精选人教版高中物理选修33第十章 第3讲《热力学第一定律 能量守恒定律》学案+练习物理知识点总结Word文件下载.docx

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0，即W为正值；

系统对外界做功，W<

0，即W为负值．

②热量Q：

系统吸热为正：

Q>

0；

系统放热为负：

Q<

0.

③内能变化：

系统内能增加，ΔU>

0，即ΔU为正值；

系统内能减少，ΔU<

0，即ΔU为负值．

2．判断是否做功的方法

一般情况下外界对系统做功与否，需看系统的体积是否变化．

（1）若系统体积增大，表明系统对外界做功，W<

（2）若系统体积变小，表明外界对系统做功，W>

例1　空气压缩机在一次压缩中，活塞对空气做了2×

105J的功，同时空气的内能增加了1.5×

105J，这一过程中空气向外界传递的热量是多少？

答案　5×

104J

解析　选择被压缩的空气为研究对象，根据热力学第一定律有ΔU＝W＋Q.

由题意可知W＝2×

105J，ΔU＝1.5×

105J，代入上式得

Q＝ΔU－W＝1.5×

105J－2×

105J＝－5×

104J.

负号表示空气向外释放热量，即空气向外界传递的热量为5×

借题发挥　应用热力学第一定律解题的一般步骤

（1）明确研究对象是哪个物体或者是哪个热力学系统．

（2）分别列出物体或系统吸收或放出的热量；

外界对物体或系统所做的功或物体或系统对外所做的功．

（3）根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W列出方程进行求解．

（4）特别应注意的就是物理量的正负号及其物理意义．

针对训练　一定量的气体在某一过程中，外界对气体做了8×

104J的功，气体的内能减少了1.2×

105J，则下列各式中正确的是（　　）

A．W＝8×

104J，ΔU＝1.2×

105J，Q＝4×

B．W＝8×

104J，ΔU＝－1.2×

105J，Q＝－2×

105J

C．W＝－8×

105J，Q＝2×

D．W＝－8×

105J，Q＝－4×

答案　B

解析　因为外界对气体做功，W取正值，即W＝8×

104J；

内能减少，ΔU取负值，即ΔU＝－1.2×

105J；

根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，可知Q＝ΔU－W＝－1.2×

105J－8×

104J＝－2×

105J，B选项正确．

1．不同形式的能量之间可以相互转化

（1）各种运动形式都有对应的能，如机械运动对应机械能，分子热运动对应内能等．

（2）不同形式的能量之间可以相互转化，如“摩擦生热”机械能转化为内能，“电炉取热”电能转化为内能等．

2．能量守恒定律及意义

各种不同形式的能之间相互转化时保持总量不变．

意义：

一切物理过程都适用，比机械能守恒定律更普遍，是19世纪自然科学的三大发现之一．

3．第一类永动机是不可能制成的

（1）不消耗能量能源源不断地对外做功的机器，叫第一类永动机，其前景是诱人的．但因为第一类永动机违背了能量守恒定律，所以无一例外地归于失败．

（2）永动机给我们的启示

人类利用和改造自然时，必须遵循自然规律．

例2　如图10－3－1所示，直立容器内部被隔板隔开的A，B两部分气体，A的密度小，B的密度大，加热气体，并使两部分气体混合均匀，设此过程中气体吸热为Q，气体内能的增量为ΔU，则（　　）

图10－3－1

A．ΔU＝QB．ΔU<

Q

C．ΔU>

QD．无法比较

解析　因A部分气体密度小，B部分气体密度大，以整体气体为研究对象，开始时，气体的重心在中线以下，混合均匀后，气体的重心应在中线上，所以有重力做负功，使气体的重力势能增大，由能量守恒定律可知，吸收的热量Q有一部分增加气体的重力势能，另一部分增加内能．故正确答案为B.

例3　第一类永动机是不可能制成的，这是因为第一类永动机（　　）

A．不符合机械能守恒定律

B．违背了能量转化与守恒定律

C．没有合理的设计方案

D．找不到合适的材料

三、气体实验定律和热力学第一定律的综合应用

气体实验定律和热力学第一定律的结合点是温度和体积．注意三种特殊过程的特点：

1．等温过程：

内能不变，ΔU＝0

2．等容过程：

体积不变，W＝0

3．绝热过程：

Q＝0

例4　如图10－3－2所示，倒悬的导热汽缸中封闭着一定质量的理想气体，轻质活塞可无摩擦地上下移动，活塞的横截面积为S，活塞的下面吊着一个重为G的物体，大气压强恒为p0，起初环境的热力学温度为T0时，活塞到汽缸底面的距离为L.当环境温度逐渐升高，导致活塞缓慢下降，该过程中活塞下降了0.1L，汽缸中的气体吸收的热量为Q.求：

图10－3－2

（1）汽缸内部气体内能的增量ΔU；

（2）最终的环境温度T.

答案　

（1）Q－0.1p0SL＋0.1LG　

（2）1.1T0

解析　

（1）密封气体的压强p＝p0－（G/S）

密封气体对外做功W＝pS×

0.1L

由热力学第一定律ΔU＝Q－W

得ΔU＝Q－0.1p0SL＋0.1LG

（2）该过程是等压变化，由盖—吕萨克定律有

＝

解得T＝1.1T0

热力学第一定律的理解和应用

1．一定量的气体从外界吸收了2.6×

105J的热量，内能增加了4.2×

105J.

（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×

105J不变，但是内能增加了1.6×

105J，计算结果W＝－1.0×

105J，是负值，怎样解释这个结果？

（3）在热力学第一定律ΔU＝W＋Q中，W，Q和ΔU为正值、负值各代表什么物理意义？

答案　见解析

解析　

（1）根据ΔU＝W＋Q得W＝ΔU－Q，将Q＝2.6×

105J，ΔU＝4.2×

105J代入式中得：

W＝1.6×

105J>

0，说明外界对气体做了1.6×

105J的功．

（2）如果吸收的热量Q＝2.6×

105J，内能增加了1.6×

105J，即ΔU＝1.6×

105J，则W＝－1.0×

105J，说明气体对外界做功．

（3）在公式ΔU＝W＋Q中，ΔU>

0，物体内能增加；

ΔU<

0，物体内能减少．Q>

0，物体吸热；

0，物体放热．W>

0，外界对物体做功；

W<

0，物体对外界做功．

2．关于内能的变化，以下说法正确的是（　　）

A．物体吸收热量，内能一定增大

B．物体对外做功，内能一定减少

C．物体吸收热量，同时对外做功，内能可能不变

D．物体放出热量，同时对外做功，内能可能不变

答案　C

解析　根据热力学第一定律，ΔU＝W＋Q，物体内能的变化与做功及热传递两个因素均有关，物体吸收热量，内能也不一定增大，因为物体可能同时对外做功，故内能有可能不变或减少，A错；

物体对外做功，还有可能吸收热量、内能可能不变或增大，B错、C正确；

放出热量，同时对外做功，内能一定减少，D错误．

能量守恒定律的理解和应用

3．自由摆动的秋千摆动幅度越来越小，下列说法正确的是（　　）

A．机械能守恒

B．能量正在消失

C．只有动能和重力势能的相互转化

D．减少的机械能转化为内能，但总能量守恒

答案　D

解析　自由摆动的秋千摆动幅度减小，说明机械能在减少，减少的机械能等于克服阻力做的功，增加了内能．

气体实验定律和热力学第一定律的结合

4．如图10－3－3所示，两个截面积都为S的圆柱形容器，右边容器高为H，上端封闭，左边容器上端是一个可以在容器内无摩擦滑动的质量为M的活塞．两容器由装有阀门的极细管道相连，容器、活塞和细管都是绝热的．开始时阀门关闭，左边容器中装有理想气体，平衡时活塞到容器底的距离为H，右边容器内为真空．现将阀门缓慢打开，活塞便缓慢下降，直至系统达到新的平衡，此时理想气体的温度增加为原来的1.4倍，已知外界大气压强为p0，求此过程中气体内能的增加量．

图10－3－3

答案　（Mg＋p0S）H

解析　理想气体发生等压变化．设封闭气体压强为p，分析活塞受力有pS＝Mg＋p0S

设气体初态温度为T，活塞下降的高度为x，系统达到新平衡，由盖—吕萨克定律＝

解得x＝H

又因系统绝热，即Q＝0

外界对气体做功为W＝pSx

根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W

所以ΔU＝（Mg＋p0S）H

（时间：

60分钟）

题组一　热力学第一定律的应用

1．关于物体内能的变化情况，下列说法中正确的是（　　）

A．吸热的物体，其内能一定增加

B．体积膨胀的物体，其内能一定减少

C．放热的物体，其内能也可能增加

D．绝热压缩的物体，其内能一定增加

答案　CD

解析　做功和传热都可以改变物体的内能，不能依据一种方式的变化就判断内能的变化．

2．下列过程可能发生的是（　　）

A．物体吸收热量，对外做功，同时内能增加

B．物体吸收热量，对外做功，同时内能减少

C．外界对物体做功，同时物体吸热，内能减少

D．外界对物体做功，同时物体放热，内能增加

答案　ABD

解析　当物体吸收的热量多于对外做的功时，物体的内能就增加，A正确；

当物体吸收的热量少于对外做的功时，物体的内能就减少，B正确；

外界对物体做功，同时物体吸热，则物体的内能必增加，C错误；

当物体放出的热量少于外界对物体做的功时，物体的内能增加，D正确．

3．如图10－3－4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800J，同时气体向外界放热200J，缸内气体的（　　）

图10－3－4

A．温度升高，内能增加600J

B．温度升高，内能减少200J

C．温度降低，内能增加600J

D．温度降低，内能减少200J

答案　A

解析　对一定质量的气体，由热力学第一定律ΔU＝W＋Q可知，ΔU＝800J＋（－200J）＝600J，ΔU为正表示内能增加了600J，对气体来说，分子间距较大，分子势能为零，内能等于所有分子动能的和，内能增加，气体分子的平均动能增加，温度升高，选项A正确．

4．给旱区送水的消防车停于水平地面，在缓慢放水过程中，若车胎不漏气，胎内气体温度不变，不计分子间势能，则胎内气体（　　）

A．从外界吸热B．对外界做负功

C．分子平均动能减小D．内能增加

解析　胎内气体经历了一个温度不变、压强减小、体积增大的过程．温度不变，分子平均动能和内能不变．体积增大，气体对外界做正功．根据热力学第一定律气体一定从外界吸热．

题组二　能量转化与守恒定律

5．一颗子弹以某一水平速度击中了静止在光滑水平面上的木块，并从中穿出．对于这一过程，下列说法中正确的是（　　）