第3章 1 热力学第一定律 2 能量守恒定律-（课件PPT+Word教案）【步步高】2024-2025学年高二物理选择性必修第三册教师用书（教科版2019）

DISANZHANG 第三章 1　热力学第一定律 2　能量守恒定律 1 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 热力学第一定律 一 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。 (2)表达式：ΔU= 。 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 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”) 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 给旱区送水的消防车停在水平地面上，如图所示。在缓慢放水过程中，若车胎不漏气且胎内气体温度不变，不计分子间的势能，试分析气体的吸放热情况。 讨论交流 答案　由于车胎内气体温度不变，故气体分子的平均动能不变，内能不变。放水过程中车胎内气体体积增大，对外做功，由热力学第一定律可知，车胎内气体吸热。 (1)系统的温度改变时，其内能必定改变。(　　) (2)系统从外界吸收热量，内能一定增大。(　　) (3)理想气体的内能只与温度有关。(　　) (4)物体内能越大，外界对物体做功越多。(　　) × √ × × 易错辨析 　(1)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2.5×105 J，则气体的内能是增加还是减少？改变量是多少？ 例1 答案　增加　1.0×105 J 由题意知，Q=3.5×105 J，W=-2.5×105 J，则根据热力学第一定律有 ΔU=Q+W=1.0×105 J ΔU为正值，说明气体的内能增加，增加量为1.0×105 J。 (2)一定质量的气体，外界对其做功1.6×105 J，内能增加了4.2×105 J，此过程中气体是吸热还是放热？吸收或放出的热量是多少？ 答案　吸热　2.6×105 J 由题意知，ΔU=4.2×105 J，W=1.6×105 J，则根据热力学第一定律有 Q=ΔU-W=2.6×105 J Q为正值，说明此过程中气体从外界吸热，吸收的热量为2.6×105 J。 总结提升 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。 　(多选)(2023·威海市高二期末)某汽车机舱盖的支撑杆由气缸和活塞组成。打开机舱盖时，气缸内密闭气体膨胀，将机舱盖顶起。在此过程中，气缸内气体可视为理想气体，忽略缸内气体与外界的热交换。对于气缸内的气体，下列说法正确的是 A.压强减小 B.内能减小 C.分子势能减小 D.平均动能减小 例2 √ √ √ 根据热力学第一定律ΔU=Q+W可知，气体将机舱盖顶起，即气体对外做功，W<0，而忽略缸内气体与外界的热交换，则Q=0，因此可知ΔU<0，即气体的内能减小，而对于一定量的理想气体而言，内能减小则温度降低，而温度又是衡量气体分子平均动能的标志，温度降低则分子平均动能减小，故B、D正确； 根据以上分析，由理想气体状态方程=C可知，气缸内密闭气体膨 胀，即气体的体积增大，同时气体温度降低，因此可知缸内气体的压强一定减小，故A正确； 气缸内气体可视为理想气体，而理想气体不考虑分子势能，认为分子 势能始终为零，故C错误。 总结提升 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。 　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3 √ 由题意可知，气体先发生等压变化，到活塞运 动到挡板处再发生等容变化，等压变化过程气 体对外做的功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。 总结提升 等压变化过程，用公式W=pΔV计算 等压变化过程中，气体压强不变，气体对活塞的压力F=pS，为恒力，由恒力做功的公式W=Fs可得W=pSs=pΔV，即气体做的功与气体的压强p和气体体积的变化量ΔV有关。 返回 能量守恒定律 二 21 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。 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)能量的总量保持不变，所以我们不需要节约能源。(　　) (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。(　　) × √ × × 易错辨析 　(2024·温州市高二期中)第19届亚运会于2023年9月23日晚在杭州盛大开幕。此次亚运会开幕式将实体烟花燃放改成电子烟花表演展示，通过数字技术、光学投影等展现烟花绽放场景，传递出中国绿色低碳环保且负责任的发展中大国形象。以下说法正确的是 A.能量在使用过程中总量保持不变，故不需要节约用电，可尽情燃放电 子烟花 B.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 C.电子烟花技术将电能全部转化为光能和内能，过程中不存在能量耗散 D.相比于传统烟花，使用电子烟花完全无污染 例4 √ 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，选项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，选项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，选项D错误。 返回 课时对点练 三 27 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 基础对点练 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 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。 2.(多选)物体的内能增加了20 J，则下列说法正确的是 A.一定是外界对物体做了20 J的功 B.一定是物体吸收了20 J的热量 C.可能是外界对物体做了20 J的功，也可能是物体吸收了20 J的热量 D.可能是物体吸收热量的同时外界对物体做了功，且热量和功共20 J √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 根据物体的增加、减少，并不能得出是做功还是热传递导致的，故C、D正确。 √ 3.一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 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 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。 4.(2023·重庆市凤鸣山中学月考)如图所示，在玻璃瓶中放入少量水，水面上方有无色的水蒸气，用中间带孔、孔中插有玻璃管的橡皮塞盖紧瓶口，然后往瓶中打气，当气压足够大时，橡皮塞从瓶口弹出，原来透明的瓶内充满了白雾，这一实验现象表明 A.气体对外界做功，瓶内气体温度升高，内能减少 B.外界对气体做功，瓶内气体温度升高，内能增加 C.气体对外界做功，瓶内气体温度降低，内能减少 D.外界对气体做功，瓶内气体温度降低，内能增加 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 白雾是小水滴，它是由水蒸气液化而形成的，该实 验的原理如下：瓶内的气体压强增大到一定程度时， 瓶内气体对橡皮塞做功，将橡皮塞弹出，气体对外 界做功，将一部分内能转化为橡皮塞的机械能，气 体的内能减少，温度降低，瓶中的水蒸气遇冷液化而形成白雾，故C正确，A、B、D错误。 5.(2023·江西省乐平中学高二期末)固定的气缸内由活塞封闭着一定质量的气体，在通常的情况下，这些气体分子之间的相互作用力可以忽略。在外力F作用下，将活塞缓慢地向上拉动，如图所示。在拉动活塞的过程中，假设气缸壁的导热性能良好，环境的温度保持不变，关于对气缸内的气体的下列论述，其中正确的是 A.气体对活塞做功，气体的内能减少 B.气体从外界吸热，气体分子的平均动能增大 C.气体从外界吸热，气体压强不变 D.气体单位体积的分子数减小，气体压强减小 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 由题意知，气缸内的封闭气体是理想气体且温度不变，故气体分子的平均动能不变，气体内能不变，A、B错误；气体体积增大，气体单位体积的分子减数小，气体对外界做功，根据热力学第一定律可知，气体从外界吸热，封闭气体温度不变，体积增大，压强减小，C错误，D正确。 考点二　能量守恒定律　永动机不可能制成 6.“第一类永动机”是不可能制成的，这是因为 A.它不符合机械能守恒定律 B.它违背了能量守恒定律 C.没有合理的设计方案 D.找不到合适的材料 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 √ 第一类永动机不可能制成的原因是违背了能量守恒定律。故选B。 7.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 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 条形磁体穿过闭合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。 8.如图所示，自热米饭盒内有一个发热包，遇水发生化学反应而产生大量热能，不需要明火，温度可超过100 ℃，盖上盒盖便能在10~15分钟内迅速加热食品。自热米饭盒的盖子上有一个透气孔，如果透气孔堵塞，容易造成小型爆炸(爆炸前可认为饭盒体积不变)。下列有关自热米饭盒爆炸的说法，正确的是 A.自热米饭盒爆炸，是盒内气体温度升高，气体分子间斥力急剧增大的结果 B.在自热米饭盒爆炸的瞬间，盒内气体内能增加 C.在自热米饭盒爆炸的瞬间，盒内气体温度降低 D.自热米饭盒爆炸前，盒内气体温度升高，标志 着每一个气体分子速率都增大了 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 √ 能力综合练 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 自热米饭盒爆炸前，盒内气体体积不变，分子 间的平均距离不变，分子间的作用力不变，故 A错误； 爆炸前气体温度升高，内能增大，爆炸瞬间气 体对外界做功，根据热力学第一定律知，其内能减少，温度下降，故B错误，C正确； 自热米饭盒爆炸前，盒内气体温度升高，分子平均动能增大，但并不是每一个气体分子速率都增大，故D错误。 9.(2023·广州市高二期末)用隔板将一绝热气缸分成两部分，隔板左侧充有理想气体，右侧与绝热活塞之间是真空的。现将隔板抽开，气体会自发扩散至整个气缸，待气体达到稳定后，缓慢推压活塞，将气体压回到原来的体积。整个过程不漏气，则下列说法正确的是 A.气体被压缩过程中内能增大 B.气体自发扩散过程中内能减小 C.气体自发扩散过程中，气体分子的平均速率增大 D.气体被压缩过程中，温度升高，所有分子的速率都增大 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 根据热力学第一定律ΔU=Q+W可知，在气缸 绝热的情况下Q=0而当缓慢推压活塞，气体 被压缩的过程中，外界对气体做功W>0，因 此可得ΔU>0，即缸内气体的内能增大，故A正确； 由于隔板右侧为真空，当抽去隔板，气体自发扩散，并不对外做功，而气缸绝热，根据热力学第一定律可知W=0，Q=0，由此可知ΔU=0，即气体自发扩散过程中缸内气体内能不变。对于一定量的理想气体而言，内能不变则温度不变，气体分子平均动能不变，气体分子的平均速率不变，故B、C错误； 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 气体被压缩过程中，外界对气体做功，气缸绝 热，气体内能增加，温度升高，因此可知气体 分子的平均速率增大，但并不是所有分子的速 率都增大，对于单个分子而言，其速率可能增大也可能减小，故D错误。 10.(2024·广东省开学考)图甲中空气炸锅是一种新型的烹饪工具，图乙为某型号空气炸锅的简化模型图，空气炸锅中有一气密性良好的内胆，内胆内的气体可视为质量不变的理想气体，已知胆内初始气体压强为p0=1.0×105 Pa，温度为T0=300 K，现启动加热模式使气体温度升高到T=450 K，此过程中气体吸收的热量为Q=8.0× 103 J，内胆中气体的体积不变，求： (1)此时内胆中气体的压强p； 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 答案　1.5×105 Pa 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 根据题意可知，气体体积不变，气体为等容 变化，根据查理定律可得=，解得p=1.5× 105 Pa (2)此过程内胆中气体的内能增加量ΔU。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 答案　8.0×103 J 根据热力学第一定律有ΔU=W+Q 由于气体的体积不变，所以W=0 又因Q=8.0×103 J，所以ΔU=8.0×103 J。 11.如图甲所示为一台四冲程内燃机，活塞在压缩冲程某段时间内移动的距离为0.1 m，这段过程活塞对气体的压力逐渐增大，其做的功相当于2×103 N的恒力使活塞移动相同距 离所做的功(图乙)。内燃机工作时 气缸温度高于环境温度，该过程中 压缩气体传递给气缸的热量为25 J。 (1)求上述压缩过程中气体内能的改变量； 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 尖子生选练 答案　175 J 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 压缩过程活塞对气体做的功 W1=F1l1=2×103×0.1 J=200 J 气体内能的改变量 ΔU1=W1-Q1=200 J-25 J=175 J。 (2)燃烧后的高压气体对活塞做功， 气体推动活塞移动0.1 m，其做的 功相当于9×103 N的恒力使活塞移 动相同距离所做的功(图丙)，该做 功过程气体传递给气缸的热量为30 J。求此做功过程气体内能的改变量。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 答案　-930 J 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 气体膨胀过程中气体对外界所 做的功 W2=F2l2=9×103×0.1 J=900 J 气体内能的改变量 ΔU2=-W2-Q2=-900 J-30 J=-930 J。 返回 BENKEJIESHU 本课结束 $$ 1　热力学第一定律 2　能量守恒定律 ［学习目标］　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。 一、热力学第一定律 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热量的交换，只是通过外界做功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等于外界对系统所做的功W，即ΔU=W。 W和ΔU的正负：如果系统对外界做功，这时W取负值，ΔU也为负值，表示内能减少。 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等于系统从外界所吸收的热量Q，即ΔU=Q。 (2)Q和ΔU的正负：如果系统向外界放热，这时Q取负值，ΔU也为负值，表示内能减少。 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热量Q与外界对系统所做的功W之和。 (2)表达式：ΔU=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：当系统内能增加时，ΔU取正值，当系统内能减小时，ΔU取负值。(均选填“正”或“负”) ②W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。(均选填“正”或“负”) ③Q的正负：外界向系统传递热量时，Q取正值；系统向外界传递热量时，Q取负值。(均选填“正”或“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，能持续不断地对外做功的机器。 (2)第一类永动机由于违背了热力学第一定律，所以不可能制成。 给旱区送水的消防车停在水平地面上，如图所示。在缓慢放水过程中，若车胎不漏气且胎内气体温度不变，不计分子间的势能，试分析气体的吸放热情况。 答案　由于车胎内气体温度不变，故气体分子的平均动能不变，内能不变。放水过程中车胎内气体体积增大，对外做功，由热力学第一定律可知，车胎内气体吸热。 (1)系统的温度改变时，其内能必定改变。 (　×　) (2)系统从外界吸收热量，内能一定增大。 (　×　) (3)理想气体的内能只与温度有关。 (　√　) (4)物体内能越大，外界对物体做功越多。 (　×　) 例1　(1)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2.5×105 J，则气体的内能是增加还是减少？改变量是多少？ (2)一定质量的气体，外界对其做功1.6×105 J，内能增加了4.2×105 J，此过程中气体是吸热还是放热？吸收或放出的热量是多少？ 答案　(1)增加　1.0×105 J　(2)吸热　2.6×105 J 解析　(1)由题意知，Q=3.5×105 J，W=-2.5×105 J，则根据热力学第一定律有 ΔU=Q+W=1.0×105 J ΔU为正值，说明气体的内能增加，增加量为1.0×105 J。 (2)由题意知，ΔU=4.2×105 J，W=1.6×105 J，则根据热力学第一定律有 Q=ΔU-W=2.6×105 J Q为正值，说明此过程中气体从外界吸热，吸收的热量为2.6×105 J。 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。 例2　(多选)(2023·威海市高二期末)某汽车机舱盖的支撑杆由气缸和活塞组成。打开机舱盖时，气缸内密闭气体膨胀，将机舱盖顶起。在此过程中，气缸内气体可视为理想气体，忽略缸内气体与外界的热交换。对于气缸内的气体，下列说法正确的是 (　　) A.压强减小 B.内能减小 C.分子势能减小 D.平均动能减小 答案　ABD 解析　根据热力学第一定律ΔU=Q+W可知，气体将机舱盖顶起，即气体对外做功，W<0，而忽略缸内气体与外界的热交换，则Q=0，因此可知ΔU<0，即气体的内能减小，而对于一定量的理想气体而言，内能减小则温度降低，而温度又是衡量气体分子平均动能的标志，温度降低则分子平均动能减小，故B、D正确；根据以上分析，由理想气体状态方程=C可知，气缸内密闭气体膨胀，即气体的体积增大，同时气体温度降低，因此可知缸内气体的压强一定减小，故A正确；气缸内气体可视为理想气体，而理想气体不考虑分子势能，认为分子势能始终为零，故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。 例3　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 答案　B 解析　由题意可知，气体先发生等压变化，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的功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。 等压变化过程，用公式W=pΔV计算 等压变化过程中，气体压强不变，气体对活塞的压力F=pS，为恒力，由恒力做功的公式W=Fs可得W=pSs=pΔV，即气体做的功与气体的压强p和气体体积的变化量ΔV有关。 二、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。 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。 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)能量的总量保持不变，所以我们不需要节约能源。 (　×　) (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。 (　√　) 例4　(2024·温州市高二期中)第19届亚运会于2023年9月23日晚在杭州盛大开幕。此次亚运会开幕式将实体烟花燃放改成电子烟花表演展示，通过数字技术、光学投影等展现烟花绽放场景，传递出中国绿色低碳环保且负责任的发展中大国形象。以下说法正确的是 (　　) A.能量在使用过程中总量保持不变，故不需要节约用电，可尽情燃放电子烟花 B.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 C.电子烟花技术将电能全部转化为光能和内能，过程中不存在能量耗散 D.相比于传统烟花，使用电子烟花完全无污染 答案　B 解析　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，选项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，选项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，选项D错误。 课时对点练　［分值：100分］ 1~7题每题7分，共49分 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 答案　C 解析　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。 2.(多选)物体的内能增加了20 J，则下列说法正确的是 (　　) A.一定是外界对物体做了20 J的功 B.一定是物体吸收了20 J的热量 C.可能是外界对物体做了20 J的功，也可能是物体吸收了20 J的热量 D.可能是物体吸收热量的同时外界对物体做了功，且热量和功共20 J 答案　CD 解析　根据物体的增加、减少，并不能得出是做功还是热传递导致的，故C、D正确。 3.一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 答案　B 解析　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。 4.(2023·重庆市凤鸣山中学月考)如图所示，在玻璃瓶中放入少量水，水面上方有无色的水蒸气，用中间带孔、孔中插有玻璃管的橡皮塞盖紧瓶口，然后往瓶中打气，当气压足够大时，橡皮塞从瓶口弹出，原来透明的瓶内充满了白雾，这一实验现象表明 (　　) A.气体对外界做功，瓶内气体温度升高，内能减少 B.外界对气体做功，瓶内气体温度升高，内能增加 C.气体对外界做功，瓶内气体温度降低，内能减少 D.外界对气体做功，瓶内气体温度降低，内能增加 答案　C 解析　白雾是小水滴，它是由水蒸气液化而形成的，该实验的原理如下：瓶内的气体压强增大到一定程度时，瓶内气体对橡皮塞做功，将橡皮塞弹出，气体对外界做功，将一部分内能转化为橡皮塞的机械能，气体的内能减少，温度降低，瓶中的水蒸气遇冷液化而形成白雾，故C正确，A、B、D错误。 5.(2023·江西省乐平中学高二期末)固定的气缸内由活塞封闭着一定质量的气体，在通常的情况下，这些气体分子之间的相互作用力可以忽略。在外力F作用下，将活塞缓慢地向上拉动，如图所示。在拉动活塞的过程中，假设气缸壁的导热性能良好，环境的温度保持不变，关于对气缸内的气体的下列论述，其中正确的是 (　　) A.气体对活塞做功，气体的内能减少 B.气体从外界吸热，气体分子的平均动能增大 C.气体从外界吸热，气体压强不变 D.气体单位体积的分子数减小，气体压强减小 答案　D 解析　由题意知，气缸内的封闭气体是理想气体且温度不变，故气体分子的平均动能不变，气体内能不变，A、B错误；气体体积增大，气体单位体积的分子减数小，气体对外界做功，根据热力学第一定律可知，气体从外界吸热，封闭气体温度不变，体积增大，压强减小，C错误，D正确。 考点二　能量守恒定律　永动机不可能制成 6.“第一类永动机”是不可能制成的，这是因为 (　　) A.它不符合机械能守恒定律 B.它违背了能量守恒定律 C.没有合理的设计方案 D.找不到合适的材料 答案　B 解析　第一类永动机不可能制成的原因是违背了能量守恒定律。故选B。 7.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 答案　C 解析　条形磁体穿过闭合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。 8、9题每题9分，10题15分，共33分 8.如图所示，自热米饭盒内有一个发热包，遇水发生化学反应而产生大量热能，不需要明火，温度可超过100 ℃，盖上盒盖便能在10~15分钟内迅速加热食品。自热米饭盒的盖子上有一个透气孔，如果透气孔堵塞，容易造成小型爆炸(爆炸前可认为饭盒体积不变)。下列有关自热米饭盒爆炸的说法，正确的是 (　　) A.自热米饭盒爆炸，是盒内气体温度升高，气体分子间斥力急剧增大的结果 B.在自热米饭盒爆炸的瞬间，盒内气体内能增加 C.在自热米饭盒爆炸的瞬间，盒内气体温度降低 D.自热米饭盒爆炸前，盒内气体温度升高，标志着每一个气体分子速率都增大了 答案　C 解析　自热米饭盒爆炸前，盒内气体体积不变，分子间的平均距离不变，分子间的作用力不变，故A错误；爆炸前气体温度升高，内能增大，爆炸瞬间气体对外界做功，根据热力学第一定律知，其内能减少，温度下降，故B错误，C正确；自热米饭盒爆炸前，盒内气体温度升高，分子平均动能增大，但并不是每一个气体分子速率都增大，故D错误。 9.(2023·广州市高二期末)用隔板将一绝热气缸分成两部分，隔板左侧充有理想气体，右侧与绝热活塞之间是真空的。现将隔板抽开，气体会自发扩散至整个气缸，待气体达到稳定后，缓慢推压活塞，将气体压回到原来的体积。整个过程不漏气，则下列说法正确的是 (　　) A.气体被压缩过程中内能增大 B.气体自发扩散过程中内能减小 C.气体自发扩散过程中，气体分子的平均速率增大 D.气体被压缩过程中，温度升高，所有分子的速率都增大 答案　A 解析　根据热力学第一定律ΔU=Q+W可知，在气缸绝热的情况下Q=0而当缓慢推压活塞，气体被压缩的过程中，外界对气体做功W>0，因此可得ΔU>0，即缸内气体的内能增大，故A正确；由于隔板右侧为真空，当抽去隔板，气体自发扩散，并不对外做功，而气缸绝热，根据热力学第一定律可知W=0，Q=0，由此可知ΔU=0，即气体自发扩散过程中缸内气体内能不变。对于一定量的理想气体而言，内能不变则温度不变，气体分子平均动能不变，气体分子的平均速率不变，故B、C错误；气体被压缩过程中，外界对气体做功，气缸绝热，气体内能增加，温度升高，因此可知气体分子的平均速率增大，但并不是所有分子的速率都增大，对于单个分子而言，其速率可能增大也可能减小，故D错误。 10.(15分)(2024·广东省开学考)图甲中空气炸锅是一种新型的烹饪工具，图乙为某型号空气炸锅的简化模型图，空气炸锅中有一气密性良好的内胆，内胆内的气体可视为质量不变的理想气体，已知胆内初始气体压强为p0=1.0×105 Pa，温度为T0=300 K，现启动加热模式使气体温度升高到T=450 K，此过程中气体吸收的热量为Q=8.0×103 J，内胆中气体的体积不变，求： (1)(6分)此时内胆中气体的压强p； (2)(9分)此过程内胆中气体的内能增加量ΔU。 答案　(1)1.5×105 Pa　(2)8.0×103 J 解析　(1)根据题意可知，气体体积不变，气体为等容变化，根据查理定律可得=，解得p=1.5×105 Pa (2)根据热力学第一定律有ΔU=W+Q 由于气体的体积不变，所以W=0 又因Q=8.0×103 J，所以ΔU=8.0×103 J。 11.(18分)如图甲所示为一台四冲程内燃机，活塞在压缩冲程某段时间内移动的距离为0.1 m，这段过程活塞对气体的压力逐渐增大，其做的功相当于2×103 N的恒力使活塞移动相同距离所做的功(图乙)。内燃机工作时气缸温度高于环境温度，该过程中压缩气体传递给气缸的热量为25 J。 (1)(9分)求上述压缩过程中气体内能的改变量； (2)(9分)燃烧后的高压气体对活塞做功，气体推动活塞移动0.1 m，其做的功相当于9×103 N的恒力使活塞移动相同距离所做的功(图丙)，该做功过程气体传递给气缸的热量为30 J。求此做功过程气体内能的改变量。 答案　(1)175 J　(2)-930 J 解析　(1)压缩过程活塞对气体做的功 W1=F1l1=2×103×0.1 J=200 J 气体内能的改变量 ΔU1=W1-Q1=200 J-25 J=175 J。 (2)气体膨胀过程中气体对外界所做的功 W2=F2l2=9×103×0.1 J=900 J 气体内能的改变量 ΔU2=-W2-Q2=-900 J-30 J=-930 J。 学科网（北京）股份有限公司 $$