高中物理 第十章 熱力學(xué)定律 課時3 熱力學(xué)第一定律 能量守恒定律學(xué)案 新人教版選修33

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1、 學(xué)案3　熱力學(xué)第一定律　能量守恒定律 [目標(biāo)定位] 1.理解熱力學(xué)第一定律，并會運用于分析和計算.2.理解并會運用能量守恒定律.3.知道什么是第一類永動機及其不可能制成的原因． 一、熱力學(xué)第一定律 [問題設(shè)計] 一根金屬絲經(jīng)過某一物理過程，溫度升高了，除非事先知道，否則根本無法判定是通過做功的方法，還是使用了傳熱的方法使它的內(nèi)能增加．因為單純地對系統(tǒng)做功和單純地對系統(tǒng)傳熱都能改變系統(tǒng)的內(nèi)能．既然它們在改變系統(tǒng)內(nèi)能方面是等價的，那么當(dāng)外界對系統(tǒng)做功為W，又對系統(tǒng)傳熱為Q時，系統(tǒng)內(nèi)能的增量ΔU應(yīng)該是多少？ 答案　系統(tǒng)內(nèi)能的增量ΔU＝Q＋W. [要點提煉] 1．改變內(nèi)能的兩種

2、方式：做功與熱傳遞．兩者在改變系統(tǒng)內(nèi)能方面是等價的． 2．熱力學(xué)第一定律：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． 3．熱力學(xué)第一定律的表達式：ΔU＝Q＋W. 4．對公式ΔU＝Q＋W符號的規(guī)定 符號 W Q ΔU ＋ 體積減小，外界對熱力學(xué)系統(tǒng)做功 熱力學(xué)系統(tǒng)吸收熱量 內(nèi)能增加 － 體積增大，熱力學(xué)系統(tǒng)對外界做功 熱力學(xué)系統(tǒng)放出熱量 內(nèi)能減少 5.應(yīng)用熱力學(xué)第一定律解題的一般步驟 (1)根據(jù)符號法則寫出各已知量(W、Q、ΔU)的正負(fù)； (2)根據(jù)方程ΔU＝W＋Q求出未知量； (3)再根據(jù)未知量結(jié)果的正負(fù)來確定吸熱、放熱情況或做

3、功情況． 6．氣體實驗定律和熱力學(xué)第一定律的關(guān)系 兩者的結(jié)合點是體積V和溫度T. 注意三個特殊過程的特點： (1)等溫過程：內(nèi)能不變，ΔU＝0； (2)等容過程：體積不變，W＝0； (3)絕熱過程：Q＝0. 二、能量守恒定律 [問題設(shè)計] 使熱力學(xué)系統(tǒng)內(nèi)能改變的方式有做功和熱傳遞．做功的過程是其他形式的能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的過程，熱傳遞是把其他物體的內(nèi)能轉(zhuǎn)移為系統(tǒng)的內(nèi)能．在能量發(fā)生轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移時，能量的總量會減少嗎？ 答案　能量的總量保持不變． [要點提煉] 1．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

4、中，能量的總量保持不變． 2．對能量守恒定律的理解 (1)某種形式的能量減少，一定有其他形式的能量增加，且減少量和增加量一定相等． (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．能量的存在形式及相互轉(zhuǎn)化 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，還有諸如電磁能、化學(xué)能、原子能等． 各種形式的能通過某種力做功可以相互轉(zhuǎn)化． 4．第一類永動機 (1)定義：不需要任何動力或燃料，卻能不斷地對外做功的機器． (2)不可能制成的原因：違背了能量守恒定律． [延伸思考] 熱力學(xué)第一定律、機械能守恒定律是能量守恒定律的具體體

5、現(xiàn)嗎？ 答案　是． 一、熱力學(xué)第一定律 例1　關(guān)于物體內(nèi)能的變化情況，下列說法中正確的是(　　) A．吸熱的物體，其內(nèi)能一定增加 B．體積膨脹的物體，其內(nèi)能一定減少 C．放熱的物體，其內(nèi)能也可能增加 D．絕熱壓縮的氣體，其內(nèi)能一定增加 解析　做功和熱傳遞都能改變物體的內(nèi)能，不能依據(jù)一種方式的變化就判斷內(nèi)能的變化． 答案　CD 例2　空氣壓縮機在一次壓縮中，活塞對空氣做了2105 J的功，同時空氣的內(nèi)能增加了1.5105 J，這一過程中空氣向外界傳遞的熱量是多少？ 解析　選擇被壓縮的空氣為研究對象，根據(jù)熱力學(xué)第一定律有ΔU＝W＋Q. 由題意可知W＝2105 J，ΔU＝

6、1.5105 J，代入上式得： Q＝ΔU－W＝1.5105 J－2105 J＝－5104 J. 負(fù)號表示空氣向外釋放熱量，即空氣向外界傳遞的熱量為5104 J. 答案　5104 J 二、能量守恒定律 例3　下列對能量守恒定律的認(rèn)識正確的是(　　) A．某種形式的能量減少，一定存在其他形式的能量增加 B．某個物體的能量減少，必然有其他物體的能量增加 C．不需要任何外界的動力而持續(xù)對外做功的機器——第一類永動機是不可能制成的 D．石子從空中落下，最后停止在地面上，說明機械能消失了 解析　A選項是指不同形式的能量間的轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化過程中能量是守恒的．B選項是指能量在不同的物體間發(fā)生轉(zhuǎn)

7、移，轉(zhuǎn)移過程中能量是守恒的，這正好是能量守恒定律的兩個方面——轉(zhuǎn)化與轉(zhuǎn)移．第一類永動機是不可能制成的，它違背了能量守恒定律．所以A、B、C正確；D選項中石子的機械能在變化，比如受空氣阻力作用，機械能可能減少，但機械能并沒有消失，能量守恒定律表明能量既不能創(chuàng)生，也不能消失，故D錯誤． 答案　ABC 三、熱力學(xué)第一定律與氣體實驗定律的結(jié)合 例4　如圖1所示，倒懸的導(dǎo)熱氣缸中封閉著一定質(zhì)量的理想氣體．輕質(zhì)活塞可無摩擦地上下移動，活塞的橫截面積為S，活塞的下面吊著一個重為G的物體，大氣壓強恒為p0.起初環(huán)境的熱力學(xué)溫度為T0時，活塞到氣缸底面的距離為L.當(dāng)環(huán)境溫度逐漸升高，導(dǎo)致活塞緩慢下降，該過

8、程中活塞下降了0.1L，氣缸中的氣體吸收的熱量為Q.求： 圖1 (1)氣缸內(nèi)部氣體內(nèi)能的增量ΔU； (2)最終的環(huán)境溫度T. 解析　(1)密封氣體的壓強p＝p0－(G/S) 密封氣體對外做功W＝pS0.1L 由熱力學(xué)第一定律得ΔU＝Q－W 得ΔU＝Q－0.1p0SL＋0.1LG (2)該過程是等壓變化，由蓋—呂薩克定律有 ＝ 解得T＝1.1T0. 答案　(1)Q－0.1p0SL＋0.1LG　(2)1.1T0 1．(熱力學(xué)第一定律)一定質(zhì)量的氣體在某一過程中，外界對氣體做了8104 J的功，氣體的內(nèi)能減少了1.2105 J，則根據(jù)熱力學(xué)第一定律，下列各式中正確的是

9、(　　) A．W＝8104 J，ΔU＝1.2105 J，Q＝4104 J B．W＝8104 J，ΔU＝－1.2105 J，Q＝－2105 J C．W＝－8104 J，ΔU＝1.2105 J，Q＝2104 J D．W＝－8104 J，ΔU＝－1.2105 J，Q＝－4104 J 答案　B 解析　因為外界對氣體做功，W取正值，即W＝8104 J；氣體的內(nèi)能減少，ΔU取負(fù)值，即ΔU＝－1.2105 J；根據(jù)熱力學(xué)第一定律ΔU＝W＋Q，可知Q＝ΔU－W＝－1.2105 J－8104 J＝－2105 J，即B選項正確． 2．(熱力學(xué)第一定律)如圖2所示，某同學(xué)將空的薄金屬筒開口向下壓入水中

10、．設(shè)水溫均勻且恒定，筒內(nèi)空氣無泄漏，不計氣體分子間的相互作用，則被淹沒的金屬筒在緩緩下降過程中，筒內(nèi)空氣體積減小，空氣一定(　　) 圖2 A．從外界吸熱 B．內(nèi)能增大 C．向外界放熱 D．內(nèi)能減小 答案　C 解析　由于不計氣體分子之間的相互作用，且整個過程緩慢進行，所以可看成溫度不變，即氣體內(nèi)能不變，選項B、D均錯；由熱力學(xué)第一定律ΔU＝W＋Q，因為在下降過程中氣體體積減小，外界對氣體做了功，式中W取正號，ΔU＝0，所以Q為負(fù)，即氣體向外放熱，故選項A錯，C對． 3．(能量守恒定律)下面設(shè)想符合能量守恒定律的是(　　) A．利用永久磁鐵間的作用力，造一臺永遠轉(zhuǎn)動的機械

11、B．做一條船，利用流水的能量逆水行舟 C．通過太陽照射飛機，即使飛機不帶燃料也能飛行 D．利用核動力，駕駛地球離開太陽系 答案　BCD 解析　利用磁場能可以使磁鐵所具有的磁場能轉(zhuǎn)化為動能，但由于摩擦力的不可避免性，動能最終轉(zhuǎn)化為內(nèi)能使轉(zhuǎn)動停止，故A不符合．讓船先靜止在水中，設(shè)計一臺水力發(fā)電機使船獲得足夠電能，然后把電能轉(zhuǎn)化為船的動能使船逆水航行；同理可利用光能的可轉(zhuǎn)化性和電能的可收集性，使光能轉(zhuǎn)化為飛機的動能，實現(xiàn)飛機不帶燃料 也能飛行，故B、C符合；利用反沖理論，以核動力為能源，使地球獲得足夠大的能量，掙脫太陽引力的束縛而離開太陽系，故D符合． 4. (熱力學(xué)第一定律與氣體實驗定

12、律的綜合應(yīng)用)如圖3是用導(dǎo)熱性能良好的材料制成的氣體實驗裝置，開始時封閉的氣柱長度為22 cm，現(xiàn)用豎直向下的外力F壓縮氣體，使封閉的氣柱長度變?yōu)? cm，人對活塞做功100 J，大氣壓強為p0＝1105 Pa，不計活塞的重力．問： 圖3 (1)若用足夠長的時間緩慢壓縮，求壓縮后氣體的壓強多大？ (2)若以適當(dāng)?shù)乃俣葔嚎s氣體，氣體向外散失的熱量為20 J，則氣體的內(nèi)能增加多少？(活塞的橫截面積S＝1 cm2) 答案　(1)1.1106 Pa　(2)82 J 解析　(1)設(shè)壓縮后氣體的壓強為p，活塞的橫截面積為S，l0＝22 cm，l＝2 cm，V0＝l0S，V＝lS，緩慢壓縮，氣

13、體溫度不變 由玻意耳定律得p0V0＝pV 解得p＝1.1106 Pa (2)大氣壓力對活塞做功W1＝p0S(l0－l)＝2 J 人做功W2＝100 J 由熱力學(xué)第一定律得ΔU＝W1＋W2＋Q Q＝－20 J 解得ΔU＝82 J 題組一　熱力學(xué)第一定律 1．關(guān)于物體內(nèi)能的變化，以下說法中正確的是(　　) A．物體吸收熱量，內(nèi)能一定增大 B．物體對外做功，內(nèi)能一定減少 C．物體吸收熱量，同時對外做功，內(nèi)能可能不變 D．物體放出熱量，同時對外做功，內(nèi)能可能不變 答案　C 解析　根據(jù)熱力學(xué)第一定律ΔU＝W＋Q，物體內(nèi)能的變化與外界對物體做功(或物體對外界做功)

14、和物體從外界吸熱(或向外界放熱)兩種因素有關(guān)．物體吸收熱量，但有可能同時對外做功，故內(nèi)能有可能不變甚至減小，故A錯；同理，物體對外做功的同時有可能吸熱，故內(nèi)能不一定減少，B錯；若物體吸收的熱量與對外做的功相等，則內(nèi)能不變，C正確；而放熱與對外做功都使物體內(nèi)能減少，故D錯． 2．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(不計分子勢能的變化)(　　) A．內(nèi)能增大，放出熱量 B．內(nèi)能減小，吸收熱量 C．內(nèi)能增大，對外界做功 D．內(nèi)能減小，外界對其做功 答案　D 解析　不計分子勢能的變化時瓶內(nèi)空氣的內(nèi)能只與其溫度有關(guān)，溫度降低時其內(nèi)能減?。芰掀孔儽鈺r瓶內(nèi)空氣體積減小，外界對

15、其做功．再由熱力學(xué)第一定律知此過程中瓶內(nèi)空氣要放出熱量，故只有選項D正確． 3．一定量的理想氣體在某一過程中，從外界吸收熱量2.5104 J，氣體對外界做功1.0104 J，則該理想氣體的(　　) A．溫度降低，密度增大 B．溫度降低，密度減小 C．溫度升高，密度增大 D．溫度升高，密度減小 答案　D 解析　由ΔU＝W＋Q可得理想氣體內(nèi)能變化ΔU＝－1.0104 J＋2.5104 J＝1.5104 J>0，故溫度升高，A、B兩項均錯．因為氣體對外做功，所以氣體一定膨脹，體積變大，由ρ＝可知密度較小，故C項錯誤，D項正確． 4．一定質(zhì)量的氣體在保持壓強恒等于1.0105 Pa的狀

16、況下，體積從20 L膨脹到30 L，這一過程中氣體從外界吸熱4103 J，則氣體內(nèi)能的變化為(　　) A．增加了5103 J B．減少了5103 J C．增加了3103 J D．減少了3103 J 答案　C 解析　氣體等壓膨脹過程對外做功W＝pΔV＝1.0105 Pa(30－20)10－3 m3＝1.0103 J．這一過程氣體從外界吸熱Q＝4103 J．由熱力學(xué)第一定律ΔU＝W＋Q，由于氣體對外做功，W應(yīng)取負(fù)值，則可得ΔU＝－1.0103 J＋4.0103 J＝3.0103 J，即氣體內(nèi)能增加了3103 J．故選項C正確． 題組二　能量守恒定律 5．自由擺動的秋千擺動幅度越來越

17、小，下列說法中正確的是(　　) A．機械能守恒 B．能量正在消失 C．只有動能和重力勢能的相互轉(zhuǎn)化 D．減少的機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，但總能量守恒 答案　D 解析　自由擺動的秋千擺動幅度越來越小，說明機械能在減少，故A、C項錯誤；而減少的機械能通過摩擦轉(zhuǎn)化成了內(nèi)能，故B項錯誤，D項正確． 6.如圖1所示為沖擊擺實驗裝置，一飛行子彈射入沙箱后與沙箱合為一體，共同擺起一定的高度，則下面有關(guān)能量的轉(zhuǎn)化的說法中正確的是(　　) 圖1 A．子彈的動能轉(zhuǎn)變成沙箱和子彈的內(nèi)能 B．子彈的動能轉(zhuǎn)變成了沙箱和子彈的熱能 C．子彈的動能轉(zhuǎn)變成了沙箱和子彈的動能 D．子彈的動能一部分轉(zhuǎn)變成沙箱

18、和子彈的內(nèi)能，另一部分轉(zhuǎn)變成沙箱和子彈的機械能 答案　D 解析　子彈在射入沙箱瞬間，要克服摩擦阻力做功，一部分動能轉(zhuǎn)變成沙箱和子彈的內(nèi)能，另一部分動能轉(zhuǎn)變成沙箱和子彈的機械能． 7．“第一類永動機”不可能制成，是因為(　　) A．不符合機械能守恒定律 B．違背了能量守恒定律 C．做功產(chǎn)生的熱不符合熱功當(dāng)量 D找不到合適的材料和合理的設(shè)計方案 答案　B 8.如圖2所示，一演示用的“永動機”轉(zhuǎn)輪由5根輕桿和轉(zhuǎn)軸構(gòu)成，輕桿的末端裝有用形狀記憶合金制成的葉片．輕推轉(zhuǎn)輪后，進入熱水的葉片因伸展而“劃水”，推動轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動．離開熱水后，葉片形狀迅速恢復(fù)，轉(zhuǎn)輪因此能較長時間轉(zhuǎn)動．下列說法正確的

19、是(　　) 圖2 A．轉(zhuǎn)輪依靠自身慣性轉(zhuǎn)動，不需要消耗外界能量 B．轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動所需能量來自形狀記憶合金自身 C．轉(zhuǎn)動的葉片不斷攪動熱水，水溫升高 D．葉片在熱水中吸收的熱量一定大于在空氣中釋放的熱量 答案　D 解析　輕推轉(zhuǎn)輪后，葉片開始轉(zhuǎn)動，由能量守恒定律可知，葉片在熱水中吸收的熱量一部分釋放到空氣中，另一部分使葉片在熱水中伸展做功，所以葉片在熱水中吸收的熱量一定大于在空氣中釋放的熱量，D正確． 題組三　熱力學(xué)第一定律與氣體實驗定律的綜合應(yīng)用 9.如圖3所示，一絕熱容器被隔板K隔成a、b兩部分．已知a內(nèi)有一定質(zhì)量的稀薄氣體，b內(nèi)為真空．抽離隔板K后，a內(nèi)氣體進入b，最終達到

20、平衡狀態(tài)．在此過程中(　　) 圖3 A．氣體對外界做功，內(nèi)能減少 B．氣體不做功，內(nèi)能不變 C．氣體壓強變小，溫度降低 D．氣體壓強變小，溫度不變 答案　BD 解析　抽離隔板K，a內(nèi)氣體體積變大，由于b內(nèi)為真空，所以a內(nèi)氣體不做功，由熱力學(xué)第一定律可得B正確．內(nèi)能不變，故溫度不變，體積變大，由玻意耳定律可知壓強變小，所以D正確． 10．用密封性好、充滿氣體的塑料袋包裹易碎品，如圖4所示，充氣袋四周被擠壓時，假設(shè)袋內(nèi)氣體與外界無熱交換，則袋內(nèi)氣體(　　) 圖4 A．體積減小，內(nèi)能增大 B．體積減小，壓強減小 C．對外界做負(fù)功，內(nèi)能增大 D．對外界做正功，壓強減小

21、 答案　AC 解析　袋內(nèi)氣體與外界無熱交換即Q＝0，袋四周被擠壓時，體積V減小，外界對氣體做正功，根據(jù)熱力學(xué)第一定律ΔU＝W＋Q，氣體內(nèi)能增大，則溫度升高，由＝常數(shù)知壓強增大，選項A、C正確，B、D錯誤． 11.如圖5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(　　) 圖5 A．體積必然變大 B．有可能經(jīng)過體積減小的過程 C．外界必然對氣體做功 D．氣體必然從外界吸熱 答案　ABD 解析　本題是氣體狀態(tài)變化、圖象與熱力學(xué)第一定律結(jié)合的綜合分析題．連接OA、OB，得到兩條等容線，故有VB>VA，所以A正確．由于沒有限制自狀態(tài)A變化到

22、狀態(tài)B的過程，所以可先從A狀態(tài)減小氣體的體積再增大氣體的體積到B狀態(tài)，故B正確．因為氣體體積增大，所以是氣體對外界做功，C錯誤．因為氣體對外界做功，而氣體的溫度又升高，內(nèi)能增大，由熱力學(xué)第一定律知氣體一定從外界吸熱，D正確． 12．如圖6所示，一定質(zhì)量的理想氣體從狀態(tài)A變化到狀態(tài)B，再由狀態(tài)B變化到狀態(tài)C.已知狀態(tài)A的溫度為300 K．氣體在狀態(tài)B的溫度TB＝________；由狀態(tài)B變化到狀態(tài)C的過程中，氣體是________(吸熱或放熱)． 圖6 答案　1200 K　放熱 解析　從狀態(tài)A到B狀態(tài)，＝得TB＝1200 K，由狀態(tài)B變化到狀態(tài)C體積不變，壓強減小，溫度降低，內(nèi)能減小

23、，但W＝0，所以放熱． 13.如圖7所示，一定質(zhì)量的理想氣體從狀態(tài)A先后經(jīng)過等壓、等容和等溫過程完成一個循環(huán)，A、B、C狀態(tài)參量如圖所示，氣體在狀態(tài)A的溫度為27 ℃，求： 圖7 (1)氣體在狀態(tài)B的溫度TB； (2)氣體從A→B→C狀態(tài)變化過程中與外界交換的總熱量Q. 答案　(1)600 K　(2)2p0V0 解析　(1)A到B過程是等壓變化有＝ 代入數(shù)據(jù)得TB＝600 K (2)根據(jù)熱力學(xué)第一定律有ΔU＝Q＋W 其中W＝－2p0V0 解得Q＝2p0V0(吸熱) 6EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F375