1、第3节 热力学第一定律 能量守恒定律 1理解热力学第一定律，能应用热力学第一定律分析和解决实际问题。2理解能量守恒定律，知道能量守恒定律是自然界普遍遵从的基本规律。3知道什么是第一类永动机及其不可能制成的原因。01课前自主学习 一、热力学第一定律1功和热：和这两种方法在改变内能方面是等效的，即一定数量的功与确定数量的热相对应。2内容：一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的与外界对它所做的的和。3数学表达式：U。01 做功02 热传递03 热量04 功05 QW二、能量守恒定律1大量事实证明：各种形式的能可以相互转化，并且在转化过程中不变。2能量守恒定律：既不会凭空产生，也不会凭空，它只能从
2、一种形式为另一种形式，或者从一个物体到别的物体，在转化或转移的过程中，能量的保持不变。01 总量02 能量03 消失04 转化05 转移06 总量3定律表明(1)各种形式的能可以互相。(2)各种互不相关的物理现象可以用能量转化和守恒定律联系在一起。三、永动机不可能制成1第一类永动机：它不需要任何或，却能不断地对外做功。2失败原因：违背了。07 转化01 动力02 燃料03 能量守恒定律判一判(1)对物体做功，其内能必定改变；物体向外传出一定热量，其内能必定改变。()(2)能量既可以转移又可以转化，故能的总量是可以变化的。()(3)违背能量守恒定律的过程是不可能发生的。()02课堂探究评价 课堂
3、任务 热力学第一定律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热传递这两种改变内能的方式是等效的，而且给出了做功和热传递之间的定量关系，此定律是标量式，应用时热量的单位统一为国际单位制中的焦耳。2对公式UQW符号的规定符号WQU外界对物体做功物体吸收热量内能增加物体对外界做功物体放出热量内能减少3几种特殊情况(1)若过程是绝热的，则Q0，外界对物体所做的功等于物体内能的增量。(2)若过程中不做功，即W0，物体吸收的热量等于物体内能的增量。(3)若过程中的始末状态的内能不变，则做的功和吸收的热量的数值一定是相同的。例1(1)一定量的气体从外界吸收了2.6105 J 的热量，内能增加了
4、4.2105 J，是气体对外界做了功，还是外界对气体做了功？做了多少功？(2)一定质量的气体，从外界吸收3.5105 J的热量，同时气体对外界做功2.3105 J，则气体的内能怎样变化？规范解答(1)根据热力学第一定律表达式中的符号法则，知Q2.6105 J，U4.2105 J。由UWQ，则WUQ4.2105 J2.6105 J1.6105 J。W0，说明是外界对气体做了功。(2)Q3.5105 J，W2.3105 J，则UQW1.2105 J，U为正值，说明气体的内能增加1.2105 J。完美答案(1)外界对气体做功 1.6105 J(2)增加了1.2105 J答案 1.应用热力学第一定律时
5、的注意事项1应用热力学第一定律时要明确研究的对象是哪个物体或者是哪个热力学系统。2应用热力学第一定律计算时，要依照符号规则代入数据，对结果的正、负也同样依照规则来解释其意义。2.热力学第一定律综合应用技巧热力学定律的考查一般与气体状态方程相综合，要抓住气体体积增大时，气体对外界做正功，体积减小时，外界对气体做正功的关键点。变式训练11 关于物体内能的变化，以下说法中正确的为()A物体吸收热量，内能一定增大B物体对外做功，内能一定减小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答案 解析 根据热力学第一定律UWQ，物体的内能的变化与外界对物体做功(
6、或物体对外界做功)、物体从外界吸热(或向外界放热)这两种因素有关。物体吸收热量，但有可能同时对外做功，故内能有可能不变甚至减小，故A错误；同理，物体对外做功的同时有可能吸热，故内能不一定减小，B错误；若物体吸收的热量与对外做功相等，则内能不变，故C正确；因放热和对外做功都会使物体内能减小，故D错误。解析 变式训练12 如图所示，一导热汽缸放在水平面上，其内封闭一定质量的某种理想气体，活塞通过滑轮组与一重物连接，并保持平衡，已知汽缸高度为h，开始活塞在汽缸中央，初始温度为t摄氏度，活塞面积为S，大气压强为p0。物体重力为G，活塞质量及一切摩擦不计，缓慢升高环境温度，使活塞上升x，封闭气体吸收了Q
7、的热量，(汽缸始终未离开地面)求：(1)环境温度升高了多少度？(2)气体的内能的变化量。答案(1)2xh(273t)(2)Q(p0SG)x答案 解析 对活塞受力分析可知气体做等压变化，气体对外做功是气体的压力做功。(1)活塞缓慢移动，任意状态都处于平衡状态，故气体做等压变化，由盖吕萨克定律可知：VT VT，其中V 12 Sh，VxS，解得tT2xh(273t)。(2)设汽缸内压强为p，由平衡条件得：pSp0SG，封闭气体对外做功：WpSx(p0SG)x，由热力学第一定律得：UQ(W)Q(p0SG)x。解析 课堂任务 能量守恒定律1能量的存在形式及相互转化各种运动形式都有对应的能：机械运动有机械
8、能，分子的热运动有内能，还有诸如电磁能、化学能、原子能等。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能量守恒定律的适用范围和重要意义(1)能量守恒定律适用于任何物理现象和物理过程，它是一切自然现象都遵守的基本规律。(2)能量守恒定律的重要意义：能量守恒定律比机械能守恒定律更普遍，它是物理学中解决问题的重要思维方法。能量守恒定律与细胞学说、达尔文的进化论并称19世纪自然科学的三大发现，其重要意义由此可见。3第一类永动机不可能制成(1)第一类永动机：人们设想中不消耗能量的机器。(2)第
9、一类永动机的设想，由于违背了能量守恒定律，所以不可能制成。例2 水能不产生污染物，是一种清洁能源。位于美国和加拿大交界处的尼亚加拉瀑布流量可达每秒6000 m3，而且一年四季流量稳定，瀑布落差50 m。若利用这一资源发电，设其效率为50%，估算发电机的输出功率。(g取10 m/s2)规范解答 水力发电的基本原理是水的机械能转化为电能。每秒钟流下的水的质量为：mV11036000 kg6106 kg。每秒钟水减少的机械能为：Emgh61061050 J3109 J。设发电机的输出功率为P，则由能量守恒定律可得：EPt。解得：P310950%W1.5109 W。完美答案 1.5109 W答案 应用
10、能量守恒定律解题的方法步骤(1)认清有多少种形式的能(例如动能、势能、内能、电能、化学能、光能等)在相互转化。(2)分别写出减少的能量E减和增加的能量E增的表达式。(3)根据下列两种思路列出能量守恒方程：E减E增某种形式的能减少，一定存在其他形式的能增加，且减少量与增加量一定相等。某个物体的能量减少，一定存在其他物体的能量增加，且减少量与增加量一定相等。(4)代入数据，计算结果。变式训练2 一辆汽车正在平直的公路上以速度v匀速行驶，此时汽车的功率为P，已知汽车的总效率为，所使用的汽油的热值为q(每完全燃烧单位质量的燃料产生的热量叫热值)，现油箱中还有质量为m的汽油，则汽车还能行驶多远？(设汽车
11、的质量为M)答案 mqvPMv32P答案 解析 先求出剩余汽油燃烧放出的能量，再求出汽车匀速运动的时间，便可求出还能匀速行驶的距离，再由动能定理求出减速行驶的距离。汽油燃烧放出的能量：Eqm。设汽车匀速行驶x1，需要的能量EPtPx1v。而EE，设汽油用完后汽车做匀减速运动的距离为x2，则由动能定理知Ffx212Mv2。又PFfv，汽车行驶的距离：xx1x2。以上各式联立解得：xmqvPMv32P。解析 03课后课时作业 A组：合格性水平训练1(热力学第一定律的应用)一个气泡从恒温水槽的底部缓慢向上浮起，(若不计气泡内空气分子势能的变化)则()A气泡内空气对外做功，内能不变，同时放热B气泡内空
12、气对外做功，内能不变，同时吸热C气泡内空气内能减少，同时放热D气泡内空气内能不变，不吸热也不放热答案 B答案 解析 气泡上升过程中，由于水对气泡的压强减小，气泡的体积增大，故气泡内空气对外做功，缓慢上升指有时间发生热传递，可认为气泡内空气温度是不变的。不计气泡内空气分子势能的变化，内能不变，故须从外界吸收热量，且吸收的热量等于对外界所做的功。答案为B。解析 2(热力学第一定律的应用)在一个大气压下，1 kg 100 的水变为1 kg 100 的水蒸气的过程，下列说法中正确的是()A内能不变，对外界做功，一定是吸热过程B内能增加，吸收的热量等于内能的增加量C内能不变，吸收的热量等于对外界做的功D
13、内能增加，从外界吸热，吸收的热量等于对外界做的功和增加的内能之和答案 D答案 解析 水变成同温度的水蒸气时，分子间距从r0增大到约10r0，体积要扩大约1000倍，故需克服大气压力对外做功，同时克服分子力做功，分子势能增加，内能增加，由热力学第一定律UQW，则QUW，其中W为负值，故D正确。解析 3(热力学第一定律的应用)如图所示，直立容器内部有被隔板隔开的A、B两部分气体，A的密度小，B的密度大，抽去隔板，加热气体，使两部分气体均匀混合，设在此过程中气体吸热Q、气体内能增量为U，则()AUQBUQD无法比较答案 B答案 解析 两部分气体混合后，因B的密度大，重心升高，重力做负功，由热力学第一
14、定律WQU，得U0，Q0、U0、Q0，只能出现U0，不可能出现U0，即B不可能，符合题意；对C：W0，Q0，只能出现U0，不可能出现U0，即C不可能，符合题意；对D:W0，可能出现U0、Upc，QabQac Bpbpc，QabQacCpbQac Dpbpc，QabQac，由于b、c状态温度相同，由玻意耳定律，pbtbBtaEa，b球分子动能的增量大于a球分子动能的增量。故B正确。解析 15(综合)在一个标准大气压下，水在沸腾时，1 g的水由液态变成同温度的水蒸气，其体积由1.043 cm3变为1676 cm3。已知水的汽化热为2263.8 J/g。一个标准大气压p1.013105 Pa。求：(1)体积膨胀时气体对外界做的功W；(2)气体吸收的热量Q；(3)气体增加的内能U。答案(1)169.7 J(2)2263.8 J(3)2094.1 J答案 解析 取1 g水为研究系统，把大气视为外界。1 g沸腾的水变成同温度的水蒸气需要吸收热量，同时由于体积膨胀，系统要对外做功，所以有UQ吸。(1)气体在等压(大气压)下膨胀做功：Wp(V2V1)1.013105(16761.043)106 J169.7 J。(2)气体吸热：QmL12263.8 J2263.8 J。解析(3)根据热力学第一定律：UQW2263.8 J(169.7 J)2094.1 J。解析 本课结束