3.2 热力学第一定律&3.3 能量守恒定律(学案)-【成才之路】2024-2025学年高中新课程物理选择性必修第三册同步学习指导(人教版2019)

机械能增加，内能与温度、质量、体积、物态有关，物体的温度、 质量、物态、体积都不变，故内能不变，故Ｃ正确；一定质量的理想 气体的内能由温度决定，与物体的宏观速度大小无关，故Ｄ错误。 ４． Ｃ　 物体的温度升高时，可能是外界对物体做了功，不一定吸 收热量，故Ａ错误；物体沿光滑斜面下滑时，没有摩擦力做功， 则物体的内能不会增大，故Ｂ错误；物体沿斜面匀速下滑时， 有摩擦力做功转化为物体的内能，则物体的内能可能增大，故 Ｃ正确；热量总是从高温物体传递给低温物体，当温度相等时 传热停止，故Ｄ错误。 ５． Ｄ　 温度是分子平均动能的标志，温度降低，分子平均动能减 少，总动能减少，不计分子势能的情况下，可知瓶内空气内能 减小，又因瓶内空气体积减小，可知外界对其做功，气体向外 界放出热量，故Ｄ正确，Ａ、Ｂ、Ｃ错误。 ６． Ｂ　 一定质量的物体，其内能由温度和体积共同决定，物体的 温度改变时，其内能不一定改变，故Ａ错误；物体对外做功的 同时如果从外界吸收热量或者同时有别的物体还对它做功， 那么物体的内能就不一定改变；向物体传递热量的时候，如果 物体同时放热或者物体对外做功，那么物体的内能也不一定 改变，故Ｃ错误，Ｂ正确；不发生热传递的话，也可以是物体对 外界做功或者外界对物体做功，一样可以改变物体的内能，故 Ｄ错误。 ２．热力学第一定律 ３．能量守恒定律 课前预习反馈 　 　 知识点１：１．传热　 等价的　 ２．（１）热量　 所做的功 （２）ΔＵ ＝ Ｑ ＋Ｗ 判一判 （１）√ 选一选 　 　 Ａ　 做功和传热都可以改变物体的内能，故Ａ正确，Ｂ错误； 外力对物体做２ Ｊ的功，若物体与外界没有热交换，则内能一定 增加２ Ｊ，故Ｃ错误；物体吸收热量时，如果对外做功，内能不一 定增加，故Ｄ错误。 知识点２：（１）产生　 消失　 转化　 转移　 总量　 （２）①转 化　 ②能量守恒 判一判 （２）√　 （３）× 　 （４）× 　 （５）√ 知识点３：１．对外做功　 ２．能量守恒　 ３．失败 选一选 　 　 ＢＣＤ　 利用磁场能可以使磁铁所具有的磁场能转化为动 能，但由于摩擦力是不可避免的，动能最终转化为内能使转动停 止，故Ａ错误；可利用光能的可转化性和电能的可收集性，使光 能转化为船的动能或飞机的动能，实现逆水行舟或飞机不带燃 料飞行，故Ｂ、Ｃ正确；利用反冲理论，以核能为能源，使地球获得 足够大的速度，挣脱太阳引力的束缚而离开太阳系，故Ｄ正确。 想一想 　 　 不是永动机，手表戴在手上，手运动的能量一部分转化为手 表的能量（动能）。 课内互动探究 　 　 例１：（１）０． ６ Ｊ　 （２）０． ２ Ｊ 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。 　 　 对点训练１：ＡＢＣ　 气体在ａｂ过程中做等容变化，由查理定 律知气体温度升高，故内能增加，故Ａ正确；在ｃａ过程中，气体 体积减小，则外界对气体做功，即Ｗ ＞ ０；因压强不变，则温度降 低，内能减小，即ΔＵ ＜ ０，根据ΔＵ ＝ Ｗ ＋ Ｑ可知Ｑ ＜ ０，则气体放 热，故Ｂ正确，Ｄ错误；在ｂｃ过程中，气体温度不变，内能不变， 体积变大，对外做功，由热力学第一定律可知，气体从外界吸收 热量，故Ｃ正确。 　 　 例２：（１）Ｖ２Ｖ１ Ｔ１ 　 （２）Ｑ１ － ｐ０ ＋ ｍｇ( )Ｓ （Ｖ２ － Ｖ１） 解析：（１）该过程为等压变化，由盖－吕萨克定律可得Ｖ１Ｔ１ ＝ Ｖ２ Ｔ２ ，得Ｔ２ ＝ Ｖ２Ｖ１ Ｔ１。 （２）气体升温过程，外界对气体做功为Ｗ ＝ － ｐＳΔｈ ＝ － ｐΔＶ ＝ － ｐ０ ＋ ｍｇ( )Ｓ （Ｖ２ － Ｖ１） 由题可知该过程中气体吸收的热量为Ｑ１，则由热力学第一定 律得ΔＵ ＝Ｗ ＋Ｑ ＝ － ｐ０ ＋ｍｇ( )Ｓ （Ｖ２ －Ｖ１）＋Ｑ１。 　 　 对点训练２：ＣＤ　 自然界的一切过程都遵守能量守恒定律， Ａ错误；功是能量转化的量度，做同样的功，消耗同样的电能，Ｂ 错误，Ｄ正确；由变频空调的工作特点可知省电的原因是效率 高，Ｃ正确。 课堂达标检测 １． Ｃ　 由于气体对外做功，所以Ｗ ＝ － １００ Ｊ，气体放出热量Ｑ ＝ －４０ Ｊ。根据热力学第一定律ΔＵ ＝ Ｑ ＋Ｗ可知，ΔＵ ＝ － １４０ Ｊ， 故Ｃ正确。 ２． ＢＣＤ　 温度不变，理想气体的内能不变，根据玻意耳定律知， 体积减小，压强增大，根据ΔＵ ＝Ｗ ＋ Ｑ，内能不变，外界对气体 做功，气体放出热量，故Ａ错误，Ｂ、Ｃ、Ｄ正确。 ３． ＢＣ　 Ａ→Ｂ过程是绝热过程，Ｑ ＝ ０，体积变大，气体对外做功， Ｗ ＜ ０，根据热力学第一定律ΔＵ ＝ Ｑ ＋ Ｗ，得ΔＵ ＜ ０，内能减 小，故温度降低，故Ａ错误；由图示图像可知，Ｂ→Ｃ过程中，气 体体积Ｖ不变而压强ｐ变大，由查理定律可知，气体温度Ｔ升 高，故内能增加，但体积Ｖ不变，外界对气体不做功，所以气体 吸收热量，故Ｂ正确；由题可知，Ｃ→Ａ过程是等温变化，气体 体积Ｖ减小，外界对气体做功，Ｗ ＞ ０，气体温度不变，气体内 能不变，ΔＵ ＝ ０，根据热力学第一定律得Ｑ ＜ ０，气体放热，故Ｃ 正确；全部过程分三个过程，Ａ到Ｂ气体对外做功Ｗ１ ＜ ０，Ｂ到 Ｃ不做功，Ｃ到Ａ外界对气体做功Ｗ２ ＞ ０，根据ｐ － Ｖ图像中， 图线与坐标轴围成的图形的面积等于所做的功，得Ａ到Ｂ气 体对外做的功小于Ｃ到Ａ外界对气体做的功，如图中阴影面 积所示，故全部过程气体做功不为０，故Ｄ错误。 ４．（１）１． ３ × １０５ Ｐａ　 （２）１ ０００ Ｊ 解析：（１）设封闭气体刚开始的温度为Ｔ１，压强为ｐ０，当活塞 恰好移动到汽缸口时，封闭气体的温度为Ｔ２。封闭气体发生 等压变化，根据盖－吕萨克定律可得ｌＳＴ１ ＝ ＬＳ Ｔ２ ，解得Ｔ２ ＝ ５００ Ｋ ＝ ２２７ ℃，由于２２７ ℃ ＜ ３７７ ℃，所以气体发生等压变化之后 再发生等容变化。 设当温度达到３７７ ℃时，封闭气体的压强为ｐ，根据查理定律 可得ｐ０Ｔ２ ＝ ｐ Ｔ３ ，代入数据解得ｐ ＝ １． ３ × １０５ Ｐａ。 （２）根据热力学第一定律可得ΔＵ ＝Ｗ ＋ Ｑ，外界对气体做的功 Ｗ ＝ ｐ０Ｓ（ｌ － Ｌ）＝ － ２００ Ｊ，封闭气体共吸收的热量为Ｑ ＝ Ｉ２Ｒｔ′ ＝ １ ２００ Ｊ，则气体增加的内能ΔＵ ＝Ｗ ＋ Ｑ ＝ １ ０００ Ｊ。 ５．（１）ｐ０ ＋ＭｇＳ 　 （２）０． ８Ｌ ＋ Ｌ０ － Ｍｇ ｋ 　 （３）Ｕ ＋ ０． ２ｐ０ＬＳ ＋ ０． ２ＭｇＬ 解析：（１）设弹簧的弹力为Ｆ，以上方汽缸、Ａ气体、活塞ａ为 整体，根据受力平衡可得 Ｆ ＝Ｍｇ 设气体Ａ的压强为ｐＡ，以活塞ａ为对象，根据受力平衡可得 ｐＡＳ ＝ ｐ０Ｓ ＋ Ｆ 解得初始时Ａ                                                                       气体的压强为 —２０３— ｐＡ ＝ ｐ０ ＋ Ｍｇ Ｓ 。 （２）若环境温度缓慢降至０． ８Ｔ０，根据受力平衡可知，气体发 生等压变化，则有 ＬＳ Ｔ０ ＝ Ｌ１Ｓ ０． ８Ｔ０ 可得Ｌ１ ＝ ０． ８Ｌ 设弹簧压缩量为ｘ，则有ｋｘ ＝Ｍｇ 解得ｘ ＝Ｍｇｋ 故稳定后活塞ａ离水平面的高度为ｈａ ＝ Ｌ１ ＋ Ｌ０ －( )ｘ ＝ ０． ８Ｌ ＋ Ｌ０ － Ｍｇ ｋ 。 （３）若环境温度缓慢降至０． ８Ｔ０，Ａ气体内能减小量为Ｕ，气体 被压缩，则外界对气体做功为 Ｗ ＝ ｐ０ ＋ Ｍｇ( )Ｓ × ０． ２ＬＳ ＝ ０． ２ｐ０ＬＳ ＋ ０． ２ＭｇＬ 根据热力学第一定律可得ΔＵ ＝Ｗ － Ｑ 即－ Ｕ ＝Ｗ － Ｑ 解得Ａ气体向外界释放的热量为Ｑ ＝ Ｕ ＋ ０． ２ｐ０ＬＳ ＋ ０． ２ＭｇＬ。 ６． Ｃ　 第一类永动机违背了能量守恒定律，故永远无法制成，Ａ 错误；太阳照射到宇宙空间的能量没有消失，Ｂ错误；马儿奔 跑时需要消耗能量，故“既要马儿跑，又要马儿不吃草”违背 了能量守恒定律，因而是不可能实现的，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”手表是通 过手臂运动对其做功而工作的，Ｄ错误。 ４．热力学第二定律 课前预习反馈 　 　 知识点１：１．（１）低温　 高温　 方向性　 （２）①高温　 低温 　 ②低温　 高温　 ③不可逆的　 ２．（１）①化学能　 ②内能　 做 功　 机械能　 ②机械功Ｗ　 热量Ｑ　 ＷＱ 　 （２）完全变成功 判一判 （１）√　 （２）× 　 （３）√　 （４）× 　 （５）× 　 （６）√ 选一选 　 　 Ａ　 热力学第二定律使我们认识到：自然界中进行的涉及 热现象的宏观过程都具有方向性，是不可逆的，①错误，②正确； 热量可以由低温物体传递到高温物体，但要引起其他变化，③错 误；第二类永动机不违背能量守恒定律，但是违背了热力学第二 定律，因此不可能制成，④错误。故选Ａ。 想一想 　 　 （１）不能发生。热茶温度比周围环境温度高，热量不可能 自发地从低温物体传到高温物体。 （２）不能发生。蒸汽推动活塞做功，这一过程中，一方面由 于活塞摩擦汽缸而产生内能，另一方面蒸汽与周围环境有温度 差，蒸汽机会向周围环境散热。所以，蒸汽机把蒸汽的内能全部 转化成机械能是不可能的。 （３）能够发生。由于泥沙比水的密度大，泥沙会自动下沉， 从而使得上面的浑水变清了。此过程不违背热力学第二定律， 泥沙的重心降低，重力势能减少了，水的重心升高，水的重力势 能增加了，但系统总的重力势能减少了，最终转化为内能，而机 械能百分之百地转化为内能是可能的。 知识点２：１．内能　 ２．较小　 较大　 自动　 ３．方向　 ４．品质 　 高品质　 低品质 选一选 　 　 ＡＢＤ　 利用太阳能、风能和氢能等能源替代化石能源，可减 少环境污染，故Ａ正确；用电动汽车代替燃油汽车，能减少尾气 的排放，可改善空气质量，故Ｂ正确；能量虽然是守恒的，但是可 利用的能源越来越少，所以我们需要节约能源，故Ｃ错误；能量 的耗散从能量转化的角度反映出自然界中宏观过程的方向性； 能源的利用受这种方向性的制约，所以能源的利用是有条件的， 也是有代价的，故Ｄ正确。 课内互动探究 　 　 例１：ＣＤ　 汽缸壁是导热的，外界环境温度不变，活塞杆缓 慢向右移动过程中，有足够的时间进行热交换，气体等温膨胀， 所以汽缸内的气体温度不变，内能也不变，该过程中，气体是从 单一热库（外部环境）吸收热量，全部用来对外做功才能保证内 能不变，此过程既不违背热力学第二定律，也不违背热力学第一 定律，因为此过程通过外力对活塞做功来维持，如果没有外力对 活塞做功，此过程不可能发生，故Ｃ、Ｄ正确。 　 　 对点训练１：ＢＤ　 一切自发过程都有方向性，如热传导，热 量总是由高温物体自发地传向低温物体；又如扩散，气体总是自 发地由密度大的地方向密度小的地方扩散。在外界帮助下气体 可以由密度小的地方向密度大的地方扩散，热量可以从低温物 体传向高温物体，电冰箱就是借助外界做功把热量从低温物 体——冷冻食品，传向高温物体——周围的大气。所以在回答 热力学过程的方向性问题时，要区分是自发过程还是非自发过 程，电冰箱内热量传递的过程是有外界参与的。 　 　 例２：Ｂ　 由热力学第二定律的开尔文表述：不可能从单一 热库吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响。开尔文的 表述阐述了机械能与内能转化的方向性：机械能可以全部转化 为内能，而内能不可能全部用来做功以转化为机械能，因此能量 在被利用的过程中，可利用的效率是不同的，故Ａ错误；由能量 守恒定律可知，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另一个 物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变。因此能量 转化遵守能量守恒定律，故Ｂ正确，Ｃ错误；由能量守恒定律可 知，自然界中的能量不会减少，故Ｄ错误。 　 　 对点训练２：Ｃ　 能量耗散是能量在转化过程中以内能的形 式发散到周围环境中，使得能量品质降低，且耗散在环境中的内 能很难被人类再利用，但能量耗散遵守能量守恒定律，另外，各 种形式的能量在一定条件下向内能转化是能够全额发生的，故 Ａ、Ｂ、Ｄ正确，Ｃ错误。 课堂达标检测 １． ＢＣＤ　 在引起其他变化的情况下，可以从单一热库吸热使之 完全变成功，故Ａ错误；在产生其他影响的情况下，内能可以 全部转化为机械能，故Ｂ正确；由于不可能从单一热库吸收热 量全部对外做功而不引起其他变化，导致热机的效率不能达 到１００％，故Ｃ正确；将来可能实现海水温差发电，故Ｄ正确。 ２． ＡＢ　 根据热力学第二定律，自然界中进行的涉及热现象的宏 观过程都具有方向性，故Ａ正确；对任何与热现象有关的宏观 自然过程方向性的描述，都可以作为热力学第二定律的一种表 述，故Ｂ正确；热量可以从低温物体传到高温物体，只是不能自 发进行，第一类永动机违背了能量守恒定律，故Ｃ、Ｄ错误。 ３． Ｂ　 熵是系统无序程度的量度，熵越大，系统分子运动无序程 度越大，故Ａ、Ｄ正确；孤立系统中发生的任何实际过程，其能 量的总值保持不变，而其熵值恒增，故Ｂ错误，Ｃ正确。 ４． Ｂ　 热力学第一定律揭示了内能与其他形式能量之间的转化 关系，是能量守恒定律在热力学中的具体体现。热力学第二 定律则进一步阐明了内能与其他形式能量转化时的方向性， 二者表述的角度不同，本质不同，相互补充，并不矛盾，Ｂ正 确，Ａ、Ｃ、Ｄ错误。 ５． Ｂ　 能量在使用过程中虽然总量保持不变，但品质越来越差， 即可利用率越来越低，所以必需节约能源，故Ａ错误；不断开 发新能源，发展新技术，是缓解能源危机、加强环境保护的重 要手段，故Ｂ正确；电子烟花技术不能将电能全部转化为光能 和内能，过程中也存在能量耗散，故Ｃ错误；相比于传统烟花， 使用电子烟花污染较少，但也不是完全无污染，故Ｄ错误。 ６． ＡＣ　 根据热力学第二定律可知，能量在转化过程中具有方向 性，因此可利用能源是有限的，故Ａ正确；电动汽车充电时，电 能没有全部转化为锂电池的化学能，还有一部分转化为内能， 故Ｂ错误；自由摆动秋千摆幅越来越小，减少的机械能转化内 能，但总能量守恒，故Ｃ正确；根据能量守恒可知，太阳照射到 地球上的光能转化成其他形式的能量，而照射到宇宙空间的 能量并没有消失，故Ｄ错误                                                                       。 —２０４— # # # # # / 0 1 2 # 3 4 5 6 7 8 9 : ; ' 8 9 " : ; 沙场点兵·名校真题 一、功能和内能 １．如图所示，活塞将汽缸分成甲、乙两气室，汽缸、活塞 （连同拉杆）是绝热的，且不漏气。以Ｅ甲、Ｅ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 （Ｄ ） Ａ． Ｅ甲不变，Ｅ乙减小 Ｂ． Ｅ甲不变，Ｅ乙增大 Ｃ． Ｅ甲增大，Ｅ乙不变 Ｄ． Ｅ甲增大，Ｅ乙减小 ２．金属制成的汽缸中放入浸了少许乙醚的脱脂棉，有 可能使其达到燃点而燃烧的过程是 （Ａ ） Ａ．迅速向里推活塞 Ｂ．迅速向外拉活塞 Ｃ．缓慢向里推活塞 Ｄ．缓慢向外拉活塞 二、热能和内能 ３．（多选）（２０２４·宁夏银川高三阶段练习）下列有关 热现象和内能的说法正确的是 （Ａ ） Ａ．分子间引力和斥力相等时，分子势能最小 Ｂ．分子间引力和斥力相等时，分子势能最大 Ｃ．把物体缓慢举高，其机械能增加，内能不变 Ｄ．盛有气体的容器做加速运动时，容器中气体的内 能必定会随之增大 ４．关于内能、温度和热量，下列说法正确的是（Ｃ ） Ａ．物体的温度升高时，一定吸收热量 Ｂ．物体沿斜面下滑时，内能将增大 Ｃ．物体沿斜面匀速下滑时，内能可能增大 Ｄ．内能总是从高温物体传递给低温物体，当内能相 等时传热停止 ５．密封有空气的薄塑料瓶因降温而变扁，此过程中瓶 内空气（不计分子势能） （Ｄ ） Ａ．内能增大，放出热量 Ｂ．内能减小，吸收热量 Ｃ．内能增大，对外界做功 Ｄ．内能减小，外界对其做功 ６．关于系统的内能及其变化，下列说法中正确的是 （Ｂ ） Ａ．系统的温度改变时，其内能必定改变 Ｂ．系统对外做功，其内能不一定改变；系统向外传递 热量，其内能不一定改变 Ｃ．对系统做功，系统内能必定改变；系统向外传出一 定热量，其内能必定改变 Ｄ．若系统与外界不发生热交换，则系统的内能必定 不改变 请同学们认真完成练案［１４                                     ］ ２．热力学第一定律 ３．能量守恒定律 ! " # $ % & 明确目标·梳理脉络 课程标准 １．通过有关史实，了解热力学第一定律和能量守恒定律的发现过程，体会科学探索中的挫折和失败对科学 发现的意义。 ２．理解能量守恒定律，能用能量守恒的观点解释自然现象。 ３．体会能量守恒定律是最基本、最普遍的自然规律之一。 素养目标 １．理解并会运用能量守恒定律。 ２．知道什么是第一类永动机及其不可能制成的原因。 !'' ! " # $ % & ' ( ) * + , - ! " . # # # # # # # ' ( ) * + , 教材梳理·落实新知 热力学第一定律 　 　 １．改变内能的两种方式 做功与传热　 　 　 。两者在改变系统内能方面是 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　 。 注意：热力学第一定律的数学表达式也适用于物 体对外界做功、向外界传热和内能减少的情况。 『判一判』 （１）ΔＵ ＝Ｗ ＋ Ｑ。该式表示的是功、热量跟内能改变之 间的定量关系，在物理学中叫作热力学第一定律。 （√ ） 『选一选』 　 　 关于做功、传热与内能变化的说法，正确的是 （Ａ ） Ａ．不通过做功的过程，物体的内能也可以改变 Ｂ．不对物体做功，物体的内能会保持不变 Ｃ．外力对物体做２ Ｊ的功，物体就一定增加２ Ｊ的 内能 Ｄ．物体吸收热量，内能一定增加 能量守恒定律 　 　 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）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。 『判一判』 （２）某个物体的能量减少，必然有其他物体的能量增 加。 （√ ） （３）石子从空中落下，最后停止在地面上，说明机械能 消失了。 （ × ） （４）能量既可以转移又可以转化，故能的总量是可以 变化的。 （ × ） （５）违背能量守恒定律的过程是不可能发生的。（√ ） 永动机不可能制成 　 　 １．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．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。 『选一选』 　 　 （多选）下面设想符合能量守恒定律的是（Ｂ ） Ａ．利用永久磁铁间的作用力，造一台永远转动的 机械 Ｂ．做一条船，利用太阳的能量逆水行舟 Ｃ．通过太阳照射飞机，使飞机不带燃料也能飞行 Ｄ．利用核动力，使地球离开太阳系 『想一想』 　 　 有一种所谓“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。这是不是一 种永动机？如果不是，你知道维持表针走动的能量是 从哪儿来的吗？                                                    ' - . / 0 1 细研深究·破疑解难 对热力学第一定律的理解 探究 要点提炼 　 　 １．对ΔＵ ＝Ｗ ＋ Ｑ的理解 　 　 热力学第一定律将单纯的绝热过程和单纯的热传 递过程中内能改变的定量表述推广到一般情况，既有做 功又有热传递的过程，其中ΔＵ表示内能改变的数量，Ｗ 表示做功的数量，Ｑ表示外界与物体间传递的热量。 　 　 ２．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 !'( # # # # # / 0 1 2 # 3 4 5 6 7 8 9 : ; 　 　 ３．几种特殊情况 （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从外界吸收的热量。 （３）若过程的始末状态物体的内能不变，即ΔＵ ＝ ０，则Ｗ ＝ － Ｑ（或Ｑ ＝ －Ｗ），外界对物体做的功等于物 体放出的热量（或物体吸收的热量等于物体对外界做 的功）。 ４．判断是否做功的方法 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。 　 　 （１）当做功和热传递同时发生时，物体的内能可 能增加，也可能减小，还可能保持不变。 （２）物体内能发生变化可能是由做功引起的，也可能 是由热传递引起的，还可能是两者共同作用的结果。 典例剖析 １．若将气泡内的气体视为理想气体，气泡从湖底 缓慢上升到湖面的过程中，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？ 　 　 ［尝试作答         ］ 　 　 对点训练? （多选）如图所示，一定质量的理 想气体从状态ａ出发，经过等容过程ａｂ到达状态ｂ，再 经过等温过程ｂｃ到达状态ｃ，最后经等压过程ｃａ回到 状态ａ，下列说法正确的是 （Ａ ） Ａ．在ａｂ过程中气体的内能增加 Ｂ．在ｃａ过程中外界对气体做功 Ｃ．在ｂｃ过程中气体从外界吸收热量 Ｄ．在ｃａ过程中气体从外界吸收热量 对能量守恒定律的理解 探究 要点提炼 　 　 １．能量的存在形式及相互转化 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，还有诸如电磁能、化学能、原子能等。 各种形式的能，通过做功可以相互转化，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．守恒条件 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，必须是只有重力和系统内弹 簧弹力做功；而能量守恒定律是没有条件的，它是一切 自然界现象都遵守的基本规律。 ３．能量守恒定律的重要意义 （１）找到了各种自然现象的公共量度——能量， 从而把各种自然现象用能量规律联系起来，揭示了自 然规律的多样性和统一性。 （２）突破了人们关于物质运动的机械观念的范 围，从本质上表明了各种运动形式之间相互转化的可 能性。能量守恒定律比机械能守恒定律更普遍，它是 物理学中解决问题的重要思维方法。能量守恒定律与 电子的发现、达尔文的进化论并称１９世纪自然科学中 三大发现，其重要意义由此可见。 （３）具有重大实践意义，即彻底粉碎了永动机的 幻想。 　 　 （１）能量守恒定律是一个自然界中普遍适用的规 律，凡是遇到涉及能量的转化和转移问题时可优先考 虑使用其解决。 　 　 （２）层出不穷的永动机设计方案，由于违背了能 量守恒定律，无一例外地宣布失败，人类制造永动机的 企图是没有任何成功的希望。                                                                        !') ! " # $ % & ' ( ) * + , - ! " . # # # # # # # 典例剖析 ２．如图所示，内壁光滑的圆柱形汽 缸竖直放置，内有一质量为ｍ的活 塞封闭一定质量的理想气体。已知活塞 横截面积为Ｓ，外界大气压强为ｐ０，缸内 气体温度为Ｔ１。现对汽缸缓慢加热，使 缸内气体体积由Ｖ１增大到Ｖ２，该过程中气体吸收的热 量为Ｑ１。求： （１）加热后缸内气体的温度； （２）该过程中气体增加的内能。 　 　 ［尝试作答    ］ 　 　 对点训练? （多选）空调市场上有很多变频 空调，据专家介绍变频空调比定频的要节能，因为定频 空调开机时就等同于汽车启动时，很耗能，能耗是正常 运行时的５ ～ ７倍。空调在工作时达到设定温度就停 机，等温度高了再继续启动。这样的频繁启动，耗电多， 而变频空调启动时有一个由低到高的过程，运行过程是 自动变速来保持室内温度，从开机到关机中间不停机， 而是达到设定温度后就降到最小功率运行，所以比较省 电。阅读上述介绍后，以下说法合理的是 （Ｃ ） Ａ．变频空调节能，运行中不遵守能量守恒定律 Ｂ．变频空调运行中做功少，转化能量多 Ｃ．变频空调在同样工作条件下运行效率高，省电 Ｄ．变频空调与定频空调做同样功时，消耗同样的                        电能 2 3 4 5 6 7 以题说法·启智培优 永动机不可能制成 １．第一类永动机 人们把设想中的不消耗能量的机械叫作第一类永动机，第一类永动机是不可能制成的。 ２．第一类永动机失败的原因分析 如果没有外界热源供给热量，则有Ｕ２ － Ｕ１ ＝Ｗ，就是说，如果系统内能减少，即Ｕ２ ＜ Ｕ１，则Ｗ ＜ ０，系统对外 做功是要以内能减少为代价的，若想源源不断地做功，就必须使系统不断回到初始状态，在无外界能量供给的 情况下，是不可能的。 　 　 案例　 如图所示，一演示用的“永动机”转轮由５根轻杆和转轴构成， 轻杆的末端装有用形状记忆合金制成的叶片。轻推转轮后，进入热水的叶片 因伸展而“划水”，推动转轮转动。离开热水后，叶片形状迅速恢复，转轮因此 能较长时间转动。下列说法正确的是 （Ｄ ） Ａ．转轮依靠自身惯性转动，不需要消耗外界能量 Ｂ．转轮转动所需能量来自形状记忆合金自身 Ｃ．转动的叶片不断搅动热水，水温升高 Ｄ．叶片在热水中吸收的热量一定大于在空气中释放的热量 答案：Ｄ 解析：形状记忆合金进入水后受热形状发生改变而搅动热水，由能量守恒知能量来源于热水，故Ａ、Ｂ、Ｃ错 误；由能量守恒知，叶片吸收的能量一部分转化成叶片的动能，一部分释放于空气中，故Ｄ正确。 ' 8 9 " : ; 沙场点兵·名校真题 一、热力学第一定律 １．一定质量的气体膨胀对外做功１００ Ｊ，同时对外放热 ４０ Ｊ，气体内能的增量ΔＵ为 （Ｃ ） Ａ． ６０ Ｊ Ｂ． － ６０ Ｊ Ｃ． － １４０ Ｊ Ｄ． １４０ Ｊ ２．（多选）如图所示，一开口向上的导热 汽缸内，用活塞封闭了一定质量的理 想气体，活塞与汽缸壁间无摩擦。现 用外力作用在活塞上，使其缓慢下降。 环境温度保持不变，系统始终处于平 衡状态。在活塞下降过程中 （Ｂ ） Ａ．气体体积逐渐减小，内能增加 Ｂ．气体压强逐渐增大，内能不变 Ｃ．气体压强逐渐增大，放出热量 Ｄ．外界对气体做功，气体内能不变 ３．（多选）如图所示，一定质量的理想 气体，从状态Ａ经绝热过程Ａ→Ｂ、 等容过程Ｂ→Ｃ、等温过程Ｃ→Ａ又 回到了状态Ａ，则 （Ｂ ） Ａ． Ａ→Ｂ过程气体升温 Ｂ． Ｂ→Ｃ过程气体内能增加，气体吸热 Ｃ． Ｃ→Ａ过程气体放热 Ｄ．                全部过程气体做功为零 !'* # # # # # / 0 1 2 # 3 4 5 6 7 8 9 : ; ４．如图所示，内壁光滑且长为 Ｌ ＝ ５０ ｃｍ的绝热汽缸固定在 水平面上，汽缸内用面积为 Ｓ ＝ １００ ｃｍ２ 的绝热活塞封闭 有温度为ｔ０ ＝ ２７ ℃的理想气体，开始时处于静止状 态的活塞位于距左侧缸底ｌ ＝ ３０ ｃｍ处。现用电热 丝对封闭的理想气体加热，使活塞缓慢向右移动。 （已知大气压强为ｐ０ ＝ １． ０ × １０５ Ｐａ） （１）试计算当温度升高到ｔ ＝ ３７７ ℃时，缸内封闭气 体的压强ｐ； （２）若汽缸内电热丝的电阻Ｒ ＝ １００ Ω，加热时电热 丝中的电流Ｉ ＝ ０． ２ Ａ，在此变化过程中共持续了 ｔ′ ＝３００ ｓ，不计电热丝由于温度升高而吸收的热量， 试计算气体增加的内能ΔＵ。 二、能量守恒定律 ５．某充气式座椅简化模型如图所示，质量相等且导热 良好的两个汽缸通过活塞封闭质量相等的两部分同 种气体Ａ、Ｂ，活塞通过轻弹簧相连如图所示静置在 水平面上，已知汽缸的质量为Ｍ，封闭气体的初始高 度均为Ｌ、初始环境温度为Ｔ０，轻弹簧的劲度系数为 ｋ、原长为Ｌ０，大气压强为ｐ０，重力加速度为ｇ，活塞 的横截面积为Ｓ、质量和厚度不计，弹簧形变始终在 弹性限度内，活塞始终未脱离汽缸。 （１）求初始时Ａ气体的压强； （２）若环境温度缓慢降至０． ８Ｔ０，求稳定后活塞ａ离 水平面的高度； （３）若环境温度缓慢降至０． ８Ｔ０，Ａ气体内能减小量 为Ｕ，求Ａ气体向外界释放的热量Ｑ。 三、永动机不可能制成 ６．下列说法正确的是 （Ｃ ） Ａ．随着科技的发展，第一类永动机是可能制成的 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，又要马儿不吃草”违背了能量守恒 定律，因而是不可能实现的 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，说明能量是可能凭空产 生的 请同学们认真完成练案［１５                                               ］ ４．热力学第二定律 ! " # $ % & 明确目标·梳理脉络 课程标准 １．了解热传递、扩散现象、机械能与内能的转化等都具有方向性。知道具有方向性的过程为不可逆的。 ２．了解热力学第二定律的两种表述，并能用热力学第二定律解释第二类永动机不能制造成功。 ３．能用热力学第二定律解释自然界中的能量转化、转移及方向性问题，并能解决一些实际问题。 ４．了解能量耗散、能源和环境。 素养目标 １．通过自然界中客观过程的方向性，了解热力学第二定律。 ２．了解热力学第二定律的两种不同表述，以及两种表述的物理实质。 ３．能运用热力学第二定律解释自然界中的能量转化、转移以及宏观自然过程的方向性问题。 ４．认识能量耗散，知道能源是有限的。 !(!