2019-2020学年高中物理 第4章 热力学定律与能量守恒 1 热力学第一定律 2 能量守恒定律的发现历程精练（含解析）沪教版选修3-3

热力学第一定律 能量守恒定律的发现历程1.理解物体跟外界做功和热传递的过程及w、q、u的物理意义2.理解热力学第一定律uwq，会用uwq分析和计算有关问题(重点难点)3.掌握能量守恒定律，会用能量守恒的观点分析、解决有关问题(重点),一、做功和内能的改变1系统只通过对外界做功或外界对它做功而与外界交换能量，它不从外界吸热，也不向外界放热，这样的过程叫做绝热过程2当系统从状态1经过绝热过程达到状态2时，内能的增加量uu2u1就等于外界对系统所做的功w，即uw这就是说在绝热过程中内能的改变用功来量度，外界对物体做多少功，物体的内能就增加多少；物体对外界做多少功，物体的内能就减少多少二、热传递和内能的改变1两个温度不同的物体相互接触时，热量从高温物体传到低温物体，这样的过程叫做热传递2热量是在单纯的传热过程中系统内能变化的量度当系统由状态1经过单纯的传热过程达到状态2，内能的增量uu2u1就等于外界向系统传递的热量q，即uq系统吸收了多少热量，系统的内能就增加多少；系统放出了多少热量，系统的内能就减少多少3做功和热传递对改变物体的内能在效果上是等效的三、热力学第一定律1当外界既对系统做功又对系统传热时，内能的增量应该是uqw也就是说，一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和这个关系叫做热力学第一定律2w、q、u正负号确定(1)外界对系统做功，w取正值；系统对外界做功，w取负值(2)系统吸热，q取正值，系统放热，q取负值(3)系统内能增加，u取正值；系统内能减少，u取负值四、能量守恒定律1能量守恒定律可以表述为：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，或者从一个系统(物体)转移到别的系统(物体)，在转化或转移的过程中其总量不变2能的转化和守恒定律的发现是科学史上的重大事件恩格斯把它与细胞学说、生物进化论一起列为19世纪的三大发现能量守恒定律是自然界的普遍规律，是人们认识自然，改造自然的有力武器，在20世纪30年代初，w泡利和e费米根据能量守恒定律预言了中微子的存在并在后来得到证实对内能改变的理解1做功和热传递在改变内能上的关系做功热传递内能变化外界对物体做功，物体的内能增加物体对外界做功，物体的内能减少物体吸收热量，内能增加物体放出热量，内能减少物理实质其他形式的能与内能之间的转化不同物体间或同一物体不同部分之间内能的转移相互联系做一定量的功或传递一定量的热在改变内能的效果上是相同的2.功、热量和内能(1)功和内能的区别：功是能量转化的量度，是过程量，而内能是状态量，做功过程中，能量一定会发生转化而内能不一定变化，但内能变化时，不一定有力做功，也可能是由热传递改变物体的内能物体内能大，并不意味着做功多，只有内能变化大，才可能做功多(2)热量和内能：内能是由系统的状态决定的，状态确定，系统的内能也随之确定，要使系统的内能发生变化，可以通过热传递或做功两种方式来完成而热量是热传递过程中的特征物理量，和功一样，热量只是反映物体在状态变化过程中所迁移的能量，是用来衡量物体内能变化的有过程，才有变化，离开过程，毫无意义就某一状态而言，只有“内能”，根本不存在什么“热量”和“功”，因此，不能说一个系统中含有“多少热量”或“多少功”对于热量、功和内能三者的说法正确的是()a热量、功、内能三者的物理意义等同b热量、功都可以作为物体内能的量度c热量、功、内能的单位不相同d热量和功是由过程决定的，而内能是由物体状态决定的思路点拨 求解此题应把握以下三点：(1)明确功、热量、内能的物理意义(2)明确功、热量、内能分别是过程量还是状态量(3)功、热量、内能的单位相同解析物体的内能是指物体的所有分子动能和分子势能的总和，而要改变物体的内能可以通过做功和热传递两种途径，这三者的物理意义不同，a项错热量是表示在热传递过程中物体内能变化多少的物理量，而功也是用做功的方式来量度改变物体内能多少的物理量，b项错三者单位都是焦耳，c项错热量和功是过程量，内能是状态量，d项对答案d关于温度、热量、功、内能，以下说法正确的是 ()a同一物体温度高时，含有的热量多b物体的内能越大，含有的热量就越多，温度也越高c外界对系统做功w，内能必定增加wd在自然过程中，热量总是从温度高的物体传给温度低的物体解析：选d.同一物体温度高时，内能大，只有热传递过程转移的内能才能称为热量，a错，b错；在自然过程中，热量总是从温度高的物体传给温度低的物体，d对；只有在绝热过程中uw，c错对热力学第一定律的理解1热力学第定律不仅反映了做功和热传递这两种改变内能的效果是等效的，而且给出了内能的变化量和做功与热传递之间的定量关系此定律是标量式，应用时热量的单位应统一为国际单位制中的焦耳2对公式uqw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q为正值；外界从系统吸收热量，也就是系统向外界放出热量，q0，即u为正值；系统内能减少，u0，即u为负值归纳列表记为：热力学第一定律是能的转化与守恒定律在改变物体内能这一特定过程中的具体体现符号wqu外界对物体做功物体吸收热量内能增加物体对外界做功物体放出热量内能减少 命题视角1用热力学第一定律定性分析密闭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)()a内能减小，外界对其做功b内能减小，吸收热量c内能增大，对外界做功d内能增大，放出热量解析密闭有空气的薄塑料瓶降温说明气体的内能减小，薄塑料瓶变扁说明外界对气体做功；由热力学第一定律可知，气体在变化过程中放出热量，所以选项a正确答案a 命题视角2用热力学第一定律进行定量计算如图所示是密闭的汽缸，外力推动活塞p压缩气体，对缸内气体做功500 j，同时气体向外界放热100 j，缸内气体的()a温度升高，内能增加400 jb温度升高，内能减少400 jc温度降低，内能增加600 jd温度降低，内能减少600 j解析由热力学第一定律可得uwq500 j(100 j)400 j，即缸内气体内能增加400 j，气体温度升高，故选项a对，b、c、d错答案a应用热力学第一定律解决问题的关键(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，要依照符号法则代入数据，对结果的正、负也同样依照符号法则来解释其意义 命题视角3热力学第一定律与气体实验定律的综合应用如图所示，a、b两点表示一定质量的某种理想气体的两个状态，当气体从状态a变化到状态b时()a气体内能一定增加b气体压强变大c气体对外界做功 d气体对外界放热思路点拨 (1)一定质量理想气体的内能由温度决定(2)由pvc判断压强变化(3)根据体积变化判断做功情况(4)由热力学第一定律判断吸热还是放热解析由题图可知，理想气体的变化为等温膨胀，气体压强减小，故气体的内能不变，气体对外做功；由热力学第一定律可知，气体一定从外界吸收热量综上可知，c对，a、b、d错答案c【通关练习】1下列说法正确的是()a物体放出热量，其内能一定减小b物体对外做功，其内能一定减小c物体吸收热量，同时对外做功，其内能可能增加d物体放出热量，同时对外做功，其内能可能不变解析：选c.根据热力学第一定律(公式uqw)可知，做功和热传递都可以改变物体的内能，当外界对物体做的功大于物体放出的热量或物体吸收的热量大于物体对外做的功时，物体的内能增加，选项a、b错误，选项c正确；物体放出热量同时对外做功，则qwtc，qabqacbtbtc，qabqac dtbtc，qabqac解析：选c.由理想气体状态方程可知，即，得tctb，则气体在b、c状态内能相等，因a到b和a到c的u相同；而a到c过程中气体体积不变，w0，a到b过程中气体膨胀对外做功，w0，根据热力学第一定律：uqw可知a到b的吸热qab大于a到c的吸热qac，即qabqac.选项c正确3(多选)一定量的理想气体从状态a开始，经历等温或等压过程ab、bc、cd、da回到原状态，其pt图象如图所示，其中对角线ac的延长线过原点o.下列判断正确的是()a气体在a、c两状态的体积相等b气体在状态a时的内能大于它在状态c时的内能c在过程cd中气体向外界放出的热量大于外界对气体做的功d在过程da中气体从外界吸收的热量小于气体对外界做的功e在过程bc中外界对气体做的功等于在过程da中气体对外界做的功解析：选abe.由k可知，pt图象中过原点的一条倾斜的直线是等容线，a项正确；气体从状态c到状态d的过程温度不变，内能不变，从状态d到状态a的过程温度升高，内能增加，b项正确；由于过程cd中气体的内能不变，根据热力学第一定律可知，气体向外放出的热量等于外界对气体做的功，c项错误；在过程da中气体内能增加，气体从外界吸收的热量大于气体对外界做的功，d项错误；过程bc中，外界对气体做的功wbcpb(vbvc)pbvbpcvc，过程da中气体对外界做的功wdapd(vavd)pavapdvd，由于pbvbpava，pcvcpdvd，因此过程bc中外界对气体做的功与过程da中气体对外界做的功相等，e项正确能量守恒定律的理解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，通过某种力做功可以相互转化，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，必须是只有重力或系统弹力做功；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：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细胞学说、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如图所示，一个质量为20 kg的绝热汽缸竖直放置，绝热活塞的质量为5 kg，处于静止状态时被封闭气体的高度为50 cm，现在在活塞上方加一15 kg的物体，待稳定后，被封闭气体的高度变为40 cm.求在这一过程中气体的内能增加多少？(g取10 m/s2，不考虑活塞的大气压力及摩擦阻力)思路点拨 解答本题可按以下思路进行思考：解析由能量守恒定律可知，内能的增加等于活塞和物体重力势能的减少，ue(mm)gh(155)10(5040)102 j20 j.答案20 j(1)绝热过程表示不吸热、也不放热；“导热性能良好且过程缓慢”表示此过程有热传递发生且及时充分，保持温度不变(2)用“能量”观点解题方便、快捷 如图所示，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，它们所吸收的热量分别为qa、qb，则()aqaqb bqaqb d无法确定解析：选c.a、b升高相同的温度，故两球的内能增量相同，由金属球受热后体积膨胀，b球重心下降重力做正功、a球重心上升重力做负功，由热力学第一定律得：uqw，故quw，qbuw，qauw，显然qaqb. 随堂检测1(多选)下列关于热量、功和内能三者的说法中正确的是()a三者单位相同，物理意义相同b热量和功是内能变化的量度c热量和功由物体状态决定，而内能由过程决定d系统内能增加了100 j，可能是外界采用绝热方式对系统做功100 j，也可能是外界单纯地对系统传热100 j解析：选bd.热量、功和内能三者尽管单位相同，但物理意义有本质区别，a错热量和功由过程决定，内能由物体状态决定，热量和功是内能变化的量度，b对，c错对一个绝热过程uw100 j，对一个单纯热传递过程uq100 j，d对2一木箱静止于水平面上，现在用一个80 n的水平推力推动木箱前进10 m，木箱受到的摩擦力为60 n，则转化为木箱与地面系统的内能u和转化为木箱的动能ek分别是()au200 j，ek600 jbu600 j，ek200 jcu600 j，ek800 j du800 j，ek200 j解析：选b.由于木箱在推动中受到滑动摩擦力，其与相对位移的乘积为物体的内能即：u6010 j600 j由能量守恒定律可得：ekw总u8010 j600 j200 j，故b正确3(多选)用密封性好、充满气体的塑料袋包裹易碎品，如图所示，充气袋四周被挤压时，假设袋内气体与外界无热交换，则袋内气体()a体积减小，内能增大b体积减小，压强减小c对外界做负功，内能增大d对外界做正功，压强减小解析：选ac.实际气体在温度不太低、压强不太大时可看做理想气体充气袋被挤压，气体体积减小，外界对气体做正功，则w0，即气体对外界做负功，由于袋内气体与外界无热交换，即q0，根据热力学第一定律uwq知，内能增大，温度升高，选项a、c正确；根据理想气体状态方程c可判断压强一定增大，选项b、d错误4.如图所示，在竖直放置的圆柱容器内，用活塞密封一部分气体，活塞质量为m，容器的横截面积为s，活塞与容器壁间无摩擦，平衡时容器内的密闭气体的压强为p，外界大气压恒为p0.当气体从外界吸收热量q、活塞升高h后再次平衡(可认为气体压强恒为p不变)则在此过程中密闭气体增加的内能等于()aq bqmghcqmghp0sh dqmghp0sh解析：选c.气体前后两个状态用1和2表示，对应内能为u1和u2，当气体从状态1变化到状态2时，能流图如图所示从能流图可以看出：uqwqmghp0sh.5.一定质量的理想气体，状态从abcda的变化过程可用如图所示的pv图描述，图中p1、p2、v1、v2和v3为已知量(1)气体状态从a到b是_过程(填“等容”“等压”或“等温”)；(2)状态从b到c的变化过程中，气体的温度_(填“升高”“不变”或“降低”)；(3)状态从c到d的变化过程中，气体_(填“吸热”或“放热”)；(4)状态从abcd的变化过程中，气体对外界所做的总功为_解析：由图像可知，由气体a到b压强不变，体积增大，则温度上升，是等压过程；由b到c过程体积不变，压强减小，则温度降低；由c到d过程，体积减小，压强不变，是放热过程从ab体积增大，气体对外界做正功w1p2(v3v1)，从bc体积不变，气体不做功，从cd体积减小，气体做负功w2p1(v3v2)，故整个过程中的总功ww1w2p2(v3v1)p1(v3v2)答案：(1)等压(2)降低(3)放热(4)p2(v3v1)p1(v3v2)课时作业一、单项选择题1关于物体的内能及其变化，以下说法正确的是()a物体对外做功时，其内能必定改变b物体对外做功，其内能不一定改变，向物体传递热量，其内能也不一定改变c物体对外做功，其内能必定改变物体向外传出一定热量其内能必定改变d若物体与外界不发生热交换，则物体的内能必定不改变解析：选b.物体对外做功，其内能可能不变，a错；改变内能有两种方式：做功和热传递，由热力学第一定律可知b对，c、d错2下列关于做功和热传递的说法中正确的是()a做功和热传递的实质是相同的b做功和热传递在改变物体内能上是等效的c做功和热传递是对同一过程的两种说法d做功和热传递是不可能同时发生的解析：选b.做功和热传递在改变物体内能上是等效的，但本质不同，做功是将其他形式的能量转化为内能或将内能转化为其他形式的能量，热传递是内能的转移，且做功和热传递可以同时进行，故b选项正确3一定质量的气体膨胀做功100 j，同时吸热30 j，则气体内能的增量为 ()a130 j b70 j c70 j d130 j解析：选c.气体膨胀时外界对气体做功w100 j，吸收热量q30 j，由热力学第一定律有：uwq100 j30 j70 j4给旱区送水的消防车停于水平地面在缓慢放水过程中，若车胎不漏气，胎内气体温度不变，不计分子间势能，则胎内气体()a从外界吸热 b对外界做负功c分子平均动能减小 d内能增加解析：选a.本题考查了热力学第一定律由于车胎内温度保持不变，故分子的平均动能不变，内能不变放水过程中体积增大对外做功，由热力学第一定律可知，胎内气体吸热a选项正确二、多项选择题5.如图所示，将一空的薄金属圆筒开口向下压入水中，设水温均匀且恒定，且筒内空气无泄漏，不计空气分子间的相互作用，则被淹没的金属筒在缓慢下降过程中，发现筒内空气体积在不断减小，则下列说法中正确的是()a筒内空气的压强在增大b筒内空气的温度在升高c筒内空气向外界放热d筒内空气的内能减小解析：选ac.金属筒在缓慢下降过程中，压强增大，a正确；由于水温均匀恒定，又不计空气分子间相互作用，不考虑分子势能，其内能不变，所以b、d均错误，因体积不断减小，外界对气体做功，则空气向外界放热，c正确6对于一定量的理想气体，下列说法正确的是()a若气体的压强和体积都不变，其内能也一定不变b若气体的内能不变，其状态也一定不变c若气体的温度随时间不断升高，其压强也一定不断增大d气体温度每升高1 k所吸收的热量与气体经历的过程有关解析：选ad.p、v不变，则t不变，气体的内能不变，故选项a正确；内能不变，温度不变，p、v可能变，选项b错误；气体温度升高，压强不一定增大，故选项c错误；气体温度每升高1 k吸收的热量与气体对外做功多少有关，即与经历的过程有关，故选项d正确7.如图，内壁光滑、导热良好的汽缸中用活塞封闭有一定质量的理想气体当环境温度升高时，缸内气体()a内能增加b对外做功c压强增大d分子间的引力和斥力都增大解析：选ab.当环境温度升高时，压强不变，缸内气体膨胀对外做功，理想气体不考虑分子力，内能仅由物质的量和温度决定，温度升高，气体的内能增加，正确选项为a、b.三、非选择题8如图