第2節(jié)熱力學第一定律

第3節(jié)能量守恒定律學習目標1.理解熱力學第一定律，能應用熱力學第一定律分析和解決實際問題。2.了解人類探索能量守恒的歷史過程。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規(guī)律。4.知道什么是第一類永動機及其不可能制成的原因。知識梳理一、熱力學第一定律1.改變內(nèi)能的兩種方式：做功與熱傳遞。聯(lián)系：兩者在改變系統(tǒng)內(nèi)能方面是

的，一定數(shù)量的功與確定數(shù)量的熱相對應。區(qū)別：做功是內(nèi)能與其他形式能量的相互

，而熱傳遞只是不同物體(或一個物體的不同部分)之間內(nèi)能的

。2.熱力學第一定律的內(nèi)容：一個熱力學系統(tǒng)的內(nèi)能增量等于外界向它

與外界對它所做的功的和。3.熱力學第一定律的表達式：

。等價轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)移傳遞的熱量ΔU=Q+W二、能量守恒定律1.內(nèi)容：能量既不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失，它只能從一種形式

為其他形式，或者從一個物體

到別的物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中，能量的

保持不變。2.意義(1)能量守恒定律告訴我們，各種形式的能量可以相互

。(2)各種互不相關的物理現(xiàn)象——力學的、熱學的、電學的、磁學的、光學的、化學的、生物學的等可以用

定律聯(lián)系在一起。三、永動機不可能制成1.第一類永動機：不需要任何動力或燃料，卻能不斷地

的機器。2.第一類永動機不可制成的原因：違背了

定律。轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)移總量轉(zhuǎn)化能量守恒能量守恒對外做功判斷1．外界對熱力學系統(tǒng)做功，W取正值；外界向熱力學系統(tǒng)傳遞熱量，Q取正值。()2．氣體被壓縮的過程中，外界對氣體做功，則氣體內(nèi)能一定增加。()3．物體與外界不發(fā)生熱交換，則物體的內(nèi)能也可能變化。()4．各種能量之間可以轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)化，但總量保持不變。()5．第一類永動機因違背能量守恒定律，所以不可能制成。

()6．用太陽灶燒水是太陽能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。()7．石子從空中落下，最后靜止在地面上，說明機械能消失了。()?√√√√?√2.如圖所示的汽缸，內(nèi)部封閉有一定質(zhì)量的理想氣體。外力推動活塞P壓縮氣體，對汽缸內(nèi)氣體做功800J，同時氣體向外界放熱200J，則汽缸內(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200J解析：由熱力學第一定律ΔU=W+Q，得ΔU=800J+(-200J)=600J，一定質(zhì)量的理想氣體的內(nèi)能大小只與溫度有關，ΔU=600J>0，故溫度一定升高，A選項正確。A3.(多選)下面設想符合能量守恒定律的是(

)A.利用永久磁鐵間的作用力，造一臺永遠轉(zhuǎn)動的機械B.做一條船，利用太陽的能量逆水行舟C.通過太陽照射飛機，使飛機不帶燃料也能飛行D.利用核動力，使地球離開太陽系解析：利用磁場能可以使磁鐵所具有的磁場能轉(zhuǎn)化為動能，但由于摩擦力的不可避免性，動能最終轉(zhuǎn)化為內(nèi)能使轉(zhuǎn)動停止，故A不符合;可利用光能的可轉(zhuǎn)化性和電能的可收集性，使光能轉(zhuǎn)化為船的動能或飛機的動能，實現(xiàn)逆水行舟或飛機不帶燃料飛行，故B、C符合;利用反沖理論，以核力為能源，使地球獲得足夠大的速度，掙脫太陽引力的束縛而離開太陽系，故D符合。BCD

合作探究一、對熱力學第一定律的理解及應用合作探究一、對熱力學第一定律的理解及應用1.如圖甲所示，該實驗為做機械功改變系統(tǒng)內(nèi)能的實驗，該實驗與外界沒有熱量交換，如果外界對系統(tǒng)做的功為W(物塊重力所做的功)，則它的內(nèi)能怎樣改變?變化了多少?提示：一個系統(tǒng)，如果它既沒有吸收熱量也沒有放出熱量，那么外界對它做功W，則內(nèi)能增加量為W。2.如圖乙所示為做電功改變系統(tǒng)內(nèi)能的實驗，該系統(tǒng)如果電阻發(fā)熱量為Q，液體的內(nèi)能怎樣變化?變化了多少?

提示：如果外界沒有對系統(tǒng)做功，物體從外界吸收熱量Q，則內(nèi)能的增加量為Q。3.如果某一過程中，物體跟外界同時發(fā)生了做功和熱傳遞，那么，該物體內(nèi)能的變化ΔU與熱量Q及做的功W之間又滿足怎樣的關系呢?提示：ΔU=W+Q。該式表示的是功、熱量跟內(nèi)能改變之間的定量關系，在物理學中叫作熱力學第一定律。1．熱力學第一定律的意義(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)能的方法是等價的，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。(2)熱力學第一定律將單純的做功過程和單純的傳熱過程中內(nèi)能改變的定量表達

式推廣到一般情況，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表示外界對系統(tǒng)所做的功，Q表示外界向系統(tǒng)傳遞的熱量。2．對ΔU＝W＋Q的理解熱力學第一定律將單純的絕熱過程和單純的熱傳遞過程中內(nèi)能改變的定量表述推廣到一般情況，既有做功又有熱傳遞的過程，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遞的熱量。3．與熱力學第一定律相匹配的符號法則做功W熱量Q內(nèi)能的改變ΔU取正值“＋”外界對系統(tǒng)做功系統(tǒng)從外界吸收熱量系統(tǒng)的內(nèi)能增加取負值“－”系統(tǒng)對外界做功系統(tǒng)向外界放出熱量系統(tǒng)的內(nèi)能減少4．判斷是否做功的方法：一般情況下外界對物體做功與否，需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，W＜0。(2)若物體體積減小，表明外界對物體做功，W＞0。5.幾種特殊情況：(1)若過程是絕熱的，即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)若過程中不做功，即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)若過程的始末狀態(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)。例1：一定質(zhì)量的理想氣體在某一過程中，從外界吸收熱量2.5×104J，氣體對外界做功1.0×104J，則該理想氣體的(

)A．溫度降低，密度增大B．溫度降低，密度減小C．溫度升高，密度增大D．溫度升高，密度減小解析：由熱力學第一定律得：ΔU＝Q＋W＝2.5×104J－1.0×104J＝1.5×104J＞0，所以氣體內(nèi)能增大，溫度升高；因氣體對外做功，所以體積增大，密度小，D項正確．D例1：一定質(zhì)量的理想氣體在某一過程中，從外界吸收熱量2.5×104J，氣體對外界做功1.0×104J，則該理想氣體的(

)A．溫度降低，密度增大B．溫度降低，密度減小C．溫度升高，密度增大D．溫度升高，密度減小解析：由熱力學第一定律得：ΔU＝Q＋W＝2.5×104J－1.0×104J＝1.5×104J＞0，所以氣體內(nèi)能增大，溫度升高；因氣體對外做功，所以體積增大，密度小，D項正確．D例2：如圖，一定質(zhì)量的理想氣體從狀態(tài)a開始，經(jīng)歷狀態(tài)b、c到達狀態(tài)d，已知一定質(zhì)量的理想氣體的內(nèi)能與溫度滿足U＝kT(k為常數(shù))。該氣體在狀態(tài)a時溫度為T0，求：(1)氣體在狀態(tài)d時的溫度；(2)氣體從狀態(tài)a到達狀態(tài)d過程從外界吸收的熱量。

答案：(1)Td＝3T0

(2)Q＝2kT0＋6p0V0規(guī)律方法：應用熱力學第一定律解題的方法(1)首先應明確研究對象是哪個物體或者是哪個熱力學系統(tǒng)；(2)分別列出物體(或系統(tǒng))吸收或放出的熱量，外界對物體(或系統(tǒng))所做的功或物體(或系統(tǒng))對外界所做的功；(3)根據(jù)熱力學第一定律ΔU=Q+W列出方程進行求解；(4)特別注意的就是物理量的正負號及其物理意義。二、對能量守恒定律的理解情境

“全自動”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。由此，有人設想了如圖所示的新能源汽車。

1.“全自動”機械手表是不是一種永動機?2.圖中所示的新能源汽車能實現(xiàn)嗎?3.能量守恒定律與熱力學第一定律是什么關系?提示：1.不是永動機。手表戴在手腕上，通過手臂的運動獲得能量，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。2.不能實現(xiàn)。因為違反了能量守恒定律。3.能量守恒定律是自然界的普遍規(guī)律，各種形式的能相互轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移過程中總能量保持不變。熱力學第一定律是物體內(nèi)能與其他形式的能發(fā)生轉(zhuǎn)化時的能量守恒定律，是能量守恒定律的具體體現(xiàn)。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的能:機械運動對應機械能，分子的熱運動對應內(nèi)能，還有諸如電磁能、化學能、原子能等。可見，在自然界中，不同的能量形式與不同的運動形式相對應。(2)各種形式的能可以相互轉(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，化學能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；列車剎車后，輪子溫度升高，機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。2.能量守恒定律是沒有條件的與某種運動形式對應的能是否守恒是有條件的，例如，物體的機械能守恒，必須是在只有重力做功或系統(tǒng)內(nèi)彈力做功的情況下；而能量守恒是沒有條件的，它是一切自然現(xiàn)象都遵守的基本規(guī)律。3.能量守恒定律的重要意義(1)找到了各種自然現(xiàn)象的公共量度——能量，從而把各種自然現(xiàn)象用能量規(guī)律聯(lián)系起來，揭示了自然規(guī)律的多樣性和統(tǒng)一性。(2)突破了人們關于物質(zhì)運動的機械觀念的范圍，從本質(zhì)上表明了各種運動形式之間相互轉(zhuǎn)化的可能性。能量守恒定律比機械能守恒定律更普遍，它是物理學中解決問題的重要思維方法。(3)具有重大實踐意義，即徹底粉碎了永動機的幻想。

例3如圖所示，密閉絕熱容器內(nèi)有一絕熱的具有一定質(zhì)量活塞，活塞的上部封閉著氣體，下部為真空，活塞與器壁間的摩擦忽略不計。置于真空中的輕彈簧一端固定于容器的底部，另一端固定在活塞上，彈簧被壓縮后用繩扎緊，此時彈簧的彈性勢能為Ep(彈簧處在自然長度時的彈性勢能為零)?，F(xiàn)繩突然斷開，彈簧推動活塞向上運動，經(jīng)過多次往復運動后活塞靜止，氣體達到平衡狀態(tài)。經(jīng)過此過程(

)A．Ep全部轉(zhuǎn)換為氣體的內(nèi)能B．Ep一部分轉(zhuǎn)換成活塞的重力勢能，其余部分仍為彈簧的彈性勢能C．Ep全部轉(zhuǎn)換成活塞的重力勢能和氣體的內(nèi)能D．Ep一部分轉(zhuǎn)換成活塞的重力勢能，一部分轉(zhuǎn)換為氣體的內(nèi)能，其余部分仍為彈簧的彈性勢能解析：當繩子突然斷開時，活塞受彈簧的彈力F、活塞的重力G、封閉氣體對活塞向下的壓力F′共同作用，如圖所示，其合力向上，經(jīng)多次往復運動后活塞靜止時，活塞處于三力平衡狀態(tài)，氣體體積必減小，外力對氣體做正功，由于絕熱，氣體的內(nèi)能增加，而活塞最終的靜止位置比初始位置高，其重力勢能增加，最終彈力與另外兩個力的合力平衡，彈簧仍有形變。設最終彈簧的彈性勢能為Ep′，由能量守恒定律得Ep＝Ep′＋活塞增加的重力勢能＋氣體增加的內(nèi)能，所以D選項正確。答案：D例4：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)輪因此能較長時間轉(zhuǎn)動。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解析：形狀記憶合金進入水后受熱形狀發(fā)生改變而攪動熱水，由能量守恒知能量來源于熱水，故A、B、C錯；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對。D

1.“第一類永動機”是不可能制成的，這是因為它(

)A.不符合熱力學第一定律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計方案達標練習A2.如圖所示，直立容器內(nèi)部被隔板隔開的A、B兩部分氣體(A、B兩部分體積等大)，A的密度小，B的密度大，加熱氣體，并取出隔板使兩部分氣體混合均勻，設此過程中氣體吸熱為Q，氣體內(nèi)能的增量為ΔU，則(

)A.ΔU=Q

B.ΔU<QC.ΔU>Q

D.無法比較B3.如圖所示，汽缸內(nèi)封閉一定質(zhì)量的理想氣體，活塞通過定滑輪與一重物m相連并處于靜止狀態(tài)，此時活塞到缸口的距離h=0.2m，活塞面積S=10cm2，封閉氣體的壓強p=5×104Pa，現(xiàn)通過電熱絲對缸內(nèi)氣體加熱，使活塞緩慢上升直至缸口。在此過程中封閉氣體吸收了Q=60J的熱量，假設汽缸壁和活塞都是絕熱的，活塞質(zhì)量及一切摩擦力不計，則在此過程中氣體內(nèi)能的增加量為(

)A.70J B.60JC.50J D.10JC4.(多選)一定量的理想氣體從狀態(tài)a開始，經(jīng)歷三個過程ab、bc、ca回到原狀態(tài)，其p-T圖象如圖所示．下列判斷正確的是(

)A．過程ab中氣體一定吸熱B．過程bc中氣體既不吸熱也不放熱C．過程ca中外界對氣體所做的功等于氣體所放的熱D．a(chǎn)、b和c三個狀態(tài)中，狀態(tài)a分子的平均動能最小E．b和c兩個狀態(tài)中，容器壁單位面積單位時間內(nèi)受到氣體分子撞擊的次數(shù)不同ADE備用工具&資料3.如圖所示，汽缸內(nèi)封閉一定質(zhì)量的理想氣體，活塞通過定滑輪與一重物m相連并處于靜止狀態(tài)，此時活塞到缸口的距離h=0.2m，活塞面積S=10cm2，封閉氣體的壓強p=5×104Pa，現(xiàn)通過電熱絲對缸內(nèi)氣體加熱，使活塞緩慢上升直至缸口。在此過程中封閉氣體吸收了Q=60J的熱量，假設汽缸壁和活塞都是絕熱的，活塞質(zhì)量及一切摩擦力不計，則在此過程中氣體內(nèi)能的增加量為(

)A.70J B.60JC.50J D.10JC1.“第一類永動機”是不可能制成的，這是因為它(

)A.不符合熱力學第一定律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計方案達標練習A知識梳理一、熱力學第一定律1.改變內(nèi)能的兩種方式：做功與熱傳遞。聯(lián)系：兩者在改變系統(tǒng)內(nèi)能方面是

的，一定數(shù)量的功與確定數(shù)量的熱相對應。區(qū)別：做功是內(nèi)能與其他形式能量的相互

，而熱傳遞只是不同物體(或一個物體的不同部分)之間內(nèi)能的

。2.熱力學第一定律的內(nèi)容：一個熱力學系統(tǒng)的內(nèi)能增量等于外界向它

與外界對它所做的功的和。3.熱力學第一定律的表達式：

。等價轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)移傳遞的熱量ΔU=Q+W判斷1．外界對熱力學系統(tǒng)做功，W取正值；外界向熱力學系統(tǒng)傳遞熱量，Q取正值。