第2、3節(jié) 熱力學(xué)第一定律 能量守恒定律

第2、3節(jié)熱力學(xué)第一定律能量守恒定律核心素養(yǎng)點擊物理觀念(1)知道人類對能量概念的逐步認(rèn)識過程。(2)理解能量守恒定律，知道能量守恒是自然界普遍遵從的基本規(guī)律。(3)知道第一類永動機是不可能實現(xiàn)的?？茖W(xué)思維(1)能以系統(tǒng)為研究對象，用綜合分析的方法推導(dǎo)出熱力學(xué)第一定律。(2)能運用熱力學(xué)第一定律解釋和計算能量的轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)移問題?？茖W(xué)探究探究能量的轉(zhuǎn)化過程和總量的變化情況?？茖W(xué)態(tài)度與責(zé)任(1)理解能量和能量守恒觀念對世界統(tǒng)一性的意義。(2)體會科學(xué)探索中的挫折和失敗對科學(xué)發(fā)展的意義。一、熱力學(xué)第一定律1．填一填(1)改變內(nèi)能的兩種方式：做功和

都可以改變物體的內(nèi)能，而且這兩種方式是

的。(2)單純地對系統(tǒng)做功時內(nèi)能的變化量與功的關(guān)系：ΔU＝W。(3)單純地對系統(tǒng)傳熱時，內(nèi)能的變化量與傳遞熱量的關(guān)系：ΔU＝Q。(4)當(dāng)外界既對系統(tǒng)做功又對系統(tǒng)傳熱時，內(nèi)能的變化量：ΔU＝Q＋W。(5)熱力學(xué)第一定律的內(nèi)容一個熱力學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)能變化量等于外界向它傳遞的熱量與外界對它所做的功的和。傳熱等價2．判一判(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。

(

)(3)系統(tǒng)從外界吸收熱量5J，內(nèi)能可能增加5J。

(

)(4)系統(tǒng)內(nèi)能減少，一定是系統(tǒng)對外界做功。

(

)××√×3．想一想快速推動活塞對汽缸內(nèi)氣體做功10J，氣體內(nèi)能改變了多少？若保持氣體體積不變，外界對汽缸傳遞10J的熱量，氣體內(nèi)能改變了多少？能否說明10J的功等于10J的熱量？提示：無論外界對氣體做功10J，還是外界給氣體傳遞10J的熱量，氣體內(nèi)能都增加了10J，說明做功和傳熱在改變物體內(nèi)能上是等效的，但不能說10J的功等于10J的熱量，因為功與熱量具有本質(zhì)區(qū)別。二、能量守恒定律1．填一填(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

為其他形式，或者從一個物體

到別的物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中，能量的總量

。(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。(3)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

的機器。②第一類永動機不可能制成的原因：違背了

。轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)移保持不變相互轉(zhuǎn)化能量守恒定律對外做功能量守恒定律2．判一判(1)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。

(

)(2)功和能可以相互轉(zhuǎn)化。

(

)(3)第一類永動機不能制成，是因為它違背了能量守恒定律。

(

)(4)某個物體的能量減少，必然有其他物體的能量增加。

(

)××√√3．選一選“第一類永動機”是不可能制成的，這是因為 (

)A．它不符合機械能守恒定律B．它違背了能量守恒定律C．它做功產(chǎn)生的熱不符合熱功當(dāng)量D．暫時找不到合理的設(shè)計方案和理想材料解析：第一類永動機不可能制成的原因是違背了能量守恒定律，故B項正確。答案：B探究(一)熱力學(xué)第一定律的理解及應(yīng)用[問題驅(qū)動]如圖所示，一定質(zhì)量的理想氣體由a狀態(tài)變化到b狀態(tài)，請在圖像基礎(chǔ)上思考以下問題：(1)在變化過程中是氣體對外做功，還是外界對氣體做功？提示：由圖可知，氣體的變化為等壓膨脹，一定是氣體對外做功。(2)在變化過程中氣體吸熱，還是向外放熱？氣體內(nèi)能增加了，還是減少了？提示：由日常經(jīng)驗可知，理想氣體在等壓膨脹過程中需要從外界吸收熱量。由蓋—呂薩克定律可知，理想氣體在等壓膨脹過程中溫度升高，內(nèi)能一定增加。[重難釋解]1．公式ΔU＝Q＋W中符號的規(guī)定2.三種特殊情況(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。(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)。符號QWΔU＋物體吸熱外界對物體做功內(nèi)能增加－物體放熱物體對外界做功內(nèi)能減少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。一定質(zhì)量的實際氣體從外界吸收了4.2×105J的熱量，同時氣體對外做了6×105J的功，問：(1)氣體的內(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？[解析]

(1)氣體從外界吸熱，故Q＝4.2×105J，氣體對外做功，故W＝－6×105J，由熱力學(xué)第一定律有ΔU＝W＋Q＝(－6×105J)＋(4.2×105J)＝－1.8×105J。ΔU為負(fù)，說明氣體的內(nèi)能減少了，所以氣體內(nèi)能減少了1.8×105J。(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(fù)功，氣體分子勢能增加。(3)因為氣體內(nèi)能減少，同時氣體分子勢能增加，說明氣體分子的平均動能一定減少。[答案]

(1)減少1.8×105J

(2)增加(3)減少應(yīng)用熱力學(xué)第一定律解題的方法(1)明確研究對象是哪個物體或者是哪個熱力學(xué)系統(tǒng)。(2)分別找出題目中研究對象吸收或放出的熱量；外界對研究對象所做的功或研究對象對外界所做的功；研究對象內(nèi)能的增加量或減少量。(3)根據(jù)熱力學(xué)第一定律ΔU＝Q＋W列出方程進(jìn)行求解。(4)特別注意物理量的正負(fù)號及其意義。1．對于自熱米飯很多人還不是很了解，自熱米飯盒內(nèi)有一個發(fā)熱包，遇水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生大量熱能，不需要明火，溫度可超過100℃，蓋上盒蓋便能在10～15分鐘內(nèi)迅速加熱食品。自熱米飯的蓋子上有一個透氣孔，如果透氣孔堵塞，容易造成小型爆炸。有關(guān)自熱米飯盒爆炸的說法，正確的是

(

)A．自熱米飯盒爆炸，是盒內(nèi)氣體溫度升高，氣體分子間斥力急劇增大的結(jié)果B．在自熱米飯盒爆炸的瞬間，盒內(nèi)氣體內(nèi)能增加C．在自熱米飯盒爆炸的瞬間，盒內(nèi)氣體溫度降低D．自熱米飯盒爆炸前，盒內(nèi)氣體溫度升高，標(biāo)志著每一個氣體分子速率都增大了[素養(yǎng)訓(xùn)練]解析：自熱米飯盒爆炸前，盒內(nèi)氣體溫度升高，由分子動理論知，體積不變，氣體分子間作用力忽略不計，分子間的作用力不變，故A錯誤；根據(jù)熱力學(xué)第一定律，爆裂前氣體溫度升高，內(nèi)能增大，突然爆裂的瞬間氣體對外界做功，其內(nèi)能減少，溫度也會有所下降，故B錯誤，C正確；自熱米飯盒爆炸前，盒內(nèi)氣體溫度升高，分子平均動能增加，但并不是每一個氣體分子速率都增大，故D錯誤。答案：C2．(2022·全國甲卷)(多選)一定量理想氣體從狀態(tài)a變化到狀態(tài)b，其過程如p

－T圖上從a到b的線段所示。在此過程中

(

)A．氣體一直對外做功B．氣體的內(nèi)能一直增加C．氣體一直從外界吸熱D．氣體吸收的熱量等于其對外做的功E．氣體吸收的熱量等于其內(nèi)能的增加量3．某容器中的空氣被光滑活塞封住，容器和活塞絕熱性能良好，空氣可視為理想氣體。初始時容器中空氣的溫度與外界相同，壓強大于外界?，F(xiàn)使活塞緩慢移動，直至容器中的空氣壓強與外界相同。此時，容器中空氣的溫度______(填“高于”“低于”或“等于”)外界溫度，容器中空氣的密度________(填“大于”“小于”或“等于”)外界空氣的密度。解析：活塞光滑、容器絕熱，可知容器中空氣與外界不發(fā)生熱交換，即Q＝0，容器內(nèi)空氣體積增大，對外做功，即W<0，由ΔU＝W＋Q知，氣體內(nèi)能減少，溫度降低。氣體的壓強與溫度和單位體積內(nèi)的分子數(shù)有關(guān)，由于容器內(nèi)空氣的溫度低于外界溫度，但壓強相同，則容器中空氣的密度大于外界空氣的密度。答案：低于大于探究(二)對能量守恒定律的理解[問題驅(qū)動]

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。討論：(1)這是不是一種永動機？提示：這不是永動機。(2)如果不是，維持表針走動的能量是從哪兒來的？提示：手表戴在手腕上，通過手臂的運動，機械手表獲得能量，供手表發(fā)條做機械運動。若將此手表長時間放置不動，它就會停下來。[重難釋解]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．與某種運動形式對應(yīng)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．能量守恒定律中的“轉(zhuǎn)化”和“轉(zhuǎn)移”(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。4．第一類永動機失敗的原因分析如果沒有外界熱源供給熱，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。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)在此過程中氣體吸收的熱量為Q，氣體內(nèi)能的增量為ΔE，則

(

)A．ΔE＝Q

B．ΔE<QC．ΔE>Q D．ΔE＝0[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，氣體吸收的熱量一部分用來克服重力做功，一部分用于增加氣體的內(nèi)能，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。

[素養(yǎng)訓(xùn)練]1．“第一類永動機”是不可能制成的，這是因為它

(

)A．不符合熱力學(xué)第一定律B．做功產(chǎn)生的熱量太少C．由于有摩擦、熱損失等因素的存在D．找不到合適的材料和合理的設(shè)計方案解析：第一類永動機是不可能制成的，因為它違背了能量守恒定律，即熱力學(xué)第一定律，故A正確，B、C、D錯誤。答案：A2．(多選)行駛中的汽車制動后滑行一段距離，最后停下；流星在夜空中墜落并發(fā)出明亮的火焰；降落傘在空中勻速下降；條形磁體在下落過程中穿過閉合線圈，線圈中產(chǎn)生電流。上述不同現(xiàn)象中所包含的相同的物理過程是

(

)A．物體克服阻力做功B．物體的動能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量C．物體的勢能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量D．物體的機械能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量解析：這四個現(xiàn)象中物體運動過程都受到阻力作用，汽車主要是制動阻力，流星、降落傘是空氣阻力，條形磁體下落主要是受到磁場阻力，因而物體都克服阻力做功，故A正確；四個運動過程中，汽車是動能轉(zhuǎn)化成了其他形式的能，流星、降落傘、條形磁鐵是重力勢能轉(zhuǎn)化成其他形式的能，總之是機械能轉(zhuǎn)化成了其他形式的能，故D正確，B、C錯誤。答案：AD

3．下列有關(guān)能量的描述正確的是

(

)A．“既要馬兒跑得快，又要馬兒不吃草”違背了能量守恒定律B．工作中的電風(fēng)扇，消耗的電能大于輸出的機械能，該過程能量不守恒C．滑塊在粗糙的水平面上減速滑行，最終停了下來，動能消失，能量不守恒D．同時做自由落體運動的物體，質(zhì)量越大，勢能減少越快，機械能減少也越快解析：馬兒跑的時候需要消耗能量，而草能夠為馬兒提供能量，因此“既要馬兒跑得快，又要馬兒不吃草”違背了能量守恒定律，故A正確；工作中的電風(fēng)扇，消耗的電能大于輸出的機械能，損失的電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，該過程能量仍守恒，故B錯誤；滑塊在粗糙的水平面上減速滑行，最終停了下來，減小的動能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，能量守恒，故C錯誤；同時做自由落體運動的物體，運動的快慢與質(zhì)量無關(guān)，減少的勢能轉(zhuǎn)化為動能，機械能不變，故D錯誤。答案：A

一、培養(yǎng)創(chuàng)新意識和創(chuàng)新思維(選自魯科版新教材“物理聊吧”)如圖是歷史上曾經(jīng)出現(xiàn)的幾種永動機的設(shè)計方案示意圖：圖(a)是想利用短桿上的重球產(chǎn)生的作用，使輪子不停地轉(zhuǎn)動；圖(b)是想利用像燈芯那樣的棉線把水吸到高處，再流下沖擊輪子的葉片，使輪子不停地轉(zhuǎn)動；圖(c)是想利用重物在水中受浮力作用而上升，帶動輪子不停地轉(zhuǎn)動。請仔細(xì)分析這些永動機的設(shè)想，指出它們不可能實現(xiàn)的原因。提示：圖(a)設(shè)計，利用了杠桿的原理，認(rèn)為左側(cè)球的力臂長，力矩大，右側(cè)球的力臂短，力矩小，故輪能逆時針轉(zhuǎn)動，實際上，左側(cè)球不如右側(cè)球數(shù)量多，左、右力矩平衡，輪子不可能永遠(yuǎn)轉(zhuǎn)動。圖(b)設(shè)計，利用棉線吸水到高處，水流下時推動輪子上的葉片轉(zhuǎn)動，實際上棉線吸水是由于水的表面張力，當(dāng)棉線吸水后，表面張力等于水的重力和摩擦阻力時，吸水停止，上邊的水流完后，輪子也就不再轉(zhuǎn)動了。圖(c)設(shè)計，右邊的物體浸在水中，受浮力作用，推動右側(cè)重物上升，左側(cè)重物下降，帶動輪子不停地轉(zhuǎn)動。實際上，上面的重物漏出水面，下面的重物進(jìn)入右側(cè)容器時，就是不考慮漏水的技術(shù)問題，還應(yīng)考慮下面進(jìn)入的重物要承受上面水的壓力，這個壓力很大，可抵消上面幾個球所受的浮力，因此，這個永動機也就無法永動了。二、注重學(xué)以致用和思維建模1．

(多選)某?！翱苿?chuàng)社”在學(xué)校足球場進(jìn)行水火箭發(fā)射、航模飛行等展示活動。此次活動激起該校師生在工作和學(xué)習(xí)之余的科技創(chuàng)新熱情。水火箭是一種以水的壓力推進(jìn)的模型火箭，是利用廢棄的飲料瓶制作成動力艙、箭體、箭頭、尾翼、降落傘的，灌入三分之一的水，利用打氣筒充入空氣到達(dá)一定的壓力后噴水獲得反沖力而發(fā)射。在噴水過程可以認(rèn)為瓶內(nèi)氣體與外界絕熱，則在噴水階段有

(

)A．瓶內(nèi)氣體體積增大，外界對氣體做正功B．瓶內(nèi)氣體內(nèi)能減小，溫度降低C．噴水階段機械能轉(zhuǎn)換為內(nèi)能D．瓶內(nèi)氣體壓強減小，即瓶內(nèi)壁單位面積上所受氣體分子撞擊的作用力減小解析：在噴水過程中，瓶內(nèi)氣體體積增大，氣體對外界做功，W<0，故A錯誤；在噴水過程中，瓶內(nèi)氣體與外界絕熱，Q＝0，由熱力學(xué)第一定律ΔU＝W＋Q可知，瓶內(nèi)氣體內(nèi)能減小，溫度降低，故B正確；噴水階段氣體內(nèi)能減小，而物體運動，機械能增加，所以內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能，故C錯誤；瓶內(nèi)氣體壓強減小，即瓶內(nèi)壁單位面積上所受氣體分子撞擊的作用力減小，故D正確。答案：BD2．目前，共享單車作為綠色出行的交通工具，已成為時尚。甲、乙兩種共享單車都采用了電子鎖，車鎖內(nèi)集成了GPS模塊