第十章-第3節(jié)-熱力學(xué)第一定律-能量守恒定律

1．熱力學(xué)第一定律：一個(gè)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(duì)它所做的功的和。2．熱力學(xué)第一定律的表達(dá)式ΔU＝Q＋W。3．能量守恒定律：能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)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(gè)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。[自學(xué)教材]1．改變內(nèi)能的兩種方式

和

。

2．熱力學(xué)第一定律

(1)內(nèi)容：一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)能增量等于外界向它傳遞的

與外界對(duì)它所

的和。

(2)數(shù)學(xué)表達(dá)式：ΔU＝

。做功熱傳遞熱量做的功Q＋W[重點(diǎn)詮釋]1．對(duì)熱力學(xué)第一定律的理解熱力學(xué)第一定律不僅反映了做功和熱傳遞這兩種改變內(nèi)能的過程是等效的，而且給出了內(nèi)能的變化量和做功與熱傳遞之間的定量關(guān)系。此定律是標(biāo)量式，應(yīng)用時(shí)熱量的單位應(yīng)統(tǒng)一為國際單位制中的焦耳。

2．公式ΔU＝Q＋W中符號(hào)的規(guī)定符號(hào)WQΔU＋外界對(duì)物體做功物體吸收熱量內(nèi)能增加－物體對(duì)外界做功物體放出熱量內(nèi)能減少3．幾種特殊情況

(1)若過程是絕熱的，則Q＝0，W＝ΔU，外界對(duì)物體做的功等于物體內(nèi)能的增加。

(2)若過程中不做功，即W＝0，則Q＝ΔU，物體吸收的熱量等于物體內(nèi)能的增加。

(3)若過程的始末狀態(tài)物體的內(nèi)能不變，即ΔU＝0，則W＋Q＝0或W＝－Q，外界對(duì)物體做的功等于物體放出的熱量。1．某氣體初態(tài)時(shí)有100J內(nèi)能，膨脹過程中對(duì)外做功30J，同時(shí)吸收了20J的熱量，在這個(gè)過程中內(nèi)能________(填“增加”或“減少”)________J。解析：由熱力學(xué)第一定律ΔU＝U2－U1＝W＋Q，結(jié)合符號(hào)法則及其物理意義有W＝－30J，Q＝20J，故ΔU＝U2－U1＝－10J，因而內(nèi)能減少了10J。答案：減少10[自學(xué)教材]

1．能量守恒定律

(1)內(nèi)容：能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)憑空消失，它只能從一種形式

為另一種形式，或者從一個(gè)物體

到別的物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中

保持不變。能量的總量轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)移(2)意義：①各種形式的能可以

。②各種物理現(xiàn)象可以用

聯(lián)系在一起。2．永動(dòng)機(jī)不可能制成(1)第一類永動(dòng)機(jī)：不需要任何動(dòng)力或燃料，卻能不斷地

的機(jī)器。(2)不可制成的原因：違背了

定律。相互轉(zhuǎn)化能量守恒定律對(duì)外做功能量守恒[重點(diǎn)詮釋](1)自然界中能量的存在形式：物體運(yùn)動(dòng)具有動(dòng)能、分子運(yùn)動(dòng)具有分子動(dòng)能、電荷具有電能、原子內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)具有原子能等。可見，在自然界中不同的能量形式與不同的運(yùn)動(dòng)形式相對(duì)應(yīng)。

(2)不同形式的能量之間可以相互轉(zhuǎn)化，且這一轉(zhuǎn)化過程是通過做功來完成的。(3)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。

(4)某個(gè)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。2．下列對(duì)能量的轉(zhuǎn)化和守恒定律的認(rèn)識(shí)不正確的是(

)A．某種形式的能量減少，一定存在其他形式能量的增加B．某個(gè)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(dòng)力而持續(xù)對(duì)外做功的機(jī)器——永動(dòng)機(jī)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(jī)械能消失了解析：A選項(xiàng)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(xiàng)是指能量在不同的物體間發(fā)生轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移過程中是守恒的。這正好是能量守恒定律的兩個(gè)方面——轉(zhuǎn)化與轉(zhuǎn)移。任何第一類永動(dòng)機(jī)都是不可能制成的，它違背了能量守恒定律。所以A、B、C正確。D選項(xiàng)中石子的機(jī)械能在變化，比如受空氣阻力作用，機(jī)械能可能減少，但機(jī)械能并沒有消失，能量守恒定律表明能量既不會(huì)創(chuàng)生，也不會(huì)消失，只是從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式。故D是錯(cuò)的。答案：D[例1]

一定量的氣體從外界吸收了2.6×105J的熱量，內(nèi)能增加了4.2×105J。

(1)是氣體對(duì)外界做了功，還是外界對(duì)氣體做了功？做了多少焦耳的功？

(2)如果氣體吸收的熱量仍為2.6×105J不變，但是內(nèi)能增加了1.6×105J，計(jì)算結(jié)果W＝－1.0×105J，是負(fù)值，怎樣解釋這個(gè)結(jié)果？

(3)在熱力學(xué)第一定律ΔU＝Q＋W中，W、Q和ΔU的正值、負(fù)值各代表什么物理意義？[思路點(diǎn)撥]做功和熱傳遞是改變內(nèi)能的兩種方式，但二者不是孤立的，往往同時(shí)發(fā)生，遵從熱力學(xué)第一定律，應(yīng)用時(shí)注意“正、負(fù)”號(hào)的意義。

[解析]

(1)由熱力學(xué)第一定律：如果物體跟外界同時(shí)發(fā)生做功和熱傳遞的過程，那么，外界對(duì)物體所做功W加上物體從外界吸收的熱量Q等于物體內(nèi)能的增加ΔU，即ΔU＝W＋Q。將Q＝2.6×105J，ΔU＝4.2×105J代入上式得：

W＝ΔU－Q＝4.2×105J－2.6×105J＝1.6×105J。

W＞0，說明外界對(duì)氣體做了1.6×105J的功。(2)如果吸收的熱量Q＝2.6×105J，內(nèi)能ΔU增加了1.6×105J，計(jì)算結(jié)果為W＝－1.0×105J，說明氣體對(duì)外界做功。

(3)在公式ΔU＝Q＋W中，ΔU＞0，物體內(nèi)能增加；ΔU

＜0，物體內(nèi)能減少。Q

＞0，物體吸熱；Q＜0，物體放熱。W＞0，外界對(duì)物體做功；W＜0，物體對(duì)外界做功。

[答案]

(1)外界對(duì)氣體做了1.6×105J的功。

(2)說明氣體對(duì)外界做功。

(3)見解析1．一定量的氣體在某一過程中，外界對(duì)氣體做了8×104J的

功，氣體的內(nèi)能減少了1.2×105J，則下列各式中正確的是 (

)A．W＝8×104J，ΔU＝1.2×105J，Q＝4×104JB．W＝8×104J，ΔU＝－1.2×105J，Q＝－2×105JC．W＝－8×104J，ΔU＝1.2×105J，Q＝2×104JD．W＝－8×104J，ΔU＝－1.2×105J，Q＝－4×104J解析：因?yàn)橥饨鐚?duì)氣體做功，W取正值，即W＝8×104J；內(nèi)能減少，ΔU取負(fù)值，即ΔU＝－1.2×105J；根據(jù)熱力學(xué)第一定律ΔU＝W＋Q，可知Q＝ΔU－W＝－1.2×105J－8×104J＝－2×105J，即B選項(xiàng)正確。答案：B[例2]

如圖10－3－1所示，一個(gè)質(zhì)量為20kg的絕熱汽缸豎直放置，絕熱活塞的質(zhì)量為5kg，處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)被封閉氣體的高度為50cm，現(xiàn)在在活塞上方加一15kg的物體，待穩(wěn)定后，被封閉氣體的高度變?yōu)?0cm。求在這一過程中氣體的內(nèi)能增加多少？(g取10m/s2，不考慮活塞的大氣壓力及摩擦阻力)圖10－3－1[解析]由能量的轉(zhuǎn)化與守恒定律可知，內(nèi)能的增加等于活塞和物體重力勢(shì)能的減少，

ΔU＝ΔE＝(M＋m)gh＝(15＋5)×10×(50－40)×10－2J＝20J。

[答案]

20J[借題發(fā)揮](1)絕熱過程表示不吸熱、也不放熱；“導(dǎo)熱性能良好且過程緩慢”表示過程有熱傳遞發(fā)生且及時(shí)充分，保持溫度不變。

(2)用“能量守恒”觀點(diǎn)解題方便、快捷。2.如圖10－3－2所示容器中，A、B各有一個(gè)

可自由移動(dòng)的輕活塞，活塞下是水，上為

空氣，大氣壓恒定。A、B底部由帶有閥門

K的管道相連，整個(gè)裝置與外界絕熱。原先

A中水面比B中高，打開閥門，使A中的水逐

漸向B中流，最后達(dá)到平衡。