（江蘇專版）2018版高中物理 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

《（江蘇專版）2018版高中物理 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》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《（江蘇專版）2018版高中物理 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（11頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、 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． 一、熱力學(xué)第一定律 [導(dǎo)學(xué)探究]　(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？ 圖1 (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

2、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ΔU應(yīng)該是多少？ 答案　(1)都增加了10 J. (2)系統(tǒng)內(nèi)能的增量ΔU＝Q＋W. [知識梳理] (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：ΔU＝Q＋W. 二、能量守恒定律 [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

3、少嗎？ (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　(1)能量的總量不會減少． (2)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． [知識梳理] (1)能量守恒定律 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)能量守恒定律的意義 ①各種形式的能可以相互轉(zhuǎn)化． ②各種物理現(xiàn)象可以用能量守

4、恒定律聯(lián)系在一起． (3)永動機不可能制成 ①第一類永動機：人們把設(shè)想的不消耗能量的機器稱為第一類永動機． ②第一類永動機由于違背了能量守恒定律，所以不可能制成． 一、對熱力學(xué)第一定律的理解 例1　空氣壓縮機在一次壓縮中，活塞對空氣做了2×105 J的功，同時空氣的內(nèi)能增加了1.5×105 J，這一過程中空氣向外界傳遞的熱量是多少？ 答案　5×104 J 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ΔU＝W＋Q. 由題意可知W＝2×105 J，ΔU＝1.5×105 J，代入上式得 Q＝ΔU－W＝1.5×105 J－2×105 J＝－5×104 J. 負號表示空

5、氣向外釋放熱量，即空氣向外界傳遞的熱量為5×104 J. 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； (2)根據(jù)方程ΔU＝W＋Q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　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．Q1－Q2＝W2－W1 B．Q1＝Q2 C．W1＝W2 D．Q1＞Q2 答案　A 解析　對一定質(zhì)量的理想

6、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Q1＝Q2，則必定有W1＝W2；若Q1＞Q2，則必定有W1＜W2；若Q1＜Q2，則必定有W1＞W(wǎng)2，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

7、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ΔU＝W＋Q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． 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ΔU，則(　　)

8、 圖2 A．ΔU＝Q B．ΔUQ D．無法比較 答案　B 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. 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

9、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?。? (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ΔU＝W＋Q，則Q＝ΔU－W，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． 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(　　) 圖3 A．氣體內(nèi)能一定增加

10、 B．氣體壓強變大 C．氣體對外界做功 D．氣體對外界放熱 答案　C 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． 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U＝aT(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： 圖4 (1)氣體內(nèi)能的減少量ΔU； (2)氣體放出的熱量Q. 答案　(1)aT0　(2)Q＝p0V＋aT0 解析　

11、(1)由題意可知氣體內(nèi)能U與溫度T的關(guān)系為U＝aT，所以開始時氣體的內(nèi)能：U1＝a×2T0 末狀態(tài)：U0＝aT0； 內(nèi)能的減小量ΔU＝U1－U0＝aT0 (2)設(shè)溫度降低后的體積為V′， 由蓋—呂薩克定律得＝ 外界對氣體做功：W＝p0(V－V′) 由熱力學(xué)第一定律解得：Q＝p0V＋aT0 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8×104 J的功，氣體的內(nèi)能減少了1.2×105 J，則根據(jù)熱力學(xué)第一定律，下列各式中正確的是(　　) A．W＝8×104 J，ΔU＝1.2×105 J，Q＝4×104 J B．W＝8×104 J，ΔU＝－1.2×105

12、J，Q＝－2×105 J C．W＝－8×104 J，ΔU＝1.2×105 J，Q＝2×104 J D．W＝－8×104 J，ΔU＝－1.2×105 J，Q＝－4×104 J 答案　B 解析　因為外界對氣體做功，W取正值，即W＝8×104 J；氣體的內(nèi)能減少，ΔU取負值，即ΔU＝－1.2×105 J；根據(jù)熱力學(xué)第一定律ΔU＝W＋Q，可知Q＝ΔU－W＝－1.2×105 J－8×104 J＝－2×105 J，即B選項正確． 2．(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

13、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． 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)

14、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5 A．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ΔU＝W＋Q，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，ΔU＝0，所以Q為負，即氣體向外放熱，故選項A錯，C對． 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．

15、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ΔU＝W＋Q，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． 2．一定量的理想氣體在某一過程中，從外界吸收熱量2.5×104 J，氣體對外界做功1.0×104

16、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ΔU＝W＋Q可得理想氣體內(nèi)能變化ΔU＝－1.0×104 J＋2.5×104 J＝1.5×104 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ρ＝可知密度較小，故C項錯誤，D項正確． 3．一定質(zhì)量的氣體在保持壓強恒等于1.0×105 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4×103 J，則氣體內(nèi)能的變化為(　　) A．增加了5×103 J B．減少了5×103 J

17、C．增加了3×103 J D．減少了3×103 J 答案　C 解析　氣體等壓膨脹過程對外做功W＝pΔV＝1.0×105 Pa×(30－20)×10－3 m3＝1.0×103 J．這一過程氣體從外界吸熱Q＝4×103 J．由熱力學(xué)第一定律ΔU＝W＋Q，由于氣體對外做功，W應(yīng)取負值，則可得ΔU＝－1.0×103 J＋4×103 J＝3.0×103 J，即氣體內(nèi)能增加了3×103 J．故選項C正確． 4．如圖1所示，在A→B和D→A的過程中，氣體放出的熱量分別為4 J和30 J，在B→C和C→D的過程中，氣體吸收的熱量分別為20 J和12 J．求氣體完成一次循環(huán)對外界所做的功． 圖1

18、 答案?。? J 解析　完成一次循環(huán)內(nèi)能不變，ΔU＝0，根據(jù)熱力學(xué)第一定律可知－W＝QAB＋QBC＋QCD＋QDA＝(－4＋20＋12－30)J＝－2 J，即W＝2 J，氣體完成一次循環(huán)外界對氣體所做的功是2 J，氣體對外界做的功是－2 J. 題組二　能量守恒定律 5．“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(dāng)量 D找不到合適的材料和合理的設(shè)計方案 答案　B 6．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“

19、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2 A．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． 7．一顆子彈以某一水平速度擊中了靜止在光滑水平面上的木塊，并從中穿出．對于這一過程，下列說法

20、中正確的是(　　) A．子彈減少的機械能等于木塊增加的機械能 B．子彈減少的動能等于木塊增加的動能 C．子彈減少的機械能等于木塊增加的動能與木塊增加的內(nèi)能之和 D．子彈減少的動能等于木塊增加的動能與子彈和木塊增加的內(nèi)能之和 答案　D 解析　射穿木塊的過程中，由于相互間摩擦力的作用使得子彈的動能減小，木塊獲得動能，同時產(chǎn)生熱量，且系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量在數(shù)值上等于系統(tǒng)機械能的損失．A、B項沒有考慮到系統(tǒng)增加的內(nèi)能，C項中應(yīng)考慮的是系統(tǒng)減少的機械能等于系統(tǒng)增加的內(nèi)能．故正確答案為D. 題組三　熱力學(xué)第一定律與氣體實驗定律的綜合應(yīng)用 8．如圖3所示，一絕熱容器被隔板K隔成a、b兩部分．已知a

21、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3 A．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． 9．一定質(zhì)量的理想氣體，當(dāng)發(fā)生如下哪些狀態(tài)變化時，能放出熱量(　　) A．體積不變，壓強減小 B．壓強不變，體積減小 C．溫度不變，體積減少 D．溫度不變，壓強減小

22、 答案　ABC 解析　根據(jù)＝C可知，體積不變，壓強減小，則溫度降低，內(nèi)能減小，根據(jù)ΔU＝W＋Q可知，W＝0，則氣體放熱，選項A正確；同理，壓強不變，體積減小，則溫度降低，內(nèi)能減小，根據(jù)ΔU＝W＋Q可知，W>0，則Q<0，氣體放熱，選項B正確；溫度不變，體積減少，則ΔU＝0，W>0，則Q<0，氣體放熱，選項C正確；溫度不變，壓強減小，則體積變大，ΔU＝0，W<0，則Q>0，氣體吸熱，選項D錯誤，故選A、B、C. 10. 如圖4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. 圖4 (1)求氣體在狀態(tài)B的溫度； (2)由狀態(tài)B變化到

23、狀態(tài)C的過程中，氣體是吸熱還是放熱？簡要說明理由． 答案　(1)1 200 K　(2)見解析 解析　(1)由題圖知pA＝0.5 atm，pB＝1.0 atm， VA＝1 m3，VB＝2 m3， 由＝ 得氣體在狀態(tài)B的溫度 TB＝＝ K＝1 200 K (2)由狀態(tài)B到狀態(tài)C，氣體做等容變化， pC＝0.5 atm， 由查理定律得＝ 則：TC＝TB＝600 K 氣體由狀態(tài)B到狀態(tài)C為等容變化，不做功，但溫度降低，內(nèi)能減少，由熱力學(xué)第一定律ΔU＝W＋Q，ΔU<0，W＝0，故Q<0，可知氣體放熱． 11．一定質(zhì)量的理想氣體，狀態(tài)從A→B→C→D→A的變化過程可用如圖5所示的p－V圖線描述，其中D→A為等溫線，氣體在狀態(tài)A時溫度為TA＝300 K，試求： 圖5 (1)氣體在狀態(tài)C時的溫度TC； (2)氣體在AB過程中對外做了多少功； (3)若氣體在AB過程中吸熱1 000 J，則在AB過程中氣體的內(nèi)能怎樣變化． 答案　(1)375 K　(2)600 J　(3)增加400 J 解析　(1)由理想氣體狀態(tài)方程＝ 得TC＝＝375 K (2)氣體在AB過程對外做的功為W＝pΔV＝600 J (3)由熱力學(xué)第一定律ΔU＝－W＋Q 得ΔU＝400 J 內(nèi)能增加400 J. 11