2018學年高中物理 第4章 能量守恒與熱力學定律 熱力學第一定律學案 教科版選修3-3.doc

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熱力學第一定律 【學習目標】 1．知道物體的內(nèi)能是物體內(nèi)所有分子的動能和勢能的總和． 2．知道物體內(nèi)能的變化量可以由做功的數(shù)值來量度． 3．通過焦耳的實驗的觀察，分析和思考，培養(yǎng)學生實事求是，嚴謹?shù)目茖W態(tài)度和想象能力． 4．能區(qū)別功和內(nèi)能．做功與內(nèi)能變化的關系． 5．知道熱傳遞及熱傳遞的三種方式以及熱傳遞的實質． 6．知道熱傳遞與內(nèi)能變化的關系，理解熱功當量。 7．知道做功和熱傳遞對改變物體內(nèi)能的等效結果． 8．明確溫度、熱量、功和內(nèi)能四個物理量的區(qū)別和聯(lián)系． 9．掌握熱力學第一定律及其表達式，能夠從能量轉化的觀點理解定律； 10．會用表達式ΔU=W+Q對問題進行分析和計算； 11．掌握能量守恒定律，理解定律的重要意義，會用能量轉化和守恒的觀點分析物理現(xiàn)象； 12．能綜合運用學過的知識，用能量守恒定律對有關問題進行計算、分析； 13．了解第一類永動機不可能制成的原因． 【要點梳理】 要點一、功和內(nèi)能 1．熱功當量實驗——焦耳實驗 （1）方法：在水中放置葉片，葉片上纏繞兩根繩子，每根繩子各跨過一滑輪，且分別懸掛一個重物，盛水的容器用絕熱性能良好的材料包好．如圖所示，當重物下落時便帶動葉片轉動，容器中的水受葉片的攪動，水由于摩擦而溫度上升． （2）結論：只要重力所做的功相同，容器內(nèi)水溫上升的數(shù)值就相同，即系統(tǒng)的狀態(tài)變化相同． 2．利用電流的熱效應給水加熱的實驗 （1）方法：如圖所示，利用降落的重物使發(fā)電機發(fā)電．電流通過浸在液體的電阻絲．引起液體溫度上升． （2）結論：對同一個系統(tǒng)，在絕熱過程中，只要所做的電功相等，系統(tǒng)溫度上升的數(shù)值就相同，即系統(tǒng)的狀態(tài)變化相同． 3．內(nèi)能 （1）內(nèi)能是物體內(nèi)部所有分子做熱運動的動能和分子勢能的總和． 內(nèi)能類比于重力做功與路徑無關，僅由物體初、末位置決定．而熱力學系統(tǒng)的絕熱過程中，外界對系統(tǒng)所做的功也僅由初、末狀態(tài)決定，與具體做功的過程和方法無關，我們認識到。任何一個熱力學系統(tǒng)必定存在一個只依賴于系統(tǒng)自身狀態(tài)的物理量，這個物理量是系統(tǒng)的一種能量，叫內(nèi)能． （2）內(nèi)能變化和做功的關系 系統(tǒng)由狀態(tài)在絕熱過程中達到狀態(tài)時，內(nèi)能的增加量，。 絕熱過程中：內(nèi)能的增加量等于外界對系統(tǒng)所做的功．當外力做正功時，系統(tǒng)內(nèi)能增加，外力做負功時，系統(tǒng)內(nèi)能減少，且內(nèi)能變化量等于外力所做的功． （3）功和內(nèi)能的區(qū)別 功是能量轉化的量度，與內(nèi)能變化相聯(lián)系，是過程量，而內(nèi)能是狀態(tài)量，只有在內(nèi)能變化過程中才有功．物體內(nèi)能大，并不意味著做功多，只有內(nèi)能變化大，才意味著做功多． （4）熱傳遞和內(nèi)能的改變 熱傳遞有傳導、對流和輻射三種形式． 熱傳遞和做功對改變系統(tǒng)的內(nèi)能來說是等效的．系統(tǒng)在不對外做功，外界也不對系統(tǒng)做功時，系統(tǒng)吸收的熱量為時則內(nèi)能增加量為．系統(tǒng)對外界放出的熱量為時，則內(nèi)能減少，即． 4．物體的內(nèi)能及內(nèi)能的變化 物體的內(nèi)能是指物體內(nèi)所有分子的平均動能和勢能之和，在微觀上由分子數(shù)和分子熱運動劇烈程度和相互作用力決定，宏觀上體現(xiàn)為物體的溫度和體積，因此物體的內(nèi)能是一個狀態(tài)量． 當物體溫度變化時，分子熱運動劇烈程度發(fā)生改變，分子平均動能變化．物體體積變化時，分子間距變化，分子勢能發(fā)生變化．因此物體內(nèi)能的變化只由初、末狀態(tài)決定，與中間過程及方式無關． 5．做功與內(nèi)能的變化 做功改變物體內(nèi)能的過程是將其他形式的能（如機械能）與內(nèi)能相互轉化的過程，做功使物體內(nèi)能發(fā)生變化時，內(nèi)能改變了多少可用做功的數(shù)值來度量．外界對物體做多少功，物體的內(nèi)能就增加多少；物體對外界做多少功，物體的內(nèi)能就減少多少． 壓縮氣體，外界對氣體做了功，氣體的內(nèi)能增加，氣體內(nèi)能的增加量等于外界對氣體做的功；氣體膨脹，是氣體對外界做功，氣體內(nèi)能減小，氣體內(nèi)能的減少量等于氣體膨脹對外做的功．實質上，對氣體我們還能從另一個方面來判斷，那就是看氣體的體積，被研究的氣體體積增大就一定對外做功；氣體的體積減小，外界就一定對氣體做功． 在絕熱過程中，末態(tài)內(nèi)能大于初態(tài)內(nèi)能時，為正，形為正。外界對系統(tǒng)做功．末態(tài)內(nèi)能小于初態(tài)內(nèi)能時．為負，形為負，系統(tǒng)對外界做功．內(nèi)能和其他形式的能一樣，是狀態(tài)量，物體的狀態(tài)一定時，它的內(nèi)能也一定．和討論重力勢能一樣，我們能確定的只是內(nèi)能的變化，因為任何狀態(tài)下的內(nèi)能，只有在標準參考態(tài)的值確定后，才可能得出相應的確定值，由此可知，要測得物體某一狀態(tài)內(nèi)能的絕對值，是不可能的． 6．內(nèi)能與機械能 物體的內(nèi)能與機械能是兩個不同的物理概念．內(nèi)能是由大量分子熱運動和分子間的相對位置所決定的能．機械能是物體做機械運動和物體形變所決定的能．物體具有內(nèi)能的同時可具有機械能．物體的機械能在一定條件下可等于零，但物體的內(nèi)能不可能等于零，因為分子永不停息地做無規(guī)則運動，它們之間有相互作用． 內(nèi)能和機械能在一定條件下可以相互轉化，且總量保持不變． 7．具體現(xiàn)象的分析 如圖所示，大口玻璃瓶內(nèi)有一些水，水的上方有水蒸氣，向瓶內(nèi)打氣，當瓶塞跳出時，觀察瓶內(nèi)的變化。 解析：當瓶塞跳出時，我們會發(fā)現(xiàn)瓶內(nèi)的瓶口處有“白霧”產(chǎn)生．我們所選的研究對象是瓶內(nèi)水面上方的水蒸氣，在瓶塞跳出的過程中，是系統(tǒng)膨脹對外界做功，在這個過程中系統(tǒng)的內(nèi)能減少．瓶內(nèi)的瓶口處的“白霧”實際上是瓶內(nèi)的水蒸氣液化形成的無數(shù)小液滴，水蒸氣液化過程中內(nèi)能減少． 要點二、熱和內(nèi)能 1．熱傳遞 （1）熱傳遞 ①熱傳遞的定義 高溫物體總是自發(fā)地把它的內(nèi)能傳遞給低溫物體，這種沒有做功而使物體內(nèi)能改變的現(xiàn)象稱為熱傳遞． 熱量從物體的一部分傳遞到另一部分，或從一物體傳遞到另一個物體的物理過程． ②熱傳遞的方式 熱傳導、熱對流、熱輻射． ③熱傳遞的條件是存在溫度差，最終結果是使物體的溫度一樣． ④熱傳遞的規(guī)律是熱量從高溫物體傳向低溫物體． （2）熱傳遞和內(nèi)能變化的關系 系統(tǒng)在單純的傳熱過程中，內(nèi)能的增量等于外界向系統(tǒng)傳遞的熱量，即． 2．做功和熱傳遞在改變物體內(nèi)能上的關系 （1）兩種方式的區(qū)別 做功：其他形式的能和內(nèi)能之間的轉化．當機械能轉化為內(nèi)能時，必須通過物體的宏觀運動才能實現(xiàn)． 熱傳遞：物體間內(nèi)能的轉移，即內(nèi)能從物體的一部分傳到另一部分，或從一個物體傳遞到另一個物體．它是在分子相互作用下，通過分子的微觀運動來達到內(nèi)能的改變的．物體間發(fā)生熱傳遞的必要條件是存在溫度差．在熱傳遞過程中，內(nèi)能從高溫物體傳遞到低溫物體，使高溫物體內(nèi)能減少，低溫物體內(nèi)能增加，最后達到溫度相等． （2）兩種方式的聯(lián)系 做功和熱傳遞都可以改變物體的內(nèi)能，從它們改變內(nèi)能的最終結果看，兩者是等效的． 3．“溫度”“熱量”“功”“內(nèi)能”四個量的區(qū)別與聯(lián)系 （1）內(nèi)能是由系統(tǒng)的狀態(tài)決定的，狀態(tài)確定，系統(tǒng)的內(nèi)能也隨之確定，要使系統(tǒng)的內(nèi)能發(fā)生變化，可以通過熱傳遞或做功兩種過程來完成．而熱量是熱傳遞過程中的特征物理量，和功一樣，熱量只是反映物體在狀態(tài)變化過程中所遷移的能量，是用來衡量物體內(nèi)能變化的，有過程，才有變化，離開過程，就毫無意義．就某一狀態(tài)而言，只有“內(nèi)能”，根本不存在什么“熱量”和“功”，因此，不能說一個系統(tǒng)中含有“多少熱量”或“多少功”． （2）熱量和溫度 熱量是系統(tǒng)的內(nèi)能變化的量度，而溫度是系統(tǒng)內(nèi)部大量分子做無規(guī)則運動的激烈程度的標志．雖然熱傳遞的前提是兩個系統(tǒng)之間要有溫度差，但是傳遞的是能量，不是溫度。 （3）熱量和功 熱量和功都是系統(tǒng)內(nèi)能變化的量度，都是過程量，一定量的熱量還與一定量的功相當，熱量可以通過系統(tǒng)轉化為功．功也可以通過系統(tǒng)轉化為熱量，但它們之間有著本質的區(qū)別． 用做功來改變系統(tǒng)的內(nèi)能，是系統(tǒng)內(nèi)分子隨整體的有序運動轉化為另一系統(tǒng)的分子的無規(guī)則運動的過程，是機械能或其他形式的能和內(nèi)能之間的轉化過程． 用熱傳遞來改變系統(tǒng)的內(nèi)能，是通過傳導、對流和輻射來完成的，它將分子的無規(guī)則運動，從一個系統(tǒng)轉移到另一個系統(tǒng)，這種轉移就是系統(tǒng)間內(nèi)能轉換的過程． 4．關于熱傳遞和物體內(nèi)能改變的關系的定量計算和定性分析 熱傳遞也可以改變物體的內(nèi)能．物體吸收了熱量，分子熱運動變得劇烈，分子平均動能就增加，物體的內(nèi)能就增大，反之物體的內(nèi)能就減少．在只有熱傳遞的情況下，系統(tǒng)由狀態(tài)到達狀態(tài)，內(nèi)能增量為，吸收的熱量即，也就是說： 物體吸收熱量，內(nèi)能增加，物體放出熱量，內(nèi)能減少，并且內(nèi)能的變化量等于物體吸收或放出的熱量．對于應明確其中各量的意義． 5．功、熱量、內(nèi)能、溫度四個概念易混淆的問題 關于功、熱量、內(nèi)能、溫度四個物理量的概念易混淆的問題，我們區(qū)別四者的根據(jù)是功、熱量是能量轉化轉移的量度，是與內(nèi)能的變化相聯(lián)系的，是過程量；內(nèi)能是狀態(tài)量．物體的內(nèi)能大，并不意味著物體一定會對外做功或向外傳遞熱量，或者做的功多，傳遞的熱量多．只有物體內(nèi)能的變化大時，過程中做的功或傳遞的熱量才會多．溫度只是分子平均動能的標志，物體的內(nèi)能除與溫度有關外，還與物體的質量、體積、物態(tài)等因素有關，結合這些方面的聯(lián)系與區(qū)別進行判斷才不易出錯． 6．熱傳遞的實質 用熱傳遞來改變系統(tǒng)的內(nèi)能，是通過傳導、對流、輻射來完成的，它將分子的無規(guī)則運動從一個系統(tǒng)轉移到另一個系統(tǒng)，這種轉移也就是系統(tǒng)間的內(nèi)能轉換的過程．功是在沒有熱傳遞的過程中，系統(tǒng)能量變化的量度；熱量是在沒有做功的過程中，系統(tǒng)能量變化的量度． 7．對“熱功當量”的理解 對于熱功當量的大小，不能理解為“熱量可以做功”或“熱量等于的功”． 熱功當量的前提是做功和熱傳遞在改變內(nèi)能上的等效性，因此，對于應理解為“傳遞給物體的熱量使物體內(nèi)能的增加，與對物體做功使物體內(nèi)能的增加在效果上是相當?shù)摹保簿褪钦f，使物體內(nèi)能發(fā)生變化，熱量相當于（等效于）功． 要點三、熱力學第一定律 能量守恒定律 1．熱力學第一定律 （1）熱力學第一定律的研究對象 研究功、熱量跟內(nèi)能的變化之間的定量關系． （2）熱力學第一定律的表達式 我們知道，做功和熱傳遞都可以改變物體的內(nèi)能．在一般情況下，如果物體跟外界同時發(fā)生做功和熱傳遞的過程，那么外界對物體所做的功彬加上物體從外界吸收的熱量等于物體內(nèi)能的增加，即。 上式所表示的功、熱量跟內(nèi)能改變之間的關系，叫做熱力學第一定律． 一個熱力學系統(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，這個關系叫做熱力學第一定律． 一般情況下，如果外界對一個物體做功，同時給物體傳遞熱量，則該物體內(nèi)能的增加應為兩者之和，這就是熱力學第一定律． 2．能量轉化和守恒定律 （1）不同形式的能量之間可以相互轉化 ①自然界中能量的存在形式：物體運動具有機械能、分子運動具有內(nèi)能、電荷具有電能、原子核內(nèi)部的運動具有原子能等，可見，在自然界中不同的能量形式與不同的運動形式相對應． ②不同形式能量之間的轉化：“摩擦生熱”是通過克服摩擦做功將機械能轉化為內(nèi)能；水壺中的水沸騰時水蒸氣對壺蓋做功將壺蓋頂起，表明內(nèi)能轉化為機械能；電流通過電熱絲做功可將電能轉化為內(nèi)能等，這些實例說明了不同形式的能量之間可以相互轉化，且這一轉化過程是通過做功來完成的． （2）能的轉化和守恒定律 ①人類通過對大量的實踐經(jīng)驗進行總結得知，要獲得一種能量，一定需要利用另一種能量通過做功的方式進行轉化，能量不能憑空產(chǎn)生，即不可能設計、創(chuàng)造出一種不消耗任何能量而能源源不斷地對外做功的永動機． ②能的轉化和守恒定律：能量既不能憑空產(chǎn)生，也不能憑空消失，它只能從一種形式轉化為另一種形式，或者從一個物體轉移到另一個物體，這就是能的轉化和守恒定律． （3）能量守恒定律的重要意義 能的轉化和守恒是分析解決問題的一個極為重要的方法．它比機械能守恒定律更普遍．例如物體在空中下落受到阻力時，物體的機械能不守恒，但包括內(nèi)能在內(nèi)的總能量總是守恒的． 3．永動機不可能制成 如圖是歷史上有名的一種永動機的設計．從圖上看，設計者為什么認為這個機器會永遠運動下去？不用能量的概念，你能不能說明它不會永遠運動下去？ [解析]這種永動機是在一個輪子的邊緣等距地安裝根活動短桿，桿的自由端分別套上一個重球．無論輪子轉到什么位置，右邊的各個重球總比左邊的各個重球離軸心更遠一些．設想，右邊甩過去的重球作用在離軸較遠的位置，就會迫使輪子按照箭頭所示的方向永不停息地旋轉下去，至少轉到輪軸磨壞時為止．但是，實際上輪子轉動一兩圈后就停了下來，在這種永動機的設計中，我們總可以找到一個平衡位置，在這個位置上，各個力恰好相互抵消．不再有任何推動力使它運動．永動機必然會在這個平衡位置上靜止下來，變成不動機． （1）第一類永動機 概念：不消耗能量的機器． 結果：無一例外地歸于失?。? 原因：違背能量守恒定律． （2）永動機給我們的啟示 人類利用和改造自然時，必須遵循自然規(guī)律． 要點詮釋：能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)，使人們進一步認識到。任何一部機器，只要對外做功，都要消耗能量，都只能使能量從一種形式轉化為別的形式，或者從一個物體轉移到別的物體，而不能無中生有地創(chuàng)造能量．不消耗能量，卻可以源源不斷地對外做功的機器（第一類永動機）是不可能制成的． 4．運用熱力學第一定律分析解決問題時對公式中物理量符號的規(guī)定 （1）外界對系統(tǒng)做功，，即形為正值； （2）系統(tǒng)對外界做功，也就是外界對系統(tǒng)做負功，，即為負值； （3）外界對系統(tǒng)傳遞熱量，也就是系統(tǒng)從外界吸收熱量，，即為正值； （4）外界對系統(tǒng)吸收熱量，也就是系統(tǒng)向外界放出熱量，，即為負值； （5）系統(tǒng)內(nèi)能增加，，即為正值； （6）系統(tǒng)內(nèi)能減少，，即為負值． 5．熱力學第一定律的應用中應注意的問題 （1）在應用過程中應特別注意分清形的正負號，以便準確地判斷的正、負． （2）幾種特殊情況： ①若過程是絕熱的，則，，外界對物體做的功等于物體內(nèi)能的增加． ②若過程中不做功，即，則，物體吸收的熱量等于物體內(nèi)能的增加． ③若過程的始末狀態(tài)物體的內(nèi)能不變，即，則或，外界對物體做的功等于物體放出的熱量． 6．能量守恒定律的應用 （1）對能量守恒定律的理解和應用的具體方法 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某一物體的能量減少，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）一般的解題步驟 ①首先應明確研究對象是哪個物體或者是哪個熱力學系統(tǒng)． ②分別列出物體或系統(tǒng)吸收或放出的熱量；外界對物體或系統(tǒng)所做的功或物體或系統(tǒng)對外所做的功． ③根據(jù)熱力學第一定律列出方程進行求解． ④特別應注意的就是物理量的正負號及其物理意義． 【典型例題】 類型一、功和內(nèi)能 例1．要探究一個規(guī)律我們可以用實驗法．如圖所示，在一個有機玻璃筒底放置少量易燃物，如硝化棉或浸過乙醚的棉花等，迅速壓下筒中的活塞，我們會發(fā)現(xiàn)筒底的物品燃燒起來，試解釋這一現(xiàn)象． 【答案】見解析 【解析】產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是在活塞壓下來的過程中，由于壓縮氣體做功，使氣體的內(nèi)能增加，溫度升高達到了易燃物的燃點而導致的結果． 舉一反三: 【變式】100℃的水完全變成100℃的水蒸氣，則（ ）． A．水分子的內(nèi)能增加 B．水的內(nèi)能增加 C．水所增加的內(nèi)能小于所吸收的熱量 D．水所增加的內(nèi)能等于所吸收的熱量 【答案】BC 【變式2】下列關于系統(tǒng)的內(nèi)能的說法正確的是（ ）． A．系統(tǒng)的內(nèi)能是由系統(tǒng)的狀態(tài)決定的 B．分子動理論中引入的系統(tǒng)內(nèi)能和熱力學中引入的系統(tǒng)內(nèi)能是一致的 C．做功可以改變系統(tǒng)的內(nèi)能，但單純地對系統(tǒng)傳熱不能改變系統(tǒng)的內(nèi)能 D．氣體在大氣中絕熱膨脹時對外做了功，但氣體的內(nèi)能不變 【答案】A、B 【解析】系統(tǒng)的內(nèi)能是一個只依賴于系統(tǒng)自身狀態(tài)的物理量，所以是由系統(tǒng)的狀態(tài)決定的，A對．正因為內(nèi)能是由于系統(tǒng)的狀態(tài)決定的，所以分子動理論中引入的內(nèi)能和熱力學中引入的內(nèi)能是一致的，B對．做功和熱傳遞都可以改變系統(tǒng)的內(nèi)能，C錯．氣體絕熱膨脹時對外界做了功，又因為與外界沒有熱交換，所以系統(tǒng)的內(nèi)能要減小，故D錯． 【總結升華】分子動理論中引入的系統(tǒng)內(nèi)能和熱力學中引入的系統(tǒng)內(nèi)能不僅是一致的，而且前者為后者提供了微觀解釋． 例2．絕熱過程中，外界壓縮氣體做功，下列說法中正確的是（ ）． A．氣體內(nèi)能一定增加 B．氣體內(nèi)能增加必定小于 C．氣體內(nèi)能增加可能小于 D．氣體內(nèi)能可能不變 【思路點撥】絕熱過程中，功是內(nèi)能轉化的量度： 【答案】A 【解析】絕熱過程中，做功的過程是能量轉化的過程，做了多少功，內(nèi)能就發(fā)生了多少變化． 【總結升華】絕熱過程中，功是內(nèi)能轉化的量度： 舉一反三: 【變式1】一定質量的空氣，從外界吸收了的熱量，同時在個大氣壓的恒定壓強下，體積由增大到，空氣的內(nèi)能增加了（ ）． A． B． C． D． 【答案】B 【解析】 【變式2】金屬筒內(nèi)裝有與外界溫度相同的壓縮空氣，打開筒的開關，筒內(nèi)高壓空氣迅速向外逸出，待筒內(nèi)外壓強相等時，立即關閉開關．在外界保持恒溫的條件下，經(jīng)過一段較長的時間后，再次打開開關，這時出現(xiàn)的現(xiàn)象是（ ）． A．筒外空氣流向筒內(nèi) B．筒內(nèi)空氣流向筒外 C．筒內(nèi)外有空氣交換，處于動態(tài)平衡，筒內(nèi)空氣質量不變 D．筒內(nèi)外無空氣交換 【答案】B 【解析】因高壓空氣急劇外逸時，氣體來不及充分與外界發(fā)生熱交換，可近似看成絕熱膨脹過程，氣體對外做功，內(nèi)能減少，所以關閉開關后，筒內(nèi)氣體溫度較外界偏低，再經(jīng)過較長時間后，筒內(nèi)外氣體溫度相同．對筒內(nèi)剩余氣體分析，屬等容升溫過程，壓強要升高，大于外界氣壓，所以再打開開關時，筒內(nèi)氣體要流向筒外． 【總結升華】①對筒內(nèi)氣體的變化分兩個過程研究，先絕熱膨脹，再等容升溫②經(jīng)過一段時間后，瓶內(nèi)外形成一定的壓強差． 例3．如圖所示，活塞將汽缸分成甲、乙兩氣室，汽缸、活塞（連同拉桿）是絕熱的，且不漏氣．用、分別表示甲、乙兩氣室中氣體的內(nèi)能，則在將拉桿緩慢向外拉的過程中（ ）． A．不變，減小 B．不變，增大 C．增大，不變 D．增大，減小 【思路點撥】明確甲、乙兩氣室的氣體都經(jīng)歷的是絕熱過程，內(nèi)能的改變?nèi)Q于做功的情況． 【答案】D 【解析】本題解題的關鍵是明確甲、乙兩氣室的氣體都經(jīng)歷的是絕熱過程，內(nèi)能的改變?nèi)Q于做功的情況．對甲室內(nèi)的氣體，在拉桿緩慢向外拉的過程中，活塞左移，壓縮氣體，外界對甲室氣體做功，其內(nèi)能應增大；對乙室內(nèi)的氣體，活塞左移，氣體膨脹，氣體對外界做功，內(nèi)能應減小． 【總結升華】①壓縮氣體，外界對氣體做功，內(nèi)能增大，溫度升高，柴油機就是利用這個道理點火的． ②在絕熱過程中，末態(tài)內(nèi)能大于初態(tài)內(nèi)能時，為正，為正，外界對系統(tǒng)做功．末態(tài)內(nèi)能小于初態(tài)內(nèi)能時，為負，為負，系統(tǒng)對外界做功． 舉一反三: 【變式】斜面高，傾角為，質量是的物體從頂端由靜止滑至底端，已知動摩擦因數(shù)為，?。? 求：（1）物體到達底端時的速度； （2）滑行過程中有多少機械能轉化為內(nèi)能． 【答案】見解析 【解析】（1）對物體從頂端由靜止滑到底端的過程中，由動能定理得 ， 故有 ．（為斜面長） 代入數(shù)據(jù)求得 ． （2）摩擦力做的功等于機械能的減少量，全部轉化為內(nèi)能． ． 【總結升華】應知道滑動摩擦力是耗散力，滑動摩擦力做了多少功，就有多少機械能轉化為內(nèi)能． 類型二、熱和內(nèi)能 例4．物體的內(nèi)能增加了，下列說法中正確的是（ ）． A．一定是外界對物體做了的功 B．一定是物體吸收了的熱量 C．一定是物體分子動能增加了 D．物體的分子平均動能可能不變 【思路點撥】做功和熱傳遞是改變內(nèi)能的兩種方式． 【答案】D 【解析】做功和熱傳遞都可以改變物體內(nèi)能，物體內(nèi)能改變，其方式是不確定的，因此A、B錯誤．而物體內(nèi)能包括所有分子的平均動能和勢能，內(nèi)能由分子數(shù)、分子平均動能、勢能三者決定，因此C錯誤． 【總結升華】做功和熱傳遞是改變內(nèi)能的兩種方式． 舉一反三: 【變式】下列說法中正確的是（ ）． A．做功和熱傳遞在改變物體內(nèi)能上是等效的，因此做功與熱傳遞是沒有區(qū)別的 B．雖然做功和熱傳遞在改變內(nèi)能的效果上是等效的，但我們還是可以通過分析改變前后物體的內(nèi)能，來區(qū)別是做功還是熱傳遞改變內(nèi)能的 C．做功和熱傳遞在改變內(nèi)能的效果上是等效的，表明要使物體的內(nèi)能發(fā)生變化，既可以通過做功來實現(xiàn)，也可以通過熱傳遞來實現(xiàn) D．功和熱傳遞在改變內(nèi)能的效果上是等效的，說明人在出汗散熱時，還可以通過對外做功來代替出汗改變內(nèi)能 【答案】C 【解析】做功和熱傳遞在改變物體內(nèi)能上是等效的，但本質不同，做功是將其他形式的能量轉化為內(nèi)能或將內(nèi)能轉化為其他形式的能量；熱傳遞是將一個物體的內(nèi)能傳遞給另一個物體．故A、B均錯誤，C正確；人在出汗散熱時，顯然是不可以通過對外做功來代替出汗改變內(nèi)能，D錯誤。 【總結升華】做功和熱傳遞本質不同，但在改變物體內(nèi)能上是等效的，注意它們的區(qū)別和聯(lián)系． 例5．對于熱量、功和內(nèi)能三者的說法正確的是（ ）． A．熱量、功、內(nèi)能三者的物理意義等同 B．熱量、功都可以作為物體內(nèi)能的量度 C．熱量、功、內(nèi)能的單位不相同 D．熱量和功是由過程決定的，而內(nèi)能是由物體狀態(tài)決定的 【答案】D 【解析】物體的內(nèi)能是指物體的所有分子動能和分子勢能的總和，而要改變物體的內(nèi)能可以通過做功和熱傳遞兩種途徑．這三者的物理意義不同，A項錯．熱量是表示在熱傳遞過程中物體內(nèi)能變化多少的物理量，而功也是用做功的方式來量度改變物體內(nèi)能多少的物理量，B項錯．三者單位都是焦耳，C項錯．熱量和功是過程量，內(nèi)能是狀態(tài)量，D項正確． 舉一反三: 【變式】關于系統(tǒng)內(nèi)能的下列說法正確的是（ ）． A．物體內(nèi)所有分子的動能與分子勢能的總和叫物體的內(nèi)能 B．一個物體當它的機械能發(fā)生變化時，其內(nèi)能也一定發(fā)生變化 C．外界對系統(tǒng)做了多少功形，系統(tǒng)的內(nèi)能就增加多少，即 D．系統(tǒng)從外界吸收了多少熱量，系統(tǒng)的內(nèi)能就增加了多少，即 【答案】A 【解析】在分子動理論中，我們把物體內(nèi)所有分子的分子動能與分子勢能的總和定義為物體的內(nèi)能，選項A對．物體的內(nèi)能與機械能是兩個不同的物理概念，兩者沒有任何關系。如物體的速度增加了，機械能可能增加，但如果物體的溫度不變。物體的內(nèi)能就不變，故選項B錯．只有當系統(tǒng)與外界絕熱時，外界對系統(tǒng)做的功才等于系統(tǒng)內(nèi)能的增量，同理，只有在單純的熱傳遞過程中，系統(tǒng)吸收（或放出）的熱量才等于系統(tǒng)內(nèi)能的增量，故選項C、D都錯． 例6．若對物體做的功，可使物體溫度升高，改用熱傳遞的方式，使物體溫度同樣升高，那么物體應吸收的熱量；如果對該物體做的功，物體的溫度升高，表明該過程中，物體還（填“吸收”或“放出”）熱量． 【答案】 放出 【解析】做功和熱傳遞在改變物體內(nèi)能上是等效的，因此物體用做功方式使溫度升高，若用吸熱方式也使溫度升高，應吸收的熱量． 對物體做功，溫度升高，設物體溫度升高，需要的功或熱量為 ， ， 所以 ． 因此物體放出的熱量． 類型三、熱力學第一定律 能量守恒定律 例7．用隔板將一絕熱容器隔成A和B兩部分，A中盛有一定質量的理想氣體，B為真空（如圖①），現(xiàn)把隔板抽去，A中的氣體自動充滿整個容器（如圖②），這個過程稱為氣體的自由膨脹，下列說法正確的是（ ）． A．自由膨脹過程中，氣體分子只做定向運動 B．自由膨脹前后，氣體的壓強不變 C．自由膨脹前后，氣體的溫度不變 D．容器中的氣體在足夠長的時間內(nèi)，能全部自動回到A部分 【答案】C 【解析】理想氣體在絕熱的條件下，向真空部分自由膨脹的過程是一個既與外界沒有熱交換，又沒有對外做功的過程，根據(jù)熱力學第一定律可以確定氣體的內(nèi)能不變，而理想氣體的分子勢能為0，即分子動能不變。溫度不變． 舉一反三: 【變式】一定質量的理想氣體，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)，用表示外界對氣體做的功，表示氣體對外界做的功，表示氣體吸收的熱量，表示氣體放出的熱量，則在整個過程中一定有（ ）． A． B． C． D． 【答案】A 【解析】本題所考查的內(nèi)容涉及理想氣體的內(nèi)能、改變物體內(nèi)能的兩種方式及熱力學第一定律等知識．解答本題的切入點是，對一定質量的理想氣體，在某一狀態(tài)下其內(nèi)能是確定的．首先，對一定質量的理想氣體，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．當然，若，則必定有；若，則必定有；若，則必定有，所以B、C、D三項都有可能，故選A． 例8．用密封性好、充滿氣體的塑料袋包裹易碎品，如圖所示，充氣袋四周被擠壓時，假設袋內(nèi)氣體與外界無熱交換，則袋內(nèi)氣體（ ）． A．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】本題考查熱力學第一定律，要明確題目中氣體與外界光熱交換的條件。根據(jù)熱力學第一定律，ΔU＝W＋Q，Q＝0，外界壓縮氣體，氣體體積減小，外界對氣體做正功，內(nèi)能增大，溫度升高，由可知壓強增大，A、C正確，B、D錯。 【總結升華】解決此類問題一般要同時結合熱力學第一定律和狀態(tài)方程分析。 舉一反三: 【變式1】兩裝置，均由一支一端封閉，一端開口且?guī)в胁Ａ莸墓軤钊萜骱退y槽組成，除玻璃泡在管上的位置不同外，其他條件都相同。將兩管抽成真空后，開口向下豎直插入水銀槽中（插入過程沒有空氣進入管內(nèi)），水銀柱上升至圖示位置停止。假設這一過程水銀與外界沒有熱交 換，則下列說法正確的是（ ）． A．中水銀的內(nèi)能增量大于中水銀的內(nèi)能增量 B．中水銀的內(nèi)能增量大于中水銀的內(nèi)能增量 C．和中水銀體積保持不變，故內(nèi)能增量相同 D．和中水銀溫度始終相同，故內(nèi)能增量相同 【答案】B 【變式2】關于物體內(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)熱力學第一定律，物體內(nèi)能的變化與外界對物體做功（或物體對外界做功）、物體從外界吸熱（或向外界放熱）這兩種因素有關．物體吸收熱量，但有可能同時對外界做功，故內(nèi)能有可能不變甚至減小，故A項不正確．同理，物體對外界做功的同時有可能吸熱，故內(nèi)能不一定減小，B項不正確．若物體吸收的熱量與對外做功相等，則內(nèi)能不變，故C項正確．因放熱和對外做功都會使物體內(nèi)能減小，故D項不正確． 【總結升華】本題易錯選A、B或D的原因主要是對一些基本概念理解不清，對以下基本知識的理解不夠透徹，以下三個要點要通過練習不斷加深理解： ①外界對系統(tǒng)做功，形為正值，反之，形為負值． ②系統(tǒng)吸熱，為正值，反之，為負值． ③系統(tǒng)內(nèi)能增加，為正值；系統(tǒng)內(nèi)能減小，為負值． 例9．風沿水平方向以速度”垂直吹向一直徑為的風車葉輪上，設空氣密度為，風的動能有轉化為風車的動能，風車帶動水車將水提高的高度，效率為，則單位時間最多可提升的水的質量。 【思路點撥】根據(jù)能量守恒定律列出方程 【答案】 【解析】設在時間內(nèi)吹在風車上的空氣的質量為，則 ， 風的動能 ． 根據(jù)題意： 。 則 ． 【總結升華】本題綜合性較強，根據(jù)能量守恒定律列出方程即可得到正確答案． 舉一反三: 【變式】要把質量為的衛(wèi)星發(fā)射到地球附近的圓形軌道上，如果燃料完全燃燒產(chǎn)生的熱量有轉化為衛(wèi)星軌道上運行時的動能，試求燃料質量至少為多少？（地球半徑為，燃料的燃燒值，） 【解析】設衛(wèi)星在地球附近圓形軌道上的運行速度為， 則 ，． ① 由題意得 ． ② 聯(lián)立①②式得 ．