《热力学第一定律、能量守恒定律》课件

2．热力学第一定律3．能量守恒定律自主落实·必备知识全过关合作探究·能力素养全提升学以致用·随堂检测全达标素养目标1.了解能量的转化和守恒．(物理观念)2．知道能量在不同形式间转化总量不变，能够掌握能量的转化过程和总量的转化情况．(科学思维)3．体会科学探索中的挫折和失败对科学发现的意义．(科学态度与责任)自主落实·必备知识全过关一、热力学第一定律1．改变内能的两种方式做功与传热．两者在改变系统内能方面是________.2．热力学第一定律末状态的内能减去初状态的内能(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)表达式：________．等价的热量所做的功ΔU＝Q＋W二、热力学第一定律的应用对于公式ΔU＝Q＋W的理解：外界对系统做功，W取________；系统对外界做功，W取________．外界对系统传递的热量Q取________；系统向外界传递的热量Q取________．正值负值正值负值三、能量守恒定律自然界的普遍规律1．内容：能量既不会凭空________，也不会凭空________，它只能从一种形式________为其他形式，或者从一个物体________到别的物体，在转化或转移的过程中，能量的________保持不变．2．意义(1)各种形式的能可以相互________．(2)各种互不相关的物理现象可以用________定律联系在一起．产生消失转化转移总量转化能量守恒四、永动机不可能制成

第一类永动机1．永动机：不需要任何动力或燃料，却能不断地对外做功的机器．2．永动机不可能制成的原因：违背了________定律．3．意义：正是历史上设计永动机的________，才使后人的思考走上了正确的道路．能量守恒失败情

境

体

验1．汽缸内有一定质量的气体，压缩气体的同时给汽缸加热．气体内能的变化会比单一方式(做功或传热)更明显．这是为什么呢？提示：做功和传热都可以使气体的内能增加．2．让“饮水小鸭”“喝”完一口水后，直立起来．直立一会儿，又会慢慢俯下身去，再“喝”一口，然后又会直立起来．如此循环往复……这种“饮水小鸭”玩具是一架永动机吗？为什么？提示：不是．这种玩具并不是永动机，它之所以能不停地点头喝水，是因为它包含着复杂的物理学原理。原来“饮水小鸭”内的液体是乙醚，一类易挥发的液体，在高温里很容易蒸发，而液体的饱和蒸汽所产生的压力又会随温度的改变而剧烈的改变．合作探究·能力素养全提升探究一热力学第一定律情境探究如图所示，一定质量的理想气体由a状态变化到b状态，请在图像基础上思考以下问题：(1)在变化过程中是气体对外做功，还是外界对气体做功？(2)在变化过程中气体吸热，还是向外放热？气体内能增加了，还是减少了？提示：(1)由题图可知，气体的变化为等压膨胀，一定是对外做功．(2)由日常经验可知，理想气体在等压膨胀过程中需要从外界吸收热量．由盖­吕萨克定律可知，理想气体在等压膨胀过程中温度升高，内能一定增加．核心归纳1.对公式ΔU＝Q＋W中ΔU、Q、W符号的规定：符号QWΔU＋物体吸收热量外界对物体做功内能增加－物体放出热量物体对外界做功内能减少2.几种特殊情况：(1)若过程是绝热的，即Q＝0，则ΔU＝W，物体内能的增加量等于外界对物体做的功．(2)若过程中不做功，即W＝0，则ΔU＝Q，物体内能的增加量等于物体从外界吸收的热量．(3)若过程的始末状态物体的内能不变，即ΔU＝0，则W＝－Q(或Q＝－W)，外界对物体做的功等于物体放出的热量(或物体吸收的热量等于物体对外界做的功)．3．判断是否做功的方法：一般情况下外界对物体做功与否，需看物体的体积是否变化．(1)若物体体积增大，表明物体对外界做功，W<0.(2)若物体体积减小，表明外界对物体做功，W>0.应用体验题型1对热力学第一定律的理解例1[天津等级考]水枪是孩子们喜爱的玩具，常见的气压式水枪储水罐示意图如图所示．从储水罐充气口充入气体，达到一定压强后，关闭充气口．扣动扳机将阀门M打开，水即从枪口喷出．若在水不断喷出的过程中，罐内气体温度始终保持不变，则气体(

)A．压强变大B．对外界做功C．对外界放热

D．分子平均动能变大答案：B解析：由题可知，在水不断喷出的过程中，罐内气体的温度始终不变，体积变大，气体对外界做功，则根据玻意耳定律可知，气体的压强变小，A错误、B正确；由于温度始终不变，所以气体的内能不变，根据ΔU＝Q＋W可知，气体从外界吸收热量，C错误；因为气体的温度不变，所以气体分子平均动能不变，D错误．题型2热力学第一定律的应用例2[辽宁沈阳郊联体高二期中]一定质量的气体，在保持压强恒等于1.0×105

Pa的状况下，体积从20L膨胀到30L，这一过程中气体共从外界吸热4×103

J，求：(1)气体对外界做了多少焦耳的功？(2)气体的内能变化了多少？答案：(1)1×103J

(2)3×103J解析：(1)气体对外做功W1＝p(V2－V1)＝1.0×105×(30－20)×10－3J＝1×103J.(2)根据热力学第一定律有ΔU＝－W1＋Q，解得ΔU＝－1×103J＋4×103J＝3×103J，即内能增加了3×103J.规律方法应用热力学第一定律解题的方法(1)明确研究对象是哪个物体或者是哪个热力学系统；(2)分别列出物体(或系统)吸收或放出的热量，外界对物体(或系统)所做的功或物体(或系统)对外界做的功；(3)根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q列出方程进行求解；(4)特别注意的是物理量的正负号及其物理意义．题型3热力学第一定律与气体状态图像的综合应用例3[北京卷]如图所示，一定质量的理想气体从状态a开始，沿图示路径先后到达状态b和c.下列说法正确的是(

)A．从a到b，气体温度保持不变B．从a到b，气体对外界做功C．从b到c，气体内能减小D．从b到c，气体从外界吸热答案：D

题型4气体实验定律与热力学第一定律的综合问题例4如图所示，圆柱形汽缸竖直放置，内有一质量m＝2kg、横截面积S＝1×10－3

m2的活塞封闭着一定质量的理想气体，活塞与汽缸壁封闭良好，不计摩擦．开始时活塞距汽缸底h1＝0.50m，此时温度T1＝300K．将汽缸缓慢加热至T2，活塞上升到距离汽缸底h2＝0.80m处，同时缸内气体内能增加300J，已知外界大气压p0＝1.0×105

Pa，g取10m/s2.求：(1)缸内气体加热后的温度T2；(2)此过程中缸内气体吸收的热量Q.答案：(1)480K

(2)336J

针对训练1.一定质量的气体在保持压强恒等于1.0×105

Pa的状况下，体积从20L膨胀到30L，这一过程中气体从外界吸收4×103

J的热量，则气体的内能(

)A．增加了5×103

JB．减少了5×103

JC．增加了3×103

JD．减少了3×103

J答案：C解析：气体等压膨胀过程中外界对气体做的功W＝－pΔV＝－1.0×105Pa×(30－20)×10－3m3＝－1.0×103J，这一过程气体从外界吸收的热量Q＝4×103J，由热力学第一定律ΔU＝W＋Q，可得ΔU＝－1.0×103J＋4.0×103J＝3.0×103J，即气体内能增加了3×103J，C正确．2．[江苏卷]如图所示，一定质量的理想气体分别经历a→b和a→c两个过程，其中a→b为等温过程，状态b、c的体积相同，则(

)A．状态a的内能大于状态bB．状态a的温度高于状态cC．a→c过程中气体吸收热量D．a→c过程中外界对气体做正功答案：C

探究二能量守恒定律情境探究(1)下图所示的永动机能实现吗？(2)热力学第一定律与能量守恒定律是什么关系？提示：(1)不能，违反了能量守恒定律和动量守恒定律．(2)能量守恒定律是各种形式的能相互转化或转移的过程，总能量保持不变，它包括各个领域，范围广泛．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化或转移，是能量守恒定律的具体体现．核心归纳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量：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．各种形式的能量，通过做功可以相互转化，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．守恒条件与某种运动形式对应的能量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内弹力做功；而能量守恒定律是没有条件的，它是一切自然现象都遵循的基本规律．3．第一类永动机失败的原因分析如果没有外界热库供给热量，则有U2－U1＝W，就是说，如果系统内能减少，即U2<U1，则W<0，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．应用体验例5如图所示为冲击摆实验装置，一质量为m的子弹以v0射入质量为M的沙箱后与沙箱合为一体，共同摆起一定高度h，则整个过程中子弹和沙箱由于相互作用所产生的内能为多少？(不计空气阻力)

规律方法应用能量守恒定律解决问题时，首先应明确题目中涉及了哪几种形式的能量，然后分析哪种形式的能量增加，哪种形式的能量减少，确定了研究的系统后，用能量守恒的观点即可求解．针对训练3.太阳能飞机是以太阳辐射作为推进能源的飞机．下列说法正确的是(

)A．太阳能可以转化为电能B．太阳能不可以转化为电能C．太阳能的利用，说明能量可以消失D．太阳能的利用，说明能量可以创生答案：A解析：A对，B错：太阳能电池工作时，将太阳能转化为电能．C、D错：太阳能在用于其他途径过程中，能量是守恒的，没有消失，也没有创生，太阳能的利用，只能说明能量是可以相互转化的．4．如图所示，直立容器内部有被位于中线位置的隔板隔开的A、B两部分气体，A的密度较大，B的密度较小，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，气体内能增量为ΔU，则(

)A．ΔU＝QB．ΔU<QC．ΔU>QD．无法比较答案：C解析：抽去隔板前，因为B的密度小于A的密度，所以A、B气体的整体重心在中线以上，抽去隔板待气体混合均匀后，重心恰好在中线上，系统的重力势能减少，由能量守恒定律知，减少的重力势能与内能发生转化而使得气体内能增加，吸收的热量也使得气体内能增加，则气体内能的增量大于气体所吸收的热量，选项C正确．1、下列关于内能的说法正确的是（）

A.物体吸收热量，内能一定增加B.物体放出热量，内能一定减少C.当做功和热传递同时存在时，物体的内能可能不变D.物体对外做功，内能可能增加CD当堂小练解析：物体吸收热量的同时，物体有可能对外做功，所以内能不一定增加，A错；物体放出热量的同时，有可能外界对物体做功，所以内能不一定减少，B错；当物体从外界吸收的热量与物体对外界做的功正好相等时，物体内能不变，C正确；当物体对外界做功，同时吸收热量，且吸收的热量比对外界做功多时，内能就有可能增加，D正确。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0.2m.现对封闭气体加热，活塞缓慢移动，一段时间后停止加热，此时封闭气体的压强变为2×105Pa.已知活塞的横截面积为0.04m2，外部大气压强为1×105Pa，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（）A.400JB.1200JC.2000JD.2800JB解析：由题意可知，气体先等压变化，到活塞运动到挡板处再发生等容变化，等压变化过程气体对外做功，做功为W＝－p0Sx＝－1×105×0.04×0.2J＝－800J，由热力学第一定律可知，封闭气体的内能变化量为ΔU＝W＋Q＝(－800＋2000)J＝1200J。3、一定质量的理想气体，从状态a开始，经历ab、bc、ca三个过程回到原状态，其V－T图像如图所示，其中图线ab的反向延长线过坐标原点O，图线bc平行于T轴，图线ca平行于V轴，则（）A.ab过程中气体压强不变，气体从外界吸热B.bc过程中气体体积不变，气体不吸热也不放热C.ca过程中气体温度不变，气体从外界吸热D.整个变化过程中气体的内能先减少后增加A解析：由题图中图线ab的反向延长线过坐标原点O，可知a到b过程中，气体压强不变，体积变大，气体对外做功；温度升高，内能增加，根据热力学第一定律可知，气体从外界吸热，故A正确；b到c过程中气体体积不变，气体不对外界做功，外界也不对气体做功，温度降低，内能减小，根据热力学第一定律可知，气体放热，故B错误；c到a过程中气体温度不变，内能不变，体积变小，外界对气体做功，根据热力学第一定律可知，气体放热，故C错误；整个变化过程温度先升高，后降低，最后不变，所以气体的内能先增加，后减小，最后不变，故D错误。1．关于热学现象和热学规律，下列说法中正确的是（）A．布朗运动就是液体分子的热运动B．用油膜法测分子直径的实验中，应使用纯油酸滴到水面上C．第一类永动机不可能制成是因为它违背了能量守恒定律D．用活塞压缩汽缸里的空气