XX省專用學(xué)年高中物理第十章熱力學(xué)定律第節(jié)熱力學(xué)第一定律能量守恒定律講義含解析新人教選修

PAGE第3節(jié)熱力學(xué)第一定律能量守恒定律1.熱力學(xué)第一定律：一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)能增量等于外界向它傳遞的熱量與外界對(duì)它所做的功的和。2．熱力學(xué)第一定律的表達(dá)式ΔU＝Q＋W，要熟悉其符號(hào)法則。3．能量守恒定律：能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到別的物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過(guò)程中，能量的總量保持不變。4．第一類永動(dòng)機(jī)不可能制成，因?yàn)樗`背了能量守恒定律。一、熱力學(xué)第一定律1．改變內(nèi)能的兩種方式做功和熱傳遞。2．熱力學(xué)第一定律(1)內(nèi)容：一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)能增量等于外界向它傳遞的熱量與外界對(duì)它所做的功的和。(2)表達(dá)式：ΔU＝Q＋W。二、能量守恒定律1．內(nèi)容能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到別的物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過(guò)程中，能量的總量保持不變。2．意義(1)各種形式的能可以相互轉(zhuǎn)化。(2)各種物理現(xiàn)象可以用能量守恒定律聯(lián)系在一起。三、永動(dòng)機(jī)不可能制成1．第一類永動(dòng)機(jī)：不需要任何動(dòng)力或燃料，卻能不斷地對(duì)外做功的機(jī)器。2．不可制成的原因：違背了能量守恒定律。1．自主思考——判一判(1)做功和熱傳遞在改變物體內(nèi)能上是不等效的。(×)(2)運(yùn)動(dòng)的物體在阻力作用下會(huì)停下來(lái)，說(shuō)明機(jī)械能憑空消失了。(×)(3)功和能可以相互轉(zhuǎn)化。(×)(4)第一類永動(dòng)機(jī)不能制成，是因?yàn)樗`背了能的轉(zhuǎn)化和守恒定律。(√)(5)某個(gè)物體的能量減少，必然有其他物體的能量增加。(√)(6)自由擺動(dòng)的秋千擺動(dòng)幅度越來(lái)越小，減少的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，但總能量守恒。(√)2．合作探究——議一議(1)快速推動(dòng)活塞對(duì)汽缸內(nèi)氣體做功10J，氣體內(nèi)能改變了多少？若保持氣體體積不變，外界對(duì)汽缸傳遞10J的熱量，氣體內(nèi)能改變了多少？能否說(shuō)明10J的功等于10J的熱量？提示：無(wú)論外界對(duì)氣體做功10J，還是外界給氣體傳遞10J的熱量，氣體內(nèi)能都增加了10J，說(shuō)明做功和熱傳遞在改變物體內(nèi)能上是等效的，但不能說(shuō)10J的功等于10J的熱量，因?yàn)楣εc熱量具有本質(zhì)區(qū)別。(2)有一種“全自動(dòng)”機(jī)械手表，即不需要上發(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(dòng)機(jī)？并說(shuō)明理由。提示：這不是永動(dòng)機(jī)。手表戴在手腕上，通過(guò)手臂的運(yùn)動(dòng)，機(jī)械手表獲得能量，供手表指針走動(dòng)。若將此手表長(zhǎng)時(shí)間放置不動(dòng)，它就會(huì)停下來(lái)。(3)熱力學(xué)第一定律、機(jī)械能守恒定律是能量守恒定律的具體體現(xiàn)嗎？提示：熱力學(xué)第一定律、機(jī)械能守恒定律是能量守恒定律在不同形式的能相互轉(zhuǎn)化時(shí)的具體體現(xiàn)。熱力學(xué)第一定律的理解及應(yīng)用1．公式ΔU＝W＋Q中符號(hào)的規(guī)定符號(hào)WQΔU＋外界對(duì)物體做功物體吸收熱量?jī)?nèi)能增加－物體對(duì)外界做功物體放出熱量?jī)?nèi)能減少2.幾種特殊情況(1)若過(guò)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(duì)物體做的功。(2)若過(guò)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(guò)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(duì)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(duì)外界做的功)。3．判斷是否做功的方法一般情況下外界對(duì)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(duì)外界做功，W<0。(2)若物體體積減小，表明外界對(duì)物體做功，W>0。4．應(yīng)用熱力學(xué)第一定律解題的思路(1)首先應(yīng)明確研究對(duì)象是哪個(gè)物體或者是哪個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)。(2)分別找出題目中研究對(duì)象吸收或放出的熱量；外界對(duì)研究對(duì)象所做的功或研究對(duì)象對(duì)外界所做的功；研究對(duì)象內(nèi)能的增加量或減少量。(3)根據(jù)熱力學(xué)第一定律ΔU＝Q＋W列出方程進(jìn)行求解。(4)特別注意物理量的正負(fù)號(hào)及其物理意義。[典例][多選](2017·全國(guó)卷Ⅲ)如圖，一定質(zhì)量的理想氣體從狀態(tài)a出發(fā)，經(jīng)過(guò)等容過(guò)程ab到達(dá)狀態(tài)b，再經(jīng)過(guò)等溫過(guò)程bc到達(dá)狀態(tài)c，最后經(jīng)等壓過(guò)程ca回到初態(tài)a。下列說(shuō)法正確的是()A．在過(guò)程ab中氣體的內(nèi)能增加B．在過(guò)程ca中外界對(duì)氣體做功C．在過(guò)程ab中氣體對(duì)外界做功D．在過(guò)程bc中氣體從外界吸收熱量E．在過(guò)程ca中氣體從外界吸收熱量[解析]ab過(guò)程中氣體壓強(qiáng)增大，體積不變，則溫度升高，內(nèi)能增加，A項(xiàng)正確；ab過(guò)程發(fā)生等容變化，氣體對(duì)外界不做功，C項(xiàng)錯(cuò)誤；一定質(zhì)量的理想氣體內(nèi)能僅由溫度決定，bc過(guò)程發(fā)生等溫變化，內(nèi)能不變，bc過(guò)程中氣體體積增大，氣體對(duì)外界做正功，根據(jù)熱力學(xué)第一定律可知?dú)怏w從外界吸收熱量，D項(xiàng)正確；ca過(guò)程發(fā)生等壓變化，氣體體積減小，外界對(duì)氣體做功，B項(xiàng)正確；ca過(guò)程中氣體溫度降低，內(nèi)能減小，外界對(duì)氣體做功，根據(jù)熱力學(xué)第一定律可知?dú)怏w向外界放熱，E項(xiàng)錯(cuò)誤。[答案]ABD應(yīng)用熱力學(xué)第一定律時(shí)的兩個(gè)注意事項(xiàng)(1)明確研究是哪一部分氣體和氣體經(jīng)歷了怎樣的狀態(tài)變化過(guò)程。(2)分清ΔU＝W＋Q中各量的正、負(fù)號(hào)的意義。1．氣體膨脹對(duì)外做功100J，同時(shí)從外界吸收了120J的熱量，它的內(nèi)能的變化是()A．減小20J B．增大20JC．減小220J D.增大220J解析：選B研究對(duì)象為氣體。依符號(hào)規(guī)則，對(duì)外做功W＝－100J，吸收熱量Q＝120J。由熱力學(xué)第一定律有ΔU＝W＋Q＝－100J＋120J＝20J。ΔU>0，說(shuō)明氣體的內(nèi)能增加。故選B。2．(2017·江蘇高考)一定質(zhì)量的理想氣體從狀態(tài)A經(jīng)過(guò)狀態(tài)B變化到狀態(tài)C，其V-T圖像如圖所示。下列說(shuō)法正確的有()A．A→B的過(guò)程中，氣體對(duì)外界做功B．A→B的過(guò)程中，氣體放出熱量C．B→C的過(guò)程中，氣體壓強(qiáng)不變D．A→B→C的過(guò)程中，氣體內(nèi)能增加解析：選BC由題圖可知，從A到B氣體的體積減小，外界對(duì)氣體做功，A項(xiàng)錯(cuò)誤；從A到B過(guò)程氣體的溫度不變，內(nèi)能不變，根據(jù)熱力學(xué)第一定律可知，氣體放出熱量，B項(xiàng)正確；從B到C過(guò)程中eq\f(V,T)是一個(gè)常數(shù)，氣體發(fā)生的是等壓變化，氣體的溫度降低，內(nèi)能減少，C項(xiàng)正確，D項(xiàng)錯(cuò)誤。對(duì)能量守恒定律的理解及應(yīng)用1．能量的存在形式及相互轉(zhuǎn)化(1)各種運(yùn)動(dòng)形式都有對(duì)應(yīng)的能：機(jī)械運(yùn)動(dòng)有機(jī)械能，分子的熱運(yùn)動(dòng)有內(nèi)能，還有諸如電磁能、化學(xué)能、原子能等。(2)各種形式的能，通過(guò)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。(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(gè)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．與某種運(yùn)動(dòng)形式對(duì)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．第一類永動(dòng)機(jī)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(shuō)，如果系統(tǒng)內(nèi)能減少，即U2＜U1，則W＜0，系統(tǒng)對(duì)外做功是要以內(nèi)能減少為代價(jià)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(wú)外界能量供給的情況下是不可能的。1.如圖所示，直立容器內(nèi)部有被隔板隔開的A、B兩部分氣體，A的密度大，B的密度較小，抽去隔板，加熱氣體，使兩部分氣體均勻混合，設(shè)在此過(guò)程中氣體吸熱Q，氣體內(nèi)能增量為ΔE，則()A．ΔE＝Q B．ΔE<QC．ΔE>Q D.無(wú)法比較解析：選C抽去隔板前，A、B氣體的整體重心在中線以上，抽去隔板待氣體混合均勻后，重心恰好在中線上，系統(tǒng)的重力勢(shì)能減少，由能量守恒定律知，減少的重力勢(shì)能與內(nèi)能發(fā)生轉(zhuǎn)化而使得內(nèi)能增加，吸收的熱量也使得內(nèi)能增加，則氣體內(nèi)能的增量大于氣體所吸收的熱量。2．[多選]行駛中的汽車制動(dòng)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；條形磁鐵在下落過(guò)程中穿過(guò)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(guò)程是()A．物體克服阻力做功B．物體的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量C．物體的勢(shì)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：選AD這四個(gè)現(xiàn)象中，物體運(yùn)動(dòng)過(guò)程都受到阻力，汽車主要是制動(dòng)阻力，流星墜落和降落傘降落是空氣阻力，條形磁鐵下落過(guò)程受到磁場(chǎng)阻力，因而物體都克服阻力做功，選項(xiàng)A正確。四個(gè)物體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，汽車是動(dòng)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，流星、降落傘、條形磁鐵是重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能或其他形式的能，總之是機(jī)械能轉(zhuǎn)化為其他形式的能，選項(xiàng)D正確。3.如圖所示，一個(gè)質(zhì)量為20kg的絕熱汽缸豎直放置，絕熱活塞的質(zhì)量為5kg，處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)被封閉氣體的高度為50cm?，F(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(guò)程中氣體的內(nèi)能增加了多少？(g取10m/s2，不考慮活塞的大氣壓力及摩擦阻力)解析：由能的轉(zhuǎn)化與守恒定律可知，內(nèi)能的增加等于活塞和物體重力勢(shì)能的減少，ΔU＝ΔE＝(M＋m)gh＝(15＋5)×10×(50－40)×10－2J＝20J。答案：20J1.如圖所示是密閉的汽缸，外力推動(dòng)活塞P壓縮氣體，對(duì)缸內(nèi)氣體做功800J，同時(shí)氣體向外界放熱200J，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：選A由W＋Q＝ΔU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(guān)，ΔU>0，故溫度升高。2．第一類永動(dòng)機(jī)是不可能制成的，這是因?yàn)榈谝活愑绖?dòng)機(jī)()A．不符合機(jī)械能守恒定律B．違背了能量守恒定律C．無(wú)法解決機(jī)械摩擦問題D．找不到合適的材料和合理的設(shè)計(jì)方案解析：選B第一類永動(dòng)機(jī)不可能制成，是因?yàn)樗`背了能量守恒定律。3．下列說(shuō)法正確的是()A．物體放出熱量，其內(nèi)能一定減小B．物體對(duì)外做功，其內(nèi)能一定減小C．物體吸收熱量，同時(shí)對(duì)外做功，其內(nèi)能可能增加D．物體放出熱量，同時(shí)對(duì)外做功，其內(nèi)能可能不變解析：選C由熱力學(xué)第一定律ΔU＝W＋Q可知，若物體放出熱量，外界對(duì)物體做正功，則ΔU不一定為負(fù)值，即內(nèi)能不一定減小，故A項(xiàng)錯(cuò)誤；同理可分析出，B項(xiàng)和D項(xiàng)錯(cuò)誤，C項(xiàng)正確。4．[多選](2016·全國(guó)卷Ⅲ)關(guān)于氣體的內(nèi)能，下列說(shuō)法正確的是()A．質(zhì)量和溫度都相同的氣體，內(nèi)能一定相同B．氣體溫度不變，整體運(yùn)動(dòng)速度越大，其內(nèi)能越大C．氣體被壓縮時(shí)，內(nèi)能可能不變D．一定量的某種理想氣體的內(nèi)能只與溫度有關(guān)E．一定量的某種理想氣體在等壓膨脹過(guò)程中，內(nèi)能一定增加解析：選CDE氣體的內(nèi)能由物質(zhì)的量、溫度和體積決定，質(zhì)量和溫度都相同的氣體，內(nèi)能可能不同，A錯(cuò)誤。內(nèi)能與物體的運(yùn)動(dòng)速度無(wú)關(guān)，B錯(cuò)誤。氣體被壓縮時(shí)，同時(shí)對(duì)外傳熱，根據(jù)熱力學(xué)第一定律知內(nèi)能可能不變，C正確。一定量的某種理想氣體的內(nèi)能只與溫度有關(guān)，D正確。根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，一定量的某種理想氣體在壓強(qiáng)不變的情況下，體積變大，則溫度一定升高，內(nèi)能一定增加，E正確。5.如圖所示為沖擊擺實(shí)驗(yàn)裝置，一水平飛行的子彈射入沙箱后與沙箱合為一體，共同擺起一定高度，在此過(guò)程中有關(guān)能量轉(zhuǎn)化的說(shuō)法中正確的是()A．子彈的動(dòng)能轉(zhuǎn)變成沙箱和子彈的內(nèi)能B．子彈的動(dòng)能轉(zhuǎn)變成沙箱和子彈的重力勢(shì)能C．子彈的動(dòng)能轉(zhuǎn)變成沙箱和子彈的動(dòng)能D．子彈的動(dòng)能一部分轉(zhuǎn)變成沙箱和子彈的內(nèi)能，另一部分轉(zhuǎn)變?yōu)樯诚浜妥訌椀臋C(jī)械能解析：選D子彈在射入沙箱瞬間，要克服摩擦阻力做功，有一部分動(dòng)能轉(zhuǎn)變成沙箱和子彈的內(nèi)能，一部分動(dòng)能變成沙箱和子彈的機(jī)械能，故D正確。6.[多選]如圖為某同學(xué)設(shè)計(jì)的噴水裝置，內(nèi)部裝有2L水，上部密封1atm的空氣0.5L，保持閥門關(guān)閉，再充入1atm的空氣0.1L，設(shè)在所有過(guò)程中空氣可看作理想氣體，且溫度不變，下列說(shuō)法正確的有()A．充氣后，密封氣體壓強(qiáng)增加B．充氣后，密封氣體的分子平均動(dòng)能增加C．打開閥門后，密封氣體對(duì)外界做正功D．打開閥門后，不再充氣也能把水噴光解析：選AC溫度不變，分子平均動(dòng)能不變，充氣后由于氣體的質(zhì)量增大，溫度、體積基本不變，氣體的壓強(qiáng)增大，選項(xiàng)A對(duì)、B錯(cuò)；打開閥門后，水減少，氣體膨脹，密封氣體對(duì)水做正功，選項(xiàng)C對(duì)；如果水全排出，氣體壓強(qiáng)為p3，p3(2＋0.5)＝p1(0.5＋0.1)得p3＝0.24p1＜p1，故不再充氣不能把水噴光，選項(xiàng)D錯(cuò)。7.如圖所示，一定質(zhì)量的理想氣體從狀態(tài)A經(jīng)等壓過(guò)程到狀態(tài)B。此過(guò)程中，氣體壓強(qiáng)p＝1.0×105Pa，吸收的熱量Q＝7.0×102J，求此過(guò)程中氣體內(nèi)能的增量。解析：一定質(zhì)量的理想氣體等壓變化，由蓋—呂薩克定律得，eq\f(VA,TA)＝eq\f(VB,TB)，則VB＝eq\f(VATB,TA)＝8.0×10－3m3。氣體對(duì)外做的功W＝p(VB－VA)＝2.0×102J，根據(jù)熱力學(xué)第一定律ΔU＝Q－W，解得ΔU＝5.0×102J。答案：ΔU＝5.0×102J8.如圖所示，兩個(gè)可導(dǎo)熱的汽缸豎直放置，它們的底部由一細(xì)管連通(忽略細(xì)管的容積)。兩汽缸各有一活塞，質(zhì)量分別為m1和m2，活塞與汽缸壁無(wú)摩擦。活塞的下方為理想氣體，上方為真空。當(dāng)氣體處于平衡狀態(tài)時(shí)，兩活塞位于同一高度h。(已知m1＝3m，m2＝2m)(1)在兩活塞上同時(shí)各放一質(zhì)量為m的物塊，求氣體再次達(dá)到平衡后兩活塞的高度差。(假定環(huán)境的溫度始終保持為T0)(2)在達(dá)到上一問終態(tài)后，環(huán)境溫度由T0緩慢上升到T，試問在這個(gè)過(guò)程中，氣體對(duì)活塞做了多少功？氣體是吸收還是放出了熱量？(假定在氣體狀態(tài)變化過(guò)程中，兩活塞均不會(huì)碰到汽缸頂部)解析：(1