两部分气体，A的密度大，B的密度较小， 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热 Q， 气体内能增量为 E， 则 ( ) AEQBEQD.无法比较 解析 ： 选 C 抽去隔板前，A、B气体的整体重心在中线以上，抽去隔板待气体混合均匀后， 重心恰好在中线上，系统的重力势能减少，由能量守恒定律知，减少的重力势能与内能发生 转化而使得内能增加，吸收的热量也使得内能增加，则气体内能的增量大于气体所吸收的热 量。 2多选行驶中的汽车制动后滑行一段距离，最后停下；流星在夜空中坠落并发出明亮 的火焰；降落伞在空中匀速下降；条形磁铁在下落过程中穿过闭合线圈，线圈中产生电流。 上述不同现象中所包含的相同的物理过程是( ) A物体克服阻力做功 B物体的动能转化为其他形式的能量 C物体的势能转化为其他形式的能量 D物体的机械能转化为其他形式的能量 解析：选 AD 这四个现象中，物体运动过程都受到阻力，汽车主要是制动阻力，流星坠 落和降落伞降落是空气阻力，条形磁铁下落过程受到磁场阻力，因而物体都克服阻力做功， 选项 A 正确。四个物体运动过程中，汽车是动能转化为内能，流星、降落伞、条形磁铁是重 力势能转化为内能或其他形式的能，总之是机械能转化为其他形式的能，选项 D 正确。 3.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，处于静止状态时被封闭气体的高度为 50 cm。现在在活塞上方加一 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？(g取 10 m/s2，不考虑活塞的大气压力及摩擦阻力) 解析：由能的转化与守恒定律可知，内能的增加等于活塞和物体重力势能的减少，U E(Mm)gh(155)×10×(5040)×102 J20 J。 答案：20 J 1.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 解析：选 A 由WQU得 U800 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，U0，故温度升高。 2第一类永动机是不可能制成的，这是因为第一类永动机( ) A不符合机械能守恒定律 B违背了能量守恒定律 C无法解决机械摩擦问题 D找不到合适的材料和合理的设计方案 解析：选 B 第一类永动机不可能制成，是因为它违背了能量守恒定律。 3下列说法正确的是( ) A物体放出热量，其内能一定减小 B物体对外做功，其内能一定减小 C物体吸收热量，同时对外做功，其内能可能增加 D物体放出热量，同时对外做功，其内能可能不变 解析：选 C 由热力学第一定律 UWQ 可知，若物体放出热量，外界对物体做正功， 则 U不一定为负值，即内能不一定减小，故 A 项错误；同理可分析出，B 项和 D 项错误，C 项正确。 4多选(2016·全国卷)关于气体的内能，下列说法正确的是( ) A质量和温度都相同的气体，内能一定相同 B气体温度不变，整体运动速度越大，其内能越大 C气体被压缩时，内能可能不变 D一定量的某种理想气体的内能只与温度有关 E一定量的某种理想气体在等压膨胀过程中，内能一定增加 解析：选 CDE 气体的内能由物质的量、温度和体积决定，质量和温度都相同的气体，内 能可能不同，A 错误。内能与物体的运动速度无关，B 错误。气体被压缩时，同时对外传热， 根据热力学第一定律知内能可能不变， C 正确。 一定量的某种理想气体的内能只与温度有关， D 正确。根据理想气体状态方程，一定量的某种理想气体在压强不变的情况下，体积变大，则 温度一定升高，内能一定增加，E 正确。 5.如图所示为冲击摆实验装置，一水平飞行的子弹射入沙箱后与沙箱合 为一体，共同摆起一定高度，在此过程中有关能量转化的说法中正确的是 ( ) A子弹的动能转变成沙箱和子弹的内能 B子弹的动能转变成沙箱和子弹的重力势能 C子弹的动能转变成沙箱和子弹的动能 D子弹的动能一部分转变成沙箱和子弹的内能，另一部分转变为沙箱和子弹的机械能 解析：选 D 子弹在射入沙箱瞬间，要克服摩擦阻力做功，有一部分动能转变成沙箱和子 弹的内能，一部分动能变成沙箱和子弹的机械能，故 D 正确。 6.多选如图为某同学设计的喷水装置，内部装有 2 L 水，上 部密封 1 atm 的空气 0.5 L，保持阀门关闭，再充入 1 atm 的空气 0.1 L， 设在所有过程中空气可看作理想气体， 且温度不变， 下列说法正确的 有( ) A充气后，密封气体压强增加 B充气后，密封气体的分子平均动能增加 C打开阀门后，密封气体对外界做正功 D打开阀门后，不再充气也能把水喷光 解析：选 AC 温度不变，分子平均动能不变，充气后由于气体的质量增大，温度、体积 基本不变，气体的压强增大，选项 A 对、B 错；打开阀门后，水减少，气体膨胀，密封气体对 水做正功， 选项 C 对 ； 如果水全排出， 气体压强为p3，p3(20.5)p1(0.50.1)得p30.24p1 p1，故不再充气不能把水喷光，选项 D 错。 7.如图所示， 一定质量的理想气体从状态A经等压过程到状态B。 此过程中，气体压强p1.0×105 Pa，吸收的热量 Q7.0×102 J，求此过 程中气体内能的增量。 解析：一定质量的理想气体等压变化，由盖吕萨克定律得， ， VA TA VB TB 则VB8.0×103m3。 VATB TA 气体对外做的功Wp(VBVA)2.0×102 J， 根据热力学第一定律 UQW， 解得 U5.0×102 J。 答案：U5.0×102 J 8.如图所示，两个可导热的汽缸竖直放置，它们的底部由一细管 连通(忽略细管的容积)。两汽缸各有一活塞，质量分别为m1和m2，活塞与 汽缸壁无摩擦。活塞的 下方为理想气体，上 方为真空。当气体处于平衡 状态时，两活塞位于同一高度h。(已知m13m，m22m) (1)在两活塞上同时各放一质量为m的物块，求气体再次达到平衡后两活塞的高度差。 (假定环境的温度始终保持为T0) (2)在达到上一问终态后，环境温度由T0缓慢上升到T，试问在这个过程中，气体对活塞 做了多少功？气体是吸收还是放出了热量？(假定在气体状态变化过程中，两活塞均不会碰到 汽缸顶部) 解析：(1)设左、右活塞的面积分别为S和S。由于气体处于平衡状态，故两活塞对气 体的压强相等， 即，由此得SS。 3mg S 2mg S 3 2 在两活塞上各加一质量为m的物块后，气体所受右端压强恒大于左端，所以右活塞降至 汽缸底部，所有气体在左汽缸中。 在初态，气体的压强为，体积为；在末态，气体的压强为，体积为(x为左 2mg S 5Sh 2 8mg 3S 3Sx 2 活塞的高度)，由玻意耳定律得··，由上式解得xh。 2mg S 5Sh 2 8mg 3S 3Sx 2 5 4 (2)当温度由T0上升至T时，气体的压强始终为。 8mg 3S 设x是温度达到T时左活塞的高度，由盖吕萨克定律得xx， T T0 5Th 4T0 气体对活塞做的功为 WFsF·(xx)4mg·h5mgh， 5 4( T T01)( T T01) 由热力学第一定律知，在此过程中气体吸收热量。 答案：(1)h (2)5mgh 吸热 5 4( T T01)