高中物理选修三 题库 第三章 第2节　热力学第一定律 第3节　能量守恒定律

第2节热力学第一定律第3节能量守恒定律一、热力学第一定律1.改变内能的两种方法：做功与传热。两者在改变系统内能方面是等价的。2.热力学第一定律(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热量与外界对它所做的功的和。(2)数学表达式：ΔU＝Q＋W。【判一判】(1)系统从外界吸收热量5J，内能可能增加5J。(√)(2)物体吸收热量，内能一定增大。(×)(3)物体对外做功，内能一定减少。(×)二、热力学第一定律的应用1.由ΔU＝U2－U1知，当系统内能增加时，ΔU取正值，内能减少时，ΔU取负值。2.外界对系统做功时，W取正值；而系统对外界做功时，W取负值。3.外界向系统传递的热量Q取正值；而系统向外界传递的热量Q就取负值。【判一判】(1)体积膨胀的物体，其内能一定减少。(×)(2)物体吸收热量，同时对外做功，内能可能不变。(√)(3)物体放出热量，同时对外做功，内能可能不变。(×)三、能量守恒定律1.能量守恒定律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.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，却能不断地对外做功的机器。(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。探究1热力学第一定律的理解和应用1.对热力学第一定律的理解(1)热力学第一定律不仅反映了做功和传热这两种改变内能的过程是等价的，而且给出了内能的变化量和做功与传热之间的定量关系。(2)定律的表达式ΔU＝Q＋W是标量式。(3)应用时各量的单位应统一为国际单位焦耳。2.公式ΔU＝Q＋W中符号的规定符号WQΔU＋外界对系统做功系统吸收热量内能增加－系统对外界做功系统放出热量内能减少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。4.几种特殊情况(1)若过程是绝热的，则Q＝0，W＝ΔU，外界对物体做的功等于物体内能的增加。(2)若过程中不做功，即W＝0，则Q＝ΔU，物体吸收的热量等于物体内能的增加。(3)若过程的始末状态物体的内能不变，即ΔU＝0，则W＋Q＝0或W＝－Q，外界对物体做的功等于物体放出的热量。【例1】一定量的气体从外界吸收了2.6×105J的热量，内能增加了4.2×105J。(1)是气体对外界做了功，还是外界对气体做了功？做了多少焦耳的功？(2)如果气体吸收的热量仍为2.6×105J不变，但是内能增加了1.6×105J，计算结果W＝－1.0×105J，是负值，怎样解释这个结果？(3)在热力学第一定律ΔU＝Q＋W中，W、Q和ΔU的正值、负值各代表什么物理意义？答案(1)外界对气体做了1.6×105J的功。(2)说明气体对外界做功。(3)在公式ΔU＝Q＋W中，ΔU＞0，气体内能增加；ΔU＜0，气体内能减少。Q＞0，气体吸热；Q＜0，气体放热。W＞0，外界对气体做功；W＜0，气体对外界做功。解析(1)由热力学第一定律：如果气体跟外界同时发生做功和传热的过程，那么，外界对气体所做功W加上气体从外界吸收的热量Q等于气体内能的增加ΔU，即ΔU＝W＋Q将Q＝2.6×105J，ΔU＝4.2×105J代入上式得：W＝ΔU－Q＝4.2×105J－2.6×105J＝1.6×105JW＞0，说明外界对气体做了1.6×105J的功。(2)如果吸收的热量Q＝2.6×105J，内能ΔU增加了1.6×105J，计算结果为W＝－1.0×105J，说明气体对外界做功。(3)在公式ΔU＝Q＋W中，ΔU＞0，气体内能增加；ΔU＜0，气体内能减少。Q＞0，气体吸热；Q＜0，气体放热。W＞0，外界对气体做功；W＜0，气体对外界做功。【例2】如图，内壁光滑的汽缸竖直放置在水平桌面上，汽缸内封闭一定质量的气体。气体从状态A(活塞在A处)变为状态B(活塞在B处)时，气体吸收热量280J，并对外做功120J。(1)气体的内能改变了多少？是增加还是减少？(2)某人在上一问的基础上又接着提了后一个问题，说：“有人使气体从上一问的B状态再回到A状态，即回到原来A时的体积和温度，气体放出的热量是150J，那么返回过程中气体对外做的功又是多少？”请你对后一个问题进行评价。答案(1)160J，增加(2)见解析解析(1)根据热力学第一定律可知，汽缸内封闭气体的内能变化量为ΔU＝Q＋W＝[280＋(－120)]J＝160J即内能增加了160J。(2)若气体从B状态又返回A状态，则气体的内能变化量为ΔU′＝ΔU＝－160J根据热力学第一定律可知，气体由B状态返回A状态的过程中有ΔU′＝Q′＋W′则W′＝ΔU′－Q′＝(－160＋150)J＝－10J即气体从B状态返回A状态过程中，对外做功为10J但从B状态到A状态，气体体积减少，应该对气体做功，显然与实际情况不符，故该问题题设有误，该过程不能发生。探究2能量守恒定律的理解和应用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，通过某种力做功可以相互转化。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.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＝Q＋W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。【例3】下列关于能量转化现象的说法中，正确的是()A．用太阳灶烧水是太阳能转化为内能B．电灯发光是电能转化为热能C．核电站发电是电能转化为内能D．生石灰放入盛有凉水的烧杯里，水温升高是动能转化为内能答案A解析用太阳灶烧水是太阳能转化为内能，A正确；电灯发光是消耗电能，转化为光能，B错误；核电站发电是核能转化为电能，C错误；生石灰放入凉水中，水温升高是化学能转化为内能，D错误。【例4】(2021·安徽亳州二中高二期末)“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答案B解析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正确，A、C、D错误。【针对训练】大约在1670年，英国赛斯特城的主教约翰·维尔金斯设计了一种磁力“永动机”。如图所示，在斜坡顶上放一块强有力的磁铁，斜坡上端有一个小孔，斜面下有一个连接小孔直至底端的弯曲轨道，维尔金斯认为：如果在斜坡底端放一个小铁球，那么由于磁铁的吸引，小铁球就会向上运动，当小球运动到小孔P处时，它就要掉下，再沿着斜面下的弯曲轨道返回斜坡底端Q，由于有速度而可以对外做功，然后又被磁铁吸引回到上端，到小孔P处又掉下。在以后的二百多年里，维尔金斯的永动机居然改头换面地出现过多次，其中一次是在1878年，即在能量转化和守恒定律确定20年后，竟在德国取得了专利权。关于维尔金斯“永动机”，正确的认识应该是()A.符合理论规律，一定可以实现，只是实现时间早晚的问题B.如果忽略斜面的摩擦，维尔金斯“永动机”一定可以实现C.如果忽略斜面的摩擦，铁球质量较小，磁铁磁性又较强，则维尔金斯“永动机”可以实现D.违背能量转化和守恒定律，不可能实现答案D解析如果忽略摩擦，那么铁球返回斜坡底端Q时速度为零，无法对外做功，如果在返回的过程中对外做功了，将无法返回到底端Q。所以该“永动机”不可以实现。D正确。1.(热力学第一定律的理解和应用)如图是封闭的汽缸，内部封闭有一定质量的理想气体。外力推动活塞P压缩气体，对汽缸内气体做功800J，同时气体向外界放热200J，则汽缸内气体的()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答案A解析由热力学第一定律：ΔU＝Q＋W得ΔU＝－200J＋800J＝600J，一定质量的理想气体的内能大小只与温度有关，ΔU＝600J＞0，故温度一定升高，选项A正确。2.(热力学第一定律的理解和应用)北京春秋两季的昼夜温差较大，细心的司机发现从早晨到中午，车胎的体积和胎内气体的压强都会变大。若这段时间胎内气体质量不变，且可将其视为理想气体，那么从早晨到中午这段时间内，车胎内的气体()A.对外界做功，内能减小B.对外界做功，内能不变C.吸收热量，内能不变D.吸收的热量大于对外所做的功答案D解析车胎的体积和胎内气体的压强都会变大。根据eq\f(pV,T)＝C，温度升高，则气体内能增大，且对外做功，根据热力学第一定律可知，气体吸热大于对外所做的功，故选项D正确。3.(能量守恒定律的理解和应用)下列关于能的转化和能量守恒定律的认识不正确的是()A.某种形式的能减少，一定存在其他形式的能增加B.某个物体的能减少，必然有其他物体的能增加C.不需要任何外界的动力而持续对外做功的机器——永动机不可能制成D.石子从空中落下，最后停止在地面上，说明机械能消失了答案D解析根据能量守恒定律得知，某种形式的能减少，其他形式的能一定增加，故A正确；某个物体的能量减少，根据能量守恒定律得知，必然有其他物体的能量增加，故B正确；不需要任何外界的动力而持续对外做功的机器—永动机，违反了能量的转化和守恒定律，不可能制成，故C正确；石子在运动和碰撞中机械能转化为了物体及周围物体的内能，并没有消失，故D错误。4.(能量守恒定律的理解和应用)如图所示，小朋友坐在滑梯上匀速下滑，在这个过程中()A.小朋友的机械能逐渐转化为系统的内能，总能量减少B.因为能量是守恒的，小朋友的机械能大小不变C.系统内能是通过传热方式改变的D.由于摩擦，小朋友滑过的滑梯温度升高，分子的平均动能增大，但不是其中每一个分子的动能都增大答案D解析小朋友沿滑梯匀速下滑的过程中，动能不变，重力势能减小，故机械能减小，减小的重力势能逐渐转化为系统的内能，总能量不变，选项A、B错误；系统内能是通过做功方式改变的，选项C错误；温度是分子平均动能的标志，温度越高，分子的平均动能越大，但不是每一个分子的动能都增大，选项D正确。课时定时训练(限时25分钟)题组一热力学第一定律的理解和应用1.在热力学第一定律的表达式ΔU＝Q＋W中关于ΔU、Q、W各个物理量的正、负，下列说法中正确的是()A.外界对物体做功时W为正，吸热时Q为负，内能增加时ΔU为正B.物体对外界做功时W为负，吸热时Q为正，内能增加时ΔU为负C.物体对外界做功时W为负，吸热时Q为正，内能增加时ΔU为正D.外界对物体做功时W为负，吸热时Q为负，内能增加时ΔU为负答案C解析外界对物体做功时W为正，反之为负；吸热时Q为正，反之为负；内能增加时ΔU为正，反之为负，故C正确。2.一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答案B解析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＝Q＋W，可知Q＝ΔU－W＝－1.2×105J－8×104J＝－2×105J，选项B正确。3.一定质量的理想气体，从某一状态开始经过一系列改变后又回到开始状态，用W1表示外界对气体做功，W2表示气体对外界做功，Q1表示气体吸收的热量，Q2表示气体放出的热量，则整个过程一定有()A.Q1－Q2＝W2－W1 B.Q1＝Q2C.W2＝W1 D.Q1＞Q2答案A解析由题意知，W1为正功，W2为负功Q1为正，Q2为负，故W＝W1－W2，Q＝Q1－Q2由于从某一状态开始，经过一系列变化后又回到开始的状态，所以ΔU＝W＋Q＝0即得Q1－Q2＝W2－W1，故选项A正确。4.关于内能的变化，以下说法正确的是()A.物体吸收热量，内能一定增大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ΔU＝Q＋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，故内能有可能不变或减少，A错误；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，C正确；物体放出热量，同时对外做功，内能一定减少，D错误。5.固定不动的水平汽缸内由活塞B封闭着一定质量的理想气体，气体分子之间的相互作用可以忽略。假设汽缸的导热性能很好，环境的温度保持不变。若用外力F将活塞B缓慢地向右拉动，如图所示，则在拉动活塞的过程中，关于汽缸内气体的下列结论，其中正确的是()A.气体对外做功，气体内能减小B.气体对外做功，气体内能不变C.外界对气体做功，气体内能不变D.气体向外界放热，气体内能不变答案B解析用力F缓慢拉动活塞时，气体膨胀，对外做功，但由于汽缸的导热性能很好，环境温度又不变，汽缸会从外界吸收热量而保持与环境温度相同，因而气体的内能不变，故B选项正确。题组二能量守恒定律的理解和应用6.有关能量的转化和守恒定律，下列说法正确的是()A.只适用于机械能与内能的相互转化B.只适用能量转化过程C.“摩擦生热”是创造了热，它不符合能量守恒定律D.根据能量守恒定律，宇宙中的能量总和不变答案D解析能量的转化和守恒定律是自然界普遍遵循的一个规律，适用于一切能量和一切物理过程，故D正确，A、B、C错误。7.一种冷暖两用型空调在制热时，每消耗1J电能，放出约3J的热量。下列说法正确的是()A.空调制热过程产生了新能量B.空调制热时放出的热量全部是由电能转化而来的C.此过程违反了能量守恒定律D.空调制热时放出的热量，一部分是由电能转化而来，另一部分则是从外界吸收答案D解析该空调向室内放出的热量，一部分是通过电流做功，消耗电能转化而来，另一部分则是通过从外界吸收，因此并不违反能量守恒定律，故选项D正确，A、B、C错误。8．下列关于第一类永动机的说法错误的是()A．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B．永动机不能制成的原因是违背了热力学第一定律C．永动机不能制成的原因是技术问题D．永动机不能制成的原因是违背了能量守恒定律答案C解析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，这也是它不能制成的原因，而不是因为技术问题。故选项A、B、D正确，C错误。9．下列说法正确的是()A．随着科技的发展，永动机是可以制成的B．微观物体的高速运动也服从牛顿运动定律C．“既要马儿跑，又让马儿不吃草”违背了能量转化和守恒定律，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，说明能量可以凭空产生答案C解析永动机违反能量守恒定律，即使随着科技的发展，永动机也是不可以制成的，A错误；牛顿运动定律适用于宏观低速的物体运动，B错误；“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，C正确；由能量守恒定律可知，能量是不能凭空产生的，D错误。10.(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2×105Pa。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.1200JC.2000J D.2800J答案B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＝Q＋W＝(2000－800)J＝1200J，故B正确。11.如图所示，水平放置的密封汽缸内的气体被一竖直隔板分隔为左右两部分，隔板可在汽缸内无摩擦滑动，右侧气体内有一电热丝。汽缸壁和隔板均绝热。初始时隔板静止，左右两边气体温度相等。现给电热丝提供一微弱电流，通电一段时间后切断电源。当缸内气体再次达到平衡时，与初始状态相比()A.右边气体温度升高，左边气体温度不变B.左右两边气体温度都升高C.左边气体压强减小D.右边气体内能的增加量等于电热丝放出的热量答案B解析右边气体吸收热量后，温度升高，压强增大，隔板不再静止，向左移动，右边气体对左边气体做功，由于隔板和汽缸均绝热，则左边气体的内能增加，温度升高，A错误；左边气体体积减小，温度升高，由eq\f(pV,T)＝C，可知压强增大，B正确，C错误；右边气体对左边气体做了功，根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W，得右边气体内能的增加量小于电热丝放出的热量，D错误。12.如图所示，长木板A放在光滑的水平地面上，物体B以水平速度v0冲上A后，由于摩擦力作用，最后停止在木板A上，则从B冲到木板A上到相对木板A静止的过程中，下述说法中正确的是()A.物体B动能的减少量等于系统损失的机械能B.物体B克服摩