3.热力学第一定律 能量守恒定律

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下列对能量的转化和守恒定律的认识 不正确的是( ) 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
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• 解析： 由热力学第一定律 ΔU ＝ W ＋ Q 可 知，A、B、C正确，D错误． • 答案： D
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[2011· 山东卷 ·36(2)] 气体温度计结构 如图所示．玻璃测温泡A内充有理想气体，通 过细玻璃管 B 和水银压强计相连．开始时 A 处 于冰水混合物中，左管 C 中水银面在 O 点处， 右管D中水银面高出O点h1＝14 cm，后将A放 入待测恒温槽中，上下移动 D ，使 C 中水银面 仍在 O 点处，测得 D 中水银面高出 O 点 h2 ＝ 44 cm.(已知外界大气压为1个标准大气压，1标准 大气压相当于76 cmHg)
符号
＋ －
W
外界对物体做功 物体对外界做功
Q
物体吸收热量 物体放出热量
ΔU
内能增加 内能减少
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• 3.几种特殊情况 • (1)若过程是绝热的，则Q＝0，W＝ΔU，外界 对物体做的功等于物体内能的增加． • (2)若过程中不做功，即W＝0，则Q＝ΔU，物 体吸收的热量等于物体内能的增加． • (3) 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．
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• 一、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．此定律是标量式，应用时热量的单位应统 一为国际单位制中的焦耳． • 2．对公式ΔU＝Q＋W符号的规定
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• 二、能量守恒定律的理解 • 1．能量的存在形式及相互转化 • 各种运动形式都有对应的能：机械运动对应机械能， 分子的热运动对应内能，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，例 如：利用电炉取暖或烧水，电能转化为内能；煤燃 烧，化学能转化为内能；列车刹车后，轮子温度升 高，机械能转化为内能． • 2．与某种运动形式对应的能是否守恒是有条件的， 例如，物体的机械能守恒，必须是只有重力做功； 而能量守恒定律是没有条件的，它是一切自然现象 都遵守的基本规律．
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• 3．能量守恒定律的重要意义 • (1)找到了各种自然现象的公共量度 ——能量，从而把 各种自然现象用定量规律联系起来，揭示了自然规 律的多样性和统一性． • (2) 突破了人们关于物质运动的机械观念的范围，从 本 质 上 表 明 了 各 种 运 动 形 式 之 间 相 互 转 化 的 可能 性．能量守恒定律比机械能守恒定律更普遍，它是 物理学中解决问题的重要思维方法．能量守恒定律 与电子的发现、达尔文的进化论并称 19 世纪自然科 学中三大发现，其重要意义由此可见． • (3) 具有重大实践意义 ，即彻底粉碎了永动机的幻 想．
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• ◎ 教材资料分析 • 〔说一说〕——教材P56
• 如图所示是历史上有名的一种永动机的设 计．从图上看，设计者为什么认为这个机 器会永远运动下去？不用能量的概念，你 能不能说明它不会永远运动下去？
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• 【点拨】 这种永动机是在一个轮子的边缘等距地 安装 12 根活动短杆，杆端分别套上一个重球．无论 轮子转到什么位置，右边的各个重球总比左边的各 个重球离轴心更远一些．设想，右边更大的作用特 别是右边甩过去的重球作用在离轴较远的距离上， 根据杠杆平衡原理可知，就会使轮子按照箭头所示 的方向永不停息地旋转下去，至少转到轮轴磨坏时 为 止 ． 但 是 ，实 际 上 轮 子 转 动 一 两 圈 后 就 停 了下 来．在这种永动机的设计中，我们总可以找到一个 平衡位置，在这个位置上，各个力恰好相互抵消， 不再有任何推动力使它运动，永动机必然会在这个 平衡位置上静止下来，成为不动机.
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如图所示，一个质量为20 kg的绝热汽缸竖 直放置，绝热活塞的质量为5 kg，处于静止状态时被 封闭气体的高度为50 cm，现在活塞上方加一15 kg的 物体，待稳定后，被封闭气体的高度变为40 cm.求在 这一过程中气体的内能增加多少．(g取10 m/s2，不考 虑活塞受到的大气压力及摩擦阻力)
• 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. • 答案： 5×104 J
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• 【反思总结】 应用热力学第一定律解题的一 般步骤 • (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) 特别应注意的就是物理量的正负号及其物 理意义．
•3．热力学第一定律 能量守恒定 律
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• 一、热力学第一定律 • 1 ．定律内容： 一个热力学系统的内能增量等 热量 与外界对它所做的 于外界向它传递的 功的和． Q＋W . • 2．数学表达式：ΔU＝
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• 思路点拨： • 绝热过程 → 外界对气体做功 → 内能增加 → ΔU＝W • 解析： 由能量守恒定律可知，内能的增加等于活塞和物体 重力势能的减少，ΔU＝ΔE＝(M＋m)gh＝(15＋5)×10×(50－ 40)×10－2 J＝20 J. • 答案： 20 J
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• 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： D
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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？
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• 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.
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• 解析： 本题主要考查热力学第一定律的 应用，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ΔU＝W＋Q，可知 Q ＝ ΔU － W ＝ － 1.2×105 － 8×104 ＝ － 2×105 J，即B选项正确． • 答案： B
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• 解析： 一定量的理想气体内能只与温度有关， 从状态 a到状态 b，和到状态 c，两过程温度升 高相同，即内能增加相同，但b状态体积比a状 态大，所以从a状态到b状态要对外界做功，由 热力学第一定律知 Qab＞Qac，由于b、c状态温 度相同，由玻意耳定律，pb＜pc，故C正确． • 答案： C
• 二、能量守恒定律 • 1．能量守恒定律内容： 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 为另一种形 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．意义 • (1)各种形式的能可以 相互转化 ． • (2)各种物理现象可以用 能量转化守恒定律 联系在 一起．
• 答案： (1)91 ℃
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(2)增大
吸热
【反思总结】
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：
体积的变化⇔做功的正负 ⇔吸放热的判断 温度的变化⇔内能的变化
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• 【跟踪发散】 2－1：带有活塞的汽缸内封闭 一定量的理想气体，气体开始处于状态 a，然 后经过过程 ab 到达状态 b 或经过过程 ac 到达状 态c，b、c状态温度相同，如V－T图所示．设 气体在状态 b和状态c的压强分别为 pb和 pc，在 过程ab和ac中吸收的热量分别为 Qab和Qac，则 (填入选项前的字母，有填错的不得分)( ) • A．pb＞pc，Qab＞Qac • B．pb＞pc，Qab＜Qac • C．pb＜pc，Qab＞Qac • D．pb＜pc，Qab＜Qac
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• 【特别提醒】(1) 应用热力学第一定律时要 明确研究的对象是哪个物体或者是哪个热 力学系统． • (2) 应用热力学第一定律计算时，要依照符 号法则代入数据．对结果的正、负也同样 依照规则来解释其意义．
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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 J B．W＝8×104 J，ΔU＝－1.2×105 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
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• (1)求恒温槽的温度． • (2) 此过程 A 内气体内能 ________( 填“增大” 或“减小”)，气体不对外做功，气体将 ________(填“吸热”或“放热”)．
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解析：
(1)设恒温槽的温度为T2，由题意知T1＝273 K
A内气体发生等容变化，根据查理定律得 p1 p2 ＝ ① T1 T2 p1＝p0＋ph1② p2＝p0＋ph2③ 联立①②③式，代入数据得 T2＝364 K(或91 ℃)④ (2)增大；吸热．
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• 4．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U2－U1＝W， 就是说，如果系统内能减少，即U2＜U1，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．
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• 【跟踪发散】 1－1：一定质量的气体，从状 态A变化到状态B的过程中，内能增加了160 J， 下列是关于内能变化的可能原因的说法，其中 不可能的是( ) • A ．从 A 到 B 的绝热过程中，外界对气体做功 160 J • B．从A到B的单纯传热过程中，外界对气体传 递了160 J的热量 • C．从 A到B的过程中吸热 280 J，并对外界做 功120 J • D．从A到B的过程中放热 280 J，外界对气体 做功120 J
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• 三、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．第一类永动机不可能制成的原因：违背了 能量守恒 定律.
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