18 第3章 第2节 热力学第一定律 第3节 能量守恒定律-【正禾一本通】2024-2025学年高中物理选择性必修3同步课堂高效讲义教师用书（人教版2019）

第2节　热力学第一定律 第3节　能量守恒定律 【课标解读】　1.理解热力学第一定律，能运用热力学第一定律分析和解决相关问题。 2．理解能量守恒定律，能用能量守恒定律分析实际问题。 3．知道什么是第一类永动机，理解第一类永动机不可能制成的原因。 探究点一　热力学第一定律　　　　　　　　 如图所示，一定质量的理想气体由a状态变化到b状态。 (1)在变化过程中是气体对外做功，还是外界对气体做功？ (2)在变化过程中气体的内能增加还是减少？气体是吸热，还是向外放热？ 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 提示：(1)气体的变化为等压膨胀，一定是对外做功。 (2)理想气体的温度升高，则内能一定增加，需要从外界吸收热量。 1．改变内能的两种方式：做功与传热。两者对改变系统的内能是等价的。 2．热力学第一定律 (1)内容：一个热力学系统的内能变化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。 3．公式ΔU＝Q＋W的符号规定 (1)ΔU的正负：当系统内能增加时，ΔU取正值，当系统内能减小时，ΔU取负值。 (2)W的正负：外界对系统做功时，W取正值；系统对外界做功时，W取负值。 (3)Q的正负：外界对系统传递热量时，Q取正值；系统向外界传递热量时，Q取负值。 【基点辨析】 1．判断下列说法的正误 (1)物体对外做功，内能一定减少。(×) (2)系统从外界吸收5 J的热量，则内能一定增加5 J。(×) (3)物体吸收热量，同时对外做功，内能可能不变。(√) (4)物体放出热量，同时对外做功，内能可能不变。(×) 2．如图，在汽缸内活塞左边封闭着一定质量的空气，压强与大气压相同。把汽缸和活塞固定，使汽缸内空气升高一定的温度，空气吸收的热量为Q1。如果让活塞可以自由滑动(活塞与汽缸间无摩擦、不漏气)，也使汽缸内空气温度升高相同温度，其吸收的热量为Q2。Q1和Q2哪个大些？为什么？ 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 提示：活塞与汽缸都固定不动时，气体升温时不对外做功，吸收的热量Q1全部用于增加气体的内能；活塞可以自由滑动时，气体升温膨胀，对外做功，吸收的热量Q2既要增加气体的内能，又要对外做功。由于两种情况气体内能的增加量是相同的，所以Q2>Q1。 1．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(或系统对外界)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：ΔU＝0，则W＝－Q，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)。 2．应用热力学第一定律解题的一般步骤 (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。 【典例1】 (2022·重庆高考)2022年5月15日，我国自主研发的“极目一号”Ⅲ型浮空艇创造了海拔9 032米的大气科学观测世界纪录。若在浮空艇某段上升过程中，艇内气体温度降低，体积和质量视为不变，则艇内气体(视为理想气体)(　　) A．吸收热量 B．压强增大 C．内能减小 D．对外做负功 解析：选C。由于浮空艇上升过程中体积和质量均不变，则艇内气体不对外做功，故D错误；根据理想气体状态方程＝C可知，艇内气体体积不变，温度降低，则压强减小，故B错误；艇内气体可视为理想气体，则温度降低时，内能减小，故C正确；又根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q可知，艇内气体放出热量，故A错误。 【典例2】 (规范题)(1)一定量的气体从外界吸收了2.6×105 J 的热量，内能增加了4.2×105 J，该过程是气体对外界做功，还是外界对气体做功？做了多少功？ (2)一定质量的气体，从外界吸收3.5×105 J的热量，同时气体对外界做功2.3×105 J。该过程气体的内能怎样变化？ 【规范解答】 解析：(1)根据热力学第一定律表达式中的符号法则可知 Q＝2.6×105 J，ΔU＝4.2×105 J 由ΔU＝Q＋W 则W＝ΔU－Q＝4.2×105 J－2.6×105 J＝1.6×105 J W＞0，说明是外界对气体做功。 (2)由题意知Q＝3.5×105 J，W＝－2.3×105 J 则ΔU＝Q＋W＝1.2×105 J ΔU为正值，说明气体的内能增加1.2×105 J。 答案：(1)外界对气体做功　1.6×105 J　(2)增加1.2×105 J 【解题思路】 审题并确定已知量的正负号 利用ΔU＝Q＋W计算未知量 说明计算结果的正负号的意义 【针对训练1】 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．1 200 J C．2 000 J D．2 800 J 解析：选B。由题意可知，气体先等压变化，到活塞运动到挡板处再发生等容变化，等压变化过程中，外界对气体做功W＝－p0Sx＝－1×105×0.04×0.2 J＝－800 J，由热力学第一定律可知，封闭气体的内能变化量为ΔU＝W＋Q＝(－800＋2 000) J＝1 200 J，故B正确。 探究点二　能量守恒定律 如图为一种所谓“全自动”的机械手表，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。手表戴在手腕上，通过手臂的运动获得能量，供指针走动。若将手表长时间放置不动，它就会停下来。 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)两种表达 ①某种形式的能量减少，一定有其他形式的能量增加，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。 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。 【基点辨析】 判断下列说法的正误 (1)能量既可以转移又可以转化，故能的总量是可以变化的。(×) (2)违背能量守恒定律的过程是不可能发生的。(√) (3)运动物体在阻力作用下会停下来，说明机械能凭空消失了。(×) (4)随着科技的不断发展，第一类永动机可以制成。(×) 对能量守恒定律的理解 (1)自然界中各种形式的能之间都可以相互转化，且在转化的过程中总能量保持不变，它包括各个领域，范围广泛。 (2)能量守恒定律是一切自然现象都遵守的基本规律，是没有条件的。而机械能守恒定律是在只有重力做功或系统内弹簧弹力做功的情况下才成立。 (3)机械能守恒定律是能量守恒定律在动力学领域内的具体体现，热力学第一定律是能量守恒定律在热学领域内的具体体现。 (4)能量守恒定律的发现使人们认识到：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。 【典例3】 (2024·江苏盐城期中)如图所示，内壁光滑的绝热汽缸竖直固定在水平面上，用质量为m的绝热活塞把缸内空气分成两部分。两部分中封闭有相同质量和温度的同种理想气体，活塞用销钉K固定，已知P部分的气体体积小于Q部分的气体体积，拔掉销钉活塞能上、下自由移动。现拔掉销钉，活塞移动一小段距离后再将其固定。下列说法正确的是(　　 ) A．活塞上升 B．P部分气体温度不变 C．两部分气体内能之和不变 D．两部分气体内能之和增大 解析：选D。根据题意和相关热学知识可推知，P部分气体的压强较大，又活塞受到竖直向下的重力，所以拔掉销钉后，活塞下降，P部分气体对Q部分气体做功。因为汽缸和活塞都是绝热的，根据热力学第一定律可知，P部分气体内能减小，温度降低，Q部分气体内能增加，温度升高，故A、B错误；对P、Q两部分气体及活塞构成的系统而言，活塞的重力势能减小，根据能量守恒定律可知，活塞重力势能的减少量等于P、Q两部分气体内能之和的增加量，所以两部分气体的内能之和增大，故C错误，D正确。 【针对训练2】 某同学想要估测每秒钟太阳辐射到地球表面上的能量，他用一个横截面积为S＝3.2 dm2的保温圆筒，筒内装有质量为m＝0.4 kg的水，让太阳光垂直照射t＝3 min，水升高的温度Δt＝2.2 ℃，已知水的比热容c＝4.2×103 J/(kg· ℃)，地球半径为R＝6 400 km，试估算出太阳向地球表面辐射能量的功率。(提示：Q＝cmΔt) 解析：太阳辐射到水中的能量 Q＝cmΔt＝4.2×103×0.4×2.2 J≈3.7×103 J 则太阳在3 min内向地球表面辐射的能量 Q总＝·πR2＝×3.14×(6 400×103)2 J≈1.49×1019 J 则辐射功率 P＝ W≈8.3×1016 W。 答案：8.3×1016 W 　　　　压电陶瓷与压电效应 压电陶瓷是一类具有压电特性的电子陶瓷材料，当对它挤压或拉伸时，它的两端就会形成一定的电压，从而将机械能转化为电能。打火机的原理就是利用了压电效应。 学科网（北京）股份有限公司 $$