学年新教材物理人教版选择性必修三学案 3233 热力学第一定律能量守恒定律Word文档格式.docx

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ΔU=Q+W。

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。

关键能力·

素养形成

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）若过程的始末状态物体的内能不变,即ΔU=0,则W=-Q（或Q=-W）,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,W<

0。

（2）若物体体积减小,表明外界对物体做功,W>

【思考·

讨论】

如图所示,一定质量的理想气体由a状态变化到b状态,请在图像基础上思考以下问题:

讨论:

（1）在变化过程中是气体对外做功,还是外界对气体做功?

（2）在变化过程中气体吸热,还是向外放热?

气体内能增加了,还是减少了?

（1）由图可知,气体的变化为等压膨胀,一定是对外做功。

（2）由日常经验可知,理想气体在等压膨胀过程中需要从外界吸收热量。

由盖-吕萨克定律可知,理想气体在等压膨胀过程中温度升高,内能一定增加。

【典例示范】

（2019·

全国卷Ⅰ）某容器中的空气被光滑活塞封住,容器和活塞绝热性能良好,空气可视为理想气体。

初始时容器中空气的温度与外界相同,压强大于外界。

现使活塞缓慢移动,直至容器中的空气压强与外界相同。

此时,容器中空气的温度______（选填“高于”“低于”或“等于”）外界温度,容器中空气的密度

________（选填“大于”“小于”或“等于”）外界空气的密度。

【解析】容器与活塞绝热性能良好,容器中空气与外界不发生热交换（Q=0）,活塞移动的过程中,容器中空气压强减小,则容器中空气正在膨胀,体积增大,对外界做功,即W<

根据热力学第一定律ΔU=Q+W可知:

容器中空气内能减小,温度降低,容器中空气的温度低于外界温度。

根据理想气体状态方程有

=C,又ρ=

联立解得:

ρ=

。

对容器外与容器内质量均为m的气体,因容器中空气压强和容器外空气压强相同,容器内温度低于外界温度,则容器中空气的密度大于外界空气的密度。

答案:

低于　大于

【素养训练】

1.一定量的气体,从外界吸收热量6.2×

105J,内能增加4.7×

105J。

则下列说法中正确的是（　　）

A.气体对外做功1.5×

105J　　

B.外界对气体做功1.7×

105J

C.气体对外做功1.7×

105J

D.外界对气体做功1.5×

【解析】选A。

由题意,气体吸收热量为Q=6.2×

105J,内能增加了ΔU=4.7×

105J,设外界对气体做功为W,根据热力学第一定律ΔU=Q+W得:

W=ΔU-Q=4.7×

105J-6.2×

105J=-1.5×

105J,即气体对外界做功1.5×

故选A。

2.2019年12月1日,粤东农批·

2019球王故里五华马拉松赛在五华粤东农批广场激情开跑。

此次活动能圆满举行离不开一群可爱的志愿者,他们到了午餐时间也只是吃点自热米饭,对于自热米饭很多人还不是很了解,自热米饭盒内有一个发热包,遇水发生化学反应而产生大量热能,不需要明火,温度可超过100℃,盖上盒盖便能在10～15分钟内迅速加热食品。

自热米饭的盖子上有一个透气孔,如果透气孔堵塞,容易造成小型爆炸。

有关自热米饭盒爆炸的说法,正确的是（　　）

A.自热米饭盒爆炸,是盒内气体温度升高,气体分子间斥力急剧增大的结果

B.在自热米饭盒爆炸的瞬间,盒内气体内能增加

C.在自热米饭盒爆炸的瞬间,盒内气体温度降低

D.自热米饭盒爆炸前,盒内气体温度升高,标志着每一个气体分子速率都增大了

【解析】选C。

自热米饭盒爆炸前,盒内气体温度升高,由分子动理论知,体积不变,气体分子间作用力忽略不计,分子间的作用力不变,故A错误;

根据热力学第一定律,爆裂前气体温度升高,内能增大,突然爆裂的瞬间气体对外界做功,其内能减少,温度也会有所下降,故B错误,C正确;

自热米饭盒爆炸前,盒内气体温度升高,分子平均动能增加,但并不是每一个气体分子速率都增大,故D错误。

【补偿训练】

1.（多选）若一气泡从湖底上升到湖面的过程中温度保持不变,对外界做了0.6J的功,则在此过程中关于气泡中的气体（可视为理想气体）,下列说法正确的是（　　）

A.气体的内能不变

B.气体体积要减小

C.气体向外界放出的热量大于0.6J

D.气体从外界吸收的热量等于0.6J

【解析】选A、D。

温度是分子平均动能的标志,温度不变,则分子平均动能不变,理想气体分子势能不计,故在气泡上升过程中,气体的内能不变,故A正确;

由题意知气泡对外界做功,则体积变大,B错误;

由热力学第一定律可知:

W+Q=ΔU,气体对外做功,故W=Q=0.6J,故气体从外界吸热,吸收的热量Q=0.6J,故C错误、D正确。

2.一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×

104J

B.W=8×

104J,ΔU=-1.2×

105J,Q=-2×

C.W=-8×

105J,Q=2×

D.W=-8×

105J,Q=-4×

【解析】选B。

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ΔU=Q+W,可得Q=ΔU-W=-1.2×

105J-8×

104J=-2×

105J,B正确。

二　能量守恒定律的应用

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<

U1,则W<

0,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。

有一种所谓“全自动”机械手表,既不需要上发条,也不用任何电源,却能不停地走下去。

（1）这是不是一种永动机?

这不是永动机。

（2）如果不是,维持表针走动的能量是从哪儿来的?

手表戴在手腕上,通过手臂的运动,机械手表获得能量,供手表发条做机械运动。

若将此手表长时间放置不动,它就会停下来。

下列有关能量的描述正确的是（　　）

A.“又要马儿跑得快,又要马儿不吃草”违背了能量守恒定律

B.工作中的电风扇,消耗的电能大于输出的机械能,该过程能量不守恒

C.滑块在粗糙的水平面上减速滑行,最终停了下来,动能消失,能量不守恒

D.同时做自由落体运动的物体,质量越大,势能减少越快,机械能减少也越快

马儿跑的时候需要消耗能量,而草能够为马儿提供能量,因此“既要马儿跑,又要马儿不吃草”违背了能量转化和守恒定律,故A正确;

工作中的电风扇,消耗的电能大于输出的机械能,损失的电能转化为内能,该过程能量仍守恒,故B错误;

滑块在粗糙的水平面上减速滑行,最终停了下来,减小的动能转化为内能,能量守恒,故C错误;

同时做自由落体运动的物体,运动的快慢与质量无关,减少的势能转化为动能,机械能不变,故D错误。

1.“第一类永动机”是不可能制成的,这是因为它（　　）

A.不符合热力学第一定律

B.做功产生的热量太少

C.由于有摩擦、热损失等因素的存在

D.找不到合适的材料和合理的设计方案

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,即热力学第一定律,故A正确,B、C、D错误。

2.由能量守恒定律可知（　　）

A.能量可以被消灭,也可以被创生

B.因为能量是守恒的,所以不可能发生能源危机

C.因为能量是守恒的,所以不需要节约能源

D.不同形式的能量之间可以相互转化

【解析】选D。

能量不能被创生,也不能被消灭,故A错误;

能量虽然是守恒的,总量不变,但是我们可以利用的能源是有限的,故一定要注意节约能源,防止能源危机,故B、C错误;

不同形式的能量之间可以相互转化,总量不变,故D正确。

1.关于能量转化,以下说法中不正确的是（　　）

A.正在运转中的电风扇是机械能变成电能

B.燃烧煤是化学能转变为内能

C.电热器是将电能转变为内能

D.水力发电站是使水流的机械能转变为电能

电扇是消耗电能使风扇转动,是将电能转化为机械能,故A错误;

燃烧发生化学变化,产生热量,故是化学能转变为内能,故B正确;

电热器是通电后发热,消耗电能,产生热能,故C正确;

水力发电站利用水流的机械能产生电能,故D正确。

2.如图所示,直立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.ΔU<

C.ΔU>

QD.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,所以:

ΔU<

Q。

故B正确。

【拓展例题】考查内容:

热力学第一定律与气体实验定律的综合应用

【典例】

（多选）如图所示,质量一定的活塞将一定质量的理想气体密封在汽缸内,活塞与汽缸壁之间无摩擦。

a态时气体温度80℃,b态时气体温度是20℃。

气体从a态缓慢变到b态的过程中,大气压强始终保持不变,活塞保持平衡,下列说法中正确的是（　　）

A.从a态到b态的过程中外界对气体做的功一定小于气体向外界释放的热量

B.a态与b态的气体分子在单位面积上对活塞的作用力相等

C.a态气体分子的平均动能一定比b态气体分子的平均动能大

D.气体放出的热量等于气体减少的内能与活塞减少的