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高中物理人教版选择性必修三教案
第三章 热力学定律
第3.3节 能量守恒定律
学习目标
掌握能量守恒定律，理解这个定律的重要意义。会用能量守恒的观点分析物理现象。
2．能综合运用学过的知识，用能量守恒定律进行有关计算，分析、解决有关问题。
课前导学
基础知识导学
探索能量守恒的足迹
1．不同形式的能
描述下图分别主要描写的是什么形式的能。
（ ） （ ） （ ） （ ）
2．能量之间的转化
判断下图分别是哪几种能量之间的相互转化。
（ ）（ ）（ ）（ ）
3．能量守恒观念的形成
能量守恒定律
在力学中，当系统只有_____________________________做功时，系统的动能与势能会发生相互转化，而动能与势能的总量保持不变，这就是______________守恒定律。
在热力学领域内，做功和热传递可以改变系统的内能，即系统内能与系统外的能量会发生转化或转移，但能的总量不会改变。____________________________，实际上就是内能与其他能量发生转化时的能量守恒定律。
1．能量守恒定律：能量既不会___________________，也不会________________，它只能从一种形式___________另一种形式，或者从一个物体___________另一个物体，而在___________或___________过程中，能量的总量__________________。
2．能量守恒定律的意义：
（1）能量守恒定律同生物进化论、细胞的发现被恩格斯誉为19世纪的三个最伟大的科学发现。
（2）能量守恒定律是在无数实验事实的基础上建立起来的，是自然科学的普遍规律之一。
（3）自然界一切已经实现的过程都遵守能量守恒定律。凡是违反能量守恒定律的过程都是不可能实现的，例如“永动机”只能以失败而告终。
（4）机械能守恒定律只是能量守恒定律的特例。
永动机不可能制成
1．永动机：_________________________________________，这种机器叫永动机。
2．人类对永动机的追求
阅读材料：
螺旋永动机：著名科学家达·芬奇早在15世纪就提出过永动机不可能的思想，他曾设计过一种转轮。在转轮边沿安装一系列的容器，容器中充了一些水银，他想水银在容器中移动有可能使转轮永远地转动，但是经过仔细研究之后，得出了否定的结论。他从许多类似的设计方案中认识到永动机的尝试是注定要失败的。他写道：“永恒运动的幻想家们！你们的探索何等徒劳无功！还是去做淘金者吧！”
滚球永动机：17世纪，英国有一个被关在伦敦塔下叫马尔基斯的犯人，他做了一台可以转动的“永动机”，转轮直径达4.3米，有40个各重23千克的钢球沿转轮辐翼外侧运动，使力矩加大，待转到高处时，钢球会自动地滚向中心。据说，他曾向英国国王查理一世表演过这一装置。国王看了很是高兴，就特赦了他。其实这台机器是靠惯性来维持短时运动的。
软臂永动机：19世纪有人设计了一种特殊机构，它的臂可以弯曲。臂上有槽，小球沿凹槽滚向伸长的臂端，使力矩增大。转到另一侧，软臂开始弯曲，向轴心靠拢。设计者认为这样可以使机器获得转矩。然而，他没有想到力臂虽然缩短了，阻力却增大了，转
轮只能停止在原地。
磁力永动机：大约在1570年，意大利有一位教授叫泰斯尼尔斯，提出用磁石的吸力可以实现永动机。A是一个磁石，铁球G受磁石吸引可沿斜面滚上去，滚到上端的E处，从小洞B落下，经曲面BFC返回，复又被磁石吸引，铁球就可以沿螺旋途径连续运动下去。大概他那时还没有建立库仑定律，不知道磁力大小是与距离的平方成反比变化的，只要认真想一想，其荒谬处就一目了然了。
3．第一类永动机
概念：不需要任何动力或燃料，却能源源不断地对外做功。
结果：无一例外地归于失败。
原因：_____________________________________________________。
4．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。
知识点探究
知识点二 能量守恒定律 永动机不可能制成
有一种所谓“全自动”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,你知道维持表针走动的能量是从哪儿来的吗
1.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)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。
2.永动机不可能制成
(1)第一类永动机:不需要任何动力或燃料,却能不断地对外做功的机器。
(2)第一类永动机由于违背了能量守恒定律,所以不可能制成。
3.热力学第一定律与能量守恒定律的比较
(1)能量守恒定律是各种形式的能相互转化或转移的过程,总能量保持不变,它包括各个领域,范围广泛。
(2)热力学第一定律是物体内能与其他形式的能之间的相互转化或转移,是能量守恒定律在热现象领域内的具体体现。
【思考】
从能量的角度分析,下图中通过磁铁对铁块的吸引为汽车提供动力让汽车前进,可以实现吗
例3 (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,一定存在其他形式的能量增加
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.石子从空中落下,最后停止在地面上,说明机械能消失了
训练2 如图所示,这是中国传统玩具饮水鸟。在鸟的面前放上一杯水,用手把鸟嘴浸到水里,小鸟“喝”了一口后,又直立起来。之后,无需人的干预,小鸟直立一会儿就会自己俯下身去使鸟嘴浸入水中“喝”水,然后又会直立起来。就这样周而复始,小鸟不停地点头“喝”水,则下列说法正确的是( )
A.饮水鸟上下运动的能量来源于周围空气的内能
B.水杯中的水干了之后,小鸟还能点头“喝”水
C.这种玩具饮水鸟是一架永动机
D.此现象违背了热力学第一定律
随堂对点自测
1.(热力学第一定律的理解)(多选)下列过程可能发生的是( )
A.物体吸收热量,同时对外做功,内能增加
B.物体吸收热量,同时对外做功,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
2.(热力学第一定律的应用)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为( )
A.60 J B.-60 J
C.-140 J D.140 J
3.(能量守恒定律)下列说法正确的是( )
A.条形磁体下落过程中穿过闭合线圈,线圈中产生了感应电流,说明电能是可以被创造的
B.太阳照射到地球上的光能转化成了其他形式的能量,但照射到宇宙空间的能量都消失了
C.“既要马儿跑,又让马儿不吃草”违背了能量守恒定律,因而是不可能的
D.有种“全自动”手表,不用上发条,也不用任何形式的电源,却能一直走动,说明能量是可以凭空产生的
课后巩固训练
对点题组练
题组一 热力学第一定律及应用
1.一定质量的理想气体,从某一状态开始,经过一系列变化后又回到开始的状态,用W1表示外界对气体做的功,W2表示气体对外界做的功,Q1表示气体吸收的热量,Q2表示气体放出的热量,则在整个过程中一定有( )
A.Q1-Q2=W2-W1 B.Q1=Q2
C.W1=W2 D.Q1>Q2
2.(多选)如图,用隔板将一绝热汽缸分成两部分,隔板左侧充有理想气体,隔板右侧与绝热活塞之间是真空。现将隔板抽开,气体会自发扩散至整个汽缸。待气体达到稳定后,缓慢推压活塞,将气体压回到原来的体积。假设整个过程系统不漏气。下列说法正确的是( )
A.气体自发扩散前后内能相同
B.气体在被压缩的过程中内能增大
C.在自发扩散过程中,气体对外界做功
D.气体在被压缩的过程中,外界对气体做功
3.气垫运动鞋表面材质导热良好,防滑耐用,可以在运动过程中起到很好的缓冲作用。使用过程中,气垫内密封的气体被反复压缩、扩张,外界环境温度可认为不变,气垫内气体可看作理想气体,则下列关于气垫内气体说法正确的是( )
A.脚踩下时,对气体做正功,气体分子的平均动能增加
B.脚踩下时,由于外界环境温度不变,气体既不吸热也不放热
C.踩下后抬起脚时,气体从外界吸收热量,气体分子的平均动能不变
D.踩下后抬起脚时,外界对气体做正功且数值等于气体放出的热量的数值
4.一个气泡从恒温水槽的底部缓慢向上浮起(不计气泡内空气分子的势能),则下列说法正确的是( )
A.气泡对外做功,内能不变,同时放热
B.气泡对外做功,内能不变,同时吸热
C.气泡内能减少,同时放热
D.气泡内能不变,不吸热也不放热
题组二 能量守恒定律 永动机不可制成
5.(多选)下列关于第一类永动机的说法正确的是( )
A.第一类永动机是不消耗任何能量却可源源不断地对外做功的机器
B.第一类永动机在一定条件下是可以实现的
C.第一类永动机不能制成的原因是技术问题
D.第一类永动机不能制成的原因是违背了能量守恒定律
6.如图所示,上端开口、粗细均匀的U形管的底部中间有一阀门,开始时阀门关闭,两管中的水面高度差为h。现将阀门打开,最终两管水面相平,忽略水与外界的热量传递,则这一过程中( )
A.大气压做正功,重力做负功,水的内能不变
B.大气压不做功,重力做正功,水的内能增大
C.大气压不做功,重力做负功,水的内能增大
D.大气压做负功,重力做正功,水的内能不变
综合提升练
7.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,活塞的上部封闭着理想气体,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全部转化为气体的内能
B.Ep一部分转化成活塞的重力势能,其余部分仍为弹簧的弹性势能
C.Ep全部转化成活塞的重力势能和气体的内能
D.Ep一部分转化成活塞的重力势能,一部分转化为气体的内能,其余部分仍为弹簧的弹性势能
8.(2025·八省联考四川卷,5)某同学制作了一个小型喷泉装置,如图甲所示两个瓶子均用瓶塞密闭,两瓶用弯管连通,左瓶插有两端开口的直管。左瓶装满水,右瓶充满空气。用沸水浇右瓶时,左瓶直管有水喷出,如图乙所示,水喷出的过程中,装置内的气体( )
A.内能比浇水前大
B.压强与浇水前相等
C.所有分子的动能都比浇水前大
D.对水做的功等于水重力势能的增量
9.汽缸内封闭了一定质量的理想气体,压强p=1.0×105 Pa,体积V=2.0 m3,现使气体保持压强不变,体积缓慢压缩至V'=1.0 m3,此过程气体向外界释放了1.2×105 J的热量,求:
(1)压缩过程外界对气体做了多少功;
(2)气体内能变化了多少。
10.如图所示,一定质量的理想气体被活塞封闭在可导热的汽缸内,活塞可沿汽缸无摩擦地滑动。活塞横截面积S=1.0×10-3 m2,质量m=2 kg,汽缸竖直放置时,活塞相对于底部的高度为h=1.2 m,室温等于27 ℃;现将汽缸置于77 ℃的热水中,已知大气压强p0=1.0×105 Pa,g取10 m/s2。
(1)求平衡时活塞离汽缸底部的距离;
(2)此过程中内部气体吸收热量28.8 J,求气体内能的变化量。
培优加强练
11.(2025·湖南师大附中月考)一只篮球的体积为V0,球内气体的压强为p0,温度为T0。现用打气筒对篮球充入压强为2p0、温度为T0、体积为V1(大小未知)的气体,使球内气体压强变为3p0,同时温度升至1.5T0。已知气体内能U与温度的关系为U=kT(k为正常数),充气过程中气体向外放出Q的热量,篮球体积不变。求:
(1)充入气体的体积V1的大小;
(2)充气过程中打气筒对气体做的功。
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第三章 热力学定律
第3.3节 能量守恒定律
学习目标
掌握能量守恒定律，理解这个定律的重要意义。会用能量守恒的观点分析物理现象。
2．能综合运用学过的知识，用能量守恒定律进行有关计算，分析、解决有关问题。
课前导学
基础知识导学
探索能量守恒的足迹
1．不同形式的能
描述下图分别主要描写的是什么形式的能。
（ ） （ ） （ ） （ ）
2．能量之间的转化
判断下图分别是哪几种能量之间的相互转化。
（ ）（ ）（ ）（ ）
3．能量守恒观念的形成
能量守恒定律
在力学中，当系统只有_____________________________做功时，系统的动能与势能会发生相互转化，而动能与势能的总量保持不变，这就是______________守恒定律。
在热力学领域内，做功和热传递可以改变系统的内能，即系统内能与系统外的能量会发生转化或转移，但能的总量不会改变。____________________________，实际上就是内能与其他能量发生转化时的能量守恒定律。
1．能量守恒定律：能量既不会___________________，也不会________________，它只能从一种形式___________另一种形式，或者从一个物体___________另一个物体，而在___________或___________过程中，能量的总量__________________。
2．能量守恒定律的意义：
（1）能量守恒定律同生物进化论、细胞的发现被恩格斯誉为19世纪的三个最伟大的科学发现。
（2）能量守恒定律是在无数实验事实的基础上建立起来的，是自然科学的普遍规律之一。
（3）自然界一切已经实现的过程都遵守能量守恒定律。凡是违反能量守恒定律的过程都是不可能实现的，例如“永动机”只能以失败而告终。
（4）机械能守恒定律只是能量守恒定律的特例。
永动机不可能制成
1．永动机：_________________________________________，这种机器叫永动机。
2．人类对永动机的追求
阅读材料：
螺旋永动机：著名科学家达·芬奇早在15世纪就提出过永动机不可能的思想，他曾设计过一种转轮。在转轮边沿安装一系列的容器，容器中充了一些水银，他想水银在容器中移动有可能使转轮永远地转动，但是经过仔细研究之后，得出了否定的结论。他从许多类似的设计方案中认识到永动机的尝试是注定要失败的。他写道：“永恒运动的幻想家们！你们的探索何等徒劳无功！还是去做淘金者吧！”
滚球永动机：17世纪，英国有一个被关在伦敦塔下叫马尔基斯的犯人，他做了一台可以转动的“永动机”，转轮直径达4.3米，有40个各重23千克的钢球沿转轮辐翼外侧运动，使力矩加大，待转到高处时，钢球会自动地滚向中心。据说，他曾向英国国王查理一世表演过这一装置。国王看了很是高兴，就特赦了他。其实这台机器是靠惯性来维持短时运动的。
软臂永动机：19世纪有人设计了一种特殊机构，它的臂可以弯曲。臂上有槽，小球沿凹槽滚向伸长的臂端，使力矩增大。转到另一侧，软臂开始弯曲，向轴心靠拢。设计者认为这样可以使机器获得转矩。然而，他没有想到力臂虽然缩短了，阻力却增大了，转
轮只能停止在原地。
磁力永动机：大约在1570年，意大利有一位教授叫泰斯尼尔斯，提出用磁石的吸力可以实现永动机。A是一个磁石，铁球G受磁石吸引可沿斜面滚上去，滚到上端的E处，从小洞B落下，经曲面BFC返回，复又被磁石吸引，铁球就可以沿螺旋途径连续运动下去。大概他那时还没有建立库仑定律，不知道磁力大小是与距离的平方成反比变化的，只要认真想一想，其荒谬处就一目了然了。
3．第一类永动机
概念：不需要任何动力或燃料，却能源源不断地对外做功。
结果：无一例外地归于失败。
原因：_____________________________________________________。
4．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。
知识点探究
知识点二 能量守恒定律 永动机不可能制成
有一种所谓“全自动”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,你知道维持表针走动的能量是从哪儿来的吗
提示 这不是永动机;手表戴在手腕上,通过手臂的运动来获得能量,供手表指针做机械运动。若将此手表长时间放置不动,它就会停下来。
1.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)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。
2.永动机不可能制成
(1)第一类永动机:不需要任何动力或燃料,却能不断地对外做功的机器。
(2)第一类永动机由于违背了能量守恒定律,所以不可能制成。
3.热力学第一定律与能量守恒定律的比较
(1)能量守恒定律是各种形式的能相互转化或转移的过程,总能量保持不变,它包括各个领域,范围广泛。
(2)热力学第一定律是物体内能与其他形式的能之间的相互转化或转移,是能量守恒定律在热现象领域内的具体体现。
【思考】
从能量的角度分析,下图中通过磁铁对铁块的吸引为汽车提供动力让汽车前进,可以实现吗
提示 不能,违背了能量守恒定律。
例3 (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,一定存在其他形式的能量增加
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.石子从空中落下,最后停止在地面上,说明机械能消失了
答案 ABC
解析 不同形式的能量间的转化过程中能量是守恒的,A正确;能量在不同的物体间发生转移,转移过程中能量是守恒的,B正确;第一类永动机不可能制成,它违背了能量守恒定律,C正确;石子的机械能在变化,比如受空气阻力作用和与地面碰撞,机械能减少,转化成了其他形式的能量,D错误。
训练2 如图所示,这是中国传统玩具饮水鸟。在鸟的面前放上一杯水,用手把鸟嘴浸到水里,小鸟“喝”了一口后,又直立起来。之后,无需人的干预,小鸟直立一会儿就会自己俯下身去使鸟嘴浸入水中“喝”水,然后又会直立起来。就这样周而复始,小鸟不停地点头“喝”水,则下列说法正确的是( )
A.饮水鸟上下运动的能量来源于周围空气的内能
B.水杯中的水干了之后,小鸟还能点头“喝”水
C.这种玩具饮水鸟是一架永动机
D.此现象违背了热力学第一定律
答案 A
解析 玩具饮水鸟的内部结构如图所示,其原理是先在鸟嘴上滴一些水,水分蒸发过程中吸热,温度降低,压强减小,使得头部气压小于肚子中的气压,从而使肚子中的部分液体压入头部,使重心上移,鸟的身体变得不稳定而发生倾斜,倾斜的过程中肚子中的玻璃管口脱离液面,从而使头部的液体又回流到肚子中,使鸟的身体再回到开始的竖直状态,而刚才倾斜的过程中鸟嘴刚好又沾到了水,之后鸟回到竖直状态后,鸟嘴的水分蒸发,重复前面的运动过程,即饮水鸟上下运动的能量来源于周围空气的内能,A正确;根据上述分析可知,当水杯中的水干了之后,不能蒸发制冷,不能形成头部和肚子内空气的压强差,小鸟不能再上下运动,即小鸟不能点头“喝”水,B错误;这种玩具饮水鸟仍然遵循能量守恒定律,此现象没有违背热力学第一定律,不是一架永动机,C、D错误。
随堂对点自测
1.(热力学第一定律的理解)(多选)下列过程可能发生的是( )
A.物体吸收热量,同时对外做功,内能增加
B.物体吸收热量,同时对外做功,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 当物体吸收的热量多于物体对外做的功时,物体的内能就增加,A正确;当物体吸收的热量少于物体对外做的功时,物体的内能就减少,B正确;外界对物体做功,同时物体吸热,则物体的内能一定增加,C错误;当物体放出的热量少于外界对物体做的功时,物体的内能增加,D正确。
2.(热力学第一定律的应用)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为( )
A.60 J B.-60 J
C.-140 J D.140 J
答案 C
解析 由热力学第一定律得ΔU=W+Q=-100 J-40 J=-140 J,故选项C正确。
3.(能量守恒定律)下列说法正确的是( )
A.条形磁体下落过程中穿过闭合线圈,线圈中产生了感应电流,说明电能是可以被创造的
B.太阳照射到地球上的光能转化成了其他形式的能量,但照射到宇宙空间的能量都消失了
C.“既要马儿跑,又让马儿不吃草”违背了能量守恒定律,因而是不可能的
D.有种“全自动”手表,不用上发条,也不用任何形式的电源,却能一直走动,说明能量是可以凭空产生的
答案 C
解析 磁体穿过线圈过程中是机械能转化成了电能,故A错误;太阳照射到宇宙空间的能量没有消失,故B错误;马儿奔跑时同样需要消耗能量,故“既要马儿跑,又让马儿不吃草”违背了能量守恒定律,因而是不可能的,故C正确;不用上发条,也不用任何形式的电源,却能一直走动的“全自动”手表是靠手臂的摆动提供能量的,它不违背能量守恒定律,故D错误。
课后巩固训练
对点题组练
题组一 热力学第一定律及应用
1.一定质量的理想气体,从某一状态开始,经过一系列变化后又回到开始的状态,用W1表示外界对气体做的功,W2表示气体对外界做的功,Q1表示气体吸收的热量,Q2表示气体放出的热量,则在整个过程中一定有( )
A.Q1-Q2=W2-W1 B.Q1=Q2
C.W1=W2 D.Q1>Q2
答案 A
解析 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,即ΔU=0。根据热力学第一定律可得W1+Q1=W2+Q2,则有Q1-Q2=W2-W1,故A正确。
2.(多选)如图,用隔板将一绝热汽缸分成两部分,隔板左侧充有理想气体,隔板右侧与绝热活塞之间是真空。现将隔板抽开,气体会自发扩散至整个汽缸。待气体达到稳定后,缓慢推压活塞,将气体压回到原来的体积。假设整个过程系统不漏气。下列说法正确的是( )
A.气体自发扩散前后内能相同
B.气体在被压缩的过程中内能增大
C.在自发扩散过程中,气体对外界做功
D.气体在被压缩的过程中,外界对气体做功
答案 ABD
解析 因为汽缸、活塞都是绝热的,隔板右侧是真空,所以理想气体在自发扩散的过程中,既不吸热也不放热,也不对外界做功,根据热力学第一定律可知,气体自发扩散前后,内能不变,故A正确,C错误;气体被压缩的过程中,外界对气体做功,且没有热传递,则气体内能增大,故B、D正确。
3.气垫运动鞋表面材质导热良好,防滑耐用,可以在运动过程中起到很好的缓冲作用。使用过程中,气垫内密封的气体被反复压缩、扩张,外界环境温度可认为不变,气垫内气体可看作理想气体,则下列关于气垫内气体说法正确的是( )
A.脚踩下时,对气体做正功,气体分子的平均动能增加
B.脚踩下时,由于外界环境温度不变,气体既不吸热也不放热
C.踩下后抬起脚时,气体从外界吸收热量,气体分子的平均动能不变
D.踩下后抬起脚时,外界对气体做正功且数值等于气体放出的热量的数值
答案 C
解析 由于气垫运动鞋导热良好,则脚踩下时,气体温度不变,内能不变,气体分子的平均动能不变,外界对气体做功,由热力学第一定律可知,气体放热,故A、B错误;同理可知,踩下后抬起脚时,气体温度不变,内能不变,气体分子的平均动能不变,气体对外界做功,则气体从外界吸收热量且吸收的热量等于对外做功的数值,故C正确,D错误。
4.一个气泡从恒温水槽的底部缓慢向上浮起(不计气泡内空气分子的势能),则下列说法正确的是( )
A.气泡对外做功,内能不变,同时放热
B.气泡对外做功,内能不变,同时吸热
C.气泡内能减少,同时放热
D.气泡内能不变,不吸热也不放热
答案 B
解析 在气泡缓慢上升的过程中,气泡外部的压强逐渐减小,气泡膨胀,对外做功,则W<0;由于外部恒温,且气泡缓慢上升,则可以认为上升过程中气泡内空气的温度始终等于外界温度,内能不变,即ΔU=0,由热力学第一定律ΔU=W+Q知,Q>0,故需从外界吸收热量,且吸收的热量等于对外界所做的功,故B正确。
题组二 能量守恒定律 永动机不可制成
5.(多选)下列关于第一类永动机的说法正确的是( )
A.第一类永动机是不消耗任何能量却可源源不断地对外做功的机器
B.第一类永动机在一定条件下是可以实现的
C.第一类永动机不能制成的原因是技术问题
D.第一类永动机不能制成的原因是违背了能量守恒定律
答案 AD
解析 第一类永动机是不消耗任何能量却能源源不断地对外做功的机器,这是人们的美好愿望,但它违背了能量守恒定律,这也是它不能制成的原因,故A、D正确,B、C错误。
6.如图所示,上端开口、粗细均匀的U形管的底部中间有一阀门,开始时阀门关闭,两管中的水面高度差为h。现将阀门打开,最终两管水面相平,忽略水与外界的热量传递,则这一过程中( )
A.大气压做正功,重力做负功,水的内能不变
B.大气压不做功,重力做正功,水的内能增大
C.大气压不做功,重力做负功,水的内能增大
D.大气压做负功,重力做正功,水的内能不变
答案 B
解析 由于两管粗细相同,则作用在水面上的大气压力的合力为零,不做功;水流动过程中重心下降,重力做正功,水的重力势能减少,减少的重力势能最终转化为水的内能,故水的内能增大,选项B正确,A、C、D错误。
综合提升练
7.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,活塞的上部封闭着理想气体,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全部转化为气体的内能
B.Ep一部分转化成活塞的重力势能,其余部分仍为弹簧的弹性势能
C.Ep全部转化成活塞的重力势能和气体的内能
D.Ep一部分转化成活塞的重力势能,一部分转化为气体的内能,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,设气体初态时的压强为p1,活塞质量为m,横截面积为S,末态时压强为p2,由题意初态即绳子断开瞬间,有F弹>mg+p1S,分析知活塞的末态位置必然高于初位置,则活塞重力势能增加,外界对气体做正功,W>0,由于容器及活塞绝热,则ΔU=W,可知ΔU>0,即气体的内能增加;末态时,有F弹'=p2S+mg,则弹簧仍然具有一部分弹性势能,故D正确,A、B、C错误。
8.(2025·八省联考四川卷,5)某同学制作了一个小型喷泉装置,如图甲所示两个瓶子均用瓶塞密闭,两瓶用弯管连通,左瓶插有两端开口的直管。左瓶装满水,右瓶充满空气。用沸水浇右瓶时,左瓶直管有水喷出,如图乙所示,水喷出的过程中,装置内的气体( )
A.内能比浇水前大
B.压强与浇水前相等
C.所有分子的动能都比浇水前大
D.对水做的功等于水重力势能的增量
答案 A
解析 用沸水浇右瓶时,装置内气体的温度升高,所以内能增大,故A正确;水能喷出的原因就是装置内气体的压强增大,故B错误;装置内气体的温度升高,气体分子的平均动能增大,但并不是所有分子的动能都增大,故C错误;瓶内气体对水做的功等于水的动能增量和重力势能增量之和,故D错误。
9.汽缸内封闭了一定质量的理想气体,压强p=1.0×105 Pa,体积V=2.0 m3,现使气体保持压强不变,体积缓慢压缩至V'=1.0 m3,此过程气体向外界释放了1.2×105 J的热量,求:
(1)压缩过程外界对气体做了多少功;
(2)气体内能变化了多少。
答案 (1)1.0×105 J (2)减少了2×104 J
解析 (1)外界对气体做的功
W=pΔV=p(V-V')
解得W=1.0×105 J。
(2)由热力学第一定律得,汽缸内气体内能的变化量
ΔU=Q+W=-1.2×105 J+1.0×105 J=-2×104 J
即气体内能减少了2×104 J。
10.如图所示,一定质量的理想气体被活塞封闭在可导热的汽缸内,活塞可沿汽缸无摩擦地滑动。活塞横截面积S=1.0×10-3 m2,质量m=2 kg,汽缸竖直放置时,活塞相对于底部的高度为h=1.2 m,室温等于27 ℃;现将汽缸置于77 ℃的热水中,已知大气压强p0=1.0×105 Pa,g取10 m/s2。
(1)求平衡时活塞离汽缸底部的距离;
(2)此过程中内部气体吸收热量28.8 J,求气体内能的变化量。
答案 (1)1.4 m (2)4.8 J
解析 (1)设平衡时活塞距汽缸底部的距离为h',取封闭气体为研究对象,气体发生等压变化,
由盖-吕萨克定律有=
解得h'=1.4 m。
(2)在此过程中气体对外界做功,则
W=-pΔV=-pS(h'-h)
其中p=+p0
由热力学第一定律有ΔU=Q+W
联立解得ΔU=4.8 J。
培优加强练
11.(2025·湖南师大附中月考)一只篮球的体积为V0,球内气体的压强为p0,温度为T0。现用打气筒对篮球充入压强为2p0、温度为T0、体积为V1(大小未知)的气体,使球内气体压强变为3p0,同时温度升至1.5T0。已知气体内能U与温度的关系为U=kT(k为正常数),充气过程中气体向外放出Q的热量,篮球体积不变。求:
(1)充入气体的体积V1的大小;
(2)充气过程中打气筒对气体做的功。
答案 (1) (2)Q+kT0
解析 (1)充入气体的体积为V1,根据理想气体状态方程有
+=
解得V1=。
(2)由于充气过程中气体向外放出Q的热量,根据热力学第一定律有ΔU=W+(-Q)
根据气体内能U与温度的关系表达式有
ΔU=k·1.5T0-kT0=kT0
解得W=Q+kT0。
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