第十章-第3節(jié)-熱力學第一定律-能量守恒定律

1．熱力學第一定律：一個熱力學系統(tǒng)的

內能增量等于外界向它傳遞的熱量與

外界對它所做的功的和。2．熱力學第一定律的表達式ΔU＝Q＋W。3．能量守恒定律：能量既不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失，它只能從一種形式轉化為另一種形式，或者從一個物體轉移到別的物體，在轉化或轉移的過程中，能量的總量保持不變。[自學教材]1．改變內能的兩種方式

和

。

2．熱力學第一定律

(1)內容：一個熱力學系統(tǒng)的內能增量等于外界向它傳遞的

與外界對它所

的和。

(2)數(shù)學表達式：ΔU＝

。做功熱傳遞熱量做的功Q＋W[重點詮釋]1．對熱力學第一定律的理解熱力學第一定律不僅反映了做功和熱傳遞這兩種改變內能的過程是等效的，而且給出了內能的變化量和做功與熱傳遞之間的定量關系。此定律是標量式，應用時熱量的單位應統(tǒng)一為國際單位制中的焦耳。

2．公式ΔU＝Q＋W中符號的規(guī)定符號WQΔU＋外界對物體做功物體吸收熱量內能增加－物體對外界做功物體放出熱量內能減少3．幾種特殊情況

(1)若過程是絕熱的，則Q＝0，W＝ΔU，外界對物體做的功等于物體內能的增加。

(2)若過程中不做功，即W＝0，則Q＝ΔU，物體吸收的熱量等于物體內能的增加。

(3)若過程的始末狀態(tài)物體的內能不變，即ΔU＝0，則W＋Q＝0或W＝－Q，外界對物體做的功等于物體放出的熱量。1．某氣體初態(tài)時有100J內能，膨脹過程中對外做功30J，同時吸收了20J的熱量，在這個過程中內能________(填“增加”或“減少”)________J。解析：由熱力學第一定律ΔU＝U2－U1＝W＋Q，結合符號法則及其物理意義有W＝－30J，Q＝20J，故ΔU＝U2－U1＝－10J，因而內能減少了10J。答案：減少10[自學教材]

1．能量守恒定律

(1)內容：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

為另一種形式，或者從一個物體

到別的物體，在轉化或轉移的過程中

保持不變。能量的總量轉化轉移(2)意義：①各種形式的能可以

。②各種物理現(xiàn)象可以用

聯(lián)系在一起。2．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)不可制成的原因：違背了

定律。相互轉化能量守恒定律對外做功能量守恒[重點詮釋](1)自然界中能量的存在形式：物體運動具有動能、分子運動具有分子動能、電荷具有電能、原子內部的運動具有原子能等。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)不同形式的能量之間可以相互轉化，且這一轉化過程是通過做功來完成的。(3)某種形式的能減少，一定有其他形式的能增加，且減少量和增加量一定相等。

(4)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。2．下列對能量的轉化和守恒定律的認識不正確的是(

)A．某種形式的能量減少，一定存在其他形式能量的增加B．某個物體的能量減少，必然有其他物體的能量增加C．不需要任何外界的動力而持續(xù)對外做功的機器——永動機是不可能制成的D．石子從空中落下，最后停止在地面上，說明機械能消失了解析：A選項是指不同形式的能量間的轉化，轉化過程中能量是守恒的。B選項是指能量在不同的物體間發(fā)生轉移，轉移過程中是守恒的。這正好是能量守恒定律的兩個方面——轉化與轉移。任何第一類永動機都是不可能制成的，它違背了能量守恒定律。所以A、B、C正確。D選項中石子的機械能在變化，比如受空氣阻力作用，機械能可能減少，但機械能并沒有消失，能量守恒定律表明能量既不會創(chuàng)生，也不會消失，只是從一種形式轉化為另一種形式。故D是錯的。答案：D[例1]

一定量的氣體從外界吸收了2.6×105J的熱量，內能增加了4.2×105J。

(1)是氣體對外界做了功，還是外界對氣體做了功？做了多少焦耳的功？

(2)如果氣體吸收的熱量仍為2.6×105J不變，但是內能增加了1.6×105J，計算結果W＝－1.0×105J，是負值，怎樣解釋這個結果？

(3)在熱力學第一定律ΔU＝Q＋W中，W、Q和ΔU的正值、負值各代表什么物理意義？[思路點撥]做功和熱傳遞是改變內能的兩種方式，但二者不是孤立的，往往同時發(fā)生，遵從熱力學第一定律，應用時注意“正、負”號的意義。

[解析]

(1)由熱力學第一定律：如果物體跟外界同時發(fā)生做功和熱傳遞的過程，那么，外界對物體所做功W加上物體從外界吸收的熱量Q等于物體內能的增加ΔU，即ΔU＝W＋Q。將Q＝2.6×105J，ΔU＝4.2×105J代入上式得：

W＝ΔU－Q＝4.2×105J－2.6×105J＝1.6×105J。

W＞0，說明外界對氣體做了1.6×105J的功。(2)如果吸收的熱量Q＝2.6×105J，內能ΔU增加了1.6×105J，計算結果為W＝－1.0×105J，說明氣體對外界做功。

(3)在公式ΔU＝Q＋W中，ΔU＞0，物體內能增加；ΔU

＜0，物體內能減少。Q

＞0，物體吸熱；Q＜0，物體放熱。W＞0，外界對物體做功；W＜0，物體對外界做功。

[答案]

(1)外界對氣體做了1.6×105J的功。

(2)說明氣體對外界做功。

(3)見解析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＝－4×104J解析：因為外界對氣體做功，W取正值，即W＝8×104J；內能減少，ΔU取負值，即ΔU＝－1.2×105J；根據(jù)熱力學第一定律ΔU＝W＋Q，可知Q＝ΔU－W＝－1.2×105J－8×104J＝－2×105J，即B選項正確。答案：B[例2]

如圖10－3－1所示，一個質量為20kg的絕熱汽缸豎直放置，絕熱活塞的質量為5kg，處于靜止狀態(tài)時被封閉氣體的高度為50cm，現(xiàn)在在活塞上方加一15kg的物體，待穩(wěn)定后，被封閉氣體的高度變?yōu)?0cm。求在這一過程中氣體的內能增加多少？(g取10m/s2，不考慮活塞的大氣壓力及摩擦阻力)圖10－3－1[解析]由能量的轉化與守恒定律可知，內能的增加等于活塞和物體重力勢能的減少，

ΔU＝ΔE＝(M＋m)gh＝(15＋5)×10×(50－40)×10－2J＝20J。

[答案]

20J[借題發(fā)揮](1)絕熱過程表示不吸熱、也不放熱；“導熱性能良好且過程緩慢”表示過程有熱傳遞發(fā)生且及時充分，保持溫度不變。

(2)用“能量守恒”觀點解題方便、快捷。2.如圖10－3－2所示容器中，A、B各有一個

可自由移動的輕活塞，活塞下是水，上為

空氣，大氣壓恒定。A、B底部由帶有閥門

K的管道相連，整個裝置與外界絕熱。原先

A中水面比B中高，打開閥門，使A中的水逐

漸向B中流，最后達到平衡。