资源简介

2　热力学第一定律
3　能量守恒定律
定位·学习目标
1.阅读教材,知道热力学第一定律、能量守恒定律及永动机不可能制成,形成物理观念。
2.理解热力学第一定律的公式,并能进行相关的分析、计算;能根据能量守恒定律解释永动机不可能制成的原因,培养科学思维和科学探究精神。
3.通过有关史实,了解热力学第一定律和能量守恒定律的发现过程,学习科学家执着探索的科学精神,培养科学态度与责任。
知识点一　热力学第一定律
探究新知
1.改变内能的两种方式
做功和传热,两者在改变系统内能方面是等价的。
2.热力学第一定律
(1)内容: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。
(2)表达式:ΔU=Q+W。
3.热力学第一定律的应用
(1)外界对系统做功有助于系统内能的增加,因此,外界对系统做功时,W取正值;而系统对外界做功时,W取负值。
(2)外界对系统传递热量有助于系统内能的增加,因此,外界对系统传递的热量Q取正值;而系统向外界传递的热量Q就取负值。
新知检测
　[判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”]
(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)一定质量的理想气体,吸收热量后温度一定升高。(　×　)
知识点二　能量守恒定律
探究新知
1.人类对能量的认识
(1)能量的概念是人类在对物质运动规律进行长期探索中建立起来的。
(2)能量具有不同的形式。
(3)我们可以用能量的观念把热、电、光、磁等都统一起来描述。
2.能量守恒观念的形成
(1)能量守恒思想的萌芽及产生并不是一蹴而就的。
(2)人类对能量的认识过程,体现了科学前辈们对“守恒”这一科学思想的追寻。从18世纪末到19世纪中叶,不同领域的科学家从不同角度都提出过能量守恒的思想。
3.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。
(2)意义:能量守恒是自然界的普遍规律。根据能量守恒定律,物理学发现和解释了很多科学现象。
(3)地位:能量守恒定律的发现是科学史上的重大事件。它是自然科学长期发展和进步的结果,是普遍、和谐、可靠的自然规律之一。
4.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)不可能制成的原因:任何动力机械的作用都是把其他形式的能转化为机械能。永动机的思想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。
新知检测
　[判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”]
(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)违背能量守恒定律的过程是不可能发生的。(　√　)
(4)随着人类设计思想的进步,以后可能使动力机械只输出机械能而不消耗其他形式的能。(　×　)
要点一　对热力学第一定律的理解与应用
情境探究
气象探测气球内充有常温常压的氦气,从地面上升至某高空的过程中,气球会随着环境条件的变化,其体积随之增大或减小,而压强随外部气压减小而逐渐减小,温度因启动加热装置而保持不变,球内氦气可视为理想气体。若在某高空,外部温度为-7 ℃,关闭加热装置。
探究:(1)氦气对外界做功还是外界对氦气做功
(2)氦气吸热还是放热
答案:(1)关闭加热装置后,气球内氦气压强不变,温度降低,根据 =C可知,气球内氦气温度降低,体积减小,外界对氦气做功。
(2)在此高空,温度降低,内能减小,则ΔU<0,而W>0,根据热力学第一定律ΔU=W+Q,可知Q<0,即氦气对外放热。
要点归纳
1.对热力学第一定律的理解
热力学第一定律描述了一个热力学系统在既有做功又有传热的过程中,内能的变化量ΔU、外界对系统做功W及外界向系统传递的热量Q间的关系。
反过来,同样适用于系统对外界做功、向外界散热和内能减少的情况。
2.公式ΔU=Q+W的符号规则
符号 W Q ΔU
+ 体积减小,外界对系统做功 系统吸收热量 内能增加
- 体积增大,系统对外界做功 系统放出热量 内能减少
3.几种特殊情况
(1)若过程是绝热的,即Q=0,则W=ΔU,外界对系统做的功等于系统内能的变化量。
(2)若过程中不做功,即W=0,则Q=ΔU,系统传递的热量等于系统内能的变化量。
(3)若过程中系统的始末内能不变,即ΔU=0,则W+Q=0或W=-Q,外界对系统做的功等于系统放出的热量,或系统对外界做的功等于系统吸收的热量。
4.判断是否做功的方法: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,则 W<0。
(2)若气体体积减小,表明外界对气体做功,则 W>0。
(3)若气体发生等压过程,外界对气体做功为W=-p(V2-V1)。
典例研习
[例1] [对热力学第一定律的理解](多选)如图,用隔板将一绝热汽缸分成两部分,隔板左侧充有理想气体,隔板右侧与绝热活塞之间是真空。现将隔板抽开,气体会自发扩散至整个汽缸。待气体达到稳定后,缓慢推压活塞,将气体压回到原来的体积。假设整个系统不漏气,下列说法正确的是(　ABD　)
A.气体自发扩散前后内能相同
B.气体在被压缩的过程中内能增大
C.在自发扩散过程中,气体对外界做功
D.气体在被压缩的过程中,外界对气体做功
解析:抽开隔板,气体自发扩散过程中,气体对外界不做功,与外界没有热交换,因此气体的内能不变,A正确,C错误;气体在被压缩的过程中,外界对气体做功,D正确;由于气体与外界没有热交换,根据热力学第一定律可知,气体在被压缩的过程中内能增大,因此气体的温度升高,气体分子的平均动能增大,B正确。
[例2][热力学第一定律的应用]一定质量的理想气体在某一过程中压强p=1.0×105 Pa 保持不变,体积增大100 cm3,气体内能增加了50 J,则此过程中(　B　)
A.气体从外界吸收50 J的热量
B.气体从外界吸收60 J的热量
C.气体向外界放出50 J的热量
D.气体向外界放出60 J的热量
解析:气体压强不变,体积增大,对外做功为W=- p·S·Δl=-pΔV=-1.0×105×100×10-6 J=-10 J。气体内能增加了50 J,根据热力学第一定律ΔU=W+Q,解得Q=60 J,则气体从外界吸收 60 J 的热量,故B正确,A、C、D错误。
应用热力学第一定律解题的一般步骤
(1)明确研究对象,即为状态变化的热力学系统。
(2)根据符号规则确定各已知量(W、Q或ΔU)的正负。
(3)根据表达式ΔU=W+Q求出未知量。
(4)再根据未知量结果的正负来确定传热、做功或内能变化情况。
要点二　能量守恒定律　永动机不可能制成
情境探究
如图展示了一个极具想象力的设想,其大意是:上面水池中的水流下来,冲击叶轮转动;叶轮带动打磨轮和水泵的轴转动;人利用打磨轮打磨工件,同时,运转的水泵又把流到下面水池中的水抽到上面的水池中……只要一开始在上面水池中注满水,就能通过水的上下循环,使机器不停地工作。
探究:(1)从上面水池中流下来的水,能否被水泵全部抽送到上面水池中 说明理由。
(2)这个设想曾得到不少人的赞许,并把这个装置誉为“永动机”。请运用掌握的知识,说明这个装置是否真能“永动”。
答案:(1)不能;因为高处水池中水的重力势能只有部分转化为叶轮的动能,而叶轮的动能部分用来打磨工件及克服摩擦力做功,不会全部供给水泵用来抽水。
(2)不能,由于能量的损耗,抽水机不能把流下来的水全部抽送到上面水池中,随着时间推移,该装置就会停止运转。
要点归纳
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,不同的能量形式与不同的运动形式相对应。
(2)各种形式的能可以通过不同的力做功而相互转化。
2.能量守恒定律是没有条件的
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,必须满足只有重力做功或系统内弹力做功;而能量守恒是没有条件的,它是一切自然现象都遵守的基本规律。
3.能量守恒的两种表达
(1)某种形式的能减少,一定有一种或几种其他形式的能增加,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。
4.永动机不可能制成
(1)永动机违背能量守恒定律,所以不可能制成。
(2)原因分析:如果物体对外做功,即W<0,物体做功后回到原来的状态,即ΔU=0,则物体一定要从外界吸收热量,即Q>0。可见,要使物体既对外做功又不必吸收热量的永动机是不可能制成的。
典例研习
[例3] [对能量守恒定律的理解](多选) 细绳一端固定在天花板上,另一端拴一质量为m的小球,如图所示。使小球在竖直平面内摆动,经过一段时间后,小球停止摆动。下列说法正确的是(　AD　)
A.小球机械能不守恒
B.小球能量正在消失
C.小球摆动过程中,只有动能和重力势能在相互转化
D.总能量守恒,但小球的机械能减少
解析:小球在竖直平面内摆动,经过一段时间后,小球停止摆动,说明机械能通过克服阻力做功不断地转化为内能,即机械能不守恒,故选项A正确;小球的机械能转化为内能,能量的种类变了,但能量不会消失,故选项B错误;小球长时间摆动过程中,重力势能和动能相互转化的同时,机械能
不断地转化为内能,故摆动的幅度越来越小,但总能量守恒,故选项D正确,C错误。
[例4] [对永动机的理解]如图所示,一演示用的“永动机”转轮由5根轻杆和转轴构成,轻杆的末端装有用形状记忆合金制成的叶片。轻推转轮后,进入热水的叶片因伸展与水发生作用而推动转轮转动。离开热水后,叶片形状迅速恢复,转轮因此能较长时间转动。下列说法正确的是(　D　)
A.转轮依靠自身惯性转动,不需要消耗外界能量
B.转轮转动所需能量来自形状记忆合金自身
C.转动的叶片不断搅动热水,水温升高
D.叶片在热水中吸收的热量一定大于在空气中释放的热量
解析:形状记忆合金进入水后受热,形状发生改变的过程中,与水作用而使转轮转动,叶片伸展克服水的作用力做功,一定消耗了水的内能,其中一部分转化成叶片的动能,一部分释放于空气中,故D正确。
1.在热力学第一定律的表达式ΔU=W+Q中关于ΔU、W、Q各个物理量的正、负,下列说法正确的是(　C　)
A.外界对系统做功时W为正,吸热时Q为负,内能增加时ΔU为正
B.系统对外界做功时W为负,吸热时Q为正,内能增加时ΔU为负
C.系统对外界做功时W为负,吸热时Q为正,内能增加时ΔU为正
D.外界对系统做功时W为负,吸热时Q为负,内能增加时ΔU为负
解析:外界对系统做功时W为正,反之为负;吸热时Q为正,反之为负;内能增加时ΔU为正,反之为负。故选C。
2.如图所示,直立容器内部有被隔板隔开的A、B两部分气体,A的密度小,B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收热量为Q、气体内能增加量为ΔU,则(　B　)
A.ΔU=Q B.ΔUC.ΔU>Q D.无法比较
解析:因B的密度大,两部分气体混合后,整体重心升高,重力势能增加,吸收的热量一部分用来增加气体内能,一部分用来增加系统重力势能,由能量守恒定律可得ΔU3.如图所示为冲击摆实验装置,一质量为m的子弹以速度v0射入质量为M的沙箱后与沙箱合为一体,共同摆起一定高度h,则整个过程中子弹和沙箱由于相互作用所产生的内能为多少 (不计空气阻力,重力加速度为g)
解析:子弹和沙箱相互作用的过程中,损失的动能转化为系统内能,由能量守恒定律得
ΔU=m-(M+m)v2,
由于子弹和沙箱相互作用的时间极短,它们一起从最低点运动到最高点过程中,满足机械能守恒定律,即(M+m)v2=(M+m)gh,
解得ΔU=m-(M+m)gh。
答案:m-(M+m)gh
4.汽缸内封闭了一定量压强为p=1.0×105 Pa、体积为V=2.0 m3的理想气体,现使气体保持压强不变,体积缓慢压缩至 V′=1.0 m3,此过程气体向外界释放了Q=1.2×105 J 的热量,则:
(1)压缩过程外界对气体做了多少功
(2)气体内能如何变化 变化了多少
解析:(1)压强不变,压缩气体,外界对气体做功
W=p(V-V′)=1.0×105×(2-1) J
=1.0×105 J。
(2)根据热力学第一定律
ΔU=W+(-Q)=1.0×105 J-1.2×105 J
=-2.0×104 J,
故气体内能减少了2.0×104 J。
答案:(1)1.0×105 J　(2)减少　2.0×104 J
课时作业
基础巩固练
考点一　热力学第一定律
1.(2023·天津卷)如图是爬山所带氧气瓶,氧气瓶里的气体容积质量不变,爬高过程中,温度减小,则气体(　B　)
A.对外做功 B.内能减小
C.吸收热量 D.压强不变
解析:由于爬高过程中气体体积不变,气体不对外做功,故A错误;爬高过程中温度降低,根据热力学第一定律ΔU=W+Q可知,气体不做功,但内能减小,气体放出热量,故B正确,C错误;温度减小,体积不变,根据理想气体状态方程=C可知气体压强减小,故D错误。
2.如图所示,在某固定绝热容器中,左侧装有一定质量的某种理想气体,右侧为真空,某时刻把隔板抽掉,让左侧气体自由膨胀到右侧直至达到新的平衡,气体的温度(　B　)
A.升高 B.不变
C.降低 D.无法确定
解析:气体在真空自由膨胀,气体体积变大但并不对外做功,即W=0,容器绝热,则Q=0,由热力学第一定律的表达式ΔU=W+Q,可知ΔU=0,即温度不变,故选B。
3.一定量的气体在某一过程中,外界对气体做了8×104 J的功,气体的内能减少了1.2×105 J,则下列各式正确的是(　B　)
A.W=8×104 J,ΔU=1.2×105 J,Q=4×104 J
B.W=8×104 J,ΔU=-1.2×105 J,Q=-2×105 J
C.W=-8×104 J,ΔU=1.2×105 J,Q=2×105 J
D.W=-8×104 J,ΔU=-1.2×105 J,Q=-4×104 J
解析:外界对气体做了8×104 J的功,则W=8×104 J,气体内能减少了1.2×105 J,则ΔU=-1.2×105 J,由热力学第一定律ΔU=W+Q,可得Q=-2×105 J,故B正确,A、C、D错误。
考点二　能量守恒定律
4.下列关于能量守恒定律的认识,说法不正确的是(　A　)
A.石子从空中落下,最后停止在地面上,说明石子的能量消失了
B.对物体做功,物体的内能可能减小
C.某个物体的能量减少,必然有其他物体的能量增加
D.某种形式的能量减少,一定存在其他形式的能量增加
解析:根据能量守恒定律可知,石子从空中落下,最后停止在地面上,石子的能量并没有消失,而是石子的机械能转化成了内能,故A说法错误;做功与传热都可以改变物体的内能,对物体做功的同时,如果物体向外放热,则物体的内能可能减小,故B说法正确;根据能量守恒定律可知,某个物体的能量减少,必然有其他物体的能量增加,故C说法正确;根据能量守恒定律可知,某种形式的能量减少,一定存在其他形式的能量增加,故D说法正确。
5.在一间隔热非常好的密闭房间中,把正在工作的电冰箱门打开,室内空气温度将(　A　)
A.升高 B.不变 C.降低 D.无法确定
解析:根据能量守恒定律,冰箱门打开,电冰箱的压缩机将一直工作下去,消耗的电能全部变成内能散失在室内,因此室内空气温度将升高。
6.如图所示是某潮汐“单库单向电站”发电示意图。涨潮时打开闸门,海水由通道进入海湾水库蓄水,待水面升至最高点时关闭闸门(如图甲),当落潮时,开闸使海水通过发电厂房推动涡轮机转动,带动发电机发电(如图乙)。设海湾水库面积为S=5.0×108 m2,平均潮差为h=3.0 m,一天涨落潮两次,发电的平均能量转化率为η=10%,则一天内发电的平均功率约为(取ρ水=1.0×103 kg/m3,g取10 m/s2)(　B　)
A.2.6×104 kW B.5.2×104 kW
C.2.6×105 kW D.5.2×105 kW
解析:水库中一次落潮海水重心下降高度为,则重力做功WG=mg· =ρ水Sh2g,即减少的重力势能Ep=ρ水Sh2g,其发电量
E电=10%Ep=0.1××1.0×103×5.0×108×3.02×10 J=2.25×1012 J,每天两次涨潮,则该电站一天发电量为4.5×1012 J,所以每天的平均功率为P= W≈5.2×107 W=5.2×104 kW,选项B正确。
综合提升练
7.(多选) 如图,一开口向上的导热汽缸内,用活塞封闭了一定质量的理想气体,活塞与汽缸壁间无摩擦。现用外力作用在活塞上,使其缓慢下降。环境温度保持不变,系统始终处于平衡状态。在活塞下降过程中(　BC　)
A.气体体积逐渐减小,内能增加
B.气体压强逐渐增大,放出热量
C.外界对气体做功,气体内能不变
D.外界对气体做功,气体吸收热量
解析:理想气体的内能由温度唯一决定,由于温度保持不变,所以内能不变;外力作用在活塞上使活塞下降,气体体积减小,由玻意耳定律可知,气体压强增大,外界对气体做功,由热力学第一定律知,气体放出热量,选项B、C正确,A、D错误。
8.有一种磁力“永动机”如图所示,在斜坡顶上放一块磁性较强的磁铁,斜坡上端有一个小孔,斜面下有一个连接小孔直至底端的弯曲轨道,维尔金斯认为:如果在斜坡底端放一个小铁球,那么由于磁铁的吸引,小铁球就会向上运动,当小球运动到小孔P处时,它就要掉下,再沿着斜面下的弯曲轨道返回斜坡底端Q,由于小球有速度而可以对外做功,然后又被磁铁吸引回到上端,到小孔P处又掉下。关于该“永动机”,正确的认识应该是(　D　)
A.符合理论规律,一定可以实现,只是实现时间早晚的问题
B.如果忽略小球与斜面的摩擦,维尔金斯“永动机”一定可以实现
C.如果忽略小球与斜面的摩擦,铁球质量较小,磁铁磁性又较强,则维尔金斯“永动机”可以实现
D.违背能量守恒定律,不可能实现
解析:根据上述,维尔金斯“永动机”不消耗能量,又能源源不断地对外做功,这是第一类永动机,其违背了能量守恒定律,不可能实现。
9.(多选)如图所示为测量大气压强的实验装置,将一定质量的理想气体密封在烧瓶内,烧瓶通过细玻璃管与注射器和装有水银的U形管连接。最初竖直放置的U形管两臂中的水银柱等高,烧瓶中气体体积为800 mL。现用注射器缓慢向烧瓶中注入200 mL的水,稳定后U形管两臂中水银面的高度差为25 cm。环境温度不变,不计细玻璃管中气体的体积。下列说法正确的是(　BD　)
A.气体的内能增大
B.气体分子的平均动能不变
C.气体对外界做的功等于它吸收的热量
D.大气压强的测量值为75 cmHg
解析:环境温度不变,注射器缓慢向烧瓶中注入200 mL水的过程中气体的温度不变,气体的内能不变,气体分子的平均动能不变,故A错误,B正确;气体的温度不变,气体的内能不变,注射器缓慢向烧瓶中注入200 mL的水,气体体积减小,则外界对气体做功,根据热力学第一定律ΔU=W+Q,可知外界对气体做的功等于气体放出的热量,故C错误;气体初态为p1=p0,V1=800 mL,气体末态为p2=p0+p,V2=(800-200)mL=
600 mL,其中p=25 cmHg,气体做等温变化,则p1V1=p2V2,解得大气压强的测量值为p0=75 cmHg,故D正确。
10.若将气泡内的气体视为理想气体,气泡从湖底缓慢上升到湖面的过程中,对外界做了0.6 J的功。(设湖水的温度相等且保持不变)
(1)气泡上升过程中吸收的热量是多少
(2)气泡到达湖面后,由于太阳的照射,在温度上升的过程中又对外界做了0.1 J的功,同时吸收了0.3 J 的热量,则此过程中,气泡内气体内能增加了多少
解析:(1)气体温度不变,内能不变,
根据热力学第一定律有ΔU1=Q1+W1,
则Q1=ΔU1-W1=0-(-0.6 J)=0.6 J。
(2)气泡到达湖面后,
W2=-0.1 J,Q2=0.3 J,
由热力学第一定律得ΔU2=Q2+W2=0.3 J+(-0.1 J)=0.2 J,
内能增加0.2 J。
答案:(1)0.6 J　(2)0.2 J(共41张PPT)
2　热力学第一定律
3　能量守恒定律
「定位·学习目标」
1.阅读教材,知道热力学第一定律、能量守恒定律及永动机不可能制成,形成物理观念。
2.理解热力学第一定律的公式,并能进行相关的分析、计算;能根据能量守恒定律解释永动机不可能制成的原因,培养科学思维和科学探究精神。
3.通过有关史实,了解热力学第一定律和能量守恒定律的发现过程,学习科学家执着探索的科学精神,培养科学态度与责任。
探究·必备知识
1.改变内能的两种方式
做功和 ,两者在改变系统内能方面是 的。
2.热力学第一定律
(1)内容:一个热力学系统的内能变化量等于外界向它传递的 　
与外界对它所做的 的和。
(2)表达式:ΔU= 。
「探究新知」
知识点一　热力学第一定律
传热
等价
热量
功
Q+W
3.热力学第一定律的应用
(1)外界对系统做功有助于系统内能的 ,因此,外界对系统做功时,W取 ;而系统对外界做功时,W取 。
(2)外界对系统传递热量有助于系统内能的 ,因此,外界对系统传递的热量Q取 ;而系统向外界传递的热量Q就取 。
增加
正值
负值
增加
正值
负值
[判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”]
(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)一定质量的理想气体,吸收热量后温度一定升高。(　　)
「新知检测」
×
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×
1.人类对能量的认识
(1)能量的概念是人类在对 进行长期探索中建立起来的。
(2)能量具有 的形式。
(3)我们可以用能量的观念把热、电、光、磁等都 描述。
「探究新知」
知识点二　能量守恒定律
物质运动规律
不同
统一起来
2.能量守恒观念的形成
(1)能量守恒思想的萌芽及产生并不是一蹴而就的。
(2)人类对能量的认识过程,体现了科学前辈们对“守恒”这一
科学思想的追寻。从18世纪末到19世纪中叶,不同领域的科学家从
都提出过能量守恒的思想。
不同角度
3.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 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,能量的总量保持不变。
(2)意义:能量守恒是自然界的普遍规律。根据能量守恒定律,物理学发现和解释了很多科学现象。
(3)地位:能量守恒定律的发现是科学史上的重大事件。它是自然科学长期发展和进步的结果,是普遍、和谐、可靠的自然规律之一。
转化
转移
4.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)不可能制成的原因:任何动力机械的作用都是把其他形式的能转化为 能。永动机的思想违背了 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。
对外做功
机械
能量守恒
[判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”]
(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)违背能量守恒定律的过程是不可能发生的。(　　)
(4)随着人类设计思想的进步,以后可能使动力机械只输出机械能而不消耗其他形式的能。(　　)
「新知检测」
×
√
√
×
突破·关键能力
要点一　对热力学第一定律的理解与应用
「情境探究」
气象探测气球内充有常温常压的氦气,从地面上升至某高空的过程中,气球会随着环境条件的变化,其体积随之增大或减小,而压强随外部气压减小而逐渐减小,温度因启动加热装置而保持不变,球内氦气可视为理想气体。若在某高空,外部温度为-7 ℃,关闭加热装置。
答案:(1)关闭加热装置后,气球内氦气压强不变,温度降低,根据
可知,气球内氦气温度降低,体积减小,外界对氦气做功。
探究:(1)氦气对外界做功还是外界对氦气做功
(2)氦气吸热还是放热
答案:(2)在此高空,温度降低,内能减小,则ΔU<0,而W>0,根据热力学第一定律ΔU=W+Q,可知Q<0,即氦气对外放热。
「要点归纳」
1.对热力学第一定律的理解
热力学第一定律描述了一个热力学系统在既有做功又有传热的过程中,内能的变化量ΔU、外界对系统做功W及外界向系统传递的热量Q间的关系。
反过来,同样适用于系统对外界做功、向外界散热和内能减少的情况。
2.公式ΔU=Q+W的符号规则
符号 W Q ΔU
+ 体积减小,外界对系统做功 系统吸收热量 内能增加
- 体积增大,系统对外界做功 系统放出热量 内能减少
3.几种特殊情况
(1)若过程是绝热的,即Q=0,则W=ΔU,外界对系统做的功等于系统内能的变化量。
(2)若过程中不做功,即W=0,则Q=ΔU,系统传递的热量等于系统内能的变化量。
(3)若过程中系统的始末内能不变,即ΔU=0,则W+Q=0或W=-Q,外界对系统做的功等于系统放出的热量,或系统对外界做的功等于系统吸收的热量。
4.判断是否做功的方法: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,则 W<0。
(2)若气体体积减小,表明外界对气体做功,则 W>0。
(3)若气体发生等压过程,外界对气体做功为W=-p(V2-V1)。
「典例研习」
[例1] [对热力学第一定律的理解](多选)如图,用隔板将一绝热汽缸分成两部分,隔板左侧充有理想气体,隔板右侧与绝热活塞之间是真空。现将隔板抽开,气体会自发扩散至整个汽缸。待气体达到稳定后,缓慢推压活塞,将气体压回到原来的体积。假设整个系统不漏气,下列说法正确的是(　 　)
A.气体自发扩散前后内能相同
B.气体在被压缩的过程中内能增大
C.在自发扩散过程中,气体对外界做功
D.气体在被压缩的过程中,外界对气体做功
ABD
解析:抽开隔板,气体自发扩散过程中,气体对外界不做功,与外界没有热交换,因此气体的内能不变,A正确,C错误;气体在被压缩的过程中,外界对气体做功,D正确;由于气体与外界没有热交换,根据热力学第一定律可知,气体在被压缩的过程中内能增大,因此气体的温度升高,气体分子的平均动能增大,B正确。
[例2][热力学第一定律的应用]一定质量的理想气体在某一过程中压强p=1.0×105 Pa 保持不变,体积增大100 cm3,气体内能增加了50 J,则此过程中(　　)
A.气体从外界吸收50 J的热量
B.气体从外界吸收60 J的热量
C.气体向外界放出50 J的热量
D.气体向外界放出60 J的热量
B
解析:气体压强不变,体积增大,对外做功,W=- p·S·Δl=-pΔV=
-1.0×105×100×10-6 J=-10 J。气体内能增加了50 J,根据热力学第一定律ΔU=W+Q,解得Q=60 J,则气体从外界吸收 60 J 的热量,故B正确,A、C、D错误。
规律方法
应用热力学第一定律解题的一般步骤
(1)明确研究对象,即为状态变化的热力学系统。
(2)根据符号规则确定各已知量(W、Q或ΔU)的正负。
(3)根据表达式ΔU=W+Q求出未知量。
(4)再根据未知量结果的正负来确定传热、做功或内能变化情况。
要点二　能量守恒定律　永动机不可能制成
「情境探究」
如图展示了一个极具想象力的设想,其大意是:上面水池中的水流下来,冲击叶轮转动;叶轮带动打磨轮和水泵的轴转动;人利用打磨轮打磨工件,同时,运转的水泵又把流到下面水池中的水抽到上面的水池中……只要一开始在上面水池中注满水,就能通过水的上下循环,使机器不停地工作。
探究:(1)从上面水池中流下来的水,能否被水泵全部抽送到上面水池中 说明理由。
答案:(1)不能;因为高处水池中水的重力势能只有部分转化为叶轮的动能,而叶轮的动能部分用来打磨工件及克服摩擦力做功,不会全部供给水泵用来抽水。
(2)这个设想曾得到不少人的赞许,并把这个装置誉为“永动机”。请运用掌握的知识,说明这个装置是否真能“永动”。
答案:(2)不能,由于能量的损耗,抽水机不能把流下来的水全部抽送到上面水池中,随着时间推移,该装置就会停止运转。
「要点归纳」
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,不同的能量形式与不同的运动形式相对应。
(2)各种形式的能可以通过不同的力做功而相互转化。
2.能量守恒定律是没有条件的
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,必须满足只有重力做功或系统内弹力做功;而能量守恒是没有条件的,它是一切自然现象都遵守的基本规律。
3.能量守恒的两种表达
(1)某种形式的能减少,一定有一种或几种其他形式的能增加,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。
4.永动机不可能制成
(1)永动机违背能量守恒定律,所以不可能制成。
(2)原因分析:如果物体对外做功,即W<0,物体做功后回到原来的状态,即ΔU=0,则物体一定要从外界吸收热量,即Q>0。可见,要使物体既对外做功又不必吸收热量的永动机是不可能制成的。
「典例研习」
[例3] [对能量守恒定律的理解](多选) 细绳一端固定在天花板上,另一端拴一质量为m的小球,如图所示。使小球在竖直平面内摆动,
经过一段时间后,小球停止摆动。下列说法正确的是(　　 )
A.小球机械能不守恒
B.小球能量正在消失
C.小球摆动过程中,只有动能和重力势能在相互转化
D.总能量守恒,但小球的机械能减少
AD
解析:小球在竖直平面内摆动,经过一段时间后,小球停止摆动,说明机械能通过克服阻力做功不断地转化为内能,即机械能不守恒,故选项A正确;小球的机械能转化为内能,能量的种类变了,但能量不会消失,故选项B错误;小球长时间摆动过程中,重力势能和动能相互转化的同时,机械能不断地转化为内能,故摆动的幅度越来越小,但总能量守恒,故选项D正确,C错误。
[例4] [对永动机的理解]如图所示,一演示用的“永动机”转轮由5根轻杆和转轴构成,轻杆的末端装有用形状记忆合金制成的叶片。轻推转轮后,进入热水的叶片因伸展与水发生作用而推动转轮转动。离开热水后,叶片形状迅速恢复,转轮因此能较长时间转动。下列说法正确的是(　　)
A.转轮依靠自身惯性转动,不需要消耗外界能量
B.转轮转动所需能量来自形状记忆合金自身
C.转动的叶片不断搅动热水,水温升高
D.叶片在热水中吸收的热量一定大于在空气中释放的热量
D
解析:形状记忆合金进入水后受热,形状发生改变的过程中,与水作用而使转轮转动,叶片伸展克服水的作用力做功,一定消耗了水的内能,其中一部分转化成叶片的动能,一部分释放于空气中,故D正确。
检测·学习效果
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1.在热力学第一定律的表达式ΔU=W+Q中,关于ΔU、W、Q各个物理量的正、负,下列说法正确的是(　　)
A.外界对系统做功时W为正,吸热时Q为负,内能增加时ΔU为正
B.系统对外界做功时W为负,吸热时Q为正,内能增加时ΔU为负
C.系统对外界做功时W为负,吸热时Q为正,内能增加时ΔU为正
D.外界对系统做功时W为负,吸热时Q为负,内能增加时ΔU为负
C
解析:外界对系统做功时W为正,反之为负;吸热时Q为正,反之为负;内能增加时ΔU为正,反之为负。故选C。
2.如图所示,直立容器内部有被隔板隔开的A、B两部分气体,A的
密度小,B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收热量为Q、气体内能增加量为ΔU,则(　　)
A.ΔU=Q B.ΔUC.ΔU>Q D.无法比较
B
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解析:因B的密度大,两部分气体混合后,整体重心升高,重力势能增加,吸收的热量一部分用来增加气体内能,一部分用来增加系统重力势能,由能量守恒定律可得ΔU3.如图所示为冲击摆实验装置,一质量为m的子弹以速度v0射入质量为M的沙箱后与沙箱合为一体,共同摆起一定高度h,则整个过程中子弹和沙箱由于相互作用所产生的内能为多少 (不计空气阻力,重力加速度为g)
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4.汽缸内封闭了一定量压强为p=1.0×105 Pa、体积为V=2.0 m3的理想气体,现使气体保持压强不变,体积缓慢压缩至 V′=1.0 m3,此过程气体向外界释放了Q=1.2×105 J 的热量,则:
(1)压缩过程外界对气体做了多少功
答案:(1)1.0×105 J
解析:(1)压强不变,压缩气体,外界对气体做功
W=p(V-V′)=1.0×105×(2-1) J
=1.0×105 J。
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(2)气体内能如何变化 变化了多少
答案:(2)减少　2.0×104 J
解析:(2)根据热力学第一定律
ΔU=W+(-Q)=1.0×105 J-1.2×105 J
=-2.0×104 J,
故气体内能减少了2.0×104 J。
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