學(xué)案3熱力學(xué)第一定律能量守恒定律目標定位 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一、熱力學(xué)第一定律 問題設(shè)計一根金屬絲經(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？答案系統(tǒng)內(nèi)能的增量UQW.要點提煉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熱量與外界對它所做的功的和3熱力學(xué)第一定律的表達式：UQW.4對公式UQW符號的規(guī)定符號WQU體積減小，外界對熱力學(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6氣體實驗定律和熱力學(xué)第一定律的關(guān)系兩者的結(jié)合點是體積V和溫度T.注意三個特殊過程的特點：(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？答案能量的總量保持不變要點提煉1能量既不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失，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第一類永動機(1)定義：不需要任何動力或燃料，卻能不斷地對外做功的機器(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？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.答案5104 J二、能量守恒定律例3下列對能量守恒定律的認識正確的是()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力而持續(xù)對外做功的機器第一類永動機是不可能制成的D石子從空中落下，最后停止在地面上，說明機械能消失了解析A選項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方面轉(zhuǎn)化與轉(zhuǎn)移第一類永動機是不可能制成的，它違背了能量守恒定律所以A、B、C正確；D選項中石子的機械能在變化，比如受空氣阻力作用，機械能可能減少，但機械能并沒有消失，能量守恒定律表明能量既不能創(chuàng)生，也不能消失，故D錯誤答案ABC三、熱力學(xué)第一定律與氣體實驗定律的結(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，活塞的橫截面積為S，活塞的下面吊著一個重為G的物體，大氣壓強恒為p0.起初環(huán)境的熱力學(xué)溫度為T0時，活塞到氣缸底面的距離為L.當環(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pp0(G/S)密封氣體對外做功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BCD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4. (熱力學(xué)第一定律與氣體實驗定律的綜合應(yīng)用)如圖3是用導(dǎo)熱性能良好的材料制成的氣體實驗裝置，開始時封閉的氣柱長度為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，人對活塞做功100 J，大氣壓強為p01105 Pa，不計活塞的重力問：圖3(1)若用足夠長的時間緩慢壓縮，求壓縮后氣體的壓強多大？(2)若以適當?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物體對外做功，內(nèi)能一定減少C物體吸收熱量，同時對外做功，內(nèi)能可能不變D物體放出熱量，同時對外做功，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)能的變化與外界對物體做功(或物體對外界做功)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，但有可能同時對外做功，故內(nèi)能有可能不變甚至減小，故A錯；同理，物體對外做功的同時有可能吸熱，故內(nèi)能不一定減少，B錯；若物體吸收的熱量與對外做的功相等，則內(nèi)能不變，C正確；而放熱與對外做功都使物體內(nèi)能減少，故D錯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(不計分子勢能的變化)()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，對外界做功 D內(nèi)能減小，外界對其做功答案D解析不計分子勢能的變化時瓶內(nèi)空氣的內(nèi)能只與其溫度有關(guān)，溫度降低時其內(nèi)能減小塑料瓶變扁時瓶內(nèi)空氣體積減小，外界對其做功再由熱力學(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兩項均錯因為氣體對外做功，所以氣體一定膨脹，體積變大，由可知密度較小，故C項錯誤，D項正確4一定質(zhì)量的氣體在保持壓強恒等于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，由于氣體對外做功，W應(yīng)取負值，則可得U1.0103 J4.0103 J3.0103 J，即氣體內(nèi)能增加了3103 J故選項C正確題組二能量守恒定律5自由擺動的秋千擺動幅度越來越小，下列說法中正確的是()A機械能守恒B能量正在消失C只有動能和重力勢能的相互轉(zhuǎn)化D減少的機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，但總能量守恒答案D解析自由擺動的秋千擺動幅度越來越小，說明機械能在減少，故A、C項錯誤；而減少的機械能通過摩擦轉(zhuǎn)化成了內(nèi)能，故B項錯誤，D項正確6.如圖1所示為沖擊擺實驗裝置，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子彈的動能轉(zhuǎn)變成沙箱和子彈的內(nèi)能B子彈的動能轉(zhuǎn)變成了沙箱和子彈的熱能C子彈的動能轉(zhuǎn)變成了沙箱和子彈的動能D子彈的動能一部分轉(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，一部分動能轉(zhuǎn)變成沙箱和子彈的內(nèi)能，另一部分動能轉(zhuǎn)變成沙箱和子彈的機械能7“第一類永動機”不可能制成，是因為()A不符合機械能守恒定律B違背了能量守恒定律C做功產(chǎn)生的熱不符合熱功當量D找不到合適的材料和合理的設(shè)計方案答案B8.如圖2所示，一演示用的“永動機”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，進入熱水的葉片因伸展而“劃水”，推動轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動離開熱水后，葉片形狀迅速恢復(fù)，轉(zhuǎn)輪因此能較長時間轉(zhuǎn)動下列說法正確的是()圖2A轉(zhuǎn)輪依靠自身慣性轉(zhuǎn)動，不需要消耗外界能量B轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動所需能量來自形狀記憶合金自身C轉(zhuǎn)動的葉片不斷攪動熱水，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，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)第一定律與氣體實驗定律的綜合應(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)氣體進入b，最終達到平衡狀態(tài)在此過程中()圖3A氣體對外界做功，內(nèi)能減少B氣體不做功，內(nèi)能不變C氣體壓強變小，溫度降低D氣體壓強變小，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，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，壓強減小C對外界做負功，內(nèi)能增大D對外界做正功，壓強減小答案AC解析袋內(nèi)氣體與外界無熱交換即Q0，袋四周被擠壓時，體積V減小，外界對氣體做正功，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)知壓強增大，選項A、C正確，B、D錯誤11.如圖5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)，當氣體從狀態(tài)A變化到狀態(tài)B時()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正確因為氣體體積增大，所以是氣體對外界做功，C錯誤因為氣體對外界做功，而氣體的溫度又升高，內(nèi)能增大，由熱力學(xué)第一定律知氣體一定從外界吸熱，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)