第3章 1 热力学第1定律 2 能量守恒定律 （课件）-【步步高】2023-2024学年高二物理选择性必修第三册（教科版2019）

DISANZHANG 第三章 1　热力学第一定律　 2　能量守恒定律 1.理解热力学第一定律，并能运用热力学第一定律分析和解决相关问题(重难点)。 2.知道什么是第一类永动机及其不可能制成的原因。 3.理解并会运用能量守恒定律解决实际问题。 学习目标 2 一、热力学第一定律 二、能量守恒定律 课时对点练 内容索引 3 一 热力学第一定律 4 如图所示，在一个配有活塞的厚壁有机玻璃筒底放入一小团蘸了乙醚的硝化棉，用力迅速压下活塞，可以观察到硝化棉燃烧的火苗。为什么筒底的硝化棉会被点燃呢？ 答案　外界对筒内气体做功，使气体内能增加，温度升高，达到硝化棉的燃点后引起硝化棉燃烧。 1.功和内能 (1)绝热过程：系统与外界之间没有 的交换，只是通过外界 的方式与外界交换能量的过程。 (2)热力学系统的绝热过程中，系统内能的增加量ΔU等于______________ _______，即ΔU＝ 。 W和ΔU的正负：如果系统对外界做功，这时W取 值，ΔU也为 值，表示内能 。 梳理与总结 热量 做功 外界对系统所做 的功W W 负 负 减少 2.热和内能 (1)在外界没有对系统做功的过程中，系统内能的增加量ΔU等于________ ，即ΔU＝ 。 (2)Q和ΔU的正负：如果系统向外界放热，这时Q取 值，ΔU也为 值，表示内能 。 3.热力学第一定律 (1)内容：在系统跟外界同时发生做功和热传递的过程中，系统内能的增加量ΔU等于系统从外界吸收的 与外界对系统 之和。 系统从外 界所吸收的热量Q Q 负 负 减少 热量Q 所做的功W (2)表达式：ΔU＝ 。 (3)应用表达式ΔU＝W＋Q解题时应注意各量的正负： ①ΔU的正负：当系统内能增加时，ΔU取 值，当系统内能减小时，ΔU取 值。(均选填“正”或“负”) ②W的正负：外界对系统做功时，W取 值；系统对外界做功时，W取 _值。(均选填“正”或“负”) ③Q的正负：外界向系统传递热量时，Q取 值；系统向外界传递热量时，Q取 值。(均选填“正”或“负”) Q＋W 正 负 正 负 正 负 4.第一类永动机不可能制成 (1)第一类永动机：不需要任何动力和燃料，能持续不断地__________的机器。 (2)第一类永动机由于违背了 ，所以不可能制成。 对外做功 热力学第一定律 如图，在气缸内活塞左边封闭着一定质量的空气，压强与大 气压相同。把气缸和活塞固定，使气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 气缸间无摩擦、不漏气)，也使气缸内空气升高相同温度，其吸收的热量为Q2。Q1和Q2哪个大些？为什么？ 答案　活塞与气缸都固定不动时，气体的体积不变，没有做功过程发生，气体吸收的热量Q1全部用于增加气体的内能即为ΔU＝Q1，如果活塞可以自由滑动，温度升高，气体膨胀，会推动活塞向外运动，对外做功，当气体升高相同温度时，气体内能的增加量与前一个过程是相同的，也是Q1，根据热力学第一定律ΔU＝Q1＝W＋Q2，由于W<0，所以Q2>Q1。 讨论交流 　(多选)某汽车后备箱内安装有撑起箱盖的装置，它主要由气缸和活塞组成。开箱时，密闭于气缸内的压缩气体膨胀，将箱盖顶起，如图所示。在此过程中，若缸内气体与外界无热量交换，忽略气体分子间的相互作用，则缸内气体 A.对外做正功，分子的平均动能减小 B.对外做正功，内能增大 C.对外做负功，分子的平均动能增大 D.对外做正功，内能减小 例1 √ √ 气体膨胀，气体对外做正功，W<0，又因为气体与外 界无热量交换，Q＝0，由热力学第一定律ΔU＝W＋ Q可知ΔU<0，即气体内能减小，B错误，D正确； 因忽略气体分子间的相互作用，没有分子势能，所以分子平均动能减小，A正确，C错误。 1.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，并不意味着外界对它做功多。只有在绝热过程中，内能变化越大时，相应地做功才越多。 2.判断是否做功及做功正负的方法 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。 总结提升 　一定质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 例2 √ 因为外界对气体做功，W取正值，即W＝8×104 J；气体内能减少，ΔU取负值，即ΔU＝－1.2×105 J；根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，可知Q＝ΔU－W＝－1.2×105 J－8×104 J＝－2×105 J，B选项正确。 例3 　一个气泡从恒温水槽的底部缓慢向上浮起(不计气泡内空气分子的势能)，则下列说法正确的是 A.气泡对外做功，内能不变，同时放热 B.气泡对外做功，内能不变，同时吸热 C.气泡内能减少，同时放热 D.气泡内能不变，不吸热也不放热 √ 在气泡缓慢上升的过程中，气泡外部的压强逐渐减小，气泡膨胀，对外做功，W<0，由于外部恒温，且气泡缓慢上升，故可以认为上升过程中气泡内空气的温度始终等于外界温度，内能不变，即ΔU＝0，由热力学第一定律ΔU＝W＋Q知需从外界吸收热量，且吸收的热量等于气泡对外界所做的功，故B正确。 理想气体(不计分子势能)的内能只取决于温度，温度不变，则内能不变，ΔU＝0。 总结提升 例4 根据热力学第一定律可知，气缸内封闭气体的内能变化量为 ΔU＝Q＋W＝[280＋(－120)] J＝160 J 即内能增加了160 J。 　如图，内壁光滑的气缸竖直放置在水平桌面上，气缸内封闭一定质量的气体。气体从状态A(活塞在A处)变为状态B(活塞在B处)时，气体吸收热量280 J，并对外做功120 J。 (1)气体的内能改变了多少？是增加还是减少？ 答案　160 J　增加 (2)某同学在上一问的基础上又接着提了后一个问题，说：“有人使气体从上一问的B状态再回到A状态，即回到原来A状态时的体积和温度，气体放出的热量是150 J，那么 答案　见解析 返回过程中气体对外做的功又是多少？”请你对后一个问题进行评价。 若气体从B状态又返回A状态，则气体的内能变化量为ΔU′＝－160 J 根据热力学第一定律可知，气体由B状态返回A状态的过程中有ΔU′＝Q′＋W′ 则W′＝ΔU′－Q′＝(－160＋150) J＝－10 J 即气体从B状态返回A状态过程中，对外做功为10 J。 但从B状态到A状态，气体体积减少，应该外界对气体做功，显然与实际情况不符，故该问题题设有误，该过程不能发生。 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ΔU＝W＋Q列方程求出未知量； (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。 总结提升 3 例5 　(2022·济南市高二期中)如图所示，内壁光滑的绝热气缸固定在水平面上，其右端由于有挡板，厚度不计的绝热活塞不能离开气缸，气缸内封闭着一定质量的理想气体，活塞距气缸右端的距离为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 √ 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，等压变化过程气体对外做功，做功为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。 二 能量守恒定律 25 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？ 答案　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。 1.内容：能量既不会凭空 ，也不会凭空 ，它只能从一种形式_____为另一种形式，或者从一个物体 到另一个物体，在转化或转移的过程中，能量的总量 。 2.两种表述 (1)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。 (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。 梳理与总结 产生 消失 转化 转移 保持不变 3.热力学第一定律与能量守恒定律的比较 (1)能量守恒定律是各种形式的能相互转化或转移的过程，总能量保持不变，它包括各个领域，范围广泛。 (2)热力学第一定律是物体内能与其他形式的能之间的相互转化或转移，是能量守恒定律在热现象领域内的具体体现。 (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)运动的物体在阻力作用下会停下来，说明机械能凭空消失了。 (　　) (4)第一类永动机不能制成，因为它违背了能量守恒定律。(　　) × √ × √ 辨析 　(2022·苏州市高二期末)有一种叫作“压电陶瓷”的电子元件，当对它挤压或拉伸时，它的两端就会形成一定的电压，这种现象称为压电效应。一种燃气打火机，就是应用了该元件的压电效应制成的。只要用大拇指压一下打火机上的按钮，压电陶瓷片就会产生10～20 kV的高压，形成火花放电，从而点燃可燃气体。在上述过程中，压电陶瓷片完成的能量转化是 A.化学能转化为电能 B.内能转化为电能 C.化学能转化为光能 D.机械能转化为电能 例6 √ 根据题意用大拇指压一下打火机上的按钮，压电陶瓷片就会产生10～20 kV的高压，形成火花放电，从而点燃可燃气体。转化前要消耗机械能，转化后得到了电能，即压电陶瓷片完成的能量转化是机械能转化为电能，故选D。 三 课时对点练 考点一　热力学第一定律 1.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 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 基础对点练 √ 根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，物体内能的变化与做功及传热两个因素均有关。物体吸收热量，内能不一定增大，因为物体可能同时对外做功，故内能可能不变或减少，A错误，C正确； 物体对外做功，可能同时吸收热量，故内能可能不变或增大，B错误； 物体放出热量，同时对外做功，内能一定减少，D错误。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 2.(2022·北京市丰台高二期末)如图所示，现用活塞压缩封闭在气缸内的空气，对空气做了90 J的功，同时空气向外散热21 J，关于气缸内空气的内能变化情况，下列说法正确的是 A.内能增加90 J B.内能增加69 J C.内能减小111 J D.内能减少21 J √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 根据题意，由热力学第一定律ΔU＝Q＋W可得，气缸内空气的内能变化为ΔU＝－21 J＋90 J＝69 J，即气缸内空气的内能增加了69 J。故选B。 3.(2022·北京二中期末)一定质量的理想气体，从某一状态开始，经过一系列变化后又回到开始的状态，用W1表示外界对气体做的功，W2表示气体对外界做的功，Q1表示气体吸收的热量，Q2表示气体放出的热量，则在整个过程中一定有 A.Q1－Q2＝W2－W1 B.Q1＝Q2 C.W1＝W2 D.Q1>Q2 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 一定质量的理想气体，从某一状态开始，经过一系列变化后又回到开始的状态，说明整个变化过程内能的变化为零，根据热力学第一定律可得ΔU＝W1－W2＋Q1－Q2＝0， 可得Q1－Q2＝W2－W1，因为没有具体的变化过程，所以无法判断W1与W2的大小关系，也无法判断Q1与Q2的大小关系，A正确，B、C、D错误。 4.(2022·南充市高二期末)恒温环境中，在导热性能良好的注射器内，用活塞封闭了一定质量的理想气体，用力缓慢向外拉活塞，此过程中 A.封闭气体分子间的平均距离减小 B.封闭气体分子的平均速率减小 C.封闭气体从外界吸热 D.活塞对封闭气体做正功 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 向外拉活塞，封闭气体的体积变大，分子间的平均距离增大，故A错误； 对于一定质量的理想气体，气体的内能和分子平均速率只取决于温度，由题可知，温度不变，则封闭气体的内能不变，封闭气体分子的平均速率也不变，故B错误； 根据ΔU＝W＋Q，可知，温度不变，则内能不变，即ΔU＝0，用力向外缓慢拉动活塞，则W<0，故Q>0，即气体从外界吸收热量，故C正确； 用力向外缓慢拉动活塞过程中，气体对活塞做正功，则活塞对气体做负功，故D错误。 5.(2022·广州市高二期末)列车运行的平稳性与车厢的振动密切相关，车厢底部安装的空气弹簧可以有效减震，空气弹簧主要由活塞、气缸及内封的一定质量的气体构成。上下乘客及剧烈颠簸均能引起车厢振动，上下乘客时气缸内气体的体积变化缓慢，气体与外界有充分的热交换，剧烈颠簸时气缸内气体的体积变化较快，气体与外界来不及热交换。若外界环境温度保持不变，气缸内气体视为理想气体，在气体压缩的过程中，当上下乘客时，气体的内能______(选填“增加”“减少”或“不变”)，气体从(向)外界_______(选填“吸热”或“放热”)；剧烈颠簸时，____________(选填“外界对气体”或“气体对外界”)做功，气体的温度______(选填“升高”“降低”或“不变”)。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 不变 放热 外界对气体 升高 上下乘客时气缸内气体的体积变化缓慢，气体与外界有充分的热交换，则气体温度不变，内能不变，即ΔU＝0； 在气体压缩的过程中，外界对气体做正功，即W>0，根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W，可得Q<0，所以气体对外放出热量； 剧烈颠簸时气缸内气体的体积变化较快，气体与外界来不及热交换，即Q＝0，在气体压缩的过程中，外界对气体做正功，即W>0； 根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W，可得ΔU>0，即气体的内能增加，温度升高。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 考点二　能量守恒定律　永动机不可能制成 6.下列说法正确的是 A.条形磁体下落过程中穿过闭合线圈，线圈中产生了感应电流，说明电能 是可以被创造的 B.太阳照射到地球上的光能转化成了其他形式的能量，但照射到宇宙空间 的能量都消失了 C.“既要马儿跑，又让马儿不吃草”违背了能量守恒定律，因而是不可能的 D.有种“全自动”手表，不用上发条，也不用任何形式的电源，却能一直 走动，说明能量是可以凭空产生的 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 磁铁穿过线圈过程中是机械能转化成了电能，故A错误； 太阳照射到宇宙空间的能量没有消失，故B错误； 马儿奔跑时同样需要消耗能量，故“既要马儿跑，又让马儿不吃草”违背了能量守恒定律，因而是不可能的，故C正确； 不用上发条，也不用任何形式的电源，却能一直走动的“全自动”手表是靠手臂的摆动提供能量的，它不违背能量守恒定律，故D错误。 7.(多选)下列关于第一类永动机的说法正确的是 A.第一类永动机是不消耗任何能量却能源源不断对外做功的机器 B.随着科技的发展，第一类永动机是可以制成的 C.第一类永动机不可能制成的原因是技术问题 D.第一类永动机不可能制成的原因是违背了能量守恒定律 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 √ 第一类永动机是不消耗任何能量却能源源不断对外做功的机器，这是人们的美好愿望，但它违背了能量守恒定律，这也是它不可能制成的原因，故A、D正确，B、C错误。 8.(多选)行驶中的汽车刹车后会滑行一段距离，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；条形磁体在下落过程中穿过闭合线圈，线圈中产生电流。上述不同现象所包含的相同物理过程是 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 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 √ √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 这四个现象中物体运动过程中都受到阻力作用，汽车主要受摩擦阻力，流星、降落伞受空气阻力，条形磁体下落受磁场阻力，因而物体都克服阻力做功，A正确。 四个物体的运动过程中，汽车是动能转化成了内能，流星、降落伞、条形磁体是重力势能转化成其他形式的能，总之是机械能转化成了其他形式的能，D正确。 9.如图所示，导热良好的圆筒形气缸竖直放置在水平地面上，用活塞将一定质量的理想气体封闭在气缸内，活塞上堆放着铁砂，系统处于静止状态。现缓慢取走铁砂，忽略活塞与气缸之间的摩擦，外界环境温度不变，则在此过程中缸内气体 A.对外做功，其内能减少 B.温度不变，与外界无热量交换 C.分子碰撞缸壁时的平均作用力减小 D.分子在单位时间内对单位面积活塞的碰撞次数减少 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 √ 能力综合练 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 缓慢取走铁砂的过程中，活塞对封闭气体的压强减小，因温度不变，由pV＝C知V变大，活塞会缓慢上升，气体膨胀对外做功，W＜0，气缸导热良好，缸内气体温度保持不变， 即ΔU＝0，由热力学第一定律ΔU＝W＋Q知Q＞0，即气体要从外界吸收热量 ，故A、B错误； 由上面的分析可知缸内气体温度不变，即气体分子的平均动能不变，所以分子与缸壁碰撞时的平均作用力不变，故C错误； 因为缸内气体体积增大，所以缸内气体分子数密度减小，分子的平均动能不变，则在单位时间内气体分子对单位面积活塞的碰撞次数减少，故D正确。 10.(2022·深圳市高二期中)如图所示，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，大气压强恒定。A、B的底部由带有阀门K的管道相连，整个装置与外界绝热。起初，A中水面比B中的高，打开阀门，使A中的水逐渐流向B中，最后达到平衡。在这个过程中，下列说法正确的是 A.大气压力对水做功，水的内能减小 B.水克服大气压力做功，水的内能减小 C.大气压力对水不做功，水的内能不变 D.大气压力对水不做功，水的内能增加 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 平衡前，A容器中的活塞向下移动，设A中活塞横截面积为S1，移动距离为l1，大气压力推动A中活塞向下移动时对水做的功WA＝p0S1l1，平衡前，B容器中的活 塞向上移动，设B中活塞横截面为S2，移动距离为l2，水通过活塞对外界做功，WB＝－p0S2l2，由于水的总体积不变，则有S1l1＝S2l2，即A容器中大气压力对水做的功与B容器中水克服大气压力做的功相等。在整个过程中，大气压力对水做的功是上述两个功(正功WA、负功WB)的代数和，即WA＋WB＝p0S1l1－p0S2l2＝0，选项A、B错误。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 大气压力对水不做功，同时整个装置与外界绝热，没有热交换，但是水从容器A流向容器B的过程中，水的重心下降，水的重力做正功，水的重力势能减小， 根据能量守恒定律，减少的水的势能转化为水的内能，水的内能增加，选项C错误，D正确。 11.(2022·扬州市高二月考)如图所示，内壁光滑的绝热气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 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 根据热学知识可知P部分气体压强较大，又活塞受到竖直向下的重力，所以拔掉销钉后，活塞下降，根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W，由于气缸和活塞都是绝热的，可知Q为零，两部分气体既不吸热也不放热。P部 分气体对Q部分气体做功，因此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；活塞下移，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，两部分气体的内能之和增大，故D正确，A、B、C错误。 12.如图所示，一定质量的理想气体被活塞封闭在可导热的气缸内，活塞可沿气缸无摩擦地滑动。活塞横截面积S＝1.0×10－3 m2，质量m＝2 kg，气缸竖直放置时，活塞相对于底部的高度为h＝1.2 m，室温等于27 ℃；现将气缸置于77 ℃的热水中，已知大气压强p0＝1.0×105 Pa，取g＝ 10 m/s2，求： (1)平衡时活塞离气缸底部的距离； 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 答案　1.4 m 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 设平衡时活塞距气缸底部的距离为h2，取封闭气体为研究对象，气体发生等压变化，由等压变化规律得＝ 解得h2＝1.4 m (2)此过程中内部气体吸收热量28.8 J，气体内能的变化量。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 答案　增加4.8 J 在此过程中气体对外做功 W＝p0S(h2－h)＋mg(h2－h) 由热力学第一定律得ΔU＝Q－W 解得ΔU＝4.8 J 气体内能增加4.8 J。 ＝ $$