高中物理人教版3第十章热力学定律3热力学第一定律能量守恒定律 第10章

3热力学第一定律能量守恒定律学习目标知识脉络1.掌握热力学第一定律及其表达式．(重点、难点)2.学会运用热力学第一定律解释自然界能量的转化、转移问题．(难点)3.理解能量守恒定律，知道能量守恒定律是自然界普遍遵从的基本规律．(重点)4.理解第一类永动机是不可能制成的．(难点)热力学第一定律eq\a\vs4\al([先填空])1．改变内能的两种方式做功与热传递．两者在改变系统内能方面是等效的．2．热力学第一定律(1)内容：一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和．(2)表达式：ΔU＝Q＋W.eq\a\vs4\al([再判断])1．做功和热传递在改变物体内能上是不等效的．(×)2．热力学系统对外界做功时，W取负值，吸收热量时Q取正值．(√)3．物体与外界不发生热交换，物体的内能也可能增加．(√)eq\a\vs4\al([后思考])1．如图10­3­1所示，给旱区送水的消防车停于水平地面．在缓慢放水的过程中，若车胎不漏气且胎内气体温度不变，不计分子间的势能，试分析气体的吸、放热情况．图10­3­1【提示】由于车胎内气体温度不变，故气体分子的平均动能不变，内能不变．放水过程中气体体积增大，对外做功，由热力学第一定律可知，车胎内气体吸热．2．物体的内能不变，能否说明外界既没有对物体做功，也没有发生热传递？【提示】不能．可能是外界对物体做的功等于物体放出的热量(或物体吸收的热量等于物体对外界做的功)．eq\a\vs4\al([核心点击])热力学第一定律的理解1．符号法则热力学第一定律的数学表达式也适用于物体对外做功、向外界散热和内能减少的情况，因此在使用ΔU＝Q＋W时，为了区别以上两种情况，在应用ΔU＝Q＋W进行计算时，它们的正、负号规定如下：(1)外界对系统做功，W>0，即W为正值；系统对外界做功，也就是外界对系统做负功，W<0，即W为负值；(2)外界对系统传递热量，也就是系统从外界吸收热量，Q>0，即Q为正值；外界从系统吸收热量，也就是系统向外界放出热量，Q<0，即Q为负值；(3)系统内能增加，ΔU>0，即ΔU为正值；系统内能减少，ΔU<0，即ΔU为负值．2．热力学第一定律的几种典型应用(1)若过程是绝热的，即Q＝0，则W＝ΔU，外界对物体做的功等于物体内能的增加量．(2)若过程中不做功，即W＝0，则Q＝ΔU，物体吸收的热量等于物体内能的增加量．(3)若过程中物体的始、末内能不变，即ΔU＝0，则W＋Q＝0或W＝－Q，外界对物体做的功等于物体放出的热量．1．(1)空气压缩机在一次压缩过程中，活塞对汽缸中的气体做功为×105J，同时气体的内能增加了×105J．试问：此压缩过程中，气体__________(填“吸收”或“放出”)的热量等于________J.(2)若一定质量的理想气体分别按如图所示的三种不同过程变化，其中表示等压变化的是__________(填“A”、“B”或“C”)．该过程中气体的内能__________(填“增加”、“减少”或“不变”)．【导学号：11200089】【解析】(1)由热力学第一定律W＋Q＝ΔU得Q＝ΔU－W＝－5×104J，说明气体放出热量5×104J.(2)由气态方程eq\f(pV,T)＝C(常量)易判断出C过程是等压变化，该过程温度升高，理想气体的内能增加．【答案】(1)放出5×104(2)C增加2．一定质量的气体从外界吸收了×105J的热量，同时气体对外做了6×105J的功，问：(1)物体的内能是增加还是减少？变化量是多少？(2)分子势能是增加还是减少？(3)分子的平均动能是增加还是减少？【导学号：11200090】【解析】(1)气体从外界吸收的热量为Q＝×105J气体对外做功W＝－6×105J由热力学第一定律ΔU＝W＋Q＝(－6×105J)＋×105J)＝－×105JΔU为负，说明气体的内能减少了所以，气体内能减少了×105J.(2)因为气体对外做功，所以气体的体积膨胀，分子间的距离增大了，分子力做负功，气体分子势能增加了．(3)因为气体内能减少，同时气体分子势能增加，所以气体分子的平均动能一定减少了．【答案】(1)减少×105J(2)增加(3)减少应用热力学第一定律解题的思路与步骤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ΔU＝Q＋W列出方程进行求解．4．特别注意的就是物理量的正负号及其物理意义．能量守恒定律及永动机不可能制成eq\a\vs4\al([先填空])1．能量守恒定律(1)内容：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变．(2)意义：①各种形式的能可以相互转化．②各种互不相关的物理现象可以用能量守恒定律联系在一起．2．第一类永动机不可能制成(1)第一类永动机：不需要任何动力或燃料，却能不断地对外做功的机器．(2)第一类永动机不可能制成的原因：违背了能量守恒定律．(3)意义：正是历史上设计永动机的失败，才使后人的思考走上了正确的道路．eq\a\vs4\al([再判断])1．各种能量之间可以转移或转化，但总量保持不变．(√)2．运动的物体在阻力作用下会停下来，说明机械能凭空消失了．(×)3．第一类永动机不能制成，是因为它违背了能的转化和守恒定律．(√)eq\a\vs4\al([后思考])有一种所谓“全自动”机械手表如图10­3­2所示，既不需要上发条，也不用任何电源，却能不停地走下去．这是不是一种永动机？如果不是，维持表针走动的能量是从哪儿来的？图10­3­2【提示】这不是永动机．手表戴在手腕上，通过手臂的运动，机械手表获得能量，供手表指针走动．若将此手表长时间放置不动，它就会停下来．eq\a\vs4\al([核心点击])1．能量的存在形式及相互转化(1)各种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，必须是只有重力或系统内的弹力做功；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．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U2－U1＝W，就是说，如果系统内能减少，即U2<U1，则W<0，系统对外做功是要以内能减少为代价的．若想源源不断地做功，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．3．下列关于能量转化现象的说法中，正确的是()A．用太阳灶烧水是光能转化为内能B．电灯发光是电能转化为光能C．核电站发电是电能转化为内能D．生石灰放入盛有凉水的烧杯里，水温升高是动能转化为内能E．风车发电是风的动能转化为电能【解析】A选项中是光能转化为内能，C选项中是核能转化为电能，D选项中是化学能转化为内能，A、B、E选项正确．【答案】ABE4．一定量的理想气体从状态a开始，经历三个过程ab、bc、ca回到原状态，其p­T图象如图10­3­3所示．下列判断正确的是()图10­3­3A．过程ab中气体一定吸热B．过程bc中气体既不吸热也不放热C．过程ca中外界对气体所做的功等于气体所放的热D．a、b和c三个状态中，状态a分子的平均动能最小E．b和c两个状态中，容器壁单位面积单位时间内受到气体分子撞击的次数不同【解析】由p­T图象可知过程ab是等容变化，温度升高，内能增加，体积不变，由热力学第一定律可知过程ab一定吸热，选项A正确；过程bc温度不变，即内能不变，由于过程bc体积增大，所以气体对外做功，由热力学第一定律可知，气体一定吸收热量，选项B错误；过程ca压强不变，温度降低，内能减少，体积减小，外界对气体做功，由热力学第一定律可知，放出的热量一定大于外界对气体做的功，选项C错误；温度是分子平均动能的标志，由p­T图象可知，a状态气体温度最低，则平均动能最小，选项D正确；b、c两状态温度相等，分子平均动能相等，由于压强不相等，所以单位面积单位时间内受到气体分子撞击的次数不同，选项E正确．【答