第三章熱力學定律2．熱力學第一定律3．能量守恒定律課前預習反饋

知識點

11．改變內能的兩種方式做功與______。兩者在改變系統(tǒng)內能方面是________。2．熱力學第一定律(1)內容：一個熱力學系統(tǒng)的內能變化量等于外界向它傳遞的______與外界對它__________的和。(2)表達式：_____________。注意：熱力學第一定律的數(shù)學表達式也適用于物體對外界做功、向外界傳熱和內能減少的情況。熱力學第一定律傳熱

等價的熱量所做的功ΔU＝Q＋W『判一判』(1)ΔU＝W＋Q。該式表示的是功、熱量跟內能改變之間的定量關系，在物理學中叫作熱力學第一定律。(

)√『選一選』關于做功、傳熱與內能變化的說法，正確的是(

)A．不通過做功的過程，物體的內能也可以改變B．不對物體做功，物體的內能會保持不變C．外力對物體做2J的功，物體就一定增加2J的內能D．物體吸收熱量，內能一定增加答案：A解析：做功和傳熱都可以改變物體的內能，故A正確，B錯誤；外力對物體做2J的功，若物體與外界沒有熱交換，則內能一定增加2J，故C錯誤；物體吸收熱量時，如果對外做功，內能不一定增加，故D錯誤。知識點

2能量守恒定律(1)內容：能量既不會憑空______，也不會憑空______，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，在轉化或轉移的過程中，能量的______保持不變。(2)意義①各種形式的能可以相互______。②各種互不相關的物理現(xiàn)象可以用__________定律聯(lián)系在一起。能量守恒定律產生消失轉化轉移總量轉化能量守恒『判一判』(2)某個物體的能量減少，必然有其他物體的能量增加。(

)(3)石子從空中落下，最后停止在地面上，說明機械能消失了。(

)(4)能量既可以轉移又可以轉化，故能的總量是可以變化的。(

)(5)違背能量守恒定律的過程是不可能發(fā)生的。(

)√××√知識點

31．永動機：不需要任何動力或燃料，卻能不斷地__________的機器。2．永動機不可能制成的原因：違背了__________定律。3．意義：正是歷史上設計永動機的______，才使后人的思考走上了正確的道路。永動機不可能制成對外做功能量守恒失敗『選一選』(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，使地球離開太陽系答案：BCD解析：利用磁場能可以使磁鐵所具有的磁場能轉化為動能，但由于摩擦力是不可避免的，動能最終轉化為內能使轉動停止，故A錯誤；可利用光能的可轉化性和電能的可收集性，使光能轉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正確；利用反沖理論，以核能為能源，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正確?！合胍幌搿挥幸环N所謂“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。這是不是一種永動機？如果不是，你知道維持表針走動的能量是從哪兒來的嗎？答案：不是永動機，手表戴在手上，手運動的能量一部分轉化為手表的能量(動能)。課內互動探究探究

對熱力學第一定律的理解要|點|提|煉1．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。2．與熱力學第一定律相匹配的符號法則

做功W熱量Q內能的改變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)的內能減少3．幾種特殊情況(1)若過程是絕熱的，即Q＝0，則ΔU＝W，物體內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)。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。(1)當做功和熱傳遞同時發(fā)生時，物體的內能可能增加，也可能減小，還可能保持不變。(2)物體內能發(fā)生變化可能是由做功引起的，也可能是由熱傳遞引起的，還可能是兩者共同作用的結果。典|例|剖|析1．若將氣泡內的氣體視為理想氣體，氣泡從湖底緩慢上升到湖面的過程中，對外界做了0.6J的功。(設湖水的溫度相等且保持不變)(1)氣泡上升過程中吸收的熱量是多少？(2)氣泡到達湖面后，由于太陽的照射，在溫度上升的過程中又對外界做了0.1J的功，同時吸收了0.3J的熱量，則此過程中，氣泡內氣體內能增加了多少？答案：(1)0.6J

(2)0.2J解析：(1)氣體溫度不變，內能不變，由熱力學第一定律ΔU＝Q＋W，則Q＝ΔU－W＝0－(－0.6J)＝0.6J。(2)由熱力學第一定律得ΔU＝Q＋W＝0.3J＋(－0.1J)＝0.2J，內能增加0.2J。(多選)如圖所示，一定質量的理想氣體從狀態(tài)a出發(fā)，經過等容過程ab到達狀態(tài)b，再經過等溫過程bc到達狀態(tài)c，最后經等壓過程ca回到狀態(tài)a，下列說法正確的是(

)A．在ab過程中氣體的內能增加B．在ca過程中外界對氣體做功C．在bc過程中氣體從外界吸收熱量D．在ca過程中氣體從外界吸收熱量答案：ABC對點訓練?解析：氣體在ab過程中做等容變化，由查理定律知氣體溫度升高，故內能增加，故A正確；在ca過程中，氣體體積減小，則外界對氣體做功，即W>0；因壓強不變，則溫度降低，內能減小，即ΔU<0，根據(jù)ΔU＝W＋Q可知Q<0，則氣體放熱，故B正確，D錯誤；在bc過程中，氣體溫度不變，內能不變，體積變大，對外做功，由熱力學第一定律可知，氣體從外界吸收熱量，故C正確。探究

對能量守恒定律的理解要|點|提|煉1．能量的存在形式及相互轉化各種運動形式都有對應的能：機械運動有機械能，分子的熱運動有內能，還有諸如電磁能、化學能、原子能等。各種形式的能，通過做功可以相互轉化，例如：利用電爐取暖或燒水，電能轉化為內能；煤燃燒，化學能轉化為內能；列車剎車后，輪子溫度升高，機械能轉化為內能。2．守恒條件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，必須是只有重力和系統(tǒng)內彈簧彈力做功；而能量守恒定律是沒有條件的，它是一切自然界現(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運動的機械觀念的范圍，從本質上表明了各種運動形式之間相互轉化的可能性。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。能量守恒定律與電子的發(fā)現(xiàn)、達爾文的進化論并稱19世紀自然科學中三大發(fā)現(xiàn)，其重要意義由此可見。(3)具有重大實踐意義，即徹底粉碎了永動機的幻想。(1)能量守恒定律是一個自然界中普遍適用的規(guī)律，凡是遇到涉及能量的轉化和轉移問題時可優(yōu)先考慮使用其解決。(2)層出不窮的永動機設計方案，由于違背了能量守恒定律，無一例外地宣布失敗，人類制造永動機的企圖是沒有任何成功的希望。典|例|剖|析2.如圖所示，內壁光滑的圓柱形汽缸豎直放置，內有一質量為m的活塞封閉一定質量的理想氣體。已知活塞橫截面積為S，外界大氣壓強為p0，缸內氣體溫度為T1?，F(xiàn)對汽缸緩慢加熱，使缸內氣體體積由V1增大到V2，該過程中氣體吸收的熱量為Q1。求：(1)加熱后缸內氣體的溫度；(2)該過程中氣體增加的內能。(多選)空調市場上有很多變頻空調，據(jù)專家介紹變頻空調比定頻的要節(jié)能，因為定頻空調開機時就等同于汽車啟動時，很耗能，能耗是正常運行時的5～7倍?？照{在工作時達到設定溫度就停機，等溫度高了再繼續(xù)啟動。這樣的頻繁啟動，耗電多，而變頻空調啟動時有一個由低到高的過程，運行過程是自動變速來保持室內溫度，從開機到關機中間不停機，而是達到設定溫度后就降到最小功率運行，所以比較省電。閱讀上述介紹后，以下說法合理的是(

)A．變頻空調節(jié)能，運行中不遵守能量守恒定律B．變頻空調運行中做功少，轉化能量多C．變頻空調在同樣工作條件下運行效率高，省電D．變頻空調與定頻空調做同樣功時，消耗同樣的電能對點訓練?答案：CD解析：自然界的一切過程都遵守能量守恒定律，A錯誤；功是能量轉化的量度，做同樣的功，消耗同樣的電能，B錯誤，D正確；由變頻空調的工作特點可知省電的原因是效率高，C正確。核心素養(yǎng)提升永動機不可能制成1．第一類永動機人們把設想中的不消耗能量的機械叫作第一類永動機，第一類永動機是不可能制成的。2．第一類永動機失敗的原因分析如果沒有外界熱源供給熱量，則有U2－U1＝W，就是說，如果系統(tǒng)內能減少，即U2<U1，則W<0，系統(tǒng)對外做功是要以內能減少為代價的，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。如圖所示，一演示用的“永動機”轉輪由5根輕桿和轉軸構成，輕桿的末端裝有用形狀記憶合金制成的葉片。輕推轉輪后，進入熱水的葉片因伸展而“劃水”，推動轉輪轉動。離開熱水后，葉片形狀迅速恢復，轉輪因此能較長時間轉動。下列說法正確的是(

)A．轉輪依靠自身慣性轉動，不需要消耗外界能量B．轉輪轉動所需能量來自形狀記憶合金自身C．轉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答案：D案例解析：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錯誤；由能量守恒知，葉片吸收的能量一部分轉化成葉片的動能，一部分釋放于空氣中，故D正確。課堂達標檢測一、熱力學第一定律1．一定質量的氣體膨脹對外做功100J，同時對外放熱40J，氣體內能的增量ΔU為(

)A．60J B．－60JC．－140J D．140J答案：C解析：由于氣體對外做功，所以W＝－100J，氣體放出熱量Q＝－40J。根據(jù)熱力學第一定律ΔU＝Q＋W可知，ΔU＝－140J，故C正確。2．(多選)如圖所示，一開口向上的導熱汽缸內，用活塞封閉了一定質量的理想氣體，活塞與汽缸壁間無摩擦。現(xiàn)用外力作用在活塞上，使其緩慢下降。環(huán)境溫度保持不變，系統(tǒng)始終處于平衡狀態(tài)。在活塞下降過程中(

)A．氣體體積逐漸減小，內能增加B．氣體壓強逐漸增大，內能不變C．氣體壓強逐漸增大，放出熱量D．外界對氣體做功，氣體內能不變答案：BCD解析：溫度不變，理想氣體的內能不變，根據(jù)玻意耳定律知，體積減小，壓強增大，根據(jù)ΔU＝W＋Q，內能不變，外界對氣體做功，氣體放出熱量，故A錯誤，B、C、D正確。3．(多選)如圖所示，一定質量的理想氣體，從狀態(tài)A經絕熱過程A→B、等容過程B→C、等溫過程C→A又回到了狀態(tài)A，則(

)A．A→B過程氣體升溫B．B→C過程氣體內能增加，氣體吸熱C．C→A過程氣體放熱D．全部過程氣體做功為零答案：BC解析：A→B過程是絕熱過程，Q＝0，體積變大，氣體對外做功，W<0，根據(jù)熱力學第一定律ΔU＝Q＋W，得ΔU<0，內能減小，故溫度降低，故A錯誤；由圖示圖像可知，B→C過程中，氣體體積V不變而壓強p變大，由查理定律可知，氣體溫度T升高，故內能增加，但體積V不變，外界對氣體不做功，所以氣體吸收熱量，故B正確；由題可知，C→A過程是等溫變化，氣體體積V減小，外界對氣體做功，W>0，氣體溫度不變，氣體內能不變，ΔU＝0，根據(jù)熱力學第一定律得Q<0，氣體放熱，故C正確；全部過程分三個過程，A到B氣體對外做功W1<0，B到C不做功，C到A外界對氣體做功W2>0，根據(jù)p－V圖像中，圖線與坐標軸圍成的圖形的面積等于所做的功，得A到B氣體對外做的功小于C到A外界對氣體做的功，如圖中陰影面積所示，故全部過程氣體做功不為0，故D錯誤。4．如圖所示，內壁光滑且長為L＝50cm的絕熱汽缸固定在水平面上，汽缸內用面積為S＝100cm2的絕熱活塞封閉有溫度為t0＝27℃的理想氣體，開始時處于靜止狀態(tài)的活塞位于距左側缸底l＝30cm處。現(xiàn)用電熱絲對封閉的理想氣體加熱，使活塞緩慢向右移動。(已知大氣壓強為p0＝1.0×105Pa)(1)試計算當溫度升高到t＝377℃時，缸內封閉氣體的壓強p；(2)若汽缸內電熱絲的電阻R＝100Ω，加熱時電熱絲中的電流I＝0.2A，在此變化過程中共持續(xù)了t′＝300s，不計電熱絲由于溫度升高而吸收的熱量，試計算氣體增加的內能ΔU。答案：(1)1.3×105Pa

(2)1000J(2)根據(jù)熱力學第一定律可得ΔU＝W＋Q，外界對氣體做的功W＝p0S(l－L)＝－200J，封閉氣體共吸收的熱量為Q＝I2Rt′＝1200J，則氣體增加的內能ΔU＝W＋Q＝1000J。二、能量守恒定律5．某充氣式座椅簡化模型如圖所示，質量相等且導熱良好的兩個汽缸通過活塞封閉質量相等的兩部分同種氣體A、B，活塞通過輕彈簧相連如圖所示靜置在水平面上，已知汽缸的質量為M，封閉氣體的初