2024-2025學(xué)年高中物理第十章熱力學(xué)定律3熱力學(xué)第一定律能量守恒定律學(xué)案新人教版選修3-3

PAGE7-熱力學(xué)第肯定律能量守恒定律一、熱力學(xué)第肯定律1．內(nèi)容：一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)能的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．這個(gè)關(guān)系叫做熱力學(xué)第肯定律．2．?dāng)?shù)學(xué)表達(dá)式：ΔU＝W＋Q.二、能量守恒定律1．各種能量：自然界存在著多種不同形式的運(yùn)動(dòng)，每種運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)著一種形式的能量．如機(jī)械運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)著機(jī)械能；分子的熱運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)著內(nèi)能．2．各種能量之間可以相互轉(zhuǎn)化：不同形式的能量之間可以相互轉(zhuǎn)化．如摩擦可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；炙熱的燈絲發(fā)光可以將電能轉(zhuǎn)化為光能．3．能量守恒定律的內(nèi)容：能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)憑空消逝，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)移的過程中，能量的總量保持不變．三、永動(dòng)機(jī)不行能制成任何動(dòng)力機(jī)械的作用都是把其他形式的能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，而不行能無中生有地創(chuàng)建能量，即第一類永動(dòng)機(jī)是不行能制成的．有一種所謂“全自動(dòng)”機(jī)械手表，既不須要上發(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)？假如不是，你知道維持表針走動(dòng)的能量是從哪兒來的嗎？提示：不是永動(dòng)機(jī)．手表戴在手腕上，手腕運(yùn)動(dòng)的能量一部分轉(zhuǎn)化為手表的能量．考點(diǎn)一對(duì)熱力學(xué)第肯定律的理解1．對(duì)公式ΔU＝Q＋W中ΔU、Q、W符號(hào)的規(guī)定符號(hào)QWΔU＋物體汲取熱量外界對(duì)物體做功內(nèi)能增加－物體放出熱量物體對(duì)外界做功內(nèi)能削減2.幾種特別狀況(1)若過程是絕熱的，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汲取的熱量．(3)若過程的始末狀態(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(或物體汲取的熱量等于物體對(duì)外界做的功)．3．推斷是否做功的方法：一般狀況下外界對(duì)物體做功與否，需看物體的體積是否變更．(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.【例1】肯定量的氣體從外界汲取了2.6×105J的熱量，內(nèi)能增加了4.2×105J，是氣體對(duì)外界做了功，還是外界對(duì)氣體做了功？做了多少功？假如氣體汲取的熱量仍為2.6×105J不變，但是內(nèi)能只增加了1.6×105J，這一過程做功狀況怎樣？ΔU＝Q＋W.【解析】由題意知，Q＝2.6×105J，ΔU＝4.2×105J，依據(jù)ΔU＝Q＋W，代入可得W＝1.6×105J，W為正值，說明外界對(duì)氣體做功，做功為1.6×105J.同理，由題意可知，Q′＝2.6×105J，ΔU′＝1.6×105J，利用熱力學(xué)第肯定律得W′＝－1.0×105J，這說明氣體對(duì)外界做功(氣體體積變大)，做功為1.0×105J.【答案】外界對(duì)氣體做功，1.6×105J；氣體對(duì)外界做功，做功為1.0×105J.總結(jié)提能做功和熱傳遞都能使物體的內(nèi)能發(fā)生變更，而在數(shù)量關(guān)系上滿意熱力學(xué)第肯定律，即一個(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)它所做功的和．肯定量的氣體在某一過程中，外界對(duì)氣體做了8×104J的功，氣體的內(nèi)能削減了1.2×105J，則下列各式中正確的是(B)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?yàn)橥饨鐚?duì)氣體做功，W取正值，即W＝8×104J；內(nèi)能削減，ΔU取負(fù)值，即ΔU＝－1.2×105J；依據(jù)熱力學(xué)第肯定律ΔU＝W＋Q，可知Q＝ΔU－W＝－1.2×105J－8×104J＝－2×105J，即B選項(xiàng)正確．考點(diǎn)二對(duì)能量守恒定律的理解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，還有諸如電磁能、化學(xué)能、原子能等．(2)各種形式的能，通過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，輪子溫度上升，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，必需是只有重力或系統(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)失敗的緣由分析假如沒有外界熱源供應(yīng)熱量，則有U2－U1＝W，就是說，假如系統(tǒng)內(nèi)能削減，即U2<U1，則W<0，系統(tǒng)對(duì)外做功是要以內(nèi)能削減為代價(jià)的．若想源源不斷地做功，就必需使系統(tǒng)不斷回到初始狀態(tài)，在無外界能量供應(yīng)的狀況下是不行能的．【例2】水能不產(chǎn)生污染物，是一種清潔能源，位于美國和加拿大交界處的尼亞加拉瀑布流量可達(dá)每秒6000m3，而且是一年四季流量穩(wěn)定，瀑布落差50m，若利用這一資源發(fā)電，設(shè)其效率為50%，估算發(fā)電機(jī)的輸出功率．(g取10m/s2水力發(fā)電的基本原理是將水的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能．【解析】每秒鐘流下的水的質(zhì)量為：m＝ρV＝1×103×6000kg＝6×106每秒鐘水削減的機(jī)械能為：E＝mgh＝6×106×10×50J＝3×109J，設(shè)發(fā)電機(jī)的輸出功率為P，則由能量守恒定律可得：Eη＝P×1s，解得：P＝3×109×50%W＝1.5×109W.【答案】1.5×109W總結(jié)提能能量守恒定律是普遍適用的定律，在解決有關(guān)能量轉(zhuǎn)化問題時(shí)，要留意分析能量轉(zhuǎn)化前后各種形式的能及其相互關(guān)系．一鐵球從高H處由靜止落到地面上，回彈速率是落地速率的一半，設(shè)撞擊所轉(zhuǎn)化的內(nèi)能全部使鐵球溫度上升，則鐵球的溫度上升多少？(設(shè)鐵的比熱容為c，各物理量取國際制單位)解析：設(shè)落到地面時(shí)的速率為v，由v2＝2gH得落地時(shí)v＝eq\r(2gH)則鐵球在與地面撞擊時(shí)損失的動(dòng)能ΔE＝eq\f(1,2)mv2－eq\f(1,2)m(eq\f(v,2))2＝eq\f(3,8)mv2＝eq\f(3,8)m·2gH＝eq\f(3,4)mgH由能量守恒定律得，損失的動(dòng)能全部轉(zhuǎn)化為鐵球的內(nèi)能則ΔU＝ΔE＝eq\f(3,4)mgH＝Q由Q＝cmΔt得Δt＝eq\f(Q,cm)＝eq\f(\f(3,4)mgH,cm)＝eq\f(3gH,4c)即鐵球溫度上升eq\f(3gH,4c).答案：eq\f(3gH,4c)常見誤區(qū)例析關(guān)于熱力學(xué)第肯定律理解的四個(gè)誤區(qū)誤區(qū)1：誤認(rèn)為汲取熱量的物體，其內(nèi)能肯定增加產(chǎn)生誤區(qū)的緣由是把熱量和內(nèi)能混為一談，誤認(rèn)為吸熱內(nèi)能肯定增加，而做功也可以變更內(nèi)能，因此汲取熱量的物體其內(nèi)能可能增加，也可能不變，還可能削減．誤區(qū)2：誤認(rèn)為對(duì)物體做功，物體的內(nèi)能肯定增加其緣由是不清晰做功和熱傳遞都可以變更物體的內(nèi)能，對(duì)物體做功，同時(shí)放出熱量時(shí)，物體的內(nèi)能可能不變，也可能削減．誤區(qū)3：誤認(rèn)為功就是熱量，熱量就是功這是把功和熱量混淆了，功和熱量都是過程量，但它們的含義不同，做功的過程伴隨著能量的轉(zhuǎn)化，并且做功是能量轉(zhuǎn)化的量度，熱量是在熱傳遞過程中內(nèi)能的轉(zhuǎn)移．誤區(qū)4：誤認(rèn)為第一類永動(dòng)機(jī)可以制成這是由于不清晰第一類永動(dòng)機(jī)的原理，第一類永動(dòng)機(jī)違反能的轉(zhuǎn)化和守恒定律，是不行能制成的．【典例】(多選)下列關(guān)于內(nèi)能的說法正確的是()A．物體汲取熱量，內(nèi)能肯定增加B．物體放出熱量，內(nèi)能肯定削減C．當(dāng)做功和熱傳遞同時(shí)存在時(shí)，物體的內(nèi)能可能不變D．物體對(duì)外做功，內(nèi)能可能增加【解析】通過以下表格進(jìn)行逐項(xiàng)分析：選項(xiàng)情景與過程分析推斷A物體汲取熱量的同時(shí)，物體有可能對(duì)外做功，所以內(nèi)能不肯定增加×B物體放出熱量的同時(shí)，有可能外界對(duì)物體做功，所以內(nèi)能不肯定削減×C當(dāng)物體從外界汲取的熱量與對(duì)外界做的功正好相等時(shí)，物體內(nèi)能不變√D當(dāng)物體對(duì)外界做功，同時(shí)汲取熱量，且汲取的熱量比對(duì)外界做功多時(shí)，內(nèi)能就有可能增加√【答案】CD1．如圖為某種椅子與其升降部分的結(jié)構(gòu)示意圖，M、N兩筒間密閉了肯定質(zhì)量的氣體，M可沿N的內(nèi)壁上下滑動(dòng)，設(shè)筒內(nèi)氣體不與外界發(fā)生熱交換，在M向下滑動(dòng)的過程中(A)A．外界對(duì)氣體做功，氣體內(nèi)能增大B．外界對(duì)氣體做功，氣體內(nèi)能減小C．氣體對(duì)外界做功，氣體內(nèi)能增大D．氣體對(duì)外界做功，氣體內(nèi)能減小解析：本題考查了熱力學(xué)第肯定律，理解做功和熱傳遞可以變更物體的內(nèi)能．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(duì)氣體做功，由熱力學(xué)第肯定律可知?dú)怏w內(nèi)能增大，A正確．2．肯定量的志向氣體在某一過程中，從外界汲取熱量2.5×104J，氣體對(duì)外界做功1.0×104J，則該志向氣體的(D)A．溫度降低，密度增大 B．溫度降低，密度減小C．溫度上升，密度增大 D．溫度上升，密度減小解析：由熱力學(xué)第肯定律ΔU＝W＋Q，Q＝2.5×104J，W＝－1.0×104J可知ΔU大于零，氣體內(nèi)能增加，溫度上升，A、B錯(cuò)；氣體對(duì)外做功，體積增大，密度減小，C錯(cuò)，D對(duì)．3．給旱區(qū)送水的消防車停于水平地面．在緩慢放水過程中，若車胎不漏氣，胎內(nèi)氣體溫度不變，不計(jì)分子間勢(shì)能，則胎內(nèi)氣體(A)A．從外界吸熱 B．對(duì)外界做負(fù)功C．分子平均動(dòng)能減小 D．內(nèi)能增加解析：緩慢放水過程中，胎內(nèi)氣體壓強(qiáng)減小，氣體膨脹對(duì)外界做正功，選項(xiàng)B錯(cuò)；胎內(nèi)氣體溫度不變，故分子平均動(dòng)能不變，選項(xiàng)C錯(cuò)；由于不計(jì)分子間勢(shì)能，氣體內(nèi)能只與溫度有關(guān)，溫度不變，內(nèi)能不變，選項(xiàng)D錯(cuò)；由ΔU＝W＋Q知ΔU＝0，W<0，故Q>0，氣體從外界吸熱，選項(xiàng)A正確．4.如圖所示容器中，A，B各有一個(gè)可自由移動(dòng)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(gè)裝置與外界絕熱．原先A中水面比B中高，打開閥門，使A中的水漸漸向B中流，最終達(dá)到平衡．在這個(gè)過程中，下面說法正確的是(D)A．大氣壓力對(duì)水做功，水的內(nèi)能增加B．水克服大氣壓力做功，水的內(nèi)能削減C．大氣壓力對(duì)水不做功，水的內(nèi)能不變D．大氣壓力對(duì)水不做功，水的內(nèi)能增加解析：由W＝p·S·Δh＝p·ΔV可知大氣壓力對(duì)A、B兩管中水做功代數(shù)和為零，但由于水的重心下降，重力勢(shì)能減小，由能量守恒定律可知水的內(nèi)能增加，D對(duì)．5．在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，水在沸騰時(shí)，1g的水由液態(tài)變成同溫度的水汽，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(shí)氣體對(duì)外界做的功W；(2)氣體汲取的熱量Q；(3)氣體增加的內(nèi)能ΔU.解析：取1g水為探討系統(tǒng)，1g沸騰的水變成同溫度的