高中物理 第5章 热力学定律 第1节 热力学第一定律 第2节 能量的转化与守恒教师用书 鲁科版选修33.docx

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高中物理第5章热力学定律第1节热力学第一定律第2节能量的转化与守恒教师用书鲁科版选修33

第1节　热力学第一定律

第2节　能量的转化与守恒

学习目标

知识脉络

1.理解热力学第一定律．（重点）

2．会用ΔU＝W＋Q解决一些简单问题．（重点）

3．知道第一类永动机不可能制成．

4．了解能量守恒定律的发现过程．

5．理解能量的转化与守恒定律，会用能量的观点解释自然现象．（难点）

热力学第一定律

1．改变物体内能的两种方式

做功和热传递．

2．物体内能的改变

（1）如果物体与外界无热传递，若外界对物体做功，则物体的内能增加；若物体对外做功，物体的内能减少．

（2）如果物体既不对外做功，外界也不对物体做功，则物体吸收热量时，它的内能增加；物体放出热量时，它的内能减少．

3．热力学第一定律

（1）内容：

物体内能的增加量ΔU，等于外界对物体所做的功W与物体从外界吸收的热量Q之和．

（2）表达式：

ΔU＝W＋Q．

4．热力学第一定律的定义

（1）内能的变化必然伴随有做功或热传递．

（2）一切涉及热现象的宏观过程中，能量可以发生转移或转化，此过程中总能量守恒．

5．第一类永动机

（1）概念：

不消耗任何能量而能永远对外做功的机器．

（2）结果

17～18世纪，人们提出了许多永动机设计方案，但都以失败而告终．

（3）原因

设想能量能够无中生有地创造出来，违背了热力学第一定律．

（4）启示

人类利用和改造自然时，必须遵循自然规律．

1．热量、功和内能三者单位相同，物理意义相同．（×）

2．热量和功由过程决定，而内能由物体状态决定．（√）

3．系统内能增加了100J，可能是外界采用绝热方式对系统做功100J，也可能是外界单纯地对系统传热100J．（√）

有一种所谓的“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．这是不是一种永动机呢？

如果不是，你知道维持表针走动的能量是哪儿来的吗？

图511

【提示】　不是永动机．能量是通过摆动手臂对表内的转轮做功而储存的．

探讨1：

若物体的内能增加，一定是吸收了热量吗？

【提示】　不一定，因为做功和热传递都能改变物体的内能．

探讨2：

物体的内能不变，能否说明外界既没有对物体做功，也没有发生热传递？

【提示】　不能．可能是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）．

1．对ΔU＝W＋Q的理解

热力学第一定律将单纯的绝热过程和单纯的热传递过程推广到一般情况，既有做功又有热传递的过程，其中ΔU表示内能改变的数量，W表示做功的数量，Q表示外界与物体间传递的热量．

2．对公式ΔU、Q、W符号的规定

符号

W

Q

ΔU

正号

外界对物体做功

物体吸收热量

内能增加

负号

物体对外界做功

物体放出热量

内能减少

3.应用热力学第一定律解题的一般步骤

（1）首先选定研究对象是哪个物体或哪个热力学系统．

（2）根据符号法则写出各已知量（W、Q、ΔU）的正、负．

（3）根据方程ΔU＝W＋Q求出未知量．

（4）再根据未知量结果的正、负来确定吸热、放热情况或做功情况．

4.判断气体做功正、负的方法

（1）若气体体积增大，表明气体对外界做功，W<0.

（2）若气体体积变小，表明外界对气体做功，W>0.

5.几种常见的气体变化过程

（1）绝热过程：

过程是绝热的，则Q＝0，W＝ΔU，外界对气体做的功等于气体内能的增加．

（2）等容过程：

在该过程中气体不做功，即W＝0，则Q＝ΔU，气体吸收的热量等于气体内能的增加．

（3）等温过程：

在过程的始末状态，气体的内能不变，即ΔU＝0，则W＋Q＝0或W＝－Q，表示气体吸收的热量全部用来对外做功或外界对气体所做的功全部转换为热量放出．

1．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

E．物体对外界做功，同时物体放热，内能增加

【解析】　根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，做功和热传递都可以改变物体的内能，故由此可确定A、B、D正确，C、E错误．

【答案】　ABD

2．景颇族祖先发明的点火器如图512所示，用牛角做套筒，木制推杆前端粘着艾绒，猛推推杆，艾绒即可点燃，对筒内封闭的气体，在此压缩过程中（　　）

【导学号：

30110061】

图512

A．气体温度升高，压强不变

B．气体温度升高，压强变大

C．气体对外界做正功

D．外界对气体做正功

E．气体的内能增加

【解析】　压缩气体时，外界对气体做功，内能增加，温度升高，体积变小，压强增大，所以B、D、E正确．

【答案】　BDE

3．一定量的气体内能增加了3×105J，

（1）若吸收了2×105J的热量，则是气体对外界做功，还是外界对气体做功？

做了多少焦耳的功？

（2）若气体对外界做了4×105J的功，则是气体放热还是从外界吸热？

放出或吸收的热量是多少？

【解析】　

（1）由热力学第一定律ΔU＝Q＋W

得W＝ΔU－Q＝3×105J－2×105J＝1×105J

外界对气体做功．

（2）由ΔU＝Q＋W得Q＝ΔU－W＝3×105J－（－4×105J）＝7×105J

气体从外界吸热．

【答案】　

（1）外界对气体做功　1×105J

（2）气体从外界吸热　7×105J

气体状态变化与物理量对应方法

（1）绝热过程：

气体与外界没有热传递．

（2）导热良好：

气体与外界有热交换，且与外界温度保持相同．

（3）体积减小，外界对气体做功；体积增大（不是对真空膨胀），气体对外界做功．

（4）温度升高，理想气体的内能增加；温度降低，理想气体的内能减少．

能量的转化与守恒

1．能量守恒定律的发现

（1）迈尔的发现

体力和体热必定来源于食物中的化学能，内能、化学能、机械能都是等价的，是可以相互转化的，如果动物体的能量输入与支出是平衡的，那么，所有这些形式的能在量上必定是守恒的．

（2）焦耳的研究

①确定了电能向内能转化的定量关系．

②用了近40年的时间，不懈地钻研热功转换问题，为能量守恒定律提供了无可置疑的证据．

（3）亥姆霍兹的贡献

从理论上把力学中的能量守恒原理推广到热、光、电、磁、化学反应等过程，揭示了它们之间的统一性．

2．能量守恒定律

（1）内容

能量既不会消失，也不会创生，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另一个物体，而能量的总值保持不变．

（2）意义

揭示了自然科学各个分支之间的普遍联系，是自然界内在统一性的第一个有力证据．

（3）应用

①各种形式的能可以转化．但能量在转化过程中总伴有内能的损失．

②各种互不相关的物理现象，可以用能量守恒定律联系在一起．

1．某种形式的能量减少，一定存在其他形式的能量增加．（√）

2．某个物体的能量减少，必然有其他物体的能量增加．（√）

3．石子从空中落下，最后静止在地面上，说明能量消失了．（×）

焦耳对物质运动之间的关系的研究方法与迈尔有什么不同？

【提示】　焦耳是采用严格的定量实验分析方法，迈尔研究的范围比较广泛，但他采用的是定性研究的方法．

探讨1：

能量守恒定律与机械能守恒定律的应用条件有什么不同？

【提示】　能量转化过程中能量总是守恒的，而机械能守恒的条件是只有重力（或系统内的弹力）做功．

探讨2：

为什么说第一类永动机不能制成？

【提示】　因为第一类永动机违背了能量守恒定律．

1．对能量守恒定律的理解

（1）各种形式的能在转化和转移过程中总量守恒无需任何条件，而某种或几种形式的能的守恒是有条件的．例如：

物体的机械能守恒，必须是只有重力或弹力做功．

（2）意义：

能量守恒定律的发现，使人们进一步认识到，任何一部机器，只要对外做功，都要消耗能量，都只能使能量从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到其他物体，而不能无中生有地创造能量．不消耗能量，却可以源源不断地对外做功的机器（第一类永动机）是不可能制成的．

2．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

4．说出下列过程中是什么能量转化为内能．

（1）物体沿粗糙斜面下滑_________________________________________；

（2）变压器发热_______________________________________________；

（3）汽油机内气体燃烧后变成高温气体______________________________；

（4）车刀切下炽热铁屑__________________________________________．

【解析】　物体沿斜面下滑，克服摩擦力做功，机械能转化为内能；电流通过变压器线圈发热，电能转化为内能；气体（燃料）燃烧后变成高温气体，化学能转化为内能；车刀切下炽热的铁屑，克服摩擦力做功，机械能转化为内能．

【答案】　

（1）机械能——内能　

（2）电能——内能

（3）化学能——内能　（4）机械能——内能

5．风沿水平方向以速度v垂直吹向一直径为d的风车叶轮，设空气密度为ρ，风的动能有50%转化为风车的动能，风车带动水车将水提高h的高度，效率为80%.则单位时间内最多可提升的水的质量为__________.

【导学号：

30110062】

【解析】　在时间t内吹在风车上的空气的质量为

m1＝

πd2·vt·ρ，

风的动能Ek＝

m1v2＝

πd2v3tρ.

根据题意

πd2v3tρ×50%×80%＝mgh，

则

＝

.

【答案】　

应用能量守恒定律的思路方法

（1）能量守恒的核心是总能量不变，因此在应用能量守恒定律时应首先分清系统中哪些能量在相互转化，是通过哪些力做功实现的，这些能量分别属于哪些物体，然后再寻找合适的守恒方程式．

（2）在应用能量守恒定律分析问题时，应明确两点：

①哪种形式的能量减少，哪种形式的能量增加．

②哪个物体的能量减少，哪个物体的能量增加．

学业分层测评（十一）

（建议用时：

45分钟）

[学业达标]

1．在热力学第一定律的表达式ΔU＝W＋Q中，关于ΔU、W、Q各个物理量的正、负，下列说法中正确的是（　　）

A．物体对外界做功时W为负

B．物体吸收热量时，Q为正

C．内能减少时，ΔU为正

D．内能增加时，ΔU为正

E．W为正，Q为负时，ΔU一定为零

【解析】　根据公式ΔU＝W＋Q及W、Q、ΔU的符号法则得A、B、D正确．

【答案】　ABD

2．下列关于能量转化的现象的说法中，正确的是（　　）

A．用太阳灶烧水是太阳能转化为内能

B．电灯发光是电能转化为光能

C．核电站发电是电能转化为内能

D．生石灰放入盛有凉水的烧杯里，水温升高是动能转化为内能

E．跳高运动员跳起时，体内的化学能转化为机械能

【解析】　核电站发电是核能转化为电能，生石灰放入水中使水温升高，是化学能转化为内能．

【答案】　ABE

3.某物体温度升高了，这说明（　　）

A．该物体一定吸收了热量

B．该物体可能放出了热量

C．外界对物体可能做了功

D．物体可能吸收了热量

E．外界对物体一定做了功

【解析】　由ΔU＝Q＋W来分析，物体温度升高了，一定有物体的内能增加，ΔU>0，要满足ΔU>0可能有多种情况：

①W>0，Q＝0；②W＝0，Q>0；③W>0，Q>0；④W>0，Q<0，W>|Q|；⑤W<0，Q>0，Q>|W|.由①否定选A；④与选项B一致，①③④与选项C一致；②③⑤与选项D一致，故选项B、C、D正确．

【答案】　BCD

4．一定量的理想气体在某一过程中，从外界吸收热量2.5×104J，气体对外界做功1.0×104J，则该理想气体的（　　）

A．密度增大

B．密度减小

C．温度降低

D．温度升高

E．内能增加

【解析】　由热力学第一定律ΔU＝W＋Q，Q＝2.5×104J，W＝－1.0×104J可知ΔU大于零，气体内能增加，温度升高，C错，D、E对；气体对外做功，体积增大，密度减小，B对，A错．

【答案】　BDE

5．下列关于第一类永动机的说法正确的是（　　）

A．第一类永动机是不消耗任何能量却能源源不断地对外做功的机器

B．第一类永动机不能制成的原因是违背了热力学第一定律

C．第一类永动机不能制成的原因是技术问题

D．第一类永动机终究有一天能够实现

E．第一类永动机不可能制成是因为违背了能量的转化和守恒定律

【解析】　第一类永动机是不消耗任何能量却能源源不断对外做功的机器，这是人们的美好愿望，但它违背了热力学第一定律．这也是它不能制成的原因．故A、B、E三项正确，C、D两项错误．

【答案】　ABE

6．密闭有空气的薄塑料瓶因降温而变扁，此过程中瓶内空气（不计分子势能）（　　）

A．内能增大

B．内能减小

C．对外界做功

D．外界对其做功

E．放出热量

【解析】　气体降温则内能减小，变扁则体积减小，外界对气体做功，由热力学第一定律ΔU＝Q＋W可知，气体一定放出热量．故选项B、D、E正确．

【答案】　BDE

7．空气压缩机在一次压缩过程中，活塞对气缸中空气做功为2×105J，空气的内能增加了1.5×105J，则气体________（选填“吸”或“放”）热为________J.

【解析】　由热力学第一定律：

ΔU＝Q＋W得：

1.5×105J＝2×105J＋Q，所以Q＝－5×104J，故放热．

【答案】　放　5×104

8．水能是一种清洁能源．位于美国和加拿大交界处的尼亚加拉瀑布流速达每秒6000m3，而且是一年四季流量稳定，瀑布落差50m．若利用这一资源发电，设其效率为50%，估算发电机的输出功率.

【导学号：

30110063】

【解析】　每秒流下的水量m＝Vρ＝6000×103kg，

由能的转化和守恒知mgh×50%＝Pt.

式中m取6000×103kg，t取1s，h＝50m，

解得P＝1.5×109W.

【答案】　1.5×109W

[能力提升]

9．如图513所示，A、B两点表示一定质量的某种理想气体的两个状态．当气体自状态A变化到状态B时（　　）

图513

A．体积必然变大

B．不可能经过体积减小的过程

C．外界必然对气体做正功

D．气体必然从外界吸热

E．气体必然对外界做功

【解析】　本题是气体状态变化、图象与热力学第一定律结合的综合分析题．连接OA、OB，得到两条等容线，故有VB＞VA，所以A正确；由于没有限制自状态A变化到状态B的过程，所以可先减小气体的体积再增大气体的体积到B状态，故B错误；因为气体体积增大，所以是气体对外做功，C错误，E正确；因为气体对外界做功，而气体的温度又升高，内能增大，由热力学第一定律知气体一定从外界吸热，D正确．

【答案】　ADE

10．如图514所示，一绝热容器被隔板K隔开a、b两部分．已知a内有一定量的稀薄气体，b内为真空，抽开隔板K后，a内气体进入b，最终达到平衡状态．在此过程中（　　）

【导学号：

30110064】

图514

A．气体对外界做功

B．气体不做功

C．气体压强变小，温度降低

D．气体压强变小，温度不变

E．内能不变

【解析】　绝热容器内的稀薄气体与外界没有热交换，Q＝0.稀薄气体向真空中扩散没有做功，W＝0.根据热力学第一定律知稀薄气体的内能不变，则温度不变．稀薄气体体积增大，压强必减小．选项B、D、E正确．

【答案】　BDE

11．一定质量的气体，在从一个状态变化到另一个状态的过程中，吸收热量280J，并对外做功120J，试问：

（1）这些气体的内能发生了怎样的变化？

（2）如果这些气体又返回原来的状态，并放出了240J热量，那么在返回的过程中是气体对外界做功，还是外界对气体做功？

做多少功？

【解析】　

（1）由热力学第一定律可得

ΔU＝W＋Q＝－120J＋280J＝160J.

（2）由于气体的内能仅与状态有关，所以气体从2状态回到1状态过程中内能的变化应等于从1状态到2状态过程中内能的变化，则从2状态到1状态的内能应减少160J．即ΔU′＝－160J，又Q′＝－240J，根据热力学第一定律得ΔU′＝W′＋Q′，所以W′＝ΔU′－Q′＝－160J－（－240J）＝80J，即外界对气体做功80J.

【答案】　

（1）增加了160J　

（2）外界对气体做功80J

12．如图515所示是用导热性能良好的材料制成的气体实验装置，开始时封闭的空气柱长度为22cm，现在用竖直向下的外力F压缩气体，使封闭空气柱长度变为2cm，人对活塞做功100J，大气压强为p0＝1×105Pa，不计活塞重力．问：

图515

（1）若用足够长的时间缓慢压缩气体，求压缩后气体的压强为多大？

（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）

【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，解得：

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，将Q＝－20J代入解得ΔU＝82J.

【答案】　

（1）1.1×106Pa　

（2）82J