第1、2節(jié)　熱力學(xué)第一定律　能量的轉(zhuǎn)化與守恒

第3章|熱力學(xué)定律第1、2節(jié)熱力學(xué)第一定律能量的轉(zhuǎn)化與守恒核心素養(yǎng)點擊物理觀念1.知道熱力學(xué)第一定律的內(nèi)容。2.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原理。3.知道第一類永動機是不可能實現(xiàn)的。科學(xué)思維能運用熱力學(xué)第一定律解釋和計算能量的轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)移問題。科學(xué)探究探究能量的轉(zhuǎn)化過程和總量的變化情況?？茖W(xué)態(tài)度與責任1.理解能量和能量守恒觀念對世界統(tǒng)一性的意義。2.體會科學(xué)探索中的挫折和失敗對科學(xué)發(fā)現(xiàn)的意義，知道科學(xué)發(fā)現(xiàn)需要科學(xué)家共同努力。1．填一填(1)改變物體內(nèi)能的兩種方式：

和

。(2)功、熱量和內(nèi)能改變的關(guān)系①如果物體與外界無熱傳遞，外界對物體做功，物體的內(nèi)能

；物體對外做功，物體的內(nèi)能

。②如果物體既不對外做功，外界也不對物體做功，則物體從外界吸收熱量時，它的內(nèi)能

；物體向外放出熱量時，它的內(nèi)能

。做功熱傳遞增加減少增加減少(3)熱力學(xué)第一定律①內(nèi)容：物體內(nèi)能的改變量ΔU等于外界對物體所做的

與物體從外界吸收的

之和。②表達式：ΔU＝

。2．判一判(1)外界對系統(tǒng)做功，系統(tǒng)的內(nèi)能一定增加。

(

)(2)系統(tǒng)內(nèi)能增加一定是因為系統(tǒng)從外界吸收熱量。

(

)(3)系統(tǒng)從外界吸收熱量5J，同時對外做功5J，則內(nèi)能保持不變。

(

)功W熱量QQ＋W××√3．想一想一定質(zhì)量的理想氣體，做等壓膨脹，在變化過程中是氣體對外做功，還是外界對氣體做功？在變化過程中氣體吸熱，還是向外放熱？氣體內(nèi)能增加了，還是減少了？提示：氣體的變化為等壓膨脹，一定是氣體對外做功；理想氣體在等壓膨脹過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程中溫度升高，內(nèi)能一定增加。1．填一填(1)定義：不用消耗任何

而能永遠對外

的機器，稱為第一類永動機。(2)第一類永動機不可能實現(xiàn)的原因是：違背了

。2．判一判(1)不消耗任何能量而能永遠對外做功的機器就是第一類永動機。

(

)(2)隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們已經(jīng)制成了多種類型的永動機。

(

)能量做功熱力學(xué)第一定律√×3．選一選第一類永動機是不可能制成的，這是因為

(

)A．不符合機械能守恒定律B．違背了熱力學(xué)第一定律C．制造永動機的技術(shù)不過關(guān)D．無法解決機械摩擦問題解析：第一類永動機違背了熱力學(xué)第一定律，是不可能實現(xiàn)的，選項B正確。答案：B

1．填一填(1)邁爾的發(fā)現(xiàn)：德國醫(yī)生邁爾從理論上具體地論證了機械能、內(nèi)能、化學(xué)能、電磁能等都可以相互轉(zhuǎn)化。提出了物理、化學(xué)過程中

的思想。(2)焦耳的研究①確定了電能向內(nèi)能轉(zhuǎn)化的

關(guān)系。②用了近40年的時間，不懈地鉆研

問題，為能量守恒定律提供了無可置疑的證據(jù)。(3)亥姆霍茲的貢獻①亥姆霍茲的論文《論力的守恒》，從理論上把力學(xué)中的能量守恒原理推廣到熱、光、電、磁、化學(xué)反應(yīng)等過程，揭示了它們之間的

。②他還將能量守恒原理與

不可能實現(xiàn)相提并論。能量守恒定量熱功轉(zhuǎn)換統(tǒng)一性永動機2．判一判(1)焦耳提出了物理、化學(xué)過程中能量守恒的思想。

(

)(2)邁爾用了近40年的時間鉆研熱功轉(zhuǎn)換的問題。

(

)(3)亥姆霍茲從理論上對能量守恒定律進行了重要的概括。

(

)××√3．想一想說出下列過程中是什么能量轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。(1)物體沿粗糙斜面下滑；(2)變壓器發(fā)熱；(3)汽油機內(nèi)氣體燃燒后變成高溫氣體；(4)車刀切下熾熱鐵屑。提示：(1)物體沿粗糙斜面下滑，克服摩擦力做功，機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；(2)電流通過變壓器線圈發(fā)熱，電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；(3)氣體(燃料)燃燒后變成高溫氣體，化學(xué)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；(4)車刀切下熾熱的鐵屑，克服摩擦力做功，機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。1．填一填(1)能量守恒定律：能量既不會

，也不會

，它只能從一種形式

為其他形式，或者從一個物體

到其他物體，而能量的總值

。(2)意義：揭示了自然科學(xué)各個分支之間的

，是自然界內(nèi)在統(tǒng)一性的第一個有力證據(jù)。(3)應(yīng)用①各種形式的能可以相互轉(zhuǎn)化。在能量轉(zhuǎn)化過程中總伴有

的產(chǎn)生。②各種互不相關(guān)的物理現(xiàn)象，可以用

聯(lián)系在一起。③熱力學(xué)第一定律就是能量守恒定律在

領(lǐng)域內(nèi)的具體體現(xiàn)。消失創(chuàng)生轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)移保持不變普遍聯(lián)系內(nèi)能能量守恒定律熱現(xiàn)象2．判一判(1)運動的物體在阻力作用下會停下來，說明機械能憑空消失了。

(

)(2)某個物體的能量減少，必然有其他物體的能量增加。

(

)(3)自由擺動的秋千擺動幅度越來越小，減少的機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，但總能量守恒。(

)3．想一想有一種所謂“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，維持表針走動的能量是從哪兒來的？提示：這不是永動機；手表戴在手腕上，通過手臂的運動，機械手表獲得能量，供手表發(fā)條做機械運動。若將此手表長時間放置不動，它就會停下來?！痢獭倘鐖D為某種椅子與其升降部分的結(jié)構(gòu)示意圖，M、N兩筒間密閉了一定質(zhì)量的氣體，M可沿N的內(nèi)壁上下滑動。(1)密閉的氣體遵循什么規(guī)律？提示：密閉的氣體遵循熱力學(xué)第一定律。(2)設(shè)筒內(nèi)氣體不與外界發(fā)生熱交換，在M向下滑動的過程中內(nèi)能如何變化？提示：筒內(nèi)氣體不與外界發(fā)生熱交換，M向下滑的過程中，外界對氣體做功，由熱力學(xué)第一定律可知氣體內(nèi)能增大。

[重難釋解]1．對熱力學(xué)第一定律的理解(1)熱力學(xué)第一定律不僅反映了做功和熱傳遞這兩種改變內(nèi)能的過程是等效的，而且給出了內(nèi)能的變化量和做功與熱傳遞之間的定量關(guān)系。(2)定律的表達式ΔU＝Q＋W是標量式。(3)應(yīng)用時各量的單位應(yīng)統(tǒng)一為國際單位焦耳。2．公式ΔU＝Q＋W中符號的規(guī)定符號WQΔU＋外界對系統(tǒng)做功系統(tǒng)吸收熱量內(nèi)能增加－系統(tǒng)對外界做功系統(tǒng)放出熱量內(nèi)能減少[解析]

(1)根據(jù)熱力學(xué)第一定律表達式中的符號法則，知Q＝2.6×105J，ΔU＝4.2×105J。由ΔU＝W＋Q，則W＝ΔU－Q＝4.2×105J－2.6×105J＝1.6×105J，W>0，說明是外界對氣體做了功。(2)Q＝3.5×105J，W＝－2.3×105J，則ΔU＝Q＋W＝1.2×105J，ΔU為正值，說明氣體的內(nèi)能增加1.2×105J。[答案]

(1)外界對氣體做了功，1.6×105J(2)氣體的內(nèi)能增加1.2×105

J應(yīng)用熱力學(xué)第一定律解題的一般步驟(1)首先選定研究對象是哪個物體或哪個熱力學(xué)系統(tǒng)。(2)根據(jù)符號法則寫出各已知量(W、Q、ΔU)的正、負。(3)根據(jù)方程ΔU＝W＋Q求出未知量。(4)再根據(jù)未知量結(jié)果的正、負來確定吸熱、放熱情況或做功情況。[素養(yǎng)訓(xùn)練]1．(多選)下列過程，可能發(fā)生的是

(

)A．物體吸收熱量，對外做功，同時內(nèi)能增加B．物體吸收熱量，對外做功，同時內(nèi)能減少C．外界對物體做功，同時物體吸熱，內(nèi)能減少D．外界對物體做功，同時物體放熱，內(nèi)能增加解析：根據(jù)熱力學(xué)第一定律ΔU＝W＋Q，做功和熱傳遞都可以改變物體的內(nèi)能，故由此可確定A、B、D正確，C錯誤。答案：ABD

2．下列說法正確的是

(

)A．物體放出熱量，其內(nèi)能一定減少B．物體對外做功，其內(nèi)能一定減少C．物體吸收熱量，同時對外做功，其內(nèi)能可能增加D．物體放出熱量，同時對外做功，其內(nèi)能可能不變解析：根據(jù)熱力學(xué)第一定律(公式ΔU＝Q＋W)可知，做功和熱傳遞都可以改變物體的內(nèi)能，當外界對物體做的功大于物體放出的熱量或物體吸收的熱量大于物體對外界做的功時，物體的內(nèi)能增加，選項A、B錯誤，選項C正確；物體放出熱量的同時對外做功，則Q＋W<0，內(nèi)能減少，選項D錯誤。答案：C

3．一定質(zhì)量的理想氣體，從某一狀態(tài)開始，經(jīng)過一系列變化后又回到開始的狀態(tài)，用W1表示外界對氣體做的功，W2表示氣體對外界做的功，Q1表示氣體吸收的熱量，Q2表示氣體放出的熱量，則在整個過程中一定有

(

)A．Q1－Q2＝W2－W1

B．Q1＝Q2C．W1＝W2 D．Q1>Q2解析：因為該氣體從某一狀態(tài)開始，經(jīng)過一系列變化后又回到開始的狀態(tài)，所以內(nèi)能沒有變化，ΔU＝0。根據(jù)熱力學(xué)第一定律可知W1－W2＋Q1－Q2＝ΔU＝0，即Q1－Q2＝W2－W1，故A正確。答案：A

如圖所示，輪胎在太陽的暴曬下，突然爆破。假設(shè)輪胎爆破的過程中，輪胎內(nèi)氣體體積不變，則(1)外界對輪胎內(nèi)的氣體做功如何？提示：輪胎內(nèi)氣體體積不變，外界既不對氣體做功，氣體也不對外界做功。(2)氣體內(nèi)能如何變化？提示：氣體吸收熱量，內(nèi)能增加。

[重難釋解]1．理想氣體內(nèi)能變化ΔU(1)理想氣體的內(nèi)能只包含分子動能，當理想氣體的量為定值時內(nèi)能僅取決于溫度。當溫度升高時，內(nèi)能增加，ΔU取正值；當溫度降低時，內(nèi)能減少，ΔU取負值。(2)當理想氣體經(jīng)歷等溫過程時，內(nèi)能不變，熱力學(xué)第一定律方程可簡化為Q＝－W。2．理想氣體吸放熱Q(1)當理想氣體吸熱時，Q取正值；當理想氣體放熱時，Q取負值。(2)當理想氣體經(jīng)歷絕熱過程時，吸放熱為零，熱力學(xué)第一定律方程可簡化為ΔU＝W。3．理想氣體做功W(1)氣體壓強p恒定時，氣體做功大小計算公式W＝pΔV，當理想氣體體積減小時，W取正值；當理想氣體體積增大時，W取負值。(2)當理想氣體經(jīng)歷等容過程時，做功為零，熱力學(xué)第一定律方程可簡化為ΔU＝Q。(3)氣體自由膨脹時體積雖然增大但對外界做功為零。等壓過程中熱力學(xué)第一定律的用法(1)等壓過程中，可以應(yīng)用W＝pΔV計算功。(2)氣體體積增大時，氣體對外做功，體積減小時，外界對氣體做功。[素養(yǎng)訓(xùn)練]1．(多選)如圖，一開口向上的導(dǎo)熱氣缸內(nèi)，用活塞封閉了一定質(zhì)量的理想氣體，活塞與氣缸壁間無摩擦。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(nèi)能增加B．氣體壓強逐漸增大，內(nèi)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(nèi)能不變解析：環(huán)境溫度保持不變，導(dǎo)熱氣缸內(nèi)理想氣體的溫度不變，內(nèi)能不變，A錯誤；在活塞下降過程中，氣體體積逐漸減小，由p1V1＝p2V2可知，氣體壓強逐漸增大，B正確；氣體體積逐漸減小，外界對氣體做功，而內(nèi)能不變，由熱力學(xué)第一定律可知，氣體放出熱量，C、D正確。答案：BCD

2.

(2022·湖北高考)一定質(zhì)量的理想氣體由狀態(tài)a變?yōu)闋顟B(tài)c，其過程如p

－V圖中a→c直線段所示，狀態(tài)b對應(yīng)該線段的中點。下列說法正確的是

(

)A．a(chǎn)→b是等溫過程B．a(chǎn)→b過程中氣體吸熱C．a(chǎn)→c過程中狀態(tài)b的溫度最低D．a(chǎn)→c過程中外界對氣體做正功3．在一個標準大氣壓下，水在沸騰時，1g的水由液態(tài)變成同溫度的水蒸氣，其體積由1.043cm3變?yōu)?676cm3。已知水的汽化熱為2263.8J/g。求：(1)體積膨脹時氣體對外界做的功W；(2)氣體吸收的熱量Q；(3)氣體增加的內(nèi)能ΔU。解析：取1g水為研究對象，把大氣視為外界，1g沸騰的水變成同溫度的水蒸氣需要吸收熱量，同時由于體積膨脹，系統(tǒng)要對外做功。(1)氣體在等壓(大氣壓)下膨脹做功：W＝p(V2－V1)＝1.0×105×(1676－1.043)×10－6J≈167.5J。(2)氣體吸熱：Q＝mL＝1×2263.8J＝2263.8J。(3)根據(jù)熱力學(xué)第一定律：ΔU＝Q－W＝2263.8J－167.5J＝2096.3J。答案：(1)167.5J

(2)2263.8J

(3)2096.3J自由擺動的秋千擺動幅度越來越小，最終停下來，在此過程中涉及哪些能量的轉(zhuǎn)化？停下來時原來的能量消失了嗎？提示：涉及動能與重力勢能的相互轉(zhuǎn)化，機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，秋千的能量并沒有消失，而是最終轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。

[重難釋解]1．自然界中的運動形式多種多樣不同的運動形式對應(yīng)不同的能量，例如：(1)物體運動——機械能(2)分子熱運動——內(nèi)能(3)電荷和電場——電勢能2．不同形式能量之間的轉(zhuǎn)化(1)摩擦生熱——機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能(2)水蒸氣將壺蓋頂起——內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能(3)用電爐子加熱——電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能3．太陽能的轉(zhuǎn)化[解析]

當返回艙進入地球大氣層后，受地球引力的作用，會越落越快，該過程中返回艙的高度降低，速度變大，所以能量轉(zhuǎn)化應(yīng)是重力勢能轉(zhuǎn)化為動能；由于進入大氣層，當返回艙快速下落時，與空氣發(fā)生摩擦，返回艙克服空氣摩擦做功，使其內(nèi)能增加，所以此過程是動能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，故A正確。[答案]

A能量的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移

(1)轉(zhuǎn)化：某種形式的能量減少，一定存在其他形式的能量增加，且減少量和增加量相等。(2)轉(zhuǎn)移：某個物體的能量減少，一定存在其他物體的能量增加，且減少量和增加量相等。[素養(yǎng)訓(xùn)練]1．下列關(guān)于能量轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象的說法中，正確的是

(

)A．用太陽灶燒水是太陽能轉(zhuǎn)化為電能B．電燈發(fā)光是電能轉(zhuǎn)化為光能C．核電站發(fā)電是電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能D．生石灰放入盛有涼水的燒杯里，水溫升高是動能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能解析：太陽灶燒水是光能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，電燈發(fā)光是電能轉(zhuǎn)化為光能，核電站發(fā)電是核能轉(zhuǎn)化為電能，生石灰放入涼水中是化學(xué)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，故選項B正確，A、C、D錯誤。答案：B

2．一個鐵塊沿斜面勻速滑下，關(guān)于鐵塊的機械能和內(nèi)能的變化，下列判斷中正確的是

(

)A．鐵塊的機械能和內(nèi)能都不變

B．鐵塊的機械能減少，內(nèi)能不變C．鐵塊的機械能增加，內(nèi)能增加

D．鐵塊的機械能減少，內(nèi)能增加解析：鐵塊沿斜面勻速下滑時，動能不變，勢能減少，所以鐵塊的機械能一定減少。鐵塊沿斜面能勻速滑下，斜面一定是不光滑的，鐵塊下滑時克服摩擦力做功，鐵塊損失的機械能轉(zhuǎn)化為鐵塊和斜面的內(nèi)能，因此鐵塊的溫度會略有升高，內(nèi)能增加。故選項D正確，A、B、C錯誤。

答案：D

[重難釋解]1．對能量守恒定律的理解(1)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。(2)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．與某種運動形式對應(yīng)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(nèi)能減少，即U2＜U1，則W＜0，系統(tǒng)對外做功是要以內(nèi)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。能量守恒定律的應(yīng)用技巧(1)能量守恒定律是自然界中一個最基本的規(guī)律，同時，它又可以與很多其他物理規(guī)律(如：平拋運動、碰撞、圓周運動等)結(jié)合，解決一些綜合性很強的題目。(2)解決這類題目應(yīng)明確研究過程中哪些能量發(fā)生了轉(zhuǎn)化、各種能量的表達形式，然后由相應(yīng)物理規(guī)律結(jié)合能量守恒定律求解。[素養(yǎng)訓(xùn)練]1.按壓式圓珠筆內(nèi)裝有一根小彈簧，尾部有一個小帽，壓一下小帽，筆尖就伸出來。如圖所示，使筆的尾部朝下，將筆向下按到最低點，使小帽縮進，然后放手，筆將向上彈起至一定的高度。忽略摩擦和空氣阻力，筆從最低點運動至最高點的過程中

(

)A．筆的動能一直增大

B．筆的重力勢能與彈簧的彈性勢能總和一直減小C．彈簧的彈性勢能減少量等于筆的動能增加量D．彈簧彈性勢能減少量等于筆的重力勢能增加量解析：開始時彈力大于筆的重力，則筆向上做加速運動；當彈力等于重力時加速度為零，速度最大；然后彈力小于重力，筆向上做減速運動，當筆離開桌面時將做豎直上拋運動，直到速度減為零到達最高點，筆的動能先增大后減小，A錯誤；因只有彈力和重力做功，則筆的重力勢能、動能和彈簧的彈性勢能守恒，因動能先增大后減小，則筆的重力勢能與彈簧的彈性勢能總和先減小后增大，B錯誤；因整個過程中初、末動能相同，動能改變量為零，則彈簧的彈性勢能減少量等于筆的重力勢能增加量，C錯誤，D正確。答案：D

2．風(fēng)沿水平方向以速度v垂直吹向一直徑為d的風(fēng)車葉輪，設(shè)空氣密度為ρ，風(fēng)的動能有50%轉(zhuǎn)化為風(fēng)車的動能，風(fēng)車帶動水車將水提高h的高度，效率為80%。求時間t內(nèi)最多可提升的水的質(zhì)量。一、培養(yǎng)創(chuàng)新意識和創(chuàng)新思維(選自人教版新教材課后練習(xí))下面的設(shè)想符合能量守恒定律嗎？請簡述理由。(1)利用永久磁鐵間的作用力，造一臺永遠轉(zhuǎn)動的機械。(2)造一條沒有動力系統(tǒng)的船在水面上行駛。(3)通過太陽照射飛機，使飛機不帶燃料也能飛行。提示：(1)不符合。永動機不能制成的原因是違背了能量守恒定律。(2)符合。船在水面上行駛可以用水能提供能量。(3)符合。可以使太陽能提供飛行需要的能量。二、注重學(xué)以致用和思維建模1．(多選)某?！翱苿?chuàng)社”在學(xué)校足球場進行水火箭發(fā)射、航模飛行等展示活動。此次活動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的模型火箭，是利用廢棄的飲料瓶制作成動力艙、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一定的壓力后噴水獲得反沖力而發(fā)射。在噴水過程可以認為瓶內(nèi)氣體與外界絕熱，則在噴水階段有