10-3熱力學第一定律能量守恒定律

1、第3節(jié)熱力學第一定律能量守恒定律學習目標：1理解熱力學第一定律并會應(yīng)用于實際 2能運用熱力 學第一定律解釋自然界能量的轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)移問題3理解能量守恒定律及 其應(yīng)用，知道能量守恒定律是自然界普遍遵從的基本規(guī)律 4知道第一 類永動機是不可能制成的.課前自主預(yù)習掘檢教材為本梳理新知 固基礎(chǔ)導學抓文本雷基礎(chǔ)一、熱力學第一定律課本導讀預(yù)習教材54頁“熱力學第一定律”部分，請同學們關(guān)注以下問 題：1. 改變內(nèi)能有哪種方式？2. 熱力學第一定律的內(nèi)容及表達式是什么？知識識記1. 改變內(nèi)能的兩種方式做功和熱傳遞.2. 熱力學第一定律(1) 內(nèi)容：一個熱力學系統(tǒng)的內(nèi)能增量等于外界向它傳遞的熱量與外界對它所做的功的

2、和.(2)表達式：AU = Q+ W.二、能量守恒定律和永動機課本導讀預(yù)習教材5456頁“能量守恒定律”及“永動機不可制成”部 分，請同學們關(guān)注以下問題：1能量守恒定律的內(nèi)容是什么？2. 能量守恒定律的意義是什么？3. 永動機為什么不可能制成？知識識記1. 能量守恒定律(1) 內(nèi)容：能量既不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化 為另一種形式，或者從一個物體轉(zhuǎn)移到別的物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過 程中，能量的總量保持不變.(2) 意義： 各種形式的能可以相互轉(zhuǎn)化. 各種物理現(xiàn)象可以用能量守恒定律聯(lián)系在一起.2. 永動機不可能制成(1) 第一類永動機：不需要任何動力或燃料，卻能不斷地對外 功

3、的機器.不可制成的原因：違背了能量守恒定律.辨真?zhèn)悟灣尚?. 做功和熱傳遞在改變物體內(nèi)能上是不等效的.（）答案X2. 運動的物體在阻力作用下會停下來，說明機械能憑空消失了.（）答案X3. 功和能可以相互轉(zhuǎn)化.（）答案X4. 第一類永動機不能制成，是因為它違背了能的轉(zhuǎn)化和守恒定律.（）答案V5. 某個物體的能量減少，必然有其他物體的能量增加.（）答案V6. 自由擺動的秋千擺動幅度越來越小，減少的機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，但總能量守恒.（）課堂互動探究K存師生互動合作探究要點一熱力學第一定律的應(yīng)用重難點突破型知識精要1. 應(yīng)用熱力學第一定律解題的思路(1) 首先應(yīng)明確研究對象是哪個物體或者是哪個熱力學系統(tǒng)

4、.(2) 分別找出題目中研究對象吸收或放出的熱量；外界對研究對 象所做的功或研究對象對外界所做的功； 研究對象內(nèi)能的增加量或減 少量.(3) 根據(jù)熱力學第一定律 AU = Q + W列出方程進行求解.(4) 特別注意物理量的正負號及其物理意義.2. 公式AU = W+ Q中符號的規(guī)定符號WQAU+外界對物體做功物體吸收熱量內(nèi)能增加物體對外界做功物體放出熱量內(nèi)能減少3幾種特殊情況(1) 若過程是絕熱的，即 Q= 0,貝S AU = W，物體內(nèi)能的增加量 等于外界對物體做的功.(2) 若過程中不做功，即 W= 0,貝S AU = Q,物體內(nèi)能的增加量 等于物體從外界吸收的熱量.(3) 若過程的始末

5、狀態(tài)物體的內(nèi)能不變，即AU = 0,則W=- Q(或Q=- W),外界對物體做的功等于物體放出的熱量(或物體吸收的熱量等于物體對外界做的功).4. 判斷是否做功的方法一般情況下外界對物體做功與否，需看物體的體積是否變化.(1) 若物體體積增大，表明物體對外界做功，W<0.(2) 若物體體積減小，表明外界對物體做功，W>0.典例剖析典例如圖所示是封閉的汽缸，內(nèi)部封有一定質(zhì)量的理想氣體.外力推動活塞P壓縮氣體，對缸內(nèi)氣體做功 800 J,同時氣 體向外界放熱200 J,則缸內(nèi)氣體的()A .溫度升高，內(nèi)能增加600 JB .溫度升高，內(nèi)能減少200 JC.溫度降低，內(nèi)能增加600 JD

6、 .溫度降低，內(nèi)能減少200 J審題指導應(yīng)用熱力學第一定律 AU = Q+ W時，要注意各項 的正負.嘗試解答由熱力學第一定律 W+ Q=AU得：AU = 800 J+ (-200 J) = 600 J, 定質(zhì)量的理想氣體的內(nèi)能大小只與溫度有關(guān)，AU=600 J>0,故溫度一定升高，A選項正確.答案A名師點撥應(yīng)注意以下三點(1)內(nèi)能的變化由AU = Q+ W求解.根據(jù)AU的正負判斷內(nèi)能的增減.(3) 根據(jù)內(nèi)能的變化判斷溫度的變化.題組訓練1. 一定量的氣體在某一過程中，外界對氣體做了 8X 104 J的功， 氣體的內(nèi)能減少了 1.2X105 J,則下列各式中正確的是()A . W= 8X

7、 104 J, AU = 1.2X 105 J, Q = 4X 104 JB. W= 8X 104 J, AU = - 1.2X 105 J , Q=-2X 105 JC. W=- 8X 104 J, AU = 1.2X 105 J, Q= 2X 104 JD. W=- 8X 104 J, AU = - 1.2X 105 J, Q=-4X 104 J解析因為外界對氣體做功，W取正值，即W= 8X 104 J ；內(nèi) 能減少，AU取負值，即AU = - 1.2X 105 J；根據(jù)熱力學第一定律 AU =W+Q,可知 Q= AU W=- 2X 105 J, B 正確.答案B2. 帶有活塞的汽缸內(nèi)封閉

8、一定量的理想氣體.氣體開始處于狀 態(tài)a,然后經(jīng)過過程ab到達狀態(tài)b或經(jīng)過過程ac到達狀態(tài)c, b、c 狀態(tài)溫度相同，如V-T圖所示.設(shè)氣體在狀態(tài)b和狀態(tài)c的壓強分 別為pb和pc,在過程ab和ac中吸收的熱量分別為Qab和Qac,則()A . pb>pc, Qab>QacB . pb>pc, Qab>QacC. pb<pc, Qab> QacD. pb<pc, Qab<Qac解析由題圖可知，a b有氣學=里誥，c有畀學=簾，Tc= Tb，則有 pbVb= pcVa，又 Vb>Va，貝y pbVpc，排除 A、B 兩項.又 Tb = Tc,貝

9、y ATa-b = ATa-c,由熱力學第一定律和 AUa-b = AUa-c 知， Wab + Qab= Wac+ Qac.a b 過程，V 增大，Wab<0，而 a C 過程，V 不變，Wac= 0,故Qab>Qac, C項對，D項錯.答案C要點二 對能量守恒定律的理解及應(yīng)用 重難點突破型知識精要1. 能量的存在形式及相互轉(zhuǎn)化(1) 各種運動形式都有對應(yīng)的能：機械運動有機械能，分子的熱 運動有內(nèi)能，還有諸如電磁能、化學能、原子能等.(2) 各種形式的能，通過某種力做功可以相互轉(zhuǎn)化，例如：利用 電爐取暖或燒水，電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；煤燃燒，化學能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；列 車剎車后，輪子溫度升高，

10、機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能.2. 與某種運動形式對應(yīng)的能是否守恒是有條件的. 例如，物體 的機械能守恒，必須是只有重力或彈力做功；而能量守恒定律是沒有 條件的，它是一切自然現(xiàn)象都遵守的基本規(guī)律.3. 第一類永動機失敗的原因分析如果沒有外界熱源供給熱量，則有U2-U1 = W,就是說，如果系統(tǒng)內(nèi)能減少，即 U2VU1，則 W<0,系統(tǒng)對外做功是要以內(nèi)能減少 為代價的，若想源源不斷地做功，就必須使系統(tǒng)不斷回到初始狀態(tài)， 在無外界能量供給的情況下是不可能的.典例剖析曲所11八如圖所示，一個質(zhì)量為20 kg的絕熱汽缸豎直放置，絕熱活塞的質(zhì)量為 5 kg，處于靜止狀態(tài)時被封閉氣體的高度為 50 cm，現(xiàn)在在

11、活塞上方加一質(zhì)量為15 kg的物體，待穩(wěn)定后，被封 閉氣體的高度變?yōu)?0 cm.求在這一過程中氣體的內(nèi)能增加多少.(g 取10 m/s2,不考慮活塞的大氣壓力及摩擦阻力)審題指導應(yīng)用能量守恒定律解答問題時，要搞清題目中共涉 及幾種形式的能量，以及相互轉(zhuǎn)化的情況.嘗試解答由能量的轉(zhuǎn)化與守恒定律可知，內(nèi)能的增加等于活 塞和物體重力勢能的減少，即U = AE = (M + m)g Ah = 20 J答案20 J名師點撥用能量守恒定律解題的步驟(1)確定研究的對象和范圍，分析在研究的過程中有多少種不同 形式的能(包括動能、勢能、內(nèi)能、電能等)發(fā)生變化.找出減少的能并求總的減少量AE減，找出增加的能并求

12、總的增加量增.(3) 由能量守恒 減=圧增列方程.(4) 代入已知條件求解方程.題組訓練1. 如圖所示，密閉絕熱容器內(nèi)有一絕熱的具有一定質(zhì)量的活塞， 活塞的上部封閉著氣體，下部為真空，活塞與器壁間的摩擦忽略不 計.置于真空中的輕彈簧一端固定于容器的底部，另一端固定在活塞上，彈簧被壓縮到底后用繩扎緊，此時彈簧的彈性勢能為Ep（彈簧處在自然長度時的彈性勢能為零）.現(xiàn)繩突然斷開，彈簧推動活塞向上 運動，經(jīng)過多次往復運動后活塞靜止， 氣體達到平衡狀態(tài).經(jīng)過此過 程（）/ 、 封閉氣體A . Ep全部轉(zhuǎn)換為氣體的內(nèi)能B. Ep 一部分轉(zhuǎn)換成活塞的重力勢能，其余部分仍為彈簧的彈性 勢能C. Ep全部轉(zhuǎn)換成

13、活塞的重力勢能和氣體的內(nèi)能D .Ep 一部分轉(zhuǎn)換成活塞的重力勢能，一部分轉(zhuǎn)換為氣體的內(nèi)能, 其余部分仍為彈簧的彈性勢能-F*；G解析當繩子突然斷開時，活塞受彈簧的彈力 F、活塞的重力 G、封閉氣體對活塞向下的壓力 F '共同作用，如圖所示，其合力向 上，經(jīng)多次往復運動后活塞靜止時，活塞處于三力平衡狀態(tài)，氣體體 積必減小，外力對氣體做正功，由于絕熱，氣體的內(nèi)能增加，而活塞 最終的靜止位置比初始位置高，其重力勢能增加，最終彈力與另外兩 個力的合力平衡，彈簧仍有形變.設(shè)最終彈簧的彈性勢能為Ep ,由能量守恒定律得 Ep = Ep +活塞增加的重力勢能+氣體增加的內(nèi) 能.所以D選項正確.答案D

14、2. 如圖所示容器中，A、B各有一個可自由移動的輕活塞，活 塞下是水，上為空氣，大氣壓恒定.A、B底部由帶有閥門K的管道 相連，整個裝置與外界絕熱.原先 A中水面比B中高，打開閥門， 使A中的水逐漸向B中流，最后達到平衡.在這個過程中，下面說 法正確的是（）A .大氣壓力對水做功，水的內(nèi)能增加B .水克服大氣壓力做功，水的內(nèi)能減少C.大氣壓力對水不做功，水的內(nèi)能不變D .大氣壓力對水不做功，水的內(nèi)能增加解析由W= p S IA= p 仏可知大氣壓力對 A、B兩管中水做 功代數(shù)和為零，但由于水的重心下降，重力勢能減小，由能量守恒定 律可知水的內(nèi)能增加，D對.答案D直達高考1. 如圖所示，在AtB

15、和DtA的過程中，氣體放出的熱量分 別為4J和20 J.在Bt C和CtD的過程中，氣體吸收的熱量分別為 20 J和12 J.求氣體完成一次循環(huán)對外界所做的功.解析完成一次循環(huán)氣體內(nèi)能不變，則AU = 0,吸收的熱量 Q = （20+ 12-4- 20）J = 8 J,由熱力學第一定律 AU = Q + W得，W=- 8 J,則氣體對外做功8 J.答案8 J2. （多選）一定量的理想氣體從狀態(tài) a開始，經(jīng)歷等溫或等壓過 程ab、be、cd、da回到原狀態(tài)，其p- T圖象如圖所示，其中對角線 ac的延長線過原點O下列判斷正確的是（）A .氣體在a、c兩狀態(tài)的體積相等B. 氣體在狀態(tài)a時的內(nèi)能大于

16、它在狀態(tài)c時的內(nèi)能C. 在過程cd中氣體向外界放出的熱量大于外界對氣體做的功D .在過程da中氣體從外界吸收的熱量小于氣體對外界做的功E.在過程bc中外界對氣體做的功等于在過程 da中氣體對外界 做的功解析由pjV= C得p= C T（C為常量），因?qū)蔷€ac的延長線 過原點O,即p= kT,故體積V不變，即Va= Vc,選項A正確;定量的理想氣體的內(nèi)能由溫度 T決定，而Ta>Tc，故Ea>Ec,選項B 正確；cd過程為等溫加壓過程，外界對系統(tǒng)做正功，但系統(tǒng)內(nèi)能不 變，故系統(tǒng)要對外放熱，放出熱量 Q= W外，選項C錯誤；da過程 為等壓升溫過程，體積增加，對外界做功，系統(tǒng)內(nèi)能增加，

17、故系統(tǒng)要 從外界吸熱，且吸收熱量 Q=W外+AE內(nèi)>W外，選項D錯誤；bc過 程為等壓降溫過程，由 半=半可知，氣體體積會減小，W = g =I 1 I 2CATbc,同理 da過程中,W = p N = CATda,因為| 2Tbc|= | 2Tda|, 故WITW' I,選項E正確.答案ABE3. (1)如圖，用隔板將一絕熱氣缸分成兩部分，隔板左側(cè)充有理 想氣體，隔板右側(cè)與絕熱活塞之間是真空. 現(xiàn)將隔板抽開，氣體會自 發(fā)擴散至整個氣缸.待氣體達到穩(wěn)定后，緩慢推壓活塞，將氣體壓回 到原來的體積.假設(shè)整個系統(tǒng)不漏氣.下列說法正確的是 .A .氣體自發(fā)擴散前后內(nèi)能相同B .氣體在被

18、壓縮的過程中內(nèi)能增大C.在自發(fā)擴散過程中，氣體對外界做功D .氣體在被壓縮的過程中，外界對氣體做功E.氣體在被壓縮的過程中，氣體分子的平均動能不變(2)熱氣球體積為V,內(nèi)部充有溫度為Ta的熱空氣，氣球外冷 空氣的溫度為Tb.已知空氣在1個大氣壓、溫度為To時的密度為P, 該氣球內(nèi)、外的氣壓始終都為1個大氣壓，重力加速度大小為 g. 求該熱氣球所受浮力的大??； 求該熱氣球內(nèi)空氣所受的重力； 設(shè)充氣前熱氣球的質(zhì)量為 mo，求充氣后它還能托起的最大質(zhì) 量.解析(1)氣體自由膨脹，不對外做功，內(nèi)能不變，選項A正確， C錯誤；氣體被壓縮的過程中，外界對氣體做功，氣體內(nèi)能增大，溫 度升高，氣體分子的平均動能增大，選項 BD正確，E錯誤.(2)設(shè)1個大氣壓下質(zhì)量為 m的空氣在溫度為To時的體積為Vo，密度為p=V0 在溫度為T時的體積為Vt，密度為pT)=VT由蓋一呂薩克定律得再¥I 0 I聯(lián)立式得pT)=卬¥氣球所受到的浮力為f = PTb)gV 聯(lián)立式得f= Vgpo* 氣球內(nèi)熱空氣所受的重力為G= pTa)Vg 聯(lián)立式得G = Vg p°¥ I a設(shè)該氣球還能托起的最大質(zhì)量為 m，由力的平衡條件得mg= f G mog