2019-2020学年高中物理 第四章 能量守恒与热力学定律 第1节 能量守恒定律的发现 第2节 热力学第一定律学案 教科版选修3-3

第1节 能量守恒定律的发现 第2节 热力学第一定律1.理解能量守恒定律，会用能量守恒的观点分析解决有关问题理解第一类永动机是不可能制成的原因2理解物体跟外界做功和热传递的过程及w、q、u的物理定义3理解热力学第一定律，并能运用热力学第一定律分析和计算有关问题一、能量守恒定律的发现1能量形式与能量转化(1)各种能量：自然界存在着多种不同形式的运动，每种运动对应着一种形式的能量如机械运动对应机械能；分子热运动对应内能；电磁运动对应电磁能(2)各种能量之间可以互相转化：不同形式的能量之间可以相互转化摩擦可以将机械能转化为内能；炽热电灯发光可以将电能转化为光能2能量守恒定律发现的历史背景(1)蒸汽技术的发展：18世纪80年代，蒸汽机的发展和使用，证明了内能可以转化为机械能，推动了热力学理论的发展(2)各种基本运动形式之间普遍联系性的发现17世纪中叶：物理学家提出“运动量”守恒的思想18世纪未到19世纪初：各种自然现象之间的普遍联系被发现，能的概念被引入(3)永动机研制的失败概念：一种不消耗能量却可源源不断对外做功的机器叫永动机，并称为第一类永动机结果：无一例外地归于失败原因：违背能量守恒定律3能量守恒定律的发现与确立(1)能量守恒定律内容：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其总量不变(2)意义各种形式的能可以相互转化各种物理现象可以用能量守恒定律联系在一起二、热力学第一定律1改变物体内能的两种方式：做功与热传递两者在改变系统内能方面是等效的2热力学第一定律(1)内容：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加上物体从外界吸收的热量等于物体内能的增加(2)数学表达式：uqw对能量守恒定律的理解及应用 1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2第一类永动机失败的原因分析如果没有外界热源供给热量，则有u2u1w，就是说，如果系统内能减少，即u2u1，则w0，系统对外做功是要以内能减少为代价的，若想源源不断地做功，就必须使系统不断回到初始状态，在无外界能量供给的情况下，是不可能的层出不穷的永动机设计方案，由于违背了能量守恒定律，无一例外地宣布失败，人类制造永动机的企图是没有任何成功希望的如图所示，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了多少？(g取10 m/s2，不考虑活塞的大气压力及摩擦阻力)解析由能的转化与守恒定律可知，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)绝热过程内能增加，则应为其他形式的能转化为内能(2)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 1.(多选)下列对能量的转化和守恒定律的认识正确的是()a某种形式的能量减少，一定存在其他形式能量的增加b某个物体的能量减少，必然有其他物体的能量增加c不需要任何外界的动力而持续对外做功的机器永动机是不可能制成的d石子从空中落下，最后停止在地面上，说明机械能消失了解析：选abc.能量守恒定律是指能量的总量不变，但更重要的是指转化和转移过程中的守恒在不同形式的能量间发生转化，在不同的物体间发生转移不需要任何外界动力而持续对外做功的机器是违背能量守恒定律的，是永远不可能制成的机械能转化成了其他形式的能量而不能消失，能量是不会消失的功、热量和内能的区别与联系 1功和内能的关系(1)内能与内能变化的关系物体的内能是指物体内所有分子的动能和势能之和因此物体的内能是一个状态量当物体温度变化时，分子平均动能变化物体体积变化时，分子势能发生变化，因此物体的内能变化只由初、末状态决定，与中间过程及方式无关(2)做功与内能变化的关系做功改变物体内能的过程是其他形式的能(如机械能)与内能相互转化的过程在绝热过程中，外界对物体做多少功，就有多少其他形式的能转化为内能，物体的内能就增加多少(3)功和内能的区别功是过程量，内能是状态量在绝热过程中，做功一定能引起内能的变化物体的内能大，并不意味着做功多在绝热过程中，只有内能变化较大时，对应着做功较多在绝热过程中，外界对系统做功，系统的内能增加，外界对系统做多少功，系统的内能就增加多少；系统对外界做功，系统的内能减少，系统对外界做多少功，系统的内能就减少多少.2热量、功和内能之间的关系内能是由系统的状态决定的状态确定了，系统的内能也就随之确定了要使内能改变，可以通过做功和热传递两种方式来完成，功和热量都是过程量，两者对改变系统的内能是等效的，但做功是其他形式的能量转化为内能，功的多少是内能转化的量度，在绝热的过程中，对物体做了多少功，内能就增加多少；物体对外做了多少功，内能就减少多少热传递是内能的转移，热量是内能转移的量度，在没有做功的情况下，物体吸收了多少热量，就增加多少内能，或放出了多少热量，就减少多少内能有过程(做功或热传递)，才有变化(内能改变)，离开过程，功和热量将毫无意义就某一状态而言，只有“内能”，根本不存在“功”和“热量”因此不能说物体中含有“多少热量”或“多少功”可以说物体很热，这指的是物体的温度很高热传递改变物体内能的过程是物体间内能转移的过程热传递使物体的内能发生变化时，内能改变的多少可用热量来量度对于热量、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相同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解析物体的内能是指物体所有分子的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区别热量、功和内能的技巧(1)就某一状态而言，只有“内能”，根本谈不上“热量”和“功”(2)就某一过程而言，“内能”有变化，与“热量”“功”对应(3)一个物体的内能无法计算，但物体的内能变化是可以计算的 2.(多选)关于热传递，下列说法正确的是()a热传递中，热量一定从含热量多的物体传向含热量少的物体b两个物体之间发生热传递的条件是它们之间有温度差c在热传递中，热量一定从内能多的物体传向内能少的物体d内能相等的两个物体相互接触时，也可能发生热传递解析：选bd.热量的概念只有在涉及能量的传递时才有意义，所以不能说物体含有多少热量，故a错；物体间发生热传递的必要条件是存在温度差，故b对；在热传递中，热量一定从温度高的物体传向温度低的物体，温度高的物体内能不一定多，故c错，d对对热力学第一定律的理解及应用 1对uwq的理解：热力学第一定律是对单纯的绝热过程和单纯的热传递过程中内能改变的定量表达推广到一般情况，既有做功又有热传递的过程，其中u表示内能改变的数量，w表示做功的数量，q表示外界与物体间传递的热量2对公式uqw符号的规定符号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c3.如图所示，圆柱形容器内用活塞封闭一定质量的理想气体，已知容器横截面积为s，活塞重为g，大气压强为p0.若活塞固定，封闭气体温度升高1 ，需吸收的热量为q1；若活塞不固定，仍使封闭气体温度升高1 ，需吸收的热量为q2.不计一切摩擦，在活塞可自由移动时，封闭气体温度升高1 ，活塞上升的高度h应为多少？解析：活塞固定时，由热力学第一定律，气体增加的内能 uq1活塞不固定时，设外界对气体做功为w，活塞上升的高度为h，则 uq2wq2(p0shgh)对活塞，由能量守恒定律得ghw内p0sh联立可得：ww内(p0shgh)故h.答案：随堂检测1关于温度、内能和热量，下列说法中正确的是()a物体的温度升高时，一定吸收热量b物体沿斜面下滑时，内能将增大c物体沿斜面匀速下滑时，内能可能增大d内能总是从高温物体传递给低温物体，当内能相等时热传递停止解析：选c.改变物体内能的两种方法：做功和热传递温度升高，内能增加，但不一定是吸收热量，a错误；物体沿斜面下滑时，可能不受摩擦力，内能可能不变，b错误；物体克服摩擦力做功，摩擦生热，内能可能增大，c正确；热传递的条件是物体间存在温度差，热量从温度高的物体传递给温度低的物体，温度相同后热传递停止，d错误2某驾驶员发现中午时车胎内的气压高于清晨时的，且车胎体积增大若这段时间胎内气体质量不变且可视为理想气体，那么()a外界对胎内气体做功，气体内能减小b外界对胎内气体做功，气体内能增大c胎内气体对外界做功，内能减小d胎内气体对外界做功，内能增大解析：选d.中午，车胎内气体温度升高，内能增大，车胎体积增大，气体对外做功选项d正确3.如图，注射器内封闭一部分气体若针筒和活塞隔热性能良好，则缓慢向外移动活塞的过程中()a对活塞不做功b对活塞做负功c温度保持不变d压强逐渐减小解析：选d.气体发热质量一定，当缓慢向外移动活塞的过程中，对活塞做正功；气体的体积变大，气体对外做功w0，q0，根据ewq可知e0，温度降低，由c可知压强减小，故选项d正确4如图为某种椅子与其升降部分的结构示意图，m、n两筒间密闭了一定质量的气体，m可沿n的内壁上下滑动，设筒内气体不与外界发生热交换，在m向下滑动的过程中()a外界对气体做功，气体内能增大b外界对气体做功，气体内能减小c气体对外界做功，气体内能增大d气体对外界做功，气体内能减小解析：选a.m向下滑动的过程中，气体体积减小，故外界对气体做功，由热力学第一定律知，q0，内能的改变取决于做功，因外界对气体做功，故气体的内能增大，a正确，b、c、d错误5一定质量的气体从外界吸收了4.2105 j的热量，同时气体对外做了6105 j的功，问：(1)物体的内能是增加还是减少？变化量是多少？(2)分子势能是增加还是减少？(3)分子的平均动能是增加还是减少？解析：(1)气体从外界吸热为：q4.2105 j气体对外做功：w6105 j由热力学第一定律：uwq(6105 j)(4.2105 j)1.8105 ju为负，说明气体的内能减少了，气体内能减少了1.8105j.(2)因为气体对外做功，所以气体的体积膨胀，分子间的距离增大了，气体分子间的作用力表现为引力，克服分子力做功，气体分子势能增加了(3)因为气体内能减少，同时气体分子势能增加，说明气体分子的平均动能一定减少了答案：见解析课时作业一、单项选择题1一定质量的理想气体在某一过程中，外界对气体做功7.0104 j，气体内能减少1.3105 j，则此过程()a气体从外界吸收热量2.0105 jb气体向外界放出热量2.0105 jc气体从外界吸收热量6.0104 jd气体向外界放出热量6.0104 j解析：选b.由热力学第一定律uwq，quw1.3105 j7.0104 j2.0105 j，负号表示放出热量，所以b正确，其他选项错误2“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它违背了能的转化和守恒定律c它做功产生的热不符合热功当量d暂时找不到合理的设计方案和理想材料解析：选b.第一类永动机不可能制成的原因是违背了能的转化和守恒定律，故b项正确3一定质量的理想气体，从某一状态开始，经过一系列变化后又回到开始的状态，用w1表示外界对气体做的功，w2表示气体对外界做的功，q1表示气体吸收的热量，q2表示气体放出的热量，则在整个过程中一定有()aq1q2w2w1bq1q2cw1w2 dq1q2解析：选a.理想气体的初态和末态相同，则温度相同，理想气体的内能变化为零由热力学第一定律：uw总q总(w1w2)(q1q2)，0(w1w2)(q1q2)，所以w2w1q1q2，所以a选项正确4.如图所示，密闭绝热容器内有一绝热的具有一定质量的活塞，活塞的上部封闭着气体，下部为真空，活塞与器壁的摩擦忽略不计置于真空中的轻弹簧的一端固定于容器的底部，另一端固定在活塞上弹簧被压缩后用绳扎紧，此时弹簧的弹性势能为ep(弹簧处在自然长度时的弹性势能为零)现绳突然断开，弹簧推动活塞向上运动，经过多次往复运动后活塞静止，气体达到平衡态经过此过程()aep全部转换为气体的内能bep一部分转换成活塞的重力势能，其余部分仍为弹簧的弹性势能cep全部转换成活塞的重力势能和气体的内能dep一部分转换成活塞的重力势能，一部分转换为气体的内能，其余部分仍为弹簧的弹性势能解析：选d.依题可知，断开绳子，活塞最终静止后的位置高于初始位置，ep的能量转化有三种形式：活塞的重力势能、气体的内能及弹簧的弹性势能，故d正确5.带有活塞的汽缸内封闭一定量的理想气体气体开始处于状态a，然后经过过程ab到达状态b或经过过程ac到达状态c，b、c状态温度相同，如图所示设气体在状态b和状态c的压强分别为pb和pc，在过程ab和ac中吸收的热量分别为qab和qac，则()apbpc，qabqacbpbpc，qabqaccpbqac dpbpc，qabvc，所以pbqac，c对d错6.一物理实验爱好者开展探究性课外活动研究气体压强、体积、温度三量间的变化关系导热良好的汽缸开口向下，内有理想气体(即分子势能可忽略的气体)，汽缸固定不动，缸内活塞可自由滑动且不漏气一温度计通过缸底小孔插入缸内，插口处密封良好，活塞下挂一个沙桶，沙桶装满沙子时，活塞恰好静止现给沙桶底部钻一个小洞，细沙慢慢漏出，外部环境温度恒定，则()a绳的拉力对沙桶做正功，所以气体对外界做功b外界对气体做功，温度计示数不变c气体体积减小，同时从外界吸热d外界对气体做功，温度计示数增加解析：选b.汽缸导热良好，细沙慢慢漏出，故活塞缓慢上升，有足够的时间与外界进行热交换，故温度不变，而压强变大由理想气体状态方程可得体积减小，外界对气体做功，而内能又不变，故向外界放热，b项正确二、多项选择题7.如图，一定质量的理想气体从状态a出发，经过等容过程ab到达状态b，再经过等温过程bc到达状态c，最后经等压过程ca回到初态a.下列说法正确的是()a在过程ab中气体的内能增加b在过程ca中外界对气体做功c在过程ab中气体对外界做功d在过程bc中气体从外界吸收热量解析：选abd.ab过程，气体压强增大，体积不变，则温度升高，内能增加，a项正确；ab过程发生等容变化，气体对外界不做功，c项错误；一定质量的理想气体内能仅由温度决定，bc过程发生等温变化，内能不变，bc过程，气体体积增大，气体对外界做正功，根据热力学第一定律可知气体从外界吸热，d项正确；ca过程发生等压变化，气体体积减小，外界对气体做正功，b项正确8.如图所示，竖直放置的固定容器及质量为m的可动光滑活塞p都是不导热的，中间有一导热的固定隔板q，q的上下两边盛有温度、体积和质量均相同的同种气体甲和乙，现用外力f将活塞p缓慢向下移动一段距离，则在移动p的过程中()a外力f对活塞做功，甲将热量传递给乙，甲的内能增大b甲传热给乙，乙的内能增加c甲气体与乙气体相比，甲气体在单位时间内与隔板q碰撞的分子数一定较少d甲气体与乙气体相比，甲气体在单位时间