1、第第 1 1 节节 热力学第一定律热力学第一定律 第第 2 2 节节 能量的转化与守恒能量的转化与守恒 核 心 素 养 物理观念 科学思维 科学态度与 责任 1.理解热力学第一定律。 2.会用 UWQ 解决一些简单问 题。 3.知道第一类永动机不可能制成。 4.理解能量的转化与守恒定律，会用 能量的观点解释自然现象。 正确判断公式 U WQ 中各物理量的 正负，并能解决相关 问题。 了解能量守 恒定律的发 现过程， 体会 科学理论对 科技发展的 指导作用。 知识点一 热力学第一定律 观图助学 观察上图回答，钻木取火是通过什么方式改变木头的内能？用天然气烧水时，又 是通过什么方式改变水的内能？
2、1.改变物体内能的两种方式：做功和热传递。 2.功、热量和内能改变的关系 (1)如果一个物体既不吸热也不放热，那么，当外界对它做功时，物体内能增加， 且增加量等于外界做的功；当物体对外界做功时，物体内能减少，且减少量等于 物体做的功。 (2)如果一个物体既不对外界做功，外界也不对它做功，那么当物体从外界吸热 时，物体内能增加，其增加量等于吸收的热量；当物体向外放热时，物体内能减 少，其减少量等于放出的热量。 3.热力学第一定律 (1)内容 如果物体与外界之间同时存在做功和热传递的过程，那么物体内能的改变量 U 等于外界对物体所做的功 W 与物体从外界吸收的热量 Q 之和。 (2)表达式：UQW
3、 4.第一类永动机 (1)概念：不消耗任何能量而能永远对外做功的机器。 (2)结果：1718 世纪，人们提出了许多永动机设计方案，但无一例外，这类设 计方案都以失败而告终。 (3)原因：设想能量能够无中生有地创造出来，违背了能量守恒定律。 思考判断 (1)外界对系统做功，系统的内能一定增加。() (2)系统内能增加，一定是系统从外界吸收热量。() (3)系统从外界吸收热量 5 J，内能可能增加 5 J。() 做功可将其他形式的能转化为内能，热传递是内能的转移，它们在改变物体内能 方面是等效的。 系统只由于外界对它做功而与外界交换能量，它不从外界吸热，也不向外界放热 的过程称为绝热过程。 若我们
4、只知道物体的内能增加， 则不能确定物体是从外界吸收了热量还是外界对 物体做了功。 外界对物体做功 W 取正值，物体对外界做功 W 取负值，物体吸热 Q 取正值，放 热 Q 取负值。 一种永动机设想示意图 知识点二 能量的转化与守恒 观图助学 忽略阻力的情况下， 过山车和滚摆运动过程中， 能量如何转化， 机械能是否守恒？ 若阻力不能忽略，运动逐渐停止，是不是能量消失了？ 1.能量守恒定律的发现 (1)迈尔的发现 体力和体热必定来源于食物中的化学能，内能、化学能、机械能都是等价的，是 可以相互转化的，如果动物的能量输入与支出是平衡的，那么，所有这些形式的 能在量上必定是守恒的。 (2)焦耳的研究
5、1840 年，焦耳通过实验得出了焦耳定律，从而给出了电能向内能转化的定量 关系，为发现普遍的能量守恒定律打下了基础。 焦耳用了近 40 年的时间，不懈地钻研热功转换问题，为能量守恒定律提供了 无可置疑的证据。 (3)亥姆霍兹的贡献 从理论上把力学中的能量守恒原理推广到热、光、电、磁、化学反应等过程，揭 示了它们之间的统一性。 2.能量守恒定律 (1)内容 能量既不会消失，也不会创生，它只能从一种形式转化为其他形式，或者从一个 物体转移到其他物体，而能量的总值保持不变。 (2)意义 揭示了自然科学各个分支之间的普遍联系，是自然界内在统一性的第一个有力 证据。 思考判断 (1)某种形式的能量减少，
6、一定存在其他形式的能量增加。() (2)某个物体的能量减少，必然有其他物体的能量增加。() (3)石子从空中落下，最后静止在地面上，说明能量消失了。(), 迈尔从理论上具体地论证了机械能、内能、化学能、电磁能等都可相互转化。并 提出了物理、化学过程中能量守恒的思想。 焦耳的实验装置示意图 各种形式的能可以相互转化，各种物理现象可以用能量守恒定律联系在一起。 核心要点 热力学第一定律的理解和应用 问题探究 如图所示，给旱区送水的消防车停于水平地面。在缓慢放水的过程中，若车胎不 漏气且胎内气体温度不变，不计分子间的势能，试分析气体的吸、放热情况。 答案 由于车胎内气体温度不变，故气体分子的平均动能
7、不变，内能不变。放水 过程中气体体积增大，对外做功，由热力学第一定律可知，车胎内气体吸热。 探究归纳 1.内能和热量 (1)内能是由系统的状态决定的，状态确定，系统的内能也随之确定。要使系统 的内能发生变化，可以通过热传递和做功两种方式来完成。 (2)热量是热传递过程中的特征物理量，热量只是反映物体在状态变化过程中所 转移的能量，是用来衡量物体内能变化的，有过程，才有变化，离开过程，毫无 意义。 (3)对某一状态而言，只有“内能”，根本不存在“热量”和“功”。不能说一 个系统中含有多少热量。 2.热力学第一定律的理解 (1)对 UWQ 的理解 热力学第一定律将单纯的绝热过程和单纯的热传递过程推
8、广到一般情况， 既有做 功又有热传递的过程，其中 U 表示内能改变的数量，W 表示做功的数量，Q 表 示外界与物体间传递的热量。 (2)对公式 U、Q、W 符号的规定 符号 W Q U 正号 外界对物体做功 物体吸收热量 内能增加 负号 物体对外界做功 物体放出热量 内能减少 (3)判断气体做功正、负的方法 若气体体积增大，表明气体对外界做功，W0。 经典示例 例 1 空气压缩机在一次压缩中，活塞对空气做了 2105 J 的功，同时空气的内 能增加了 1.5105 J，这一过程中空气向外界传递的热量是多少？ 解析 选择被压缩的空气为研究对象，根据热力学第一定律有 UWQ。 由题意可知 W210
9、5 J，U1.5105 J，代入上式得 QUW1.5105 J2105 J5104 J。 负号表示空气向外释放热量，即空气向外界传递的热量为 5104 J。 答案 5104 J 规律总结 应用热力学第一定律解题的一般步骤 (1)首先选定研究对象是哪个物体或哪个热力学系统。 (2)根据符号法则写出各已知量(W、Q、U)的正、负。 (3)根据方程 UWQ 求出未知量。 (4)再根据未知量结果的正、负来确定吸热、放热情况或做功情况。 针对训练 1 下列过程不可能发生的是( ) A.物体吸收热量，对外做功，同时内能增加 B.物体吸收热量，对外做功，同时内能减少 C.外界对物体做功，同时物体吸热，内能减
10、少 D.外界对物体做功，同时物体放热，内能增加 解析 物体吸收热量 Q0, 对外做功 W0，由 UWQ 可知内能 U 可能增 加， 也可能减少， 故 A、 B 都可能发生； 外界对物体做功 W0， 同时吸热 Q0， 则内能 U 必增大，故 C 不可能；外界对物体做功 W0，同时放热 Q0，U 可 能增加，也可能减少，D 项可能。 答案 C 核心要点 能量守恒定律的理解及应用 问题探究 有一种所谓“全自动”机械手表如图所示，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
11、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。 探究归纳 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、原子能等。 (2)各种形式的能，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.守恒是否需要条件 (1)与某种运动形式对应的能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的弹力做功。 (2)能量守恒定律是没有条件的，它是一切自然现象都遵守的基本规律。 3.由能量守恒分析第一类永动机
12、失败的原因 系统对外做功要以系统本身的能量减少为代价。若想源源不断地做功，系统就必 须不断从外界获取能量使自己回到初始状态， 在无外界能量供给的情况下这是不 可能的。 经典示例 例 2 (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 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移，转移过程中能量是守恒的，这
13、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；所以 A、B、C 正确；D 选项中石子的机械能在变化，比如受空气 阻力作用，机械能可能减少，但机械能并没有消失，能量守恒定律表明能量既不 能创生，也不能消失，故 D 错误。 答案 ABC 针对训练 2 (多选)下面设想符合能量守恒定律的是( ) A.利用永久磁铁间的作用力，造一台永远转动的机械 B.做一条船，利用流水的能量逆水行舟 C.通过太阳照射飞机，即使飞机不带燃料也能飞行 D.利用核动力，驾驶地球离开太阳系 解析 利用磁场能可以使磁铁所具有的磁场能转化为动能， 但由于摩擦力的不可 避免性，动能最
14、终转化为内能使转动停止，故 A 错误；让船先静止在水中，设 计一台水力发电机使船获得足够电能， 然后把电能转化为船的动能使船逆水航行； 同理可利用光能的可转化性和电能的可收集性，使光能转化为飞机的动能，实现 飞机不带燃料也能飞行，故 B、C 正确；利用反冲理论，以核动力为能源，使地 球获得足够大的能量，挣脱太阳引力的束缚而离开太阳系，故 D 正确。 答案 BCD 核心要点 气体实验定律和热力学第一定律的综合应用 要点归纳 1.几种常见的气体变化过程 (1)绝热过程：在该过程中气体既不从外界吸热，也不向外界放热，即 Q0，则 WU，外界对气体做的功等于气体内能的增加。 (2)等容过程：在该过程中
15、气体不做功，即 W0，则 QU，气体吸收的热量等 于气体内能的增加。 (3)等温过程：在过程的始末状态，气体的内能不变，即 U0，则 WQ0 或 WQ，表示气体吸收的热量全部用来对外做功或外界对气体所做的功全部转 换为热量放出。 2.常见的分析思路 (1)利用体积的变化分析做功问题。气体体积增大，对外做功；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，内能减小。 (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 UWQ，则 QUW，若已知气体的做功情况和内能 的变化情况，即可判断
16、气体状态变化是吸热过程还是放热过程。 经典示例 例 3 (多选)如图所示，a、b、c、d 表示一定质量的理想气体状态变化过程中的 四个状态，图中 ad 平行于横坐标轴，dc 平行于纵坐标轴，ab 的延长线过原点， 以下说法正确的是( ) A.从状态 d 到 c，气体不吸热也不放热 B.从状态 c 到 b，气体放热 C.从状态 a 到 d，气体对外做功 D.从状态 b 到 a，气体吸热 解析 气体从状态 d 到 c，温度不变，理想气体内能不变，但是由于压强减小， 所以体积增大，对外做功，还要保持内能不变，一定要吸收热量，故 A 错误； 气体从状态 c 到状态 b 是一个降压、 降温过程， 同时体
17、积减小， 外界对气体做功， 而气体的内能还要减小(降温)，就一定要伴随放热的过程，故 B 正确；气体从状 态 a 到状态 d 是一个等压、升温的过程，内能增加，同时体积增大，所以气体要 对外做功，所以要吸收热量，C 正确；气体从状态 b 到状态 a 是一个等容变化过 程，随压强的增大，气体的温度升高，内能增大，而在这个过程中气体的体积没 有变化，就没有做功，气体内能的增大是因为气体吸热的结果，故 D 正确。 答案 BCD 规律总结 气体实验定律与热力学定律的综合问题的解题关键点 (1)分清气体的变化过程是求解问题的关键。 (2)理想气体体积变化对应着做功，等容过程 W0；温度变化，内能一定变化
18、， 等温过程 U0。 (3)绝热过程 Q0。 针对训练 3 (多选)如图所示，绝热隔板 K 把绝热的气缸分隔成体积相等的两部 分，K 与气缸壁光滑接触。两部分中分别有相同质量、相同温度的同种气体 a 和 b，气体分子之间的相互作用力和分子势能可忽略。现通过电热丝对气体 a 加热 一段时间，a、b 各自达到新的平衡状态，则( ) A.a 的体积增大，压强变小 B.b 的温度升高 C.加热后 a 的分子热运动比 b 的分子热运动激烈 D.a 增加的内能大于 b 增加的内能 解析 当加热 a 时，气体 a 的温度升高，压强增大，由于 K 与气缸壁光滑接触， 可以自由移动，所以 a、b 两部分的压强始
19、终相等，都变大，故 A 错误；由于 a 气体膨胀，b 气体被压缩，所以外界对 b 气体做功，根据热力学第一定律可知 b 的温度升高，故 B 正确；由于过程中 a 气体膨胀，b 气体被压缩，所以 a 气体的 温度较高，加热后 a 的分子热运动比 b 的分子热运动激烈，故 C 正确；由于 a 气体的最终温度较高，内能增加较多，故 D 正确。 答案 BCD 1.(热力学第一定律的理解)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 解析 根据热力学第一定
20、律 UWQ，物体内能的变化与做功及热传递两个 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，还有可能吸收热量，内能可能 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。 答案 C 2.(热力学第一定律的理解)“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 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。 答案 B 3.(能量
21、守恒定律)自由摆动的秋千摆动幅度越来越小，下列说法正确的是( ) A.机械能守恒 B.能量正在消失 C.只有动能和重力势能的相互转化 D.减少的机械能转化为内能，但总能量守恒 解析 自由摆动的秋千摆动幅度减小，说明机械能在减少，减少的机械能通过克 服摩擦力等外力做功的方式转化成了内能。 答案 D 4.(热力学定律的综合应用)如图所示，由导热材料制成的截面积相等、长度均为 45 cm 的气缸 A、B 通过带有阀门的管道连接。初始时阀门关闭，厚度不计的光 滑活塞 C 位于 B 内左侧，在 A 内充满压强 pA2.8105 Pa 的理想气体，B 内充 满压强 pB1.4105 Pa 的理想气体，忽略连接气缸的管道体积，室温不变，现 打开阀门，求： (1)平衡后活塞向右移动的距离和 B 中气体的压强； (2)自打开阀门到平衡，B 内气体是吸热还是放热(简要说明理由)。 解析 (1)活塞向右移动达到稳定后， 向右移动的距离为 x， B 中气体的压强为 p， 对 A 气体， 有 pALSp(Lx)S 对 B 气体，有 pBLSp(Lx)S 得 x15 cm p2.1105 Pa (2)活塞 C 向右移动，对 B 中气体做功，而气体做等温变化，内能不变，由热力 学第一定律可知 B 内气体放热。 答案 (1)15 cm 2.1105 Pa (2)放热 理由见解析