3.1 热力学第一定律&3.2 能量的转化与守恒（Word教参）-【优化指导】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册（鲁科版2019）

学科网书城 品牌书店·知名教辅·正版资源 b.zxxk.com 您身边的互联网+教辅专家 第3章 热力学定律 第1节 热力学第一定律 第2节 能量的转化与守恒 C课标导航 物理观念 科学思维 科学态度与责任 核 = 1.理解热力学第一定 知道第一类永动机不可能制 律。 理解能量的转化与守恒定 成。 2. 会用AU=W+Q解决 律,会用能量的观点解释自然 了解能量守恒定律的发现过 相关问题。 现象。 程。 必备知识 /自主学习 [对应学生用书P] >>>>>>> 知识梳理 知识点一 热力学第一定律 1.改变物体内能的两种方式:做功和热传递 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,物体内能增加,且增加 量等于外界做的功;当物体对外界做功时,物体内能减少,且减少量等于物体做的功。 (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 内能增加,其增加量等于吸收的热量;当物体向外放热时,物体内能减少,其减少量等于放 出的热量。 独家授权侵权必究。 学科网书城 品牌书店·知名教辅·正版资源 b.zxxk.com) 您身边的互联网+教辅专家 3. 热力学第一定律 (1)内容:如果物体与外界之间同时存在做功②和热传递的过程,那么物体内能的改变量 AU等于外界对物体所做的功W与物体从外界吸收的热量O之和 (②)表达式:AU-O+W 4. 第一类永动机③ (1)概念:不消耗任何能量而能永远对外做功的机器。 (2)结果:17~18世纪,人们提出了许多永动机设计方案,但无一例外,这类设计方案都 以失败而告终。 (3)原因:设想能量能够无中生有地创造出来,违背了热力学第一定律。 知识点二 能量的转化④与守恒 1.能量守恒定律的发现 (1)迈尔的发现:体力和体热必定来源于食物中的化学能,内能、化学能、机械能都是等 价的,是可以相互转化的,如果动物的能量输入与支出是平衡的,那么,所有这些形式的能 在量上必定是守恒的。 (2)焦耳的研究 ①1840年,焦耳通过实验得出了焦耳定律,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了基础 ②焦耳用了近40年的时间,不懈地钻研热功转换问题,为能量守恒定律提供了无可置疑 的证据。 (3)亥姆霍兹的贡献 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 2. 能量守恒定律 (1)内容:能量既不会消失,也不会创生,它只能从一种形式转化为其他形式,或者从一 个物体转移到其他物体,而能量的总值保持不变。 (2)意义;揭示了自然科学各个分支之间的普遍联系,是自然界内在统一性的第一个有力 证据。 独家授权侵权必究。 学科网书城 品牌书店·知名教辅·正版资源 b.zxxk.com 您身边的互联网+教辅专家 思考判断 1. 热量、功和内能三者单位相同,物理意义相同。(×) 2. 热量和功由过程决定,而内能由物体状态决定。() 3. 某个物体的能量减少,必然有其他物体的能量增加。() 4. 石子从空中落下,最后静止在地面上,说明能量消失了。(×) )>>>>>> 批注释义 (( 批注:此定律给出了内能的变化量和做功与热传递之间的定量关系。是标量式,应用 时单位应统一为国际单位制中的焦耳(D。 批注②:判断气体是否做功的方法 (1)若气体体积增大,表明气体对外界做功,W0; (2)若气体体积减小,表明外界对气体做功,W>0 批注:(1)永动机:不需要任何动力或燃料,却能源源不断地对外做功。 (2)历史上设计的几种永动机 旋永动机 滚球永动相 将行# 软臂永动相 磁力永动机 批注④:能量转化的实例 风能→电能 电能→内能 独家授权侵权必究. 学科网书城 品牌书店·知名教辅·正版资源 b.zxxK.com 您身边的互联网+教辅专家 太阳能→电能 化学能→电能 关键能力/互动探究 [对应学生用书Ps] 探究点一 功、热量与内能改变的关系 (物质观念之形成) 情境探究 1. 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。 2. 如图所示的是热传递的三种方式-传导、对流和辐射。 被加热的汤 /从锅底上升 辐射 熟汤外流 # 并冷却 冷汤下沉 同口口# 火焰从下加热汤锅 (1)这三种方式在传递能量时有什么共同点? (2)热传递和做功都可以改变物体的内能,这两种方式在改变物体内能时本质上又有什么 不同? 答案:(1)三种方式都是热量从一个物体传递到另一个物体。 (2)热传递是内能在物体间(或一个物体的不同部分之间)转移,做功是其他形式的能和内 能之间的转化 探究归纳 1.做功与内能的变化的关系 (1)做功改变物体内能的过程是其他形式的能(如机械能)与内能相互转化的过程 独家授权侵权必究。 学科网书城 品牌书店·知名教辅·正版资源 b.zxxk.com 您身边的互联网+教辅专家 (2)在绝热过程中,外界对物体做多少功,就有多少其他形式的能转化为内能,物体的内 能就增加多少:物体对外界做多少功,就有多少内能转化为其他形式的能,物体的内能就减 少多少。 2. 热传递与内能变化的关系 (1)在单纯传热中,系统从外界吸收多少热量,系统的内能就增加多少;系统向外界放出 多少热量,系统的内能就减少多少。即AU一U2一U一Q。 (2)传热改变物体内能的过程是不同物体之间(或同一物体不同部分之间)内能转移的过程。 3. 改变内能的两种方式的比较 比较项目 做功 热传递 外界对物体做功,物体的内能增加: 物体吸收热量,内能增加:物体放出 内能变化 物体对外界做功,物体的内能减少 热量,内能减少 不同物体间或同一物体不同部分之 物理实质 其他形式的能与内能之间的转化 间内能的转移 相互联系 做一定量的功和传递相同量的热量在改变内能的效果上是相同的 对点例练 如图所示,在紫铜管内滴入乙酬,盖紧管塞。用手拉住绳子两端迅速往复拉动,管 塞会被冲开。管塞被冲开前( _~ 紫铜管_管塞 A. 外界对管内气体做功,气体内能增大 B. 管内气体对外界做功,气体内能减小 C. 管内气体内能不变,压强变大 D. 管内气体内能增大,压强变大 D 解析:绳与金属管间的摩擦,使管壁内能增大,温度升高。通过热传递,乙畔的内 能增大,温度升高,直至沸腾,管塞会被冲开。管塞被冲开前管内气体内能增大,压强变大, D正确。 独家授权侵权必究。 学科网书城 品牌书店·知名教辅·正版资源 b.zxxk.com 您身边的互联网+教辅专家 方法技巧 做功与内能的变化 做功改变物体内能的一种方法是改变物体内部的分子的平均动能,即改变温度;另一种 方法是通过做功改变物体的体积从而改变内能的大小。不过要注意的是气体的体积减小时分 子势能不一定增加。 [练1](多选)对于热量、功和内能三个量,下列说法正确的是( ) A. 热量、功和内能三个量的物理意义是等同的 B热量和功二者可作为物体内能大小的量度 C.热量、功和内能的国际单位都相同 D. 热量和功是由过程决定的,而内能是由物体的状态决定的 CD 解析:热量、功和内能的国际单位都是焦耳,但热量、功和内能三个量的物理意义 是不同的,热量和功是过程量,内能是状态量,热量和功二者可作为物体内能变化的量度而 不是内能大小的量度,A、B错误,C、D正确。 探究点二 热力学第一定律及应用 (科学思维之提升 情境探究 “全自动”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。“全自动 ”机械手表是不是一种永动机? 答案:不是,通过手臂的运动,机械手表获得能量,供手表发条做机械运动。 探究归纳 1. 对公式V一O士W符号的规定 W 符号 0 A乙7 体积减小,外界对热力学系统做功 热力学系统吸收热量 1 内能增加 体积增大,热力学系统对外界做功 热力学系统放出热量 内能减少 2. 气体状态变化的几种特殊情况 (1)绝热过程:O一0,则AU一W,系统内能的增加(或减少)量等于外界对系统(或系统对 独家授权侵权必究。 学科网书城 品牌书店·知名教辅·正版资源 b.zxxK.com 您身边的互联网+教辅专家 外界做的功。 (2)等容过程:W一0,则AU一O,系统内能的增加量(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:始末状态一定质量理想气体的内能不变,即AU一0,则W一一O(或O=一 W),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)。 3. 根据热力学第一定律,O一0表明气体被绝热压缩时,外界所做的功全部用来增加气 体内能,体积变小、温度升高、压强增大;气体绝热膨胀时,气体对外做功是以减小内能为 代价的,体积变大、温度降低、压强减小。气体绝热膨胀降温是液化气体获得低温的重要方 法。 对点例练 2(2022山东烟台高二期末)如图所示的是一定质量的理想气体由状态A经过状态B 变为状态C又变回状态A的变化过程的V7图像,各状态参量标注如图。已知理想气体的内 能与热力学温度成正比,关于气体的以上变化过程,下列说法正确的是( ) Vn 0.6------ 7.300 400→7K A. 图中T为150K B. AB过程与BC过程吸热一样多 C. 由图中坐标可求出C状态的压强 D. 在经历ABCA回到A的全过程中气体放热 D 解析:根据题图,A到B为等压变化,根据VATA一VBTB,代入数据得T一200K, A错误:AB过程是等压变化,由图可知VV,TT.可知,气体对外做功,气体内能增加. 气体吸收热量,BC过程是等容变化,由题图TT。.气体不对外做功,气体内能增加,气体 吸收热量,由热力学第一定律AU一W十O知,AB过程吸热量多,B错误;由于A、B压强未 知,无法求得C状态的压强,C错误;A到B过程,气体对外做功,B到C过程,气体不做 功,C到A过程,外界对气体做功,AB过程的斜率小于C4过程的斜率,则AB过程的压强 小于CA过程的平均压强,即p,全过程气体对外界做功为W=一p△V+pAV>0,整个 过程温度不变,则AU-Q+W一0,则O~0,气体放热,D正确。 独家授权侵权必究 & 学科网书城 品牌书店·知名教辅·正版资源 b.zxxk.com 您身边的互联网+教辅专家 方法技巧 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、O、AU)的正负; (2)根据方程AU一W+O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。 ) [练2](2022-上海位育中学高二期中)下列说法中正确的是( ) A. 对物体做功,同时物体放热,物体的内能一定减小 B. 对物体做功,同时物体吸热,物体的内能一定减小 C. 物体对外做功,同时放热,物体的内能一定减小 D. 物体对外做功,同时吸热,物体的内能一定减小 C 解析:对物体做功,同时物体放热,根据热力学第一定律可知,当对物体做的功大 于物体放出的热量时,物体的内能将增大,A错误;对物体做功,同时物体吸热,根据热力 学第一定律可知,物体的内能一定增大,B错误;物体对外做功,同时放热,根据热力学第 一定律可知,物体的内能一定减小,C正确;物体对外做功,同时吸热,根据热力学第一定 律可知,当物体吸收的热量大于对外做的功时,物体的内能将增大,D错误。 [练3]一定质量的理想气体(分子力不计),体积由V膨胀到V”。如果通过压强不变的过 程实现,对外做功大小为W,传递热量的值为O,内能变化为AU:如果通过温度不变的过 程来实现,对外做功大小为W,传递热量的值为Q,内能变化为AU,则( _ A. W>W,O.<Q,AU>AU2 B. WW,OO.AUAU2 C. W.<W.Q.-Q.AU>AU2 D. W-W,QQ,△U>△U2 B 解析:气体体积由V膨胀到V,由pVT一C可知,在等压变化中,压强不变,则气 体对外做功大小W,一pSV”一VS一n(V一V,因为气体膨胀,所以温度升高,气体的内能增加, 所以AU→0,气体吸热;在等温变化中,气体内能不变,即AU一0,所以AVAU,因为气 体膨胀,对外做功,所以吸收的热量等于对外做的功,即W,一O,且因为气体膨胀,压强减 小,所以气体对外做功大小W.=p(V'一V,则有W,W,由热力学第一定律AU=O+W 可得Q>Q,A、C、D错误,B正确。 探究点三 能量守恒定律(科学思维之提升 独家授权侵权必究 & 学科网书城 品牌书店·知名教辅·正版资源 b.zxxk.com 您身边的互联网+教辅专家 要点归纳 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,还有电磁能、 化学能、原子能等。 (2)各种形式的能,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 2. 守恒是否需要条件 (1)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 力做功 (2)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. 由能量守恒分析第一类永动机失败的原因 系统对外做功要以系统本身的能量减少为代价。若想源源不断地做功,系统就必须不粗 从外界获取能量使自已回到初始状态,在无外界能量供给的情况下这是不可能的。 对点例练 水能不产生污染物:是一种清洁能源。某瀑布的流量可达每秒6000m,而且一年 四季流量稳定,瀑布落差50m。若利用这一资源发电,设其效率为50%,估算发电机的输出 功率。(取10m/s2 答案:1.5×10W 解析:水力发电的基本原理是水的机械能转化为电能 每秒钟流下的水的质量为 m-pV-1×103X6000kg-6X106kg 每秒钟水减少的机械能为 E-mgh-6×106×10×50J-3×1091 设发电机的输出功率为P,则由能量守恒定律可得En一Pt,解得P一3×10×50W= 1.5X10W。 方法技巧 应用能量守恒定律的思路方法 (1)能量守恒的核心是总能量不变,因此在应用能量守恒定律时应首先分清系统中哪些能 独家授权侵权必究 & 学科网书城 品牌书店·知名教辅·正版资源 h.zxxK.com 您身边的互联网+教辅专家 量在相互转化,是通过哪些力做功实现的,这些能量分别属于哪些物体,然后再寻找合适的 守恒方程式。 (2)在应用能量守恒定律分析问题时,应明确两点: ①哪种形式的能量减少,哪种形式的能量增加。②哪个物体的能量减少,哪个物体的能 量增加。 [练4]风沿水平方向以速度v垂直吹向一直径为a的风车叶轮,设空气密度为p,风的动 能有50%转化为风车的动能,风车带动水车将水提高h的高度,效率为80%。则单位时间内 最多可提升的水的质量为 答案:zd2pv320gh 解析:在时间:内吹在风车上的空气的质量为 m-I4ndRot:p. 风的动能E.-12mv2-18xdvtp 根据题意18xdotp×50%×80%-mgh 则mt-xd2pv320gh 探究点四 解决实际问题 (科学态度与责任之落实) [练5](生活情境)水枪是孩子们喜爱的玩具,常见的气压式水枪储水罐示意如图。从储水 罐充气口充入气体,达到一定压强后,关闭充气口。扣动反机将阀门M打开,水即从枪口喷 出。若在水不断喷出的过程中,罐内气体温度始终保持不变,则气体( ) 充气口 A. 压强变大 B.对外界做功 C. 对外界放热 D. 分子平均动能变大 B 解析:在水不断喷出的过程中,罐内气体的温度始终保持不变,根据pVT一C可知, 气体体积增加、压强减小,A错误;气体膨胀,体积增大,则气体对外界做功,B正确;根 据热力学第一定律AU一W+O可知,气体温度不变,内能不变,气体对外做功,吸收热量, C错误;温度是分子平均动能的标志,温度不变则分子的平均动能不变,D错误。 独家授权侵权必究·