7-8学年高中物理人教版选修3-3教学案：第十章第3节热力学第一定律能量守恒定律Word版含解析完美版.doc

第3节热力学第一定律__能量守恒定律

1.热力学第一定律：一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和。
2．热力学第一定律的表达式ΔU＝Q＋W，要熟悉其符号法则。
3．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。
4．第一类永动机不可能制成，因为它违背了能量守恒定律。

一、热力学第一定律
1．改变内能的两种方式
做功和热传递。
2．热力学第一定律
(1)内容：一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和。
(2)表达式：ΔU＝Q＋W。
二、能量守恒定律和永动机
1．能量守恒定律
(1)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守恒定律联系在一起。
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)不可制成的原因：违背了能量守恒定律。

1．自主思考——判一判
(1)做功和热传递在改变物体内能上是不等效的。(×)
(2)运动的物体在阻力作用下会停下来，说明机械能凭空消失了。(×)
(3)功和能可以相互转化。(×)
(4)第一类永动机不能制成，是因为它违背了能的转化和守恒定律。(√)
(5)某个物体的能量减少，必然有其他物体的能量增加。(√)
(6)自由摆动的秋千摆动幅度越来越小，减少的机械能转化为内能，但总能量守恒。(√)
2．合作探究——议一议
(1)快速推动活塞对汽缸内气体做功10 J，气体内能改变了多少？若保持气体体积不变，外界对汽缸传递10 J的热量，气体内能改变了多少？能否说明10 J的功等于10 J的热量？

图10­3­1
提示：无论外界对气体做功10 J，还是外界给气体传递10 J的热量，气体内能都增加了10 J，说明做功和热传递在改变物体内能上是等效的，但不能说10 J的功等于10 J的热量，因为功与热量具有本质区别。
(2)有一种“全自动”机械手表，即不需要上发条，也不用任何电源，却能不停地走下去。这是不是一种永动机？并说明理由。
提示：这不是永动机。手表戴在手腕上，通过手臂的运动，机械手表获得能量，供手表指针走动。若将此手表长时间放置不动，它就会停下来。
(3)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？
提示：热力学第一定律、机械能守恒定律是能量守恒定律在不同形式的能相互转化时的具体体现。

热力学第一定律的应用

1．应用热力学第一定律解题的思路
(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)分别找出题目中研究对象吸收或放出的热量；外界对研究对象所做的功或研究对象对外界所做的功；研究对象内能的增加量或减少量。
(3)根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W列出方程进行求解。
(4)特别注意物理量的正负号及其物理意义。
2．公式ΔU＝W＋Q中符号的规定
符号
W
Q
ΔU
＋
外界对物体做功
物体吸收热量
内能增加
－
物体对外界做功
物体放出热量
内能减少
3.几种特殊情况
(1)若过程是绝热的，即Q＝0，则ΔU＝W，物体内能的增加量等于外界对物体做的功。
(2)若过程中不做功，即W＝0，则ΔU＝Q，物体内能的增加量等于物体从外界吸收的热量。
(3)若过程的始末状态物体的内能不变，即ΔU＝0，则W＝－Q(或Q＝－W)，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)。
4．判断是否做功的方法
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)若物体体积减小，表明外界对物体做功，W>0。

[典例]　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＝2×105 J
D．W＝－8×104 J，ΔU＝－1.2×105 J，Q＝－4×104 J
[思路点拨]　
(1)应用热力学第一定律ΔU＝Q＋W时，要注意各物理量的正负。
(2)对气体做功W而气体内能减少，说明气体放出的热量大于外界对气体所做的功。
[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ΔU＝Q＋W，可得Q＝ΔU－W＝－1.2×105 J－8×104 J＝－2×105 J，B正确。
[答案]　B

应用热力学第一定律时的两个注意事项
(1)明确研究哪一部分气体和气体的哪一个状态变化过程。
(2)分清ΔU＝W＋Q中各量的正、负号的意义。　　　　

1．气体膨胀对外做功100 J，同时从外界吸收了120 J的热量，它的内能的变化是(　　)
A．减小20 J　　　　　　 B．增大20 J
C．减小220 J D．增大220 J
解析：选B　研究对象为气体。依符号规则，对外做功W＝－100 J，吸收热量Q＝120 J。由热力学第一定律有
ΔU＝W＋Q＝－100 J＋120 J＝20 J。
ΔU>0，说明气体的内能增加。故选B。
2．(1)如图10­3­2甲所示，在斯特林循环的p­V图像中，一定质量理想气体从状态A依次经过状态B、C和D后再回到状态A，整个过程由两个等温和两个等容过程组成。B→C的过程中，单位体积中的气体分子数目______(选填“增大”“减小”或“不变”)。状态A和状态D的气体分子热运动速率的统计分布图像如图2所示，则状态A对应的是________(选填“①”或“②”)。

图10­3­2
(2)如图乙所示，在A→B和D→A的过程中，气体放出的热量分别为4 J和20 J。在B→C和C→D的过程中，气体吸收的热量分别为20 J和12 J。求气体完成一次循环对外界所做的功。
解析：(1)B→C过程为等容过程，单位体积中的气体分子数目不变。气体状态A的温度低于状态D的温度，则状态A对应的气体分子的平均动能小，对应着图像①。
(2)完成一次循环气体内能不变，ΔU＝0，吸收的热量Q＝(20＋12－4－20)J＝8 J，由热力学第一定律ΔU＝Q＋W得，W＝－8 J，气体对外界所做的功为8 J。
答案：(1)不变　①　(2)8 J

对能量守恒定律的理解及应用

1．能量的存在形式及相互转化：
(1)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。
(2)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。
(3)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。
(4)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。
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，必须是只有重力或系统内的弹力做功；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。
3．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。

1.如图10­3­3所示，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(　　)

图10­3­3
A．大气压对水做正功，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hA，B中水面上升hB，相当于A端SAhA体积的水移到B端，且SAhA＝SBhB，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容积中的水做负功。所以，大气压力对水做的总功为p0SAhA－p0SBhB，由于SAhA＝SBhB，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。
2．(多选)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．物体的机械能转化为其他形式的能量
解析：选AD　这四个现象中，物体运动过程都受到阻力，汽车主要是制动阻力，流星坠落和降落伞降落是空气阻力，条形磁铁下落过程受到磁场阻力，因而物体都克服阻力做功，A选项对。四个物体运动过程中，汽车是动能转化为内能，流星、降落伞、条形磁铁是重力势能转化为内能或其他形式的能，总之是机械能转化为其他形式的能。D选项正确。
3.如图10­3­4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了多少？(g取10 m/s2，不考虑活塞的大气压力及摩擦阻力)

图10­3­4
解析：由能的转化与守恒定律可知，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

1．在一个与外界没有热交换的房间内打开冰箱门，冰箱正常工作，过一段时间房间内的温度将(　　)
A．降低　　　　　　　　 B．升高
C．不变 D．无法确定
解析：选B　取房间内气体及电冰箱(有散热装置)为系统，冰箱消耗电能，对系统做功，系统总内能增加，房间内温度升高，B对。
2．第一类永动机是不可能制成的，这是因为第一类永动机(　　)
A．不符合机械能守恒定律
B．违背了能量守恒定律
C．无法解决机械摩擦问题
D．找不到合适的材料和合理的设计方案
解析：选B　第一类永动机不可能制成，是因为它违背了能量守恒定律。
3．一定质量的气体吸收热量，体积膨胀并对外做功，由此过程的末态与初态相比(　　)
A．气体内能一定增加
B．气体内能一定减小
C．气体内能一定不变
D．气体内能是增是减不能确定
解析：选D　气体吸收热量Q＞0，气体对外做功W＜0，若|Q|＞|W|，根据热力学第一定律知ΔU＞0，内能增加；若|Q|＜|W|，则ΔU＜0，内能减小；若|Q|＝|W|，则ΔU＝0，内能不变，故D对。
4.如图1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，抽出隔板，加热气体使两部分气体均匀混合，设在此过程中气体吸热为Q，气体内能增量为ΔU，则(　　)

图1
A．ΔU＝Q B．ΔU＜Q
C．ΔU＞Q D．无法比较
解析：选B　A、B两部分气体密度不同，混合后其重力势能将发生变化，刚开始时A、B气体的合重心在中线下方，均匀混合后重心在中线上，重心上升了，所以气体的重力势能增加了，由能量守恒定律知，吸收的热量一部分增加气体的内能，一部分增加重力势能，即Q＝ΔU＋ΔEp，所以Q＞ΔU，故B对。
5.如图2所示为冲击摆实验装置，一水平飞行的子弹射入沙箱后与沙箱合为一体，共同摆起一定高度，在此过程中有关能量转化的说法中正确的是(　　)

图2
A．子弹的动能转变成沙箱和子弹的内能
B．子弹的动能转变成沙箱和子弹的重力势能
C．子弹的动能转变成沙箱和子弹的动能
D．子弹的动能一部分转变成沙箱和子弹的内能，另一部分转变为沙箱和子弹的机械能
解析：选D　子弹在射入沙箱瞬间，要克服摩擦阻力做功，有一部分动能转变成沙箱和子弹的内能，一部分动能变成沙箱和子弹的机械能，故D正确。
6. (多选)图3为某同学设计的喷水装置，内部装有2 L水，上部密封1 atm的空气0.5 L，保持阀门关闭，再充入1 atm的空气0.1 L，设在所有过程中空气可看作理想气体，且温度不变，下列说法正确的有(　　)

图3
A．充气后，密封气体压强增加
B．充气后，密封气体的分子平均动能增加
C．打开阀门后，密封气体对外界做正功
D．打开阀门后，不再充气也能把水喷光
解析：选AC　温度不变，分子平均动能不变，充气后由于气体的质量增大，温度、体积基本不变，气体的压强增大，选项A对、B错；打开阀门后，水减少，气体膨胀，密封气体对水做正功，选项C对；如果水全排出，气体压强为p3，p3(2＋0.5)＝p1(0.5＋0.1)得p3＝0.24p1＜p1，故不再充气不能把水喷光，选项D错。

7．如图4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＝7.0×102 J，求此过程中气体内能的增量。

图4
解析：等压变化，＝，对外做的功W＝p(VB－VA)，根据热力学第一定律ΔU＝Q－W解得ΔU＝5.0×102 J。
答案：ΔU＝5.0×102 J
8．在一个标准大气压下，水在沸腾时，1 g的水由液态变成同温度的水汽，其体积由1.043 cm3变为1 676 cm3。已知水的汽化热为2 263.8 J/g。求：
(1)体积膨胀时气体对外界做的功W；
(2)气体吸收的热量Q；
(3)气体增加的内能ΔU。
解析：取1 g水为研究系统，把大气视作外界。1 g沸腾的水变成同温度的水汽需要吸收热量，同时由于体积膨胀，系统要对外做功，所以有ΔU<Q吸。
(1)气体在等压(大气压)下膨胀做功
W＝p(V2－V1)＝1.013×105×(1 676－1.043)×10－6 J≈169.7 J。
(2)气体吸热：Q＝mL＝1×2 263.8 J＝2 263.8 J。
(3)根据热力学第一定律得
ΔU＝Q＋W＝[2 263.8 J＋(－169.7)]J＝2 094.1 J。
答案：(1)169.7 J　(2)2 263.8 J　(3)2 094.1 J

不论何时，都要尽可能让思考与反省预见到突发的激情，这于审慎者可轻而易举做到。心烦意乱之时，首先要做的就是意识到这一点。先控制住自己的情绪，下决心不再使之加剧。有了这种高明的防范，就能很快终止怒气。要懂得制怒之法，且止息于当止之时：奔跑时停下来最难；狂怒时保持头脑清醒也一样难。过分激动，不论程度高低，都会影响理智。一旦对发怒有了这种警醒，就不会使你因怒气而失控，也不会使你损害良好的辨别力。谨慎地驾驭情绪，就能很好地控制它。你将是马背上第一个理智的人。智者最没有耐性，因为学识减少了他们的耐心。知识渊博的人很难被取悦。俄庀泰特斯告诉我们，生活最重要的准则在于懂得如何忍受一切。他认为这是智慧的一半真谛。容忍愚蠢需要极大的耐心。有时最令我们痛苦的人正是我们最依赖的人，这帮助我们战胜自我。耐心能带来无可估量的内心平静；而内心平静是世间的福祉。不懂得如何容忍他人的人如果还能忍受他自己的话，就应当独处。