高中物理第5章热力学定律章末小结与测评教学案鲁科版选修3_3

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鲁科版高中物理选修3-3第五章热力学定律.docx

高中物理学习材料唐玲收集整理第五章热力学定律建议用时实际用时满分实际得分90分钟100分一、选择题（本题包括10小题，每小题给出的四个选项中，有的只有一个选项正确，有的有多个选项正确，全部选对的得4分，选对但不全的得2分，有选错或不选的得0分，共40分）1.(杭州模拟)下列说法中正确的是( )A.在一房间内，打开一台冰箱的门，再接通电源，过一段时间后，室内温度就会降低B.从目前的理论看来，只要实验设备足够高级，可以使温度降低到-273.15 ℃C.第二类永动机是不能制造出来的，尽管它不违反热力学第一定律，但它违反热力学第二定律D.机械能可以自发地全部转化为内能，内能也可能全部转化为机械能而不引起其他变化2.(郑州模拟)飞机在万米高空飞行时，舱外气温往往在-50 ℃以下.在研究大气现象时可把温度、压强相同的一部分气体作为研究对象，叫做气团.气团直径可达几千米，由于气团很大，边缘部分与外界的热交换对整个气团没有明显影响，可以忽略.高空气团温度很低的原因可能是( )A.地面的气团上升到高空的过程中膨胀，同时对外放热，使气团自身温度降低B.地面的气团上升到高空的过程中收缩，同时从周围吸收热量，使周围温度降低C.地面的气团上升到高空的过程中膨胀，气团对外做功，气团内能大量减少，气团温度降低D.地面的气团上升到高空的过程中收缩，外界对气团做功，故周围温度降低3.一个带活塞的汽缸内盛有一定量的气体，若此气体的温度随其内能的增大而升高，则( )A.将热量传给气体，其温度必升高B.压缩气体，其温度必升高C.压缩气体，同时气体向外界放热，其温度必不变D.压缩气体，同时将热量传给气体，其温度必升高4.下列说法中正确的是( )A.从甲物体自发传递热量给乙物体，说明甲物体的内能比乙物体多B.热机的效率从原理上讲可达100%C.因为能量守恒，所以“能源危机”是不可能的D.以上说法均不正确5.某物体温度升高了，这说明( )A.该物体一定吸收了热量B.该物体可能放出了热量C.外界对物体可能做了功D.物体可能吸收了热量6.下面关于热力学第二定律微观意义的说法正确的是( )A.从微观的角度看，热力学第二定律是一个统计规律B.一切自然过程总是沿着分子热运动无序性减小的方向进行C.有的自然过程沿着分子热运动无序性增大的方向进行，有的自然过程沿着分子热运动无序性减小的方向进行D.在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小7.以下说法正确的是( )A.电冰箱内的食品温度比室内温度低，说明在一定条件下热传导也可以由低温物体向高温物体进行B.内能可以转化为机械能C.能量的耗散否定了能量守恒定律D.能量的耗散说明自然界的宏观过程有方向性8.关于热力学第一定律和热力学第二定律，下列论述正确的是( )A.热力学第一定律指出内能可以与其他形式的能相互转化，而热力学第二定律则指出内能不可能完全转化为其他形式的能，故这两条定律是相互矛盾的B.内能可以全部转化为其他形式的能，只是会产生其他影响，故两条定律并不矛盾C.两条定律都是有关能量的转化规律，它们不但不矛盾，而且没有本质区别D.其实，能量守恒定律已经包含了热力学第一定律和热力学第二定律图19.如图1所示，直立容器内部有被隔板隔开的、两部分气体，的密度小，的密度大，抽去隔板，加热气体，使两部分气体均匀混合，设在此过程气体吸热，气体内能增加量为Δ，则( )A.ΔB.Δ＜C.ΔD.无法比较10.(北京理综)下列关于热现象的说法，正确的是( )A.外界对物体做功，物体的内能一定增加B.气体的温度升高，气体的压强一定增大C.任何条件下，热量都不会由低温物体传递到高温物体D.任何热机都不可能使燃料释放的热量完全转化为机械能二、填空题（每小题6分，共24分。

高中物理第5章热力学定律5.4熵-无序程度的量变教案2鲁科版选修3-3(2021年整理)

高中物理第5章热力学定律5.4 熵-无序程度的量变教案2 鲁科版选修3-3 编辑整理：尊敬的读者朋友们：这里是精品文档编辑中心，本文档内容是由我和我的同事精心编辑整理后发布的，发布之前我们对文中内容进行仔细校对，但是难免会有疏漏的地方，但是任然希望（高中物理第5章热力学定律5.4 熵-无序程度的量变教案2 鲁科版选修3-3）的内容能够给您的工作和学习带来便利。

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5。

4 熵-无序程度的量变一．教学目标1、知道有序和无序，宏观态和微观态的概念2、知道熵的概念，知道熵是反映系统无序程度的物理量。

知道任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减少3、了解热力学第二定律的微观意义。

知道随着条件的变化，熵是变化的。

二．重点难点1.重点：热力学第二定律的微观解释2。

难点：熵的概念三．学法指导通过本节学习知道熵的概念，知道任何自然过程中一个孤立系统的总熵不会减少，熵的概念使我们认识到热力学第二定律的微观本质，了解熵是反映系统无序程度的物理量。

同时要学会通过现象总结规律的科学方法，培养分析、归纳、综合能力.首先把本节课的内容认真的看一遍。

看好以后可以查阅一下资料，最后完成本学案。

四．自主学习1。

有序和无序有序：叫做有序。

无序: 称为无序。

无序意味着各处都一样，平均、没有差别，有序则相反。

有序和无序是的。

2。

宏观态和微观态宏观态：的状态，叫做热力学系统的宏观态。

微观态: 的状态叫做这个宏观态的微观态。

系统的宏观态所对应的微观态的多少表现为宏观态无序程度的大小。

如果一个“宏观态”对应的“微观态”比较多，就说这个“宏观态”是比较的，同时也决定了宏观过程的方向性——从序到序。

3.热力学第二定律的微观意义一切自然过程总是沿着分子热运动的增大的方向进行.4。

2019_2020学年高中物理第5章热力学定律本章优化总结学案鲁科版选修3_3

本章优化总结热力学第一定律及能量守恒热力学第一定律是能量守恒定律在热学中的具体表现形式．它给出了做功和热传递在改变物体内能上是等价的．1．热力学第一定律揭示了内能的增量(ΔU)与外力对物体做功(W)及物体从外界吸热(Q)之间的关系，即ΔU＝W＋Q，正确理解公式的意义及符号的含义是解决此类问题的关键．(1)外界对物体做功，W>0；物体对外界做功，W<0.(2)物体从外界吸热，Q>0；物体放出热量，Q<0.(3)ΔU>0，物体的内能增加；ΔU<0，物体的内能减少．2．注意问题(1)只有绝热过程Q＝0，ΔU＝W，用做功可判断内能变化．(2)只有在气体体积不变时，W＝0，ΔU＝Q，用吸热放热情况可判断内能的变化．(3)若物体内能不变，即ΔU＝0，则W＝－Q，功和热量符号相反，大小相等．因此判断内能变化问题一定要进行全面考虑．3．应用能量守恒定律解题的方法步骤(1)认清有多少种形式的能(例如动能、势能、内能、电能、化学能、光能等)在相互转化．(2)分别写出减少的能量ΔE减和增加的能量ΔE增的表达式．(3)根据下列两种思路列出能量守恒方程：ΔE减＝ΔE增．①某种形式的能减少，一定存在其他形式的能增加，且减少量与增加量一定相等．②某个物体的能量减少，一定存在其他物体的能量增加，且减少量与增加量一定相等．(4)解方程，代入数据，计算结果．(多选)如图，一定质量的理想气体从状态a出发，经过等容过程ab到达状态b，再经过等温过程bc到达状态c，最后经等压过程ca回到初态a.下列说法正确的是( )A．在过程ab中气体的内能增加B．在过程ca中外界对气体做功C．在过程ab中气体对外界做功D．在过程bc中气体从外界吸收热量[解析] ab过程，气体压强增大，体积不变，则温度升高，内能增加，A项正确；ab 过程发生等容变化，气体对外界不做功，C项错误；一定质量的理想气体内能仅由温度决定，bc过程发生等温变化，内能不变，bc过程，气体体积增大，气体对外界做正功，根据热力学第一定律可知气体从外界吸热，D项正确；ca过程发生等压变化，气体体积减小，外界对气体做正功，B项正确．[答案] ABD热力学第二定律1．热力学第二定律的两种表述(1)按照热传递的方向性表述为：不可能使热量从低温物体传向高温物体而不引起其他变化．这是热力学第二定律的克劳修斯表述．(2)按照机械能与内能转化的方向性表述为：不可能从单一热源吸收热量，使之完全变为有用功而不引起其他变化．这是热力学第二定律的开尔文表述．2．热力学第二定律的微观意义(1)一切不可逆过程总是沿着大量分子热运动无序性增大的方向进行．(2)用熵来表示热力学第二定律：在孤立系统中，一切不可逆过程必然朝着熵增加的方向进行．(多选)下列说法正确的是( )A．在任何情况下，给气体加热，熵一定增加；气体放热，熵一定减小B．熵增大的过程为不可逆过程C．对一个孤立的系统来说，熵减小的过程是不可能实现的D．以上说法都不对[解析] 根据熵增加原理，在任何自然过程中，孤立系统必然向熵增加的方向变化，所以B、C选项正确．[答案] BC。

高中物理第5章热力学定律第2节能量的转化与守恒教学案鲁科版选修3_3

高中物理第5章热力学定律第2节能量的转化与守恒教学案鲁科版选修3_31.1840年，德国医生迈尔从理论上论证了能量间可以相互转化，提出物理、化学过程中能量守恒原理。

2．英国物理学家焦耳用了近40年的时间解决了功和热的转换的定量关系，为能量守恒提供无可置疑的证据。

3．能量既不会消失，也不会创生，它只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物1．迈尔的发现德国医生迈尔从理论上具体地论证了机械能、内能、化学能、电磁能等都可以相互转化。

提出了物理、化学过程中能量守恒的原理。

2．焦耳的研究(1)确定了电能向内能转化的定量关系。

(2)用了近40年的时间，不懈地钻研热功转换问题，为能量守恒定律提供了无可置疑的证据。

3．亥姆霍兹的贡献(1)亥姆霍兹的论文《论力的守恒》，从理论上把力学中的能量守恒原理推广到热、光、电、磁、化学反应等过程，揭示了它们之间的统一性。

(2)他还将能量守恒原理与永动机不可能实现相提并论。

[跟随名师·解疑难]1．自然界中的运动形式多种多样。

不同的运动形式对应不同的能量，例如(1)物体运动——机械能(2)分子热运动——内能(3)电荷和电场——电势能2．不同形式能量之间的转化：(1)摩擦生热——机械能转化为内能(2)水蒸气将壶盖顶起——内能转化为机械能(3)用电炉子加热——电能转化为内能3．太阳能的转化：[特别提醒] 能量之间的相互转化都是通过做功来实现的。

[学后自检]┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄(小试身手)说出下列过程中是什么能量转化为内能。

(1)物体沿粗糙斜面下滑_________________________________________________；(2)变压器发热_________________________________________________________；(3)汽油机内气体燃烧后变成高温气体_____________________________________；(4)车刀切下炽热铁屑__________________________________________________。

新鲁科版物理选修3-3热力学定律章末小节与测评

F ・■!■■・・■■拊注,DI Wg^HAN 它沅諾，热力学定律能量守恒定律的发现能量守恒定律应用热力学第二定律〔热然学程的方律性表述热力学第二定律的表述LZSI |热力学第一定律应用(1) 热力学第一定律的表达式： A U = Q + W 。

(2) 符号法则① 外界对物体做功，则 W 为正；物体对外界做功，则 W 为负。

② 物体从外界吸热，则 Q 为正；物体放出热量，则 Q 为负。

③ 物体内能增加， AJ 为正；物体内能减少， AU 为负。

(3)三个物理量正负的判断方法① 外界对气体做功 W 的正负的判断：对于气体一般要看体积如何变化，体积变大，对外做功，W 为负；体积变小，外界对气体做功，W 为正。

提示：气体向真空扩散，尽管体积变大，但并不对外做功。

② 在热传递过程中热量 Q 的正负的判断：物体温度低于外界环境温度，物体吸热，Q 为正；物体温度高于外界环境温度，物体放热，Q 为负。

蠱章末小结与测评/理上干，加氓点"章未盘点'评价自我1知识结构图示XlliSIIE JIRl^llJ TL^ill1 有序与无序、熵无序程度的量度匚熵和熵增加原理高频考点例折C ；AC1F1 K K.ADD [AH LILI热力学第一定律及其应用第一类永动机热力学热力学能量的转化与守恒③内能变化情况的判断：对于理想气体要抓住温度变化是内能变化的标志，温度升高+P［例1］［多选］（全国卷n ）—定量的理想气体从状态a开始，经历等温或等压过程ab、bc、cd、da回到原状态，其p-T图像如图所示。

其中对角线ac的延长线过原点0。

下列判断正确的是（）A .气体在a、c两状态的体积相等B •气体在状态a时的内能大于它在状态c时的内能C •在过程cd中气体向外界放出的热量大于外界对气体做的功D •在过程da中气体从外界吸收的热量小于气体对外界做的功E.在过程bc中外界对气体做的功等于在过程da中气体对外界做的功解析：由ac的延长线过原点0知，直线Oca为一条等容线，气体在a、c两状态的体积相等，选项A正确；理想气体的内能由其温度决定，故在状态a时的内能大于在状态c时的内能，选项B正确；过程cd是等温变化，气体内能不变，由热力学第一定律知，气体对外放出的热量等于外界对气体做的功，选项C错误；过程da气体内能增大，从外界吸收的热量大于气体对外界做的功，选项D错误；由理想气体状态方程知：警=讐=学=畔=T a T b T c T dC,即P a V a = CT a, P b V b= CT b, PcV c= CT c, P d V d=CT d° 设过程bc 中压强为P o= P b= P c,过程da中压强为p0' = p d= P a。

物理鲁科版选修3-3学案：第5章第3节热力学第二定律含解析

第3节热力学第二定律1．初步了解热力学第二定律。

2．运用热力学第二定律解释自然界中的能量转化、转移以及方向性问题。

3．了解第二类永动机不能制成的原因。

如图所示操作后，拿掉物块，活塞还能自发地返回原位置吗？提示:拿去物块后，活塞不能返回原位置。

因为这违背了热力学第二定律。

1．自然过程的方向性(1）一个系统由某一状态出发，经过某一过程到达另一状态,如果存在另一过程,它能使系统和外界完全复原，即系统回到原来的状态，同时消除原来过程对外界的一切影响,则原来的过程称为可逆过程；如果任何方法都不能使系统和外界完全复原，则原来的过程称为不可逆过程。

（2）热传递是不可逆过程，具有方向性；功转变为热、热转变为功也是不可逆的，具有方向性。

（3)凡是与热现象有关的宏观过程都具有方向性。

2．热力学第二定律的表述（1）克劳修斯表述：不可能使热量从低温物体传向高温物体而不引起其他变化。

(2)开尔文表述:不可能从单一热源吸取热量，使之完全变为有用功而不引起其他变化。

(3）从单一热源吸取热量并使之完全转化为功而不产生其他影响的机器叫做第二类永动机。

热力学第二定律也可以表述为：第二类永动机是不可能制成的.1．对热力学第二定律的理解(1)在热力学第二定律的表述中,正确理解“不引起其他变化”的含义是使用热力学第二定律解决问题的关键之一。

“不引起其他变化”的含义是使热量从低温物体传递到高温物体或从单一热源吸收热量全部用来做功，不须通过第三者的帮助。

这里的帮助是指提供能量等方式。

（2)理解热力学第二定律的实质是解题的关键之二。

热力学第二定律的每一种表述，都揭示了自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性.2．热力学第二定律与热力学第一定律的关系(1)热力学第一定律揭示了做功和热传递对改变物体内能的规律关系ΔU＝W＋Q，指明内能不但可以转移，而且还能跟其他形式的能相互转化。

热力学第一定律是能量守恒定律在热学中的一种表述形式，是从能的角度揭示不同物质运动形式相互转化的可能性,告诫人们：第一类永动机不可能制成。

高中物理第5章热力学定律教案鲁科版选修33

【课堂新坐标】（教师用书）2013-2014学年高中物理第5章热力学定律教案鲁科版选修3-3第1节热力学第一定律第2节能量的转化与守恒(教师用书独具)●课标解读1．理解热力学第一定律及其数学表达式，会用其进行分析和计算．2．知道第一类永动机违背了热力学第一定律，是不可能实现的．3．体会制作永动机的失败对科学发展的重要贡献．知道一切违背自然规律的做法都是行不通的科学道理．4．理解能量守恒定律，能用能量守恒的观点解释自然现象．5．体会能量守恒定律是最基本、最普遍的自然规律之一，体会自然界的统一性．●教学地位热力学第一定律是本章的重点，也是高考的热点．教材在事实的基础上建立起热力学第一定律的数学表达式，又通过实例对表达式中物理量取值的正负意义进行了讨论．能量守恒定律的确立，说明了不同运动形式在相互转化的过程中有量的共同性，从而把各种自然现象用定量的规律联系了起来，具有重大的理论意义，另一方面，它对于制造永动机的设想，给予了科学上的否决，具有实践意义．(教师用书独具)●新课导入建议图教5－1－1中左边为风力发电机，发出的电供给右边的电风扇，电风扇把风吹到发电机上发电，循环往复，不需要消耗其他能量风扇就可以一直工作下去．图教5－1－1在能源短缺的现在，这是多么美好的愿望啊！同学们，这种愿望能实现吗？今天我们来研究这些问题．●教学流程设计课前预习安排：⇒1.看教材2.填写【课前自主导学】同学之间可进行讨论步骤1：导入新课，本节教学地位分析⇒步骤2：老师提问，检查预习效果可多提问几个学生⇒步骤3：师生互动完成“探究1”互动方式除例1外可再变换命题角度，补充一个例题以拓展学生思路⇓步骤7：指导学生完成【当堂双基达标】，验证学习情况⇐步骤6：完成“探究3”重在讲解规律方法技巧⇐步骤5：师生互动完成“探究2”方式同完成“探究1”相同⇐步骤4：让学生完成【迁移应用】，检查完成情况并点评⇓步骤8：先由学生自己总结本节的主要知识，教师点评，安排学生课下完成【课后知能检测】1.(1)改变物体内能的两种方式做功和热传递．(2)物体内能的改变①如果物体与外界无热传递，若外界对物体做功，则物体的内能增加；若物体对外做功，物体的内能减少．②如果物体既不对外做功，外界也不对物体做功，则物体吸收热量时，它的内能增加；物体放出热量时，它的内能减少．(3)热力学第一定律①内容：物体内能的增加量ΔU，等于外界对物体所做的功W与物体从外界吸收的热量Q之和．②表达式：ΔU＝W＋Q.(4)第一类永动机①概念：不消耗任何能量而能永远对外做功的机器．②结果17～18世纪，人们提出了许多永动机设计方案，但都以失败而告终．③原因设想能量能够无中生有地创造出来，违背了热力学第一定律．④启示人类利用和改造自然时，必须遵循自然规律．2．思考判断(1)热量、功和内能三者单位相同，物理意义相同．(×)(2)热量和功由过程决定，而内能由物体状态决定．(√)(3)系统内能增加了100 J，可能是外界采用绝热方式对系统做功100 J，也可能是外界单纯地对系统传热100 J．(√)3．探究交流图5－1－1有一种所谓的“全自动”机械手表，既不需要上发条，也不用任何电源，却能不停地走下去．这是不是一种永动机呢？如果不是，你知道维持表针走动的能量是哪儿来的吗？1.(1)迈尔的发现体力和体热必定来源于食物中的化学能，内能、化学能、机械能都是等价的，是可以相互转化的，如果动物体的能量输入与支出是平衡的，那么，所有这些形式的能在量上必定是守恒的．(2)焦耳的研究①确定了电能向内能转化的定量关系．②用了近40年的时间，不懈地钻研热功转换问题，为能量守恒定律提供了无可置疑的证据．(3)亥姆霍兹的贡献从理论上把力学中的能量守恒原理推广到热、光、电、磁、化学反应等过程，揭示了它们之间的统一性．(4)内容能量既不会消失，也不会创生，它只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体，而能量的总值保持不变．(5)意义揭示了自然科学各个分支之间的普遍联系，是自然界内在统一性的第一个有力证据．(6)应用①各种形式的能可以转化．但能量在转化过程中总伴有内能的损失．②各种互不相关的物理现象，可以用能量守恒定律联系在一起．2．思考判断(1)某种形式的能量减少，一定存在其他形式能量的增加．(√)(2)某个物体的能量减少，必然有其他物体的能量增加．(√)(3)石子从空中落下，最后静止在地面上，说明能量消失了．(×)3．探究交流焦耳对物质运动之间的关系的研究方法与迈尔有什么不同？【提示】焦耳是采用严格的定量实验分析方法，迈尔研究的范围比较广泛，但他采用的是定性研究的方法.1．如何确定ΔU＝W＋Q中的符号问题？2．利用热力学第一定律解题的思路和步骤是什么？1．对热力学第一定律的理解(1)热力学第一定律不仅反映了做功和热传递这两种改变内能的过程是等效的，而且给出了内能的变化量和做功与热传递之间的定量关系．此定律应用时各量的单位应统一．(2)对公式ΔU＝Q＋W符号的规定(3)一般情况下外界对物体做功与否，需看物体的体积是否变化．①若物体体积增大，表明物体对外界做功，W＜0；②若物体体积变小，表明外界对物体做功，W＞0.2．应用热力学第一定律解题的思路与步骤(1)首先应明确研究对象是哪个物体或者是哪个热力学系统．(2)分别列出物体(或系统)吸收或放出的热量；外界对物体(或系统)所做的功或物体(或系统)对外所做的功．(3)根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W列出方程进行求解．(4)特别注意的就是物理量的正、负号及其物理意义．应用热力学第一定律解题，一定要弄清热学过程中物理量W、Q、ΔU的正、负号，防止公式ΔU＝W＋Q中因符号不清楚而出错．一定量的气体内能增加了3×105 J(1)若吸收了2×105J的热量，则是气体对外界做功，还是外界对气体做功？做了多少焦耳的功？(2)若气体对外界做了4×105J的功，则是气体放热还是从外界吸热？放出或吸收的热量是多少？【审题指导】解答此题要抓住以下两点：(1)理解热力学第一定律，做功和热传递两种方式都可以改变内能．(2)弄清楚发生的物理过程中ΔU、W、Q的符号．【解析】(1)由热力学第一定律ΔU＝Q＋W得W＝ΔU－Q＝3×105 J－2×105 J＝1×105 J外界对气体做功．(2)由ΔU＝Q＋W得Q＝ΔU－W＝3×105 J－(－4×105 J)＝7×105 J气体从外界吸热．【答案】(1)外界对气体做功1×105 J(2)气体从外界吸热7×105 J1．(2013·福州检测)下列过程，可能发生的是( )A．物体吸收热量，对外做功，同时内能增加B．物体吸收热量，对外做功，同时内能减少C．外界对物体做功，同时物体吸热，内能减少D．外界对物体做功，同时物体放热，内能增加【解析】根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，做功和热传递都可以改变物体的内能，故由此可确定A、B、D正错，C错误．【答案】ABD1．能量守恒定律的意义是什么？2．利用能量守恒定律的解题思路是什么？1．对能量守恒定律的理解(1)某种形式的能减少，一定有其他形式的能增加，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)各种形式的能在转化和转移过程中总量守恒无需任何条件，而某种或几种形式的能的守恒是有条件的．例如：物体的机械能守恒，必须是只有重力或弹力做功．(4)意义：能量守恒定律的发现，使人们进一步认识到，任何一部机器，只要对外做功，都要消耗能量，都只能使能量从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到其他物体，而不能无中生有地创造能量．不消耗能量，却可以源源不断地对外做功的机器(第一类永动机)是不可能制成的．2．应用能量守恒定律的思路方法(1)能量守恒的核心是总能量不变，因此在应用能量守恒定律时应首先分清系统中哪些能量在相互转化，是通过哪些力做功实现的，这些能量分别属于哪些物体，然后再寻找合适的守恒方程式．(2)在应用能量守恒定律分析问题时，应明确两点：①哪种形式的能量减少，哪种形式的能量增加．②哪个物体的能量减少，哪个物体的能量增加．风沿水平方向以速度v垂直吹向一直径为d的风车叶轮，设空气密度为ρ，风的动能有50%转化为风车的动能，风车带动水车将水提高h的高度，效率为80%.则单位时间内最多可提升的水的质量为__________．【审题指导】此过程风的动能转化为水的重力势能―→E k ×50%×80%＝mgh【解析】在时间t 内吹在风车上的空气的质量为m 1＝14πd 2·vt ·ρ，风的动能E k ＝12m 1v 2＝18πd 2v 3tρ.根据题意18πd 2v 3tρ×50%×80%＝mgh ，则m t ＝πd 2ρv 320gh . 【答案】 πd 2ρv320gh分析这类问题时，要弄清能量转化的关系，增加的能量一定等于减少的能量.2．(2013·厦门检测)行驶中的汽车制动后滑行一段距离，最后停下；流星在夜空中坠落并发出明亮的火焰；降落伞在空中匀速下降；条形磁铁在下落过程中穿过闭合线圈，线圈中产生电流．上述不同现象中所包含的相同的物理过程是( )A．物体克服阻力做功B．物体的动能转化为其他形式的能量C．物体的势能转化为其他形式的能量D．物体的化学能转化为其他形式的能量【解析】这四个现象中物体运动过程都受到阻力作用，汽车主要是制动阻力，流星、降落伞是空气阻力，条形磁铁下落主要是受到磁场阻力．因而物体都克服阻力做功，A项对．四个物体运动过程中，汽车是动能转化成了其他形式的能，流星、降落伞、条形磁铁是重力势能转化成其他形式的能，总之是机械能转化成了其他形式的能，B、C、D错误．【答案】 A(2013·六盘水中学检测)如图5－1－2所示，A、B两点表示一定质量的某种理想气体的两个状态．当气体自状态A变化到状态B时( )图5－1－2A．体积必然变大B．不可能经过体积减小的过程C．外界必然对气体做正功D．气体必然从外界吸热【审题指导】一定质量的理想气体的内能只由温度决定，与体积无关．【规范解答】本题是气体状态变化、图象与热力学第一定律结合的综合分析题．连接OA、OB，得到两条等容线，故有V B＞V A，所以A正确；由于没有限制自状态A变化到状态B 的过程，所以可先减小气体的体积再增大气体的体积到B状态，故B错误；因为气体体积增大，所以是气体对外做功，C错误；因为气体对外界做功，而气体的温度又升高，内能增大，由热力学第一定律知气体一定从外界吸热，D正确．【答案】AD热力学第一定律的应用技巧1．判断对气体是否做功的方法一般情况下外界对气体做功与否，需看气体的体积是否变化．(1)若气体体积增大，表明气体对外界做功，W<0；(2)若气体体积变小，表明外界对气体做功，W>0.2．几种常见的气体变化过程(1)绝热过程：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)等容过程：过程中不做功，即W＝0，则Q＝ΔU，物体吸收的热量等于物体内能的增加．(3)等温过程：过程的始末状态物体的内能不变，即ΔU＝0，则W＋Q＝0或W＝－Q.【备课资源】(教师用书独具)克劳修斯及他对科学的贡献克劳修斯生在一个多子女的教师家里．他父亲创办了一所私人学校并自任校长，克劳修斯就是在这所学校里接受初等教育的．随后在斯特汀地方中学继续其学业，直到1840年进入柏林大学．克劳修斯曾对历史课很感兴趣，但还是决定在数学和物理方面发挥才能.1847年他在哈雷大学获得主修数学和物理的哲学博士学位．克劳修斯家境清寒，为了抚养弟妹，他在求学期间不得不兼任家庭补习教师．克劳修斯于1850年发表了关于热的理论的著名论文后，得到了柏林皇家炮兵工程学院的重要教职．从1855年起的12年里，他任苏黎世工业大学教授，讲授物理，并在那里结了婚.1867年返回德国，任维尔茨堡大学教授，为期两年.1869年移居波恩，任波恩大学教授，他在那里一直工作到生命的最后一刻．克劳修斯为人诚挚、勤奋，但性格孤僻．他对物理学的贡献主要是在去波恩前做出的，去波恩后发生的两个不幸事件对他以后的学术生涯有很大损害．一是在1870年到1871年的普法战争中，他领导一个学生救护队，不幸膝盖受了重伤，长期受伤痛折磨，这使他无法继续担任实验课教学，由此或许还影响了波恩大学实验物理的发展．另一是他的妻子在1875年生第六个孩子时去世，这使他不得不独立承担照顾家庭的责任.克劳修斯的主要工作领域是热力学和气体分子动理论．他和汤姆孙是热力学理论的奠基者.1850年，克劳修斯发表著名论文“论热的动力以及由此推出的关于热学本身的诸定律”．他根据热的运动学说，提出一个基本定律：靠热来做功时，所消耗的热与功成正比；反之，消耗的功也会产生同样数量的热．克劳修斯在论文中否定了热质理论的基本前提，与热质说相对立，他认为热量不能看做是物质状态的函数，而与其过程有关．克劳修斯绘出了热力学第一定律的表达式：dQ＝dU－dW，式中，U是物质状态的函数，是克劳修斯首先引入热力学的，U的名称“内能”则是一年后汤姆孙给出的．此外，他早期曾研究过弹性的数学理论．他还研究过电解问题，提出解释电解的离解观念．他假设，在液体中部分离子处于非结合状态，他们在液体中寻找配偶，很弱的电动势也能对它们起作用．他对电动力学和介质极化理论也很感兴趣，曾经导出介电常数和电介质密度的关系．克劳修斯一生得到过多种荣誉，他被许多科学团体选为名誉成员，并接受过许多奖赏，其中最引人注目的是1879年获英国皇家学会的Coylcy奖章.1．在热力学第一定律的表达式ΔU＝W＋Q中，关于ΔU、W、Q各个物理量的正、负，下列说法中正确的是( )A．外界对物体做功时W为正，吸热时Q为负，内能增加时ΔU为正B．物体对外界做功时W为负，吸热时Q为正，内能增加时ΔU为负C．物体对外界做功时W为负，吸热时Q为正，内能增加时ΔU为正D．外界对物体做功时W为负，吸热时Q为负，内能增加时ΔU为负【解析】根据公式ΔU＝W＋Q中的符号法则知选项C正确．【答案】 C2．断定第一类永动机不可能制成的依据是( )A．牛顿第二定律B．动量守恒定律C．机械能守恒定律D．能量守恒定律【解析】能量守恒定律的确立，给予了第一类永动机不能制成的科学解释．【答案】 D3．下列对能量的转化和守恒定律的认识正确的是( )A．某种形式的能量减少，一定存在其他形式能量的增加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——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【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，转移过程中是守恒的．这正好是能量守恒定律的两个方面——转化与转移．任何永动机都是不可能制成的，它违背了能量守恒守律，所以A、B、C 正确．D选项中石子的机械能在变化，比如受空气阻力作用，机械能可能减少，但机械能并没有消失，能量守恒定律表明能量既不会创生，也不会消失，故D是错的．【答案】ABC4．下列关于能量转化的现象的说法中，正确的是( )A．用太阳灶烧水是太阳能转化为电能B．电灯发光是电能转化为光能C．核电站发电是电能转化为内能D．生石灰放入盛有凉水的烧杯里，水温升高是动能转化为内能【解析】A选项中光能转化为内能，C中是核能转化为电能，D选项中是化学能转化为内能，故B选项正确．【答案】 B5．空气压缩机在一次压缩过程中，活塞对气缸中空气做功为2×105 J，空气的内能增加了1.5×105 J，则气体________(填“吸”或“放”)热为________ J.【解析】由热力学第一定律：ΔU＝Q＋W得：1.5×105J＝2×105J＋Q，所以Q＝－5×104J．故放热．【答案】放5×1041．把浸有乙醚的一小块棉花放在厚玻璃筒的底部，当快速下压活塞时，由于被压缩的空气骤然变热，温度升高，达到乙醚的燃点，使浸有乙醚的棉花燃烧起来，此实验的目的是要说明( )A．做功可以升高物体的温度B．做功可以改变物体的内能C．做功一定可以增加物体的内能D．做功可以增加物体的热量【解析】当快速下压活塞时，对空气做功，改变了气体的内能，使气体的温度升高，达到乙醚的燃点，使浸有乙醚的棉花燃烧起来，故B正确．【答案】 B2．(2011·福建高考)一定量的理想气体在某一过程中，从外界吸收热量2.5×104 J，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，密度减小C．温度升高，密度增大D．温度升高，密度减小【解析】由热力学第一定律ΔU＝W＋Q，Q＝2.5×104 J，W＝－1.0×104 J可知ΔU 大于零，气体内能增加，温度升高，A、B错；气体对外做功，体积增大，密度减小，C错，D对．【答案】 D3．(2013·龙岩检测)自由摆动的秋千摆动幅度越来越小，下列说法正确的是( ) 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【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，减少的机械能通过克服阻力做功转化为内能，但总能量不变，故D选项正确．【答案】 D图5－1－34．(2010·福建高考)如图5－1－3所示，一定质量的理想气体密封在绝热(即与外界不发生热交换)容器中，容器内装有一可以活动的绝热活塞．今对活塞施加一竖直向下的压力F，使活塞缓慢向下移动一段距离后，气体的体积减小．若忽略活塞与容器壁间的摩擦力，则被密封的气体( )A．温度升高，压强增大，内能减少B．温度降低，压强增大，内能减少C．温度升高，压强增大，内能增加D．温度降低，压强减小，内能增加【解析】由F对密闭的气体做正功知W>0，由绝热知Q＝0，由热力学第一定律知理想气体内能增大，T升高，气体分子热运动加剧，V减小，气体分子密度增大，所以压强增大，故选C.【答案】 C5．(2011·江苏高考)如图5－1－4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5－1－4A．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【解析】形状记忆合金进入水后受热形状发生改变而搅动热水，由能量守恒知能量来源于热水，故A、B、C错；由能量守恒知，叶片吸收的能量一部分转化成叶片的动能，一部分释放于空气中，故D对．【答案】 D6．对于一个大气压下100 ℃的水变成100 ℃的水蒸气的过程中，下列说法中正确的是( )A．内能增加，对外界做功，一定是吸热B．内能不变，对外界做功，从外界吸热C．内能减少，不对外界做功，向外界放热D．内能增加，对外界做功，向外界放热【解析】水变成同温度的水蒸气的过程中，分子的平均动能不变，克服分子力做功，分子势能增加，故内能增加，一定是从外界吸收热量，A正确．【答案】 A7．(2011·广东高考)图5－1－5为某种椅子与其升降部分的结构示意图，M、N两筒间密闭了一定质量的气体，M可沿N的内壁上下滑动，设筒内气体不与外界发生热交换，在M 向下滑动的过程中( )图5－1－5A．外界对气体做功，气体内能增大B．外界对气体做功，气体内能减小C．气体对外界做功，气体内能增大D．气体对外界做功，气体内能减小【解析】M向下滑动的过程中，气体被压缩，外界对气体做功，又因为与外界没有热交换，所以气体内能增大．【答案】 A8．(2011·重庆高考)某汽车后备箱内安装有撑起箱盖的装置，它主要由气缸和活塞组成．开箱时，密闭于气缸内的压缩气体膨胀，将箱盖顶起，如图5－1－6所示．在此过程中，若缸内气体与外界无热交换，忽略气体分子间相互作用，则缸内气体( )图5－1－6A．对外做正功，分子的平均动能减小B．对外做正功，内能增大C．对外做负功，分子的平均动能增大D．对外做负功，内能减小【解析】气体膨胀，气体对外做正功，又因气体与外界无热交换，由热力学第一定律可知气体内能减小，因忽略气体分子间相互作用，没有分子势能，所以分子的平均动能减小，选项A正确．【答案】 A9.图5－1－7(2012·广东高考)景颇族的祖先发明的点火器如图5－1－7所示，用牛角做套筒，木制推杆前端粘着艾绒，猛推推杆，艾绒即可点燃．对筒内封闭的气体，在此压缩过程中( ) A．气体温度升高，压强不变B．气体温度升高，压强变大C．气体对外界做正功，气体内能增加D．外界对气体做正功，气体内能减少【解析】筒内封闭气体被压缩过程中，外界对气体做正功．由热力学第一定律ΔU ＝W ＋Q 知，气体内能增加，温度升高．由理想气体状态方程pVT＝C 知，气体压强增大．选项A 、C 、D 错误，选项B 正确．【答案】 B图5－1－810．(2013·三明检测)如图5－1－8所示，直立容器内部有被隔板隔开的A 、B 两部分气体，A 的密度小，B 的密度大，抽去隔板，加热气体，使两部分气体均匀混合．设在此过程中气体吸热Q ，气体内能增量为ΔU ，则( )A ．ΔU ＝QB ．ΔU ＜QC ．ΔU ＞QD ．无法比较【解析】两部分气体混合均匀后，密度相同，则整体重心上移，吸收的热量有一部分转化为重力势能，由能量守恒定律并结合热力学第一定律，可知B 正确．【答案】 B11．(2013·石家庄高二检测)一定质量的气体从外界吸收了4.2×105J 的热量，同时气体对外做了6×105J 的功，问：(1)气体的内能是增加还是减少？变化量是多少？ (2)分子势能是增加还是减少？(3)分子的平均动能是增加还是减少？【解析】 (1)气体从外界吸热为：Q ＝4.2×105J气体对外做功为：W ＝－6×105J由热力学第一定律：ΔU ＝W ＋Q ＝－6×105 J ＋4.2×105 J ＝－1.8×105JΔU 为负，说明气体的内能减少了．所以，气体内能减少了1.8×105J.(2)因为气体对外做功，所以气体的体积膨胀，分子间的距离增大了，分子力做负功，气体分子势能增加了．(3)因为气体内能减少，同时气体分子势能增加，说明气体分子的平均动能一定减少了．【答案】 (1)减少 1.8×105J (2)增加 (3)减少 12．如右下图5－1－9所示是用导热性能良好的材料制成的气体实验装置，开始时封闭的空气柱长度为22 cm ，。

2019_2020学年高中物理第5章热力学定律第1节热力学第一定律学案鲁科版选修3_3

第1节热力学第一定律1.了解热力学第一定律．(重点)2.会用ΔU＝W＋Q解决一些简单问题．(重点＋难点)3．知道第一类永动机不可能制成．一、热力学第一定律及其应用1．改变物体内能的两种方式：做功和热传递．2．物体内能的改变(1)如果物体与外界无热传递，若外界对物体做功，则物体的内能增加；若物体对外做功，物体的内能减少．(2)如果物体既不对外做功，外界也不对物体做功，则物体吸收热量时，它的内能增加；物体放出热量时，它的内能减少．3．热力学第一定律(1)内容：物体内能的增加量ΔU等于外界对物体所做的功W与物体从外界吸收的热量Q 之和．(2)表达式：ΔU＝W＋Q．(3)符号规则：物体从外界吸热时Q为正值，即Q>0，物体向外界放热时Q为负值，即Q<0；外界对物体做功时W为正值，即W>0，物体对外界做功时W为负值，即W<0；物体的内能增加时ΔU为正值，即ΔU>0，物体的内能减少时ΔU为负值，即ΔU<0.(4)意义：一个物体内能增加，必定有其他物体对它做功，或向它传递热量．与此同时，对此物体做功或向它传热的其他物体要减少等量的能量，而系统的总能量保持不变．在一切涉及热现象的宏观过程中，能量可以发生转移或转化，在转移或转化过程中总能量守恒．(1)外界对系统做功，系统的内能一定增加．( )(2)系统内能增加，一定是系统从外界吸收热量．( )(3)系统从外界吸收热量5 J，内能可能增加5 J．( )(4)系统内能减少，一定是系统对外界做功．( )提示：(1)×(2)×(3)√(4)×二、第一类永动机1．概念：不消耗任何能量而能永远对外做功的机器．2．结果：17～18世纪，人们提出了许多永动机设计方案，但都以失败而告终．3．原因：设想能量能够无中生有地创造出来，违背了热力学第一定律．4．启示：人类利用和改造自然时，必须遵循自然规律．有一种所谓“全自动”机械手表，既不需要上发条，也不用任何电源，却能不停地走下去．这是不是一种永动机？如果不是，维持表针走动的能量是从哪儿来的？提示：这不是永动机．是通过手臂的摆动获得能量．改变物体内能的两种方式的比较1．绝热过程：物体只由于外界对它做功而与外界交换能量，它不从外界吸热，也不向外界放热，这样的过程叫做绝热过程．2．功和内能变化的关系：当物体从某一状态经过绝热过程达到另一状态时，内能的增加量ΔU就等于外界对物体所做的功W，用公式表示为：ΔU＝U2－U1＝W.在绝热过程中，外界对物体做功，物体的内能增加，外界对物体做多少功，物体的内能就增加多少；物体对外界做功，物体的内能减少，物体对外界做多少功，物体的内能就减少多少．物体在绝热过程中，外界对物体所做的功仅由过程的始、末两个状态决定，不依赖于做功的具体过程和方式，这一点与在力学中重力做的功仅由物体的起点和终点两个位置决定，而与物体的运动路径无关相类似．3．热传递和内能变化的关系热传递是相互接触的两个物体(或同一物体的不同部分之间)，由于温度不同，会自发地将热量从高温物体传到低温物体的过程(或从同一物体的高温部分传到低温部分)，热传递的条件是两物体或同一物体的不同部分之间存在温度差．热传递也可以改变物体的内能．物体吸收了热量，分子热运动变得剧烈，分子平均动能就增加，物体的内能增大，反之物体的内能就减少．在只有热传递的情况下，系统由状态1到达状态2，内能增量为ΔU＝U2－U1，吸收的热量即ΔU＝Q，也就是说：物体吸收热量，内能增加，物体放出放量，内能减少，并且内能的变化量等于物体吸收或放出的热量．(1)内能是状态量，一个物体在不同的状态下可以有不同的内能．(2)热量是过程量，它表示由于热传递而引起的变化过程中传递的能量．下列说法正确的是( )A．物体放出热量，其内能一定减小B．物体对外做功，其内能一定减小C．物体吸收热量，同时对外做功，其内能可能增加D．物体放出热量，同时对外做功，其内能可能不变[解析] 根据热力学第一定律(公式ΔU＝Q＋W)可知，做功和热传递都可以改变物体的内能，当外界对物体做的功大于物体放出的热量或物体吸收的热量大于物体对外做的功时，物体的内能增加，选项A、B错误，选项C正确；物体放出热量同时对外做功，则Q＋W<0，内能减小，选项D错误．[答案] C在墙壁与外界无热传递的封闭房间里，夏天为了降低温度，同时打开电冰箱和电风扇，两电器工作较长时间后，房内的气温将会怎样变化？并说明原因．解析：电冰箱是把里面的热量转移到外面，达到降温的效果；电风扇是通过风扇转动，带动空气流动，使身体汗液蒸发起到对人体降温的作用．但从总体上，电冰箱、电风扇消耗的电能最后都转化为内能，因而房内温度升高．答案：见解析对热力学第一定律的理解1．热力学第一定律的研究对象：研究功、热量跟内能的变化之间的定量关系．2．热力学第一定律的表达式我们知道，做功和热传递都可以改变物体的内能．在一般情况下，如果物体跟外界同时发生做功和热传递的过程，那么，外界对物体所做的功W加上物体从外界吸收的热量Q等于物体内能的增量ΔU，即ΔU＝Q＋W.上式所表示的功、热量跟内能改变之间的关系，叫做热力学第一定律．3．对于理想气体，常把热力学第一定律与理想气体状态方程结合起来分析其状态变化规律，常见的分析思路如下：(1)利用体积的变化分析做功问题．气体体积增大，对外做功；气体体积减小，外界对气体做功．(2)利用温度的变化分析理想气体内能的变化．一定质量的理想气体的内能仅与温度有关，温度升高，内能增加；温度降低，内能减小．(3)利用热力学第一定律判断是吸热还是放热．由热力学第一定律ΔU＝W＋Q，则Q＝ΔU－W，若已知气体的做功情况和内能的变化情况，即可判断气体状态变化是吸热过程还是放热过程．应用热力学第一定律解题，一定要弄清热学过程中物理量W、Q、ΔU的正、负号，防止公式ΔU＝W＋Q中因符号不清楚而出错．命题视角1 用热力学第一定律定性分析密闭有空气的薄塑料瓶因降温而变扁，此过程中瓶内空气(不计分子势能)( )A．内能减小，外界对其做功B．内能减小，吸收热量C．内能增大，对外界做功D．内能增大，放出热量[解析] 密闭有空气的薄塑料瓶降温说明气体的内能减小，薄塑料瓶变扁说明外界对气体做功；由热力学第一定律可知，气体在变化过程中放出热量，所以选项A正确．[答案] A命题视角2 用热力学第一定律进行定量计算一定质量的气体，在从一个状态变化到另一个状态的过程中，吸收热量280 J，并对外做功120 J，试问：(1)这些气体的内能发生了怎样的变化？(2)如果这些气体又返回原来的状态，并放出了240 J热量，那么在返回的过程中是气体对外界做功，还是外界对气体做功？做功多少？[思路点拨] 根据热力学第一定律进行计算．[解析] (1)由热力学第一定律可得ΔU＝W＋Q＝－120 J＋280 J＝160 J，即气体内能增加了160 J.(2)由于气体的内能仅与状态有关，所以气体从②状态回到①状态过程中内能的变化应等于从①状态到②状态过程中内能的变化，则从②状态到①状态的内能应减少160 J，即ΔU′＝－160 J，又Q′＝－240 J根据热力学第一定律得：ΔU ′＝W ′＋Q ′所以W ′＝ΔU ′－Q ′＝－160 J －(－240 J)＝80 J即外界对气体做功80 J.[答案] (1)内能增加了160 J (2)外界对气体做功 80 J命题视角3 热力学第一定律与理想气体状态方程的综合应用(多选)对于一定质量的理想气体，下列说法正确的是( )A ．加热压缩，温度一定升高，压强一定增大B ．加热膨胀，温度一定升高，压强一定减小C ．若温度降低，压强增大，则一定吸收热量D ．若膨胀过程中压强增大，则一定吸收热量[解析] 对A 项： ⎭⎪⎬⎪⎫加热Q >0压缩W >0――→ΔU ＝Q ＋W ΔU ↑ 又 ⎭⎪⎬⎪⎫ΔU ↑→T ↑压缩→V ↓――→pV /T ＝C p ↑，故A 正确．对B 项： ⎭⎪⎬⎪⎫加热Q >0膨胀W <0――→ΔU ＝Q ＋W ΔU 无法确定，T 无法确定，由pV T ＝C 知，p 变化无法确定，故B 错误．对C 项： ⎭⎪⎬⎪⎫T ↓p ↑――→pV /T ＝CV ↓， ⎭⎪⎬⎪⎫T ↓→ΔU <0V ↓→W >0――→ΔU ＝Q ＋W Q <0，放热，故C 错误．对D 项：膨胀 ⎭⎪⎬⎪⎫V ↑p ↑――→pV /T ＝C T ↑，又 ⎭⎪⎬⎪⎫V ↑→W <0T ↑→ΔU >0――→ΔU ＝Q ＋W Q >0，吸热，故D 正确． [答案] AD【通关练习】1．一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，密度减小C ．温度升高，密度增大D ．温度升高，密度减小解析：选D.由热力学第一定律ΔU ＝W ＋Q 得：ΔU ＝－1.0×104 J ＋2.5×104 J ＝1.5×104 J ，因此气体的内能增大，故温度升高，又因气体对外做功，体积增大，故密度减小．2．如图，一定质量的理想气体，由状态a 经过ab 过程到达状态b或者经过ac 过程到达状态c .设气体在状态b 和状态c 的温度分别为T b和T c ，在过程ab 和ac 中吸收的热量分别为Q ab 和Q ac ，则( )A ．T b >T c ，Q ab >Q acB ．T b >T c ，Q ab <Q acC ．T b ＝T c ，Q ab >Q acD ．T b ＝T c ，Q ab <Q ac 解析：选C.由理想气体状态方程可知p a V a T a ＝p c V c T c ＝p b V b T b ，即2p 0·V 0T c ＝p 0·2V 0T b，得T c ＝T b ，则气体在b 、c 状态内能相等，因a 到b 和a 到c 的ΔU 相同；而a 到c 过程中气体体积不变，W ＝0，a 到b 过程中气体膨胀对外做功，W ＜0，根据热力学第一定律：ΔU ＝Q ＋W 可知a 到b 的吸热Q ab 大于a 到c 的吸热Q ac ，即Q ab ＞Q ac .选项C 正确．[随堂检测]1．下列关于做功和热传递的说法中正确的是( )A ．做功和热传递的实质是相同的B ．做功和热传递在改变物体内能上是等效的C ．做功和热传递是对同一过程中的两种说法D ．做功和热传递是不可能同时发生的解析：选B.做功和热传递在改变物体内能上是等效的，但本质不同，做功是将其他形式的能转化为内能或将内能转化为其他形式的能；热传递是将一个物体的内能传递给另一个物体，且做功和热传递可以同时进行，故正确选项为B.2．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，分子平均动能减小解析：选B.储气罐内气体体积及质量均不变，温度升高，气体从外界吸收热量，分子平均动能增大，内能增大，压强变大．因气体体积不变，故外界对气体不做功，只有B正确．3．绝热过程中，外界压缩气体做功20 J，下列说法中正确的是( )A．气体内能一定增加20 JB．气体内能增加一定小于20 JC．气体内能增加可能小于20 JD．气体内能可能不变解析：选A.绝热过程中有ΔU＝W＝20 J，所以气体内能一定增加20 J.4．如图是密闭的汽缸，外力推动活塞P压缩气体，对缸内气体做功800 J，同时气体向外界放热200 J，缸内气体的( )A．温度升高，内能增加600 JB．温度升高，内能减少200 JC．温度降低，内能增加600 JD．温度降低，内能减少200 J解析：选A.由热力学第一定律知：由W＋Q＝ΔU得：ΔU＝800 J＋(－200 J)＝600 J，一定质量的理想气体的内能大小只与温度有关，ΔU＝600 J>0，故温度一定升高，故A选项正确．[课时作业]一、单项选择题1．关于物体内能的变化情况的说法正确的是( )A．吸热的物体的内能一定增加B．体积膨胀的物体的内能一定减少C．外界对物体做功，其内能一定增加D．绝热压缩物体，其内能一定增加解析：选D.改变物体内能的途径有两种：做功和热传递．在其中一种改变内能的途径不确定的情况下，不能根据另一种改变内能途径的情况判断物体内能的变化．2．给旱区送水的消防车停于水平地面，在缓慢放水过程中，若车胎不漏气，胎内气体温度不变，不计分子间势能，则胎内气体( )A．从外界吸热B．对外界做负功C ．分子平均动能减小D ．内能增加解析：选A.缓慢放水过程中，胎内气体体积增大、温度不变，由于不计分子势能，内能不变，故分子平均动能不变，选项C 、D 错误；由体积增大可知气体对外界做正功，或克服外界做功，选项B 错误．由ΔU ＝W ＋Q 知ΔU ＝0，W <0，故Q >0，气体从外界吸热，选项A 正确．故选A.3．一定质量的理想气体，从某一状态开始，经过一系列变化后又回到开始的状态，用W 1表示外界对气体做的功，W 2表示气体对外界做的功，Q 1表示气体吸收的热量，Q 2表示气体放出的热量，则在整个过程中一定有( )A ．Q 1－Q 2＝W 2－W 1B ．Q 1＝Q 2C ．W 1＝W 2D ．Q 1>Q 2解析：选A.解答本题的切入点是，对一定质量的理想气体，在某一状态下其内能是确定的．首先，对一定质量的理想气体，经过一系列的状态变化后又回到原状态，表明整个过程中内能的变化为零，即通过做功和热传递引起的内能变化相互抵消，所以A 选项正确．4．景颇族的祖先发明的点火器如图所示，用牛角做套筒，木质推杆前端粘着艾绒．猛推推杆，艾绒即可点燃，对筒内封闭的气体，在此压缩过程中( )A ．气体温度升高，压强不变B ．气体温度升高，压强变大C ．气体对外界做正功，气体内能增加D ．外界对气体做正功，气体内能减少解析：选B.气体体积减小，故外界对气体做正功，做功时间短，故可认为无热传递，由ΔU ＝W ＋Q ，W >0，气体内能增加，温度上升．由pV T＝C 可知，温度上升体积减小，压强必增大．5.如图所示，在竖直放置的圆柱容器内，用活塞密封一部分气体，活塞质量为m ，容器的横截面积为S ，活塞与容器壁间无摩擦，平衡时容器内的密闭气体的压强为p ，外界大气压恒为p 0.当气体从外界吸收热量Q 、活塞升高h 后再次平衡(可认为气体压强恒为p 不变)．则在此过程中密闭气体增加的内能等于( )A ．QB ．Q －mghC．Q－mgh－p0Sh D．Q－mgh＋p0Sh解析：选C.气体前后两个状态用1和2表示，对应内能为U1和U2，当气体从状态1变化到状态2时，能流图如图所示．从能流图可以看出：ΔU＝Q－W＝Q－mgh－p0Sh.6．如图，容器A、B各有一个可以自由移动的轻活塞，活塞下面是水，上面是大气，大气压恒定．A、B的底部由带阀门K的管道相连，整个装置与外界绝热．原先A中水面比B 中的高，打开阀门，使A中的水逐渐向B中流动，最后达到平衡．在这个过程中( )A．大气压对水不做功，水的内能减少B．水克服大气压做功，水的内能减少C．大气压对水不做功，水的内能不变D．大气压对水不做功，水的内能增加解析：选D.打开阀门K，使A中的水逐渐流向B中，最后水面持平，A中水面下降h A，B中水面上升h B，相当于A端S A h A体积的水移到B端，且S A h A＝S B h B，这部分水的重心降低，重力对水做正功，重力势能减小了．大气压力做功情况是大气压对A容器中的水做正功，对B容器中的水做负功．所以，大气压力对水做的总功为p0S A h A－p0S B h B，由于S A h A＝S B h B，所以大气压对水做的总功为零，又由于系统绝热，与外界没有热交换，只有水重力做功，重力势能转化为内能，故选项D正确．二、多项选择题7．用密封性好、充满气体的塑料袋包裹易碎品，如图所示，充气袋四周被挤压时，假设袋内气体与外界无热交换，则袋内气体( )A．体积减小，内能增大B．体积减小，压强减小C．对外界做负功，内能增大D．对外界做正功，压强减小解析：选AC.实际气体在温度不太低、压强不太大时可看作理想气体．充气袋被挤压，气体体积减小，外界对气体做正功，则W>0，即气体对外界做负功，由于袋内气体与外界无热交换，即Q＝0，根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q知，内能增大，温度升高，选项A、C正确；根据理想气体状态方程pVT＝C可判断压强一定增大，选项B、D错误．8．实验室内，某同学用导热性能良好的汽缸和活塞将一定质量的理想气体封闭在汽缸内(活塞与汽缸壁之间无摩擦)，待活塞静止后，再用一个装有与室温温度相同的水的小滴管贴近活塞，将滴管内的水缓慢滴注在活塞上方，如图所示．在此过程中，若大气压强与室内的温度均保持不变，则下列说法正确的是( ) A．单位时间内，缸内气体分子对活塞撞击的次数保持不变B．汽缸内气体的内能不变C．外界对缸内气体做的功等于缸内气体向外界释放的热量D．外界对缸内气体做的功等于缸内气体增加的内能解析：选BC.此过程是等温变化，即内能不变，根据热力学第一定律可知外界对缸内气体做的功等于缸内气体向外界释放的热量，故B、C正确、D错误；此过程压强增大体积缩小，由压强的微观含义可知A错误．9．下列关于第一类永动机的说法正确的是( )A．第一类永动机是不消耗任何能量却能源源不断地对外做功的机器B．第一类永动机不能制成的原因是违背了热力学第一定律C．第一类永动机不能制成的原因是技术问题D．第一类永动机不能制成的原因是违背了能量守恒定律解析：选AD.第一类永动机是不消耗任何能量却能源源不断对外做功的机器，这是人们的美好愿望，但它违背了能量守恒定律．这也是它不能制成的原因．故A、D两项正确，B、C两项错误．10.如图所示，a、b、c、d表示一定质量的理想气体状态变化过程中的四个状态，图中ad平行于横坐标轴，cd平行于纵坐标轴，ab的延长线过原点．以下说法正确的是( )A．从状态d到c，气体不吸热也不放热B ．从状态c 到b ，气体放热C ．从状态a 到d ，气体对外做功D ．从状态b 到a ，气体吸热解析：选BCD.从状态d 到c ，温度不变，理想气体内能不变，但是由于压强减小，所以体积增大，对外做功，还要保持内能不变，一定要吸收热量，故A 错误．气体从状态c 到状态b 是一个降压、降温过程，同时体积减小，外界对气体做功，而气体的内能还要减小(降温)，就一定要伴随放热的过程，故B 正确．气体从状态a 到状态d 是一个等压、升温的过程，同时体积增大，所以气体要对外做功，故C 正确．气体从状态b 到状态a 是一个等容变化过程，随压强的增大，气体的温度升高，内能增大，而在这个过程中气体的体积没有变化，就没有做功，气体内能的增大是因为气体吸热的结果，故D 正确．三、非选择题11．如图所示，一定质量的理想气体从状态A 经等压过程到状态B .此过程中，气体压强p ＝1.0×105 Pa ，吸收的热量Q ＝7.0×102J ，求此过程中气体内能的增量．解析：等压变化V A T A ＝V B T B，对外做的功W ＝p (V B －V A )根据热力学第一定律ΔU ＝Q －W ，解得ΔU ＝5.0×102 J.答案：5.0×102 J12.爆米花酥脆可口、老少皆宜，是许多人喜爱的休闲零食，如图为高压爆米花的装置原理图，玉米在铁质的密闭容器内被加热，封闭气体被加热成高温高压气体，当打开容器盖后，“嘭”的一声气体迅速膨胀，压强急剧减小，玉米粒就“爆炸”成了爆米花．设当地温度为t 1＝27 ℃，大气压为p 0，已知密闭容器打开前的气体压强达到4p 0.试分析：(1)容器内的气体看作理想气体，求容器内气体的温度．(2)假定在一次打开的过程中，容器内气体膨胀对外界做功15 kJ ，并向外释放了20 kJ 的热量，容器内原有气体的内能如何变化？变化了多少？解析：(1)根据查理定律：p 1T 1＝p 2T 2p 1＝p 0，T 1＝300 K ，p 2＝4p 0.整理得：T 2＝1 200 K ，t 2＝927 ℃.(2)由热力学第一定律ΔU ＝Q ＋W得ΔU ＝－20 kJ －15 kJ ＝－35 kJ ，故内能减少35 kJ. 答案：(1)927 ℃ (2)减少 35 kJ。

物理选修3-3学案：本章概览第5章热力学定律含解析

第5章热力学定律
本章概览
内容提要
本章主要内容是通过对物理学史的回顾，讲述了热力学第一定律、热力学第二定律的发现及物理内涵，并且要求能够利用这两大定律来解释某些物理现象.
学法指导
1.由改变物体内能的两种方式引出热力学第一定律及其数学表达式，在此基础上结合以往的知识总结出能量守恒定律，最后通过能量守恒定律阐述永动机是不可能制成的.
2.机械能与内能有着本质的区别，对于同一物体，机械能是由其宏观运动速度和相对高度决定的，而内能是由物体内部分子无规则运动和聚集状态决定.例如放在桌面上静止的木块温度升高，其机械能不变，而内能发生了改变.
3.根据热力学第一定律知，物体内能的改变量ΔU=W+Q，运用此公式时，需要注意各物理量的符号：物体内能增加时，W为正，物体内能减少时，W为负；外界对物体做功时，W为正，物体对外界做功时，W为负；物体吸收热量时，Q为正，物体放出热量时，Q为负.
4.各种形式的能量在转化和转移过程中保持总量不变，无任何附加条件，而某种或几种能的守恒是要有条件的(例如机械能守恒需要对于系统只有重力或弹力做功).
5.由热现象的方向性，说明第二类永动机是不可能制造成功的，并在此基础上提出热力学第二定律.
6.体会熵增加原理在生产和生活中的广泛渗透和影响.自然界中的能量是守恒的，但有些能量便于利用，而有些能量不便于利用，我们没办法将流失的内能重新收集起来加以利用，能量转化的方向性造成能源不可能“用之不完，取之不尽”.。

精选高中物理第5章热力学定律第1节热力学第一定律第2节能量的转化与守恒教师用书鲁科版选修3_3

第1节热力学第一定律第2节能量的转化与守恒[先填空]1．改变物体内能的两种方式做功和热传递．2．物体内能的改变(1)如果物体与外界无热传递，若外界对物体做功，则物体的内能增加；若物体对外做功，物体的内能减少．(2)如果物体既不对外做功，外界也不对物体做功，则物体吸收热量时，它的内能增加；物体放出热量时，它的内能减少．3．热力学第一定律(1)内容：物体内能的增加量ΔU，等于外界对物体所做的功W与物体从外界吸收的热量Q之和．(2)表达式：ΔU＝W＋Q．4．热力学第一定律的定义(1)内能的变化必然伴随有做功或热传递．(2)一切涉及热现象的宏观过程中，能量可以发生转移或转化，此过程中总能量守恒．5．第一类永动机(1)概念：不消耗任何能量而能永远对外做功的机器．(2)结果17～18世纪，人们提出了许多永动机设计方案，但都以失败而告终．(3)原因设想能量能够无中生有地创造出来，违背了热力学第一定律．(4)启示人类利用和改造自然时，必须遵循自然规律．[再判断]1．热量、功和内能三者单位相同，物理意义相同．(×)2．热量和功由过程决定，而内能由物体状态决定．(√)3．系统内能增加了100 J，可能是外界采用绝热方式对系统做功100 J，也可能是外界单纯地对系统传热100 J．(√)[后思考]有一种所谓的“全自动”机械手表，既不需要上发条，也不用任何电源，却能不停地走下去．这是不是一种永动机呢？如果不是，你知道维持表针走动的能量是哪儿来的吗？图511【提示】不是永动机．能量是通过摆动手臂对表内的转轮做功而储存的．[合作探讨]探讨1：若物体的内能增加，一定是吸收了热量吗？【提示】不一定，因为做功和热传递都能改变物体的内能．探讨2：物体的内能不变，能否说明外界既没有对物体做功，也没有发生热传递？【提示】不能．可能是外界对物体做的功等于物体放出的热量(或物体吸收的热量等于物体对外界做的功)．[核心点击]1．对ΔU＝W＋Q的理解热力学第一定律将单纯的绝热过程和单纯的热传递过程推广到一般情况，既有做功又有热传递的过程，其中ΔU表示内能改变的数量，W表示做功的数量，Q表示外界与物体间传递的热量．2．对公式ΔU、Q、W符号的规定(1)首先选定研究对象是哪个物体或哪个热力学系统．(2)根据符号法则写出各已知量(W、Q、ΔU)的正、负．(3)根据方程ΔU＝W＋Q求出未知量．(4)再根据未知量结果的正、负来确定吸热、放热情况或做功情况．4.判断气体做功正、负的方法(1)若气体体积增大，表明气体对外界做功，W<0.(2)若气体体积变小，表明外界对气体做功，W>0.5.几种常见的气体变化过程(1)绝热过程：过程是绝热的，则Q＝0，W＝ΔU，外界对气体做的功等于气体内能的增加．(2)等容过程：在该过程中气体不做功，即W＝0，则Q＝ΔU，气体吸收的热量等于气体内能的增加．(3)等温过程：在过程的始末状态，气体的内能不变，即ΔU＝0，则W＋Q＝0或W＝－Q，表示气体吸收的热量全部用来对外做功或外界对气体所做的功全部转换为热量放出．1．下列过程，可能发生的是( )A．物体吸收热量，对外做功，同时内能增加B．物体吸收热量，对外做功，同时内能减少C．外界对物体做功，同时物体吸热，内能减少D．外界对物体做功，同时物体放热，内能增加E．物体对外界做功，同时物体放热，内能增加【解析】根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，做功和热传递都可以改变物体的内能，故由此可确定A、B、D正确，C、E错误．【答案】ABD2．景颇族祖先发明的点火器如图512所示，用牛角做套筒，木制推杆前端粘着艾绒，猛推推杆，艾绒即可点燃，对筒内封闭的气体，在此压缩过程中 ( )【导学号：30110061】图512A．气体温度升高，压强不变B．气体温度升高，压强变大C．气体对外界做正功D．外界对气体做正功E．气体的内能增加【解析】压缩气体时，外界对气体做功，内能增加，温度升高，体积变小，压强增大，所以B、D、E正确．【答案】BDE3．一定量的气体内能增加了3×105 J，(1)若吸收了2×105J的热量，则是气体对外界做功，还是外界对气体做功？做了多少焦耳的功？(2)若气体对外界做了4×105J的功，则是气体放热还是从外界吸热？放出或吸收的热量是多少？【解析】(1)由热力学第一定律ΔU＝Q＋W得W＝ΔU－Q＝3×105 J－2×105 J＝1×105 J外界对气体做功．(2)由ΔU＝Q＋W得Q＝ΔU－W＝3×105 J－(－4×105 J)＝7×105 J气体从外界吸热．【答案】(1)外界对气体做功1×105 J(2)气体从外界吸热7×105 J气体状态变化与物理量对应方法(1)绝热过程：气体与外界没有热传递．(2)导热良好：气体与外界有热交换，且与外界温度保持相同．(3)体积减小，外界对气体做功；体积增大(不是对真空膨胀)，气体对外界做功．(4)温度升高，理想气体的内能增加；温度降低，理想气体的内能减少．[先填空]1．能量守恒定律的发现(1)迈尔的发现体力和体热必定来源于食物中的化学能，内能、化学能、机械能都是等价的，是可以相互转化的，如果动物体的能量输入与支出是平衡的，那么，所有这些形式的能在量上必定是守恒的．(2)焦耳的研究①确定了电能向内能转化的定量关系．②用了近40年的时间，不懈地钻研热功转换问题，为能量守恒定律提供了无可置疑的证据．(3)亥姆霍兹的贡献从理论上把力学中的能量守恒原理推广到热、光、电、磁、化学反应等过程，揭示了它们之间的统一性．2．能量守恒定律(1)内容能量既不会消失，也不会创生，它只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体，而能量的总值保持不变．(2)意义揭示了自然科学各个分支之间的普遍联系，是自然界内在统一性的第一个有力证据．(3)应用①各种形式的能可以转化．但能量在转化过程中总伴有内能的损失．②各种互不相关的物理现象，可以用能量守恒定律联系在一起．[再判断]1．某种形式的能量减少，一定存在其他形式的能量增加．(√)2．某个物体的能量减少，必然有其他物体的能量增加．(√)3．石子从空中落下，最后静止在地面上，说明能量消失了．(×)[后思考]焦耳对物质运动之间的关系的研究方法与迈尔有什么不同？【提示】焦耳是采用严格的定量实验分析方法，迈尔研究的范围比较广泛，但他采用的是定性研究的方法．[合作探讨]探讨1：能量守恒定律与机械能守恒定律的应用条件有什么不同？【提示】能量转化过程中能量总是守恒的，而机械能守恒的条件是只有重力(或系统内的弹力)做功．探讨2：为什么说第一类永动机不能制成？【提示】因为第一类永动机违背了能量守恒定律．[核心点击]1．对能量守恒定律的理解(1)各种形式的能在转化和转移过程中总量守恒无需任何条件，而某种或几种形式的能的守恒是有条件的．例如：物体的机械能守恒，必须是只有重力或弹力做功．(2)意义：能量守恒定律的发现，使人们进一步认识到，任何一部机器，只要对外做功，都要消耗能量，都只能使能量从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到其他物体，而不能无中生有地创造能量．不消耗能量，却可以源源不断地对外做功的机器(第一类永动机)是不可能制成的．2．第一类永动机失败的原因分析：如果没有外界热源供给热量，则有U 2－U 1＝W ，就是说，如果系统内能减少，即U 2<U 1，则W <0，系统对外做功是要以内能减少为代价的．若想源源不断地做功，就必须使系统不断回到初始状态，在无外界能量供给的情况下是不可能的．4．说出下列过程中是什么能量转化为内能．(1)物体沿粗糙斜面下滑_________________________________________； (2)变压器发热_______________________________________________； (3)汽油机内气体燃烧后变成高温气体______________________________； (4)车刀切下炽热铁屑__________________________________________．【解析】物体沿斜面下滑，克服摩擦力做功，机械能转化为内能；电流通过变压器线圈发热，电能转化为内能；气体(燃料)燃烧后变成高温气体，化学能转化为内能；车刀切下炽热的铁屑，克服摩擦力做功，机械能转化为内能．【答案】 (1)机械能——内能 (2)电能——内能 (3)化学能——内能 (4)机械能——内能5．风沿水平方向以速度v 垂直吹向一直径为d 的风车叶轮，设空气密度为ρ，风的动能有50%转化为风车的动能，风车带动水车将水提高h 的高度，效率为80%.则单位时间内最多可提升的水的质量为__________.【导学号：30110062】【解析】在时间t 内吹在风车上的空气的质量为m 1＝14πd 2·vt ·ρ，风的动能E k ＝12m 1v 2＝18πd 2v 3t ρ.根据题意18πd 2v 3t ρ×50%×80%＝mgh ，则m t ＝πd 2ρv 320gh.【答案】πd 2ρv320gh应用能量守恒定律的思路方法(1)能量守恒的核心是总能量不变，因此在应用能量守恒定律时应首先分清系统中哪些能量在相互转化，是通过哪些力做功实现的，这些能量分别属于哪些物体，然后再寻找合适的守恒方程式．(2)在应用能量守恒定律分析问题时，应明确两点： ①哪种形式的能量减少，哪种形式的能量增加． ②哪个物体的能量减少，哪个物体的能量增加．学业分层测评(十一) (建议用时：45分钟)[学业达标]1．在热力学第一定律的表达式ΔU ＝W ＋Q 中，关于ΔU 、W 、Q 各个物理量的正、负，下列说法中正确的是( )A ．物体对外界做功时W 为负B ．物体吸收热量时，Q 为正C ．内能减少时，ΔU 为正D ．内能增加时，ΔU 为正E ．W 为正，Q 为负时，ΔU 一定为零【解析】根据公式ΔU ＝W ＋Q 及W 、Q 、ΔU 的符号法则得A 、B 、D 正确．【答案】ABD2．下列关于能量转化的现象的说法中，正确的是( ) A ．用太阳灶烧水是太阳能转化为内能 B ．电灯发光是电能转化为光能 C ．核电站发电是电能转化为内能D ．生石灰放入盛有凉水的烧杯里，水温升高是动能转化为内能E ．跳高运动员跳起时，体内的化学能转化为机械能【解析】核电站发电是核能转化为电能，生石灰放入水中使水温升高，是化学能转化为内能．【答案】ABE3. 某物体温度升高了，这说明( ) A ．该物体一定吸收了热量B．该物体可能放出了热量C．外界对物体可能做了功D．物体可能吸收了热量E．外界对物体一定做了功【解析】由ΔU＝Q＋W来分析，物体温度升高了，一定有物体的内能增加，ΔU>0，要满足ΔU>0可能有多种情况：①W>0，Q＝0；②W＝0，Q>0；③W>0，Q>0；④W>0，Q<0，W>|Q|；⑤W<0，Q>0，Q>|W|.由①否定选A；④与选项B一致，①③④与选项C一致；②③⑤与选项D一致，故选项B、C、D正确．【答案】BCD4．一定量的理想气体在某一过程中，从外界吸收热量 2.5×104 J，气体对外界做功1.0×104 J，则该理想气体的( )A．密度增大B．密度减小C．温度降低D．温度升高E．内能增加【解析】由热力学第一定律ΔU＝W＋Q，Q＝2.5×104 J，W＝－1.0×104 J可知ΔU 大于零，气体内能增加，温度升高，C错，D、E对；气体对外做功，体积增大，密度减小，B对，A错．【答案】BDE5．下列关于第一类永动机的说法正确的是( )A．第一类永动机是不消耗任何能量却能源源不断地对外做功的机器B．第一类永动机不能制成的原因是违背了热力学第一定律C．第一类永动机不能制成的原因是技术问题D．第一类永动机终究有一天能够实现E．第一类永动机不可能制成是因为违背了能量的转化和守恒定律【解析】第一类永动机是不消耗任何能量却能源源不断对外做功的机器，这是人们的美好愿望，但它违背了热力学第一定律．这也是它不能制成的原因．故A、B、E三项正确，C、D两项错误．【答案】ABE6．密闭有空气的薄塑料瓶因降温而变扁，此过程中瓶内空气(不计分子势能) ( ) A．内能增大B．内能减小C．对外界做功D．外界对其做功E．放出热量【解析】气体降温则内能减小，变扁则体积减小，外界对气体做功，由热力学第一定律ΔU＝Q＋W可知，气体一定放出热量．故选项B、D、E正确．【答案】BDE7．空气压缩机在一次压缩过程中，活塞对气缸中空气做功为2×105 J，空气的内能增加了1.5×105 J，则气体________(选填“吸”或“放”)热为________ J.【解析】由热力学第一定律：ΔU＝Q＋W得：1.5×105J＝2×105J＋Q，所以Q＝－5×104 J，故放热．【答案】放5×1048．水能是一种清洁能源．位于美国和加拿大交界处的尼亚加拉瀑布流速达每秒6 000 m3，而且是一年四季流量稳定，瀑布落差50 m．若利用这一资源发电，设其效率为50%，估算发电机的输出功率.【导学号：30110063】【解析】每秒流下的水量m＝Vρ＝6 000×103 kg，由能的转化和守恒知mgh×50%＝Pt.式中m取6 000×103 kg，t取1 s，h＝50 m，解得P＝1.5×109 W.【答案】1.5×109 W[能力提升]9．如图513所示，A、B两点表示一定质量的某种理想气体的两个状态．当气体自状态A变化到状态B时( )图513A．体积必然变大B．不可能经过体积减小的过程C．外界必然对气体做正功D．气体必然从外界吸热E．气体必然对外界做功【解析】本题是气体状态变化、图象与热力学第一定律结合的综合分析题．连接OA、OB，得到两条等容线，故有V B＞V A，所以A正确；由于没有限制自状态A变化到状态B的过程，所以可先减小气体的体积再增大气体的体积到B状态，故B错误；因为气体体积增大，所以是气体对外做功，C错误，E正确；因为气体对外界做功，而气体的温度又升高，内能增大，由热力学第一定律知气体一定从外界吸热，D正确．【答案】ADE10．如图514所示，一绝热容器被隔板K隔开a、b两部分．已知a内有一定量的稀薄气体，b内为真空，抽开隔板K后，a内气体进入b，最终达到平衡状态．在此过程中( )【导学号：30110064】图514A．气体对外界做功B．气体不做功C．气体压强变小，温度降低D．气体压强变小，温度不变E．内能不变【解析】绝热容器内的稀薄气体与外界没有热交换，Q＝0.稀薄气体向真空中扩散没有做功，W＝0.根据热力学第一定律知稀薄气体的内能不变，则温度不变．稀薄气体体积增大，压强必减小．选项B、D、E正确．【答案】BDE11．一定质量的气体，在从一个状态变化到另一个状态的过程中，吸收热量280 J，并对外做功120 J，试问：(1)这些气体的内能发生了怎样的变化？(2)如果这些气体又返回原来的状态，并放出了240 J热量，那么在返回的过程中是气体对外界做功，还是外界对气体做功？做多少功？【解析】(1)由热力学第一定律可得ΔU＝W＋Q＝－120 J＋280 J＝160 J.(2)由于气体的内能仅与状态有关，所以气体从2状态回到1状态过程中内能的变化应等于从1状态到2状态过程中内能的变化，则从2状态到1状态的内能应减少160 J．即ΔU′＝－160 J，又Q′＝－240 J，根据热力学第一定律得ΔU′＝W′＋Q′，所以W′＝ΔU′－Q′＝－160 J－(－240 J)＝80 J，即外界对气体做功80 J.【答案】(1)增加了160 J (2)外界对气体做功80 J12．如图515所示是用导热性能良好的材料制成的气体实验装置，开始时封闭的空气柱长度为22 cm，现在用竖直向下的外力F压缩气体，使封闭空气柱长度变为2 cm，人对活塞做功100 J，大气压强为p0＝1×105 Pa，不计活塞重力．问：图515(1)若用足够长的时间缓慢压缩气体，求压缩后气体的压强为多大？(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)【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，解得：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＋Q，将Q＝－20 J代入解得ΔU＝82 J.【答案】(1)1.1×106 Pa (2)82 J。

2019_2020学年高中物理第5章热力学定律第2节能量的转化与守恒学案鲁科版选修3_3

第2节能量的转化与守恒1.了解能量守恒定律的发现过程．2.理解能的转化与守恒定律，会用能量的观点解释自然现象．(重点)一、能量守恒定律的发现1．迈尔的发现：体力和体热必定来源于食物中的化学能，内能、化学能、机械能都是等价的，是可以相互转化的，如果动物体的能量输入与支出是平衡的，那么，所有这些形式的能在量上必定是守恒的．2．焦耳的研究(1)确定了电能向内能转化的定量关系．(2)用了近40年的时间，不懈地钻研热功转换问题，为能量守恒定律提供了无可置疑的证据．3．亥姆霍兹的贡献：从理论上把力学中的能量守恒原理推广到热、光、电、磁、化学反应等过程，揭示了它们之间的统一性．焦耳对物质运动之间的关系的研究方法与迈尔有什么不同？提示：焦耳是采用严格定量实验分析方法，迈尔研究的范围比较广泛，但他采用的是定性研究的方法．二、能量守恒定律及其应用1．内容：能量既不会消失，也不会创生，它只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体，而能量的总值保持不变．2．意义：揭示了自然科学各个分支之间的普遍联系，是自然界内在统一性的第一个有力证据．3．应用(1)各种形式的能可以相互转化，但能量转化过程中总伴有内能的损失．(2)各种互不相关的物理现象，可以用能量守恒定律联系在一起．(1)石子从空中落下，最后停止在地面上，说明机械能消失了．( )(2)用太阳灶烧水是太阳能转化为内能．( )提示：(1)× (2)√不同形式的能量之间的转化1．自然界中能量的存在形式：物体运动具有机械能、分子热运动具有内能、电荷具有电能、原子核内部的运动具有原子能等，可见，在自然界中不同的能量形式与不同的运动形式相对应．2．不同形式能量之间的转化：“摩擦生热”是通过克服摩擦做功将机械能转化为内能；水壶中的水沸腾时水蒸气对壶盖做功将壶盖顶起，表明内能转化为机械能；电流通过电热丝做功可将电能转化为内能，汽缸内燃油燃烧释放的内能通过燃气推动活塞做功而转化为机械能等．这些实例说明了不同形式的能量之间可以相互转化，且这一转化过程是通过做功来完成的．3．太阳能的转化自然界中各种形式的能量可以相互转化，说明不同的运动形式也可以相互转化．风沿水平方向以速度v 垂直吹向一直径为d 的风车叶轮，设空气密度为ρ，风的动能有50%转化为风车的动能，风车带动水车将水提高h 的高度，效率为80%.则单位时间内最多可提升的水的质量为________．[思路点拨] 风车带动水车做功的过程，是将风的动能转化为水的重力势能的过程，在讨论这个问题时要紧紧围绕能量转化的关系．[解析] 在时间t 内吹在风车上的空气的质量为m 1＝14πd 2·vt ·ρ风的动能E k ＝12m 1v 2＝18πd 2v 3t ρ 根据题意：18πd 2v 3t ρ×50%×80%＝mgh ，则m t ＝πd 2ρv 320gh. [答案] πd 2ρv 320gh自由摆动的秋千摆动幅度越来越小，下列说法正确的是( ) 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，但总能量守恒解析：选D.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项错误，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．对能量守恒定律的理解和应用1．某种形式的能减少，一定有其他形式的能增加，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．各种形式的能在转化和转移过程中总能量守恒无需任何条件，而某种或几种形式的能的守恒是有条件的．例如，物体的机械能守恒，必须是只有重力做功．4．能量守恒定律的发现，使人们进一步认识到，任何一部机器，只要对外做功，都要消耗能量，都只能使能量从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到其他物体，而不能无中生有地创造能量．不消耗能量，却可以源源不断地对外做功的机器(第一类永动机)是不可能制成的．在应用能量守恒定律分析问题时，应注意：(1)哪种形式的能量减少，哪种形式的能量增加．(2)哪个物体的能量减少，哪个物体的能量增加．如图所示，A、B是两个完全相同的铁球，A放在绝热板上，B用绝热绳悬挂．现只让它们吸收热量，当它们升高相同的温度时，它们所吸收的热量分别为Q A、Q B，则( )A．Q A＝Q B B．Q A<Q BC．Q A>Q B D．无法确定[解题探究] (1)铁球升温后体积变________，A球重心________，B球重心________，A球的重力势能变________，B球重力势能变________．(2)根据能量守恒，确定Q A、Q B的关系．[解析] A、B升高相同的温度，根据Q＝cmΔt可知，升温需要的能量是相同的．由于受热膨胀，A的重心升高，重力做负功，B球重心下降，重力做正功，由热力学第一定律可得：Q A＝ΔU＋W，Q B＝ΔU－W，显然Q A>Q B.[答案] C利用能量守恒定律解决问题时，首先应明确题目中涉及哪几种形式的能量，其次分析哪种能量增加了，哪种能量减少了，确定研究的系统后，用能量守恒的观点求解.能量守恒定律与热力学第一定律的结合如图所示，两个完全相同的金属球A和B，其中A球放在不导热的水平面上，B球用不导热的细线悬挂起来，现供给两球相同的热量，它们的温度分别升高了Δt A、Δt B，则( )A．Δt A>Δt B B．Δt A<Δt BC．Δt A＝Δt B D．Δt A、Δt B无法比较[思路点拨] 明确该过程中有哪些能量参与，再根据能量守恒分析．[解析] 两球受热后体积都要增大，A球因为放在不导热的水平面上，受热膨胀后，重心升高，重力做负功，根据能量转化和守恒定律可知，A球吸收的热量一部分转化成自身的内能，使温度升高，另一部分需要克服重力做功，使重力势能增加；对于B球，同样要受热膨胀，膨胀时重心下降，重力做正功，同样由能量转化和守恒定律可知，B球吸收的热量和重力做的功都要转化成自身的内能，从而使温度升高，由以上分析可知，B球增加的内能要比A球多，B球的温度升高得多，所以有Δt A<Δt B.故正确答案为B.[答案] B能量守恒定律的应用技巧能量守恒定律是自然界中一个最基本的规律，同时，它又可以与很多其他物理规律(如：平抛运动、碰撞、圆周运动等)相结合，解决一些综合性很强的题目．解决这类题目应明确研究过程中哪些能量发生了转化、各种能量的表达形式，然后由相应物理规律结合能量守恒定律求解.[随堂检测]1．下列关于能量转化的现象的说法中，正确的是( )A．用太阳灶烧水是太阳能转化为电能B．电灯发光是电能转化为光能C．核电站发电是电能转化为内能D．生石灰放入盛有凉水的烧杯里，水温升高是动能转化为内能解析：选B.A选项中光能转化为内能，C中是核能转化为电能，D选项中是化学能转化为内能，故B选项正确．2．一定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＝2×105 JD．W＝－8×104 J，ΔU＝－1.2×105 J，Q＝－4×104J解析：选B.因为外界对气体做功，W取正值，即W＝8×104J，内能减少，ΔU取负值，即ΔU＝－1.2×105J，根据ΔU＝Q＋W，可得Q＝ΔU－W＝－1.2×105J－8×104J＝－2×105 J，B正确．3．(多选)在光滑水平面上停放一木块，一子弹水平射穿木块，对此过程，下述说法中正确的是( )A．摩擦力(子弹与木块间)对木块做的功等于木块增加的动能B．摩擦力对木块做的功完全转化为木块的内能C．子弹损失的机械能等于子弹与木块增加的内能D．子弹损失的机械能等于木块增加的动能和系统增加的内能之和解析：选AD.子弹与木块间的摩擦力对木块做正功，木块动能增加；对子弹做负功，子弹动能减小．子弹与木块组成的系统克服摩擦力做功，机械能转化为内能．因此子弹损失的机械能等于木块增加的动能和系统增加的内能之和，A、D正确，B、C错误．4．(多选)一物体静止在升降机的地板上，在升降机加速上升的过程中，地板对物体的支持力所做的功等于( )A．物体势能的增加量B．物体动能的增加量C．物体动能的增加量加上物体势能的增加量D ．物体动能的增加量加上克服重力所做的功解析：选CD.在升降机加速上升的过程中，物体的重力为mg ，地板对物体的支持力为N ，重力对其做负功，支持力对其做正功，设升降机上升高度为h ，由动能定理知W N －mgh ＝ΔE k ，W N ＝mgh ＋ΔE k ，其中mgh 为物体势能的增加量，也等于物体克服重力所做的功，ΔE k 为物体动能．5．一颗质量为10 g 的子弹以200 m/s 的速度射入放在光滑水平面上质量为2 kg 的木块并穿出，穿出木块时子弹的速度变为40 m/s ，木块速度为0.8 m/s ，设子弹在木块中所受阻力不变，在此过程中子弹和木块共获得多少内能？若这些内能有30%被子弹吸收，则可以使子弹升温多少度？子弹的比热容为1.3×102 J/(kg·℃)．解析：系统损失的机械能转化为系统增加的内能．ΔE 损＝12mv 20－(12mv 21＋12Mv 22) ＝12×0.01×2002 J －⎝ ⎛⎭⎪⎫12×0.01×402＋12×2×0.82 J ＝191.36 J所以子弹吸收的热量是Q ＝ΔE 损×30%＝cm Δt ，所以Δt ＝ΔE 损×30%cm＝191.36×30%1.3×102×0.01℃＝44.16 ℃. 答案：191.36 J 44.16 ℃[课时作业]一、单项选择题1．行驶中的汽车制动后滑行一段距离，最后停下；流星在夜空中坠落并发出明亮的火焰；降落伞在空中匀速下降；条形磁铁在下落过程中穿过闭合线圈，线圈中产生电流．上述不同现象中所包含的相同的物理过程是( )A ．物体克服阻力做功B ．物体的动能转化为其他形式的能量C ．物体的势能转化为其他形式的能量D ．物体的化学能转化为其他形式的能量解析：选A.这四个现象中物体运动过程都受到阻力作用，汽车主要是受制动阻力，流星、降落伞是受空气阻力，条形磁铁下落主要是受到磁场阻力．因而物体都克服阻力做功，A项对．四个物体运动过程中，汽车是动能转化成了其他形式的能，流星、降落伞、条形磁铁是重力势能转化成其他形式的能，总之是机械能转化成了其他形式的能，B、C、D错．答案为A.2．下列说法中正确的是( )A．外界对一物体做功，此物体的内能一定增加B．机械能完全转化成内能是不可能的C．将热量传给一个物体，此物体的内能一定改变D．一定量气体对外做功，气体的内能不一定减小解析：选D.改变物体内能有两种途径：做功和热传递，不能仅由一种情况就判断内能的变化情况，A、C错误，D正确；物体由于摩擦最终停止运动，机械能全部转化为内能，B 错误．3．一木箱静止于水平面上，现在用一个80 N的水平推力推动木箱前进10 m，木箱受到的摩擦力为60 N，则转化为木箱与地面系统的内能U和转化为木箱的动能E k分别是( ) A．U＝200 J，E k＝600 J B．U＝600 J，E k＝200 JC．U＝600 J，E k＝800 J D．U＝800 J，E k＝200 J解析：选B.由于木箱在推动中受到滑动摩擦力，其与相对位移的乘积是转化为木箱与地面系统的内能，即：U＝60×10 J＝600 J．由能量守恒定律可得：E k＝W总－U＝80×10 J－600 J＝200 J，故B正确．4．一个铁块沿斜面匀速滑下，关于铁块的机械能和内能的变化，下列判断中正确的是( )A．铁块的机械能和内能都不变B．铁块的机械能减少，内能不变C．铁块的机械能增加，内能增加D．铁块的机械能减少，内能增加解析：选D.铁块沿斜面匀速下滑时，动能不变势能减小，所以铁块的机械能一定减少．铁块沿斜面能匀速滑下，斜面一定是不光滑的，铁块下滑时克服摩擦力做功，铁块损失的机械能转化为铁块和斜面的内能，因此铁块的温度会略有升高，内能增加．故D正确．5.如图所示，A、B两装置，均由一支一端封闭、一端开口且带有玻璃泡的管状容器和水银槽组成，除玻璃泡在管上的位置不同外，其他条件都相同．将两管抽成真空后，开口向下竖直插入水银槽中(插入过程没有空气进入管内)，水银柱上升至图示位置停止．假设这一过程水银与外界没有热交换，则下列说法正确的是( ) A．A中水银的内能增量大于B中水银的内能增量B．B中水银的内能增量大于A中水银的内能增量C．A和B中水银体积保持不变，故内能增量相同D．A和B中水银温度始终相同，故内能增量相同解析：选B.由热力学第一定律和功能关系知，大气压力对水银做功大小等于水银内能增量与水银重力势能增量之和；大气压力对A、B装置内的水银做功相等，而B中水银重力势能增量小，故B中水银内能增量大．6.如图所示，直立容器内有被隔板隔开的A、B两部分气体，A的密度小，B的密度大，抽去隔板，加热气体使两部分气体均匀混合，设在此过程中气体吸热Q，气体的内能增加为ΔU，则( )A．ΔU＝Q B．ΔU<QC．ΔU>Q D．无法比较解析：选B.本题解题的关键是弄清参与转化和转移的各种能量中哪些增、哪些减．A、B两部分气体开始的合重心在中线以下，混合均匀后重心在中线上，所以系统的重力势能增大，根据能量守恒定律可得，吸收的热量应等于增加的重力势能与增加的内能之和，即Q＝ΔE p＋ΔU，显然Q>ΔU.7.如图，内壁光滑、导热良好的汽缸中用活塞封闭有一定质量的理想气体．当环境温度升高时，缸内气体( )A．内能减小B．对外做功C．压强增大D．分子间的引力和斥力都增大解析：选B.当环境温度升高时，压强不变，缸内气体膨胀对外做功，理想气体不考虑分子力，内能仅由物质的量和温度决定，温度升高，气体的内能增加，正确选项为B.二、多项选择题8．关于机械能和内能，下列说法中错误的是( )A．物体的内能损失时，必然导致其机械能的减小B．物体的机械能损失时，其内能可能增大C．物体内能增大时，机械能不一定增大D．机械能和内能不能互相转化解析：选AD.内能和机械能之间没有必然的联系，二者无必然数量关系，A说法错误，B、C说法正确；机械能可以转化为内能，内能也可以转化为机械能，D说法错误．9．在光滑水平面上运动的物体，受到一个与速度同方向的推力，物体的温度与环境温度相同，在这一过程中，以物体为研究对象( )A．与热传递等效的功是正功，物体的内能增加B．与热传递等效的功是零，内能不变C．动能定理中的功是正功，动能增加D．动能定理中的功是零，动能不变解析：选BC.平面光滑无摩擦，推力对物体做功只是使物体机械运动的动能增加，没有机械能与物体内能之间的转化，因此物体的内能不变．10．如图所示为焦耳实验装置简图，用绝热性能良好的材料将容器包好．重物下落带动叶片搅拌容器里的水，引起水温升高，关于实验，下列说法正确的是( )A．这个装置可测定热功当量B．做功增加了水的热量C．做功增加了水的内能D．功和热量是完全等价的，无区别解析：选AC.做功和热传递都可以使物体的内能发生变化，焦耳实验中是通过做功来增加水的内能，所以C选项正确；就物体的内能发生变化来说，做功和热传递是等效的，这是研究热功当量的前提，通过焦耳实验可测定热功当量，所以A选项正确；热量通常是指热传递(如吸热、放热)过程中内能的改变量，是用来量度热传递过程中物体内能增减的多少．一个物体的内能是无法测定的，而在某种过程中物体内能的变化却是可以测定的，热量就是用来测定内能变化的一个物理量，所以选项B和D是错误的．三、非选择题11．在将空气压缩装入气瓶的过程中，温度保持不变，外界做了24 kJ 的功．现潜水员背着该气瓶缓慢地潜入海底，若在此过程中，瓶中空气的质量保持不变，且放出了5 kJ 的热量．在上述两个过程中，空气的内能共减少________kJ ，空气________(选项“吸收”或“放出”)的总热量为____________kJ.解析：根据热力学第一定律W ＋Q ＝ΔU ，第一阶段W 1＝24 kJ ，ΔU 1＝0，所以Q 1＝－24 kJ ，放热．第二阶段W 2＝0，Q 2＝－5 kJ ，所以ΔU 2＝－5 kJ ，两过程Q ＝Q 1＋Q 2＝－29 kJ ，故共放热29 kJ ，内能变化ΔU ＝－5 kJ ，即减少5 kJ.答案：5 放出 2912．传送装置中，皮带始终以v ＝3 m/s 的速度水平匀速运动，把质量为m ＝1 kg 的物体无初速度地放到皮带上的A 处．物体与皮带间的动摩擦因数μ＝0.2，A 、B 相距s ＝6 m ，求(g 取10 m/s 2)：(1)物体由A 运动到B 所需的时间；(2)物体由A 到达B 的过程中，因为摩擦产生的热量．解析：(1)物体的加速度a ＝μg ＝2 m/s 2，达到v ＝3 m/s 时，位移s ′＝v 22a ＝2.25 m 由于s ＝6 m>s ′.故物体先做匀加速直线运动，后做匀速直线运动．匀加速运动时间t 1＝v a ＝1.5 s ，匀速运动时间t 2＝s －s ′v＝1.25 s 总时间t ＝t 1＋t 2＝2.75 s.(2)在匀加速阶段因为摩擦产生热量，设为Qs 相＝s 传－s ′＝3×1.5 m －2.25 m ＝2.25 mQ ＝f ·s 相＝μmg ·s 相＝0.2×1×10×2.25 J ＝4.5 J.答案：(1)2.75 s (2)4.5 J。