第十章3熱力學(xué)第一定律能量守恒定律學(xué)習(xí)目標1.理解熱力學(xué)第一定律，并會運用于分析和計算.2.理解并會運用能量守恒定律.3.知道什么是第一類永動機及其不可能制成的原因.內(nèi)容索引知識探究題型探究達標檢測知識探究一、熱力學(xué)第一定律一、熱力學(xué)第一定律(1)如圖1所示，快速推動活塞對汽缸內(nèi)氣體做功10 J，氣體內(nèi)能改變了多少？若保持氣體體積不變，外界對汽缸傳遞10 J的熱量，氣體內(nèi)能改變了多少？答案圖1答案答案都增加了10 J.導(dǎo)學(xué)探究導(dǎo)學(xué)探究(2)一根金屬絲經(jīng)過某一物理過程，溫度升高了，除非事先知道，否則根本無法判定是通過做功的方法，還是使用了傳熱的方法使它的內(nèi)能增加.因為單純地對系統(tǒng)做功和單純地對系統(tǒng)傳熱都能改變系統(tǒng)的內(nèi)能.既然它們在改變系統(tǒng)內(nèi)能方面是等價的，那么當(dāng)外界對系統(tǒng)做功為W，又對系統(tǒng)傳熱為Q時，系統(tǒng)內(nèi)能的增量U應(yīng)該是多少？答案答案系統(tǒng)內(nèi)能的增量UQW.答案(1)改變內(nèi)能的兩種方式：與 .兩者在改變系統(tǒng)內(nèi)能方面是等價的.(2)熱力學(xué)第一定律：一個熱力學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)能增量等于外界向它傳遞的_與外界對它所 的和.(3)熱力學(xué)第一定律的表達式：U .知識梳理知識梳理做功熱傳遞熱量做的功QW二、能量守恒定律二、能量守恒定律導(dǎo)學(xué)探究導(dǎo)學(xué)探究(1)使熱力學(xué)系統(tǒng)內(nèi)能改變的方式有做功和熱傳遞.做功的過程是其他形式的能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的過程，熱傳遞是把其他物體的內(nèi)能轉(zhuǎn)移為系統(tǒng)的內(nèi)能.在能量發(fā)生轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移時，能量的總量會減少嗎？答案答案能量的總量不會減少.答案(2)有一種所謂“全自動”的機械手表，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？答案答案這不是永動機.手表戴在手腕上，通過手臂的運動，機械手表獲得能量，供手表指針走動.若將此手表長時間放置不動，它就會停下來.答案(1)能量守恒定律能量既不會憑空 ，也不會憑空 ，它只能從一種形式 為另一種形式，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)能量守恒定律的意義各種形式的能可以 .各種物理現(xiàn)象可以用 聯(lián)系在一起.知識梳理知識梳理產(chǎn)生消失轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)移保持不變相互轉(zhuǎn)化能量守恒定律(3)永動機不可能制成第一類永動機：人們把設(shè)想的不消耗 的機器稱為第一類永動機.第一類永動機由于違背了 ，所以不可能制成.能量能量守恒定律題型探究一、對熱力學(xué)第一定律的理解例例1空氣壓縮機在一次壓縮中，活塞對空氣做了2105 J的功，同時空氣的內(nèi)能增加了1.5105 J，這一過程中空氣向外界傳遞的熱量是多少？答案解析答案答案5104 J解析解析選擇被壓縮的空氣為研究對象，根據(jù)熱力學(xué)第一定律有UWQ.由題意可知W2105 J，U1.5105 J，代入上式得QUW1.5105 J2105 J5104 J.負號表示空氣向外釋放熱量，即空氣向外界傳遞的熱量為5104 J.規(guī)律總結(jié)規(guī)律總結(jié)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、U)的正負；(2)根據(jù)方程UWQ求出未知量；(3)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.針對訓(xùn)練針對訓(xùn)練一定質(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.Q1Q2W2W1 B.Q1Q2C.W1W2 D.Q1Q2答案解析解析解析對一定質(zhì)量的理想氣體，經(jīng)過一系列的狀態(tài)變化后又回到原狀態(tài)，表明整個過程中內(nèi)能的變化為零，即通過做功和熱傳遞引起的內(nèi)能變化相互抵消，所以A選項正確.當(dāng)然，若Q1Q2，則必定有W1W2；若Q1Q2，則必定有W1W2；若Q1Q2，則必定有W1W2，所以B、C、D三項都有可能但不一定，故選A.二、能量守恒定律的理解和應(yīng)用1.能量的存在形式及相互轉(zhuǎn)化(1)各種運動形式都有對應(yīng)的能：機械運動有機械能，分子的熱運動有內(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，機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能.2.能量守恒的兩種表達(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.3.第一類永動機不可能制成的原因分析如果沒有外界供給熱量而對外做功，由UWQ知，系統(tǒng)內(nèi)能將減小.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.A.UQ B.UQ D.無法比較例例2如圖2所示，直立容器內(nèi)部被隔板隔開的A、B兩部分氣體(A、B兩部分體積等大)，A的密度小，B的密度大，加熱氣體，并使兩部分氣體混合均勻，設(shè)此過程中氣體吸熱為Q，氣體內(nèi)能的增量為U，則答案解析圖2解析解析因A部分氣體密度小，B部分氣體密度大，以整體為研究對象，開始時，氣體的重心在中線以下，混合均勻后，氣體的重心應(yīng)在中線上，所以有重力做負功，使氣體的重力勢能增大，由能量守恒定律可知，吸收的熱量Q有一部分增加氣體的重力勢能，另一部分增加內(nèi)能.故正確答案為B.歸納總結(jié)歸納總結(jié)利用能量守恒定律解決問題時，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，用能量守恒觀點求解.三、氣體實驗定律和熱力學(xué)第一定律的綜合應(yīng)用對于理想氣體，常把熱力學(xué)第一定律與理想氣體狀態(tài)方程結(jié)合起來分析其狀態(tài)變化規(guī)律，常見的分析思路如下：(1)利用體積的變化分析做功問題.氣體體積增大，對外做功；氣體體積減小，外界對氣體做功.(2)利用溫度的變化分析理想氣體內(nèi)能的變化.一定質(zhì)量的理想氣體的內(nèi)能僅與溫度有關(guān)，溫度升高，內(nèi)能增加；溫度降低，內(nèi)能減小.(3)利用熱力學(xué)第一定律判斷是吸熱還是放熱.由熱力學(xué)第一定律UWQ，則QUW，若已知氣體的做功情況和內(nèi)能的變化情況，即可判斷氣體狀態(tài)變化是吸熱過程還是放熱過程.A.氣體內(nèi)能一定增加 B.氣體壓強變大C.氣體對外界做功 D.氣體對外界放熱例例3如圖3所示，A、B兩點表示一定質(zhì)量的某種理想氣體的兩個狀態(tài)，當(dāng)氣體從狀態(tài)A變化到狀態(tài)B時解析解析由圖可知，理想氣體的變化為等溫膨脹，故氣體壓強減小，內(nèi)能不變，氣體對外做功；由熱力學(xué)第一定律可知，氣體一定從外界吸收熱量.綜上可知，C對，A、B、D錯.解析答案圖3(1)氣體內(nèi)能的減少量U；例例4如圖4所示，一輕活塞將體積為V，溫度為2T0的理想氣體，密封在內(nèi)壁光滑的圓柱形導(dǎo)熱汽缸內(nèi).已知大氣壓強為p0，大氣溫度為T0，氣體內(nèi)能U與溫度T的關(guān)系為UaT(a為正的常數(shù)).在汽缸內(nèi)氣體溫度緩慢降為T0的過程中，求：答案答案aT0圖4解析解析由題意可知氣體內(nèi)能U與溫度T的關(guān)系為UaT，所以開始時氣體的內(nèi)能：U1a2T0末狀態(tài)：U0aT0；內(nèi)能的減小量UU1U0aT0解析答案(2)氣體放出的熱量Q.解析解析設(shè)溫度降低后的體積為V，解析答案達標檢測1.(熱力學(xué)第一定律)一定質(zhì)量的氣體在某一過程中，外界對氣體做了8104 J的功，氣體的內(nèi)能減少了1.2105 J，則根據(jù)熱力學(xué)第一定律，下列各式中正確的是A.W8104 J，U1.2105 J，Q4104 JB.W8104 J，U1.2105 J，Q2105 JC.W8104 J，U1.2105 J，Q2104 JD.W8104 J，U1.2105 J，Q4104 J答案解析123解析解析因為外界對氣體做功，W取正值，即W8104 J；氣體的內(nèi)能減少，U取負值，即U1.2105 J；根據(jù)熱力學(xué)第一定律UWQ，可知QUW1.2105 J8104 J2105 J，即B選項正確.1232.(能量守恒定律)下面設(shè)想符合能量守恒定律的是A.利用永久磁鐵間的作用力，造一臺永遠轉(zhuǎn)動的機械B.做一條船，利用流水的能量逆水行舟C.通過太陽照射飛機，即使飛機不帶燃料也能飛行D.利用核動力，駕駛地球離開太陽系答案解析123解析解析利用磁場能可以使磁鐵所具有的磁場能轉(zhuǎn)化為動能，但由于摩擦力的不可避免性，動能最終轉(zhuǎn)化為內(nèi)能使轉(zhuǎn)動停止，故A不符合.讓船先靜止在水中，設(shè)計一臺水力發(fā)電機使船獲得足夠電能，然后把電能轉(zhuǎn)化為船的動能使船逆水航行；同理可利用光能的可轉(zhuǎn)化性和電能的可收集性，使光能轉(zhuǎn)化為飛機的動能，實現(xiàn)飛機不帶燃料也能飛行，故B、C符合；利用反沖理論，以核動力為能源，使地球獲得足夠大的能量，掙脫太陽引力的束縛而離開太陽系，故D符合.123A.從外界吸熱 B.內(nèi)能增大C.向外界放熱 D.內(nèi)能減小3.(熱力學(xué)第一定律)如圖5所示，某同學(xué)將空的薄金屬筒開口向下壓入水中.設(shè)水溫均勻且恒定，筒內(nèi)空氣無泄漏，不計氣體分子間的相互作用，則被淹沒的金屬筒在緩緩下降過程中，筒內(nèi)空氣體積減小，空氣一定答案解析圖5123解析解析由于不計氣體分子之間的相互作用，且整個過程緩慢進行，所以可看成溫度不變，即氣體內(nèi)能不變，選項B、D均錯；由熱力學(xué)第一定律UWQ，因為在下降過程中壓強增大，氣體體積減小，外界對氣體做了功，式中W取正號，U0，所以Q為負，即氣體向外放熱，故選項A錯，C對.123本課結(jié)束