(共31张PPT)
2.热力学第一定律
3.能量守恒定律
第三章
2022
内容索引
01
02
03
自主预习 新知导学
合作探究 释疑解惑
课堂小结
04
随堂练习
课标定位
素养阐释
1.理解和掌握热力学第一定律表达式,并能用于分析有关问题并进行具体的计算。
2.理解和掌握能量守恒定律,明确定律的重要意义。
1.通过学习热力学第一定律,培养科学探究和交流的意识。
2.通过学习能量守恒定律,培养科学态度和责任。
自主预习 新知导学
一、热力学第一定律
1.改变内能的两种方式。
做功 和 热传递 。
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)表达式: ΔU=Q+W 。
(3)如何判断理想气体内能的变化 气体被压缩说明了怎样的做功情况
答案：因为理想气体的内能只与温度有关,可以根据气体温度的变化来判断,如果知道气体的做功和热传递情况也可以通过热力学第一定律来判断。气体被压缩说明了外界对气体做正功。
二、能量守恒定律
1.能量守恒定律内容。
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 。
2.意义。
各种形式的能可以 相互转化 。
三、永动机不可能制成
1.永动机:不需要任何动力或燃料,却能不断地 对外做功 的机器。
2.永动机不可能制成的原因:违背了 能量守恒 定律。
3.石子从空中落下,最后停止在地面上,机械能消失了吗
答案：石子下落过程中,机械能在转化,比如受到空气阻力作用,机械能减小,但机械能并没有消失,而是转化成了其他形式的能量。
【思考讨论】
1.判断下列说法的正误。
(1)各种能量之间可以转移或转化,但总量保持不变。( )
(2)运动的物体在阻力作用下会停下来,说明机械能凭空消失了。( )
(3)第一类永动机不能制成,是因为它违背了能量守恒定律。( )
(4)能量既可以转移又可以转化,故能的总量是可以变化的。( )
(5)ΔU=W+Q,该式表示的是功、热量跟内能改变之间的定量关系,在物理学中叫作热力学第一定律。( )
√
√
√
×
×
2.下图是一定质量的理想气体从状态A经B至C的p- 图线,则在此过程中
( )
A.气体的内能改变
B.气体的体积增大
C.气体向外界放热
D.气体对外界做功
解析：由图像可知该气体发生等温变化,
故气体的内能不变,ΔU=0;但气体的体积在
减小,故外界对气体做功, W>0;由热力学第
一定律ΔU=W+Q知,Q<0,气体向外界放热,故C正确。
C
3.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 能否说明10 J的功等于10 J的热量
答案：无论外界对气体做功10 J,还是外界给气体传递10 J的热量,气体内能都增加了10 J,说明做功和热传递在改变物体内能上是等效的。不能说10 J的功等于10 J的热量,因为功与热量具有本质区别。
合作探究 释疑解惑
知识点一
对热力学第一定律的理解
【问题引领】
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:
(1)在变化过程中气体对外做功,还是外界对气体做功
(2)在变化过程中气体吸热,还是放热 气体内能增加了,还是减少了
提示：(1)气体对外做功。(2)吸热;内能增加。
【归纳提升】
1.对公式ΔU=Q+W符号的规定
2.几种特殊情况
(1)绝热过程:Q=0,则ΔU=W,物体内能的增加量等于外界对物体做的功。
(2)等容过程:该过程中不做功,即W=0,则ΔU=Q,物体内能的增加量等于物体从外界吸收的热量。
(3)(气体)等温过程:过程的始末状态物体的内能不变,即ΔU=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.判断是否做功的方法
一般情况下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,W<0。
②若物体体积减小,表明外界对物体做功,W>0。
画龙点睛 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ΔU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。
【典型例题】
【例题1】 一定质量的气体在某一过程中,外界对气体做了8×104 J的功,气体的内能减少了1.2×105 J,则下列各式正确的是( )
A.W=8×104 J,ΔU=1.2×105 J,Q=4×104 J
B.W=8×104 J,ΔU=-1.2×105 J,Q=-2×105 J
C.W=-8×104 J,ΔU=1.2×105 J,Q=2×104 J
D.W=-8×104 J,ΔU=-1.2×105 J,Q=-4×104 J
解析：因为外界对气体做功,W取正值,即W=8×104 J;内能减少,ΔU取负值,即ΔU=-1.2×105 J;根据热力学第一定律ΔU=W+Q,可知Q=ΔU-W=-1.2×105 J-8×104 J=-2×105 J,B选项正确。
B
科学思维 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、ΔU)的正负。
2.根据方程ΔU=W+Q求出未知量。
3.再根据未知量结果的正负来确定吸热、放热情况或做功情况。
【变式训练1】 一定质量的理想气体在某一过程中,从外界吸收热量2.5×104 J,气体对外界做功1.0×104 J,则该理想气体的( )
A.温度降低,密度增大
B.温度降低,密度减小
C.温度升高,密度增大
D.温度升高,密度减小
解析：由热力学第一定律ΔU=W+Q,Q=2.5×104 J,W=-1.0×104 J可知ΔU大于零,气体内能增加,温度升高,A、B错。气体对外做功,体积增大,密度减小,C错,D对。
D
【问题引领】
知识点二
能量守恒定律
有一种机械手表,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
提示：这不是永动机。机械手表戴在手腕上,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。
【归纳提升】
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。
(2)各种形式的能,通过某种力做功可以相互转化。
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.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。
画龙点睛 热力学第一定律说明了做功和热传递是系统内能改变的量度,没有做功和热传递就不可能实现能量的转化或转移,同时也进一步揭示了能量守恒定律。
【典型例题】
【例题2】 如图所示,一个质量为20 kg的绝热汽缸竖直放置,绝热活塞的质量为5 kg,处于静止状态时被封闭气体的高度为50 cm,现在在活塞上方加一15 kg的物体,待稳定后,被封闭气体的高度变为40 cm。在这一过程中气体的内能增加多少 g取10 m/s2,忽略大气压力及摩擦阻力的影响。
答案：20 J
解析：由能量守恒定律可知,内能的增加等于活塞和物体重力势能的减少。ΔU=ΔE=(m1+m2)gh=(15+5)×10×(50-40)×10-2 J=20 J。
科学思维 利用能量守恒定律解决问题时,首先应明确题目中涉及哪几种形式的能量,其次分析哪种能量增加了,哪种能量减少了,确定研究的系统后,用能量守恒观点求解。
【变式训练2】 (多选)下列对能量守恒定律的认识正确的是( )
A.某种形式的能量减少,一定存在其他形式能量的增加
B.某个物体的能量减少,必然有其他物体的能量增加
C.不需要任何外界的动力而持续对外做功的机器——第一类永动机是不可能制成的
D.汽车刹车而停止,汽车的动能消失了
解析：A选项是指不同形式的能量间的转化,转化过程中能量是守恒的,B选项是指能量在不同的物体间发生转移,转移过程中能量是守恒的;这正好是能量守恒定律的两个方面——转化与转移;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,所以A、B、C正确。能量守恒定律表明能量既不会创生,也不会消失,故D错误。
ABC
课堂小结
随堂练习
1.(做功与热传递)如图所示,给旱区送水的消防车停于水平地面。在缓慢放水的过程中,若车胎不漏气,胎内气体温度不变,不计分子间势能,则胎内气体( )
A.从外界吸热
B.对外界做负功
C.分子平均动能减小
D.内能增加
解析：缓慢放水过程中,胎内气体压强减小,气体膨胀对外界做正功,选项B错。胎内气体温度不变,故分子平均动能不变,选项C错。由于不计分子间势能,气体内能只与温度有关,温度不变,内能不变,选项D错。由ΔU=W+Q知ΔU=0,W<0,故Q>0,气体从外界吸热,选项A正确。
A
2.(热力学第一定律)一定质量的气体膨胀对外做功100 J,同时对外放热40 J,气体内能的增量ΔU是( )
A.60 J
B.-60 J
C.-140 J
D.140 J
解析：由热力学第一定律得ΔU=W+Q=-100 J-40 J=-140 J,C项正确。
C
3.(对热力学第一定律表达式的理解)在热力学第一定律的表达式ΔU=W+Q中,关于ΔU、W、Q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ΔU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ΔU为负
C.物体对外界做功时W为负,吸热时Q为正,内能增加时ΔU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ΔU为负
解析：根据公式ΔU=W+Q中的符号法则知选项C正确。
C
本 课 结 束2.热力学第一定律
3.能量守恒定律
课后训练巩固提升
基础巩固
1.自由摆动的秋千摆动幅度越来越小,下列说法正确的是( )
A.机械能守恒
B.能量正在消失
C.只有动能和重力势能的相互转化
D.减少的机械能转化为内能,但总能量守恒
答案：D
2.关于物体内能的变化,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：做功和热传递都可以改变物体的内能,当做功和热传递同时发生时,物体的内能可能不变,比如物体吸热的同时又对外做功,且吸收的热量与对外做的功在数值上相等,此时物体的内能不发生变化。故正确选项只有C。
3.(多选)如图所示,某同学将空的薄金属筒开口向下压入水中。设水温均匀且恒定,筒内空气无泄漏,不计气体分子间相互作用,则被淹没的金属筒在缓慢下降过程中,筒内空气体积减小,下列说法正确的是( )
A.从外界吸热
B.向外界放热
C.分子势能不变
D.内能减小
答案：BC
解析：水温恒定,即空气分子平均动能不变;不计分子间相互作用,即分子势能不变,由此可知空气内能不变。筒内空气体积减小,说明外界对空气做功,根据热力学第一定律知空气放出热量。
4.如图所示,有一导热性良好的汽缸放在水平面上,活塞与汽缸壁间的摩擦不计,汽缸内用一定质量的活塞封闭了一定质量的气体,忽略气体分子间的相互作用(即分子势能视为零),忽略环境温度的变化,现缓慢推倒汽缸,在此过程中( )
A.气体吸收热量,内能不变
B.汽缸内分子的平均动能增大
C.单位时间内撞击汽缸壁单位面积上的分子数增多
D.汽缸内分子撞击汽缸壁的平均作用力增大
答案：A
解析：由题图可知,该过程气体对外做功,由于忽略环境温度变化,温度不变,内能不变,由热力学第一定律可知,气体吸收热量,内能不变。A正确。
5.(多选)如图所示,活塞将一定质量的气体封闭在直立圆筒形导热的汽缸中,活塞上堆放细沙,活塞处于静止,现逐渐取走细沙,使活塞缓慢上升,直到细沙全部取走。若活塞与汽缸之间的摩擦可忽略,则在此过程中,下列说法正确的是( )
A.气体对外做功,气体温度可能不变
B.气体对外做功,内能可能不变
C.气体压强可能增大,内能可能不变
D.气体从外界吸热,内能一定增加
答案：AB
解析：由于汽缸是导热的,则可以与外界进行热交换,细沙减少时,气体膨胀对外做功,可能由于与外界进行热交换吸热使内能不变,但压强减小。
6.一定质量的气体,在从一个状态变化到另一个状态的过程中,吸收热量280 J,并对外做功120 J,试问:
(1)这些气体的内能发生了怎样的变化
(2)如果这些气体又返回原来的状态,并放出了240 J热量,那么在返回的过程中是气体对外界做功,还是外界对气体做功 做多少功
答案：(1)增加了160 J (2)外界对气体做功80 J
解析：(1)由热力学第一定律可得ΔU=W+Q=-120 J+280 J=160 J。
(2)由于气体的内能仅与状态有关,所以气体从2状态回到1状态过程中内能的变化应等于从1状态到2状态过程中内能的变化,则从2状态到1状态的内能应减少160 J,即ΔU'=-160 J,又Q'=-240 J,根据热力学第一定律得ΔU'=W'+Q',所以W'=ΔU'-Q'=-160 J-(-240 J)=80 J,即外界对气体做功80 J。
能力提升
1.(多选)一物体获得一定初速度后,沿着一粗糙斜面上滑,在上滑过程中,物体和斜面组成的系统的下列说法正确的是( )
A.机械能守恒
B.总能量守恒
C.机械能和内能增加D.机械能减少,内能增加
答案：BD
解析：物体沿斜面上滑的过程中,有摩擦力对物体做负功,所以物体的机械能减少。由能量守恒定律知,内能应增加,能的总量不变,B、D正确。
2.(多选)如图所示,一定质量的理想气体由a状态变化到b状态,下列说法正确的有( )
A.外界对气体做功
B.气体对外界做功
C.气体向外界放热
D.气体从外界吸热
答案：BD
解析：由题图可看出从a到b气体体积增大,温度升高,内能增大,气体对外界做功,气体从外界吸收热量,故选BD。
3.(多选)下列过程,可能发生的是( )
A.物体吸收热量,对外做功,同时内能增加
B.物体吸收热量,对外做功,同时内能减少
C.外界对物体做功,同时物体吸热,内能减少
D.外界对物体做功,同时物体放热,内能增加
答案：ABD
解析：根据热力学第一定律ΔU=W+Q,做功和热传递都可以改变物体的内能,故由此可确定A、B、D正确,C错误。
4.下图是密闭的汽缸,外力推动活塞P压缩气体,对汽缸内气体做功800 J,同时气体向外界放热200 J。对汽缸内气体的说法正确的是( )
A.温度升高,内能增加600 J
B.温度升高,内能减少200 J
C.温度降低,内能增加 600 J
D.温度降低,内能减少200 J
答案：A
解析：对一定质量的气体,由热力学第一定律ΔU=W+Q可知,ΔU=800 J+(-200 J)=600 J,ΔU为正表示内能增加了600 J,对气体来说,分子间距较大,分子势能为零,内能等于所有分子动能的和,内能增加,气体分子的平均动能增加,温度升高,选项A正确。
5.一定质量的气体内能增加了3×105 J,
(1)若吸收了2×105 J的热量,则是气体对外界做功,还是外界对气体做功 做了多少功
(2)若气体对外界做了4×105 J的功,则是气体放热还是从外界吸热 放出或吸收的热量是多少
答案：(1)外界对气体做功 1×105 J
(2)气体从外界吸热 7×105 J
解析：(1)由热力学第一定律ΔU=Q+W
得W=ΔU-Q=3×105 J-2×105 J=1×105 J 外界对气体做功。
(2)由ΔU=Q+W得Q=ΔU-W=3×105 J-(-4×105 J)=7×105 J 气体从外界吸热。
6.下图是用导热性能良好的材料制成的气体实验装置,开始时封闭的空气柱长度为22 cm,现在用竖直向下的外力F压缩气体,使封闭空气柱长度变为 2 cm,人对活塞做功100 J,大气压强为p0=1×105 Pa,不计活塞重力。
(1)若用足够长的时间缓慢压缩气体,求压缩后气体的压强为多大
(2)若以适当的速度压缩气体,向外散失的热量为20 J,则气体的内能增加多少 活塞的横截面积S=1 cm2。
答案：(1)1.1×106 Pa (2)82 J
解析：(1)设压缩后气体的压强为p,活塞的横截面积为S,l0=22 cm,
l=2 cm,V0=l0S,V=lS
缓慢压缩气体,温度不变,由玻意耳定律得
p0V0=pV,解得p=1.1×106 Pa。
(2)大气压力对活塞做功W1=p0S(l0-l)=2 J
人做功W2=100 J,由热力学第一定律得
ΔU=W1+W2+Q,将Q=-20 J代入解得ΔU=82 J。
