高中物理 第十章 热力学定律 3 热力学第一定律能量守恒定律教材梳理素材 新人教版选修3-3.doc

3 热力学第一定律能量守恒定律庖丁巧解牛知识巧学一、热力学第一定律1.热力学第一定律的研究对象 研究功、热量跟内能的变化之间的定量关系.2.热力学第一定律的表达式 我们知道，做功和热传递都可以改变物体的内能.在一般情况下，如果物体跟外界同时发生做功和热传递的过程，那么，外界对物体所做的功w加上物体从外界吸收的热量q等于物体内能的增加u=q+w. 上式所表示的功、热量跟内能改变之间的关系，叫做热力学第一定律.深化升华 热力学第一定律的数学表达式也适用于物体对外做功、向外界散热和内能减少的情况. 3.对公式u=q+w符号的规定 外界对系统做功，w0，即w为正值； 系统对外界做功，也就是外界对系统做负功，w0，即w为负值； 外界对系统传递热量，也就是系统从外界吸收热量，q0，即q为正值； 外界对系统吸收热量，也就是系统向外界放出热量，q0，即q为负值； 系统内能增加，u0，即u为正值；系统内能减少，u0，即u为负值.联想发散 （1）物体与外界没有热交换时（绝热过程）： 外界对物体做多少功，它的内能就增加多少，反之物体对外界做功多少，它的内能就减少多少.u=w，其中u表示内能的增量，内能增加，u取正，内能减少，u取负；w表示功，外界对物体做功，w取正，物体对外界做功，w取负，做功的过程，物体的体积必发生变化.（2）物体与外界间没有做功时，物体从外界吸收多少热量，它的内能就增加多少；物体向外界放出多少热量，它的内能就减少多少，u=q，其中q表示热量，物体从外界吸热，q取正，物体向外界放热，q取负.二、能量守恒定律1.不同形式的能量之间可以相互转化（1）自然界中能量的存在形式：物体运动具有机械能、分子运动具有内能、电荷在电场中具有电势能、原子核内部的运动具有原子能等等，可见，在自然界中，不同的能量形式与不同的运动形式相对应.（2）不同形式能量之间的转化：“摩擦生热”是通过克服摩擦做功将机械能转化为内能；水壶中的水沸腾时，水蒸气对壶盖做功将壶盖顶起，表明内能转化为机械能；电流通过电热丝做功可将电能转化为内能等等.这些实例说明了不同形式的能量之间可以相互转化，且这一转化过程是通过做功来完成的.深化升华 （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.2.能的转化和守恒定律（1）人类通过对大量的实践经验进行总结得知，要获得一种能量，一定需要利用另一种能量通过做功的方式进行转化，能量不能被创生，即不可能设计、创造出一种不消耗任何能量而能源源不断地对外做功的永动机.（2）能的转化和守恒定律：能量既不能凭空产生，也不能凭空消失，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，这就是能的转化和守恒定律.辨析比较 热力学第一定律是包括内能和机械能在内的能量守恒定律，公式u=q+w本身很简单，关键是要正确使用规定的符号，对于实际问题，应从能量守恒的角度去理解问题中各个量之间的关系，特别是对于气体做功问题一定要清楚，若压缩气体，则外界对气体做功；若气体膨胀，则气体对外界做功，对于吸、放热问题应是比较直观的.3.能量守恒定律的重要意义 能的转化和守恒是分析解决问题的一个极为重要的方法，它比机械能守恒定律更普遍，例如物体在空中下落受到阻力时，物体的机械能不守恒，但包括内能在内的总能量总是守恒的. 能的转化和守恒定律是19世纪自然科学中三大发现之一，也庄严宣告了永动机幻想的彻底破灭. 能量的守恒定律是认识自然、改造自然的有力武器，这个定律将广泛的自然科学技术领域联系起来，使不同领域的科学工作者具有了一系列的共同语言.三、永动机不可能制成1.第一类永动机 概念：不消耗能量的机器. 结果：无一例外地归于失败. 原因：违背能量守恒原理.2.永动机给我们的启示 人类利用和改造自然时，必须遵循自然规律.典题热题知识点一 热力学第一定律例1 某物体温度升高了，这说明（ ）a.该物体一定吸收了热量b.该物体可能放出了热量c.外界对物体可能做了功d.物体可能吸收了热量解析：由u=q+w来分析，物体温度升高了，一定有物体的内能增加，u0，要满足u0可能有各种情况：w0，q=0；w=0,q0；w0，q0；w0，q0，w|q|；w0，q0,q|w|.由否定选a；与选项b一致；与选项c一致；与选项d一致，故选项b、c、d正确.答案：bcd方法归纳 应用热力学第一定律解题，先要明确研究对象，其次要根据符号的法则判断符号的正负.例2 气体膨胀对外做功100 j，同时从外界吸收了120 j的热量，它的内能的变化可能是（ ）a.减小20 j b.增大20 j c.减小220 j d.增大220 j解析：研究对象为气体.依符号规则，对外做功w=-100 j，吸收热量q=+120 j，由热力学第一定律有u=w+q=-100 j+120 j=20 j.u0，说明气体的内能增加，故选项b正确.方法归纳 （1）要明确研究的对象是哪个物体或者说是哪个热力学系统；（2）应用热力学第一定律计算时，要依照符号规则代入数据，对结果的正、负，也同样依照符号规则来解释其意义.例3 一定量的气体从外界吸收热量2.66105 j，内能增加4.25105 j，是气体对外界做功还是外界对气体做功？做了多少功？解析：题目中已经知道气体从外界吸收的热量以及内能的增加量，根据热力学第一定律的公式就可以求出外界对气体（或气体对外界）所做的功，在计算时，要特别注意符号法则. 根据规定，吸热时q取正号，内能增加时u取正号，由u=q+w，得w=u-q=4.25105 j-2.66105 j=1.59105 jw为正值，表示是外界对气体做功，做功的大小是1.59105 j.巧妙变式 该题可接着问气体的密度会怎样变化（变小）.如果该气体为理想气体，其温度会怎样变化.知识点二 能量守恒定律例4 行驶中的汽车制动后滑行一段距离，最后停下；流星在夜空中坠落并发出明亮的光焰；降落伞在空中匀速下降；条形磁铁在下落过程中穿过闭合线圈，线圈中产生电流.上述不同现象中所包含的相同的物理过程是（ ）a.物体克服阻力做功b.物体的动能转化为其他形式的能量c.物体的势能转化为其他形式的能量d.物体的机械能转化为其他形式的能量解析：这四个现象中物体运动过程都受到阻力作用，汽车主要是制动阻力，流星、降落伞是空气阻力，条形磁铁下落受磁场阻力，因而物体都克服阻力做功，a项对.四个物体运动过程中，汽车是动能转化成了其他形式的能，流星、降落伞、条形磁铁是重力势能转化成其他形式的能，总之是机械能转化成了其他形式的能，d项对.答案：ad方法归纳 本题立意新颖，以生活学习中常见的现象为背景，考查分析、归纳、总结能力，而涉及的物理原理并不难，重要考查能力，这正是高考命题的趋向.例5 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的尼亚加拉瀑布流量可达每秒6 000 m3，而且是一年四季流量稳定，瀑布落差50 m，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.（g取10 m/s2）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=v=11036 000 kg=6106 kg 每秒钟水减少的机械能为：e=mgh=61061050 j=3109 j 设发电机的输出功率为p，则由能量守恒定律可得：e=p 解得：p=310950% w=1.5109 w.知识点三 有关热力学第一定律和能量守恒定律的综合应用例6 如图10-3-2所示的容器中，a、b各有一个可自由移动的轻活塞，活塞下面是水，上面是空气，大气压恒定，a、b底部由带有阀门k的管道相连，整个装置与外界绝热，原先a中水面比b中高，打开阀门，使a中的水逐渐向b中流，最后达到平衡.在这个过程中，下面说法正确的是（ ）图10-3-2a.大气压力对水做功，水的内能不变b.水克服大气压力做功，水的内能减少c.大气压力对水不做功，水的内能不变d.大气压力对水不做功，水的内能增加解析：首先考虑大气压力对水是否做功，打开阀门k后，根据连通器原理，最后a、b两管中的水面将相平，即a中的水面下降，b中的水面上升，设a管的横截面积为s1，水面下降的距离为h1，b管的横截面积为s2，水面上升的距离为h2，由于水的总体积保持不变，所以a管中下降的水的体积等于b管中上升的水的体积，即s1h1=s2h2.a管中的水受到向下的大气压力，与水面下降的方向相同，所以大气压力对水做正功，设大气压强为p0，对水做的功为w1，有w1=f1h1=p0s1h1b管中的水也受到向下的大气压力，与水面上升的方向相反，所以大气压力对水做负功，用w2表示大气压力做的功，有w2=-f2h2=-p0s2h2 大气压力对水做的总功为：w=w1+w2=p0s2h1-p0s2h2 因为s1h1=s2h2，所以w=0，即大气压力对水不做功. 再来考虑水的内能是否改变的问题，打开阀门k后，a中的水逐 渐向b中流，即a中的水的重力做正功，b中的水的重力做负功， 但从最后的效果看，是a管中高度为h1的水移至b管中的高度为h2的地方，如图10-3-3所示，即水从高处流向低处，所以在这个过程中水的重力做正功，同时，整个装置是绝热的，与外界没有热量交换.由能量的转化和守恒定律可知，一种形式的能的减少，必定产生等量的其他形式的能量，即水减少的机械能完全转化为水的内能.图10-3-3答案：d误区警示 往往犯这样的错误：认为物体的内能与宏观的动能、势能无关，其实内能与机械能之间可以发生相互转化，如重力势能与内能之间的转化，而摩擦生热则是动能与内能之间的转化，符合能量守恒定律.例7 如图10-3-4所示，a、b是两个完全相同的铁球，a放在绝热板上，b用绝热绳悬挂，现只让它们吸收热量，当它们升高相同的温度时，它们所吸收热量分别为qa、qb，则（ ）图10-3-4a.qa=qb b.qaqbc.qaqb d.无法确定qa、qb的大小解析：当a、b两球升高相同的温度时，根据热胀冷缩原理可知，a、b球重心发生变化，a球重心升高的高度等于b球重心降低的高度，且在此过程中a球克服重力做功，b球受到重力对其做正功，且由题意分析在吸热过程中，它们升高相同的温度，内能增量u相同，由热力学第一定律u=q+w知，qa=u-wa，qb=u-wb，由于wa0，wb0，所以qaqb.答案：c方法归纳 做功和热传递在改变物体内能上是等效的，当两者同时在一个系统中进行时，我们要会借助于热力学第一定律灵活分析处理问题.问题 探究材料信息探究 材料：一位同学设计了一个自动工作的机器方案：把一根毛细管直立在水里，然后水能从低处上升到高处.把毛细管弯曲，在管口下方安装一个叶轮，利用从毛细管中滴出的水冲击叶轮，使叶轮不停地转动（图10-3-5）.图10-3-5问题 试评价论证这个设计方案.探究过程：对机械设计方案的可行性评价与论证，可以从是否符合物理原理出发.这个方案从表面上看似乎可行，实际上违背了能的转化和守恒定律，是不可能实现的.因为这个方案如果能实现，就构成了可以不消耗能量而永远运动的机械（永动机）.大量的科学事实已证明，永动机是不可能制成的. 从力学原理作进一步的论证：液体在毛细管内的上升高度，由表面张力的拉引作用与液柱重力相平衡的条件决定.在低于液柱上升高度h处把毛细管弯曲，根据液体能传递压强的特性，表面张力的合力仍会对液柱产生向上的拉力，由于这个拉力大于管内竖直部分（h