2019-2020學(xué)年高中物理 第十章 熱力學(xué)定律 第3節(jié) 熱力學(xué)第一定律 能量守恒定律學(xué)案 新人教版選修3-3

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1、 第3節(jié)　熱力學(xué)第一定律　能量守恒定律 　1.理解熱力學(xué)第一定律，掌握它的表達式并能進行有關(guān)計算．　2.理解能量守恒定律，會用能量守恒的觀點分析、解決有關(guān)問題．　3.知道第一類永動機是不可能制成的． 一、熱力學(xué)第一定律 1．改變內(nèi)能的兩種方式：做功和傳熱． 2．熱力學(xué)第一定律 (1)內(nèi)容：一個熱力學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)能增量等于外界向它傳遞的熱量與外界對它所做的功的和． (2)表達式：ΔU＝Q＋W． 1．(1)外界對系統(tǒng)做功，系統(tǒng)的內(nèi)能一定增加. (　　) (2)系統(tǒng)內(nèi)能增加，一定是系統(tǒng)從外界吸收熱量．(　　) (3)系統(tǒng)從外界吸收熱量5 J，內(nèi)能可能增加5 J．(　　) (4

2、)系統(tǒng)內(nèi)能減少，一定是系統(tǒng)對外界做功．(　　) 提示：(1)×　(2)×　(3)√　(4)× 二、能量守恒定律 內(nèi)容：能量既不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或者從一個物體轉(zhuǎn)移到別的物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中，能量的總量保持不變． 意義 (1)各種形式的能可以相互轉(zhuǎn)化． (2)各種互不相關(guān)的物理現(xiàn)象可以用能量守恒定律聯(lián)系在一起． 2．(1)石子從空中落下，最后停止在地面上，說明機械能消失了．(　　) (2)用太陽灶燒水是太陽能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能．(　　) 提示：(1)×　(2)√ 三、永動機不可能制成 第一類永動機：不需要任何動力或燃料，卻能不斷

3、地對外做功的機器． 第一類永動機不可能制成的原因：違背了能量守恒定律． 有一種所謂“全自動”機械手表，既不需要上發(fā)條，也不用任何電源，卻能不停地走下去．這是不是一種永動機？如果不是，維持表針走動的能量是從哪兒來的？ 提示：這不是永動機．是通過手臂的擺動獲得能量． 　熱力學(xué)第一定律的理解和應(yīng)用 1．對公式ΔU＝Q＋W中ΔU、Q、W符號的規(guī)定 符號 Q W ΔU ＋ 物體吸收熱量 外界對物體做功 內(nèi)能增加 － 物體放出熱量 物體對外界做功 內(nèi)能減少 2.幾種特殊情況 (1)若過程是絕熱的，即Q＝0，則ΔU＝W，物體內(nèi)能的增加量等于外界對物體做的功

4、． (2)若過程中不做功，即W＝0，則ΔU＝Q，物體內(nèi)能的增加量等于物體從外界吸收的熱量． (3)若過程的始末狀態(tài)物體的內(nèi)能不變，即ΔU＝0，則W＝－Q(或Q＝－W)，外界對物體做的功等于物體放出的熱量(或物體吸收的熱量等于物體對外界做的功)． 3．判斷是否做功的方法：一般情況下看物體的體積是否變化． (1)若物體體積增大，表明物體對外界做功，W<0. (2)若物體體積減小，表明外界對物體做功，W>0. 命題視角1　用熱力學(xué)第一定律定性分析 　密閉有空氣的薄塑料瓶因降溫而變扁，此過程中瓶內(nèi)空氣(不計分子勢能)(　　) A．內(nèi)能減小，外界對其做功 B．內(nèi)能減小，吸收熱量 C

5、．內(nèi)能增大，對外界做功 D．內(nèi)能增大，放出熱量 [解析]　密閉有空氣的薄塑料瓶降溫說明氣體的內(nèi)能減小，薄塑料瓶變扁說明外界對氣體做功；由熱力學(xué)第一定律可知，氣體在變化過程中放出熱量，所以選項A正確． [答案]　A 命題視角2　用熱力學(xué)第一定律進行定量計算 　如圖所示是密閉的汽缸，外力推動活塞P壓縮氣體，對缸內(nèi)氣體做功500 J，同時氣體向外界放熱100 J，缸內(nèi)氣體的(　　) A．溫度升高，內(nèi)能增加400 J B．溫度升高，內(nèi)能減少400 J C．溫度降低，內(nèi)能增加600 J D．溫度降低，內(nèi)能減少600 J [解析]　由熱力學(xué)第一定律可得ΔU＝W＋Q＝500 J＋(

6、－100 J)＝400 J，即缸內(nèi)氣體內(nèi)能增加400 J，氣體溫度升高，故選項A對，B、C、D錯． [答案]　A 應(yīng)用熱力學(xué)第一定律解決問題的關(guān)鍵 (1)要明確研究的對象是哪個物體或者說是哪個熱力學(xué)系統(tǒng)． (2)應(yīng)用熱力學(xué)第一定律計算時，要依照符號法則代入數(shù)據(jù)，對結(jié)果的正、負也同樣依照符號法則來解釋其意義．　 命題視角3　熱力學(xué)第一定律與氣體實驗定律的綜合應(yīng)用 　如圖所示，A、B兩點表示一定質(zhì)量的某種理想氣體的兩個狀態(tài)，當(dāng)氣體從狀態(tài)A變化到狀態(tài)B時(　　) A．氣體內(nèi)能一定增加 B．氣體壓強變大 C．氣體對外界做功 D．氣體對外界放熱 [思路點撥]　(1)一定質(zhì)

7、量理想氣體的內(nèi)能由溫度決定． (2)由pV＝C判斷壓強變化． (3)根據(jù)體積變化判斷做功情況． (4)由熱力學(xué)第一定律判斷吸熱還是放熱． [解析]　由題圖可知，理想氣體的變化為等溫膨脹，氣體壓強減小，故氣體的內(nèi)能不變，氣體對外做功；由熱力學(xué)第一定律可知，氣體一定從外界吸收熱量．綜上可知，C對，A、B、D錯． [答案]　C 【通關(guān)練習(xí)】 1．下列說法正確的是(　　) A．物體放出熱量，其內(nèi)能一定減小 B．物體對外做功，其內(nèi)能一定減小 C．物體吸收熱量，同時對外做功，其內(nèi)能可能增加 D．物體放出熱量，同時對外做功，其內(nèi)能可能不變 解析：選C．根據(jù)熱力學(xué)第一定律(公式ΔU＝Q

8、＋W)可知，做功和熱傳遞都可以改變物體的內(nèi)能，當(dāng)外界對物體做的功大于物體放出的熱量或物體吸收的熱量大于物體對外做的功時，物體的內(nèi)能增加，選項A、B錯誤，選項C正確；物體放出熱量同時對外做功，則Q＋W<0，內(nèi)能減小，選項D錯誤． 2．如圖，一定質(zhì)量的理想氣體，由狀態(tài)a經(jīng)過ab過程到達狀態(tài)b或者經(jīng)過ac過程到達狀態(tài)c.設(shè)氣體在狀態(tài)b和狀態(tài)c的溫度分別為Tb和Tc，在過程ab和ac中吸收的熱量分別為Qab和Qac，則(　　) A．Tb>Tc，Qab>Qac　　　　　 B．Tb>Tc，QabQac D．Tb＝Tc，Qab

9、態(tài)方程可知＝＝，即＝，得Tc＝Tb，則氣體在b、c狀態(tài)內(nèi)能相等，因a到b和a到c的ΔU相同；而a到c過程中氣體體積不變，W＝0，a到b過程中氣體膨脹對外做功，W＜0，根據(jù)熱力學(xué)第一定律：ΔU＝Q＋W可知a到b的吸熱Qab大于a到c的吸熱Qac，即Qab＞Qac.選項C正確． 3．(多選)一定量的理想氣體從狀態(tài)a開始，經(jīng)歷等溫或等壓過程ab、bc、cd、da回到原狀態(tài)，其p－T圖象如圖所示，其中對角線ac的延長線過原點O.下列判斷正確的是(　　) A．氣體在a、c兩狀態(tài)的體積相等 B．氣體在狀態(tài)a時的內(nèi)能大于它在狀態(tài)c時的內(nèi)能 C．在過程cd中氣體向外界放出的熱量大于外界對氣體做的功

10、 D．在過程da中氣體從外界吸收的熱量小于氣體對外界做的功 E．在過程bc中外界對氣體做的功等于在過程da中氣體對外界做的功 解析：選ABE.由＝k可知，p－T圖象中過原點的一條傾斜的直線是等容線，A項正確；氣體從狀態(tài)c到狀態(tài)d的過程溫度不變，內(nèi)能不變，從狀態(tài)d到狀態(tài)a的過程溫度升高，內(nèi)能增加，B項正確；由于過程cd中氣體的內(nèi)能不變，根據(jù)熱力學(xué)第一定律可知，氣體向外放出的熱量等于外界對氣體做的功，C項錯誤；在過程da中氣體內(nèi)能增加，氣體從外界吸收的熱量大于氣體對外界做的功，D項錯誤；過程bc中，外界對氣體做的功Wbc＝pb(Vb－Vc)＝pbVb－pcVc，過程da中氣體對外界做的功Wd

11、a＝pd(Va－Vd)＝paVa－pdVd，由于pbVb＝paVa，pcVc＝pdVd，因此過程bc中外界對氣體做的功與過程da中氣體對外界做的功相等，E項正確． 　能量守恒定律的理解和應(yīng)用 1．能量的存在形式及相互轉(zhuǎn)化 (1)各種運動形式都有對應(yīng)的能：機械運動有機械能，分子的熱運動有內(nèi)能，還有電磁能、化學(xué)能、原子能等． (2)各種形式的能，通過某種力做功可以相互轉(zhuǎn)化．例如，利用電爐取暖或燒水，電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；煤燃燒，化學(xué)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；列車剎車后，輪子溫度升高，機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能． 2．能量守恒的兩種表達 (1)某種形式的能減少，一定有其他形式的能增加，且減少量和增加量一定相等．

12、 (2)某個物體的能量減少，一定存在其他物體的能量增加，且減少量和增加量一定相等． 3．第一類永動機失敗的原因分析：如果沒有外界供給熱量而對外做功，由ΔU＝W＋Q知，系統(tǒng)內(nèi)能將減小．若想源源不斷地做功，就必須使系統(tǒng)不斷回到初始狀態(tài)，在無外界能量供給的情況下是不可能的． 　如圖所示，直立容器的內(nèi)部有被隔板隔開的A、B兩部分氣體，A的密度小，B的密度大．抽去隔板，加熱氣體，使兩部分氣體均勻混合．設(shè)在此過程中氣體吸熱Q，氣體內(nèi)能的增量為ΔE，則(　　) A．ΔE＝Q　　　　　　 B．ΔEQ D．ΔE＝0 [思路點撥]　先分析系統(tǒng)中哪些形式的能量發(fā)生變化，再由能量守恒定

13、律判斷． [解析]　抽去隔板，加熱氣體，使兩部分氣體均勻分布，其重心升高，重力勢能增加．由能量守恒定律知，增加的重力勢能由內(nèi)能轉(zhuǎn)化而來，所以內(nèi)能的增量小于吸收的熱量，故選項B正確． [答案]　B 利用能量守恒定律解決問題時，首先應(yīng)明確題目中涉及哪幾種形式的能量，其次分析哪種能量增加了，哪種能量減少了，確定研究的系統(tǒng)后，用能量守恒的觀點求解．　 　如圖所示，厚壁容器的一端通過膠塞插進一支靈敏溫度計和一根氣針，另一端有個用卡子卡住的可移動膠塞．用打氣筒通過氣針慢慢向容器內(nèi)打氣，使容器內(nèi)的壓強增大到一定程度，這時讀出溫度計示數(shù)．打開卡子，膠塞沖出容器口后(　　) A．溫度計示數(shù)變大，實驗表明氣體對外界做功，內(nèi)能減少 B．溫度計示數(shù)變大，實驗表明外界對氣體做功，內(nèi)能增加 C．溫度計示數(shù)變小，實驗表明氣體對外界做功，內(nèi)能減少 D．溫度計示數(shù)變小，實驗表明外界對氣體做功，內(nèi)能增加 解析：選C.膠塞沖出容器口后，氣體膨脹，對外做功，W<0，由于沒時間進行熱交換，由ΔU＝W可知內(nèi)能減?。畠?nèi)能等于分子動能與勢能之和，由于體積增大，勢能增大，由此可知分子平均動能減小，所以溫度降低，故C正確，A、B、D錯誤． - 6 -