第三章　2　熱力學(xué)第一定律-3　能量守恒定律

2熱力學(xué)第一定律3能量守恒定律［學(xué)習(xí)目標(biāo)］1.理解熱力學(xué)第一定律，并能運用熱力學(xué)第一定律分析和解決相關(guān)問題(重點)。2.理解并會運用能量守恒定律解決實際問題(難點)。3.知道什么是第一類永動機(jī)及其不可能制成的原因。一、熱力學(xué)第一定律汽缸內(nèi)有一定質(zhì)量的氣體，壓縮氣體的同時給汽缸加熱。那么，氣體內(nèi)能的變化會比單一方式(做功或傳熱)更明顯。這是為什么呢？________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________1.改變內(nèi)能的兩種方式：與。兩者對改變系統(tǒng)的內(nèi)能是的。

2.熱力學(xué)第一定律：一個熱力學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)能變化量等于外界向它傳遞的與外界對它的和。

3.熱力學(xué)第一定律的表達(dá)式：ΔU=。

一定質(zhì)量的氣體，膨脹過程中是外界對氣體做功還是氣體對外界做功？如果膨脹時氣體對外做的功是135J，同時向外放熱85J，氣體內(nèi)能的變化量是多少？內(nèi)能是增加了還是減少了？________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________1.ΔU的正負(fù)：當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)能增加時，ΔU取正值，內(nèi)能減少時，ΔU取負(fù)值。2.W的正負(fù)：外界對系統(tǒng)做功時，W取正值；系統(tǒng)對外界做功時，W取負(fù)值。3.Q的正負(fù)：外界對系統(tǒng)傳遞熱量時，Q取正值；系統(tǒng)向外界傳遞熱量時，Q取負(fù)值。例1(1)一定質(zhì)量的氣體，從外界吸收3.5×105J的熱量，同時氣體對外界做功2.5×105J，則氣體的內(nèi)能是增加還是減少？改變量是多少？(2)一定質(zhì)量的氣體，外界對其做功1.6×105J，內(nèi)能增加了4.2×105J，此過程中氣體是吸熱還是放熱？吸收或放出的熱量是多少？________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________應(yīng)用熱力學(xué)第一定律解題的一般步驟(1)根據(jù)符號法則寫出各已知量(W、Q、ΔU)的正負(fù)；(2)根據(jù)ΔU=W+Q列方程求出未知量；(3)再根據(jù)未知量結(jié)果的正負(fù)來確定吸、放熱情況、做功情況或內(nèi)能變化情況。例2(多選)(2024·湛江市模擬)航天服是保障航天員的生命活動和正常工作的個人密閉裝備，可防護(hù)空間的真空、高低溫、太陽輻射和微流星等環(huán)境因素對人體的危害。航天員穿著航天服，從地面到達(dá)太空時內(nèi)部氣體將急劇膨脹，若航天服內(nèi)氣體的溫度不變，視為理想氣體并將航天服視為封閉系統(tǒng)。則關(guān)于航天服內(nèi)的氣體，下列說法正確的是()A.體積增大，內(nèi)能減小B.壓強(qiáng)減小，內(nèi)能不變C.對外界做功，吸收熱量D.壓強(qiáng)減小，分子平均動能增大1.判斷氣體內(nèi)能變化：由于理想氣體分子間距離較大，忽略其分子勢能，只考慮其分子動能，故溫度升高，分子動能增大，內(nèi)能增大；反之內(nèi)能減小。2.判斷是否做功及做功正負(fù)的方法一般情況下外界對氣體做功與否，需看氣體的體積是否變化。(1)若氣體體積增大，表明氣體對外界做功，W<0。(2)若氣體體積減小，表明外界對氣體做功，W>0。3.判斷吸熱還是放熱氣體在變化過程是吸熱還是放熱要結(jié)合內(nèi)能變化和氣體做功情況，由熱力學(xué)第一定律ΔU=W+Q綜合判斷。例3如圖所示，內(nèi)壁光滑的絕熱汽缸固定在水平面上，其右端由于有擋板，厚度不計的絕熱活塞不能離開汽缸，汽缸內(nèi)封閉著一定質(zhì)量的理想氣體，活塞距汽缸右端的距離為0.2m?，F(xiàn)對封閉氣體加熱，活塞緩慢移動，一段時間后停止加熱，此時封閉氣體的壓強(qiáng)變?yōu)?×105Pa。已知活塞的橫截面積為0.04m2，外部大氣壓強(qiáng)為1×105Pa，加熱過程中封閉氣體吸收的熱量為2000J，則封閉氣體的內(nèi)能變化量為()A.400J B.1200J C.2000J D.2800J等壓變化過程，功用公式W=pΔV計算等壓變化過程中，氣體壓強(qiáng)不變，氣體對活塞的壓力F=pS，為恒力，由恒力做功的公式W=Fx可得W=pSx=pΔV，即氣體做的功與氣體的壓強(qiáng)p和氣體體積的變化量ΔV有關(guān)。二、能量守恒定律1.能量守恒定律(1)內(nèi)容：能量既不會憑空，也不會憑空，它只能從一種形式為其他形式，或者從一個物體到別的物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中，能量的總量。

(2)兩種表達(dá)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.永動機(jī)不可能制成(1)第一類永動機(jī)：不需要任何動力或燃料，卻能不斷地的機(jī)器。

(2)第一類永動機(jī)由于違背了，所以不可能制成。

3.熱力學(xué)第一定律與能量守恒定律的比較(1)能量守恒定律是各種形式的能相互轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程，總能量保持不變，它包括各個領(lǐng)域，范圍廣泛。(2)熱力學(xué)第一定律是物體內(nèi)能與其他形式的能之間的相互轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移，是能量守恒定律在熱現(xiàn)象領(lǐng)域內(nèi)的具體體現(xiàn)。如圖為一種所謂“全自動”的機(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。這是不是一種永動機(jī)？如果不是，維持表針走動的能量是從哪兒來的？________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________(1)能量既可以轉(zhuǎn)移又可以轉(zhuǎn)化，故能量的總量是可以變化的。()(2)能量的總量保持不變，所以我們不需要節(jié)約能源。()(3)運動的物體在阻力作用下會停下來，說明機(jī)械能憑空消失了。()(4)第一類永動機(jī)不可能制成，因為它違背了能量守恒定律。()答案精析一、給汽缸加熱，即向汽缸內(nèi)傳熱，汽缸內(nèi)氣體的內(nèi)能會增加，壓縮氣體，外界對氣體做功，也會使汽缸內(nèi)氣體的內(nèi)能增加，所以兩種方式同時作用時，氣體內(nèi)能的變化比單一方式更明顯。梳理與總結(jié)1.做功傳熱等價2.熱量所做的功3.Q+W思考與討論膨脹過程中氣體對外界做功，W=-135J，氣體向外放熱：Q=-85J，根據(jù)熱力學(xué)第一定律：ΔU=W+Q，代入得：ΔU=-135J+(-85)J=-220J，所以氣體內(nèi)能減少了220J。例1(1)增加1.0×105J(2)吸熱2.6×105J解析(1)由題意知，Q=3.5×105J，W=-2.5×105J，則根據(jù)熱力學(xué)第一定律有ΔU=Q+W=1.0×105JΔU為正值，說明氣體的內(nèi)能增加，增加量為1.0×105J。(2)由題意知，ΔU=4.2×105J，W=1.6×105J，則根據(jù)熱力學(xué)第一定律有Q=ΔU-W=2.6×105JQ為正值，說明此過程中氣體從外界吸熱，吸收的熱量為2.6×105J。例2BC［由于航天服內(nèi)氣體視為理想氣體，溫度決定內(nèi)能，溫度不變，內(nèi)能不變，溫度是分子熱運動平均動能的標(biāo)志，故分子平均動能也不變。由于航天服內(nèi)氣體體積增大，氣體對外界做功，溫度不變，由熱力學(xué)第一定律ΔU=Q+W，可知由于W<0，ΔU=0，則Q>0，所以航天服內(nèi)氣體將吸收熱量，又由等溫變化有p1V1=p2V2可知體積變大，則壓強(qiáng)減小。綜上所述，故B、C正確，A、D錯誤。］例3B［由題意可知，氣體先等壓變化，到活塞運動到擋板處再發(fā)生等容變化，等壓變化過程氣體對外做功，做功為W=-p0Sx=-1×105×0.04×0.2J=-800J，由熱力學(xué)