新教材人教版选择性3.2热力学第一定律-3能量守恒定律学案

2热力学第一定律3能量守恒定律[学习目标]1.理解热力学第一定律，并会运用于分析和计算.2.理解并会运用能量守恒定律.3.知道什么是第一类永动机及其不可能制成的原因．一、热力学第一定律1．改变内能的两种方式：做功与传热．两者对改变系统的内能是等价的．2．热力学第一定律：一个热力学系统的内能变化量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和．3．热力学第一定律的表达式：ΔU＝Q＋W.4．热力学第一定律的应用：(1)W的正负：外界对系统做功时，W取正值；系统对外界做功时，W取负值．(均选填“正”或“负”)(2)Q的正负：外界对系统传递的热量Q取正值；系统向外界传递的热量Q取负值．(均选填“正”或“负”)二、能量守恒定律1．探索能量守恒的足迹2．能量守恒定律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其他形式，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．3．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)第一类永动机由于违背了能量守恒定律，所以不可能制成．1．判断下列说法的正误．(1)外界对系统做功，系统的内能一定增加．(×)(2)系统内能增加，一定是系统从外界吸收了热量．(×)(3)系统内能减少，一定是系统对外界做了功．(×)(4)违背能量守恒定律的过程是不可能发生的．(√)2．一定质量的气体从外界吸收了50J的热量，同时对外做功100J，则物体的内能________(填“增加”或“减少”)________J.答案减少50一、热力学第一定律导学探究如图1所示，快速推动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，汽缸向外界传递10J的热量，气体内能改变了多少？若推动活塞对汽缸内气体做功10J的同时，汽缸向外界传递10J的热量，气体的内能改变了多少？图1答案内能增加了10J减少了10J没改变．知识深化1．对公式ΔU＝Q＋W符号的规定符号WQΔU＋体积减小，外界对热力学系统做功热力学系统吸收热量内能增加－体积增大，热力学系统对外界做功热力学系统放出热量内能减少2.气体状态变化的几种特殊情况(1)绝热过程：Q＝0，则ΔU＝W，系统内能的增加(或减少)量等于外界对系统(或物体对外界)做的功．(2)等容过程：W＝0，则ΔU＝Q，物体内能的增加量(或减少量)等于系统从外界吸收(或系统向外界放出)的热量．(3)等温过程：始末状态一定质量理想气体的内能不变，即ΔU＝0，则W＝－Q(或Q＝－W)，外界对系统做的功等于系统放出的热量(或系统吸收的热量等于系统对外界做的功)．3．判断气体是否做功的方法一般情况下看气体的体积是否变化．①若气体体积增大，表明气体对外界做功，W<0.②若气体体积减小，表明外界对气体做功，W>0.4．应用热力学第一定律解题的一般步骤(1)根据符号法则写出各已知量(W、Q、ΔU)的正负；(2)根据方程ΔU＝W＋Q求出未知量；(3)再根据未知量结果的正负来确定吸放热情况、做功情况或内能变化情况．一定质量的气体在某一过程中，外界对气体做了8×104J的功，气体的内能减少了×105J，则下列各式正确的是()A．W＝8×104J，ΔU＝×105J，Q＝4×104JB．W＝8×104J，ΔU＝－×105J，Q＝－2×105JC．W＝－8×104J，ΔU＝×105J，Q＝2×104JD．W＝－8×104J，ΔU＝－×105J，Q＝－4×104J答案B解析因为外界对气体做功，W取正值，即W＝8×104J；气体内能减少，ΔU取负值，即ΔU＝－×105J；根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，可知Q＝ΔU－W＝－×105J－8×104J＝－2×105J，B选项正确．(2020·济南市期中)如图2所示，内壁光滑的绝热汽缸固定在水平面上，其右端由于有挡板，厚度不计的绝热活塞不能离开汽缸，汽缸内封闭着一定质量的理想气体，活塞距汽缸右端的距离为．现对封闭气体加热，活塞缓慢移动，一段时间后停止加热，此时封闭气体的压强变为2×105Pa.已知活塞的横截面积为2，外部大气压强为1×105Pa，加热过程中封闭气体吸收的热量为2000J，则封闭气体的内能变化量为()图2A．400JB．1200JC．2000JD．2800J答案B解析由题意可知，气体先等压变化，到活塞运动到挡板处再发生等容变化，等压变化过程气体对外做功，做功为W＝－p0Sx＝－1×105××＝－800J，由热力学第一定律可知，封闭气体的内能变化量为ΔU＝W＋Q＝(－800＋2000)J＝1200J，故B正确．二、气体实验定律和热力学第一定律的综合应用导学探究如图3所示，一定质量的理想气体由a状态变化到b状态，请在图像基础上思考以下问题：图3(1)在变化过程中是气体对外界做功，还是外界对气体做功？(2)在变化过程中气体吸热，还是向外放热？气体内能如何变化？答案(1)由a状态变化到b状态，气体体积变大，因此气体对外界做功，即W<0.(2)由p－V图像知从a状态变化到b状态，体积变大而压强不变，则温度升高，故ΔU>0.由ΔU＝W＋Q得Q>0，即气体吸热，内能增加．知识深化热力学第一定律与理想气体状态方程结合问题的分析思路：(1)利用体积的变化分析做功情况．气体体积增大，气体对外界做功；气体体积减小，外界对气体做功．(2)利用温度的变化分析理想气体内能的变化．一定质量的理想气体的内能仅与温度有关，温度升高，内能增加；温度降低，内能减小．(3)利用热力学第一定律判断是吸热还是放热．由热力学第一定律ΔU＝W＋Q，则Q＝ΔU－W，若已知气体的做功情况和内能的变化情况，即可判断气体状态变化是吸热过程还是放热过程．(2020·长郡中学高二月考)一定质量的理想气体，状态从A→B→C→D→A的变化过程可用如图4所示的p－V图线描述，其中D→A为等温线，气体在状态A时温度为TA＝300K，试求：图4(1)气体在状态C时的温度TC；(2)若气体在A→B过程中吸热1000J，则在A→B过程中气体内能如何变化？变化了多少？答案(1)375K(2)气体内能增加了400J解析(1)D→A为等温线，则TD＝TA＝300K气体由C到D为等压变化，由盖－吕萨克定律得：eq\f(VC,TC)＝eq\f(VD,TD)得：TC＝eq\f(VCTD,VD)＝375K；(2)气体由A到B为等压变化，则W＝－pΔV＝－2×105×3×10－3J＝－600J，由热力学第一定律得ΔU＝Q＋W＝1000J－600J＝400J，则气体内能增加了400J.三、能量守恒定律永动机不可能制成导学探究(1)在能量发生转化或转移时，能量的总量会减少吗？(2)图5为一种所谓“全自动”的机械手表，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5答案(1)能量的总量不会减少．(2)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．知识深化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，还有电磁能、化学能、核能等．(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．能量守恒的两种表达(1)某种形式的能减少，一定有其他形式的能增加，且减少量和增加量一定相等．(2)某个物体的能量减少，一定存在其他物体的能量增加，且减少量和增加量一定相等．3．第一类永动机不可能制成的原因分析如果没有外界供给热量而对外做功，由ΔU＝W＋Q知，系统内能将减小．若想源源不断地做功，在无外界能量供给的情况下是不可能的．(多选)下列对能量守恒定律的认识正确的是()A．某种形式的能量减少，一定存在其他形式的能量增加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——第一类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，说明机械能消失了答案ABC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化或转移，转化或转移过程中能量是守恒的，这正好是能量守恒定律的两个方面——转化与转移；第一类永动机是不可能制成的，它违背了能量守恒定律，所以A、B、C正确．D选项中石子的机械能在变化，比如受空气阻力作用，机械能减少，但机械能并没有消失，而是转化成其他形式的能，能量守恒定律表明能量既不能创生，也不能消失，故D错误．1．(热力学第一定律的理解)关于内能的变化，以下说法正确的是()A．物体吸收热量，内能一定增大B．物体对外做功，内能一定减少C．物体吸收热量，同时对外做功，内能可能不变D．物体放出热量，同时对外做功，内能可能不变答案C解析根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，物体内能的变化与做功及传热两个因素均有关．物体吸收热量，内能不一定增大，因为物体可能同时对外做功，故内能还有可能不变或减少，A错误，C正确；物体对外做功，可能同时吸收热量内能还有可能不变或增大，B错误；物体放出热量，同时对外做功，内能一定减少，D错误．2.(能量守恒定律的应用)如图6所示，上端开口、粗细均匀的U形管的底部中间有一阀门，开始阀门关闭，两管中的水面高度差为h.现将阀门打开，最终两管水面相平，则这一过程中()图6A．大气压做正功，重力做负功，水的内能不变B．大气压不做功，重力做正功，水的内能增大C．大气压不做功，重力做负功，水的内能增大D．大气压做负功，重力做正功，水的内能不变答案B解析由于两管粗细相同，作用在液体上的大气压力的合力为零，故大气压力不做功；水流动过程中重心下降，重力做正功，水的重力势能减少，减少的重力势能最终转化为内能，故水的内能增大，选项B对，A、C、D错．3.(热力学第一定律的应用)(2021·黄梅国际育才高级中学高二期中)如图7所示为某理想气体的p－T图像，下列说法正确的是()图7A．由A到B的过程，气体对外做功，内能增加B．由A到B是等容过程，B到C是等压过程，气体在C状态时的体积比在B状态时的体积大C．由B到C的过程，外界对气体做功，放出热量D．由B到C的过程，气体温度升高，所有气体分子的动能都增大答案B解析由A到B的过程为等容升温的过程，因体积不变，则W＝0，而温度升高了，则内能增大，故A错误；由B到C的过程是等压升温的过程，比较B点、C点与坐标原点连线的斜率可知，C点的斜率小，则气体体积大，故B正确；B到C的过程，体积变大，则气体对外做功(W<0)，而温度升高说明内能增大(ΔU>0)，由热力学第一定律ΔU＝Q＋W可得Q>0，即气体要吸热，故C错误；由B到C的过程气体温度升高，反映气体分子的平均动能增大，而气体分子的热运动是统计规律，不能体现所有气体分子的动能都增大，故D错误．4．(热力学第一定律与气体实验定律的综合应用)如图8所示，竖直放置、上端开口的绝热汽缸底部固定一电热丝(图中未画出)，横截面积为S的绝热活塞位于汽缸内(质量不计)，下端封闭一定质量的某种理想气体，绝热活塞上放置一质量为M的重物并保持平衡，此时汽缸内理想气体的温度为T0，活塞距汽缸底部的高度为h，现用电热丝缓慢给汽缸内的理想气体加热，活塞上升了eq\f(h,2)，封闭理想气体吸收的热量为Q.已知大气压强为p0，重力加速度为g.求：图8(1)活塞上升了eq\f(h,2)时，理想气体的温度是多少；(2)理想气体内能的变化量．答案(1)eq\f(3,2)T0(2)Q－eq\f(1,2)(p0S＋Mg)h解析(1)封闭理想气体初状态：V1＝Sh，T1＝