1、第1节热力学第一定律第2节能量的转化与守恒核心素养明目标核心素养学习目标物理观念知道做功和热传递都能改变内能，热力学第一定律及其符号法则，了解能量守恒定律及永动机不可能制成。科学思维理解热力学第一定律的公式并能进行相关的分析计算，能根据能量守恒定律解释永动机不可能制成的原因。科学探究通过热力学第一定律的实验，养成与他人合作探究的习惯，体验科学家探究规律的艰辛与执着。科学态度与责任学习科学家执着探索的科学精神，实事求是的严谨的科学态度，培养探究科学的兴趣。知识点一热力学第一定律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
2、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。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
3、终。(3)原因：设想能量能够无中生有地创造出来，违背了热力学第一定律。说明：热力学第一定律的数学表达式也适用于物体对外界做功、向外界传热和内能减少的情况。1：思考辨析(正确的打“”，错误的打“”)(1)各种能量可以转移或转化，但总量保持不变。()(2)第一类永动机违背了能量守恒定律。()2：填空如图所示，一定质量的理想气体被活塞密封在一绝热容器中，活塞与容器壁无摩擦。当温度为T1时，气体压强为p1，体积为V1；若在活塞上放置一定质量的重物，稳定后气体的压强变为p2，温度变为T2，则p2p1，T2T1(选填“”“”或“0，即W为正值；系统对外界做功，也就是外界对系统做负功，W0，即Q为正值；外界
4、从系统吸收热量，也就是系统向外界放出热量，Q0，即U为正值；系统内能减少，U0，即U为负值。2热力学第一定律的几种典型应用(1)若过程是绝热的，即Q0，则WU，外界对物体做的功等于物体内能的增加量。(2)若过程中不做功，即W0，则QU，物体吸收的热量等于物体内能的增加量。(3)若过程中物体的始、末内能不变，即U0，则WQ0或WQ，外界对物体做的功等于物体放出的热量。【典例1】如图所示，固定容器及可动活塞P都是绝热的，中间有一导热的固定隔板B，B的两边分别盛有气体甲和乙。现将活塞P缓慢地向B移动一段距离，已知气体的温度随其内能的增加而升高。则在移动P的过程中 ()A外力对乙做功；甲的内能不变B外
5、力对乙做功；乙的内能不变C乙传递热量给甲；乙的内能增加D乙的内能增加；甲的内能不变思路点拨：内能的改变与做功和热传递均有关系。判断内能如何变化，要清楚物体对外界做功还是外界对物体做功，以及物体是吸热还是放热。C将活塞P缓慢地向B移动的过程中，外力对乙做功，乙的内能增加，温度升高，由于固定隔板B导热，所以乙将传递热量给甲，甲、乙两部分气体的温度最终相同，均高于初态温度，所以甲、乙内能均增加，故C正确。应用热力学第一定律解题的思路与步骤(1)首先应明确研究对象是哪个物体或者是哪个热力学系统。(2)分别列出物体(或系统)吸收或放出的热量；外界对物体(或系统)所做的功或物体(或系统)对外所做的功。(3
6、)根据热力学第一定律UQW列出方程进行求解。(4)特别注意物理量的正负号及其物理意义。【一题多变】根据上面的典例1，回答下列问题：(1)若将活塞P缓慢地向外拉动，则甲、乙的内能如何改变？(2)若隔板B绝热但可以自由移动，当活塞P缓慢地向B移动时，甲、乙的内能如何变化？解析(1)若将活塞P缓慢向外拉动，则气体乙对外做功，乙的内能减小，温度降低。这时甲要将热量传递给乙，故甲、乙的内能均减小。(2)若隔板B绝热但可以自由移动，则当活塞P缓慢向B移动时，乙气体压强增大，隔板B向里移动，甲气体也被压缩，故甲、乙气体的内能均增加。答案见解析角度一符号法则1一定质量的理想气体在某一过程中，外界对气体做了81
7、04 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 JBW8104 J，U1.2105 J，Q2105 JCW8104 J，U1.2105 J，Q2104 JDW8104 J，U1.2105 J，Q4104 JB由符号法则可知，外界对气体做功W取正值，气体内能减少，U为负值，代入热力学第一定律表达式得Q2105 J。故选项B正确。角度二与理想气体的图象综合2某汽车的四冲程内燃机利用奥托循环进行工作，该循环由两个绝热过程和两个等容过程组成。如图所示为一定质量的理想气体所经历的奥托循环，则该气体()A在状态a和c时的内能可能相等
8、B在ab过程中，外界对其做的功全部用于增加内能Cbc过程中增加的内能小于da过程中减少的内能D在一次循环过程中吸收的热量小于放出的热量B从cd为绝热膨胀，则Q0，W0，则内能减小，U0，Q0，则UW，即外界对其做的功全部用于增加内能，选项B正确；从bc过程系统从外界吸收热量，从cd系统对外做功，从da系统放出热量，从ab外界对系统做功，根据pV图象下面积即为气体做功大小，可知cd过程气体对外做功比ab过程外界对气体做功多，图象中bcda围成的图形的面积为气体对外做的功，整个过程气体内能变化为零，则WQ，即Q吸Q放W0，即在一次循环过程中吸收的热量大于放出的热量，则bc过程中增加的内能大于da过
9、程中减少的内能，选项C、D错误。故选B。 考点2能量守恒定律、永动机不可能制成有人试图制造一台“永久”的发电机。设计思想如下：先利用外界供给的电能，使电动机转动，再让电动机带动发电机发电。发电机发电后，一部分电供给电动机继续使用，电动机不再利用外界供给的电能；一部分电能供用户使用。这样，一旦这个发电机发出电来，它就可以不再使用外界的能量，自己“源源不断”地发出电来。用能的转化和守恒的知识分析说明，这样的“永动机”能实现吗？ 提示：上述设想的能量转化过程是这样的，电能机械能电能机械能电能(用户)。根据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别的形式，或者从一个物体转移到别的物体
10、，所以上述能量转化中均应是守恒的，一旦发电机发出电来不再使用外界能量是不可能的，这种永动机不能实现。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，还有诸如电磁能、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
11、给热量，则有U2U1W，就是说，如果系统内能减少，即U2U1，则WQ2A因为该气体从某一状态开始，经过一系列变化后又回到开始的状态，所以内能没有变化，U0。根据热力学第一定律可知W1W2Q1Q2U0，即Q1Q2W2W1，故A正确。3(新情境题，以“米饭盒爆炸”为背景，考查热力学第一定律)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，如图所示。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1
12、015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。下列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，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C自热米饭盒爆炸前，盒内气体体积不变，分子间距离不变，分子间的作用力不变，故A错误；根据热力学第一定律知，爆炸前气体温度升高，内能增大，爆炸瞬间气体对外界做功，其内能减少，温度下降，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
13、增大，但并不是每一个气体分子速率都增大，故D错误。4爆米花酥脆可口、老少皆宜，是许多人喜爱的休闲零食。如图所示为高压爆米花的装置原理图，玉米在铁质的密闭容器内被加热，封闭气体被加热成高温高压气体，当打开容器盖后，“砰”的一声气体迅速膨胀，压强急剧减小，玉米粒就“爆炸”成了爆米花。设当地温度为t127 ，大气压为p0，已知密闭容器打开前的气体压强达到4p0。试分析：(1)将容器内的气体看作理想气体，求容器内气体的温度；(2)假定在一次打开的过程中，容器内气体膨胀对外界做功15 kJ，并向外释放了20 kJ的热量，容器内原有气体的内能如何变化？变化了多少？解析(1)根据查理定律得，p1p0，T13
14、00 K，p24p0，解得T21 200 K，则t2927 。(2)由热力学第一定律UQW，得U20 kJ15 kJ35 kJ，故内能减少了35 kJ。答案(1)927 (2)减少，减少了35 kJ回归本节知识，自我完成以下问题：1热力学第一定律的表达式是什么？其中各符号的正、负是如何规定的？提示：UQW系统从外界吸热，Q为正，向外界放热，Q为负。外界对系统做功，W为正，系统对外界做功，W为负。系统内能增加，U为正，系统内能减少，U为负。2能量守恒定律适用于任何的物理现象和过程吗？提示：是的。“第一类永动机”梦想的破灭在历史上，有人曾梦想制造出一种不需要任何燃料和动力，一旦启动后就能不停地运转
15、并对外做功的机器，这种机器叫作“第一类永动机”。如图所示的是17世纪英国人马尔基斯设计的“永动机”。这是一个转轮，直径达4.3 m，用了40个质量为43 kg的重球，它们可沿转轮的辐条运动。马尔基斯设想，当一个辐条间隔在这一侧要转动到下方时，这个间隔中的重球就会向转轮边缘滚动；而当一个间隔在另一侧要转动到上方时，间隔中的重球就会向转轮的轴心滚动。这样，只要给转轮一个初始的转动速度，这个转轮就会永远地转动下去。当然，这种“永动机”是不会成功的。“第一类永动机”的不能成功，最根本的原因是它不符合热力学第一定律，因此热力学第一定律也可表达为：“第一类永动机是不可能制成的。”图马尔基斯的永动机什么是“第一类永动机”？热力学第一定律的第二种表述是什么？提示：不需要任何燃料和动力，一旦启动就能不停地运转并对外做功的机器，叫作“第一类永动机”。热力学第一定律的第二种表述为：第一类永动机是不可能制成的。