第2、3節(jié) 熱力學(xué)第一定律 能量守恒定律

第2、3節(jié)熱力學(xué)第一定律能量守恒定律核心素養(yǎng)點(diǎn)擊物理觀念(1)知道人類對(duì)能量概念的逐步認(rèn)識(shí)過(guò)程。(2)理解能量守恒定律，知道能量守恒是自然界普遍遵從的基本規(guī)律。(3)知道第一類永動(dòng)機(jī)是不可能實(shí)現(xiàn)的?？茖W(xué)思維(1)能以系統(tǒng)為研究對(duì)象，用綜合分析的方法推導(dǎo)出熱力學(xué)第一定律。(2)能運(yùn)用熱力學(xué)第一定律解釋和計(jì)算能量的轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)移問(wèn)題。科學(xué)探究探究能量的轉(zhuǎn)化過(guò)程和總量的變化情況。科學(xué)態(tài)度與責(zé)任(1)理解能量和能量守恒觀念對(duì)世界統(tǒng)一性的意義。(2)體會(huì)科學(xué)探索中的挫折和失敗對(duì)科學(xué)發(fā)展的意義。一、熱力學(xué)第一定律1．填一填(1)改變內(nèi)能的兩種方式：做功和

都可以改變物體的內(nèi)能，而且這兩種方式是

的。(2)單純地對(duì)系統(tǒng)做功時(shí)內(nèi)能的變化量與功的關(guān)系：ΔU＝W。(3)單純地對(duì)系統(tǒng)傳熱時(shí)，內(nèi)能的變化量與傳遞熱量的關(guān)系：ΔU＝Q。(4)當(dāng)外界既對(duì)系統(tǒng)做功又對(duì)系統(tǒng)傳熱時(shí)，內(nèi)能的變化量：ΔU＝Q＋W。(5)熱力學(xué)第一定律的內(nèi)容一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)能變化量等于外界向它傳遞的熱量與外界對(duì)它所做的功的和。傳熱等價(jià)2．判一判(1)外界對(duì)系統(tǒng)做功，系統(tǒng)的內(nèi)能一定增加。

(

)(2)系統(tǒng)內(nèi)能增加，一定是系統(tǒng)從外界吸收熱。

(

)(3)系統(tǒng)從外界吸收熱量5J，內(nèi)能可能增加5J。

(

)(4)系統(tǒng)內(nèi)能減少，一定是系統(tǒng)對(duì)外界做功。

(

)××√×3．想一想快速推動(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)明做功和傳熱在改變物體內(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。二、能量守恒定律1．填一填(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

為其他形式，或者從一個(gè)物體

到別的物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過(guò)程中，能量的總量

。(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。(3)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

的機(jī)器。②第一類永動(dòng)機(jī)不可能制成的原因：違背了

。轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)移保持不變相互轉(zhuǎn)化能量守恒定律對(duì)外做功能量守恒定律2．判一判(1)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。

(

)(2)功和能可以相互轉(zhuǎn)化。

(

)(3)第一類永動(dòng)機(jī)不能制成，是因?yàn)樗`背了能量守恒定律。

(

)(4)某個(gè)物體的能量減少，必然有其他物體的能量增加。

(

)××√√3．選一選“第一類永動(dòng)機(jī)”是不可能制成的，這是因?yàn)? (

)A．它不符合機(jī)械能守恒定律B．它違背了能量守恒定律C．它做功產(chǎn)生的熱不符合熱功當(dāng)量D．暫時(shí)找不到合理的設(shè)計(jì)方案和理想材料解析：第一類永動(dòng)機(jī)不可能制成的原因是違背了能量守恒定律，故B項(xiàng)正確。答案：B探究(一)熱力學(xué)第一定律的理解及應(yīng)用[問(wèn)題驅(qū)動(dòng)]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(qǐng)?jiān)趫D像基礎(chǔ)上思考以下問(wèn)題：(1)在變化過(guò)程中是氣體對(duì)外做功，還是外界對(duì)氣體做功？提示：由圖可知，氣體的變化為等壓膨脹，一定是氣體對(duì)外做功。(2)在變化過(guò)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？提示：由日常經(jīng)驗(yàn)可知，理想氣體在等壓膨脹過(guò)程中需要從外界吸收熱量。由蓋—呂薩克定律可知，理想氣體在等壓膨脹過(guò)程中溫度升高，內(nèi)能一定增加。[重難釋解]1．公式ΔU＝Q＋W中符號(hào)的規(guī)定2.三種特殊情況(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)。符號(hào)QWΔU＋物體吸熱外界對(duì)物體做功內(nèi)能增加－物體放熱物體對(duì)外界做功內(nèi)能減少3．判斷是否做功的方法一般情況下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。一定質(zhì)量的實(shí)際氣體從外界吸收了4.2×105J的熱量，同時(shí)氣體對(duì)外做了6×105J的功，問(wèn)：(1)氣體的內(nèi)能是增加還是減少？變化量是多少？(2)分子勢(shì)能是增加還是減少？(3)分子的平均動(dòng)能是增加還是減少？[解析]

(1)氣體從外界吸熱，故Q＝4.2×105J，氣體對(duì)外做功，故W＝－6×105J，由熱力學(xué)第一定律有ΔU＝W＋Q＝(－6×105J)＋(4.2×105J)＝－1.8×105J。ΔU為負(fù)，說(shuō)明氣體的內(nèi)能減少了，所以氣體內(nèi)能減少了1.8×105J。(2)因?yàn)闅怏w對(duì)外做功，所以氣體的體積膨脹，分子間的距離增大了，分子力做負(fù)功，氣體分子勢(shì)能增加。(3)因?yàn)闅怏w內(nèi)能減少，同時(shí)氣體分子勢(shì)能增加，說(shuō)明氣體分子的平均動(dòng)能一定減少。[答案]

(1)減少1.8×105J

(2)增加(3)減少應(yīng)用熱力學(xué)第一定律解題的方法(1)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)及其意義。1．對(duì)于自熱米飯很多人還不是很了解，自熱米飯盒內(nèi)有一個(gè)發(fā)熱包，遇水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生大量熱能，不需要明火，溫度可超過(guò)100℃，蓋上盒蓋便能在10～15分鐘內(nèi)迅速加熱食品。自熱米飯的蓋子上有一個(gè)透氣孔，如果透氣孔堵塞，容易造成小型爆炸。有關(guān)自熱米飯盒爆炸的說(shuō)法，正確的是

(

)A．自熱米飯盒爆炸，是盒內(nèi)氣體溫度升高，氣體分子間斥力急劇增大的結(jié)果B．在自熱米飯盒爆炸的瞬間，盒內(nèi)氣體內(nèi)能增加C．在自熱米飯盒爆炸的瞬間，盒內(nèi)氣體溫度降低D．自熱米飯盒爆炸前，盒內(nèi)氣體溫度升高，標(biāo)志著每一個(gè)氣體分子速率都增大了[素養(yǎng)訓(xùn)練]解析：自熱米飯盒爆炸前，盒內(nèi)氣體溫度升高，由分子動(dòng)理論知，體積不變，氣體分子間作用力忽略不計(jì)，分子間的作用力不變，故A錯(cuò)誤；根據(jù)熱力學(xué)第一定律，爆裂前氣體溫度升高，內(nèi)能增大，突然爆裂的瞬間氣體對(duì)外界做功，其內(nèi)能減少，溫度也會(huì)有所下降，故B錯(cuò)誤，C正確；自熱米飯盒爆炸前，盒內(nèi)氣體溫度升高，分子平均動(dòng)能增加，但并不是每一個(gè)氣體分子速率都增大，故D錯(cuò)誤。答案：C2．(2022·全國(guó)甲卷)(多選)一定量理想氣體從狀態(tài)a變化到狀態(tài)b，其過(guò)程如p

－T圖上從a到b的線段所示。在此過(guò)程中

(

)A．氣體一直對(duì)外做功B．氣體的內(nèi)能一直增加C．氣體一直從外界吸熱D．氣體吸收的熱量等于其對(duì)外做的功E．氣體吸收的熱量等于其內(nèi)能的增加量3．某容器中的空氣被光滑活塞封住，容器和活塞絕熱性能良好，空氣可視為理想氣體。初始時(shí)容器中空氣的溫度與外界相同，壓強(qiáng)大于外界?，F(xiàn)使活塞緩慢移動(dòng)，直至容器中的空氣壓強(qiáng)與外界相同。此時(shí)，容器中空氣的溫度______(填“高于”“低于”或“等于”)外界溫度，容器中空氣的密度________(填“大于”“小于”或“等于”)外界空氣的密度。解析：活塞光滑、容器絕熱，可知容器中空氣與外界不發(fā)生熱交換，即Q＝0，容器內(nèi)空氣體積增大，對(duì)外做功，即W<0，由ΔU＝W＋Q知，氣體內(nèi)能減少，溫度降低。氣體的壓強(qiáng)與溫度和單位體積內(nèi)的分子數(shù)有關(guān)，由于容器內(nèi)空氣的溫度低于外界溫度，但壓強(qiáng)相同，則容器中空氣的密度大于外界空氣的密度。答案：低于大于探究(二)對(duì)能量守恒定律的理解[問(wèn)題驅(qū)動(dòng)]

有一種所謂“全自動(dòng)”機(jī)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。討論：(1)這是不是一種永動(dòng)機(jī)？提示：這不是永動(dòng)機(jī)。(2)如果不是，維持表針走動(dòng)的能量是從哪兒來(lái)的？提示：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，供手表發(fā)條做機(jī)械運(yùn)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)。[重難釋解]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。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(méi)有條件的，它是一切自然現(xiàn)象都遵守的基本規(guī)律。3．能量守恒定律中的“轉(zhuǎn)化”和“轉(zhuǎn)移”(1)某種形式的能量減少，一定有其他形式的能量增加，且減少量和增加量一定相等。(2)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。4．第一類永動(dòng)機(jī)失敗的原因分析如果沒(méi)有外界熱源供給熱，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。如圖所示，直立容器的內(nèi)部有被隔板隔開(kāi)的A、B兩部分氣體，A的密度小，B的密度大。抽去隔板，加熱氣體，使兩部分氣體均勻混合。設(shè)在此過(guò)程中氣體吸收的熱量為Q，氣體內(nèi)能的增量為ΔE，則

(

)A．ΔE＝Q

B．ΔE<QC．ΔE>Q D．ΔE＝0[解析]

抽去隔板，加熱氣體，使兩部分氣體均勻分布，其重心升高，重力勢(shì)能增加，由能量守恒定律知，氣體吸收的熱量一部分用來(lái)克服重力做功，一部分用于增加氣體的內(nèi)能，所以內(nèi)能的增量小于吸收的熱量，故選項(xiàng)B正確。[答案]

B利用能量守恒定律解決問(wèn)題時(shí)，首先應(yīng)明確題目中涉及哪幾種形式的能量，其次分析哪種能量增加了，哪種能量減少了，確定研究的系統(tǒng)后，用能量守恒的觀點(diǎn)求解。

[素養(yǎng)訓(xùn)練]1．“第一類永動(dòng)機(jī)”是不可能制成的，這是因?yàn)樗?/p>

(

)A．不符合熱力學(xué)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(shè)計(jì)方案解析：第一類永動(dòng)機(jī)是不可能制成的，因?yàn)樗`背了能量守恒定律，即熱力學(xué)第一定律，故A正確，B、C、D錯(cuò)誤。答案：A2．(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；條形磁體在下落過(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：這四個(gè)現(xiàn)象中物體運(yùn)動(dòng)過(guò)程都受到阻力作用，汽車主要是制動(dòng)阻力，流星、降落傘是空氣阻力，條形磁體下落主要是受到磁場(chǎng)阻力，因而物體都克服阻力做功，故A正確；四個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，汽車是動(dòng)能轉(zhuǎn)化成了其他形式的能，流星、降落傘、條形磁鐵是重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化成其他形式的能，總之是機(jī)械能轉(zhuǎn)化成了其他形式的能，故D正確，B、C錯(cuò)誤。答案：AD

3．下列有關(guān)能量的描述正確的是

(

)A．“既要馬兒跑得快，又要馬兒不吃草”違背了能量守恒定律B．工作中的電風(fēng)扇，消耗的電能大于輸出的機(jī)械能，該過(guò)程能量不守恒C．滑塊在粗糙的水平面上減速滑行，最終停了下來(lái)，動(dòng)能消失，能量不守恒D．同時(shí)做自由落體運(yùn)動(dòng)的物體，質(zhì)量越大，勢(shì)能減少越快，機(jī)械能減少也越快解析：馬兒跑的時(shí)候需要消耗能量，而草能夠?yàn)轳R兒提供能量，因此“既要馬兒跑得快，又要馬兒不吃草”違背了能量守恒定律，故A正確；工作中的電風(fēng)扇，消耗的電能大于輸出的機(jī)械能，損失的電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，該過(guò)程能量仍守恒，故B錯(cuò)誤；滑塊在粗糙的水平面上減速滑行，最終停了下來(lái)，減小的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，能量守恒，故C錯(cuò)誤；同時(shí)做自由落體運(yùn)動(dòng)的物體，運(yùn)動(dòng)的快慢與質(zhì)量無(wú)關(guān)，減少的勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，機(jī)械能不變，故D錯(cuò)誤。答案：A

一、培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新思維(選自魯科版新教材“物理聊吧”)如圖是歷史上曾經(jīng)出現(xiàn)的幾種永動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)方案示意圖：圖(a)是想利用短桿上的重球產(chǎn)生的作用，使輪子不停地轉(zhuǎn)動(dòng)；圖(b)是想利用像燈芯那樣的棉線把水吸到高處，再流下沖擊輪子的葉片，使輪子不停地轉(zhuǎn)動(dòng)；圖(c)是想利用重物在水中受浮力作用而上升，帶動(dòng)輪子不停地轉(zhuǎn)動(dòng)。請(qǐng)仔細(xì)分析這些永動(dòng)機(jī)的設(shè)想，指出它們不可能實(shí)現(xiàn)的原因。提示：圖(a)設(shè)計(jì)，利用了杠桿的原理，認(rèn)為左側(cè)球的力臂長(zhǎng)，力矩大，右側(cè)球的力臂短，力矩小，故輪能逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)際上，左側(cè)球不如右側(cè)球數(shù)量多，左、右力矩平衡，輪子不可能永遠(yuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。圖(b)設(shè)計(jì)，利用棉線吸水到高處，水流下時(shí)推動(dòng)輪子上的葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)際上棉線吸水是由于水的表面張力，當(dāng)棉線吸水后，表面張力等于水的重力和摩擦阻力時(shí)，吸水停止，上邊的水流完后，輪子也就不再轉(zhuǎn)動(dòng)了。圖(c)設(shè)計(jì)，右邊的物體浸在水中，受浮力作用，推動(dòng)右側(cè)重物上升，左側(cè)重物下降，帶動(dòng)輪子不停地轉(zhuǎn)動(dòng)。實(shí)際上，上面的重物漏出水面，下面的重物進(jìn)入右側(cè)容器時(shí)，就是不考慮漏水的技術(shù)問(wèn)題，還應(yīng)考慮下面進(jìn)入的重物要承受上面水的壓力，這個(gè)壓力很大，可抵消上面幾個(gè)球所受的浮力，因此，這個(gè)永動(dòng)機(jī)也就無(wú)法永動(dòng)了。二、注重學(xué)以致用和思維建模1．

(多選)某?！翱苿?chuàng)社”在學(xué)校足球場(chǎng)進(jìn)行水火箭發(fā)射、航模飛行等展示活動(dòng)。此次活動(dòng)激起該校師生在工作和學(xué)習(xí)之余的科技創(chuàng)新熱情。水火箭是一種以水的壓力推進(jìn)的模型火箭，是利用廢棄的飲料瓶制作成動(dòng)力艙、箭體、箭頭、尾翼、降落傘的，灌入三分之一的水，利用打氣筒充入空氣到達(dá)一定的壓力后噴水獲得反沖力而發(fā)射。在噴水過(guò)程可以認(rèn)為瓶?jī)?nèi)氣體與外界絕熱，則在噴水階段有

(

)A．瓶?jī)?nèi)氣體體積增大，外界對(duì)氣體做正功B．瓶?jī)?nèi)氣體內(nèi)能減小，溫度降低C．噴水階段機(jī)械能轉(zhuǎn)換為內(nèi)能D．瓶?jī)?nèi)氣體壓強(qiáng)減小，即瓶?jī)?nèi)壁單位面積上所受氣體分子撞擊的作用力減小解析：在噴水過(guò)程中，瓶?jī)?nèi)氣體體積增大，氣體對(duì)外界做功，W<0，故A錯(cuò)誤；在噴水過(guò)程中，瓶?jī)?nèi)氣體與外界絕熱，Q＝0，由熱力學(xué)第一定律ΔU＝W＋Q可知，瓶?jī)?nèi)氣體內(nèi)能減小，溫度降低，故B正確；噴水階段氣體內(nèi)能減小，而物體運(yùn)動(dòng)，機(jī)械能增加，所以內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，故C錯(cuò)誤；瓶?jī)?nèi)氣體壓強(qiáng)減小，即瓶?jī)?nèi)壁單位面積上所受氣體分子撞擊的作用力減小，故D正確。答案：BD2．目前，共享單車作為綠色出行的交通工具，已成為時(shí)尚。甲、乙兩種共享單車都采用了電子鎖，車鎖內(nèi)集成了GPS模塊