2024-2025学年高中物理第十章热力学定律3热力学第一定律能量守恒定律学案新人教版选修3-3

PAGE7-热力学第肯定律能量守恒定律一、热力学第肯定律1．内容：一个热力学系统的内能的增量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和．这个关系叫做热力学第肯定律．2．数学表达式：ΔU＝W＋Q.二、能量守恒定律1．各种能量：自然界存在着多种不同形式的运动，每种运动对应着一种形式的能量．如机械运动对应着机械能；分子的热运动对应着内能．2．各种能量之间可以相互转化：不同形式的能量之间可以相互转化．如摩擦可以将机械能转化为内能；炙热的灯丝发光可以将电能转化为光能．3．能量守恒定律的内容：能量既不会凭空产生，也不会凭空消逝，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．三、永动机不行能制成任何动力机械的作用都是把其他形式的能转化为机械能，而不行能无中生有地创建能量，即第一类永动机是不行能制成的．有一种所谓“全自动”机械手表，既不须要上发条，也不用任何电源，却能不停地走下去．这是不是一种永动机？假如不是，你知道维持表针走动的能量是从哪儿来的吗？提示：不是永动机．手表戴在手腕上，手腕运动的能量一部分转化为手表的能量．考点一对热力学第肯定律的理解1．对公式ΔU＝Q＋W中ΔU、Q、W符号的规定符号QWΔU＋物体汲取热量外界对物体做功内能增加－物体放出热量物体对外界做功内能削减2.几种特别状况(1)若过程是绝热的，即Q＝0，则ΔU＝W，物体内能的增加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，物体内能的增加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．推断是否做功的方法：一般状况下外界对物体做功与否，需看物体的体积是否变更．(1)若物体体积增大，表明物体对外界做功，W<0.(2)若物体体积减小，表明外界对物体做功，W>0.【例1】肯定量的气体从外界汲取了2.6×105J的热量，内能增加了4.2×105J，是气体对外界做了功，还是外界对气体做了功？做了多少功？假如气体汲取的热量仍为2.6×105J不变，但是内能只增加了1.6×105J，这一过程做功状况怎样？ΔU＝Q＋W.【解析】由题意知，Q＝2.6×105J，ΔU＝4.2×105J，依据ΔU＝Q＋W，代入可得W＝1.6×105J，W为正值，说明外界对气体做功，做功为1.6×105J.同理，由题意可知，Q′＝2.6×105J，ΔU′＝1.6×105J，利用热力学第肯定律得W′＝－1.0×105J，这说明气体对外界做功(气体体积变大)，做功为1.0×105J.【答案】外界对气体做功，1.6×105J；气体对外界做功，做功为1.0×105J.总结提能做功和热传递都能使物体的内能发生变更，而在数量关系上满意热力学第肯定律，即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功的和．肯定量的气体在某一过程中，外界对气体做了8×104J的功，气体的内能削减了1.2×105J，则下列各式中正确的是(B)A．W＝8×104J，ΔU＝1.2×105J，Q＝4×104JB．W＝8×104J，ΔU＝－1.2×105J，Q＝－2×105JC．W＝－8×104J，ΔU＝1.2×105J，Q＝2×104JD．W＝－8×104J，ΔU＝－1.2×105J，Q＝－4×104J解析：因为外界对气体做功，W取正值，即W＝8×104J；内能削减，ΔU取负值，即ΔU＝－1.2×105J；依据热力学第肯定律ΔU＝W＋Q，可知Q＝ΔU－W＝－1.2×105J－8×104J＝－2×105J，即B选项正确．考点二对能量守恒定律的理解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，轮子温度上升，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，必需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缘由分析假如没有外界热源供应热量，则有U2－U1＝W，就是说，假如系统内能削减，即U2<U1，则W<0，系统对外做功是要以内能削减为代价的．若想源源不断地做功，就必需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行能的．【例2】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6000m3，而且是一年四季流量稳定，瀑布落差50m，若利用这一资源发电，设其效率为50%，估算发电机的输出功率．(g取10m/s2水力发电的基本原理是将水的机械能转化为电能．【解析】每秒钟流下的水的质量为：m＝ρV＝1×103×6000kg＝6×106每秒钟水削减的机械能为：E＝mgh＝6×106×10×50J＝3×109J，设发电机的输出功率为P，则由能量守恒定律可得：Eη＝P×1s，解得：P＝3×109×50%W＝1.5×109W.【答案】1.5×109W总结提能能量守恒定律是普遍适用的定律，在解决有关能量转化问题时，要留意分析能量转化前后各种形式的能及其相互关系．一铁球从高H处由静止落到地面上，回弹速率是落地速率的一半，设撞击所转化的内能全部使铁球温度上升，则铁球的温度上升多少？(设铁的比热容为c，各物理量取国际制单位)解析：设落到地面时的速率为v，由v2＝2gH得落地时v＝eq\r(2gH)则铁球在与地面撞击时损失的动能ΔE＝eq\f(1,2)mv2－eq\f(1,2)m(eq\f(v,2))2＝eq\f(3,8)mv2＝eq\f(3,8)m·2gH＝eq\f(3,4)mgH由能量守恒定律得，损失的动能全部转化为铁球的内能则ΔU＝ΔE＝eq\f(3,4)mgH＝Q由Q＝cmΔt得Δt＝eq\f(Q,cm)＝eq\f(\f(3,4)mgH,cm)＝eq\f(3gH,4c)即铁球温度上升eq\f(3gH,4c).答案：eq\f(3gH,4c)常见误区例析关于热力学第肯定律理解的四个误区误区1：误认为汲取热量的物体，其内能肯定增加产生误区的缘由是把热量和内能混为一谈，误认为吸热内能肯定增加，而做功也可以变更内能，因此汲取热量的物体其内能可能增加，也可能不变，还可能削减．误区2：误认为对物体做功，物体的内能肯定增加其缘由是不清晰做功和热传递都可以变更物体的内能，对物体做功，同时放出热量时，物体的内能可能不变，也可能削减．误区3：误认为功就是热量，热量就是功这是把功和热量混淆了，功和热量都是过程量，但它们的含义不同，做功的过程伴随着能量的转化，并且做功是能量转化的量度，热量是在热传递过程中内能的转移．误区4：误认为第一类永动机可以制成这是由于不清晰第一类永动机的原理，第一类永动机违反能的转化和守恒定律，是不行能制成的．【典例】(多选)下列关于内能的说法正确的是()A．物体汲取热量，内能肯定增加B．物体放出热量，内能肯定削减C．当做功和热传递同时存在时，物体的内能可能不变D．物体对外做功，内能可能增加【解析】通过以下表格进行逐项分析：选项情景与过程分析推断A物体汲取热量的同时，物体有可能对外做功，所以内能不肯定增加×B物体放出热量的同时，有可能外界对物体做功，所以内能不肯定削减×C当物体从外界汲取的热量与对外界做的功正好相等时，物体内能不变√D当物体对外界做功，同时汲取热量，且汲取的热量比对外界做功多时，内能就有可能增加√【答案】CD1．如图为某种椅子与其升降部分的结构示意图，M、N两筒间密闭了肯定质量的气体，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)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：本题考查了热力学第肯定律，理解做功和热传递可以变更物体的内能．筒内气体不与外界发生热交换，M向下滑的过程中，外界对气体做功，由热力学第肯定律可知气体内能增大，A正确．2．肯定量的志向气体在某一过程中，从外界汲取热量2.5×104J，气体对外界做功1.0×104J，则该志向气体的(D)A．温度降低，密度增大 B．温度降低，密度减小C．温度上升，密度增大 D．温度上升，密度减小解析：由热力学第肯定律ΔU＝W＋Q，Q＝2.5×104J，W＝－1.0×104J可知ΔU大于零，气体内能增加，温度上升，A、B错；气体对外做功，体积增大，密度减小，C错，D对．3．给旱区送水的消防车停于水平地面．在缓慢放水过程中，若车胎不漏气，胎内气体温度不变，不计分子间势能，则胎内气体(A)A．从外界吸热 B．对外界做负功C．分子平均动能减小 D．内能增加解析：缓慢放水过程中，胎内气体压强减小，气体膨胀对外界做正功，选项B错；胎内气体温度不变，故分子平均动能不变，选项C错；由于不计分子间势能，气体内能只与温度有关，温度不变，内能不变，选项D错；由ΔU＝W＋Q知ΔU＝0，W<0，故Q>0，气体从外界吸热，选项A正确．4.如图所示容器中，A，B各有一个可自由移动的轻活塞，活塞下是水，上为空气，大气压恒定．A、B底部由带有阀门K的管道相连，整个装置与外界绝热．原先A中水面比B中高，打开阀门，使A中的水渐渐向B中流，最终达到平衡．在这个过程中，下面说法正确的是(D)A．大气压力对水做功，水的内能增加B．水克服大气压力做功，水的内能削减C．大气压力对水不做功，水的内能不变D．大气压力对水不做功，水的内能增加解析：由W＝p·S·Δh＝p·ΔV可知大气压力对A、B两管中水做功代数和为零，但由于水的重心下降，重力势能减小，由能量守恒定律可知水的内能增加，D对．5．在一个标准大气压下，水在沸腾时，1g的水由液态变成同温度的水汽，其体积由1.043cm3变为1676cm3.已知水的汽化热为2263.8J/g.求：(1)体积膨胀时气体对外界做的功W；(2)气体汲取的热量Q；(3)气体增加的内能ΔU.解析：取1g水为探讨系统，1g沸腾的水变成同温度的