第3章 2 热力学第一定律&3 能量守恒定律-【成才之路·学案】2025-2026学年高中物理选择性必修第三册同步新课程学习指导(人教版)

066 例4：关于温度、热量、做功和内能，以下说法正确的是 [规律方法] A.同一物体，温度高时，含有的热量多 (1)就某一状态而言， B.物体的内能越大，含有的热量就越多，温度也越高 只有内能，不存在什么 热量和功，因此不能说 C.外界对系统做功W,内能必定增加W 一个系统含有多少热量 D.发生热传递的条件是两物体之间存在温度差 >[规律方法] 或多少功。 跟踪训练3：（多选）下列关于做功和传热的说法正确的是 （2)不能说系统吸收 热量多，温度变化一 A.做功和传热的实质是相同的 定大，也不能说系统 B.做功和传热可以同时发生 的温度高，它放出的 C.做功和传热在改变物体内能上是等效的 热量就一定多。 D.做功和传热是对同一过程的两种说法 夯基提能作业 请同学们认真完成练案[13] 2.热力学第一定律 3.能量守恒定律 ●目标重点展示 素养目标 学习重点 (1)理解热力学第一定律。 (2)理解能量守恒定律，知道能量守恒定律是自然界普 物理观念 遍遵从的基本规律。 (1)热力学第一定律的理 (3)知道第一类永动机是不可能制成的。 解和应用。 (2)能量守恒定律的理解 (1)能运用热力学第一定律解释自然界中能量的转化、 和应用。 科学思维 转移问题。 (2)学会用能量守恒定律分析有关问题。 探究点1热力学第一定律 [提示] ●新知导学 (1)因为压缩气体过 程外界对气体做功， 情境：如图所示，汽缸内有一定质量的气体，如果 使气体的内能增加； 压缩气体的同时给汽缸加热。那么，气体内能的变化 同时给汽缸加热，也 会使气体的内能增 会比单一方式（做功或传热）更明显。 加，故气体内能的变 探究：(1)这是为什么呢？ 化会比单一方式（做 (2)如果压缩气体对气体做功为W,同时给汽缸 功或传热)更明显。 传热为Q,则气体的内能怎么变化？ (2)气体的内能增 加，△U=Q+W。 [提示] ●067 ●要点归纳 1.改变内能的两种方式： 与 两者对改变系统的内能 是 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 与外界对它 的和。 (2)数学表达式：△U= (3)公式△U=Q+W中符号的规定 符号 W Q AU + 对系统做功 系统 热量 内能 系统对 做功 系统 热量 内能 》特别提醒 (1)定律的表达式△U=Q+W是标量式。 [思考] (2)应用时各量的单位应统一为国际单位焦耳。 如图所示，某同学观 3.判断气体是否做功的方法 察洒水车洒水的过 程，发现洒水车的轮 一般情况下需看气体的体积是否变化。 胎不断膨胀。 (1)若气体体积增大，表明气体对外界做功，W<0。 (2)若气体体积减小，表明外界对气体做功，W<0。 (3)在等压变化过程中，做功可用W=P△V计算。 4.气体状态变化的几种特殊情况 (1)轮胎为什么不断 (1)绝热过程：Q= ,则△U= 系统内能的增加量（或 膨胀？ 减少量)等于外界对系统（或系统对外界）做的功。 (2)轮胎内的气体是 吸热还是放热？（假 (2)等容过程：W= ,则△U= 系统内能的增加量（或 设轮胎内气体温度不 减少量)等于系统从外界吸收（或系统向外界放出）的热量。 变) (3)等温过程：始末状态一定质量理想气体的内能 ,即△U= 提示：(1)洒水车在 缓慢洒水的过程中， ,则W= (或Q= ),外界对系统做的功等于系统 轮胎内气体压强减 放出的热量（或系统吸收的热量等于系统对外界做的功）。 小，所以气体膨胀。 [判断正误] (2)气体膨胀，对外 (1)外界对系统做功，系统的内能一定增加。 界做功。根据△U= W,可知气体内能减 (2)系统内能增加一定是因为系统从外界吸收热量。 ( 小，但轮胎内气体温 (3)系统从外界吸收热量5J,同时对外做功5J,则内能保持不变。 度不变，△U=0,所 (4)气体体积增大，气体一定对外做功。 以气体一定从外界 吸热。 P[思考] 068 例1：一定量的气体从外界吸收了2.6×10J的热量，内能增加了4.2×10J。 (1)是气体对外界做了功，还是外界对气体做了功？做了多少焦耳 的功？ (2)如果气体吸收的热量仍为2.6×10J不变，但是内能增加了1.6×[规律方法]应用热 10J,计算结果W=-1.0×10J,是负值，怎样解释这个结果？ 力学第一定律解题 (3)在热力学第一定律△U=Q+W中，W、Q和△U的正值、负值各代表的一般步骤 什么物理意义？ >[规律方法] (1)首先应明确研究 对象是哪个物体或者 是哪个热力学系统； (2)根据符号法则写 出各已知量（明确 W、Q、△U)的 正负： (3)根据方程△U=W +Q求出未知量； （4)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。 跟踪训练1：（多选）如图所示为简易测温装置，玻璃管中一小段水 银封闭了烧瓶内一定质量的气体，当温度升高时 ( A.瓶内气体的密度增大 B.瓶内气体分子的平均动能增加 C.外界对瓶内气体做正功 D.热传递使瓶内气体的内能增加 069 跟踪训练2：如图所示，内壁光滑的绝热汽缸固定在水平 面上，其右端由于有挡板，厚度不计的绝热活塞不能离开汽 缸，汽缸内封闭着一定质量的理想气体，活塞距汽缸右端的距离为0.2。现 [比较] 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 热力学第一定律与 变为2×10Pa。已知活塞的横截面积为0.04m2,外部大气压强为1×10 能量守恒定律的 比较 Pa,加热过程中封闭气体吸收的热量为2000J,则封闭气体的内能变化量为 (1)能量守恒定律是 各种形式的能相互转 A.400J B.1200J 化或转移的过程，总 能量保持不变，它包 C.2000J D.2800J 括各个领域，范围 广泛。 探究点2能量守恒定律 永动机不可能制成 (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 1.能量守恒定律 化或转移，是能量守 (1)内容：能量既不会凭空 ,也不会凭空 ,它只能从一恒定律在热现象领域 种形式 为其他形式，或者从一个物体 到别的物体，在转化 内的具体体现。 或转移的过程中，能量的总量 [思考] (2)两种表达 如图为一种所谓“全 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 自动”的机械手表，既 不需要上发条，也不 定相等。 用任何电源，却能不 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 停地走下去。这是不 是一种永动机？如果 加量一定相等。 [比较] 不是，维持表针走动 2.永动机不可能制成 的能量是从哪儿 来的？ (1)第一类永动机：它不需要任何 或 ,却能不断地对外 做功。 (2)不可能制成的原因：违背了 [判断正误] (1)能量既可以转移又可以转化，故能的总量是可以变化的。 ( ）提示：这不是永动 (2)违背能量守恒定律的过程是不可能发生的。 ( 机。手表戴在手腕 上，通过手臂的运 (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。 ( 动，机械手表获得能 (4)第一类永动机不可能制成，是因为它违背了能量守恒定律。 量，供手表指针走 (5)某个物体的能量减少，必然有其他物体的能量增加。 动。若将此手表长 ( 时间放置不动，它就 ●[思考]会停下来。 070 类型一：对能量守恒定律的理解 例2：（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，运行过程中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 [规律方法]应用能 绍后，以下说法合理的是 量守恒定律解题的 A.变频空调节能，运行中不遵守能量守恒定律 方法步骤 B.变频空调运行中做功少，转化能量多 (1)认清有多少种形 式的能（例如动能、 C.变频空调在同样工作条件下运行效率高，省电 势能、内能、电能、 D.变频空调与定频空调做同样功时，消耗同样电能 化学能、光能等)在 类型二：能量守恒定律的应用 相互转化。 例3：水能不产生污染物，是一种清洁能源。位于美国和加拿大交界处 (2)分别写出减少的 的尼亚加拉瀑布流量可达每秒6000m3,而且一年四季流量稳定， 能量△E城和增加的 瀑布落差50m,若利用这一资源发电，设其效率为50%，估算发电 能量△E增的表 机的输出功率。（g取10m/s2) 达式。 水下落高度发电机的输出功率等于每秒钟流入发 下移每秒流入发电机的 (3)列出能量守恒方 h=50m 电机木的机械能的减少量轰以效幸 体积V=6000m3,m= 程：△Es=△E增。 50%(木在上游的速度和流出发电机 pV,可以求出每秒流入 (4)代入数据，计算 速度可以认为相等或均为零) 发电机木的质量 结果。 ●[规律方法] 071 跟踪训练2：(2025·菏泽高二检测)如图所示，直立容器的内部有被隔板隔开的 A、B两部分气体，A的密度小，B的密度大。抽去隔板，加热气体，使两部分气体均匀 混合。设在此过程中气体吸热Q,气体内能的增量为△E,则 ( A.△E=Q B.△E<Q C.△E>Q D.△E=0 类型三：对第一类永动机的认识 例4：（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可源源不断地对外做功的机器 B.第一类永动机不能制成的原因是违背了热力学第一定律 C.第一类永动机不能制成的原因是技术问题 D.第一类永动机不能制成的原因是违背了能量守恒定律 夯基提能作业 请同学们认真完成练案[14] 专题强化2热力学第一定律与气体状态 方程的综合应用 ●目标重点展示 素养目标 学习重点 物理观念 加深对热力学第一定律的理解。 (1)热力学第一定律与气 体状态方程的综合 (1)会综合分析热力学第一定律和气体状态方程结合的 问题。 有关问题。 科学思维 (2)热力学第一定律与状 (2)会分析热学图像的物理意义，并结合热力学第一定 态变化图像的综合 律分析有关能量问题。 问题。 提升点1热力学第一定律与气体状态方程的综合问题 ●新知导学 1,热力学第一定律与理想气体状态方程结合问题的分析思路 (1)利用体积的变化分析做功情况。气体体积增大，气体对外界做功；气体体积减小，外界对气 体做功。 (2)利用温度的变化分析理想气体内能的变化。一定质量的理想气体的内能仅与温度有关，温 度升高，内能增加；温度降低，内能减小。(3)某组同学进行实验时，一同学在记录数据时漏掉了△V, 则在计算pV乘积时，根据p(V。+△)-pV。=p△V,可知他的 计算结果与同组正确记录数据同学的计算结果之差的绝对 值会随p的增大而增大。 第三章热力学定律 1.功、热和内能的改变 探究点1焦耳的实验 要点归纳 1.吸热放热 2.(1)摩擦(2)热效应 4.(1)自身状态温度体积物质的量(2)动能 判断正误 (1)×(2)V(3)× 例1：C焦耳通过多次实验，最后得到的结论是：在各种不同的 绝热过程中，系统状态的改变与做功方式无关，仅与做功数量 有关。 探究点2功与内能的改变 要点归纳 1.外界W 2.(1)绝热(2)0增加0减少 判断正误 (1)×(2)V(3)V 例2：C胶塞冲出容器口，气体膨胀，对外做功。由于没来得及 发生热交换，由W=△U可知，内能减少，温度降低，A、B、D错 误，C正确。 跟踪训练1：AC袋内气体与外界无热交换时，气体内能的变化 等于外界对气体所做的功，故充气袋四周被挤压时，体积减 小，袋内气体对外界做负功，袋内气体压强增大，内能增大，故 选项A、C正确，B、D错误。 探究点3热与内能的改变 要点归纳 1.(1)温度(2)高温低温 2.(1)内能(2)外界系统Q>< 判断正误 (1)×(2)×(3)V(4)× 例3：D在外界不做功的情况下，内能的改变量等于传递的热 量，内能增加50J,一定是吸收了50J的热量，故A错误，B正 确；物体内能包括有分子热运动的动能和势能，内能由分子 数、分子平均动能、分子势能共同决定，所以内能增加了50J 并不一定是分子动能增加了50J,物体分子的平均动能有可 能不变，这时吸收的50J热量全部用来增加分子势能，故C错 误，D正确。 跟踪训练2：AC热平衡条件是温度相等，热传递的方向是从温 度高的物体传向温度低的物体；在热传递过程中高温物体放 出的热量等于低温物体吸收的热量，故A、C正确，B、D错误。 —20 素养能力提升 例4：D热量是过程量，不能说物体含有多少热量，故A、B错 误；在传热过程中（注意：条件是存在温度差和传递的是热量 而非温度)，发生热传递的条件是两物体之间存在温度差，故 D正确：只有在绝热过程中才有△U=W,故C错误。 跟踪训练3：BC做功和传热在改变物体内能上是等效的，但有 着本质区别。做功是内能和其他形式能量间的相互转化，外 界对物体做功，其他形式的能转化为物体的内能；物体对外界 做功，物体的内能转化为其他形式的能。而传热是将高温物 体的内能传递给低温物体，或是将同一物体高温部分的内能 传递给低温部分。做功和传热互不影响，所以二者可以同时 进行。故B、C正确，A、D错误。 2.热力学第一定律 3.能量守恒定律 探究点1热力学第一定律 要点归纳 1.做功热传递等价的 2.(1)热量所做的功(2)Q+W (3)外界吸收增加外界放出减少 4.(1)0W(2)0Q(3)不变0-Q-W 判断正误 (1)×(2)×(3)V(4)× 例1：(1)外界对气体做了功1.6×10J(2)(3)见解析 解析：(1)由热力学第一定律知△U=W+Q, 将Q=2.6×10°J,△U=4.2×10°J代入上式得 W=△U-Q=4.2×103J-2.6×10J=1.6×10J, W>0,说明外界对气体做了1.6×10°J的功。 (2)如果吸收的热量Q=2.6×10°J, 内能△U增加了1.6×10°J, 计算结果为W=-1.0×10J, 说明气体对外界做功1.0×10°J。 (3)在公式△U=Q+W中，△U>0,系统内能增加：△U<0,系 统内能减少。 Q>0,系统吸热；Q<0,系统放热。 W>0,外界对系统做功；W<0,系统对外界做功。 跟踪训练1：D由题图可知，当温度升高时，烧瓶内气体的变 化为等压膨胀，故瓶内气体的密度减小，气体分子的平均动能 增加，瓶内气体对外做功，选项B正确，A、C错误：瓶内气体内 能增加是由于气体从外界吸收了热量，选项D正确。 跟踪训练2：B由题意可知，气体先做等压变化，活塞运动到挡 板处后再做等容变化，等压变化过程气体对外做功，则W= -P%Sx=-1×10°×0.04×0.2J=-800J,由热力学第一定 律可知，封闭气体的内能变化量为△U=Q+W=(2000-800)J =1200J,故B正确。 探究点2能量守恒定律永动机不可能制成 1.(1)产生消失转化转移保持不变 2.(1)动力燃料(2)能量守恒定律 判断正误 (1)×(2)V(3)×(4)V(5)V 例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。 例3：1.5×109W 解析：水力发电的基本原理是水的机械能转化为电能。 尼亚加拉瀑布每秒钟流下的水的质量 m=pV=1×103×6000kg=6×10°kg, 每秒钟水减少的机械能 E=mgh=6×10°×10×50J=3×109J, 设发电机的输出功率为P,则由能量守恒定律 可得En=Pt, 解得P=3×10°×50%W=1.5×10°W。 跟踪训练2：B抽去隔板，加热气体，使两部分气体均匀分布， 其重心升高，重力势能增加。由能量守恒定律知，增加的重力 势能由内能转化而来，所以内能的增量小于吸收的热量，故选 项B正确。 例4：ABD第一类永动机是不消耗任何能量却可源源不断地对 外做功的机器，这是人们的美好愿望，但它违背了热力学第 定律，也违背了能量守恒定律，这也是它不能制成的原因，故 A、B、D正确。 专题强化2热力学第一定律与气体状态 方程的综合应用 提升点1热力学第一定律与气体状态方程的综合 问题 例1：(1)号7。(2)写4(s+mg)+写7。 解析：)气体进行等压交化，则由盖吕萨克定律得=广门 (h+)s To T 解得1=号1。 (2)此过程中气体内能增加A=CaT=号C 气体对外钱功大小为W=pAh=写A(%S+mg) 由热力学第一定律可得此过程中容器内气体吸收的热量 Q=A0+W=(n,s+me)+5C。 跟踪训练1：(1)450K(2)1000J 解析：(1)汽缸口水平朝右时为初状态，此时汽缸内气压等于 大气压，则 2 p1=po=1.0×105Pa,y=L1S=1.2×10-2m3。 汽缸口竖直向上时对活塞进行受力分析，受大气竖直向下的 压力，自身的重力以及汽缸中气体竖直向上的支持力，则 m=%+5=1.2×10Pa, 汽缸缓慢逆时针转动过程中气体做等温变化，则P1V=P2V2, 气体缓慢加热过程中气体做等压变化， 为壳-只展立好得7-460K。 (2)对气体缓慢加热过程中，气体做等压膨胀， 对外做功W=-P2(LS-V2)=-600J, 根据热力学第一定律得△U=W+Q,解得△U=1000J。 提升点2热力学第一定律与状态变化图像的综合 问题 例2：Aca是一条过原点的倾斜直线，斜率一定，则表明气体由 状态c到状态a发生的是等压变化，A正确：对c→a过程有 T=,解得T,=600K,B错误；气体由状态c到状态a过 程，体积减小，外界对气体做正功，C错误；气体由状态c到状 态a过程为等压过程，气体体积减小，外界对气体做功为W =po(2V。-V)=100J。气体由状态b到状态c为等容变化， 吸收的热量等于增加的内能，即△Ue=100J,根据图像状态a 与状态b温度相等，内能相等，即△Um=-△U=-100J,气 体由状态c到状态a过程，根据热力学第一定律有AU=W +Q'=-100J,解得Q'=-200J,即气体由状态c到状态a 气体放出的热量为200J,D错误。 跟踪训练2：AD1→2为绝热过程，根据热力学第一定律△U= Q+W可知此时气体体积减小，外界对气体做功，故内能增 加，故A正确；23为等压过程，根据盖一吕萨克定律可知气 体体积增大时温度升高，内能增大，此时气体体积增大，气体 对外界做功W<0,故气体吸收热量，故B错误；3→4为绝热 过程，此时气体体积增大，气体对外界做功W<0,根据热力学 第一定律可知气体内能减小，故C错误；4一→1为等容过程，根 据查理定律可知压强减小时温度降低，故内能减小，由于体积 不变W=0,故可知气体向外放热，故D正确。故选AD。 4.热力学第二定律 探究点1热力学第二定律 要点归纳 1.(1)不可逆方向 2.（1)自发低高方向 (2)化学能内能做功机械能小于<完全变成功 3.等价4.方向性 判断正误 (1)V(2)×(3)V(4)×(5)× 例1：BC根据传热的方向性可知，热量可以自发地从高温物体 传到低温物体，但不能自发地从低温物体传到高温物体，如果 借助外界的帮助，热量可以从低温物体传到高温物体，故A错 误，B正确；机械能可以全部转化为内能（如一个运动物体克 8