2024年高中物理新教材同步 选择性必修第三册 第3章 2 热力学第一定律 3 能量守恒定律

2热力学第一定律

3能量守恒定律

［学习目标］1.理解热力学第一定律，并能运用热力学第一定律分析和解决相关问题（重点）。

2.理解并会运用能量守恒定律解决实际问题（难点）。3.知道什么是第一类永动机及其不可能制

成的原因。

一、热力学第一定律

汽缸内有一定质量的气体，压箝气体的同时给汽缸加热。那么，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？

答案给汽缸加热，即向汽缸内传热，汽缸内气体的内能会增加，压缩气体，外界对气体做

功，也会使汽缸内气体的内能增加，所以两种方式同时作用时，气体内能的变化比单一方式

更明显。

「梳理与总结」

I.改变内能的两种力式：做质与传热。两者对改变系统的内能是等价的.

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热量与外界对它所做

的功的和。

3.热力学第一定律的表达式：AgO+W.

4.热力学第一定律的应用：

（1）AU的正负：当系统内能增加时,AU取正值，当系统内能减小时,AU取负值。（均选填“正”

或“负”）

（2）W的正负：外界对系统做功时，W取正值：系统对外界做功时,W取负值。（均选填“正”

或“负”）

（3）Q的正负：外界对系统传递热量时，Q取正值：系统向外界传递热量时，。取负值。（均选

填“正”或“负”）

「思考与讨论」

如图，在汽缸内活塞左边封闭着一定侦量的空气，压强与大气压相同。把汽缸和活塞固定，

使汽缸内空气升高一定的温度，空气吸收的热量为Q”如果让活塞可以自由滑动（活塞与汽

缸间无摩擦、不漏气），也使汽缸内空气温度升高相同温度，其吸收的热量♦为020Qi和Q1

哪个大些？为什么？

答案活塞与汽缸都固定不动时，气体的体积不变，没有做功过程发生，气体吸收的热量Q

全部用于增加气体的内能即为△U=g,如果活塞可以自由滑动，温度升高，气体膨胀，会

推动活塞向外运动，对外做功，当气体升高相同温度时，气体内能的增加量与前一个过程是

相同的，也是Q”根据热力学第一定律△U=Q=W+Q2，由于W<0,所以

m11（2022•舟曲高二期末）•定质量的气体在某一过程中,外界对气体做了8X10。J的功，

气体的内能减少了l.ZXlhJ,则下列各式正确的是（）

A.IV=8Xio4],A（y=1.2Xio5J,C=4X104J

B.V^SXIO4J,A（y=-1.2X105J,0=-2XlO5J

C.VV=-8X1（TJ,AL/=1.2X1U5J,Q=2XIU，J

D.W=-8X104J,AUu-lZXlO51，Q=-4X104J

答案B

解析因为外界对气体做功，IV取正值，即VV=8X104J;气体内能减少，AU取负值，即

=-1.2X105J：根据热力学第一定律△U=W+Q,可知QnAU-Wn-l.ZXlhJ-SXlOAj

=-2XIO5J,B选项正确。

m2i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

答案B

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，W<0,

由于外部恒温，且气泡缓慢上升，故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，△（/=（）,由△U=W+。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。

-总结提升।

判断气体是否做功的方法

1.若气体体枳增大，表明气伍对外界做功，WvO:

2.若气体体积减小，表明外界对气体做功，1忱＞0。

m31(2022・济南市期中)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0.2m0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2X10,Pa。已知活塞的横截面积为0.04n^,外部大气压强为1X10、Pa,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.I200J

C.2000JD.2800J

答案B

解析由题意可知，气体光等压变化，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，做功为卬=一〃出=一IX[05X0.04X0.2J=-8D0J,由热力学第一定律可知，

封闭气体的内能变化量为AU=IV+0=(—800+2000)J=12(X)J,故B正确.

•总结提升।

应用热力学第一定律解题的一般步骤

(1)根据符号法则写出各已知量(W、。、AU)的正负；

(2)根据NU=W+Q列方程求出未知量；

(3)再根据未知量结果的正负来确定吸放热情况、做功情况或内也变化情况。

二、能量守恒定律

I.能量守恒定律

(1)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其他形式,或者

从一个物体转移到别的物体,在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变。

(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，FL减少量和博加量一定相等：

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.水动机不可能制成

(1)第•类永动机：不需要任何动力或燃料，却能不断地阻处蚂的机器。

(2)第一类永动机由于违背了能量守恒定律,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。

「思考与讨论」

如图为一种所谓“全自动”的机械手表，既不需要上发条，也不用任何电源，却能不停地走

下去。这是不是一种水动机？如果不是，维持表针走动的能量是从哪儿来的？

答案这不是永动机。手表戴在手腕上，通过手臂的运动，机械手表获得能量，供手表指针

走动。若将此手表长时间放置不动，它就会停下来。

•辨析"-----------------------------------------------------------------------------

(1)能量既可以转移又可以转化，故能的总量是可以变化的。(X)

(2)违背能量守恒定律的过程是不可能发生的。(J)

(3)运动的物体在阻力作用下会停下来，说明机械能凭空消失了.(X)

(4)第一类永动机不能制成，因为它违背了能量守恒定律。(J)

【例4】(2022・仪征市高二期末清一种叫作“压电陶瓷”的电子元件，当对它挤压或拉伸时，

它的两端就会形成一定的电压，这种现象称为压电效应。一种燃气打火机，就是应用了该元

件的压电效应制成的。只要用大拇指压一下打火机上的按钮，压电陶瓷片就会产生10-20kV

的高压，形成火花放电,从而点燃可燃气体。在上述过程中，压电陶瓷片完成的能量转化是()

A.化学能转化为电能

B.内能转化为电能

C.化学能转化为光能

D.机械能转化为电能

答案D

解析根据题意用大拇指压一下打火机上的按钮，压电陶瓷片就会产生10〜20kV的高压，

形成火花放电，从而点燃可燃气体。转化前要消耗机械能，转化后得到了电能，即压电陶无

片完成的能量转化是机械能转化为业能，故选D。

【例51某同学想要估测每秒钟太阳辐射到地球表面上的能量，他用一个横截面积为S=3.2dm2

的保温圆筒，筒内装有质量为〃=0.4kg的水，让太阳光垂直照射/=3min,水升高的温度加

=2.2℃,已知水的比热容C=4.2X1()3J/(kg・C),地球半径为R=6400km,试估算出太阳向

地球表面辐射能量的功率。(提示：Q=cm^l)

答案8.3X10Sw

解析太阳辐射到水中的能量。=a〃4=4.2X103x0.4X2.2J^3.7X103j,则太阳在3min

内向地球表面辅射的能量。$=(兀/?2="丫s2><3.I4X(6400XIO5)2J^1.49XIO19J,则辐

OJ.ZA1(J

QiI.49XI019

射功率1=十=W^8.3X10,6W

I3X6()O

课时对点练

基础对点练

考点一热力学第一定律

1.关于内能的变化，以下说法正确的是（）

A.物体吸收热量，内能一定用大

B.物体对外做功，内能一定减少

C.物体吸收热量，同时对外做功，内能可能不变

D.物体放出热量，同时对外做功，内能可能不变

答案C

解析根据热力学第一定律AU=W+。，物体内能的变化与做功及传热两个因素均有关。物

体吸收热量，内能不一定增大，因为物体可能同时对外做功，故内能还有可能不变或减少，

A错误，C正确；物体对外做功，可能同时吸收热量，内能还有可能不变或增大，B错误；

物体放出热量，同时对外做功，内能一定减少，D错误。

2.（2022•北京市丰台区高二期末）如图所示，现用活塞压缩封闭在汽缸内的空气，对空气做了

90J的功，同时空气向外散热21J.关于汽缸内空气的内能变化情况，下列说法正确的是（）

（（a。

A.内能增加90JB.内能增加69J

C.内能减小111JD.内能减少21J

答案B

解析根据题意，由热力学第一定律△U=Q+W可得，汽缸内叁气的内能变化为AU=-21J

+90J=69J,即汽缸内空气的内危增加了69J。故选B。

3.（2022•北京市二中期末）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I可到

开始的状态，用明表示外界对气体做的功，表示气体对外界做的功，Qi表示气体吸收的

热量，表示气体放出的热量，则在整个过程中一定有（）

A.。］一。2=的2—卬1B.Q|=Q

C.VV|=W2D.Q\>Q2

答案A

解析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，说明

整个变化过程内能的变化为零，根据热力学第一定律可得

△U=WI-W2+OI-Q=0,

可得。1一。2=卬2—1%,因为没有具体的变化过程，所以无法判断W1与电的大小关系，也

无法判断彷与的大小关系，A正确，B、C、D错误。

4.（多选）如图所示为简易测温装置，玻璃管中一小段水银封闭了烧瓶内一定质量的气体，当温

度升高时（）

A.瓶内气体的密度增大

B.瓶内气体分子的平均动能增加

C.外界对瓶内气体做正功

D.传热使瓶内气体的内能增加

答案BD

解析由题图可知，当温度升高时，烧瓶内气体的变化为等压膨胀，故瓶内气体的密度减小，

气体分子的平均动能增加，瓶内气体对外做功，选项B正确，A、C错误：由热力学第一定

律△U=W+Q可知，瓶内气体内能增加是由于气体从外界吸收了热量，选项D正确。

5.（2022•广州市高二期末）列车运行的平稳性与车厢的振动密切相关，车厢底部安装的空气弹

簧可以有效减震，空气弹簧主要由活塞、汽缸及内封的一定质量的气体构成。上下乘客及剧

烈颠簸均能引起车厢振动，上下乘客时汽缸内气体的体积变化缓慢，气体与外界有充分的热

交换，剧烈颠簸时汽缸内气体的体积变化较快，气体与外界来不及热交换。若外界环境温度

保持不变，汽缸内气体视为理想气体，在气体压缩的过程中，当上下乘客时，气体的内能

（选填“增加”“减少”或“不变”），气体从（向）外界（选填“吸热”或

“放热”）;剧烈颠簸时，_______________（选填“外界对气体”或“气体对外界”）做功，

气体的温度_______（选填“升高”“降低”或“不变”）0

答案不变放热外界对气体升高

解析上下乘客时汽缸内气体的体积变化慢慢，气体与外界有充分的热交换，则气体温度不

变，内能不变，即△。二。；

在气体压缩的过程中，外界对气体做正功，即W>0,根据热力学第一定律AU=Q+W,可得

Q<0,所以气体对外放出热量：

剧烈颠簸时汽缸内气体的体积变化较快，气体与外界来不及热交换，即Q=0,在气体压缩的

过程中，外界对气体做正功，即W>0:

根据热力字第一定律AU=0+W,可得AU〉。，即气体的内能增加，温度升高。

考点二能量守恒定律永动机不可能制成

6.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「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

是可以凭空产牛的

答案C

解析磁铁穿过线图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。

7.（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能源源不断对外做功的机器

B.随着科技的发展，第一类永动机可以制成

C.第一类永动机不可能制成的原因是技术问题

D.第一类永动机不可能制成的原因是违背了能量守恒定律

答案AD

解析第一类永动机是不消耗任何能量却能源源不断对外做功的机器，这是人们的美好愿望，

但它违背了能量守恒定律，这也是它不可能制成的原因，故A、D正确，B、C错误。

8.（多选）行驶中的汽车刹车后会滑行一段距高，最后停下；流星在夜空中坠落并发出明亮的

火焰：降落伞在空中匀速下降；条形磁体在下落过程中穿过闭合线圈，线圈中产生电流。上

述不同现象所包含的相同物理过程是（）

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

答案AD

解析这四个现象中物体运动过程中都受到阻力作用，汽车主要受摩擦阻力，流星、降落伞

受空气阻力，条形磁体下落受磁场阻力，因而物体都克服阻力做功，A正确。四个物体的运

动过程中，汽车是动能转化成了内能，流星、降落伞、条形磁体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正确。

能力综合练

9.如图所示，导热良好的圆筒形汽缸竖直放置在水平地而上，用活塞将一定质量的理想气体

封闭在汽缸内，活塞上堆放着铁砂，系统处于静止状态。现缓慢取走铁砂，忽略活塞与汽缸

之间的摩擦，外界环境温度不变，则在此过程中缸内气体（）

A.对外做功，其内能减少

B.温度不变，与外界无热量交换

C.分子碰撞缸壁时的平均作用力减小

D.分子在单位时间内对单位面积活塞的碰撞次数减少

答案D

解析缓慢取走铁砂的过程中，活塞对封闭气体的压强减小，因温度不变，由知V变

大，活塞会缓慢上升，气体膨张对外做功，WVO,汽缸导热良好，虹内气体温度保持不变，

即△（/=（）,由热力学第一定律△U=W+。知。＞0,即气体要从外界吸收热量，故A、B错

误：由上面的分析可知缸内气体温度不变，即气体分子的平均动能不变，所以分子与缸壁碰

撞时的平均作用力不变，故C措误；因为缸内气体体积增大，所以缸内生体分子数密度减小，

分子的平均动能不变，则在单位时间内气体分子对单位面积活塞的碰撞次数减少，故D正确。

10.（2022•深圳市高二期中）如图所示，容器A、B各有一个可以目由移动的轻活塞，活塞下面

是水，上面是大气，大气压强恒定。A、B的底部由带有阀门K的管道相连，整个装置与外

界绝热。起初，A中水面比B中的高，打开阀门，使A中的水逐渐流向B中，最后达到平

衡。在这个过程中，下列说法正确的是（）

A.大气压力对水做功，水的内能减小

B.水克服大气压力做功，水的内能减小

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J曾加

答案D

解析平衡前，A容器中的活塞向下移动，设A中活塞横截面枳为与,移动距离为八，大气

压力推动A中活塞向下移动时对水做的功WA=P（S/I,平衡前，B容器中的活塞向上移动，

设B中活塞横截面积为S2,移动距离为上，水通过活塞对外界做功，WB=-P（S，2,由于水

的忌体枳不变，则有Sd=S2b即A容器中大气压力对水做的功与B容器中水克服大气压

力做的功相等。在整个过程中，大气压力对水做的功是上述两人功（正功卬八、负功WB）的代

数和，即WA+WB=POSI/|-P（S/2=O,选项A、B错误。大气压力对水不做功，同时整个装

置与外界绝热，没有热交换，但是水从容器A流向容器B的过程中，水的重心下降，水的重

力做正功，水的重力势能减小，根据能量守恒定律，减少的水的势能转化为水的内能，水的

内能增加，选项C错误，D正确。

11.（2022•扬州