1、3 热力学第一定律热力学第一定律 能量守恒定律能量守恒定律 学科素养与目标要求 物理观念：1.理解热力学第一定律和能量守恒定律.2.知道什么是第一类永动机及其不可能制 成的原因 科学思维：1.能利用热力学第一定律进行有关计算.2.会用能量守恒的观点分析、解决有关问 题 一、热力学第一定律 1改变内能的两种方式：做功与热传递两者在改变系统内能方面是等价的 2 热力学第一定律： 一个热力学系统的内能增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：UQW. 二、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另一种形式，或者从一个
2、 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能量守恒定律的意义 (1)各种形式的能可以相互转化 (2)各种物理现象可以用能量守恒定律联系在一起 3永动机不可能制成 (1)第一类永动机：人们把设想的不消耗能量的机器称为第一类永动机 (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 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)系统内能增加，一定是系统从外界吸收了热量( ) (3)系统内能减少，一定是系统对外界做了功( ) (4)违背能量守恒定律的过程是不可能发生的( ) 2一定质量的气体从外界吸收了 50 J 的热量，同时对外做功 10
3、0 J，则物体的内能 _(“增加”或“减少”)_ J. 答案 减少 50 一、热力学第一定律 (1)如图所示，快速推动活塞对汽缸内气体做功 10 J，气体内能改变了多少？若保持气体体积 不变，外界对汽缸传递 10 J 的热量，气体内能改变了多少？ (2)一根金属丝经过某一物理过程，温度升高了，除非事先知道，否则根本无法判定是通过做 功的方法，还是使用了传热的方法使它的内能增加因为单纯地对系统做功和单纯地对系统 传热都能改变系统的内能既然它们在改变系统内能方面是等价的，那么当外界对系统做功 为 W，又对系统传热为 Q 时，系统内能的增量 U 应该是多少？ 答案 (1)都增加了 10 J(2)QW
4、. 1对公式 UQW 符号的规定 符号 W Q U 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 2.几种特殊情况 (1)绝热过程：Q0，则 UW，物体内能的增加量等于外界对物体做的功 (2)等容过程：W0，则 UQ，物体内能的增加量等于物体从外界吸收的热量 (3)等温过程：始末状态物体的内能不变，即 U0，则 WQ(或 QW)，外界对物体 做的功等于物体放出的热量(或物体吸收的热量等于物体对外界做的功) 3判断是否做功的方法 一般情况下看物体的体积是否变化 若物体体积增大，表明物体对外界做功，W0. 特别提醒
5、热力学第一定律是将单纯的绝热过程和单纯的传热过程中内能改变的定量表达推 广到一般情况，既有做功又有传热的过程，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 例 1 一定量的气体在某一过程中，外界对气体做了 8104 J 的功，气体的内能减少了 1.2105 J，则下列各式中正确的是( ) AW8104 J，U1.2105 J，Q4104 J BW8104 J，U1.2105 J，Q2105 J CW8104 J，U1.2105 J，Q2104 J DW8104 J，U1.2105 J，Q4104 J 答案 B 解析 因为外界对气体做功，W 取正值，即 W8
6、104 J；内能减少，U 取负值，即 U 1.2105 J；根据热力学第一定律 UWQ，可知 QUW1.2105 J8104 J 2105 J，B 选项正确 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、U)的正负； 2根据方程 UWQ 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 二、能量守恒定律的理解和应用 (1)在能量发生转化或转移时，能量的总量会减少吗？ (2)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 (1)能量的总
7、量不会减少(2)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 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
8、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 UWQ 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 2 (2018 咸阳实验中学月考)如图 1 所示， 一演示用的“永动机”转轮由 5 根轻杆和转轴 构成，轻杆的末端装有用形状记忆合金制成的叶片轻推转轮后，进入热水的叶片因伸展而 “划水”，推动转轮转动离开热水后，叶片形状迅速恢复，转轮因此能转动较长时间，下 列说法正确的是( ) 图 1 A转轮依靠自身惯性转动，不需要消耗外界能量 B转轮转动所需能量来自形状记忆合金自身 C转动的叶片不断搅动热水，水温升高 D叶片在热水中吸收的热量一定大于在
9、空气中释放的热量 答案 D 解析 形状记忆合金进入水中后受热，形状发生改变而搅动热水，由能量守恒知，能量来源 于热水，热水温度会降低，故 A、B、C 错误；由能量守恒知，叶片吸收的能量一部分转化 成叶片的动能，一部分释放于空气中，故 D 正确 三、气体实验定律和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，请在图象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？ (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 (1)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 W0. 由 UWQ 得 Q
10、0，即气体吸热，内能增加 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问题气体体积增大，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， 即可判断气体状态变化是吸热过程还是放热过程 例 3 (多选)(2018 全国卷)如图 2，一定量的理想气体从状态 a 变化到状态 b，其过程如 p V 图中从 a 到 b 的直线所示
11、在此过程中( ) 图 2 A气体温度一直降低 B气体内能一直增加 C气体一直对外做功 D气体吸收的热量一直全部用于对外做功 答案 BC 解析 在 pV 图中理想气体的等温线是双曲线的一支，而且离坐标轴越远温度越高，故从 a 到 b 温度升高，A 错；一定质量的理想气体的内能由温度决定，温度越高，内能越大，B 对； 气体体积膨胀，对外做功，C 对；根据热力学第一定律 UQW，得 QUW，气体吸 收的热量一部分用来对外做功，一部分用来增加气体的内能，D 错 例 4 如图 3 所示，倒悬的导热汽缸中封闭着一定质量的理想气体，轻质活塞可无摩擦地上 下移动，活塞的横截面积为 S，活塞的下面吊着一个重为
12、G 的物体，大气压强恒为 p0，起初 环境的热力学温度为 T0时，活塞到汽缸底面的距离为 L.当环境温度逐渐升高，导致活塞缓慢 下降，该过程中活塞下降了 0.1L，汽缸中的气体吸收的热量为 Q.求： 图 3 (1)汽缸内部气体内能的增量 U； (2)最终的环境温度 T. 答案 (1)Q0.1p0SL0.1LG (2)1.1T0 解析 (1)密封气体的压强 pp0G S 密封气体对外做功大小 WpS0.1L 由热力学第一定律得 UQ0.1p0SL0.1LG (2)该过程是等压变化，由盖吕萨克定律有 LS T0 L0.1LS T 解得 T1.1T0. 1(热力学第一定律的理解和应用)关于内能的变化
13、，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 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；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，C 正确；物体放出 热量，同时对外做功，内能一定减少，D 错误 2.(能量守恒定律的理解和应用)如图 4 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
14、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( ) 图 4 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 答案 B 解析 由于两管粗细相同，作用在液体上的大气压力的合力为零，故大气压力不做功；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 3.(热力学第一定律的理解和应用)(多选)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 VT 图象如图 5 所示下列说法正确
15、的有( ) 图 5 AAB 的过程中，气体对外界做功 BAB 的过程中，气体放出热量 CBC 的过程中，气体压强不变 DABC 的过程中，气体内能增加 答案 BC 解析 由 VT 图象知，从 A 到 B 的过程中，气体被等温压缩，外界对气体做正功，气体的 内能不变由热力学第一定律知，气体放出热量，A 错误，B 正确；从 B 到 C 的过程中气体 做等压变化，温度降低，气体内能减少，故 C 正确，D 错误 4(气体实验定律和热力学第一定律的综合应用)(2019 沙市中学高二下期中)在寒冷的冬天里 泡一泡温泉，不仅可以消除疲劳，还可扩张血管，促进血液循环，加速人体新陈代谢假设 水温恒定，则温泉中正
16、在缓慢上升的气泡( ) A压强增大，体积减小，吸收热量 B压强增大，体积减小，放出热量 C压强减小，体积增大，吸收热量 D压强减小，体积增大，放出热量 答案 C 解析 温泉中正在缓慢上升的气泡，压强减小，由理想气体状态方程公式pV T C，知温度不 变，压强减小时体积增大；一定量的理想气体的内能仅与温度有关，故内能不变，体积增大 时，气体对外做功，由热力学第一定律可知，气体应吸收热量，故 C 正确，A、B、D 错误 5 (气体实验定律和热力学第一定律的综合应用)(2018 衡水中学模拟)如图6所示， 内壁光滑、 足够高的圆柱形汽缸竖直放置，内有一质量为 m 的活塞封闭一定质量的理想气体已知活塞
17、 横截面积为 S，外界大气压强为 p0，缸内气体温度为 T1.现对汽缸内气体缓慢加热，使气体体 积由 V1增大到 V2，该过程中气体吸收的热量为 Q1，停止加热并保持体积 V2不变，使其降温 到 T1，已知重力加速度为 g，求： 图 6 (1)停止加热时缸内气体的温度； (2)降温过程中气体放出的热量 答案 (1)V2 V1T1 (2)Q1(p0 mg S )(V2V1) 解析 (1)加热过程中气体等压膨胀，由V1 T1 V2 T2， 得：T2V2 V1T1. (2)设加热过程中， 封闭气体内能增加 U， 因气体体积增大， 故此过程中气体对外做功， W0. 由热力学第一定律知：UQ1W 其中 WpV(p0mg S )(V2V1) 由于理想气体内能只与温度有关，故再次降到原温度时气体放出的热量满足 Q2U 整理可得：Q2Q1(p0mg S )(V2V1)
