第3章第1節(jié)熱力學第一定律課標要求1.知道熱力學第一定律,會利用熱力學第一定律進行分析和計算。(物理觀念)2.了解熱力學第一定律的發(fā)現(xiàn)過程。(物理觀念)3.知道第一類永動機及其不可能制成的原因。(物理觀念)基礎落實·必備知識全過關重難探究·能力素養(yǎng)全提升目錄索引

學以致用·隨堂檢測全達標基礎落實·必備知識全過關一、功、熱量與內(nèi)能1.功和內(nèi)能的關系:如果一個物體既不吸熱也不放熱,那么當外界對它做功時,物體內(nèi)能

,且增加量等于外界做的功;當物體對外界做功時,物體內(nèi)能

,且減少量等于物體做的功。

2.熱量和內(nèi)能的關系:如果一個物體既不對外界做功,外界也不對它做功,當物體從外界

時,物體的內(nèi)能增加,其增加量等于吸收的熱量;當物體向外

時,物體內(nèi)能減少,其減少量等于放出的熱量。

3.熱力學第一定律:如果物體和外界之間同時存在做功和熱傳遞的過程,那么物體內(nèi)能的改變量ΔU等于外界對物體所做的功W和物體從外界吸收的熱量Q之和,公式為

。

增加

減少吸熱放熱ΔU=Q+W二、第一類永動機1.第一類永動機:有人幻想設計一種不消耗任何

而能永遠對外做功的機器,這類機器通常被稱為第一類永動機。

2.第一類永動機是

實現(xiàn)的。

能量不可能易錯辨析

判一判(1)做功和熱傳遞都可改變物體的內(nèi)能,從效果上是等效的。(

)(2)外界對系統(tǒng)做功,系統(tǒng)的內(nèi)能不一定增加。(

)(3)系統(tǒng)內(nèi)能增加,一定是系統(tǒng)從外界吸收了熱量。(

)(4)系統(tǒng)內(nèi)能減少,一定是系統(tǒng)對外界做了功。(

)提示

系統(tǒng)內(nèi)能增加,可能是系統(tǒng)從外界吸收了熱量,也可能是外界對系統(tǒng)做了功。提示

系統(tǒng)內(nèi)能減少,可能是系統(tǒng)對外界做了功,也可能是系統(tǒng)向外界放熱。

√√××即學即用

練一練下列關于做功和傳熱的說法正確的是(

)A.做功和傳熱的實質(zhì)是相同的B.做功和傳熱在改變物體內(nèi)能上是等效的C.做功和傳熱是對同一過程中的兩種說法D.做功和傳熱是不可能同時發(fā)生的B解析

做功和傳熱在改變物體內(nèi)能上是等效的,但本質(zhì)不同,做功是將其他形式的能量轉(zhuǎn)化為內(nèi)能或?qū)?nèi)能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量,傳熱是內(nèi)能的轉(zhuǎn)移,且做功和傳熱可以同時進行,故B選項正確。重難探究·能力素養(yǎng)全提升探究一熱力學第一定律情境探究打氣筒是日常生活中的一種工具,當我們用打氣筒給自行車打氣時,就是在克服氣體壓力和摩擦力做功。打氣的過程中,你有沒有試著去摸一下打氣筒的外殼?有什么感覺?這是怎么回事呢?要點提示

做功的過程是能量轉(zhuǎn)化的過程,做功使得系統(tǒng)的內(nèi)能增加了,所以溫度升高。知識歸納1.對公式ΔU=Q+W符號的規(guī)定

符號WQΔU+外界對物體做功物體吸收熱量內(nèi)能增加-物體對外界做功物體放出熱量內(nèi)能減少2.幾種特殊情況(1)絕熱過程:Q=0,則ΔU=W,物體內(nèi)能的增加量等于外界對物體做的功。(2)等容過程:W=0,則ΔU=Q,物體內(nèi)能的增加量等于物體從外界吸收的熱量。(3)等溫過程:初、末狀態(tài)物體的內(nèi)能不變,即ΔU=0,則W=-Q(或Q=-W),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(1)一般若物體體積增大,則表明物體對外界做功,W<0。(2)一般若物體體積減小,則表明外界對物體做功,W>0。4.對熱力學第一定律的進一步理解(1)熱力學第一定律不僅反映了做功和傳熱這兩種改變內(nèi)能的方法是等效的,而且給出了內(nèi)能的變化量與做功和傳熱之間的定量關系。此定律表達式是標量式,應用時各量的單位應統(tǒng)一為國際單位制中的焦耳。(2)熱力學第一定律是將單純的絕熱過程和單純的傳熱過程中內(nèi)能改變的定量表達推廣到一般情況,既有做功又有傳熱的過程,其中ΔU表示內(nèi)能改變的數(shù)量,W表示做功的數(shù)量,Q表示外界與物體間傳熱的數(shù)量。應用體驗典例1

空氣壓縮機在一次壓縮中,活塞對空氣做了2×105J的功,同時空氣的內(nèi)能增加了1.5×105J,這一過程中空氣向外界傳遞的熱量是多少?答案

5×104

J解析

選擇被壓縮的空氣為研究對象,根據(jù)熱力學第一定律有ΔU=W+Q。由題意可知W=2×105

J,ΔU=1.5×105

J,代入上式得Q=ΔU-W=(1.5×105-2×105)J=-5×104

J。負號表示空氣向外釋放熱量,即空氣向外界傳遞的熱量為5×104

J。針對訓練1一定量的氣體在某一過程中,外界對氣體做了8×104J的功,氣體的內(nèi)能減少了1.2×105J,則下列各式中正確的是(

)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=-4×104JB解析

因為外界對氣體做功,W取正值,即W=8×104

J;內(nèi)能減少,ΔU取負值,即ΔU=-1.2×105

J;根據(jù)熱力學第一定律ΔU=W+Q,可知Q=ΔU-W=(-1.2×105-8×104)J=-2×105

J,B選項正確。探究二第一類永動機情境探究有一種所謂“全自動”的機械手表,既不需要上發(fā)條,也不用任何電源,卻能不停地走下去。這是不是一種永動機?如果不是,維持表針走動的能量是從哪里來的?要點提示

這不是永動機。手表戴在手腕上,通過手臂的運動,機械手表獲得能量,供手表指針走動。若將此手表長時間放置不動,它就會停下來。知識歸納第一類永動機是不可能實現(xiàn)的,第一類永動機本質(zhì)上都是認為能量能無中生有地創(chuàng)造出來,違背了熱力學第一定律,因而是不可能實現(xiàn)的。如果沒有外界供給熱量而對外做功,由ΔU=W+Q知,系統(tǒng)內(nèi)能將減小。若想源源不斷地做功,在無外界能量供給的情況下是不可能的。應用體驗典例2

如圖所示,一演示用的“永動機”轉(zhuǎn)輪由5根輕桿和轉(zhuǎn)軸構(gòu)成,輕桿的末端裝有用形狀記憶合金制成的葉片。輕推轉(zhuǎn)輪后,進入熱水的葉片因伸展而“劃水”,推動轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動。離開熱水后,葉片形狀迅速恢復,轉(zhuǎn)輪因此能轉(zhuǎn)動較長時間,下列說法正確的是(

)A.轉(zhuǎn)輪依靠自身慣性轉(zhuǎn)動,不需要消耗外界能量B.轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動所需的能量來自形狀記憶合金自身C.轉(zhuǎn)動的葉片不斷攪動熱水,水溫升高D.葉片在熱水中吸收的熱量一定大于在空氣中釋放的熱量D解析

形狀記憶合金進入水中后受熱,形狀發(fā)生改變而攪動熱水,能量來源于熱水,熱水溫度會降低,故A、B、C錯誤;由能量守恒知,葉片吸收的能量一部分轉(zhuǎn)化成葉片的動能,一部分釋放于空氣中,故D正確。針對訓練2(多選)下列關于第一類永動機的說法正確的是(

)A.第一類永動機是不消耗任何能量卻能源源不斷對外做功的機器B.第一類永動機可以制成C.第一類永動機不可能制成的原因是技術(shù)問題D.第一類永動機不可能制成的原因是違背了熱力學第一定律AD解析

第一類永動機是不消耗任何能量卻能源源不斷對外做功的機器,這是人們的美好愿望,但它違背了熱力學第一定律,這也是它不可能制成的原因。故A、D正確,B、C錯誤。探究三熱力學第一定律和氣體實驗定律的綜合應用情境探究如圖所示,一定質(zhì)量的理想氣體由a狀態(tài)變化到b狀態(tài),請在圖像基礎上思考以下問題:(1)在變化過程中是氣體對外界做功還是外界對氣體做功?要點提示

由a狀態(tài)變化到b狀態(tài),氣體體積變大,因此氣體對外界做功,即W<0。(2)在變化過程中氣體吸熱,還是向外放熱?氣體內(nèi)能增加了還是減少了?要點提示

由p-V圖像知從a狀態(tài)變化到b狀態(tài),溫度升高,故ΔU>0。由ΔU=W+Q得Q>0,即氣體吸熱,內(nèi)能增加。知識歸納熱力學第一定律與氣體實驗定律的結(jié)合點是氣體的體積和溫度,常見的分析思路如下:(1)利用體積的變化分析做功問題。氣體體積增大,氣體對外界做功;氣體體積減小,外界對氣體做功。(2)利用溫度的變化分析理想氣體內(nèi)能的變化。一定質(zhì)量的理想氣體的內(nèi)能僅與溫度有關,溫度升高,內(nèi)能增加;溫度降低,內(nèi)能減小。(3)利用熱力學第一定律判斷是吸熱還是放熱。由熱力學第一定律ΔU=W+Q,得Q=ΔU-W,若已知氣體的做功情況和內(nèi)能的變化情況,即可判斷氣體狀態(tài)變化是吸熱過程還是放熱過程。應用體驗典例3

如圖所示,倒懸的導熱氣缸中封閉著一定質(zhì)量的理想氣體,輕質(zhì)活塞可無摩擦地上下移動,活塞的橫截面積為S,活塞的下面吊著一個重為G的物體,大氣壓強恒為p0,起初環(huán)境的熱力學溫度為T0時,活塞到氣缸底面的距離為L。當環(huán)境溫度逐漸升高時,活塞緩慢下降,該過程中活塞下降了0.1L,氣缸中的氣體吸收的熱量為Q。求:(1)氣缸內(nèi)氣體內(nèi)能的增量ΔU;(2)最終的環(huán)境溫度T。答案

(1)Q-0.1p0SL+0.1LG

(2)1.1T0解析

(1)密封氣體的壓強p=p0-密封氣體對外做功大小W=pS×0.1L由熱力學第一定律得ΔU=W+Q=Q-0.1p0SL+0.1LG(2)該過程是等壓變化,由蓋—呂薩克定律有

針對訓練3(多選)一定質(zhì)量的理想氣體從狀態(tài)A經(jīng)過狀態(tài)B變化到狀態(tài)C,其V-T圖像如圖所示。下列說法正確的有(

)A.A→B的過程中,氣體對外界做功B.A→B的過程中,氣體放出熱量C.B→C的過程中,氣體壓強不變D.A→B→C的過程中,氣體內(nèi)能增加BC解析

A→B的過程中,氣體做等溫變化,體積變小,外界對氣體做功,由ΔU=W+Q知氣體放出熱量,A項錯誤,B項正確;B→C的過程中,為等壓變化,氣體壓強不變,C項正確;A→B→C的過程中,氣體溫度降低,氣體內(nèi)能減少,D項錯誤。學以致用·隨堂檢測全達標1231.(多選)在下述各種現(xiàn)象中,不是由做功引起系統(tǒng)溫度變化的是(

)A.在陽光照射下,水的溫度升高B.用鐵錘不斷錘打鉛塊,鉛塊溫度會升高C.在爐火上燒水,水的溫度升高D.電視機工作一段時間,其內(nèi)部元件溫度升高AC解析

陽光照射下水溫升高是熱輻射使水的溫度升高,在爐火上燒水是熱傳遞使水的溫度升高,用鐵錘錘打鉛塊的過程,是做功的過程,鉛塊溫度升高,是由于外界做功引起的,電視機工作時,電流通過各元件,電流做功使其溫度升高?？梢夾、C不是由做功引起溫度變化的,故選A、C。1232.如圖所示,一密閉的氣缸靜置在水平地面上,外力推動活塞P壓縮一定質(zhì)量的理想氣體,對缸內(nèi)氣體做功800J,同時氣體向外界放熱200J,則缸內(nèi)氣體的(

)A.溫度升高,內(nèi)能增加600JB.溫度升高,內(nèi)能減少200JC.溫度降低,內(nèi)能增加600JD.溫度降低,內(nèi)能減少200JA123解析

對一定質(zhì)量的氣體,由熱力學第一定律ΔU=W+Q可知,ΔU=[800+(-200)]J=600

J,ΔU為正,表示內(nèi)能增加了600

J,內(nèi)能增加,氣體分子的平均動能增加,溫度升高,選項A正確。1233.(多選)一定質(zhì)量的理想氣體狀態(tài)變化時氣體的壓強隨著溫度變化的p-t關