25-26学年物理(人教版)选择性必修第三册课件：3.2 热力学第一定律 3.3能量守恒定律

第2节热力学第一定律第3节能量守恒定律第三章热力学定律1.理解热力学第一定律。

2.能运用ΔU=Q+W解决一些简单问题。

3.知道第一类永动机不可能制成的原因。

4.理解能量守恒定律,会用能量守恒的观点解释一切自然现象。学习目标目

录CONTENTS知识点01随堂对点自测02课后巩固训练03知识点1知识点二能量守恒定律永动机不可能制成知识点一热力学第一定律及应用知识点一热力学第一定律及应用

如图所示,快速推动活塞对汽缸内气体做功10J,气体内能改变了多少?若保持气体体积不变,汽缸向外界传递10J的热量,气体内能改变了多少?若推动活塞对汽缸内气体做功10J的同时,汽缸向外界传递10J的热量,气体的内能改变了多少?提示

内能增加了10

J;减少了10

J;没改变。1.改变内能的两种方式:______与______。两者对改变系统的内能是________。2.热力学第一定律:一个热力学系统的内能变化量等于外界向它传递的______与外界对它所________的和。3.热力学第一定律的表达式:ΔU=________。做功传热等价的热量做的功Q+W4.公式ΔU=Q+W中符号的规定符号WQΔU+外界对系统做功外界对系统传递热量内能增加-系统对外界做功系统对外界传递热量内能减少5.判断气体是否做功的方法一般情况下需看气体的体积是否变化。(1)若气体体积增大,表明气体对外界做功,W<0。(2)若气体体积减小,表明外界对气体做功,W>0。(3)在等压变化过程中,做功可用W=pV计算。6.几种特殊情况 (1)绝热过程:Q=0,则ΔU=W,物体内能的增加量等于外界对物体做的功。 (2)等容过程:该过程中不做功,即W=0,则ΔU=Q,物体内能的增加量等于外界对物体传递的热量。 (3)(理想气体)等温过程: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对外界传递的热量(或外界对物体传递的热量等于物体对外界做的功)。【思考】1.如图所示,一定质量的理想气体由a状态变化到b状态,思考以下问题:(1)在变化过程中,是气体对外界做功,还是外界对气体做功?(2)在变化过程中气体吸热,还是放热?气体的内能是增加还是减少?提示

(1)气体对外界做功。

(2)吸热

内能增加。2.判断正误(1)系统内能增大,一定是系统从外界吸收了热量。(

)(2)系统从外界吸收5

J热量,内能可能增大5

J。(

)(3)气体被压缩的过程中,外界对气体做功,则气体内能一定增大。(

)(4)物体放出热量,外界对物体做功,物体的内能可能不变。(

)×√×√例1一定质量的气体在某一过程中,外界对气体做了8×104J的功,气体的内能减少了1.2×105J,则下列各式正确的是(

) A.W=8×104J,ΔU=1.2×105J,Q=4×104J B.W=8×104J,ΔU=-1.2×105J,Q=-2×105J C.W=-8×104J,ΔU=1.2×105J,Q=2×104J D.W=-8×104J,ΔU=-1.2×105J,Q=-4×104J

解析

外界对气体做功,W取正值,即W=8×104

J;气体内能减少,ΔU取负值,即ΔU=-1.2×105

J;根据热力学第一定律ΔU=Q+W,可知Q=ΔU-W=-1.2×105

J-8×104

J=-2×105

J,选项B正确。BB例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.400J B.1200J C.2000J D.2800J解析

由题意可知,气体先做等压变化,活塞运动到挡板处后再做等容变化,等压变化过程气体对外做功,则W=-p0Sx=-1×105×0.04×0.2

J=-800

J,由热力学第一定律可知,封闭气体的内能变化量为ΔU=Q+W=2

000

J-800

J=1

200

J,故B正确。A训练1如图所示,封闭的汽缸内部封有一定质量的理想气体。外力推动活塞P压缩气体,对缸内气体做功800J,同时气体向外界放热200J,则缸内气体的(

)A.温度升高,内能增加600JB.温度升高,内能减少200JC.温度降低,内能增加600JD.温度降低,内能减少200J解析

由热力学第一定律ΔU=Q+W得,ΔU=800

J+(-200

J)=600

J,一定质量的理想气体的内能大小只与温度有关,内能增加600

J,说明温度升高,故A正确。知识点二能量守恒定律永动机不可能制成

有一种所谓“全自动”机械手表,既不需要上发条,也不用任何电源,却能不停地走下去。这是不是一种永动机?如果不是,你知道维持表针走动的能量是从哪儿来的吗?提示

这不是永动机;手表戴在手腕上,通过手臂的运动来获得能量,供手表指针做机械运动。若将此手表长时间放置不动,它就会停下来。1.能量守恒定律 (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,能量的总量__________。 (2)两种表达

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。产生消失转化转移保持不变2.永动机不可能制成 (1)第一类永动机:不需要任何动力或燃料,却能不断地__________的机器。 (2)第一类永动机由于违背了______________,所以不可能制成。3.热力学第一定律与能量守恒定律的比较 (1)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。 (2)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,是能量守恒定律在热现象领域内的具体体现。对外做功能量守恒定律【思考】从能量的角度分析,下图中通过磁铁对铁块的吸引为汽车提供动力让汽车前进,可以实现吗?提示

不能,违背了能量守恒定律。ABC例3

(多选)下列对能量守恒定律的认识正确的是(

) A.某种形式的能量减少,一定存在其他形式的能量增加 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——第一类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

不同形式的能量间的转化过程中能量是守恒的,A正确;能量在不同的物体间发生转移,转移过程中能量是守恒的,B正确;第一类永动机不可能制成,它违背了能量守恒定律,C正确;石子的机械能在变化,比如受空气阻力作用和与地面碰撞,机械能减少,转化成了其他形式的能量,D错误。训练2如图所示,这是中国传统玩具饮水鸟。在鸟的面前放上一杯水,用手把鸟嘴浸到水里,小鸟“喝”了一口后,又直立起来。之后,无需人的干预,小鸟直立一会儿就会自己俯下身去使鸟嘴浸入水中“喝”水,然后又会直立起来。就这样周而复始,小鸟不停地点头“喝”水,则下列说法正确的是(

)A.饮水鸟上下运动的能量来源于周围空气的内能B.水杯中的水干了之后,小鸟还能点头“喝”水C.这种玩具饮水鸟是一架永动机D.此现象违背了热力学第一定律A解析

玩具饮水鸟的内部结构如图所示,其原理是先在鸟嘴上滴一些水,水分蒸发过程中吸热,温度降低,压强减小,使得头部气压小于肚子中的气压,从而使肚子中的部分液体压入头部,使重心上移,鸟的身体变得不稳定而发生倾斜,倾斜的过程中肚子中的玻璃管口脱离液面,从而使头部的液体又回流到肚子中,使鸟的身体再回到开始的竖直状态,而刚才倾斜的过程中鸟嘴刚好又沾到了水,之后鸟回到竖直状态后,鸟嘴的水分蒸发,重复前面的运动过程,即饮水鸟上下运动的能量来源于周围空气的内能,A正确;根据上述分析可知,当水杯中的水干了之后,不能蒸发制冷,不能形成头部和肚子内空气的压强差,小鸟不能再上下运动,即小鸟不能点头“喝”水,B错误;这种玩具饮水鸟仍然遵循能量守恒定律,此现象没有违背热力学第一定律,不是一架永动机,C、D错误。随堂对点自测2ABD1.(热力学第一定律的理解)(多选)下列过程可能发生的是(

) A.物体吸收热量,同时对外做功,内能增加 B.物体吸收热量,同时对外做功,内能减少 C.外界对物体做功,同时物体吸热,内能减少 D.外界对物体做功,同时物体放热,内能增加

解析

当物体吸收的热量多于物体对外做的功时,物体的内能就增加,A正确;当物体吸收的热量少于物体对外做的功时,物体的内能就减少,B正确;外界对物体做功,同时物体吸热,则物体的内能一定增加,C错误;当物体放出的热量少于外界对物体做的功时,物体的内能增加,D正确。C2.(热力学第一定律的应用)一定质量的气体膨胀对外做功100J,同时对外放热40J,气体内能的增量ΔU为(

) A.60J B.-60J C.-140J D.140J

解析

由热力学第一定律得ΔU=W+Q=-100

J-40

J=-140

J,故选项C正确。C3.(能量守恒定律)下列说法正确的是(

) A.条形磁体下落过程中穿过闭合线圈,线圈中产生了感应电流,说明电能是可以被创造的 B.太阳照射到地球上的光能转化成了其他形式的能量,但照射到宇宙空间的能量都消失了 C.“既要马儿跑,又让马儿不吃草”违背了能量守恒定律,因而是不可能的 D.有种“全自动”手表,不用上发条,也不用任何形式的电源,却能一直走动,说明能量是可以凭空产生的解析

磁体穿过线圈过程中是机械能转化成了电能,故A错误;太阳照射到宇宙空间的能量没有消失,故B错误;马儿奔跑时同样需要消耗能量,故“既要马儿跑,又让马儿不吃草”违背了能量守恒定律,因而是不可能的,故C正确;不用上发条,也不用任何形式的电源,却能一直走动的“全自动”手表是靠手臂的摆动提供能量的,它不违背能量守恒定律,故D错误。课后巩固训练3A对点题组练题组一

热力学第一定律及应用1.一定质量的理想气体,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(

) A.Q1-Q2=W2-W1

B.Q1=Q2 C.W1=W2

D.Q1>Q2

解析

因为该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,所以内能没有变化,即ΔU=0。根据热力学第一定律可得W1+Q1=W2+Q2,则有Q1-Q2=W2-W1,故A正确。ABD2.(多选)如图,用隔板将一绝热汽缸分成两部分,隔板左侧充有理想气体,隔板右侧与绝热活塞之间是真空。现将隔板抽开,气体会自发扩散至整个汽缸。待气体达到稳定后,缓慢推压活塞,将气体压回到原来的体积。假设整个过程系统不漏气。下列说法正确的是(

)A.气体自发扩散前后内能相同B.气体在被压缩的过程中内能增大C.在自发扩散过程中,气体对外界做功D.气体在被压缩的过程中,外界对气体做功解析

因为汽缸、活塞都是绝热的,隔板右侧是真空,所以理想气体在自发扩散的过程中,既不吸热也不放热,也不对外界做功,根据热力学第一定律可知,气体自发扩散前后,内能不变,故A正确,C错误;气体被压缩的过程中,外界对气体做功,且没有热传递,则气体内能增大,故B、D正确。C3.气垫运动鞋表面材质导热良好,防滑耐用,可以在运动过程中起到很好的缓冲作用。使用过程中,气垫内密封的气体被反复压缩、扩张,外界环境温度可认为不变,气垫内气体可看作理想气体,则下列关于气垫内气体说法正确的是(

)A.脚踩下时,对气体做正功,气体分子的平均动能增加B.脚踩下时,由于外界环境温度不变,气体既不吸热也不放热C.踩下后抬起脚时,气体从外界吸收热量,气体分子的平均动能不变D.踩下后抬起脚时,外界对气体做正功且数值等于气体放出的热量的数值解析

由于气垫运动鞋导热良好,则脚踩下时,气体温度不变,内能不变,气体分子的平均动能不变,外界对气体做功,由热力学第一定律可知,气体放热,故A、B错误;同理可知,踩下后抬起脚时,气体温度不变,内能不变,气体分子的平均动能不变,气体对外界做功,则气体从外界吸收热量且吸收的热量等于对外做功的数值,故C正确,D错误。B4.一个气泡从恒温水槽的底部缓慢向上浮起(不计气泡内空气分子的势能),则下列说法正确的是(

) A.气泡对外做功,内能不变,同时放热 B.气泡对外做功,内能不变,同时吸热 C.气泡内能减少,同时放热 D.气泡内能不变,不吸热也不放热

解析

在气泡缓慢上升的过程中,气泡外部的压强逐渐减小,气泡膨胀,对外做功,则W<0;由于外部恒温,且气泡缓慢上升,则可以认为上升过程中气泡内空气的温度始终等于外界温度,内能不变,即ΔU=0,由热力学第一定律ΔU=W+Q知,Q>0,故需从外界吸收热量,且吸收的热量等于对外界所做的功,故B正确。AD题组二

能量守恒定律

永动机不可制成5.(多选)下列关于第一类永动机的说法正确的是(

) A.第一类永动机是不消耗任何能量却可源源不断地对外做功的机器 B.第一类永动机在一定条件下是可以实现的 C.第一类永动机不能制成的原因是技术问题 D.第一类永动机不能制成的原因是违背了能量守恒定律

解析

第一类永动机是不消耗任何能量却能源源不断地对外做功的机器,这是人们的美好愿望,但它违背了能量守恒定律,这也是它不能制成的原因,故A、D正确,B、C错误。B6.如图所示,上端开口、粗细均匀的U形管的底部中间有一阀门,开始时阀门关闭,两管中的水面高度差为h。现将阀门打开,最终两管水面相平,忽略水与外界的热量传递,则这一过程中(

)A.大气压做正功,重力做负功,水的内能不变B.大气压不做功,重力做正功,水的内能增大C.大气压不做功,重力做负功,水的内能增大D.大气压做负功,重力做正功,水的内能不变解析

由于两管粗细相同,则作用在水面上的大气压力的合力为零,不做功;水流动过程中重心下降,重力做正功,水的重力势能减少,减少的重力势能最终转化为水的内能,故水的内能增大,选项B正确,A、C、D错误。D综合提升练7.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,活塞的上部封闭着理想气体,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(

)A.Ep全部转化为气体的内能B.Ep一部分转化成活塞的重力势能,其余部分仍为弹簧的弹性势能C.Ep全部转化成活塞的重力势能和气体的内能D.Ep一部分转化成活塞的重力势能,一部分转化为气体的内能,其余部分仍为弹簧的弹性势能解析

以活塞为研究对象,设气体初态时的压强为p1,活塞质量为m,横截面积为S,末态时压强为p2,由题意初态即绳子断开瞬间,有F弹>mg+p1S,分析知活塞的末态位置必然高于初位置,则活塞重力势能增加,外界对气体做正功,W>0,由于容器及活塞绝热,则ΔU=W,可知ΔU>0,即气体的内能增加;末态时,有F弹'=p2S+mg,则弹簧仍然具有一部分弹性势能,故D正确,A、B、C错误。A8.(2025·八省联考四川卷,5)某同学制作了一个小型喷泉装置,如图甲所示两个瓶子均用瓶塞密闭,两瓶用弯管连通,左瓶插有两端开口的直管。左瓶装满水,右瓶充满空气。用沸水浇右瓶时,左瓶直管有水喷出,如图乙所示,水喷出的过程中,装置内的气体(

)A.内能比浇水前大B.压强与浇水前相等C.所有分子的动能都比浇水前大D.对水做的功等于水重力势能的增量解析

用沸水浇右瓶时,装置内气体的温度升高,所以内能增大,故A正确;水能喷出的原因就是装置内气体的压强增大,故B错误;装置内气体的温度升高,气体分子的平均动能增大,但并不是所有分子的动能都增大,故C错误;瓶内气体对水做的功等于水的动能增量和重力势能增量之和,故D错误。