1、第三章 | 熱力學(xué)定律第一、二節(jié)熱力學(xué)第一定律能量守恒定律及其應(yīng)用核心素養(yǎng)點擊物理觀念1.掌握內(nèi)能的概念，知道改變物體內(nèi)能的兩種方式。2.知道熱力學(xué)第一定律的內(nèi)容。3.理解能量守恒定律，知道能量守恒定律是自然界普遍遵從的基本原理。4.知道第一類永動機(jī)是不可能實現(xiàn)的?？茖W(xué)思維能運用熱力學(xué)第一定律解釋和計算能量的轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)移問題?？茖W(xué)探究探究能量的轉(zhuǎn)化過程和總量的變化情況?？茖W(xué)態(tài)度與責(zé)任1.理解能量和能量守恒觀念對世界統(tǒng)一性的意義。2.體會科學(xué)探索中的挫折和失敗對科學(xué)發(fā)現(xiàn)的意義，知道科學(xué)發(fā)現(xiàn)需要科學(xué)家共同努力。一、物體的內(nèi)能1填一填(1)分子勢能定義：由分子間的相互作用力和分子間的_決定的勢能。宏觀

2、上：分子勢能的大小與物體的_有關(guān)。微觀上：分子勢能的大小與分子之間的_有關(guān)。當(dāng)rr0時，分子力表現(xiàn)為_，若r增大，需克服引力做功，分子勢能_。當(dāng)rr0時，分子勢能隨分子間距離的增大而增大。(2)當(dāng)分子間的距離rr0時，分子勢能隨分子間距離的減小而增大。(3)當(dāng)rr0時，分子勢能最小。3對內(nèi)能的理解(1)內(nèi)能是對大量分子而言的，對單個分子來說無意義。(2)某個物體的內(nèi)能在宏觀上由物體的質(zhì)量、溫度和體積決定；微觀上由分子數(shù)、分子平均動能和分子勢能決定。(3)物體的內(nèi)能跟物體的機(jī)械運動狀態(tài)無關(guān)。4內(nèi)能與機(jī)械能的比較比較項目內(nèi)能機(jī)械能對應(yīng)的運動形式微觀分子熱運動宏觀物體機(jī)械運動能量常見的形式分子動能、

3、分子勢能物體的動能、重力勢能或彈性勢能能量存在的原因由物體內(nèi)大量分子的無規(guī)則熱運動和分子間相對位置決定由物體做機(jī)械運動、與地球相對位置或物體形變決定影響因素物體的質(zhì)量、物體的溫度和體積物體的質(zhì)量、物體做機(jī)械運動的速度、離地高度(或相對于零勢能參考平面的高度)或彈性形變 是否為零永遠(yuǎn)不能等于零一定條件下可以等于零 聯(lián)系在一定條件下可以相互轉(zhuǎn)化續(xù)表典例1若某種實際氣體分子的作用力表現(xiàn)為引力，則一定質(zhì)量的該氣體內(nèi)能的大小與氣體體積和溫度的關(guān)系是()A如果保持其體積不變，溫度升高，內(nèi)能增大B如果保持其體積不變，溫度升高，內(nèi)能減少C如果保持其溫度不變，體積增大，內(nèi)能不變D如果保持其溫度不變，體積增大，內(nèi)

4、能減少解析若保持氣體的體積不變，則分子勢能不變，溫度升高，分子的平均動能變大，故氣體的內(nèi)能增大，A項正確，B項錯誤；若保持氣體的溫度不變，氣體分子的平均動能不變，體積增大，分子間的引力做負(fù)功，分子勢能增大，故氣體的內(nèi)能增大，C、D兩項均錯誤。答案A影響物體內(nèi)能的因素(1)物體的內(nèi)能：物體的內(nèi)能是物體中所有分子熱運動的動能與分子勢能的總和。在其概念中有三個關(guān)鍵詞：所有分子、動能、分子勢能。(2)影響物體內(nèi)能的因素：由于溫度越高，分子平均動能越大，所以，物體的內(nèi)能與溫度有關(guān)。由于分子勢能與分子間距有關(guān)，所以，物體的內(nèi)能與體積有關(guān)。由于內(nèi)能應(yīng)包含所有分子的動能、勢能，所以，內(nèi)能還與分子數(shù)目有關(guān)，即與

5、物體的物質(zhì)的量有關(guān)。素養(yǎng)訓(xùn)練1(多選)有關(guān)分子的熱運動和內(nèi)能，下列說法正確的是()A一定質(zhì)量的氣體，溫度不變，分子的平均動能不變B物體的溫度越高，分子熱運動越劇烈C物體的內(nèi)能是物體中所有分子熱運動動能和分子勢能的總和D布朗運動是由懸浮在液體中的微粒之間的相互碰撞引起的解析：溫度是分子平均動能的標(biāo)志，所以溫度不變，分子的平均動能不變，A正確；物體的溫度越高，分子熱運動越劇烈，B正確；物體的內(nèi)能就是物體內(nèi)部所有分子熱運動的動能和分子勢能的總和，C正確；布朗運動是微粒在液體中受到液體分子的撞擊不平衡引起的，D錯誤。答案：ABC2玻璃杯中盛有冰水混合物，冰的質(zhì)量和水的質(zhì)量相等且保持不變，則玻璃杯內(nèi)()

6、A冰分子的平均動能大于水分子的平均動能B水分子的平均動能等于冰分子的平均動能C一個水分子的動能一定大于一個冰分子的動能D一個水分子的動能一定等于一個冰分子的動能解析：冰水混合物溫度為0 ，冰、水溫度相同，二者分子平均動能相同，故選項A錯誤，B正確；相同溫度的冰和水內(nèi)個別分子的動能是隨時變化的，比較個別分子的動能沒有意義，故選項C、D錯誤。答案：B3 如圖為兩分子系統(tǒng)的勢能Ep與兩分子間距離r的關(guān)系曲線。下列說法正確的是 ()A當(dāng)r大于r1時，分子間的作用力表現(xiàn)為引力B當(dāng)r小于r2時，分子間的作用力表現(xiàn)為斥力C當(dāng)r由r1變化過程中，分子間的作用力先變大再變小D在r由r1變到r2的過程中，分子間的

7、作用力做負(fù)功解析：分子間距等于r0時分子勢能最小，即r0r2，當(dāng)r小于r2時分子力表現(xiàn)為斥力，當(dāng)r大于r2時分子力表現(xiàn)為引力，A項錯誤，B項正確；當(dāng)r由r1變化過程中，分子間的作用力先變大，后變小，再變大，C項錯誤；在r由r1變到r2的過程中，分子斥力做正功，分子勢能減小，D項錯誤。答案：B探究(二)熱力學(xué)第一定律的理解及應(yīng)用重難釋解1公式UQW中符號的規(guī)定符號QWU物體吸熱外界對物體做功內(nèi)能增加物體放熱物體對外界做功內(nèi)能減少2三種特殊情況(1)若過程是絕熱的，即Q0，則UW，物體內(nèi)能的增加量等于外界對物體做的功。(2)若過程中不做功，即W0，則UQ，物體內(nèi)能的增加量等于物體從外界吸收的熱量。

8、(3)若過程的始末狀態(tài)物體的內(nèi)能不變，即U0，則WQ(或QW)，外界對物體做的功等于物體放出的熱量(或物體吸收的熱量等于物體對外界做的功)。3判斷是否做功的方法一般情況下看物體的體積是否變化：(1)若物體體積增大，表明物體對外界做功，W0。典例2一定質(zhì)量的實際氣體從外界吸收了4.2105 J的熱量，同時氣體對外做了6105 J的功，問：(1)氣體的內(nèi)能是增加還是減少？變化量是多少？(2)分子勢能是增加還是減少？(3)分子的平均動能是增加還是減少？解析(1)氣體從外界吸熱，故Q4.2105 J，氣體對外做功，故W6105 J，由熱力學(xué)第一定律有UWQ(6105 J)(4.2105 J)1.810

9、5 J。U為負(fù)，說明氣體的內(nèi)能減少了，所以氣體內(nèi)能減少了1.8105 J。(2)因為氣體對外做功，所以氣體的體積膨脹，分子間的距離增大了，分子力做負(fù)功，氣體分子勢能增加。(3)因為氣體內(nèi)能減少，同時氣體分子勢能增加，說明氣體分子的平均動能一定減少。答案(1)減少1.8105 J(2)增加(3)減少應(yīng)用熱力學(xué)第一定律解題的方法(1)明確研究對象是哪個物體或者是哪個熱力學(xué)系統(tǒng)。(2)分別找出題目中研究對象吸收或放出的熱量；外界對研究對象所做的功或研究對象對外界所做的功；研究對象內(nèi)能的增加量或減少量。(3)根據(jù)熱力學(xué)第一定律UQW列出方程進(jìn)行求解。(4)特別注意物理量的正負(fù)號及其意義。素養(yǎng)訓(xùn)練1下列

10、說法正確的是()A物體放出熱，其內(nèi)能一定減少B物體對外做功，其內(nèi)能一定減少C物體吸收熱，同時對外做功，其內(nèi)能可能增加D物體放出熱，同時對外做功，其內(nèi)能可能不變解析：根據(jù)熱力學(xué)第一定律(UQW)可知，做功和熱傳遞都可以改變物體的內(nèi)能，當(dāng)外界對物體做的功大于物體放出的熱量或物體吸收的熱量大于物體對外做的功時，物體的內(nèi)能增加，選項A、B錯誤，C正確；物體放出熱同時對外做功，則QW0，內(nèi)能減小，選項D錯誤。答案：C2 對于自熱米飯很多人還不是很了解，自熱米飯盒內(nèi)有一個發(fā)熱包，遇水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生大量熱能，不需要明火，溫度可超過100 ，蓋上盒蓋便能在1015分鐘內(nèi)迅速加熱食品。自熱米飯的蓋子上有一個

11、透氣孔，如果透氣孔堵塞，容易造成小型爆炸。有關(guān)自熱米飯盒爆炸的說法，正確的是 ()A自熱米飯盒爆炸，是盒內(nèi)氣體溫度升高，氣體分子間斥力急劇增大的結(jié)果B在自熱米飯盒爆炸的瞬間，盒內(nèi)氣體內(nèi)能增加C在自熱米飯盒爆炸的瞬間，盒內(nèi)氣體溫度降低D自熱米飯盒爆炸前，盒內(nèi)氣體溫度升高，標(biāo)志著每一個氣體分子速率都增大了解析：自熱米飯盒爆炸前，盒內(nèi)氣體溫度升高，由分子動理論知，體積不變，氣體分子間作用力忽略不計，分子間的作用力不變，故A錯誤；根據(jù)熱力學(xué)第一定律，爆裂前氣體溫度升高，內(nèi)能增大，突然爆裂的瞬間氣體對外界做功，其內(nèi)能減少，溫度也會有所下降，故B錯誤，C正確；自熱米飯盒爆炸前，盒內(nèi)氣體溫度升高，分子平均動

12、能增加，但并不是每一個氣體分子速率都增大，故D錯誤。答案：C3(2021河北高考)兩個內(nèi)壁光滑、完全相同的絕熱氣缸A、B，氣缸內(nèi)用輕質(zhì)絕熱活塞封閉完全相同的理想氣體，如圖甲所示?，F(xiàn)向活塞上表面緩慢倒入細(xì)沙，若A中細(xì)沙的質(zhì)量大于B中細(xì)沙的質(zhì)量，重新平衡后。氣缸A內(nèi)氣體的內(nèi)能_(填“大于”“小于”或“等于”)氣缸B內(nèi)氣體的內(nèi)能。圖乙為重新平衡后A、B氣缸中氣體分子速率分布圖像，其中曲線_(填圖像中曲線標(biāo)號)表示氣缸B中氣體分子的速率分布規(guī)律。解析：當(dāng)向活塞上表面緩慢倒入細(xì)沙時，活塞緩慢下降，外界對氣缸內(nèi)氣體做功；當(dāng)A、B活塞上表面加入的細(xì)沙質(zhì)量相同時，A、B氣缸內(nèi)的氣體體積相同，由于A中細(xì)沙的質(zhì)量

13、大于B中細(xì)沙的質(zhì)量，則重新平衡時A中氣體的體積小，氣缸A中活塞和細(xì)沙對氣缸內(nèi)氣體做功多，由于活塞和氣缸都是絕熱的，則由熱力學(xué)第一定律UQW可知，氣缸A內(nèi)氣體的內(nèi)能大于氣缸B內(nèi)氣體的內(nèi)能。一定質(zhì)量的理想氣體的內(nèi)能只與溫度有關(guān)，故氣缸A內(nèi)氣體的溫度更高；溫度升高，大多數(shù)氣體分子的速率增大，氣體分子的速率分布圖線的峰值向速率大的方向移動，故曲線表示氣缸B內(nèi)氣體分子的速率分布規(guī)律。答案：大于探究(三)對能量守恒定律的理解問題驅(qū)動有一種所謂“全自動”機(jī)械手表，既不需要上發(fā)條，也不用任何電源，卻能不停地走下去。討論：(1)這是不是一種永動機(jī)？提示：這不是永動機(jī)。(2)如果不是，維持表針走動的能量是從哪兒來

14、的？提示：手表戴在手腕上，通過手臂的運動，機(jī)械手表獲得能量，供手表發(fā)條做機(jī)械運動。若將此手表長時間放置不動，它就會停下來。 重難釋解1能量的存在形式及相互轉(zhuǎn)化(1)各種運動形式都有對應(yīng)的能：機(jī)械運動有機(jī)械能，分子的熱運動有內(nèi)能，還有電磁能、化學(xué)能、原子能等。(2)各種形式的能通過某種力做功可以相互轉(zhuǎn)化。例如，利用電爐取暖或燒水，電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；煤燃燒，化學(xué)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；列車剎車后，輪子溫度升高，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。2與某種運動形式對應(yīng)的能是否守恒是有條件的例如，物體的機(jī)械能守恒，必須是只有重力或系統(tǒng)內(nèi)的彈力做功；而能量守恒定律是沒有條件的，它是一切自然現(xiàn)象都遵守的基本規(guī)律。3能量守恒定律中的“轉(zhuǎn)

15、化”和“轉(zhuǎn)移”(1)某種形式的能量減少，一定有其他形式的能量增加，且減少量和增加量一定相等。(2)某個物體的能量減少，一定存在其他物體的能量增加，且減少量和增加量一定相等。4第一類永動機(jī)失敗的原因分析如果沒有外界熱源供給熱，則有U2U1W，就是說，如果系統(tǒng)內(nèi)能減少，即U2U1，則W0，系統(tǒng)對外做功是要以內(nèi)能減少為代價的。若想源源不斷地做功，就必須使系統(tǒng)不斷回到初始狀態(tài)，在無外界能量供給的情況下是不可能的。典例3 如圖所示，直立容器的內(nèi)部有被隔板隔開的A、B兩部分氣體，A的密度小，B的密度大。抽去隔板，加熱氣體，使兩部分氣體均勻混合。設(shè)在此過程中氣體吸收的熱量為Q，氣體內(nèi)能的增量為E，則 ()A

16、EQBEQ DE0解析抽去隔板，加熱氣體，使兩部分氣體均勻分布，其重心升高，重力勢能增加，由能量守恒定律知，氣體吸收的熱量一部分用來克服重力做功，一部分用于增加氣體的內(nèi)能，所以內(nèi)能的增量小于吸收的熱量，故選項B正確。答案B利用能量守恒定律解決問題時，首先應(yīng)明確題目中涉及哪幾種形式的能量，其次分析哪種能量增加了，哪種能量減少了，確定研究的系統(tǒng)后，用能量守恒的觀點求解。 素養(yǎng)訓(xùn)練1“第一類永動機(jī)”是不可能制成的，這是因為它()A不符合熱力學(xué)第一定律B做功產(chǎn)生的熱量太少C由于有摩擦、熱損失等因素的存在D找不到合適的材料和合理的設(shè)計方案解析：第一類永動機(jī)是不可能制成的，因為它違背了能量守恒定律，即熱力

17、學(xué)第一定律，故A正確，B、C、D錯誤。答案：A2(多選)行駛中的汽車制動后滑行一段距離，最后停下；流星在夜空中墜落并發(fā)出明亮的火焰；降落傘在空中勻速下降；條形磁體在下落過程中穿過閉合線圈，線圈中產(chǎn)生電流。上述不同現(xiàn)象中所包含的相同的物理過程是 ()A物體克服阻力做功B物體的動能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量C物體的勢能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量D物體的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量解析：這四個現(xiàn)象中物體運動過程都受到阻力作用，汽車主要是制動阻力，流星、降落傘是空氣阻力，條形磁體下落主要是受到磁場阻力，因而物體都克服阻力做功，故A正確；四個運動過程中，汽車是動能轉(zhuǎn)化成了其他形式的能，流星、降落傘、條形磁鐵是重力勢能

18、轉(zhuǎn)化成其他形式的能，總之是機(jī)械能轉(zhuǎn)化成了其他形式的能，故D正確，B、C錯誤。答案：AD3下列有關(guān)能量的描述正確的是 ()A“既要馬兒跑得快，又要馬兒不吃草”違背了能量守恒定律B工作中的電風(fēng)扇，消耗的電能大于輸出的機(jī)械能，該過程能量不守恒C滑塊在粗糙的水平面上減速滑行，最終停了下來，動能消失，能量不守恒D同時做自由落體運動的物體，質(zhì)量越大，勢能減少越快，機(jī)械能減少也越快解析：馬兒跑的時候需要消耗能量，而草能夠為馬兒提供能量，因此“既要馬兒跑得快，又要馬兒不吃草”違背了能量守恒定律，故A正確；工作中的電風(fēng)扇，消耗的電能大于輸出的機(jī)械能，損失的電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，該過程能量仍守恒，故B錯誤；滑塊在粗糙的

19、水平面上減速滑行，最終停了下來，減小的動能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，能量守恒，故C錯誤；同時做自由落體運動的物體，運動的快慢與質(zhì)量無關(guān)，減少的勢能轉(zhuǎn)化為動能，機(jī)械能不變，故D錯誤。答案：A(選自魯科版新教材“物理聊吧”)如圖是歷史上曾經(jīng)出現(xiàn)的幾種永動機(jī)的設(shè)計方案示意圖：圖甲是想利用短桿上的重球產(chǎn)生的作用，使輪子不停地轉(zhuǎn)動；圖乙是想利用像燈芯那樣的棉線把水吸到高處，再流下沖擊輪子的葉片，使輪子不停地轉(zhuǎn)動；圖丙是想利用重物在水中受浮力作用而上升，帶動輪子不停地轉(zhuǎn)動。請仔細(xì)分析這些永動機(jī)的設(shè)想，指出它們不可能實現(xiàn)的原因。提示：圖甲設(shè)計，利用了杠桿的原理，認(rèn)為左側(cè)球的力臂長，力矩大，右側(cè)球的力臂短，力矩小，故輪能逆

20、時針轉(zhuǎn)動，實際上，左側(cè)球不如右側(cè)球數(shù)量多，左、右力矩平衡，輪子不可能永遠(yuǎn)轉(zhuǎn)動。圖乙設(shè)計，利用棉線吸水到高處，水流下時推動輪子上的葉片轉(zhuǎn)動，實際上棉線吸水是由于水的表面張力，當(dāng)棉線吸水后，表面張力等于水的重力和摩擦阻力時，吸水停止，上邊的水流完后，輪子也就不再轉(zhuǎn)動了。圖丙設(shè)計，右邊的物體浸在水中，受浮力作用，推動右側(cè)重物上升，左側(cè)重物下降，帶動輪子不停地轉(zhuǎn)動。實際上，上面的重物漏出水面，下面的重物進(jìn)入右側(cè)容器時，就算不考慮漏水的技術(shù)問題，還應(yīng)考慮下面進(jìn)入的重物要承受上面水的壓力，這個壓力很大，可抵消上面幾個球所受的浮力，因此，這個永動機(jī)也就無法永動了。二、注重學(xué)以致用和思維建模1(2021廣東梅

21、州高二摸底)(多選)某?！翱苿?chuàng)社”在學(xué)校足球場進(jìn)行水火箭發(fā)射、航模飛行等展示活動。此次活動激起該校師生在工作和學(xué)習(xí)之余的科技創(chuàng)新熱情。水火箭是一種以水的壓力推進(jìn)的模型火箭，是利用廢棄的飲料瓶制作成動力艙、箭體、箭頭、尾翼、降落傘的，在動力艙中灌入三分之一的水，利用打氣筒充入空氣到達(dá)一定的壓力后噴水獲得反沖力而發(fā)射。在噴水過程可以認(rèn)為瓶內(nèi)氣體與外界絕熱，則在噴水階段有 ()A瓶內(nèi)氣體體積增大，外界對氣體做正功B瓶內(nèi)氣體內(nèi)能減小，溫度降低C噴水階段機(jī)械能轉(zhuǎn)換為內(nèi)能D瓶內(nèi)氣體壓強(qiáng)減小，即瓶內(nèi)壁單位面積上所受氣體分子撞擊的作用力減小解析：在噴水過程中，瓶內(nèi)氣體體積增大，氣體對外界做功，W0，故A錯誤；在噴水過程中，瓶內(nèi)氣體與外界絕熱，Q0，由熱力學(xué)第一定律UWQ可知，瓶內(nèi)氣體內(nèi)能減小，溫度降低，故B正確；噴水階段氣體內(nèi)能減小，而物體運動，機(jī)械能增加，所以內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，故C錯誤；瓶內(nèi)氣體壓強(qiáng)減小，即