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第1节　热力学第一定律
第2节　能量的转化与守恒
学习目标：1.[科学思维]理解热力学第一定律．　2.[科学思维]会用ΔU＝W＋Q解决相关问题．　3.[科学态度与责任]知道第一类永动机不可能制成．　4.[科学态度与责任]了解能量守恒定律的发现过程．　5.[科学思维]理解能量的转化与守恒定律，会用能量的观点解释自然现象．
一、功、热量与内能
1．改变物体内能的两种方式
做功和热传递．
2．物体内能的改变
(1)如果物体与外界无热传递，若外界对物体做功，则物体的内能增加；若物体对外做功，物体的内能减少．
(2)如果物体既不对外做功，外界也不对物体做功，则物体吸收热量时，它的内能增加；物体放出热量时，它的内能减少．
3．热力学第一定律
(1)内容：物体内能的增加量ΔU等于外界对物体所做的功W与物体从外界吸收的热量Q之和．
(2)表达式：ΔU＝W＋Q．
4．热力学第一定律的意义
(1)内能的变化必然伴随有做功或热传递．
(2)一切涉及热现象的宏观过程中，能量可以发生转移或转化，此过程中总能量守恒．
二、第一类永动机
1．概念：不消耗任何能量而能永远对外做功的机器．
2．结果
17～18世纪，人们提出了许多永动机设计方案，但都以失败而告终．
3．原因
设想能量能够无中生有地创造出来，违背了热力学第一定律．
4．启示
人类利用和改造自然时，必须遵循自然规律．
三、能量的转化与守恒
1．能量守恒定律的发现
(1)迈尔的发现
体力和体热必定来源于食物中的化学能，内能、化学能、机械能都是等价的，是可以相互转化的，如果动物体的能量输入与支出是平衡的，那么，所有这些形式的能在量上必定是守恒的．
(2)焦耳的研究
①确定了电能向内能转化的定量关系．
②用了近40年的时间，不懈地钻研热功转换问题，为能量守恒定律提供了无可置疑的证据．
(3)亥姆霍兹的贡献
从理论上把力学中的能量守恒原理推广到热、光、电、磁、化学反应等过程，揭示了它们之间的统一性．
2．能量守恒定律
(1)内容
能量既不会消失，也不会创生，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另一个物体，而能量的总值保持不变．
(2)意义
揭示了自然科学各个分支之间的普遍联系，是自然界内在统一性的第一个有力证据．
(3)应用
①各种形式的能可以转化，但能量在转化过程中总伴有内能的损失．
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．
1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)热量、功和内能三者单位相同，物理意义相同． (×)
(2)热量和功由过程决定，而内能由物体状态决定． (√)
(3)系统内能增加了100 J，可能是外界采用绝热方式对系统做功100 J，也可能是外界单纯地对系统传热100 J． (√)
(4)某种形式的能量减少，一定存在其他形式的能量增加． (√)
(5)某个物体的能量减少，必然有其他物体的能量增加． (√)
(6)石子从空中落下，最后静止在地面上，说明能量消失了． (×)
2．下列说法正确的是(　　)
A．物体放出热量，其内能一定减小
B．物体对外做功，其内能一定减小
C．物体吸收热量，同时对外做功，其内能可能增加
D．物体放出热量，同时对外做功，其内能可能不变
C　[物体放出热量，若外界对物体做功的数值大于放出的热量，内能可能增加，故A错误；物体对外做功，若同时从外界吸收的热量大于做功的数值，则内能增加，故B错误；物体吸收热量，同时对外做功W，如二者相等，则内能可能不变，若Q＞W，则内能增加，若W＞Q，则内能减少，故C正确；物体放出热量，Q＜0，同时对外做功，W＜0，则ΔU＜0，故内能一定减少，故D错误．]
3．图为某种椅子与其升降部分的结构示意图，M、N两筒间密闭了一定质量的气体，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．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
A　[筒内气体不与外界发生热交换，当气体体积变小时，则外界对气体做功，外界对气体做功使气体的内能增大，A正确．]
功、热传递、内能之间的变化关系
“火”不但可以用来取暖，还可以用来加热食物，“火”把人类带入了文明的殿堂．我们的祖先很早就发明了“钻木取火”的用具，使人们不再仅仅依靠自然的“恩赐”而得到“火”．你知道“钻木取火”的道理吗？
提示：做功可以改变物体的内能，“钻木取火”就是通过外力做功，机械能转化为内能．木材内能增加，温度达到着火点而燃烧．
1．做功与内能的变化的关系
(1)做功改变物体内能的过程是其他形式的能(如机械能)与内能相互转化的过程．
(2)在绝热过程中，外界对物体做多少功，就有多少其他形式的能转化为内能，物体的内能就增加多少；物体对外界做多少功，就有多少内能转化为其他形式的能，物体的内能就减少多少．
2．热传递与内能变化的关系
(1)在单纯传热中，系统从外界吸收多少热量，系统的内能就增加多少；系统向外界放出多少热量，系统的内能就减少多少．即ΔU＝U2－U1＝Q．
(2)传热改变物体内能的过程是不同物体之间(或同一物体不同部分之间)内能转移的过程．
3．改变内能两种方式的比较
比较 项目 做功 热传递
内能 变化 外界对物体做功，物体的内能增加；物体对外界做功，物体的内能减少 物体吸收热量，内能增加；物体放出热量，内能减少
物理 实质 其他形式的能与内能之间的转化 不同物体间或同一物体不同部分之间内能的转移
相互 联系 做一定量的功或传递一定量的热量在改变内能的效果上是相同的
【例1】　如图所示，在紫铜管内滴入乙醚，盖紧管塞．用手拉住绳子两端迅速往复拉动，管塞会被冲开．管塞被冲开前(　　)
A．外界对管内气体做功，气体内能增大
B．管内气体对外界做功，气体内能减小
C．管内气体内能不变，压强变大
D．管内气体内能增大，压强变大
D　[克服绳与金属管间的摩擦做功，使管壁内能增大，温度升高．通过热传递，乙醚的内能增大，温度升高，直至沸腾，管塞会被冲开．管塞被冲开前管内气体内能增大，压强变大．选项D正确．]
做功改变物体内能的一种方法是改变物体内部的分子的平均动能，即改变温度；另一种方法是通过做功改变物体的体积从而改变内能的大小.不过要注意的是气体的体积减小时分子势能不一定增加.
[跟进训练]
1．关于热传递，下列说法正确的是(　　)
A．热传递的实质是温度的传递
B．物体间存在着温度差，才能发生热传递
C．热传递可以在任何情况下进行
D．物体内能发生改变，一定是吸收或放出了热量
B　[热传递实质上是内能在两物体间或同一物体各部分间发生转移，故A错误；热传递发生的条件是物体间存在着温度差，高温物体放出热量，低温物体吸收热量，若两物体温度相同，它们之间便不会发生热传递，故B正确，C错误；物体吸收或放出热量，内能会发生变化，但内能变化不一定是热传递引起的，还可以用做功的方式改变物体的内能，故D错误．]
热力学第一定律
如图所示，一定质量的理想气体由a状态变化到b状态，请在图象基础上思考以下问题：
(1)在变化过程中气体对外做功，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？气体内能增加了，还是减少了？
提示：(1)气体对外做功．(2)吸热；内能增加．
1．对ΔU＝W＋Q的理解
热力学第一定律将单纯的绝热过程和单纯的热传递过程推广到一般情况，既有做功又有热传递的过程，其中ΔU表示内能改变的数量，W表示做功的数量，Q表示外界与物体间传递的热量．
2．对公式ΔU、Q、W符号的规定
W Q ΔU
正号 外界对物体做功 物体吸收热量 内能增加
负号 物体对外界做功 物体放出热量 内能减少
3．应用热力学第一定律解题的一般步骤
(1)首先选定研究对象是哪个物体或哪个热力学系统．
(2)根据符号法则写出各已知量(W、Q、ΔU)的正、负．
(3)根据方程ΔU＝W＋Q求出未知量．
(4)再根据未知量结果的正、负来确定吸热、放热情况或做功情况．
4．判断气体做功正、负的方法
(1)若气体体积增大，表明气体对外界做功，W<0．
(2)若气体体积变小，表明外界对气体做功，W>0．
5．几种常见的气体变化过程
(1)绝热过程：过程是绝热的，则Q＝0，W＝ΔU，外界对气体做的功等于气体内能的增加．
(2)等容过程：在该过程中气体不做功，即W＝0，则Q＝ΔU，气体吸收的热量等于气体内能的增加．
(3)等温过程：在过程的始末状态，气体的内能不变，即ΔU＝0，则W＋Q＝0或W＝－Q，表示气体吸收的热量全部用来对外做功或外界对气体所做的功全部转换为热量放出．
【例2】　(1)一定量的气体从外界吸收了2.6×105 J 的热量，内能增加了4.2×105 J，是气体对外界做功，还是外界对气体做功？做了多少功？
(2)一定质量的气体，从外界吸收3.5×105 J的热量，同时气体对外界做功2.3×105 J，则气体的内能怎样变化？
[解析]　(1)根据热力学第一定律表达式中的符号法则，知Q＝2.6×105 J，ΔU＝4.2×105 J．由ΔU＝W＋Q，
则W＝ΔU－Q＝4.2×105 J－2.6×105 J＝1.6×105 J．
W＞0，说明是外界对气体做了功．
(2)Q＝3.5×105 J，W＝－2.3×105 J，
则ΔU＝Q＋W＝1.2×105 J，
ΔU为正值，说明气体的内能增加1.2×105 J．
[答案]　(1)外界对气体做功　1.6×105 J　(2)增加了1.2×105 J
气体状态变化与物理量对应方法
(1)绝热过程：气体与外界没有热交换．
(2)导热良好：气体与外界有热交换，且与外界温度保持相同．
(3)体积减小，外界对气体做功；体积增大(不是对真空膨胀)，气体对外界做功．
(4)温度升高，理想气体的内能增加；温度降低，理想气体的内能减少．
[跟进训练]
2．如图所示是封闭的气缸，内部封闭有一定质量的理想气体．外力推动活塞P压缩气体，对汽缸内气体做功800 J，同时气体向外界放热200 J，则汽缸内气体的(　　)
A．温度升高，内能增加600 J
B．温度升高，内能减少200 J
C．温度降低，内能增加600 J
D．温度降低，内能减少200 J
A　[由热力学第一定律：ΔU＝W＋Q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，故温度一定升高，A选项正确．]
能量的转化与守恒
(1)有一种所谓的“全自动”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呢？如果不是，你知道维持表针走动的能量是哪儿来的吗？
(2)热力学第一定律与能量守恒定律是什么关系？
提示：(1)不是永动机．能量是通过摆动手臂对表内的转轮做功而储存的．
(2)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，其范围广泛．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，是能量守恒定律的具体体现．
1．对能量守恒定律的理解
(1)各种形式的能在转化和转移过程中总量守恒无须任何条件，而某种或几种形式的能的守恒是有条件的．例如：物体的机械能守恒，必须是只有重力或弹力做功．
(2)意义：能量守恒定律的发现，使人们进一步认识到，任何一部机器，只要对外做功，都要消耗能量，都只能使能量从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到其他物体，而不能无中生有地创造能量．不消耗能量，却可以源源不断地对外做功的机器(第一类永动机)是不可能制成的．
2．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【例3】　水能不产生污染物，是一种清洁能源．某瀑布的流量可达每秒6 000 m3，而且一年四季流量稳定，瀑布落差50 m．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10 m/s2)
[解析]　水力发电的基本原理是水的机械能转化为电能．
每秒钟流下的水的质量为：
m＝ρV＝1×103×6 000 kg＝6×106 kg．
每秒钟水减少的机械能为：
E＝mgh＝6×106×10×50 J＝3×109 J．
设发电机的输出功率为P，则由能量守恒定律可得：
Eη＝Pt．
解得：P＝3×109×50%W＝1.5×109 W．
[答案]　1.5×109 W
应用能量守恒定律的思路方法
(1)能量守恒的核心是总能量不变，因此在应用能量守恒定律时应首先分清系统中哪些能量在相互转化，是通过哪些力做功实现的，这些能量分别属于哪些物体，然后再寻找合适的守恒方程式．
(2)在应用能量守恒定律分析问题时，应明确两点：
①哪种形式的能量减少，哪种形式的能量增加．
②哪个物体的能量减少，哪个物体的能量增加．
[跟进训练]
3．风沿水平方向以速度v垂直吹向一直径为d的风车叶轮，设空气密度为ρ，风的动能有50%转化为风车的动能，风车带动水车将水提高h的高度，效率为80%．则单位时间内最多可提升的水的质量为__________．
[解析]　在时间t内吹在风车上的空气的质量为
m1＝πd2·vt·ρ，
风的动能Ek＝m1v2＝πd2v3tρ．
根据题意πd2v3tρ×50%×80%＝mgh，
则＝．
[答案]　
1．第一类永动机是不可能制成的，这是因为(　　)
A．不符合机械能守恒定律
B．做功产生的热量不符合热功当量
C．违背了热力学第一定律
D．找不到合适的材料和合理的设计方案
C　[第一类永动机违背了热力学第一定律，所以是不可能制成的．故选项C正确．]
2．一定量的气体吸收热量，体积膨胀并对外做功，则此过程的末态与初态相比(　　)
A．气体内能一定增加
B．气体内能一定减少
C．气体内能一定不变
D．气体内能的增减不能确定
D　[由热力学第一定律ΔU＝Q＋W，气体吸收热量，Q＞0，体积膨胀对外做功W＜0，但不能确定Q与W值的大小，所以不能判断ΔU的正负，则气体内能的增减也就不能确定，选项D正确。]
3．如图所示，某同学将空的薄金属筒开口向下压入水中．设水温均匀且恒定，筒内空气无泄漏，不计气体分子间相互作用，则被淹没的金属筒在缓慢下降过程中，筒内空气体积减小(　　)
A．从外界吸热 B．内能增大
C．向外界放热 D．内能减小
C　[金属筒缓慢下降过程中，外界对筒内气体做功，而筒与水有热交换、水温恒定，所以筒内空气要向外界放热，温度保持不变，从而内能不变．]
4．(多选)如图所示，一定质量的理想气体由a状态变化到b状态，下列说法正确的有(　　)
A．外界对气体做功
B．气体对外界做功
C．气体向外界放热
D．气体从外界吸热
BD　[由图可看出从a到b气体体积增大温度升高，内能增大，气体对外界做功，气体从外界吸收热量，故选BD．]
5．如图所示为一定质量理想气体的p?V图象，气体状态由A经B到C的变化过程中，气体吸收了420 J热量，对外做功400 J．已知状态A的温度为300 K．求气体：
(1)内能改变的数值；
(2)状态C的温度TC．
[解析]　(1)由热力学第一定律
ΔU＝Q＋W＝420 J－400 J，
解得ΔU＝20 J，
ΔU为正值，则气体内能增加．
(2)由理想气体状态方程：＝，
解得状态C的温度：TC＝240 K．
[答案]　(1)增加20 J　(2)240 K
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