3.1～3.2 热力学第一定律～能量的转化与守恒 （课件）-【步步高】2023-2024学年高二物理选择性必修第三册（鲁科版2019）

DISANZHANG 第3章 第1节　热力学第一定律 第2节　能量的转化与守恒 1.知道做功和热传递是改变系统内能的两种方式，理解内能与功、热量的关系。 2.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)。 3.知道什么是第一类永动机及其不可能制成的原因。 学习目标 2 内容索引 一、功、热量与内能 二、能量的转化与守恒 课时对点练 3 一 功、热量与内能 4 用铁锤反复敲击铁棒，铁棒的温度会升高；把铁棒放在炭火上烧，铁棒的温度也会升高，这说明了什么问题？ 答案　说明做功和热传递都能改变物体的内能。 1.改变物体内能的两种方式： 和 。 2.功、热量和内能改变的关系 (1)如果一个物体既不吸热也不放热，那么，当外界对它做功时，物体内能 ，且增加量 外界做的功；当物体对外界做功时，物体内能 ，且减少量 物体做的功。 (2)如果一个物体既不对外界做功，外界也不对它做功，那么当物体从外界吸热时，物体内能 ，其增加量 吸收的热量；当物体向外放热时，物体内能 ，其减少量 放出的热量。 梳理与总结 做功 热传递 增加 等于 减少 等于 增加 等于 减少 等于 3.热力学第一定律 (1)内容 物体与外界之间同时存在做功和热传递的过程中，物体内能的改变量ΔU等于外界对物体 与物体从外界 之和。 (2)表达式：ΔU＝______ 所做的功W 吸收的热量Q Q＋W (3)应用表达式ΔU＝W＋Q解题时应注意各量的正负： ①ΔU的正负：当物体内能增加时，ΔU取 值，当物体内能减小时，ΔU取 值。(均选填“正”或“负”) ②W的正负：外界对物体做功时，W取 值；物体对外界做功时，W取 值。(均选填“正”或“负”) ③Q的正负：外界对物体传递热量时，Q取 值；物体向外界传递热量时，Q取 值。(均选填“正”或“负”) 正 负 正 负 正 负 4.第一类永动机 (1)概念：不消耗任何能量而能永远 的机器。 (2)原因：设想能量能够无中生有地创造出来，违背了 。 对外做功 热力学第一定律 1.气体膨胀时与外界没有热交换的过程，称为绝热膨胀，那么气体在真空中和在大气中绝热膨胀时是否做功？气体的内能如何变化？ 思考与讨论 答案　气体在真空中绝热膨胀的过程中，不受阻力，所以气体不做功；气体在大气中绝热膨胀时受空气阻力，气体对外界大气做功。气体在真空中绝热膨胀时内能不变；气体在大气中绝热膨胀时内能减小。 2.如图，在气缸内活塞左边封闭着一定质量的气体，压强与大气压相同。把气缸和活塞固定，使气缸内气体升高一定的温度，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)，也使气缸内气体温度升高相同温度，其吸收的热量为Q2。Q1和Q2哪个大些？为什么？ 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。 (2022·甘肃省高二期末)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1 √ 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。 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做的功越多。 总结提升 如图所示，活塞将气缸分成甲、乙两气室，气缸、活塞(连同拉杆)是绝热的，且不漏气。以U甲、U乙分别表示甲、乙两气室中气体的内能，则在将拉杆缓慢向左拉的过程中 A.U甲不变，U乙减小 B.U甲不变，U乙增大 C.U甲增大，U乙不变 D.U甲增大，U乙减小 例2 √ 由题意可知甲、乙两气室气体都经历绝热过程，内能的改变取决于做功的情况。对甲室内的气体，在拉杆缓慢向左拉的过程中，活塞左移，压缩气 体，外界对甲室内的气体做功，内能增大；对乙室内的气体，活塞左移，气体膨胀，乙室内的气体对外界做功，内能减小，D正确。 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 例3 √ 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 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？ 例4 答案　160 J　增加 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。 (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。 答案　见解析 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 (2022·山东济南市高二期中)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 例5 √ 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 能量的转化与守恒 26 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.能量守恒定律的发现 (1)迈尔的发现：从理论上具体论证了机械能、内能、化学能、电磁能等都可相互转化，提出了物理、化学过程中 的思想。 (2)焦耳的研究：通过实验得出了 ，从而给出了电能向内能转化的定量关系，为发现普遍的能量守恒定律打下基础。 (3)亥姆霍兹的贡献：系统地阐述了能量守恒原理，从理论上把力学中的能量守恒原理推广到热、光、电、磁、化学反应等过程，揭示了它们之间的统一性，将能量守恒原理与永动机不可能实现联系起来。 梳理与总结 能量守恒 焦耳定律 2.能量守恒定律 (1)内容 能量既不会 ，也不会 ，它只能从一种形式 为其他形式，或者从一个物体 到其他物体，而能量的总值 。 (2)意义 揭示了自然科学各个分支之间的 ，是自然界内在 的第一个有力证据。 消失 创生 转化 转移 保持不变 普遍联系 统一性 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·江苏省高二期末)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热传递两个因素均有关。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·北京市丰台区高二期末)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.(2022·四川南充市高二期末)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·广东广州市高二期末)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 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 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。 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.条形磁铁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 条形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，条形磁铁下落受磁场阻力，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、条形磁铁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.(多选)(2022·山东胶州市期中)气闸舱是载人航天器中供航天员进入太空或由太空返回用的气密性装置，其原理如图所示。座舱A与气闸舱B之间装有阀门K，座舱A中充满空气，气闸舱B内为真空。航天员由太空返回气闸舱时，打开阀门K，A中的气体进入B中，最终达到平衡。假设此过程中系统与外界没有热交换，舱内气体可视为理想气体，下列说法正确的是 A.气体并没有对外做功，气体内能不变 B.气体体积增大，对外做功，内能减小 C.气体体积增大，压强减小，温度降低 D.气体分子单位时间内对座舱A舱壁单位面积的碰撞次数减少 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 气体自由膨胀，没有对外做功，又因为整个系统与外界没有热交换，根据ΔU＝W＋Q，可知气体内能不变，所以气体的温度也不变，故A正确，B、C错误； 因为气体温度不变，所以气体分子的平均动能不变，根据 ＝C，可知膨胀后气体压强p减小，根据气体压强的微观意义可知气体分子单位时间内对座舱A舱壁单位面积的碰撞次数减少，故D正确。 10.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 √ 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，由玻意耳定律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。 11.如图所示为压缩式喷雾器。给储液罐打足气，打开开关就可以让药液喷撒出来。若罐内气体温度保持不变，随着药液的不断喷出，则罐内气体内能__________(选填“不断增大”“不断减小”或“保持不变”)，气体______(选填“吸收”或“放出”)热量。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 保持不变 吸收 由于罐内气体温度保持不变，故内能保持不变；随着药液的不断喷出，气体的体积增大，气体对外做功，由于气体内能不变，根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q可知，气体吸收热量。 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 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 答案　1.4 m 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 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，由盖－吕萨克定律得 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。 ＝ $$