高中物理选修三3.1热力学第一定律学案

3.1 功、热和内能的改变
3.2 热力学第一定律
3.3 能量守恒定律
课前阅读教材，初步认识并理解以下问题：
1.做功、热传递和内能的改变有着怎样的关系？
2.热力学第一定律的内容？你能否进行简单的分析和计算？
3.能量守恒定律的内容你熟悉吗？如何理解并运用能量守恒定律？
4.你知道什么是第一类永动机吗？为什么第一类永动机不可能制成？
知识点1：做功、热传递和内能改变的关系
1.你了解焦耳的两个实验吗？焦耳的两个实验说明了什么？
2.做功和热传递都能改变物体的内能，他们之间究竟有着怎样的关系？
1．做功与内能变化的关系
(1)做功改变物体内能的过程是其他形式的能(如机械能)与内能相互转化的过程．
(2)在绝热过程中，外界对物体做功，则W>0，外界对物体做多少功，就有多少其他形式的能转化为内能，物体的内能就增加多少；物体对外界做功，则W<0.物体对外界做多少功，就有多少内能转化为其他形式的能，物体的内能就减少多少．
2．功与内能的区别
(1)功是过程量，内能是状态量．
(2)物体的内能大，并不意味着做功多．在绝热过程中，只有内能变化越大时，相应地做功才越多．
3．热传递与内能变化的关系
（1）在单纯传热的过程中，系统从外界吸收多少热量，系统的内能就增加多少；系统向外界放出多少热量，系统的内能就减少多少．即ΔU＝U2－U1＝Q.
（2）传热改变物体内能的过程是不同物体之间(或同一物体不同部分之间)内能的转移．
（3）热传递与物体的内能的多少无关，只与两个物体(或一个物体的两部分)的温度差有关，热量总是从高温物体自发地传递到低温物体．
例1、如图所示，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
例2、(多选)下列关于热传递的说法正确的是()
A．热量是从含热量较多的物体传到含热量较少的物体
B．热量是从温度较高的物体传到温度较低的物体
C．热量是从内能较多的物体传到内能较少的物体
D．热量是热传递过程中物体内能变化的量度
例3、在以下事例中，通过热传递的方式来改变物体内能的是()
A．两小球碰撞后粘合起来，同时温度升高
B．冬天暖气为房间供暖
C．点燃的爆竹在空中爆炸
D．汽车的车轮与地面相互摩擦发热
例4、关于温度、热量、功和内能，以下说法正确的是()
A．同一物体温度高时，含有的热量多
B．物体的内能越大，含有的热量就越多，温度也越高
C．外界对系统做功W，内能必定增加
D．两物体之间发生热传递的条件是存在温度差
知识点2：热力学第一定律
1.热力学第一定律是如何总结出来的？其内容是什么？
2.热力学第一定律有着怎样的应用？
1．对公式ΔU＝Q＋W符号的规定
符号W Q ΔU
＋体积减小，外界对热力学系
统做功
热力学系统吸收热量内能增加
－体积增大，热力学系统对外
界做功
热力学系统放出热量内能减少
2.气体状态变化的几种特殊情况
(1)绝热过程：Q＝0，则ΔU＝W，系统内能的增加(或减少)量等于外界对系统(或物体对外界)做的功．
(2)等容过程：W＝0，则ΔU＝Q，物体内能的增加量(或减少量)等于系统从外界吸收(或系统向外界放出)的热量．
(3)等温过程：始末状态一定质量理想气体的内能不变，即ΔU＝0，则W＝－Q(或Q＝－W)，外界对系统做的功等于系统放出的热量(或系统吸收的热量等于系统对外界做的功)．
3．判断气体是否做功的方法
一般情况下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若气体体积减小，表明外界对气体做功，W>0.
4．应用热力学第一定律解题的一般步骤
(1)根据符号法则写出各已知量(W、Q、ΔU)的正负；
(2)根据方程ΔU＝W＋Q求出未知量；
(3)再根据未知量结果的正负来确定吸放热情况、做功情况或内能变化情况．
例5、如图所示，内壁光滑的绝热汽缸固定在水平面上，其右端由于有挡板，厚度不计的绝热活塞不能离开汽缸，汽缸内封闭着一定质量的理想气体，活塞距汽缸右端的距离为0.2 m．现对封闭气体加热，活塞缓慢移动，一段时间后停止加热，此时封闭气体的压强变为2×105 Pa.已知活塞的横截面
积为0.04 m2，外部大气压强为1×105 Pa，加热过程中封闭气体吸收的热量为2 000 J，
则封闭气体的内能变化量为()
A．400 J B．1200 J C．2 000 J D．2 800 J
例6、一定质量的理想气体，状态从A→B→C→D→A的变化过程可用如图4所示的p－V图线描述，其中D→A为等温线，气体在状态A时温度为T A＝300 K，试求：
图4
(1)气体在状态C时的温度T C；
(2)若气体在A→B过程中吸热1 000 J，则在A→B过程中气体内能如何变化？变化了多少？
知识点3：能量守恒定律
1.人类在探索能量守恒的过程中，经历了怎样的过程？
2.能量守恒定律是如何得出的？对人类的发展和进步起到什么样的作用？
3.什么是第一类永动机？为什么不可能制成？
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为其他形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变．
2．永动机不可能制成
(1)第一类永动机：不需要任何动力或燃料，却能不断地对外做功的机器．
(2)第一类永动机由于违背了能量守恒定律，所以不可能制成．
例7、(多选)下列对能量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
1．(多选)对于热量、功和内能三个量，下列说法正确的是()
A．热量、功和内能三个量的物理意义是等同的
B．热量和功二者可作为物体内能大小的量度
C．热量、功和内能的国际单位都相同
D．热量和功是由过程决定的，而内能是由物体的状态决定的
2．关于物体的内能和热量，下列说法正确的是()
A．热水的内能比冷水的内能多
B．温度高的物体其热量必定多，内能必定大
C．在热传递过程中，内能大的物体其内能将减小，内能小的物体其内能将增大，直到两物体的内能相等
D．内能相等的两个物体相互接触时，也可能发生热传递
3．(多选)关于物体的内能，下列说法正确的是()
A．夏天从室内冰箱里取一杯水去晒太阳，过一段时间水的温度升高，这是通过热传递的方式改变物体的内能
B．热传递可以改变物体的内能
C．做功可以改变物体的内能
D．一块0 ℃的冰熔化成0 ℃的水，内能减小
4．(多选)用手不断地在同一地方反复弯折细铁丝，铁丝被折断时，断口很烫手，这说明()
A．铁丝不从外界吸收热量，温度也能升高
B．对物体做功，也能使物体内能增加
C．做功和热传递是等效的
D．机械功可以转化成热量，铁丝吸收了热量，温度升高
5．(多选)夏季，长春市的天气温差比较大，充足气的车胎经过正午阳光的暴晒容易爆胎．若车胎内的气体可视为理想气体，爆胎前车胎内气体体积及质量均不变，爆胎过程时间极短．关于车胎内的气体，下列说法正确的是()
A．爆胎前随着气温的升高，车胎内气体压强增大
B．爆胎前随着气温的升高，车胎内气体吸收热量，内能增大
C．爆胎过程中，车胎内气体对外做功，内能减小
D．爆胎过程中，车胎内气体分子平均动能不变
6．关于内能的变化，以下说法正确的是()
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
7．“第一类永动机”是不可能制成的，这是因为()
A．它不符合机械能守恒定律B．它违背了能量守恒定律
C．没有合理的设计方案D．找不到合适的材料
8.(多选)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
9．(多选)一定质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，则下
列关于理想气体的说法正确的是()
A．气体温度一定升高
B．气体的内能一定减少
C．气体的压强一定不变
D．分子间平均距离一定增大
10.如图所示，上端开口、粗细均匀的U形管的底部中间有一阀门，开始阀门关闭，两管中的水面高度差为
h.现将阀门打开，最终两管水面相平，（假设此过程中谁与外界物热交换）则这一过程中()
A．大气压做正功，重力做负功，水的内能不变
B．大气压不做功，重力做正功，水的内能增大
C．大气压不做功，重力做负功，水的内能增大
D．大气压做负功，重力做正功，水的内能不变
11.(多选)一定质量的理想气体，经历如图所示的循环，该过程每个状态视为平衡态，各状态参数如图所示，已知a状态的体积为2.0×10－3 m3，则下列说法正确的是()
A．各状态气体体积V a＝V b＞V c＝V d
B．b→c过程中，气体吸热
C．c→d过程中，气体内能增加
D．d→a过程中，外界对气体做功200 J
12.研究表明，新冠病毒耐寒不耐热，温度在超过56 ˚C时，30分钟就可以灭活．如图8，含有新冠病毒的气体被轻质绝热活塞封闭在绝热汽缸下部a内，汽缸顶端有一绝热阀门K，汽缸底部接有电热丝E.a缸内被封闭气体初始温度t1＝27 ˚C，活塞位于汽缸中央，与底部的距离h1＝60 cm，活塞和汽缸间的摩擦不计．(1)若阀门K始终打开，电热丝通电一段时间，稳定后活塞与底部的距离h2＝66 cm，持续30分钟后，试分析说明a内新冠病毒能否被灭活？
(2)若阀门K始终闭合，电热丝通电一段时间，给a缸内气体传递了Q＝1.0×104J的热量，稳定后气体a内能增加了ΔU＝8.5×103 J，求此过程气体b的内能增加量．
参考答案
例1C
例2BD
例3B
例4D
例5B
例6（1）375K （2）增加400J
例7ABC
巩固：
1.CD
2.D
3.ABC
4.AB
5.ABC
6.C
7.B
8.AC
9.AD
10.B
11.BD
12(1)57℃(2) 1.5×103 J。