1、2.热力学第一定律3.能量守恒定律必备知识素养奠基一、热力学第一定律问题1:这个机械的动力力矩大于阻力力矩吗?问题2:这个机械能自动地转动下去永不停止吗?提示:1.不大于,总动力力矩的和不大于总阻力力矩的和。2.不能,因为违反了能量守恒定律。1.改变内能的两种方式:做功与传热。两者在改变系统内能方面是等效的。2.热力学第一定律:(1)内容: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。(2)数学表达式:U=Q+W。二、能量守恒定律1.内容: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
2、持不变。2.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。关键能力素养形成一热力学第一定律的应用1.对公式U=Q+W中U、Q、W符号的规定:符号QWU+物体吸收热量外界对物体做功内能增加-物体放出热量物体对外界做功内能减少2.几种特殊情况:(1)若过程是绝热的,即Q=0,则U=W,物体内能的增加量等于外界对物体做的功。(2)若过程中不做功,即W=0,则U=Q,物体内能的增加量等于物体从外界吸收的热量。(3)若过程的始末状态物体的内能不变,即U=0,则W=-Q(或Q=-W),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
3、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,W0。【思考讨论】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: 讨论:(1)在变化过程中是气体对外做功,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?气体内能增加了,还是减少了?提示:(1)由图可知,气体的变化为等压膨胀,一定是对外做功。(2)由日常经验可知,理想气体在等压膨胀过程中需要从外界吸收热量。由盖-吕萨克定律可知,理想气体在等压膨胀过程中温度升高,内能一定增加。【典例示范】 (2019全国卷)某容器中的空气被光滑活塞封住,
4、容器和活塞绝热性能良好,空气可视为理想气体。初始时容器中空气的温度与外界相同,压强大于外界。现使活塞缓慢移动,直至容器中的空气压强与外界相同。此时,容器中空气的温度_(选填“高于”“低于”或“等于”)外界温度,容器中空气的密度_(选填“大于”“小于”或“等于”)外界空气的密度。【解析】容器与活塞绝热性能良好,容器中空气与外界不发生热交换(Q=0),活塞移动的过程中,容器中空气压强减小,则容器中空气正在膨胀,体积增大,对外界做功,即W0。根据热力学第一定律U=Q+W可知:容器中空气内能减小,温度降低,容器中空气的温度低于外界温度。根据理想气体状态方程有=C,又=,联立解得:=。对容器外与容器内质
5、量均为m的气体,因容器中空气压强和容器外空气压强相同,容器内温度低于外界温度,则容器中空气的密度大于外界空气的密度。答案:低于大于【素养训练】1.一定量的气体,从外界吸收热量6.2105 J,内能增加4.7105 J。则下列说法中正确的是()A.气体对外做功1.5105 JB.外界对气体做功1.7105 JC.气体对外做功1.7105 JD.外界对气体做功1.5105 J【解析】选A。由题意,气体吸收热量为Q=6.2105 J,内能增加了U=4.7105 J,设外界对气体做功为W,根据热力学第一定律U=Q+W得:W=U-Q=4.7105 J-6.2105 J=-1.5105 J,即气体对外界做
6、功1.5105 J。故选A。2.2019年12月1日,粤东农批2019球王故里五华马拉松赛在五华粤东农批广场激情开跑。此次活动能圆满举行离不开一群可爱的志愿者,他们到了午餐时间也只是吃点自热米饭,对于自热米饭很多人还不是很了解,自热米饭盒内有一个发热包,遇水发生化学反应而产生大量热能,不需要明火,温度可超过100 ,盖上盒盖便能在1015分钟内迅速加热食品。自热米饭的盖子上有一个透气孔,如果透气孔堵塞,容易造成小型爆炸。有关自热米饭盒爆炸的说法,正确的是()A.自热米饭盒爆炸,是盒内气体温度升高,气体分子间斥力急剧增大的结果B.在自热米饭盒爆炸的瞬间,盒内气体内能增加C.在自热米饭盒爆炸的瞬间
7、,盒内气体温度降低D.自热米饭盒爆炸前,盒内气体温度升高,标志着每一个气体分子速率都增大了【解析】选C。自热米饭盒爆炸前,盒内气体温度升高,由分子动理论知,体积不变,气体分子间作用力忽略不计,分子间的作用力不变,故A错误;根据热力学第一定律,爆裂前气体温度升高,内能增大,突然爆裂的瞬间气体对外界做功,其内能减少,温度也会有所下降,故B错误,C正确;自热米饭盒爆炸前,盒内气体温度升高,分子平均动能增加,但并不是每一个气体分子速率都增大,故D错误。【补偿训练】1.(多选)若一气泡从湖底上升到湖面的过程中温度保持不变,对外界做了0.6 J的功,则在此过程中关于气泡中的气体(可视为理想气体),下列说法
8、正确的是()A.气体的内能不变B.气体体积要减小C.气体向外界放出的热量大于0.6 JD.气体从外界吸收的热量等于0.6 J【解析】选A、D。温度是分子平均动能的标志,温度不变,则分子平均动能不变,理想气体分子势能不计,故在气泡上升过程中,气体的内能不变,故A正确;由题意知气泡对外界做功,则体积变大,B错误;由热力学第一定律可知:W+Q=U,气体对外做功,故W=Q=0.6 J,故气体从外界吸热,吸收的热量Q=0.6 J,故C错误、D正确。2.一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()A.W=8104 J,U=1.2105
9、 J,Q=4104 JB.W=8104 J,U=-1.2105 J,Q=-2105 JC.W=-8104 J,U=1.2105 J,Q=2105 JD.W=-8104 J,U=-1.2105 J,Q=-4104 J【解析】选B。因为外界对气体做功,W取正值,即W=8104 J,内能减少,U取负值,即U=-1.2105 J,根据U=Q+W,可得Q=U-W=-1.2105 J-8104 J=-2105 J,B正确。二能量守恒定律的应用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、原子能等。(2)各种形式的能,通过某种力做功可
10、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.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;而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.第一类永动机失败的原因分析:如果没有外界热源供给热量,则有U2-U1=W,就是说,如果系统内能减少,即U2U1,则W0,系统对外做功是要以内能减少为代价的。若想源源不断地做功,就必须使系统不断回到初始状态,在无外界能量供给的情况下是不可能的。【思考讨论】有一种所谓“全自动”机械手表,既不需要上发条,也不用
11、任何电源,却能不停地走下去。讨论:(1)这是不是一种永动机?提示:这不是永动机。(2)如果不是,维持表针走动的能量是从哪儿来的?提示:手表戴在手腕上,通过手臂的运动,机械手表获得能量,供手表发条做机械运动。若将此手表长时间放置不动,它就会停下来。【典例示范】下列有关能量的描述正确的是()A.“又要马儿跑得快,又要马儿不吃草”违背了能量守恒定律B.工作中的电风扇,消耗的电能大于输出的机械能,该过程能量不守恒C.滑块在粗糙的水平面上减速滑行,最终停了下来,动能消失,能量不守恒D.同时做自由落体运动的物体,质量越大,势能减少越快,机械能减少也越快【解析】选A。马儿跑的时候需要消耗能量,而草能够为马儿
12、提供能量,因此“既要马儿跑,又要马儿不吃草”违背了能量转化和守恒定律,故A正确;工作中的电风扇,消耗的电能大于输出的机械能,损失的电能转化为内能,该过程能量仍守恒,故B错误;滑块在粗糙的水平面上减速滑行,最终停了下来,减小的动能转化为内能,能量守恒,故C错误;同时做自由落体运动的物体,运动的快慢与质量无关,减少的势能转化为动能,机械能不变,故D错误。【素养训练】1.“第一类永动机”是不可能制成的,这是因为它()A.不符合热力学第一定律B.做功产生的热量太少C.由于有摩擦、热损失等因素的存在D.找不到合适的材料和合理的设计方案【解析】选A。第一类永动机是不可能制成的,因为它违背了能量守恒定律,即
13、热力学第一定律,故A正确,B、C、D错误。2.由能量守恒定律可知()A.能量可以被消灭,也可以被创生B.因为能量是守恒的,所以不可能发生能源危机C.因为能量是守恒的,所以不需要节约能源D.不同形式的能量之间可以相互转化【解析】选D。能量不能被创生,也不能被消灭,故A错误;能量虽然是守恒的,总量不变,但是我们可以利用的能源是有限的,故一定要注意节约能源,防止能源危机,故B、C错误;不同形式的能量之间可以相互转化,总量不变,故D正确。【补偿训练】1.关于能量转化,以下说法中不正确的是()A.正在运转中的电风扇是机械能变成电能B.燃烧煤是化学能转变为内能C.电热器是将电能转变为内能D.水力发电站是使
14、水流的机械能转变为电能【解析】选A。电扇是消耗电能使风扇转动,是将电能转化为机械能,故A错误;燃烧发生化学变化,产生热量,故是化学能转变为内能,故B正确;电热器是通电后发热,消耗电能,产生热能,故C正确;水力发电站利用水流的机械能产生电能,故D正确。2.如图所示,直立容器内部有被隔板隔开的A和B两部分气体,A的密度较小,B的密度较大,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收的热量为Q,气体内能增量为U,则()A.U=QB.UQD.无法比较【解析】选B。据题意,A的密度小,B的密度大,两气体均匀混合后整体的重心升高,重力势能增加,吸收的热量一部分用来增加内能,一部分用来增加
15、系统的重力势能,所以:UQ。故B正确。【拓展例题】考查内容:热力学第一定律与气体实验定律的综合应用【典例】(多选)如图所示,质量一定的活塞将一定质量的理想气体密封在汽缸内,活塞与汽缸壁之间无摩擦。a态时气体温度80 ,b态时气体温度是20 。气体从a态缓慢变到b态的过程中,大气压强始终保持不变,活塞保持平衡,下列说法中正确的是()A.从a态到b态的过程中外界对气体做的功一定小于气体向外界释放的热量B.a态与b态的气体分子在单位面积上对活塞的作用力相等C.a态气体分子的平均动能一定比b态气体分子的平均动能大D.气体放出的热量等于气体减少的内能与活塞减少的重力势能之和【解析】选A、B、C。不计分子
16、间相互作用的势能,温度低内能就小,根据热力学第一定律知从a态到b态的过程中外界对气体做的功一定小于气体向外界释放的热量,A正确;由于压强不变,所以a态与b态的气体分子在单位面积上对活塞的作用力相等,B正确;温度是平均动能的标志,所以a态气体分子的平均动能一定比b态气体分子的平均动能大,C正确;气体放出的热量=气体减少的内能-活塞减少的重力势能-大气压力做功,D错误。课堂检测素养达标1.在热力学第一定律表达式U=W+Q中,关于各个物理量的正负,下列说法正确的是()A.外界对物体做功时W为正,吸热时Q为负,内能增加时U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U为负C.物体对外界做功
17、时W为负,吸热时Q为正,内能增加时U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U为负【解析】选C。在热力学第一定律:U=W+Q中,外界对物体做功时W为正的,物体对外界做功时W为负的;物体吸热时Q为正的,放热时Q为负的;内能增加时U为正的,内能减少时U为负的;故选C。2.关于能量转化与守恒的理解,下列说法中正确的是()A.能量是守恒的,不可能消失,所以不会发生能源危机B.能量既会凭空产生,也会凭空消失C.能量可以从一种形式转化为另一种形式D.能量在转化的过程中,能量在数量上会减少【解析】选C。能量虽然是守恒的,总量不变,但是我们可以利用的能源是有限的,随着可利用能源的消耗,能量可以
18、利用的品质降低了,所以会有能源危机,故A错误;根据能量守恒定律可知,能量既不会凭空消失,也不会凭空产生,它只能从一种形式转化为另一种形式,或者从一个物体转移到另一个物体,在转移和转化过程中,能的总量保持不变,故B、D错误,C正确。3.如图所示,一导热性能良好的金属汽缸内封闭一定质量的理想气体。现缓慢地向活塞上倒一定质量的沙土,忽略环境温度的变化,在此过程中()A.单位时间内撞击汽缸壁单位面积上的分子数增多B.汽缸内大量分子撞击汽缸壁的平均作用力增大C.汽缸内大量分子的平均动能增大D.气体的内能增大【解析】选A。金属汽缸导热性能良好,由于热交换,汽缸内封闭气体温度与环境温度相同,过程为等温压缩,
19、压强增大,体积减小,则单位时间内撞击汽缸壁单位面积上的分子数增多,故A正确;气体温度不变,温度是分子平均动能的标志,分子平均动能不变,汽缸内大量分子撞击气缸壁的平均作用力不变,故B、C错误;由于热交换,汽缸内封闭气体温度与环境温度相同,保持不变,分子平均动能不变,理想气体分子势能忽略,故气体内能不变,故D错误。情境:如图为某同学设计的一个温度计,一金属球形容器上部有一开口的玻璃管,玻璃管内水银柱封闭着一定质量的理想气体,外界大气压保持不变。问题:(1)当水银柱缓慢上升时,容器内壁的单位面积上受到气体分子的平均作用力_(选填“增大”“不变”或“减小”),气体对外做功_(选填“大于”“等于”或“小
20、于”)吸收的热量。(2)如果玻璃管内部横截面积为S,当外界热力学温度为T1时,空气柱长度为l1,现把容器浸在热力学温度为T2的热水中,空气柱长度变为l2,不计容器的热胀冷缩,试求该容器球形部分内部的容积V。【解析】(1)封闭气体的压强p=p0+gh,水银柱的长度不变,压强不变,容器内壁的单位面积上受到气体分子的平均作用力不变;水银柱缓慢上升时,气体体积增大,气体对外界做功(W0),再根据热力学第一定律:U=Q+W0,即Q-W0,所以Q|W|,即气体对外做功小于吸收的热量。(2)气体初状态体积为V1=V+l1S,温度为T1气体末状态体积为V2=V+l2S,温度为T2气体等压变化,根据盖-吕萨克定律:=代入数据解得:V=即该容器球形部分内部的容积为。答案:(1)不变小于(2)