XX省专用学年高中物理第十章热力学定律第节热力学第一定律能量守恒定律讲义含解析新人教选修

XX省专用学年高中物理第十章热力学定律第节热力学第必然律能量守恒定律讲义含分析新人教版选修XX省专用学年高中物理第十章热力学定律第节热力学第必然律能量守恒定律讲义含分析新人教版选修PAGEXX省专用学年高中物理第十章热力学定律第节热力学第必然律能量守恒定律讲义含分析新人教版选修第3节热力学第必然律能量守恒定律1.热力学第必然律：一个热力学系统的内能增量等于外界向它传达的热量与外界对它所做的功的和。2．热力学第必然律的表达式ΔU＝Q＋W，要熟习其符号法例。3．能量守恒定律：能量既不会凭空产生，也不会凭空消逝，它只好从一种形式转变为另一种形式，或许从一个物体转移到其余物体，在转变或转移的过程中，能量的总量保持不变。4．第一类永动机不可以能制成，因为它违反了能量守恒定律。一、热力学第必然律1．改变内能的两种方式做功和热传达。2．热力学第必然律(1)内容：一个热力学系统的内能增量等于外界向它传达的热量与外界对它所做的功的和。(2)表达式：ΔU＝Q＋W。二、能量守恒定律1．内容能量既不会凭空产生，也不会凭空消逝，它只好从一种形式转变为另一种形式，或许从一个物体转移到其余物体，在转变或转移的过程中，能量的总量保持不变。2．意义(1)各样形式的能可以互相转变。(2)各样物理现象可以用能量守恒定律联系在一同。三、永动机不可以能制成1．第一类永动机：不需要任何动力或燃料，却能不断地对外做功的机器。2．不可以制成的原由：违反了能量守恒定律。1．自主思虑——判一判(1)做功和热传达在改变物体内能上是不等效的。(×)(2)运动的物体在阻力作用下会停下来，说明机械能凭空消逝了。(×)(3)功和能可以互相转变。(×)(4)第一类永动机不可以制成，是因为它违反了能的转变和守恒定律。(√)(5)某个物体的能量减少，必然有其余物体的能量增添。(√)(6)自由摇动的秋千摇动幅度愈来愈小，减少的机械能转变为内能，但总能量守恒。(√)2．合作研究——议一议(1)迅速推进活塞对汽缸内气体做功10J，气体内能改变了多少？若保持气体体积不变，外界对汽缸传达10J的热量，气体内能改变了多少？能否说明10J的功等于10J的热量？提示：不论外界对气体做功10J，仍是外界给气体传达10J的热量，气体内能都增添了10J，说明做功和热传达在改变物体内能上是等效的，但不可以说10J的功等于10J的热量，因为功与热量拥有实质差别。(2)有一种“全自动”机械腕表，即不需要上发条，也不用任何电源，却能不断地走下去。这能否是一种永动机？并说明原由。提示：这不是永动机。腕表戴在手段上，经过手臂的运动，机械腕表获取能量，供腕表指针走动。若将此腕表长时间搁置不动，它就会停下来。(3)热力学第必然律、机械能守恒定律是能量守恒定律的详细表现吗？提示：热力学第必然律、机械能守恒定律是能量守恒定律在不同样形式的能互相转变时的详细表现。热力学第必然律的理解及应用1．公式ΔU＝W＋Q中符号的规定符号WQΔU＋外界对物体做功物体汲取热量内能增添－物体对外界做功物体放出热量内能减少2.几种特别状况(1)若过程是绝热的，即Q＝0，则ΔU＝W，物体内能的增添量等于外界对物体做的功。(2)若过程中不做功，即W＝0，则ΔU＝Q，物体内能的增添量等于物体从外界汲取的热量。(3)若过程的始末状态物体的内能不变，即ΔU＝0，则W＝－Q(或Q＝－W)，外界对物体做的功等于物体放出的热量(或物体汲取的热量等于物体对外界做的功)。3．判断能否做功的方法一般状况下外界对物体做功与否，需看物体的体积能否变化。(1)若物体体积增大，表示物体对外界做功，W<0。(2)若物体体积减小，表示外界对物体做功，W>0。4．应用热力学第必然律解题的思路(1)第一应明确研究对象是哪个物体或许是哪个热力学系统。(2)分别找出题目中研究对象汲取或放出的热量；外界对研究对象所做的功或研究对象对外界所做的功；研究对象内能的增添量或减少许。(3)依据热力学第必然律ΔU＝Q＋W列出方程进行求解。(4)特别注意物理量的正负号及其物理意义。[典例][多项选择](2017·全国卷Ⅲ)如图，必然质量的理想气体从状态a出发，经过等容过程ab抵达状态b，再经过等温过程bc抵达状态c，最后经等压过程ca回到初态a。以下说法正确的选项是()A．在过程ab中气体的内能增添B．在过程ca中外界对气体做功C．在过程ab中气体对外界做功D．在过程bc中气体从外界汲取热量E．在过程ca中气体从外界汲取热量[分析]ab过程中气体压强增大，体积不变，则温度高升，内能增添，A项正确；ab过程发生等容变化，气体对外界不做功，C项错误；必然质量的理想气体内能仅由温度决定，bc过程发生等温变化，内能不变，bc过程中气体体积增大，气体对外界做正功，依据热力学第必然律可知气体从外界汲取热量，D项正确；ca过程发生等压变化，气体体积减小，外界对气体做功，B项正确；ca过程中气体温度降低，内能减小，外界对气体做功，依据热力学第必然律可知气体向外界放热，E项错误。[答案]ABD应用热力学第必然律时的两个注意事项(1)明确研究是哪一部分气体平易体经历了如何的状态变化过程。(2)分清ΔU＝W＋Q中各量的正、负号的意义。1．气体膨胀对外做功100J，同时从外界汲取了120J的热量，它的内能的变化是()A．减小20JB．增大20JC．减小220JD.增大220J分析：选B研究对象为气体。依符号规则，对外做功W＝－100J，汲取热量Q＝120J。由热力学第必然律有ΔU＝W＋Q＝－100J＋120J＝20J。ΔU>0，说明气体的内能增添。应选B。2．(2017·江苏高考)必然质量的理想气体从状态A经过状态B变化到状态C，其V­T图像以以下图。以下说法正确的有()A．A→B的过程中，气体对外界做功B．A→B的过程中，气体放出热量C．B→C的过程中，气体压强不变D．A→B→C的过程中，气体内能增添分析：选BC由题图可知，从A到B气体的体积减小，外界对气体做功，A项错误；从A到B过程气体的温度不变，内能不变，依据热力学第必然律可知，气体放出热量，B项正确；从B到C过程中eq\f(V,T)是一个常数，气体发生的是等压变化，气体的温度降低，内能减少，C项正确，D项错误。对能量守恒定律的理解及应用1．能量的存在形式及互相转变(1)各样运动形式都有对应的能：机械运动有机械能，分子的热运动有内能，还有诸如电磁能、化学能、原子能等。(2)各样形式的能，经过某种力做功可以互相转变。比方，利用电炉取暖或烧水，电能转变为内能；煤焚烧，化学能转变为内能；列车刹车后，轮子温度高升，机械能转变为内能。(3)某种形式的能减少，必然有其余形式的能增添，且减少许和增添量必然相等。(4)某个物体的能量减少，必然存在其余物体的能量增添，且减少许和增添量必然相等。2．与某种运动形式对应的能能否守恒是有条件的。比方，物体的机械能守恒，必然是只有重力或系统内的弹力做功；而能量守恒定律是没有条件的，它是全部自然现象都恪守的基本规律。3．第一类永动机失败的原由分析：假如没有外界热源供应热量，则有U2－U1＝W，就是说，假如系统内能减少，即U2＜U1，则W＜0，系统对外做功是要之内能减少为代价的。若想络绎不绝地做功，就必然使系统不断回到初始状态，在无外界能量供应的状况下是不可以能的。1.以以下图，直立容器内部有被隔板分开的A、B两部分气体，A的密度大，B的密度较小，抽去隔板，加热气体，使两部分气体均匀混淆，设在此过程中气体吸热Q，气体内能增量为ΔE，则()A．ΔE＝QB．ΔE<QC．ΔE>QD.没法比较分析：选C抽去隔板前，A、B气体的整体重心在中线以上，抽去隔板待气体混淆均匀后，重心恰幸亏中线上，系统的重力势能减少，由能量守恒定律知，减少的重力势能与内能发生转变而使得内能增添，汲取的热量也使得内能增添，则气体内能的增量大于气体所汲取的热量。2．[多项选择]行驶中的汽车制动后滑行一段距离，最后停下；流星在夜空中坠落并发出光明的火焰；下降伞在空中匀速下降；条形磁铁在着落过程中穿过闭合线圈，线圈中产生电流。上述不同样现象中所包括的同样的物理过程是()A．物体战胜阻力做功B．物体的动能转变为其余形式的能量C．物体的势能转变为其余形式的能量D．物体的机械能转变为其余形式的能量分析：选AD这四个现象中，物体运动过程都遇到阻力，汽车主假如制动阻力，流星坠落和下降伞下降是空气阻力，条形磁铁着落过程遇到磁场阻力，因此物体都战胜阻力做功，选项A正确。四个物体运动过程中，汽车是动能转变为内能，流星、下降伞、条形磁铁是重力势能转变为内能或其余形式的能，总之是机械能转变为其余形式的能，选项D正确。3.以以下图，一个质量为20kg的绝热汽缸竖直搁置，绝热活塞的质量为5kg，处于静止状态时被封闭气体的高度为50cm。此刻在活塞上方加一15kg的物体，待坚固后，被封闭气体的高度变为40cm。求在这一过程中气体的内能增添了多少？(g取10m/s2，不考虑活塞的大气压力及摩擦阻力)分析：由能的转变与守恒定律可知，内能的增添等于活塞和物体重力势能的减少，ΔU＝ΔE＝(M＋m)gh＝(15＋5)×10×(50－40)×10－2J＝20J。答案：20J1.以以下图是密闭的汽缸，外力推进活塞P压缩气体，对缸内气体做功800J，同时气体向外界放热200J，缸内气体的()A．温度高升，内能增添600JB．温度高升，内能减少200JC．温度降低，内能增添600JD．温度降低，内能减少200J分析：选A由W＋Q＝ΔU得ΔU＝800J＋(－200J)＝600J，必然质量的理想气体的内能大小只与温度相关，ΔU>0，故温度高升。2．第一类永动机是不可以能制成的，这是因为第一类永动机()A．不符合机械能守恒定律B．违反了能量守恒定律C．没法解决机械摩擦问题D．找不到适合的资料和合理的设计方案分析：选B第一类永动机不可以能制成，是因为它违反了能量守恒定律。3．以下说法正确的选项是()A．物体放出热量，其内能必然减小B．物体对外做功，其内能必然减小C．物体汲取热量，同时对外做功，其内能可能增添D．物体放出热量，同时对外做功，其内能可能不变分析：选C由热力学第必然律ΔU＝W＋Q可知，若物体放出热量，外界对物体做正功，则ΔU不用然为负值，即内能不用然减小，故A项错误；同理可分析出，B项和D项错误，C项正确。4．[多项选择](2016·全国卷Ⅲ)对于气体的内能，以下说法正确的选项是()A．质量和温度都同样的气体，内能必然同样B．气体温度不变，整体运动速度越大，其内能越大C．气体被压缩时，内能可能不变D．必然量的某种理想气体的内能只与温度相关E．必然量的某种理想气体在等压膨胀过程中，内能必然增添分析：选CDE气体的内能由物质的量、温度和体积决定，质量和温度都同样的气体，内能可能不同样，A错误。内能与物体的运动速度没关，B错误。气体被压缩时，同时对外传热，依据热力学第必然律知内能可能不变，C正确。必然量的某种理想气体的内能只与温度相关，D正确。依据理想气体状态方程，必然量的某种理想气体在压强不变的状况下，体积变大，则温度必然高升，内能必然增添，E正确。5.以以下图为冲击摆实验装置，一水平遨游的子弹射入沙箱后与沙箱合为一体，共同摆起必然高度，在此过程中相关能量转变的说法中正确的选项是()A．子弹的动能转变为沙箱和子弹的内能B．子弹的动能转变为沙箱和子弹的重力势能C．子弹的动能转变为沙箱和子弹的动能D．子弹的动能一部分转变为沙箱和子弹的内能，另一部分转变为沙箱和子弹的机械能分析：选D子弹在射入沙箱瞬时，要战胜摩擦阻力做功，有一部分动能转变为沙箱和子弹的内能，一部分动能变为沙箱和子弹的机械能，故D正确。6.[多项选择]如图为某同学设计的喷水装置，内部装有2L水，上部密封1atm的空气0.5L，保持阀门封闭，再充入1atm的空气0.1L，设在全部过程中空气可看作理想气体，且温度不变，以下说法正确的有()A．充气后，密封气体压强增添B．充气后，密封气体的分子均匀动能增添C．翻开阀门后，密封气体对外界做正功D．翻开阀门后，不再充气也能把水喷光分析：选AC温度不变，分子均匀动能不变，充气后因为气体的质量增大，温度、体积基本不变，气体的压强增大，选项A对、B错；翻开阀门后，水减少，气体膨胀，密封气体对水做正功，选项C对；假如水全排出，气体压强为p3，p3(2＋0.5)＝p1(0.5＋0.1)得p3＝0.24p1＜p1，故不再充气不可以把水喷光，选项D错。7.以以下图，必然质量的理想气体从状态A经等压过程到状态B。此过程中，气体压强p＝1.0×105Pa，汲取的热量Q＝7.0×102J，求此过程中气体内能的增量。分析：必然质量的理想气体等压变化，由盖—吕萨克定律得，eq\f(VA,TA)＝eq\f(VB,TB)，则VB＝eq\f(VATB,TA)＝8.0×10－3m3。气体对外做的功W＝p(VB－VA)＝2.0×102J，依据热力学第必然律ΔU＝Q－W，解得ΔU＝5.0×102J。答案：ΔU＝5.0×102J8.以以下图，两个可导热的汽缸竖直搁置，它们的底部由一细管连通(忽视细管的容积)。两汽缸各有一活塞，质量分别为m1和m2，活塞与汽缸壁无摩擦。活塞的下方为理想气体，上方为真空。当气体处于均衡状态时，两活塞位于同一高度h。(已知m1＝3m，m2＝2m)(1)在两活塞上同时各放一质量为m的物块，求气体再次达到均衡后两活塞的高度差。(假设环境的温度素来保持为T0)(2)在达到上一问终态后，环境温度由T0迟缓上涨到T，试问在这个过程中，气体对活塞做了多少功？气体是汲取仍是放出了热量？(假设在