第三章　2　热力学第一定律-3　能量守恒定律

DISANZHANG第三章2热力学第一定律3能量守恒定律1.理解热力学第一定律，并能运用热力学第一定律分析和解决相关问题(重点)。2.理解并会运用能量守恒定律解决实际问题(难点)。3.知道什么是第一类永动机及其不可能制成的原因。

学习目标一、热力学第一定律二、能量守恒定律课时对点练

内容索引热力学第一定律一汽缸内有一定质量的气体，压缩气体的同时给汽缸加热。那么，气体内能的变化会比单一方式(做功或传热)更明显。这是为什么呢？答案

给汽缸加热，即向汽缸内传热，汽缸内气体的内能会增加，压缩气体，外界对气体做功，也会使汽缸内气体的内能增加，所以两种方式同时作用时，气体内能的变化比单一方式更明显。1.改变内能的两种方式：

与

。两者对改变系统的内能是

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

与外界对它

的和。3.热力学第一定律的表达式：ΔU=

。梳理与总结做功传热等价热量所做的功Q+W一定质量的气体，膨胀过程中是外界对气体做功还是气体对外界做功？如果膨胀时气体对外做的功是135J，同时向外放热85J，气体内能的变化量是多少？内能是增加了还是减少了？思考与讨论答案膨胀过程中气体对外界做功，W=-135J，气体向外放热：Q=-85J，根据热力学第一定律：ΔU=W+Q，代入得：ΔU=-135J+(-85)J=-220J，所以气体内能减少了220J。1.ΔU的正负：当系统内能增加时，ΔU取正值，内能减少时，ΔU取负值。2.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。3.Q的正负：外界对系统传递热量时，Q取正值；系统向外界传递热量时，Q取负值。提炼·总结

(1)一定质量的气体，从外界吸收3.5×105J的热量，同时气体对外界做功2.5×105J，则气体的内能是增加还是减少？改变量是多少？例1答案

增加1.0×105J由题意知，Q=3.5×105

J，W=-2.5×105

J，则根据热力学第一定律有ΔU=Q+W=1.0×105

JΔU为正值，说明气体的内能增加，增加量为1.0×105

J。(2)一定质量的气体，外界对其做功1.6×105J，内能增加了4.2×105J，此过程中气体是吸热还是放热？吸收或放出的热量是多少？答案

吸热2.6×105J由题意知，ΔU=4.2×105

J，W=1.6×105

J，则根据热力学第一定律有Q=ΔU-W=2.6×105

JQ为正值，说明此过程中气体从外界吸热，吸收的热量为2.6×105

J。总结提升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ΔU=W+Q列方程求出未知量；(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。

(多选)(2024·湛江市模拟)航天服是保障航天员的生命活动和正常工作的个人密闭装备，可防护空间的真空、高低温、太阳辐射和微流星等环境因素对人体的危害。航天员穿着航天服，从地面到达太空时内部气体将急剧膨胀，若航天服内气体的温度不变，视为理想气体并将航天服视为封闭系统。则关于航天服内的气体，下列说法正确的是A.体积增大，内能减小B.压强减小，内能不变C.对外界做功，吸收热量D.压强减小，分子平均动能增大例2√√由于航天服内气体视为理想气体，温度决定内能，温度不变，内能不变，温度是分子热运动平均动能的标志，故分子平均动能也不变。由于航天服内气体体积增大，气体对外界做功，温度不变，由热力学第一定律ΔU=Q+W，可知由于W<0，ΔU=0，则Q>0，所以航天服内气体将吸收热量，又由等温变化有p1V1=p2V2可知体积变大，则压强减小。综上所述，故B、C正确，A、D错误。总结提升1.判断气体内能变化：由于理想气体分子间距离较大，忽略其分子势能，只考虑其分子动能，故温度升高，分子动能增大，内能增大；反之内能减小。2.判断是否做功及做功正负的方法一般情况下外界对气体做功与否，需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。3.判断吸热还是放热气体在变化过程是吸热还是放热要结合内能变化和气体做功情况，由热力学第一定律ΔU=W+Q综合判断。

如图所示，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0.2m。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0.04m2，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

例3A.400J B.1200J C.2000J D.2800J√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=-1×105×0.04×0.2

J=-800

J，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+2

000)J=1

200

J，故B正确。总结提升等压变化过程，功用公式W=pΔV计算等压变化过程中，气体压强不变，气体对活塞的压力F=pS，为恒力，由恒力做功的公式W=Fx可得W=pSx=pΔV，即气体做的功与气体的压强p和气体体积的变化量ΔV有关。返回能量守恒定律二1.能量守恒定律(1)内容：能量既不会凭空

，也不会凭空

，它只能从一种形式

为其他形式，或者从一个物体

到别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量

。(2)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。产生消失转化保持不变转移2.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)第一类永动机由于违背了

，所以不可能制成。对外做功3.热力学第一定律与能量守恒定律的比较(1)能量守恒定律是各种形式的能相互转化或转移的过程，总能量保持不变，它包括各个领域，范围广泛。(2)热力学第一定律是物体内能与其他形式的能之间的相互转化或转移，是能量守恒定律在热现象领域内的具体体现。能量守恒定律如图为一种所谓“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？思考与讨论答案

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。(1)能量既可以转移又可以转化，故能量的总量是可以变化的。(

)(2)能量的总量保持不变，所以我们不需要节约能源。(

)(3)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。(

)(4)第一类永动机不可能制成，因为它违背了能量守恒定律。(

)×√××返回课时对点练三考点一热力学第一定律1.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123456789101112基础对点练√123456789101112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，故内能可能不变或增大，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.如图所示，封闭的汽缸内部封有一定质量的理想气体。外力推动活塞P压缩气体，对缸内气体做功800J，同时气体向外界放热200J，则缸内气体的A.温度升高，内能增加600JB.温度升高，内能减少200JC.温度降低，内能增加600JD.温度降低，内能减少200J123456789101112√123456789101112由热力学第一定律ΔU=Q+W得，ΔU=800

J+(-200

J)=600

J，一定质量的理想气体的内能大小只与温度有关，ΔU=600

J>0，故温度升高，选项A正确。3.一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1.2×105J，则下列各式正确的是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=-4×104J123456789101112√123456789101112因为外界对气体做功，W取正值，即W=8×104

J；气体内能减少，ΔU取负值，即ΔU=-1.2×105

J；根据热力学第一定律ΔU=W+Q，可知Q=ΔU-W=-1.2×105

J-8×104

J=-2×105

J，B选项正确。4.(2023·重庆市凤鸣山中学月考)如图所示，在玻璃瓶中放入少量水，水面上方有无色的水蒸气，用中间带孔、孔中插有软管的橡皮塞盖紧瓶口，然后往瓶中打气，当气压足够大时，橡皮塞从瓶口弹出，原来透明的瓶内充满了白雾，这一实验现象表明A.气体对外界做功，瓶内气体温度升高，内能减少B.外界对气体做功，瓶内气体温度升高，内能增加C.气体对外界做功，瓶内气体温度降低，内能减少D.外界对气体做功，瓶内气体温度降低，内能增加123456789101112√123456789101112白雾是小水滴，它是由水蒸气液化而形成的，该实验的原理如下：瓶内的气体压强增大到一定程度时，瓶内气体对橡皮塞做功，将橡皮塞弹出，气体对外界做功，将一部分内能转化为橡皮塞的机械能，气体的内能减少，温度降低，瓶中的水蒸气遇冷液化而形成白雾，故C正确，A、B、D错误。5.(2023·江西省乐平中学高二期末)固定的汽缸内由活塞封闭着一定质量的气体，在通常的情况下，这些气体分子之间的相互作用力可以忽略。在外力F作用下，将活塞缓慢地向上拉动，如图所示。在拉动活塞的过程中，假设汽缸壁的导热性能良好，环境的温度保持不变，关于对汽缸内的气体的下列论述，其中正确的是A.气体对活塞做功，气体的内能减少B.气体从外界吸热，气体分子的平均动能增大C.气体从外界吸热，气体压强不变D.气体单位体积的分子数减小，气体压强减小123456789101112√123456789101112由题意知，汽缸内的封闭气体是理想气体且温度不变，故气体分子的平均动能不变，气体内能不变，A、B错误；气体体积增大，单位体积的分子数减小，气体对外界做功，根据热力学第一定律可知，气体从外界吸热，封闭气体温度不变，体积增大，压强减小，C错误，D正确。考点二能量守恒定律永动机不可能制成6.“第一类永动机”是不可能制成的，这是因为A.它不符合机械能守恒定律B.它违背了能量守恒定律C.没有合理的设计方案D.找不到合适的材料123456789101112√第一类永动机不可能制成的原因是违背了能量守恒定律。故选B。7.下列说法正确的是A.条形磁体下落过程中穿过闭合线圈，线圈中产生了感应电流，说明电

能是可以被创造的B.太阳照射到地球上的光能转化成了其他形式的能量，但照射到宇宙空

间的能量都消失了C.“既要马儿跑，又让马儿不吃草”违背了能量守恒定律，因而是不可

能的D.有种“全自动”手表，不用上发条，也不用任何形式的电源，却能一

直走动，说明能量是可以凭空产生的123456789101112√123456789101112条形磁体穿过线圈过程中是机械能转化成了电能，故A错误；太阳照射到宇宙空间的能量没有消失，故B错误；马儿奔跑时同样需要消耗能量，故“既要马儿跑，又让马儿不吃草”违背了能量守恒定律，因而是不可能的，故C正确；不用上发条，也不用任何形式的电源，却能一直走动的“全自动”手表是靠手臂的摆动提供能量的，它不违背能量守恒定律，故D错误。8.如图所示，容器内部有被隔板隔开的A、B两部分气体，A气体的密度小，B气体的密度大。抽去隔板，加热气体，使两部分气体均匀混合。设在此过程中气体吸热Q，气体内能的增加量为ΔU，则A.ΔU=Q B.ΔU<QC.ΔU>Q D.ΔU=0123456789101112能力综合练√123456789101112抽去隔板，加热气体，使两部分气体均匀混合，其重心升高，气体对外做功，即W<0，由热力学第一定律ΔU=Q+W知ΔU<Q，故选项B正确。9.(2023·广州市高二期末)用隔板将一绝热汽缸分成两部分，隔板左侧充有一定质量的理想气体，右侧与绝热活塞之间是真空的。现将隔板抽开，气体会自发扩散至整个汽缸，待气体达到稳定状态后，缓慢推压活塞，将气体压缩回到原来的体积。整个过程不漏气，则下列说法正确的是A.气体被压缩过程中内能增大B.气体自发扩散过程中内能减小C.气体自发扩散过程中，气体分子的平均速率增大D.气体被压缩过程中，温度升高，所有分子的速率都增大123456789101112√123456789101112根据热力学第一定律ΔU=Q+W可知，在汽缸绝热的情况下Q=0，缓慢推压活塞，气体被压缩的过程中，外界对气体做功W>0，因此可得ΔU>0，即缸内气体的内能增大，故A正确；由于隔板右侧为真空，当抽去隔板，气体自发扩散，并不对外做功，而汽缸绝热，根据热力学第一定律可知W=0，Q=0，由此可知ΔU=0，即气体自发扩散过程中缸内气体内能不变，对于一定质量的理想气体，内能不变则温度不变，气体分子平均动能不变，气体分子的平均速率不变，故B、C错误；123456789101112气体被压缩过程中，外界对气体做功，汽缸绝热，气体内能增大，温度升高，因此可知气体分子的平均速率增大，但并不是所有分子的速率都增大，对于单个分子而言，其速率可能增大也可能减小，故D错误。10.(多选)如图所示，将一空的金属易拉罐开口向下压入恒温游泳池的水中，则金属罐在水中缓慢下降过程中，罐内空气(可视为理想气体)A.内能增大B.分子间的平均距离减小C.向外界放热D.对外界做正功123456789101112√√123456789101112取金属罐中封闭的理想气体为研究对象，金属罐被向下压入恒温游泳池水中的过程，可视为等温过程，由于温度不变，故气体内能不变(理想气体的内能仅取决于温度)，A选项错误；由题意知压强变大，根据玻意耳定律p1V1=p2V2，可知体积变小，故分子间的平均距离减小，B选项正确；内能不变则ΔU=