高中物理人教版3第十章熱力學定律3熱力學第一定律能量守恒定律 第10章

3熱力學第一定律能量守恒定律學習目標知識脈絡1.掌握熱力學第一定律及其表達式．(重點、難點)2.學會運用熱力學第一定律解釋自然界能量的轉化、轉移問題．(難點)3.理解能量守恒定律，知道能量守恒定律是自然界普遍遵從的基本規(guī)律．(重點)4.理解第一類永動機是不可能制成的．(難點)熱力學第一定律eq\a\vs4\al([先填空])1．改變內(nèi)能的兩種方式做功與熱傳遞．兩者在改變系統(tǒng)內(nèi)能方面是等效的．2．熱力學第一定律(1)內(nèi)容：一個熱力學系統(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.eq\a\vs4\al([再判斷])1．做功和熱傳遞在改變物體內(nèi)能上是不等效的．(×)2．熱力學系統(tǒng)對外界做功時，W取負值，吸收熱量時Q取正值．(√)3．物體與外界不發(fā)生熱交換，物體的內(nèi)能也可能增加．(√)eq\a\vs4\al([后思考])1．如圖10-3-1所示，給旱區(qū)送水的消防車停于水平地面．在緩慢放水的過程中，若車胎不漏氣且胎內(nèi)氣體溫度不變，不計分子間的勢能，試分析氣體的吸、放熱情況．圖10-3-1【提示】由于車胎內(nèi)氣體溫度不變，故氣體分子的平均動能不變，內(nèi)能不變．放水過程中氣體體積增大，對外做功，由熱力學第一定律可知，車胎內(nèi)氣體吸熱．2．物體的內(nèi)能不變，能否說明外界既沒有對物體做功，也沒有發(fā)生熱傳遞？【提示】不能．可能是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)．eq\a\vs4\al([核心點擊])熱力學第一定律的理解1．符號法則熱力學第一定律的數(shù)學表達式也適用于物體對外做功、向外界散熱和內(nèi)能減少的情況，因此在使用ΔU＝Q＋W時，為了區(qū)別以上兩種情況，在應用ΔU＝Q＋W進行計算時，它們的正、負號規(guī)定如下：(1)外界對系統(tǒng)做功，W>0，即W為正值；系統(tǒng)對外界做功，也就是外界對系統(tǒng)做負功，W<0，即W為負值；(2)外界對系統(tǒng)傳遞熱量，也就是系統(tǒng)從外界吸收熱量，Q>0，即Q為正值；外界從系統(tǒng)吸收熱量，也就是系統(tǒng)向外界放出熱量，Q<0，即Q為負值；(3)系統(tǒng)內(nèi)能增加，ΔU>0，即ΔU為正值；系統(tǒng)內(nèi)能減少，ΔU<0，即ΔU為負值．2．熱力學第一定律的幾種典型應用(1)若過程是絕熱的，即Q＝0，則W＝ΔU，外界對物體做的功等于物體內(nèi)能的增加量．(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)能的增加量．(3)若過程中物體的始、末內(nèi)能不變，即ΔU＝0，則W＋Q＝0或W＝－Q，外界對物體做的功等于物體放出的熱量．1．(1)空氣壓縮機在一次壓縮過程中，活塞對汽缸中的氣體做功為×105J，同時氣體的內(nèi)能增加了×105J．試問：此壓縮過程中，氣體__________(填“吸收”或“放出”)的熱量等于________J.(2)若一定質量的理想氣體分別按如圖所示的三種不同過程變化，其中表示等壓變化的是__________(填“A”、“B”或“C”)．該過程中氣體的內(nèi)能__________(填“增加”、“減少”或“不變”)．【導學號：11200089】【解析】(1)由熱力學第一定律W＋Q＝ΔU得Q＝ΔU－W＝－5×104J，說明氣體放出熱量5×104J.(2)由氣態(tài)方程eq\f(pV,T)＝C(常量)易判斷出C過程是等壓變化，該過程溫度升高，理想氣體的內(nèi)能增加．【答案】(1)放出5×104(2)C增加2．一定質量的氣體從外界吸收了×105J的熱量，同時氣體對外做了6×105J的功，問：(1)物體的內(nèi)能是增加還是減少？變化量是多少？(2)分子勢能是增加還是減少？(3)分子的平均動能是增加還是減少？【導學號：11200090】【解析】(1)氣體從外界吸收的熱量為Q＝×105J氣體對外做功W＝－6×105J由熱力學第一定律ΔU＝W＋Q＝(－6×105J)＋×105J)＝－×105JΔU為負，說明氣體的內(nèi)能減少了所以，氣體內(nèi)能減少了×105J.(2)因為氣體對外做功，所以氣體的體積膨脹，分子間的距離增大了，分子力做負功，氣體分子勢能增加了．(3)因為氣體內(nèi)能減少，同時氣體分子勢能增加，所以氣體分子的平均動能一定減少了．【答案】(1)減少×105J(2)增加(3)減少應用熱力學第一定律解題的思路與步驟1．首先應明確研究對象是哪個物體或者是哪個熱力學系統(tǒng)．2．分別列出物體(或系統(tǒng))吸收或放出的熱量；外界對物體(或系統(tǒng))所做的功或物體(或系統(tǒng))對外所做的功．3．根據(jù)熱力學第一定律ΔU＝Q＋W列出方程進行求解．4．特別注意的就是物理量的正負號及其物理意義．能量守恒定律及永動機不可能制成eq\a\vs4\al([先填空])1．能量守恒定律(1)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化為另一種形式，或者從一個物體轉移到別的物體，在轉化或轉移的過程中，能量的總量保持不變．(2)意義：①各種形式的能可以相互轉化．②各種互不相關的物理現(xiàn)象可以用能量守恒定律聯(lián)系在一起．2．第一類永動機不可能制成(1)第一類永動機：不需要任何動力或燃料，卻能不斷地對外做功的機器．(2)第一類永動機不可能制成的原因：違背了能量守恒定律．(3)意義：正是歷史上設計永動機的失敗，才使后人的思考走上了正確的道路．eq\a\vs4\al([再判斷])1．各種能量之間可以轉移或轉化，但總量保持不變．(√)2．運動的物體在阻力作用下會停下來，說明機械能憑空消失了．(×)3．第一類永動機不能制成，是因為它違背了能的轉化和守恒定律．(√)eq\a\vs4\al([后思考])有一種所謂“全自動”機械手表如圖10-3-2所示，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？圖10-3-2【提示】這不是永動機．手表戴在手腕上，通過手臂的運動，機械手表獲得能量，供手表指針走動．若將此手表長時間放置不動，它就會停下來．eq\a\vs4\al([核心點擊])1．能量的存在形式及相互轉化(1)各種運動形式都有對應的能：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、化學能、原子能等．(2)各種形式的能，通過某種力做功可以相互轉化．例如，利用電爐取暖或燒水，電能轉化為內(nèi)能；煤燃燒，化學能轉化為內(nèi)能；列車剎車后，輪子溫度升高，機械能轉化為內(nèi)能．2．與某種運動形式對應的能是否守恒是有條件的．例如，物體的機械能守恒，必須是只有重力或系統(tǒng)內(nèi)的彈力做功；而能量守恒定律是沒有條件的，它是一切自然現(xiàn)象都遵守的基本規(guī)律．3．第一類永動機失敗的原因分析如果沒有外界熱源供給熱量，則有U2－U1＝W，就是說，如果系統(tǒng)內(nèi)能減少，即U2<U1，則W<0，系統(tǒng)對外做功是要以內(nèi)能減少為代價的．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．3．下列關于能量轉化現(xiàn)象的說法中，正確的是()A．用太陽灶燒水是光能轉化為內(nèi)能B．電燈發(fā)光是電能轉化為光能C．核電站發(fā)電是電能轉化為內(nèi)能D．生石灰放入盛有涼水的燒杯里，水溫升高是動能轉化為內(nèi)能E．風車發(fā)電是風的動能轉化為電能【解析】A選項中是光能轉化為內(nèi)能，C選項中是核能轉化為電能，D選項中是化學能轉化為內(nèi)能，A、B、E選項正確．【答案】ABE4．一定量的理想氣體從狀態(tài)a開始，經(jīng)歷三個過程ab、bc、ca回到原狀態(tài)，其p-T圖象如圖10-3-3所示．下列判斷正確的是()圖10-3-3A．過程ab中氣體一定吸熱B．過程bc中氣體既不吸熱也不放熱C．過程ca中外界對氣體所做的功等于氣體所放的熱D．a(chǎn)、b和c三個狀態(tài)中，狀態(tài)a分子的平均動能最小E．b和c兩個狀態(tài)中，容器壁單位面積單位時間內(nèi)受到氣體分子撞擊的次數(shù)不同【解析】由p-T圖象可知過程ab是等容變化，溫度升高，內(nèi)能增加，體積不變，由熱力學第一定律可知過程ab一定吸熱，選項A正確；過程bc溫度不變，即內(nèi)能不變，由于過程bc體積增大，所以氣體對外做功，由熱力學第一定律可知，氣體一定吸收熱量，選項B錯誤；過程ca壓強不變，溫度降低，內(nèi)能減少，體積減小，外界對氣體做功，由熱力學第一定律可知，放出的熱量一定大于外界對氣體做的功，選項C錯誤；溫度是分子平均動能的標志，由p-T圖象可知，a狀態(tài)氣體溫度最低，則平均動能最小，選項D正確；b、c兩狀態(tài)溫度相等，分子平均動能相等，由于壓強不相等，所以單位面積單位時間內(nèi)受到氣體分子撞擊的次數(shù)不同，選項E正確．【答