高中物理选修3步步高同步讲义第三章 2　热力学第一定律~3　能量守恒定律

第三章RELIXVEDIYIDINGLVNENGLIANGSHOUHENGDINGLV2热力学第一定律3能量守恒定律梳理教材夯实基础/探究重点提升素养/课时对点练1.理解热力学第一定律，并会运用于分析和计算.2.理解并会运用能量守恒定律.3.知道什么是第一类永动机及其不可能制成的原因.学习目标内容索引梳理教材夯实基础Part1探究重点提升素养Part2课时对点练Part3梳理教材夯实基础Part

11.改变内能的两种方式：

与

.两者对改变系统的内能是

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

与外界对它所

的和.3.热力学第一定律的表达式：ΔU＝

.4.热力学第一定律的应用：(1)W的正负：外界对系统做功时，W取

值；系统对外界做功时，W取

值.(均选填“正”或“负”)(2)Q的正负：外界对系统传递的热量Q取

值；系统向外界传递的热量Q取

值.(均选填“正”或“负”)一、热力学第一定律做功传热等价热量做的功Q＋W正负正负1.探索能量守恒的足迹二、能量守恒定律磁电磁感应热2.能量守恒定律能量既不会凭空

，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

.3.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.产生消失转化转移保持不变对外做功能量守恒定律1.判断下列说法的正误.(1)外界对系统做功，系统的内能一定增加.(

)(2)一个系统的内能增加量等于外界向它传递的热量.(

)(3)物体与外界没有热交换，物体的内能也可能是增加的.(

)(4)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.(

)(5)违背能量守恒定律的过程是不可能发生的.(

)××√×√即学即用2.气体膨胀对外做功100J，同时从外界吸收了120J的热量，它的内能的变化可能是A.减小20J B.增大20JC.减小220J D.增大220J返回√探究重点提升素养Part

2一、热力学第一定律如图所示，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？导学探究答案内能增加了10J减少了10J没改变1.对公式ΔU＝Q＋W符号的规定知识深化符号WQΔU＋体积减小，外界对热力学系统做功热力学系统吸收热量内能增加－体积增大，热力学系统对外界做功热力学系统放出热量内能减少知识深化2.气体状态变化的几种特殊情况(1)绝热过程：Q＝0，则ΔU＝W，系统内能的增加(或减少)量等于外界对系统(或系统对外界)做的功.(2)等容过程：W＝0，则ΔU＝Q，系统内能的增加量(或减少量)等于系统从外界吸收(或系统向外界放出)的热量.(3)等温过程：始末状态一定质量理想气体的内能不变，即ΔU＝0，则W＝－Q(或Q＝－W)，外界对系统做的功等于系统向外界放出的热量(或系统向外界吸收的热量等于系统对外界做的功).知识深化3.判断气体是否做功的方法一般情况下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>0.4.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、Q、ΔU)的正负；(2)根据方程ΔU＝W＋Q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、做功情况或内能变化情况.

(2021·舟曲县第一中学高二期末)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＝4×104JB.W＝8×104J，ΔU＝－1.2×105J，Q＝－2×105JC.W＝－8×104J，ΔU＝1.2×105J，Q＝2×104JD.W＝－8×104J，ΔU＝－1.2×105J，Q＝－4×104J例1√因为外界对气体做功，W取正值，即W＝8×104J；气体内能减少，ΔU取负值，即ΔU＝－1.2×105J；根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，可知Q＝ΔU－W＝－1.2×105J－8×104J＝－2×105J，故选B.

(2021·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0.2m.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2×105

Pa.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.1200JC.2000J D.2800J例2√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，故选B.二、能量守恒定律永动机不可能制成如图为一种所谓

“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.这是不是一种永动机？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.导学探究知识深化1.能量的存在形式及相互转化(1)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，还有电磁能、化学能、核能等.(2)各种形式的能，通过某种方式可以相互转化.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.知识深化2.能量守恒的两种表达(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.3.第一类永动机不可能制成的原因分析如果没有外界供给热量而对外做功，由ΔU＝W＋Q知，系统内能将减小.若想源源不断地做功，在无外界能量供给的情况下是不可能的.

下列对能量守恒定律的认识不正确的是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，说明机械能消失了例3√A选项是指不同形式的能量间的转化，转化过程中能量是守恒的；B选项是指能量在不同的物体间发生转化或转移，转化或转移过程中能量是守恒的，这正好是能量守恒定律的两个方面——转化与转移；第一类永动机是不可能制成的，它违背了能量守恒定律，A、B、C正确.D选项中石子的机械能在变化，因受空气阻力作用，机械能减少，但机械能并没有消失，而是转化成其他形式的能，D错误.

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，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，水的内能不变例4√由于两管粗细相同，作用在水上的大气压力不做功；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内能，故水的内能增大，选项B对，A、C、D错.三、气体实验定律与热力学第一定律的综合应用如图所示，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界做功，还是外界对气体做功？答案由a状态变化到b状态，气体体积变大，因此气体对外界做功，即W<0.导学探究(2)在变化过程中气体吸热，还是向外放热？气体内能如何变化？答案由p－V图像知从a状态变化到b状态，体积变大而压强不变，则温度升高，故ΔU>0.由ΔU＝W＋Q得Q>0，即气体吸热，内能增加.导学探究知识深化热力学第一定律与理想气体状态方程结合问题的分析思路：(1)利用体积的变化分析做功情况.气体体积增大，气体对外界做功；气体体积减小，外界对气体做功.(2)利用温度的变化分析理想气体内能的变化.一定质量的理想气体的内能仅与温度有关，温度升高，内能增加；温度降低，内能减少.(3)利用热力学第一定律判断是吸热还是放热.由热力学第一定律ΔU＝W＋Q，则Q＝ΔU－W，若已知气体的做功情况和内能的变化情况，即可判断气体状态变化是吸热过程还是放热过程.

(2021·淮安市高二期中)一定质量的理想气体，状态从A→B→C→D→A的变化过程可用如图所示的p－V图线描述，其中D→A为等温线，气体在状态A时温度为TA＝300K，试求：(1)气体在状态C时的温度TC；答案375K例5D→A为等温线，则TD＝TA＝300K气体由C到D为等压变化，由盖－吕萨克定律得：(2)若气体在A→B过程中吸热1000J，则在A→B过程中气体内能如何变化？变化了多少？答案增加了400J气体由A到B为等压变化，则W＝－pΔV＝－2×105×3×10－3J＝－600J，由热力学第一定律得ΔU＝Q＋W＝1000J－600J＝400J，则气体内能增加了400J.

(2021·南京市高二期末)如图所示，一个开口向下内壁光滑的汽缸竖直吊在天花板上.汽缸口设有卡口，厚度不计的活塞横截面积S＝2×10－3

m2

，质量m＝4kg，活塞只能在汽缸内活动，活塞距汽缸底部h1＝20cm，距缸口h2＝10cm.汽缸内封闭一定质量的理想气体.已知环境的温度为T1＝300K，大气压强p0＝1.0×105Pa，g＝10m/s2，汽缸与活塞导热性能良好.升高环境温度使活塞缓慢下降到缸口，继续升高温度至T2＝900K时.(1)求此时气体压强；答案1.6×105Pa例6设气体初状态压强为p1，对活塞由平衡条件得p0S＝p1S＋mg解得p1＝8×104Pa气体初状态的温度T1＝300K，体积V1＝h1S气体末状态的温度T2＝900K，体积V2＝(h1＋h2)S对缸内封闭气体，解得p2＝1.6×105Pa(2)在此过程中气体从外界吸收Q＝30J的热量，求气体内能的增加量ΔU.答案14J对于封闭气体，在此过程中外界对气体做功为W＝－p1·ΔV＝－8×104×2×10－3×0.1J＝－16J由热力学第一定律ΔU＝W＋Q气体增加的内能为ΔU＝－16J＋30J＝14J.针对训练1(2021·盐城市高二期末)如图所示，粗细均匀的玻璃管，长为L、内横截面积为S，将其固定在水平面上并保持平衡状态，A端封闭，B端开口，在B端用厚度不计的轻质活塞进行封闭，用力推活塞缓慢向里移动x时停止，该过程推力对活塞做功为WF.设整个过程管内气体温度不变，管内气体视为理想气体，活塞与玻璃管壁间的摩擦不计，外界大气压强为p0.求：(1)活塞移动x时，管内气体压强px；以理想气体为研究对象，初状态p1＝p0，V1＝LS末状态p2＝px，V2＝(L－x)S由于气体温度不变，由玻意耳定律p1V1＝p2V2(2)活塞移动x过程，气体与外界传递的热量Q.答案－(p0xS＋WF)在整个过程中，外界对气体做功W＝p0xS＋WF，气体温度不变ΔU＝0，由热力学第一定律有ΔU＝W＋Q，联立方程解得Q＝－(p0xS＋WF)针对训练2(2022·南通市高二期末)如图所示，一绝热汽缸质量m＝20kg、深度H＝25cm，放在水平地面上，汽缸与地面的动摩擦因数μ＝0.5.轻质绝热活塞面积S＝100cm2与轻杆连接固定在竖直墙上，轻杆保持水平，光滑活塞与汽缸内壁密封一定质量的理想气体，气体温度为t0＝27℃，活塞到汽缸底的距离为h＝22cm，杆中恰无弹力.现用缸内的加热装置对缸内气体缓慢加热，气体的内能满足关系式U＝aT(a＝2.0J/K)，汽缸与地面的最大静摩擦力等于滑动摩擦力，外界大气压强p0＝1.0×105Pa，取g＝10m/s2.求：(1)汽缸相对地面刚开始滑动时，缸内气体的温度T；答案330K由题意得开始时杆中恰无弹力，则初状态p1＝p0＝1.0×105Pa，T1＝300K,当汽缸相对地面刚开始滑动时，对汽缸受力分析得p2S＝p0S＋μmg，解得p2＝1.1×105Pa解得汽缸相对地面刚开始滑动时，缸内气体的温度T＝330K(2)汽缸滑动后，继续缓慢加热，汽缸缓慢移动，直至活塞恰到汽缸口，求这个过程气体吸收的热量Q.答案

123J由题意汽缸缓慢移动，所以为等压变化过程，则初状态V1＝Sh，T3＝T＝330K当活塞恰到汽缸口时，满足V2＝SH解得T4＝375K又因为U＝aT所以ΔU＝375×2J－330×2J＝90J又因为汽缸滑动后，直至活塞恰到汽缸口过程中，气体做功为W＝p2ΔV＝－33J由热力学第一定律ΔU＝Q＋W解得Q＝123J.返回课时对点练Part

3考点一热力学第一定律1.(2021·江苏省响水中学高二期末)下列说法正确的是A.物体放出热量，其内能一定减少B.物体对外做功，其内能一定减少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√基础对点练123456789101112131415物体放出热量，若外界对物体做的功大于放出的热量，内能可能增加，故A错误；物体对外做功，若同时从外界吸收的热量大于对外做的功，则内能增加，故B错误；物体吸收热量，Q>0，同时对外做功，W<0，则其内能可能不变，可能增加，也可能减少，故C正确；物体放出热量，Q＜0，同时对外做功，W＜0，则ΔU＜0，故内能一定减少，故D错误.1234567891011121314152.如图所示是密闭的汽缸，外力推动活塞P压缩一定质量的理想气体，对缸内气体做功800J，同时气体向外界放热200J，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√123456789101112131415由热力学第一定律ΔU＝W＋Q.其中W＝800J，Q＝－200J，则ΔU＝600J.内能增加，则温度升高，故选A.3.二氧化碳是导致“温室效应”的主要原因之一，目前专家们正在研究二氧化碳的深海处理技术.在某次实验中，将一定质量的二氧化碳气体封闭在一个可自由压缩的导热容器中，将容器缓慢移到海水某深处，气体体积减小为原来的一半，不计温度的变化，二氧化碳可视为理想气体，则此过程中A.封闭气体对外界做正功B.封闭气体从外界吸收热量C.封闭气体分子的平均动能不变D.封闭气体内能增加123456789101112131415√因为不计气体的温度变化，气体分子的平均动能不变，即ΔU＝0，选项C正确，D错误；因为气体体积减半，故外界对气体做功，即W>0，选项A错误；根据热力学第一定律：ΔU＝W＋Q，可知Q<0，即气体放出热量，选项B错误.1234567891011121314154.(2021·苏州市高二期中)有一种在超市中常见的“强力吸盘挂钩”如图甲所示.图乙、图丙是其工作原理示意图.使用时，按住锁扣把吸盘紧压在墙上(如图乙)，然后把锁扣扳下(如图丙)，让锁扣以盘盖为依托把吸盘向外拉出，使吸盘牢牢地被固定在墙壁上，若吸盘内气体可视为理想气体，且温度始终保持不变.则此过程中A.吸盘内气体要吸收热量B.吸盘内气体要放出热量C.吸盘被向外拉出过程中，吸盘内气体

不对外界做功D.吸盘内气体压强增大123456789101112131415√吸盘内气体体积增大，气体对外做功，W<0，由于气体温度不变，气体内能不变，ΔU＝0，由热力学第一定律ΔU＝W＋Q，可知Q＝ΔU－W>0，吸盘内气体要吸收热量，A正确，B、C错误；吸盘内气体温度不变而体积变大，由玻意耳定律pV＝C可知，吸盘内气体压强减小，D错误.1234567891011121314155.(2021·淮安市高二期中)一定质量的理想气体从状态A经过状态B变化到状态C，其V－T图像如图所示.下列说法正确的有A.B→C

的过程中，气体压强不变B.A→B

的过程中，气体吸收热量C.A→B

的过程中，气体对外界做功D.A→B→C

的过程中，气体内能增加√123456789101112131415由题图可知，B→C过程，V－T图线是过原点的直线，即为等压线，所以该过程气体压强不变，故A正确；由题图可知，A→B的过程中，气体温度不变而体积减小，气体内能不变，外界对气体做功，即ΔU＝0，W＞0，根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q可知Q＝ΔU－W＝－W＜0，气体放出热量，故B、C错误；由题图可知，A→B→C过程中，气体温度降低，气体内能减少，故D错误.123456789101112131415考点二能量守恒定律永动机不可能制成6.“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.它违背了能量守恒定律C.没有合理的设计方案D.找不到合适的材料√123456789101112131415第一类永动机不可能制成的原因是违背了能量守恒定律，故B正确.7.在一个密闭绝热的房间里，有一电冰箱正在工作，如果打开电冰箱的门，过一段时间后房间的温度会A.降低

B.不变C.升高

D.无法判断√冰箱只是把冰箱内的热量移到外面，但在密闭绝热的房间中，冰箱门打开，冰箱在不工作时，整个房间内的热量是不变的，而在工作时有电在做功，产生焦耳热，电能转化为内能，根据能量守恒定律可知室内温度升高了.故选C.1234567891011121314158.(2021·江苏省新桥高级中学高二期中)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，内能减小D.对外界做正功，压强减小123456789101112131415能力提升练√实际气体在温度不太低、压强不太大时可看作理想气体.充气袋被挤压，气体体积减小，外界对气体做正功，则W>0，即气体对外界做负功，由于袋内气体与外界无热交换，即Q＝0，根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q知，内能增大，选项A正确、C错误.根据

＝C可判断压强一定增大，选项B、D错误.1234567891011121314159.(2021·淮安市高二期中)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√123456789101112131415随着水向外喷出，气体的体积增大，由于温度不变，根据pV＝C，可知气体压强减小，A错误；由于气体体积膨胀，对外界做功，根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，气体温度不变，内能不变，一定从外界吸收热量，B正确，C错误；温度是分子平均动能的标志，由于温度不变，分子的平均动能不变，D错误.12345678910111213141510.(2021·青岛市高二期中)美丽的氢气球是很多小孩喜欢的玩具，将一个氢气球释放，它就会在空中持续上升，环境温度会降低，气球体积略微变大，若氢气球不漏气，下列说法正确的是A.气体分子平均间距减小B.气体的压强不会发生变化C.外界将对氢气球内气体做正功D.气体放出的热量小于内能的减少量√123456789101112131415气球体积变大，气体的分子数不变，气体分子平均间距增大，故A错误；气球在上升的过程中，环境温度会降低，气球体积变大，由

＝C可知，气体压强减小，故B错误；气球体积变大，外界对气体做负功，故C错误；根据ΔU＝W＋Q，因温度降低则ΔU<0，外界对气体做负功，W<0，气体同时放出热量，Q<0，故放出的热量小于内能的减少量，故D正确.12345678910111213141511.夏天，从湖底形成一个气泡，在缓慢上升到湖面的过程中没有破裂，如图所示.若越接近水面，湖内水的温度越高，大气压强没有变化，将气泡内气体看作理想气体.则上升过程中，下列说法正确的是A.外界对气泡内气体做功B.气泡内气体分子平均动能增大C.气泡内气体温度升高导致放热D.气泡内气体的压强可能不变√123456789101112131415气泡内气体压强p＝p0＋ρgh，气泡上升过程中，其压强减小，温度升高，根据

＝C，体积一定增大，气泡内气体对外界做功，故A、D错误.温度是分子平均动能的标志，温度升高，气泡内气体分子平均动能增大，气泡内气体内能增大，即ΔU>0，体积增大，即W<0，根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q可得Q>0，即气泡内的气体吸热，故B正确，C错误.12345678910111213141512.如图所示，一定质量的理想气体，由状态a等压变化到状态b，再从b等容变化到状态c，a、c两状态温度相等.下列说法正确的是A.从状态b到状态c的过程中气体吸热B.气体在状态a的内能大于在状态c的内能C.气体在状态b的温度小于在状态a的温度D.从状态a到状态b的过程中气体对外做正功√123456789101112131415从状态b等容变化到状态c，根据

，可知Tc<Tb.气体没有对外做功，而温度降低，根据热力学第一定律，则内能减小，因此一定放出热量，A错误；理想气体的内能是由温度决定的，a、c两状态温度相等，因此内能相等，而c的温度小于b的温度，因此a的温度小于b的温度，B、C错误；从状态a到状态b的过程中，气体体积增大，对外做功，D正确.12345678910111213141513.(2021·淮安市高二月考)如图所示绝热汽缸内，有一绝热轻质活塞封闭一定质量的气体，开始时气体温度为27℃，封闭气柱长9cm，活塞横截面积S＝50cm2，现通过汽缸底部电阻丝给气体加热一段时间.此过程中气体吸热22J，稳定后气体温度变为127℃.已知大气压强等于1.0×105Pa，求：(1)加热后活塞到汽缸底端的距离；答案12cm123456789101112131415解得h2＝12cm(2)此过程中气体对外界做的功；答案15J123456789101112131415此过程中气体对外界做功W1＝p0·ΔV＝1.0×105×(12－9)×10－2×50×10－4J＝15J(3)此过程中气体内能的增量.答案7J123456789101112131415根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，可得气体内能的增量ΔU＝22J－15J＝7J.14.(2021·江苏南京市中华中学高二期末)一定质量的理想气体，由状态a经状态