第三章热力学定律
第3节能量守恒定律
1.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.
2.知道第一类永动机是不可能制成的.
知识点一、探索能量守恒定律的足迹
(1)所有自然现象都涉及能量，人类的任何活动都离不开能量。
(2)能量具有不同的形式，有描述热运动的内能、描述机械运动的机械能、描述光辐射的光能等，不同形式的能量可以相互转化。
知识点二、能量守恒定律
(1)不同形式的能量之间可以相互转化
①自然界中能量的存在形式：物体运动具有机械能、分子运动具有内能、电荷具有电能、原子核内部具有原子能等，可见，在自然界中不同的能量形式与不同的运动形式相对应。
②不同形式能量之间的转化：“摩擦生热”是通过克服摩擦力做功将机械能转化为内能；水壶中的水沸腾时水蒸气对壶盖做功将壶盖顶起，表明内能转化为机械能；电流通过电热丝做功可将电能转化为内能等，这些实例说明了不同形式的能量之间可以相互转化，且这一转化过程是通过做功来完成的。
归纳小结：不同形式的能量之间可以相互转化，不论是什么形式和过程，都必须遵守能量守恒定律。
(2)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其总量不变。这就是能量守恒定律。
(3)能量守恒定律适用于任何物理现象和物理过程。
①在自然界中，不同的能量形式与不同的运动形式相对应：如物体做机械运动具有机械能、分子运动物体具有内能等。
②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。
③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。
(4)能量守恒定律的重要意义
第一，能量守恒定律是整个自然界中运动、发展、变化的普遍规律，学习这个定律，不能满足于了解其内容，更重要的是，从能量形式的多样化及其相互联系、互相转化的事实出发，去认识物质世界的多样性及其普遍联系，并树立能量既不会凭空产生，也不会凭空消失的观点，作为以后学习和生产实践中处理一切实际问题的基本指导思想之一。
第二，宣告了第一类永动机的失败。
知识点三、永动机不可能制成
(1)第一类永动机
概念：不消耗能量的机器。
结果：无一例外地归于失败。
原因：违背能量守恒定律。
(2)永动机给我们的启示
人类利用和改造自然时，必须遵循自然规律。
特别提示：能量守恒定律的发现，使人们进一步认识到，任何一部机器，只要对外做功，都要消耗能量，都只能使能量从一种形式转化为其他的形式，或者从一个物体转移到其他的物体，而不能无中生有地创造能量。不消耗能量，却可以源源不断地对外做功的机器(第一类永动机)是不可能制成的。
1．一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？（设汽车的质量为M）
【答案】
【详解】
汽油完全燃烧放出的能量
设汽车匀速行驶的距离为，则需要的能量
而
设汽油用完后汽车做匀减速运动的距离为，则由动能定理知
又
汽车行驶的距离
以上各式联立解得
2．某地强风的风速约为，设空气密度为，现有一横截面积的风车（风车车叶转动形成的圆面面积为），能利用该强风进行发电，并将其动能的转化为电能。
（1）利用上述已知量计算发电功率的表达式；
（2）发电功率大小约为多少？（保留一位有效数字）
【答案】（1）；（2）
【详解】
（1）时间内吹到风车上的空气的质量
这些空气的动能
由题意知动能转化成的电能为
所以发电功率
（2）代入数据得
1．下列说法正确的是（ ）
A．气体吸收了热量，其温度一定升高
B．第一类永动机不可能造成的原因是违反了能量守恒定律
C．对于确定的液体和确定材质的毛细管，管的内径越细，毛细现象越不明显
D．晶体均有规则的几何形状
【答案】B
【详解】
A．由热力学第一定律，可知气体吸收热量，如果气体对外做功，内能可能减小，则其温度可能降低，故A错误；
B．做功的过程就是能量转化的过程，第一类永动机指的是不消耗能量就能做功的机器，因违反了能量守恒定律不可能造成，故B正确；
C．对于确定的液体和确定材质的毛细管，管的内径越细，毛细现象越明显，故C错误；
D．晶体分为单晶体和多晶体，多晶体没有规则的几何形状，故D错误。
故选B。
2．下列说法正确的是
A．能量耗散的说法与能量守恒定律是互相矛盾的
B．在轮胎爆裂这一短暂过程中，气体膨胀，将势能转化为内能，温度升高
C．彩色液晶显示器利用了液晶的电学性质具有各向异性的特点
D．液体表面层分子分布比液体内部稀疏，分子间相互作用表现为引力
【答案】D
【详解】
A．能量耗散的过程中能量向品质低的大气内能转变，但是总的能量是守恒的，能量不能凭空产生，也不能凭空消失，但有方向性，所以能量耗散与能量守恒不矛盾，故A错误；
B．在轮胎爆裂这一短暂过程中，气体膨胀，对外做功，而热传递很小，则根据热力学第一定律得知：轮胎内气体内能突然减小，温度降低。故B错误；
C．液晶像液体一样具有流动性，而其光学性质与某些晶体相似具有各向异性，彩色液晶显示器利用了液晶的光学性质具有各向异性的特点，故C错误；
D．由表面张力形成的原因可知，液体表面层分子分布比液体内部稀疏，分子间的相互作用表现为引力，故D正确；
3．在一个密闭隔热的房间里，有一电冰箱正在工作，如果打开电冰箱的门，过一段时间后房间的温度会（ ）
A．降低 B．不变 C．升高 D．无法判断
【答案】C
【详解】
冰箱只是把冰箱内的热量移到外面，但在绝热的密封舱中，冰箱门打开，整个房间内的热量应该是不变的，由于整个过程中只有电在做功，产生焦耳热，电能转化为内能，根据能量守恒可知室内温度升高了。
故选C。
4．能源是社会发展的基础．下列关于能量守恒和能源的说法正确的是（ ）
A．能量是守恒的，能源是取之不尽．用之不竭的
B．能量的耗散反映了能量是不守恒的
C．开发新能源，是缓解能源危机的重要途径
D．对能源的过度消耗将使自然界的能量不断减小，形成“能源危机”
【答案】C
【详解】
A．能量是守恒的，能源是能够提供可利用能量的物质并不是取之不尽．用之不竭的，所以A项错误；
B．能量的耗散是一种形式能转化为另一种形式的能量，能量守恒定律是自然界的规律之一，所以B项错误；
CD．对能源的过度消耗将形成“能源危机”，自然界的能量不变，所以D项错误，C项正确。
故选C。
5．为了探究能量转化和守恒，小明将小铁块绑在橡皮筋中部，并让橡皮筋穿入铁罐，两端分别固定在罐盖和罐底上，如图所示． 让该装置从不太陡的斜面上A处滚下，到斜面上B处停下，发现橡皮筋被卷紧了，接着铁罐居然能从B处自动滚了上去．下列关于该装置能量转化的判断正确的是
A．从A处滚到B处，主要是重力势能转化为动能
B．从A处滚到B处，主要是弹性势能转化为动能
C．从B处滚到最高处，主要是动能转化为重力势能
D．从B处滚到最高处，主要是弹性势能转化为重力势能
【答案】D
【详解】
试题分析：A、铁罐从不太陡的斜面上A处滚下，到斜面上B处停下，A处与B处动能相同，重力势能减少，橡皮筋被卷紧了橡皮筋的弹性势能增加，即从A处滚到B处，主要是重力势能转化为弹性势能，A选项错误
B、理由同A选项，B选项错误
C、从B处滚到最高处，重力势能增加，橡皮筋的弹性势能减少，即橡皮筋的弹性势能转化为重力势能，C选项错误
D、理由同C选项，D选项正确
故选D
6．如图所示，密闭绝热容器内有一绝热的具有一定质量的活塞，活塞的上部封闭着气体，下部为真空，活塞与器壁的摩擦忽略不计．置于真空中的轻弹簧的一端固定于容器的底部，另一端固定在活塞上，弹簧被压缩后用绳扎紧，此时弹簧的弹性势能为Ep（弹簧处在自然长度时的弹性势能为零）．现绳突然断开，弹簧推动活塞向上运动，经过多次往复运动后活塞静止，气体达到平衡态，经过此过程（ ）
A．Ep全部转换为气体的内能
B．Ep一部分转换成活塞的重力势能，其余部分仍为弹簧的弹性势能
C．Ep全部转换成活塞的重力势能和气体的内能
D．Ep一部分转换成活塞的重力势能，一部分转换为气体的内能，其余部分仍为弹簧的弹性势能
【答案】D
【解析】以活塞为研究对象，设气体压强为p1，活塞质量为m，横截面积为S，末态时压强为p2，初态F弹>mg＋p1S，由题意可得末态位置必须高于初位置，否则不能平衡，则由ΔU＝W(绝热)．W为正，ΔU必为正，温度升高，内能增加，活塞重力势能增加，末态时，由力的平衡条件知F弹′＝mg＋p2S，仍然具有一部分弹性势能，故D正确ABC错误．第三章 热力学定律
3 能量守恒定律
1、理解能量守恒定律，知道能量守恒是自然界遵循的基本规律。
2、通过能量守恒定律的学习，认识自然规律的多样性和统一性。
3、知道什么是第一类永动机及其不可能制成的原因。
一、能量守恒定律
1．探索能量守恒的足迹
2．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其他形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变．
3．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．
4．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．
二、永动机不可能制成
1、第一类永动机由于违背了能量守恒定律，所以不可能制成．
2、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ΔU＝W＋Q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．
三、能量守恒定律的重要意义
能量守恒定律，是自然界最普遍、最重要的基本定律之一。从物理、化学到地质、生物，大到宇宙天体。小到原子核内部，只要有能量转化，就一定服从能量守恒的规律。从日常生活到科学研究、工程技术，这一规律都发挥着重要的作用。人类对各种能量，如煤、石油等燃料以及水能、风能、核能等的利用，都是通过能量转化来实现的。能量守恒定律是人们认识自然和利用自然的有力武器。
一、单选题
1．17世纪70年代，英国赛斯特城的约翰·维尔金斯设计了一种磁力“永动机”，如图所示，在斜坡顶上放一块强有力的磁铁，斜坡上端有一个小孔，斜面下有一个连接小孔直至底端的弯曲轨道，维尔金斯认为：如果在斜坡底端放一个小铁球，那么由于磁铁的吸引，小铁球就会向上运动，当小球运动到小孔处时，它就要掉下，再沿着斜面下的弯曲轨道返回斜坡底端，由于有速度而可以对外做功，然后又被磁铁吸引回到上端，到小孔处又掉下。下列关于维尔金斯“永动机”，正确的认识应该是（ ）
A．满足能量守恒定律，所以可能实现
B．如果忽略斜面的摩擦，维尔金斯“永动机”一定可以实现
C．如果忽略斜面的摩擦，铁球质量较小，磁铁磁性又较强，则维尔金斯“永动机”可以实现
D．违背能量转化和守恒定律，不可能实现
2．图为一定质量的某种理想气体的p-V图像，图中ba的延线通过坐标原点O，bc垂直于V轴，ac平行于V轴，下列说法正确的是____________（在给出的四个选项中，只有一项是符合题目要求的）
A．a→b过程中，气体温度不变
B．b→c过程中，气体温度升高
C．c→a过程中，气体放热大于外界对气体功
D．a→b→c→a过程中，气体对外界总功为零
3．大约在1670年，英国赛斯特城的主教约翰·维尔金斯设计了一种磁力“永动机”。如图所示，在斜坡顶上放一块强有力的磁铁，斜坡上端有一个小孔，斜面下有一个连接小孔直至底端的弯曲轨道，维尔金斯认为：如果在斜坡底端放一个小铁球，那么由于磁铁的吸引，小铁球就会向上运动，当小球运动到小孔P处时，它就要掉下，再沿着斜面下的弯曲轨道返回斜坡底端Q，由于有速度而可以对外做功，然后又被磁铁吸引回到上端，到小孔P处又掉下。在以后的二百多年里，维尔金斯的永动机居然改头换面地出现过多次，其中一次是在1878年，即在能量转化和守恒定律确定20年后，竟在德国取得了专利权。关于维尔金斯“永动机”，正确的认识应该是（ ）
A．符合理论规律，一定可以实现，只是实现时间早晚的问题
B．如果忽略斜面的摩擦，维尔金斯“永动机”一定可以实现
C．如果忽略斜面的摩擦，铁球质量较小，磁铁磁性又较强，则维尔金斯“永动机”可以实现
D．违背能量转化和守恒定律，不可能实现
4．关于热学现象和热学规律，下列说法中正确的是（ ）
A．布朗运动就是液体分子的热运动
B．用油膜法测分子直径的实验中，应使用纯油酸滴到水面上
C．第一类永动机不可能制成是因为它违背了能量守恒定律
D．用活塞压缩汽缸里的空气，对空气做功3.0×105 J，同时空气的内能增加2.2×105 J，则空气从外界吸热5.2×105 J
5．高空形成的冰雹加速下落，并有部分熔化，以下说法中不正确的是（ ）
A．只有重力做功，冰雹下落时机械能守恒
B．冰雹的势能转化为冰雹的动能
C．冰雹的内能增大
D．冰雹的机械能不守恒
6．物理学的发展丰富了人类对动物世界的认识，推动了科学技术的创新和革命，促进了物质生产的繁荣与人类文明的进步，下列表述正确的是（ ）
A．牛顿发现了万有引力定律，并通过实验证实了万有引力定律
B．能量耗散说明能量在不停地减少，能量不守恒
C．相对论的创立表明经典力学在一定范围内不再适用
D．能量守恒说明人类不用担心能源的减少，不必节约能源
二、填空题
7．如图所示，容器A、B各有一个可自由移动的轻活塞，活塞下面是水，上面是大气，大气压恒定。A、B的底部由带有阀门K的管道相连，整个装置与外界绝热。原先，A中水面比B中的高，打开阀门，使A中的水逐渐向B中流，最后达到平衡。在这个过程中，大气压对水做功为______，水的内能______（选填“增加”、“减小”或“不变”）。
三、解答题
8．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。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？
参考答案
1．D
【详解】
维尔金斯“永动机”不可能实现，因为它违背了能量守恒定律。铁球上升过程中，磁场力对铁球做正功，使铁球增加了机械能；但铁球下落时，同样也受到磁场力，而且磁场力做负功，这个负功与上升过程的正功相互抵消，可见，维尔金斯“永动机”不可能源源不断向外提供能量，所以，维尔金斯“永动机”不可能实现。
故选D。
2．C
【详解】
A．a→b过程中，p与V成正比，根据可知，p增大，V增大，可知T升高，故A错误；
B．b→c过程中，V不变，则为常量，又因为p下降，故温度也下降，故B错误；
C．c→a过程中，p不变，为常量，V减小，则T减小，可知气体放热大于外界对气体做功，故C正确；
D．体积增大，气体对外做功，体积减小，外界对气体对做功，p-V图象的图线与横轴围成的面积表示气体对外做功，即三角形abc围城的面积表示对外做的总功，所以气体从a→b→c→a的过程中，气体对外界做功，气体做的总功不为零，故D错误；
故选C。
3．D
【详解】
如果忽略摩擦，那么铁球返回斜坡底端Q时速度为零，无法对外做功，如果在返回的过程中对外做功了，将无法返回到底端Q。所以该“永动机”不可以实现。
故选D。
4．C
【详解】
A．布朗运动是小颗粒的运动，只是间接反映了液体分子的无规则运动，故A错误；
B．用油膜法测分子直径的实验中，应使用油酸溶液滴到水面上，便于稀释后紧密排列在水面上，故B错误；
C．第一类永动机违背了能量守恒定律，故C正确；
D．由热力学第一定律△U=W+Q可知，空气向外界散出0.8×105J的热量，故D错误；
故选C。
5．A
【详解】
AD．除了重力做功，还有阻力做功，所以冰雹下落时机械能不守恒，则A错误，符合题意；D正确，不符合题意；
BC．冰雹的势能转化为冰雹的动能与内能，所以BC正确，不符合题意；
故选A。
6．C
【详解】
A．牛顿发现了万有引力定律，并通过月地检验证实了万有引力定律，故A错误；
B．能量耗散是指能量的可利用率越来越少，但是仍然遵守能量守恒定律，故B错误；
C．相对论并没有否定经典力学，而是在其基础上发展起来的，有各自成立范围，故C正确；
D．能量守恒，但是随着可利用能源的使用，能量的可利用率越来越少，故要节约能源，故D错误。
故选C。
7．0 增加
【详解】
[1]打开阀门K后，据连通器原理，最后A、B两管中的水面将相平，如下图所示
即A中水面下降，B中水面上升；设A管截面积为S1，水面下降距离为h1，B管截面积为S2，水面上升距离为h2，由于水的总体积保持不变，则有
A管中大气压力对水做的功
B管中大气压力对水做的功
大气压力对水做的总功
[2] 由于水的重心降低，重力势能减小，由能量守恒定律知水的内能增加。
8．(1)均减小；(2)均增加
【详解】
(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。
试卷第1页，总3页
