(统编版)2020学年高中物理第三章热力学基础第二节热力学第一定律第三节能量守恒定律教学案粤教版选修3

第二节热力学第一定律第三节能量守恒定律[目标定位] 1.理解热力学第一定律并会运用于分析和计算.2.理解能量守恒定律，知道能量守恒是自然界普遍遵从的基本规律.3.知道第一类永动机是不可能造成的．一、热力学第一定律[导学探究] 一根金属丝经过某一物理过程，温度升高了，除非事先知道，否则根本无法判定是经过做功的方法还是使用了热传递的方法使它的内能增加．因为单纯地对系统做功和单纯地对系统传热都能改变系统的内能．既然它们在改变系统内能方面是等效的，那么当外界对系统做功为W，又对系统传热为Q时，系统内能的增量ΔU应该是多少？答案系统内能的增量ΔU＝Q＋W.[知识梳理]1．热力学第一定律：如果物体跟外界同时发生做功和热传递的过程，那么，物体内能的增加ΔU就等于物体吸收的热量Q和外界对物体做的功W之和．2．热力学第一定律的表达式：ΔU＝Q＋W.3．对公式ΔU＝Q＋W符号的规定符号W Q ΔU＋外界对热力学系统做功热力学系统吸收热量内能增加－热力学系统对外界做功热力学系统放出热量内能减少4.三种特殊情况(1)若过程是绝热的，即Q＝0，则W＝ΔU，外界对物体做的功等于物体内能的增加．(2)若过程中外界没有对物体做功，即W＝0，则Q＝ΔU，物体吸收的热量等于物体内能的增加．(3)若过程的始末状态物体的内能不变，即ΔU＝0，则W＋Q＝0或W＝－Q，外界对物体做的功等于物体放出的热量．二、热力学第一定律应用举例[导学探究]1．理想气体的内能与什么因素有关？答案 由于理想气体忽略了分子间的作用力，即忽略了分子势能，所以理想气体的内能只跟气体的温度和物质的量有关，与气体的体积无关．2．你能应用热力学第一定律讨论理想气体在等压膨胀过程中的能量转换关系吗？ 答案 设一定质量的理想气体，保持压强不变，由(V 1，T 1)变为(V 2，T 2)，而且V 1＜V 2. 由盖·吕萨克定律V 1T 1＝V 2T 2及V 1＜V 2知T 1＜T 2. 因气体膨胀(V 1＜V 2)，则气体对外做功，W ＜0. 因气体温度升高(T 1＜T 2)，则气体的内能增加ΔU ＞0.由热力学第一定律ΔU ＝W ＋Q 可知Q ＝ΔU －W ＞0.即系统由外界吸收热量，系统吸收的热量一部分用来增加内能，一部分转化为气体对外所做的功． [知识梳理]1．等压过程中的能量转换(1)等压膨胀：由于W ＜0，ΔU ＞0，则Q ＝ΔU －W ＞0，即气体吸收的热量一部分用来增加内能，另一部分转化为气体对外所做的功．(2)等压压缩：由于W ＞0，ΔU ＜0，则Q ＝ΔU －W ＜0，即气体对外界放热，放出的热量等于外界对气体所做的功与气体内能减小量之和． 2．等容过程中的能量转换(1)温度升高：由于ΔU ＞0，W ＝0，则Q ＝ΔU ，即气体从外界吸收的热量全部用于增加气体的内能．(2)温度降低，由于ΔU ＜0，W ＝0，则Q ＝ΔU ，即气体向外界放出的热量等于气体内能的减少量．3．等温过程中的能量转化(1)等温膨胀：由于W ＜0，ΔU ＝0，则Q ＝－W ＞0，即气体从外界吸收的热量全部转换为气体对外所做的功．(2)等温压缩：由于W ＞0，ΔU ＝0，则Q ＝－W ＜0，即外界对气体所做的功全部转换为气体传给外界的热量． 三、能量守恒定律[导学探究] 使热力学系统内能改变的方式是做功和热传递．做功的过程是其他形式的能转化为内能的过程，热传递是把其他物体的内能转移为系统的内能．在能量发生转化或转移时，能量的总量会减少吗？ 答案 能量的总量保持不变． [知识梳理]1．能量守恒定律：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化成为另一种形式，或者从一个物体转移到别的物体；在转化和转移过程中其总量不变．2．对能量守恒定律的理解(1)某种形式的能量减少，一定有其他形式的能量增加，且减少量和增加量一定相等．(2)某个物体的能量减少，一定存在其他物体的能量增加，且减少量和增加量一定相等．3．能量的存在形式及相互转化各种运动形式都有对应的能：机械运动有机械能，分子的热运动有内能，还有诸如电磁能、化学能、原子能等．各种形式的能通过某种力做功可以相互转化．4．第一类永动机(1)定义：不需要任何动力或燃料却能不断对外做功的机器．(2)不可能制成的原因：违背了能量守恒定律．[延伸思考]热力学第一定律、机械能守恒定律是能量守恒定律的具体体现吗？答案是一、热力学第一定律例1(多选)关于物体内能的变化情况，下列说法中正确的是( )A．吸热的物体，其内能一定增加B．体积膨胀的物体，其内能一定减少C．放热的物体，其内能也可能增加D．绝热压缩的气体，其内能一定增加答案CD解析做功和热传递都能改变物体的内能，不能依据一种方式的变化就判断内能的变化．例2空气压缩机在一次压缩中，活塞对空气做了2×105 J的功，同时空气的内能增加了1.5×105 J，这一过程中空气向外界传递的热量是多少？答案5×104 J解析选择被压缩的空气为研究对象，根据热力学第一定律有ΔU＝W＋Q.由题意可知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.负号表示空气向外释放热量，即空气向外界传递的热量为5×104 J.二、热力学第一定律与气体实验定律的结合例3如图1所示，倒悬的导热气缸中封闭着一定质量的理想气体．轻质活塞可无摩擦地上下移动，活塞的横截面积为S，活塞的下面吊着一个重为G的物体，大气压强恒为p0.起初环境的热力学温度为T0时，活塞到气缸底面的距离为L.当环境温度逐渐升高，导致活塞缓慢下降，该过程中活塞下降了0.1L，气缸中的气体吸收的热量为Q.求：图1(1)气缸内部气体内能的增量ΔU；(2)最终的环境温度T.答案(1)Q－0.1p0SL＋0.1LG(2)1.1T0解析(1)密封气体的压强p＝p0－(G/S)密封气体对外做功W＝pS×0.1L由热力学第一定律得ΔU＝Q－W得ΔU＝Q－0.1p0SL＋0.1LG(2)该过程是等压变化，由盖·吕萨克定律有LS T0＝(L＋0.1L)ST解得T＝1.1T0三、能量守恒定律例4下列对能量守恒定律的认识错误的是( )A．某种形式的能量减少，一定存在其他形式的能量增加B．某个物体的能量减少，必然有其他物体的能量增加C．不需要任何外界的动力而持续对外做功的机器——第一类永动机是不可能制成的D．石子从空中落下，最后停止在地面上，说明机械能消失了答案 D解析A选项是指不同形式的能量间的转化，转化过程中能量是守恒的．B选项是指能量在不同的物体间发生转移，转移过程中能量是守恒的，A、B选项正好是能量守恒定律的两个方面——转化与转移．第一类永动机是不可能制成的，它违背了能量守恒定律．所以A、B、C正确；D选项中石子的机械能减少，但机械能并没有消失，能量守恒定律表明能量既不能创生，也不能消失，故D错误．故选D项．1．(热力学第一定律)一定质量的气体在某一过程中，外界对气体做了8×104 J的功，气体的内能减少了1.2×105 J，则根据热力学第一定律，下列各式中正确的是( )A．W＝8×104 J，ΔU＝1.2×105 J，Q＝4×104 JB．W＝8×104 J，ΔU＝－1.2×105 J，Q＝－2×105 JC．W＝－8×104 J，ΔU＝1.2×105 J，Q＝2×104 JD．W＝－8×104 J，ΔU＝－1.2×105 J，Q＝－4×104 J答案 B解析因为外界对气体做功，W取正值，即W＝8×104 J；内能减少，ΔU取负值，即ΔU＝－1.2×105 J；根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，可知Q＝ΔU－W＝－1.2×105 J－8×104 J ＝－2×105 J，即B选项正确．2．(热力学第一定律)如图2所示，某同学将空的薄金属筒开口向下压入水中．设水温均匀且恒定，筒内空气无泄漏，不计气体分子间的相互作用，则被淹没的金属筒在缓缓下降的过程中，筒内空气体积减小，且( )图2A．从外界吸热B．内能增大C．向外界放热D．内能减少答案 C解析本题考查气体性质和热力学第一定律，由于不计气体分子之间的相互作用，且整个过程缓慢进行，所以可看成温度不变，即气体内能不变，选项B、D均错．根据热力学第一定律公式ΔU＝W＋Q，因为在这个过程中气体体积减小，外界对气体做功，式中W取正号，ΔU＝0，所以Q为负，即气体向外放热，故选项A错，C对．正确答案为C.3．(能量守恒定律)下面设想不符合能量守恒定律的是( )A．利用永久磁铁间的作用力，造一台永远转动的机械B．做一条没有动力系统的船，在水面上行驶C．通过太阳照射飞机，即使飞机不带燃料也能飞行D．利用核动力，驾驶地球离开太阳系答案 A解析利用磁场能可以使磁铁所具有的磁场能转化为动能，但由于摩擦力的不可避免性，动能最终转化为内能使转动停止，故A不符合．船能利用水流的能量行驶，飞机可利用光能的可转化性和电能的可收集性，使光能转化为飞机的动能，实现飞机不带燃料也能飞行，故B、C符合；利用反冲理论，以核动力为能源，使地球获得足够大的能量，挣脱太阳引力的束缚而离开太阳系，故D符合．故选A项．4．(热力学第一定律与气体实验定律的综合应用)如图3是用导热性能良好的材料制成的气体实验装置，开始时封闭的气柱长度为22 cm，现用竖直向下的外力F压缩气体，使封闭的气柱长度变为2 cm，人对活塞做功100 J，大气压强为p0＝1×105 Pa，不计活塞的重力．问：图3(1)若用足够长的时间缓慢压缩，求压缩后气体的压强多大？(2)若以适当的速度压缩气体，向外散失的热量为20 J，则气体的内能增加多少？(活塞的横截面积S＝1 cm2)答案(1)1.1×106 Pa (2)82 J解析(1)设压缩后气体的压强为p，活塞的横截面积为S，l0＝22 cm，l＝2 cm，V0＝l0S，V ＝lS，缓慢压缩，气体温度不变由玻意耳定律得p0V0＝pV解出p＝1.1×106 Pa(2)大气压力对活塞做功W1＝p0S(l0－l)＝2 J人做功W2＝100 J由热力学第一定律得ΔU＝W1＋W2＋QQ＝－20 J解得ΔU＝82 J题组一热力学第一定律1．关于物体内能的变化，以下说法中正确的是( )A．物体吸收热量，内能一定增大B．物体对外做功，内能一定减少C．物体吸收热量，同时对外做功，内能可能不变D．物体放出热量，同时对外做功，内能可能不变答案 C解析根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，物体内能的变化与外界对物体做功(或物体对外界做功)和物体从外界吸热(或向外界放热)两种因素有关．物体吸收热量，但有可能同时对外做功，故内能有可能不变甚至减小，故A错；同理，物体对外做功的同时有可能吸热，故内能不一定减少，B错；若物体吸收的热量与对外做的功相等，则内能不变，C正确；而放热与对外做功都使物体内能减少，故D错．2．夏天将密闭有空气的矿泉水瓶放进低温的冰箱中会变扁，此过程中瓶内空气(可看成理想气体)( )A．内能减小，外界对其做功B．内能减小，吸收热量C．内能增加，对外界做功D．内能增加，放出热量答案 A解析此过程中瓶内空气温度降低，体积减小，所以内能减小，外界对气体做功，根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W可知，ΔU<0，W>0，Q＝ΔU－W<0，所以空气放热，只有选项A正确．3．一定量的理想气体在某一过程中，从外界吸收热量2.5×104J，气体对外界做功1.0×104 J，则该理想气体的 ( )A．温度降低，密度增大B．温度降低，密谋减小C．温度升高，密度增大D．温度升高，密度减小答案 D解析由ΔU＝W＋Q可得理想气体内能变化ΔU＝－1.0×104 J＋2.5×104 J＝1.5×104 J＞0，故温度升高，A、B两项均错．因为气体对外做功，所以气体一定膨胀，体积变大，由ρ＝mV可知密度变小，故C项错误，D项正确．4．一定质量的气体在保持压强恒等于1.0×105 Pa的状况下，体积从20 L膨胀到30 L，这一过程中气体从外界吸热4×103 J，则气体内能的变化为( )A．增加了5×103 J B．减少了5×103 JC．增加了3×103 J D．减少了3×103 J答案 C解析气体等压膨胀过程对外做功W＝pΔV＝1.0×105Pa×(30－20)×10－3 m3＝1.0×103 J．这一过程气体从外界吸热Q＝4×103 J．由热力学第一定律ΔU＝W＋Q，由于气体对外做功，W应取负值，则可得ΔU＝－1.0×103 J＋4.0×103 J＝3.0×103 J，即气体内能增加了3×103 J．故选项C正确．题组二能量守恒定律5．自由摆动的秋千摆动幅度越来越小，下列说法中正确的是( )A．机械能守恒B．能量正在消失C．只有动能和重力势能的相互转化D．减少的机械能转化为内能，但总能量守恒答案 D解析自由摆动的秋千摆动幅度越来越小，说明机械能在减少，故A、C项错误；而减少的机械能通过摩擦转化成了内能，故B项错误，D项正确．6．一颗子弹以某一水平速度击中了静止在光滑水平面上的木块，并从中穿出．对于这一过程，下列说法中正确的是( )A．子弹减少的机械能等于木块增加的机械能B．子弹减少的动能等于木块增加的动能C．子弹减少的机械能等于木块增加的动能与木块增加的内能之和D．子弹减少的动能等于木块增加的动能与子弹和木块增加的内能之和答案 D解析射穿木块的过程中，由于相互间摩擦力的作用使得子弹的动能减小，木块获得动能，同时产生热量，且系统产生的热量在数值上等于系统机械能的损失．A、B项没有考虑到系统增加的内能，C项中应考虑的是系统减少的机械能等于系统增加的内能．故正确答案为D. 7．“第一类永动机”不可能制成，是因为( )A．不符合机械能守恒定律B．违背了能量守恒定律C．做功产生的热不符合热功当量D找不到合适的材料和合理的设计方案答案 B8.如图1所示，一演示用的“永动机”转轮由5根轻杆和转轴构成，轻杆的末端装有用形状记忆合金制成的叶片．轻推转轮后，进入热水的叶片因伸展而“划水”，推动转轮转动．离开热水后，叶片形状迅速恢复，转轮因此能较长时间转动．下列说法正确的是( )图1A．转轮依靠自身惯性转动，不需要消耗外界能量B．转轮转动所需能量来自形状记忆合金自身C．转动的叶片不断搅动热水，水温升高D．叶片在热水中吸收的热量一定大于在空气中释放的热量答案 D解析轻推转轮后，叶片开始转动，由能量守恒定律可知，叶片在热水中吸收的热量一部分释放到空气中，另一部分使叶片在热水中伸展做功，所以叶片在热水中吸收的热量一定大于在空气中释放的热量，D正确．题组三热力学第一定律与气体实验定律的综合应用9．(多选)如图2所示，一绝热容器被隔板K隔成a、b两部分．已知a内有一定质量的稀薄气体，b内为真空．抽离隔板K后，a内气体进入b，最终达到平衡状态．在此过程中( )图2A．气体对外界做功，内能减少B．气体不做功，内能不变C．气体压强变小，温度降低D．气体压强变小，温度不变答案BD解析抽离隔板K，a内气体体积变大，由于b内为真空，所以a内气体不做功，由热力学第一定律可得B正确．内能不变，故温度不变，体积变大，由玻意耳定律可知压强变小，所以D正确．10．高压锅加热到一定程度，高压水汽会冲开气阀喷出，高压水汽喷出的过程( )A．喷出的水汽体积增大，温度降低，压强减小B．喷出的水汽压强减小，大气对水汽做正功，内能增大C．水汽刚喷出的短暂时间里，水汽对外做正功，吸热，内能增加D．水汽刚喷出的短暂时间里，水汽对外做负功，放热，内能减小答案 A解析由于外面压强小于高压锅内部压强，所以喷出的水汽压强减小，体积增大，对外做正功，温度降低，放出热量，内能减小．故选项A正确．11．如图3所示，A、B两点表示一定质量的某种理想气体的两个状态，当气体从状态A变化到状态B时( )图3A．气体内能一定增加B．气体压强变大C．气体对外界做功D．气体对外界放热答案 C解析由图可知，理想气体的变化为等温膨胀，故气体压强减小，内能不变，气体对外做功；由热力学第一定律可知，气体一定从外界吸收热量．综上可知，C对，A、B、D错．12．重庆出租车常以天然气作为燃料．加气站储气罐中天然气的温度随气温升高的过程中，若储气罐内气体体积及质量均不变，则罐内气体(可视为理想气体)( )A．压强增大，内能减小B．吸收热量，内能增大C．压强减小，分子平均动能增大D．对外做功，分子平均动能减小答案 B解析储气罐中气体体积不变，气体不做功，当温度升高时，气体压强增大，气体内能增大，分子平均动能增大；由热力学第一定律可知，气体一定吸热，故选项B正确．13.如图4所示，一定质量的理想气体从状态A先后经过等压、等容和等温过程完成一个循环，A、B、C状态参量如图所示，气体在状态A的温度为27 ℃，求：图4(1)气体在状态B的温度T B；(2)气体从A→B→C状态变化过程中与外界交换的总热量Q. 答案(1)600 K (2)2p0V0解析(1)A到B过程是等压变化，有VAT A ＝V B T B代入数据得T B＝600 K(2)根据热力学第一定律有ΔU＝Q＋W其中W＝－2p0V0解得Q＝2p0V0(吸热)14.如图5所示，导热材料制成的横截面积相等、长度均为45 cm的气缸A、B，通过带有阀门的管道连接．初始时阀门关闭，厚度不计的光滑活塞C位于B内左侧，在A内充满压强p A ＝2.8×105 Pa的理想气体，B内充满压强p B＝1.4×105 Pa的理想气体，忽略连接气缸的管道体积，室温不变，现打开阀门，求：图5(1)平衡后活塞向右移动的距离和B中气体的压强；(2)自打开阀门到平衡，B内气体是吸热还是放热(简要说明理由)．答案(1)15 cm 2.1×105 Pa (2)放热，理由见解析解析(1)活塞向右运动后，对A气体，有p A LS＝p(L＋x)S对B气体，有p B LS＝p(L－x)S得x＝15 cmp＝2.1×105 Pa(2)活塞C向右移动，对B中气体做功，而气体做等温变化，内能不变，由热力学第一定律可知B内气体放热．11。