第三章 第2节 热力学第一定律-第3节 能量守恒定律-【高考领航】2021-2022学年新教材高中物理选择性必修第三册同步核心辅导与测评教师用书（人教版）

第2节　热力学第一定律 第3节　能量守恒定律 核心素养要求 核心素养呈现 1.掌握热力学第一定律及其表达式． 2.学会运用热力学第一定律解释自然界能量的转化、转移问题． 3.理解能量守恒定律，知道能量守恒定律是自然界普遍遵从的基本规律． 4.理解第一类永动机是不可能制成的. 　热力学第一定律 1．改变内能的两种方式 做功与热传递．两者在改变系统内能方面是等效的． 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. 一个物体，若仅外界对其做功10 J，内能改变了多少？若仅从外界吸收10 J的热量，内能改变了多少？若外界对其做功10 J的同时从外界吸收10 J的热量，内能改变了多少？ 提示：增加10 J；增加10 J；增加20 J. 　能量守恒定律及永动机不可能制成 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各种互不相关的物理现象可以用能量守恒定律联系在一起． 2．第一类永动机不可能制成 (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． (3)意义：正是历史上设计永动机的失败，才使后人的思考走上了正确的道路． 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． 　 [思维深化] 1．与热力学第一定律相匹配的符号法则 做功W 热量Q 内能的改变ΔU 取正值 “＋” 外界对系 统做功 系统从外 界吸收热量 系统的内能增加 取负值“－” 系统对外界做功 系统向外界放出热量 系统的内能减少 2.热力学第一定律的几种典型应用 (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吸收的热量． (3)若过程中物体的始、末内能不变，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(或物体吸收的势量等于物体对外界做的功)． 3．判断是否做功的方法 一般情况下外界对系统做功与否，需看系统的体积是否变化． (1)若系统体积增大，表明系统对外界做功，W＜0； (2)若系统体积变小，表明外界对系统做功，W＞0. 　气泡从湖底缓慢上升到湖面的过程中，若将气泡内的气体视为理想气体，对外界做了0.6 J的功，(设湖水的温度相等且保持不变) (1)气泡上升过程中吸收的热量是多少？ (2)气泡到达湖面后，由于太阳的照射，在温度上升的过程中又对外界做了0.1 J的功，同时吸收了0.3 J的热量，则此过程中，气泡内气体内能增加了多少？ 思路点拨：湖水温度不变，表明气泡由湖底上升到水面的过程中气体内能不变． 解析：(1)气体温度不变，内能不变，由热力学第一定律ΔU＝Q＋W，则Q＝ΔU－W＝0－(－0.6 J)＝0.6 J； (2)由热力学第一定律得ΔU＝Q＋W＝0.3 J＋(－0.1 J)＝0.2 J，内能增加0.2 J. 答案：(1)0.6 J　(2)0.2 J 　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． [针对训练] 1．一定质量的气体从外界吸收了4.2×105 J的热量，同时气体对外做了6×105 J的功，问： (1)物体的内能是增加还是减少？变化量是多少？ (2)分子的平均动能是增加还是减少？ 解析：(1)气体从外界吸收的热量为Q＝4.2×105 J 气体对外做功W＝－6×105 J 由热力学第一定律 ΔU＝W＋Q＝(－6×105 J)＋(4.2×105 J)＝－1.8×105 J ΔU为负，说明气体的内能减少了 所以气体内能减少了1.8×105 J. (2)因为气体内能减少，同时气体分子势能增加，所以气体分子的平均动能一定减少了． 答案：(1)减少　1.8×105 J　(2)减少 　 [思考探究] 如图为历史上有名的一种永动机设计，试回答问题． 能量可以由一种形式转化为另一种形式，也可以从一个物体转移到另一个物体．能量在转