拔高教育学年高中物理第三章热力学基础第二节热力学第一定律第三节能量守恒定律教学Word文件下载.docx

拔高教育学年高中物理第三章热力学基础第二节热力学第一定律第三节能量守恒定律教学Word文件下载.docx

《拔高教育学年高中物理第三章热力学基础第二节热力学第一定律第三节能量守恒定律教学Word文件下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《拔高教育学年高中物理第三章热力学基础第二节热力学第一定律第三节能量守恒定律教学Word文件下载.docx（13页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

热力学系统吸收热量

内能增加

－

热力学系统对外界做功

热力学系统放出热量

内能减少

4.三种特殊情况

（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）若过程中外界没有对物体做功，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．

二、热力学第一定律应用举例

[导学探究]

1．理想气体的内能与什么因素有关？

答案　由于理想气体忽略了分子间的作用力，即忽略了分子势能，所以理想气体的内能只跟气体的温度和物质的量有关，与气体的体积无关．

2．你能应用热力学第一定律讨论理想气体在等压膨胀过程中的能量转换关系吗？

答案　设一定质量的理想气体，保持压强不变，由（V1，T1）变为（V2，T2），而且V1＜V2.

由盖·

吕萨克定律＝及V1＜V2知T1＜T2.

因气体膨胀（V1＜V2），则气体对外做功，W＜0.

因气体温度升高（T1＜T2），则气体的内能增加ΔU＞0.

由热力学第一定律ΔU＝W＋Q可知Q＝ΔU－W＞0.即系统由外界吸收热量，系统吸收的热量一部分用来增加内能，一部分转化为气体对外所做的功．

1．等压过程中的能量转换

（1）等压膨胀：

由于W＜0，ΔU＞0，则Q＝ΔU－W＞0，即气体吸收的热量一部分用来增加内能，另一部分转化为气体对外所做的功．

（2）等压压缩：

由于W＞0，ΔU＜0，则Q＝ΔU－W＜0，即气体对外界放热，放出的热量等于外界对气体所做的功与气体内能减小量之和．

2．等容过程中的能量转换

（1）温度升高：

由于ΔU＞0，W＝0，则Q＝ΔU，即气体从外界吸收的热量全部用于增加气体的内能．

（2）温度降低，由于ΔU＜0，W＝0，则Q＝ΔU，即气体向外界放出的热量等于气体内能的减少量．

3．等温过程中的能量转化

（1）等温膨胀：

由于W＜0，ΔU＝0，则Q＝－W＞0，即气体从外界吸收的热量全部转换为气体对外所做的功．

（2）等温压缩：

由于W＞0，ΔU＝0，则Q＝－W＜0，即外界对气体所做的功全部转换为气体传给外界的热量．

三、能量守恒定律

[导学探究]　使热力学系统内能改变的方式是做功和热传递．做功的过程是其他形式的能转化为内能的过程，热传递是把其他物体的内能转移为系统的内能．在能量发生转化或转移时，能量的总量会减少吗？

答案　能量的总量保持不变．

1．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成为另一种形式，或者从一个物体转移到别的物体；

在转化和转移过程中其总量不变．

2．对能量守恒定律的理解

（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．

3．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．

4．第一类永动机

（1）定义：

不需要任何动力或燃料却能不断对外做功的机器．

（2）不可能制成的原因：

违背了能量守恒定律．

[延伸思考]

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？

答案　是

例1　（多选）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．绝热压缩的气体，其内能一定增加

答案　CD

解析　做功和热传递都能改变物体的内能，不能依据一种方式的变化就判断内能的变化．

例2　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×

二、热力学第一定律与气体实验定律的结合

例3　如图1所示，倒悬的导热气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，活塞到气缸底面的距离为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，气缸中的气体吸收的热量为Q.求：

图1

（1）气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

由热力学第一定律得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

例4　下列对能量守恒定律的认识错误的是（　　）

A．某种形式的能量减少，一定存在其他形式的能量增加

B．某个物体的能量减少，必然有其他物体的能量增加

C．不需要任何外界的动力而持续对外做功的机器——第一类永动机是不可能制成的

D．石子从空中落下，最后停止在地面上，说明机械能消失了

答案　D

解析　A选项是指不同形式的能量间的转化，转化过程中能量是守恒的．B选项是指能量在不同的物体间发生转移，转移过程中能量是守恒的，A、B选项正好是能量守恒定律的两个方面——转化与转移．第一类永动机是不可能制成的，它违背了能量守恒定律．所以A、B、C正确；

D选项中石子的机械能减少，但机械能并没有消失，能量守恒定律表明能量既不能创生，也不能消失，故D错误．故选D项．

1．（热力学第一定律）一定质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，则根据热力学第一定律，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，即B选项正确．

2．（热力学第一定律）如图2所示，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，不计气体分子间的相互作用，则被淹没的金属筒在缓缓下降的过程中，筒内空气体积减小，且（　　）

图2

A．从外界吸热

B．内能增大

C．向外界放热

D．内能减少

答案　C

解析　本题考查气体性质和热力学第一定律，由于不计气体分子之间的相互作用，且整个过程缓慢进行，所以可看成温度不变，即气体内能不变，选项B、D均错．根据热力学第一定律公式ΔU＝W＋Q，因为在这个过程中气体体积减小，外界对气体做功，式中W取正号，ΔU＝0，所以Q为负，即气体向外放热，故选项A错，C对．正确答案为C.

3．（能量守恒定律）下面设想不符合能量守恒定律的是（　　）

A．利用永久磁铁间的作用力，造一台永远转动的机械

B．做一条没有动力系统的船，在水面上行驶

C．通过太阳照射飞机，即使飞机不带燃料也能飞行

D．利用核动力，驾驶地球离开太阳系

答案　A

解析　利用磁场能可以使磁铁所具有的磁场能转化为动能，但由于摩擦力的不可避免性，动能最终转化为内能使转动停止，故A不符合．船能利用水流的能量行驶，飞机可利用光能的可转化性和电能的可收集性，使光能转化为飞机的动能，实现飞机不带燃料也能飞行，故B、C符合；

利用反冲理论，以核动力为能源，使地球获得足够大的能量，挣脱太阳引力的束缚而离开太阳系，故D符合．故选A项．

4．（热力学第一定律与气体实验定律的综合应用）如图3是用导热性能良好的材料制成的气体实验装置，开始时封闭的气柱长度为22cm，现用竖直向下的外力F压缩气体，使封闭的气柱长度变为2cm，人对活塞做功100J，大气压强为p0＝1×

105Pa，不计活塞的重力．问：

图3

（1）若用足够长的时间缓慢压缩，求压缩后气体的压强多大？

（2）若以适当的速度压缩气体，向外散失的热量为20J，则气体的内能增加多少？

（活塞的横截面积S＝1cm2）

答案　

（1）1.1×

106Pa　

（2）82J

解析　

（1）设压缩后气体的压强为p，活塞的横截面积为S，l0＝22cm，l＝2cm，V0＝l0S，V＝lS，缓慢压缩，气体温度不变

由玻意耳定律得p0V0＝pV

解出p＝1.1×

106Pa

（2）大气压力对活塞做功W1＝p0S（l0－l）＝2J

人做功W2＝100J

由热力学第一定律得ΔU＝W1＋W2＋Q

Q＝－20J

解得ΔU＝82J

题组一　热力学第一定律

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物体做功（或物体对外界做功）和物体从外界吸热（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，故内能不一定减少，B错；

若物体吸收的热量与对外做的功相等，则内能不变，C正确；

而放热与对外做功都使物体内能减少，故D错．

2．夏天将密闭有空气的矿泉水瓶放进低温的冰箱中会变扁，此过程中瓶内空气（可看成理想气体）（　　）

A．内能减小，外界对其做功

B．内能减小，吸收热量

C．内能增加，对外界做功

D．内能增加，放出热量

解析　此过程中瓶内空气温度降低，体积减小，所以内能减小，外界对气体做功，根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W可知，ΔU<

0，W>

0，Q＝ΔU－W<

0，所以空气放热，只有选项A正确．

3．一定量的理想气体在某一过程中，从外界吸收热量2.5×

104J，气体