學(xué)案3熱力學(xué)第一定律能量守恒定律目標(biāo)定位 1.理解熱力學(xué)第一定律，并會(huì)運(yùn)用于分析和計(jì)算.2.理解并會(huì)運(yùn)用能量守恒定律.3.知道什么是第一類永動(dòng)機(jī)及其不可能制成的原因一、熱力學(xué)第一定律 問題設(shè)計(jì)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?yàn)閱渭兊貙?duì)系統(tǒng)做功和單純地對(duì)系統(tǒng)傳熱都能改變系統(tǒng)的內(nèi)能既然它們?cè)诟淖兿到y(tǒng)內(nèi)能方面是等價(jià)的，那么當(dāng)外界對(duì)系統(tǒng)做功為W，又對(duì)系統(tǒng)傳熱為Q時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)能的增量U應(yīng)該是多少？答案系統(tǒng)內(nèi)能的增量UQW.要點(diǎn)提煉1改變內(nèi)能的兩種方式：做功與熱傳遞兩者在改變系統(tǒng)內(nèi)能方面是等價(jià)的2熱力學(xué)第一定律：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)它所做的功的和3熱力學(xué)第一定律的表達(dá)式：UQW.4對(duì)公式UQW符號(hào)的規(guī)定符號(hào)WQU體積減小，外界對(duì)熱力學(xué)系統(tǒng)做功熱力學(xué)系統(tǒng)吸收熱量內(nèi)能增加體積增大，熱力學(xué)系統(tǒng)對(duì)外界做功熱力學(xué)系統(tǒng)放出熱量內(nèi)能減少5.應(yīng)用熱力學(xué)第一定律解題的一般步驟(1)根據(jù)符號(hào)法則寫出各已知量(W、Q、U)的正負(fù)；(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(fù)來確定吸熱、放熱情況或做功情況6氣體實(shí)驗(yàn)定律和熱力學(xué)第一定律的關(guān)系兩者的結(jié)合點(diǎn)是體積V和溫度T.注意三個(gè)特殊過程的特點(diǎn)：(1)等溫過程：內(nèi)能不變，U0；(2)等容過程：體積不變，W0；(3)絕熱過程：Q0.二、能量守恒定律問題設(shè)計(jì)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(shí)，能量的總量會(huì)減少嗎？答案能量的總量保持不變要點(diǎn)提煉1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2對(duì)能量守恒定律的理解(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3能量的存在形式及相互轉(zhuǎn)化各種運(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、原子能等各種形式的能通過某種力做功可以相互轉(zhuǎn)化4第一類永動(dòng)機(jī)(1)定義：不需要任何動(dòng)力或燃料，卻能不斷地對(duì)外做功的機(jī)器(2)不可能制成的原因：違背了能量守恒定律延伸思考熱力學(xué)第一定律、機(jī)械能守恒定律是能量守恒定律的具體體現(xiàn)嗎？答案是一、熱力學(xué)第一定律例1關(guān)于物體內(nèi)能的變化情況，下列說法中正確的是()A吸熱的物體，其內(nèi)能一定增加B體積膨脹的物體，其內(nèi)能一定減少C放熱的物體，其內(nèi)能也可能增加D絕熱壓縮的氣體，其內(nèi)能一定增加解析做功和熱傳遞都能改變物體的內(nèi)能，不能依據(jù)一種方式的變化就判斷內(nèi)能的變化答案CD例2空氣壓縮機(jī)在一次壓縮中，活塞對(duì)空氣做了2105 J的功，同時(shí)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？解析選擇被壓縮的空氣為研究對(duì)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(fù)號(hào)表示空氣向外釋放熱量，即空氣向外界傳遞的熱量為5104 J.答案5104 J二、能量守恒定律例3下列對(duì)能量守恒定律的認(rèn)識(shí)正確的是()A某種形式的能量減少，一定存在其他形式的能量增加B某個(gè)物體的能量減少，必然有其他物體的能量增加C不需要任何外界的動(dòng)力而持續(xù)對(duì)外做功的機(jī)器第一類永動(dòng)機(jī)是不可能制成的D石子從空中落下，最后停止在地面上，說明機(jī)械能消失了解析A選項(xiàng)是指不同形式的能量間的轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化過程中能量是守恒的B選項(xiàng)是指能量在不同的物體間發(fā)生轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移過程中能量是守恒的，這正好是能量守恒定律的兩個(gè)方面轉(zhuǎn)化與轉(zhuǎn)移第一類永動(dòng)機(jī)是不可能制成的，它違背了能量守恒定律所以A、B、C正確；D選項(xiàng)中石子的機(jī)械能在變化，比如受空氣阻力作用，機(jī)械能可能減少，但機(jī)械能并沒有消失，能量守恒定律表明能量既不能創(chuàng)生，也不能消失，故D錯(cuò)誤答案ABC三、熱力學(xué)第一定律與氣體實(shí)驗(yàn)定律的結(jié)合例4如圖1所示，倒懸的導(dǎo)熱氣缸中封閉著一定質(zhì)量的理想氣體輕質(zhì)活塞可無摩擦地上下移動(dòng)，活塞的橫截面積為S，活塞的下面吊著一個(gè)重為G的物體，大氣壓強(qiáng)恒為p0.起初環(huán)境的熱力學(xué)溫度為T0時(shí)，活塞到氣缸底面的距離為L.當(dāng)環(huán)境溫度逐漸升高，導(dǎo)致活塞緩慢下降，該過程中活塞下降了0.1L，氣缸中的氣體吸收的熱量為Q.求：圖1(1)氣缸內(nèi)部氣體內(nèi)能的增量U；(2)最終的環(huán)境溫度T.解析(1)密封氣體的壓強(qiáng)pp0(G/S)密封氣體對(duì)外做功WpS0.1L由熱力學(xué)第一定律得UQW得UQ0.1p0SL0.1LG(2)該過程是等壓變化，由蓋呂薩克定律有解得T1.1T0.答案(1)Q0.1p0SL0.1LG(2)1.1T01(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(duì)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()AW8104 J，U1.2105 J，Q4104 JBW8104 J，U1.2105 J，Q2105 JCW8104 J，U1.2105 J，Q2104 JDW8104 J，U1.2105 J，Q4104 J答案B解析因?yàn)橥饨鐚?duì)氣體做功，W取正值，即W8104 J；氣體的內(nèi)能減少，U取負(fù)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(xiàng)正確2(熱力學(xué)第一定律)如圖2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(jì)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()圖2A從外界吸熱 B內(nèi)能增大C向外界放熱 D內(nèi)能減小答案C解析由于不計(jì)氣體分子之間的相互作用，且整個(gè)過程緩慢進(jìn)行，所以可看成溫度不變，即氣體內(nèi)能不變，選項(xiàng)B、D均錯(cuò)；由熱力學(xué)第一定律UWQ，因?yàn)樵谙陆颠^程中氣體體積減小，外界對(duì)氣體做了功，式中W取正號(hào)，U0，所以Q為負(fù)，即氣體向外放熱，故選項(xiàng)A錯(cuò)，C對(duì)3(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(tái)永遠(yuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)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(jī)，即使飛機(jī)不帶燃料也能飛行D利用核動(dòng)力，駕駛地球離開太陽系答案BCD解析利用磁場(chǎng)能可以使磁鐵所具有的磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，但由于摩擦力的不可避免性，動(dòng)能最終轉(zhuǎn)化為內(nèi)能使轉(zhuǎn)動(dòng)停止，故A不符合讓船先靜止在水中，設(shè)計(jì)一臺(tái)水力發(fā)電機(jī)使船獲得足夠電能，然后把電能轉(zhuǎn)化為船的動(dòng)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(jī)的動(dòng)能，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)不帶燃料也能飛行，故B、C符合；利用反沖理論，以核動(dòng)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4. (熱力學(xué)第一定律與氣體實(shí)驗(yàn)定律的綜合應(yīng)用)如圖3是用導(dǎo)熱性能良好的材料制成的氣體實(shí)驗(yàn)裝置，開始時(shí)封閉的氣柱長度為22 cm，現(xiàn)用豎直向下的外力F壓縮氣體，使封閉的氣柱長度變?yōu)? cm，人對(duì)活塞做功100 J，大氣壓強(qiáng)為p01105 Pa，不計(jì)活塞的重力問：圖3(1)若用足夠長的時(shí)間緩慢壓縮，求壓縮后氣體的壓強(qiáng)多大？(2)若以適當(dāng)?shù)乃俣葔嚎s氣體，氣體向外散失的熱量為20 J，則氣體的內(nèi)能增加多少？(活塞的橫截面積S1 cm2)答案(1)1.1106 Pa(2)82 J解析(1)設(shè)壓縮后氣體的壓強(qiáng)為p，活塞的橫截面積為S，l022 cm，l2 cm，V0l0S，VlS，緩慢壓縮，氣體溫度不變由玻意耳定律得p0V0pV解得p1.1106 Pa(2)大氣壓力對(duì)活塞做功W1p0S(l0l)2 J人做功W2100 J由熱力學(xué)第一定律得UW1W2QQ20 J解得U82 J題組一熱力學(xué)第一定律1關(guān)于物體內(nèi)能的變化，以下說法中正確的是()A物體吸收熱量，內(nèi)能一定增大B物體對(duì)外做功，內(nèi)能一定減少C物體吸收熱量，同時(shí)對(duì)外做功，內(nèi)能可能不變D物體放出熱量，同時(shí)對(duì)外做功，內(nèi)能可能不變答案C解析根據(jù)熱力學(xué)第一定律UWQ，物體內(nèi)能的變化與外界對(duì)物體做功(或物體對(duì)外界做功)和物體從外界吸熱(或向外界放熱)兩種因素有關(guān)物體吸收熱量，但有可能同時(shí)對(duì)外做功，故內(nèi)能有可能不變甚至減小，故A錯(cuò)；同理，物體對(duì)外做功的同時(shí)有可能吸熱，故內(nèi)能不一定減少，B錯(cuò)；若物體吸收的熱量與對(duì)外做的功相等，則內(nèi)能不變，C正確；而放熱與對(duì)外做功都使物體內(nèi)能減少，故D錯(cuò)2密閉有空氣的薄塑料瓶因降溫而變扁，此過程中瓶內(nèi)空氣(不計(jì)分子勢(shì)能的變化)()A內(nèi)能增大，放出熱量 B內(nèi)能減小，吸收熱量C內(nèi)能增大，對(duì)外界做功 D內(nèi)能減小，外界對(duì)其做功答案D解析不計(jì)分子勢(shì)能的變化時(shí)瓶內(nèi)空氣的內(nèi)能只與其溫度有關(guān)，溫度降低時(shí)其內(nèi)能減小塑料瓶變扁時(shí)瓶內(nèi)空氣體積減小，外界對(duì)其做功再由熱力學(xué)第一定律知此過程中瓶內(nèi)空氣要放出熱量，故只有選項(xiàng)D正確3一定量的理想氣體在某一過程中，從外界吸收熱量2.5104 J，氣體對(duì)外界做功1.0104 J，則該理想氣體的()A溫度降低，密度增大 B溫度降低，密度減小C溫度升高，密度增大 D溫度升高，密度減小答案D解析由UWQ可得理想氣體內(nèi)能變化U1.0104 J2.5104 J1.5104 J>0，故溫度升高，A、B兩項(xiàng)均錯(cuò)因?yàn)闅怏w對(duì)外做功，所以氣體一定膨脹，體積變大，由可知密度較小，故C項(xiàng)錯(cuò)誤，D項(xiàng)正確4一定質(zhì)量的氣體在保持壓強(qiáng)恒等于1.0105 Pa的狀況下，體積從20 L膨脹到30 L，這一過程中氣體從外界吸熱4103 J，則氣體內(nèi)能的變化為()A增加了5103 J B減少了5103 JC增加了3103 J D減少了3103 J答案C解析氣體等壓膨脹過程對(duì)外做功WpV1.0105 Pa(3020)103 m31.0103 J這一過程氣體從外界吸熱Q4103 J由熱力學(xué)第一定律UWQ，由于氣體對(duì)外做功，W應(yīng)取負(fù)值，則可得U1.0103 J4.0103 J3.0103 J，即氣體內(nèi)能增加了3103 J故選項(xiàng)C正確題組二能量守恒定律5自由擺動(dòng)的秋千擺動(dòng)幅度越來越小，下列說法中正確的是()A機(jī)械能守恒B能量正在消失C只有動(dòng)能和重力勢(shì)能的相互轉(zhuǎn)化D減少的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，但總能量守恒答案D解析自由擺動(dòng)的秋千擺動(dòng)幅度越來越小，說明機(jī)械能在減少，故A、C項(xiàng)錯(cuò)誤；而減少的機(jī)械能通過摩擦轉(zhuǎn)化成了內(nèi)能，故B項(xiàng)錯(cuò)誤，D項(xiàng)正確6.如圖1所示為沖擊擺實(shí)驗(yàn)裝置，一飛行子彈射入沙箱后與沙箱合為一體，共同擺起一定的高度，則下面有關(guān)能量的轉(zhuǎn)化的說法中正確的是()圖1A子彈的動(dòng)能轉(zhuǎn)變成沙箱和子彈的內(nèi)能B子彈的動(dòng)能轉(zhuǎn)變成了沙箱和子彈的熱能C子彈的動(dòng)能轉(zhuǎn)變成了沙箱和子彈的動(dòng)能D子彈的動(dòng)能一部分轉(zhuǎn)變成沙箱和子彈的內(nèi)能，另一部分轉(zhuǎn)變成沙箱和子彈的機(jī)械能答案D解析子彈在射入沙箱瞬間，要克服摩擦阻力做功，一部分動(dòng)能轉(zhuǎn)變成沙箱和子彈的內(nèi)能，另一部分動(dòng)能轉(zhuǎn)變成沙箱和子彈的機(jī)械能7“第一類永動(dòng)機(jī)”不可能制成，是因?yàn)?)A不符合機(jī)械能守恒定律B違背了能量守恒定律C做功產(chǎn)生的熱不符合熱功當(dāng)量D找不到合適的材料和合理的設(shè)計(jì)方案答案B8.如圖2所示，一演示用的“永動(dòng)機(jī)”轉(zhuǎn)輪由5根輕桿和轉(zhuǎn)軸構(gòu)成，輕桿的末端裝有用形狀記憶合金制成的葉片輕推轉(zhuǎn)輪后，進(jìn)入熱水的葉片因伸展而“劃水”，推動(dòng)轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng)離開熱水后，葉片形狀迅速恢復(fù)，轉(zhuǎn)輪因此能較長時(shí)間轉(zhuǎn)動(dòng)下列說法正確的是()圖2A轉(zhuǎn)輪依靠自身慣性轉(zhuǎn)動(dòng)，不需要消耗外界能量B轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng)所需能量來自形狀記憶合金自身C轉(zhuǎn)動(dòng)的葉片不斷攪動(dòng)熱水，水溫升高D葉片在熱水中吸收的熱量一定大于在空氣中釋放的熱量答案D解析輕推轉(zhuǎn)輪后，葉片開始轉(zhuǎn)動(dòng)，由能量守恒定律可知，葉片在熱水中吸收的熱量一部分釋放到空氣中，另一部分使葉片在熱水中伸展做功，所以葉片在熱水中吸收的熱量一定大于在空氣中釋放的熱量，D正確題組三熱力學(xué)第一定律與氣體實(shí)驗(yàn)定律的綜合應(yīng)用9.如圖3所示，一絕熱容器被隔板K隔成a、b兩部分已知a內(nèi)有一定質(zhì)量的稀薄氣體，b內(nèi)為真空抽離隔板K后，a內(nèi)氣體進(jìn)入b，最終達(dá)到平衡狀態(tài)在此過程中()圖3A氣體對(duì)外界做功，內(nèi)能減少B氣體不做功，內(nèi)能不變C氣體壓強(qiáng)變小，溫度降低D氣體壓強(qiáng)變小，溫度不變答案BD解析抽離隔板K，a內(nèi)氣體體積變大，由于b內(nèi)為真空，所以a內(nèi)氣體不做功，由熱力學(xué)第一定律可得B正確內(nèi)能不變，故溫度不變，體積變大，由玻意耳定律可知壓強(qiáng)變小，所以D正確10用密封性好、充滿氣體的塑料袋包裹易碎品，如圖4所示，充氣袋四周被擠壓時(shí)，假設(shè)袋內(nèi)氣體與外界無熱交換，則袋內(nèi)氣體()圖4A體積減小，內(nèi)能增大B體積減小，壓強(qiáng)減小C對(duì)外界做負(fù)功，內(nèi)能增大D對(duì)外界做正功，壓強(qiáng)減小答案AC解析袋內(nèi)氣體與外界無熱交換即Q0，袋四周被擠壓時(shí)，體積V減小，外界對(duì)氣體做正功，根據(jù)熱力學(xué)第一定律UWQ，氣體內(nèi)能增大，則溫度升高，由常數(shù)知壓強(qiáng)增大，選項(xiàng)A、C正確，B、D錯(cuò)誤11.如圖5所示，A、B兩點(diǎn)表示一定質(zhì)量的某種理想氣體的兩個(gè)狀態(tài)，當(dāng)氣體從狀態(tài)A變化到狀態(tài)B時(shí)()圖5A體積必然變大B有可能經(jīng)過體積減小的過程C外界必然對(duì)氣體做功D氣體必然從外界吸熱答案ABD解析本題是氣體狀態(tài)變化、圖象與熱力學(xué)第一定律結(jié)合的綜合分析題連接OA、OB，得到兩條等容線，故有VB>VA，所以A正確由于沒有限制自狀態(tài)A變化到狀態(tài)B的過程，所以可先從A狀態(tài)減小氣體的體積再增大氣體的體積到B狀態(tài)，故B正確因?yàn)闅怏w體積增大，所以是氣體對(duì)外界做功，C錯(cuò)誤因?yàn)闅怏w對(duì)外界做功，而氣體的溫度又升高，內(nèi)能增大，由熱力學(xué)第一定律知?dú)怏w一定從外界吸熱，D正確12如圖6所示，一定質(zhì)量的理想氣體從狀態(tài)A變化到狀態(tài)B，再由狀態(tài)B變化到狀態(tài)C.已知狀態(tài)A的溫度為300 K氣體在狀態(tài)B的溫度TB_；由狀態(tài)B變化到狀態(tài)C的過程中，氣體是_(吸熱或放熱)圖6答案1200 K放熱解析從狀態(tài)A到B狀態(tài)，得TB1200 K，由狀態(tài)B變化到狀態(tài)C體積不變，壓強(qiáng)減小，溫度降低，內(nèi)能減小，但W0，所以放熱13.如圖7所示，一定質(zhì)量的理想氣體從狀態(tài)A先后經(jīng)過等壓、等容和等溫過程完成一個(gè)循環(huán)，A、B、C狀態(tài)參量如圖所示，氣體在狀態(tài)A的溫度為27 ，求：圖7(1)氣體在狀態(tài)B的溫度TB；(2)氣體從ABC狀態(tài)變化過程中與外界交換的總熱量Q.答案(1)600 K(2)2p0V0解析(1)A到B過程是等壓變化有代入數(shù)據(jù)得TB600 K(2)根據(jù)熱力學(xué)第一定律有UQW其中W2p0V0解得Q2p0V0(吸熱)6EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F375