《热力学第一定律能量守恒定律》新人教版选修

1、3热力学第一定律能量守恒定律 一、热力学第一定律 1定律内容：一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的 与外界对它所做的功的和 2数学表达式：U .热量热量QW 二、能量守恒定律 1能量守恒定律内容：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式 为另一种形式，或者从一个物体 到别的物体，在转化或转移的过程中 保持不变 2意义 (1)各种形式的能可以 (2)各种物理现象可以用 联系在一起转化转化转移转移能量的总量能量的总量相互转化相互转化能量转化守恒定律能量转化守恒定律 三、永动机不可能制成 1第一类永动机：不需要任何动力或燃料，却能不断地 的机器 2第一类永动机不可能制成的原因：违背

2、了 定律. 对外做功对外做功能量守恒能量守恒 一、对热力学第一定律的理解 1热力学第一定律不仅反映了做功和热传递这两种改变内能过程是等效的，而且给出了内能的变化量和做功与热传递之间的定量关系此定律是标量式，应用时热量的单位应统一为国际单位制中的焦耳 2对公式UQW符号的规定符号WQU外界对物体做功物体吸收热量内能增加物体对外界做功物体放出热量内能减少 3.几种特殊情况 (1)若过程是绝热的，则Q0，WU，外界对物体做的功等于物体内能的增加 (2)若过程中不做功，即W0，则QU，物体吸收的热量等于物体内能的增加 (3)若过程的始末状态物体的内能不变，即U0，则WQ0或WQ，外界对物体做的功等于物

3、体放出的热量 【特别提醒】(1)应用热力学第一定律时要明确研究的对象是哪个物体或者是哪个热力学系统 (2)应用热力学第一定律计算时，要依照符号法则代入数据对结果的正、负也同样依照规则来解释其意义 一定量的气体在某一过程中，外界对气体做了8104 J的功，气体的内能减少了1.2105 J，则下列各式中正确的是() AW8104 J，U1.2105 J，Q4104 J BW8104 J，U1.2105 J，Q2105 J CW8104 J，U1.2105 J，Q2104 J DW8104 J，U1.2105 J，Q4104 J 解析：本题主要考查热力学第一定律的应用，因为外界对气体做功，W取正值，

4、即W8104 J；内能减少，U取负值，即U1.2105 J；根据UWQ，可知QUW1.210581042105 J，即B选项正确 答案：B 二、能量守恒定律的理解 1能量的存在形式及相互转化 各种运动形式都有对应的能：机械运动对应机械能，分子的热运动对应内能，还有诸如电磁能、化学能、原子能等 各种形式的能，通过某种力做功可以相互转化，例如：利用电炉取暖或烧水，电能转化为内能；煤燃烧，化学能转化为内能；列车刹车后，轮子温度升高，机械能转化为内能 2与某种运动形式对应的能是否守恒是有条件的，例如，物体的机械能守恒，必须是只有重力做功；而能量守恒定律是没有条件的，它是一切自然现象都遵守的基本规律 3

5、能量守恒定律的重要意义 (1)找到了各种自然现象的公共量度能量，从而把各种自然现象用定量规律联系起来，揭示了自然规律的多样性和统一性 (2)突破了人们关于物质运动的机械观念的范围，从本质上表明了各种运动形式之间相互转化的可能性能量守恒定律比机械能守恒定律更普遍，它是物理学中解决问题的重要思维方法能量守恒定律与电子的发现、达尔文的进化论并称19世纪自然科学中三大发现，其重要意义由此可见 (3)具有重大实践意义，即彻底粉碎了永动机的幻想 4第一类永动机失败的原因分析 如果没有外界热源供给热量，则有U2U1W，就是说，如果系统内能减少，即U2U1，则W0，系统对外做功是要以内能减少为代价的，若想源源

6、不断地做功，就必须使系统不断回到初始状态，在无外界能量供给的情况下，是不可能的下列对能量的转化和守恒定律的认识不正确的是() A某种形式的能量减少，一定存在其他形式能量的增加 B某个物体的能量减少，必然有其他物体的能量增加 C不需要任何外界的动力而持续对外做功的机器永动机是不可能制成的 D石子从空中落下，最后停止在地面上，说明机械能消失了 解析：A选项是指不同形式的能量间的转化，转化过程中能量是守恒的B选项是指能量在不同的物体间发生转移，转移过程中是守恒的这正好是能量守恒定律的两个方面转化与转移任何永动机都是不可能制成的，它违背了能量守恒守律所以A、B、C正确D选项中石子的机械能在变化，比如受

7、空气阻力作用，机械能可能减少，但机械能并没有消失，能量守恒定律表明能量既不会创生，也不会消失，故D是错的 答案：D 教材资料分析 说一说教材P56 如图所示是历史上有名的一种永动机的设计从图上看，设计者为什么认为这个机器会永远运动下去？不用能量的概念，你能不能说明它不会永远运动下去？ 【点拨】这种永动机是在一个轮子的边缘等距地安装12根活动短杆，杆端分别套上一个重球无论轮子转到什么位置，右边的各个重球总比左边的各个重球离轴心更远一些设想，右边更大的作用特别是右边甩过去的重球作用在离轴较远的距离上，根据杠杆平衡原理可知，就会使轮子按照箭头所示的方向永不停息地旋转下去，至少转到轮轴磨坏时为止但是，

8、实际上轮子转动一两圈后就停了下来在这种永动机的设计中，我们总可以找到一个平衡位置，在这个位置上，各个力恰好相互抵消，不再有任何推动力使它运动，永动机必然会在这个平衡位置上静止下来，成为不动机. 空气压缩机在一次压缩中，活塞对空气做了2105 J的功，同时空气的内能增加了1.5105 J，这一过程中空气向外界传递的热量是多少？ 解析：选择被压缩的空气为研究对象，根据热力学第一定律 有UWQ. 由题意可知W2105 J，U1.5105 J，代入上式得 QUW1.5105 J2105 J5104 J. 负号表示空气向外释放热量，即空气向外界传递的热量为5104 J. 答案：5104 J 【反思总结】

9、应用热力学第一定律解题的一般步骤 (1)首先应明确研究对象是哪个物体或者是哪个热力学系统 (2)分别列出物体或系统吸收或放出的热量；外界对物体或系统所做的功或物体或系统对外所做的功 (3)根据热力学第一定律UQW列出方程进行求解 (4)特别应注意的就是物理量的正负号及其物理意义 【跟踪发散】11：一定质量的气体，从状态A变化到状态B的过程中，内能增加了160 J，下列是关于内能变化的可能原因的说法，其中不可能的是() A从A到B的绝热过程中，外界对气体做功160 J B从A到B的单纯传热过程中，外界对气体传递了160 J的热量 C从A到B的过程中吸热280 J，并对外界做功120 J D从A到

10、B的过程中放热280 J，外界对气体做功120 J 解析：由热力学第一定律UWQ可知，A、B、C正确，D错误 答案：D2011山东卷36(2)气体温度计结构如图所示玻璃测温泡A内充有理想气体，通过细玻璃管B和水银压强计相连开始时A处于冰水混合物中，左管C中水银面在O点处，右管D中水银面高出O点h114 cm，后将A放入待测恒温槽中，上下移动D，使C中水银面仍在O点处，测得D中水银面高出O点h244 cm.(已知外界大气压为1个标准大气压，1标准大气压相当于76 cmHg) (1)求恒温槽的温度 (2)此过程A内气体内能_(填“增大”或“ 减 小 ” ) ， 气 体 不 对 外 做 功 ， 气

11、体 将_(填“吸热”或“放热”) 答案：(1)91 (2)增大吸热 【跟踪发散】21：带有活塞的汽缸内封闭一定量的理想气体，气体开始处于状态a，然后经过过程ab到达状态b或经过过程ac到达状态c，b、c状态温度相同，如VT图所示设气体在状态b和状态c的压强分别为pb和pc，在过程ab和ac中吸收的热量分别为Qab和Qac，则(填入选项前的字母，有填错的不得分)() Apbpc，QabQac Bpbpc，QabQac Cpbpc，QabQac Dpbpc，QabQac 解析：一定量的理想气体内能只与温度有关，从状态a到状态b，和到状态c，两过程温度升高相同，即内能增加相同，但b状态体积比a状态大

12、，所以从a状态到b状态要对外界做功，由热力学第一定律知QabQac，由于b、c状态温度相同，由玻意耳定律，pbpc，故C正确 答案：C如图所示，一个质量为20 kg的绝热汽缸竖直放置，绝热活塞的质量为5 kg，处于静止状态时被封闭气体的高度为50 cm，现在活塞上方加一15 kg的物体，待稳定后，被封闭气体的高度变为40 cm.求在这一过程中气体的内能增加多少(g取10 m/s2，不考虑活塞受到的大气压力及摩擦阻力) 思路点拨： 绝热过程 外界对气体做功 内能增加 UW 解析：由能量守恒定律可知，内能的增加等于活塞和物体重力势能的减少，UE(Mm)gh(155)10(5040)102 J20

13、J. 答案：20 J 【跟踪发散】31：水能不产生污染物，是一种清洁能源，位于美国和加拿大交界处的尼亚加拉瀑布流量可达每秒6 000 m3，而且一年四季流量稳定，瀑布落差为50 m若利用这一资源发电，设其发电效率为50%，估算发电机的输出功率(g取10 m/s2) 解析：每秒流下的水的质量mV11036 000 kg6106 kg 减少的机械能Emgh61061050 J3109 J 设发电机的输出功率为P，则由能量守恒定律可得EPt 解得P310950% W1.5109 W. 答案：1.5109 W 1第一类永动机是不可能制成的，这是因为永动机() A不符合机械能守恒定律 B违背了能量守恒定

14、律 C做功产生的热不符合热功当量 D找不到合适的材料和合理的设计方案 解析：第一类永动机是指不需要消耗任何能量就能对外做功的机器，因此第一类永动机不可能制成不是找不到合适的材料和合理的设计方案的问题，而是它不符合自然界中的能量守恒定律故正确答案为B. 答案：B 2.图是密闭的气缸，外力推动活塞P压缩气体，对缸内气体做功800 J，同时气体向外界放热200 J缸内气体的() A温度升高，内能增加600 J B温度升高，内能减少200 J C温度降低，内能增加600 J D温度降低，内能减少200 J 解析：由热力学第一定律WQU，代入数据解得：U600 J，故气体内能增加600 J，同时可判定气

15、体的温度一定升高，选A. 答案：A 3(2011广东卷14)如图为某种椅子与其升降部分的结构示意图，M、N两筒间密闭了一定质量的气体，M可沿N的内壁上下滑动，设筒内气体不与外界发生热交换，在M向下滑动的过程中() A外界对气体做功，气体内能增大 B外界对气体做功，气体内能减小 C气体对外界做功，气体内能增大 D气体对外界做功，气体内能减小 解析：M向下滑动的过程中，气体被压缩，外界对气体做功，又因为与外界没有热交换，所以气体内能增大 答案：A 4如图所示，绝热汽缸中间用固定栓将可无摩擦移动的导热隔板固定，隔板质量不计，左右两室中分别充有一定量的氢气和氧气(视为理想气体)初始时，两室中气体的温度

16、相等，氢气的压强大于氧气的压强，松开固定栓直至系统重新达到平衡下列说法中正确的是() A初始时氢分子的平均动能大于氧分子的平均动能 B系统重新达到平衡时，氢气的内能比初始时的小 C松开固定栓直至系统重新达到平衡的过程中，有热量从氧气传递到氢气 D松开固定栓直至系统重新达到平衡的过程中，氧气的内能先增大后减小 解析：温度是分子平均动能大小的标志，初始时，氢气和氧气的温度相同，分子平均动能相同，A错误；汽缸绝热，气体与汽缸外部没有传热，汽缸内气体的内能不会变化，B错误；在刚松开固定拴时氢气膨胀，对氧气做功，氢气内能减小，温度降低，氧气内能增加，温度升高，由于隔板是导热的，热量从氧气传到氢气，直至温度相同，氧气的内能又减小，C、D正确 答案：CD 5对一定质量的气体，下列说法中正确的是() A温度升高，压强一定增大 B温度升高，分子热运动的平均动能一定增大 C压强增大，