1．能量守恒定律的发现
2．热力学第一定律
学 习 目 标
知 识 脉 络
1.了解能量守恒定律的发现过程．
2．理解能量守恒定律，会用能量的观点解释自然现象．(难点)
3．知道第一类永动机不可能制成．
4．理解热力学第一定律．(重点)
5．会用ΔU＝W＋Q解决一些简单问题．(重点)
知识点一| 能量守恒定律
[先填空]
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，能量的总量保持不变．
(2)意义
①各种形式的能可以相互转化．
②各种互不相关的物理现象可以用能量守恒定律联系在一起．
2．第一类永动机不可能制成
(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)第一类永动机不可能制成的原因：违背了能量守恒定律．
(3)意义：正是历史上设计永动机的失败，才使后人的思考走上了正确的道路．
[再判断]
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，是因为它违背了能的转化和守恒定律． (√)
[后思考]
有一种所谓“全自动”机械手表(如图所示)，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．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．
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．各种形式的能在转化和转移过程中总量守恒无需任何条件，而某种或几种形式的能的守恒是有条件的．例如：物体的机械能守恒，必须是只有重力或弹力做功．
4．意义：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形式，或者从一个物体转移到其他物体，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．下列关于能量转化现象的说法中，正确的是( )
A．用太阳灶烧水是光能转化为内能
B．电灯发光是电能转化为光能
C．核电站发电是电能转化为内能
D．生石灰放入盛有凉水的烧杯里，水温升高是动能转化为内能
E．风车发电是风的动能转化为电能
【解析】 A选项中是光能转化为内能，C选项中是核能转化为电能，D选项中是化学能转化为内能，A、B、E选项正确．
【答案】 ABE
2．下列对能量的转化和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．石子从空中落下，最后停止在地面上，说明机械能消失了
E．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．D选项中石子的机械能在变化，比如受空气阻力作用，机械能可能减少，但机械能并没有消失，能量守恒定律表明能量既不会创生，也不会消失，故D、E是错误的．
【答案】 ABC
3．风沿水平方向以速度v垂直吹向一直径为d的风车叶轮，设空气密度为ρ，风的动能有50%转化为风车的动能，风车带动水车将水提高h的高度，效率为80%.求单位时间内最多可提升的水的质量．
【解析】 在时间t内吹在风车上的空气的质量为
m1＝πd2·vt·ρ，
风的动能Ek＝m1v2＝πd2v3tρ.
根据题意πd2v3tρ×50%×80%＝mgh，
则＝.
【答案】
应用能量守恒定律的思路方法
(1)能量守恒的核心是总能量不变，因此在应用能量守恒定律时应首先分清系统中哪些能量在相互转化，是通过哪些力做功实现的，这些能量分别属于哪些物体，然后再寻找合适的守恒方程式．
(2)在应用能量守恒定律分析问题时，应明确两点：
①哪种形式的能量减少，哪种形式的能量增加．
②哪个物体的能量减少，哪个物体的能量增加．
知识点二| 热力学第一定律
[先填空]
1．改变物体内能的两种方式
做功和热传递．
2．物体内能的改变
(1)如果物体与外界无热传递，若外界对物体做功，则物体的内能增加；若物体对外做功，物体的内能减少．
(2)如果物体既不对外做功，外界也不对物体做功，则物体吸收热量时，它的内能增加；物体放出热量时，它的内能减少．
3．热力学第一定律
(1)内容：物体内能的增加量ΔU，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：ΔU＝W＋Q.
[再判断]
1．热量、功和内能三者单位相同，物理意义相同． (×)
2．热量和功由过程决定，而内能由物体状态决定． (√)
3．系统内能增加了100 J，可能是外界采用绝热方式对系统做功100 J，也可能是外界单纯地对系统传热 100 J． (√)
[后思考]
物体的内能不变，能否说明外界既没有对物体做功，也没有发生热传递？
【提示】 不能．可能是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)．
1．对ΔU＝W＋Q的理解
热力学第一定律将单纯的绝热过程和单纯的热传递过程推广到一般情况，既有做功又有热传递的过程，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．
2．对公式ΔU、Q、W符号的规定
符号
W
Q
ΔU
正号
外界对物体做功
物体吸收热量
内能增加
负号
物体对外界做功
物体放出热量
内能减少
3.应用热力学第一定律解题的一般步骤
(1)首先选定研究对象是哪个物体或哪个热力学系统．
(2)根据符号法则写出各已知量(W、Q、ΔU)的正、负．
(3)根据方程ΔU＝W＋Q求出未知量．
(4)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．
4.判断气体做功正、负的方法
(1)若气体体积增大，表明气体对外界做功，W<0.
(2)若气体体积变小，表明外界对气体做功，W>0.
5.几种常见的气体变化过程
(1)绝热过程：过程是绝热的，则Q＝0，W＝ΔU，外界对气体做的功等于气体内能的增加．
(2)等容过程：在该过程中气体不做功，即W＝0，则Q＝ΔU，气体吸收的热量等于气体内能的增加．
(3)等温过程：在过程的始末状态，气体的内能不变，即ΔU＝0，则W＋Q＝0或W＝－Q，表示气体吸收的热量全部用来对外做功或外界对气体所做的功全部转换为热量放出．
4．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
E．物体对外界做功，同时物体放热，内能增加
【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、E错误．
【答案】 ABD
5．一定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？做了多少焦耳的功？
(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？
【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．
【答案】 (1)外界对气体做功 1×105 J
(2)气体从外界吸热 7×105 J
气体状态变化与物理量对应方法
(1)绝热过程：气体与外界没有热传递．
(2)导热良好：气体与外界有热交换，且与外界温度保持相同．
(3)体积减小，外界对气体做功；体积增大(不是对真空膨胀)，气体对外界做功．
(4)温度升高，理想气体的内能增加；温度降低，理想气体的内能减少．
课件37张PPT。第四章 能量守恒与热力学定律1．能量守恒定律的发现
2．热力学第一定律
能量守恒定律产生消失转化转移总量转化能量守恒对外做功能量守恒失败√×√热力学第一定律做功热传递增加减少增加减少等于做的功W吸收的热量QW＋Q×√√点击右图进入…Thank you for watching !课时分层作业(十二)
(建议用时：45分钟)
[基础达标练]
1．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，下列说法中正确的是( )
A．物体对外界做功时W为负
B．物体吸收热量时，Q为正
C．内能减少时，ΔU为正
D．内能增加时，ΔU为正
E．W为正，Q为负时，ΔU一定为零
【解析】 根据公式ΔU＝W＋Q及W、Q、ΔU的符号法则得A、B、D正确．
【答案】 ABD
2．一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中正确的是( )
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
E．摩擦力对物体做负功
【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．由能量转化和守恒定律知，内能应增加，能的总量不变，B、D、E正确．
【答案】 BDE
3．景颇族祖先发明的点火器如图所示，用牛角做套筒，木制推杆前端粘着艾绒，猛推推杆，艾绒即可点燃，对筒内封闭的气体，在此压缩过程中( )
A．气体温度升高，压强不变
B．气体温度升高，压强变大
C．气体对外界做正功
D．外界对气体做正功
E．气体的内能增加
【解析】 压缩气体时，外界对气体做功，内能增加，温度升高，体积变小，压强增大，所以B、D、E正确．
【答案】 BDE
4．某物体温度升高了，这说明( )
A．该物体一定吸收了热量
B．该物体可能放出了热量
C．外界对物体可能做了功
D．物体可能吸收了热量
E．外界对物体一定做了功
【解析】 由ΔU＝Q＋W来分析，物体温度升高了，一定有物体的内能增加，ΔU>0，要满足ΔU>0可能有多种情况：①W>0，Q＝0；②W＝0，Q>0；③W>0，Q>0；④W>0，Q<0，W>|Q|；⑤W<0，Q>0，Q>|W|.由①否定选A；④与选项B一致，①③④与选项C一致；②③⑤与选项D一致，故选项B、C、D正确．
【答案】 BCD
5．一定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．密度增大
B．密度减小
C．温度降低
D．温度升高
E．内能增加
【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，C错，D、E对；气体对外做功，体积增大，密度减小，B对、A错．
【答案】 BDE
6．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能源源不断地对外做功的机器
B．第一类永动机不能制成的原因是违背了热力学第一定律
C．第一类永动机不能制成的原因是技术问题
D．第一类永动机终究有一天能够实现
E．第一类永动机不可能制成是因为违背了能量的转化和守恒定律
【解析】 第一类永动机是不消耗任何能量却能源源不断对外做功的机器，这是人们的美好愿望，但它违背了热力学第一定律．这也是它不能制成的原因．故A、B、E三项正确，C、D两项错误．
【答案】 ABE
7．密闭有空气的薄塑料瓶因降温而变扁，此过程中瓶内空气(不计分子势能)( )
A．内能增大
B．内能减小
C．对外界做功
D．外界对其做功
E．放出热量
【解析】 气体降温则内能减小，变扁则体积减小，外界对气体做功，由热力学第一定律ΔU＝Q＋W可知，气体一定放出热量．故选项B、D、E正确．
【答案】 BDE
8．水能是一种清洁能源．位于美国和加拿大交界处的尼亚加拉瀑布流速达每秒6 000 m3，而且是一年四季流量稳定，瀑布落差50 m．若利用这一资源发电，设其效率为50%，估算发电机的输出功率．
【解析】 每秒流下的水量m＝Vρ＝6 000×103 kg，
由能的转化和守恒知mgh×50%＝Pt.
式中m取6 000×103 kg，t取1 s，h＝50 m，
解得P＝1.5×109 W.
【答案】 1.5×109 W
[能力提升练]
9．如图所示，一定质量的理想气体从状态a经过等容过程a→b到达状态b，再经过等温过程b→c到达状态c，最后经等压过程c→a回到初态a.下列说法正确的是( )
A．在过程a→b中气体的内能增加
B．在过程c→a中外界对气体做功
C．在过程a→b中气体对外界做功
D．在过程b→c中气体从外界吸收热量
E．在过程c→a中气体从外界吸收热量
【解析】 在过程a→b中，体积不变，气体对外界不做功，压强增大，温度升高，内能增加，故选项A正确，C错误；在过程c→a中，气体的体积缩小，外界对气体做功，压强不变，温度降低，内能变小，气体向外界放出热量，故选项B正确，E错误；在过程b→c中，温度不变，内能不变，体积增大，气体对外界做功，由热力学第一定律可知，气体要从外界吸收热量，故选项D正确．
【答案】 ABD
10．如图所示，一绝热容器被隔板K隔开a、b两部分．已知a内有一定量的稀薄气体，b内为真空，抽开隔板K后，a内气体进入b，最终达到平衡状态．在此过程中( )
A．气体对外界做功
B．气体不做功
C．气体压强变小，温度降低
D．气体压强变小，温度不变
E．内能不变
【解析】 绝热容器内的稀薄气体与外界没有热交换，Q＝0.稀薄气体向真空中扩散没有做功，W＝0.根据热力学第一定律知稀薄气体的内能不变，则温度不变．稀薄气体体积增大，压强必减小．选项B、D、E正确．
【答案】 BDE
11．一定质量的气体，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？
【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.
【答案】 (1)增加了160 J (2)外界对气体做功80 J
12．如图所示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．问：
(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)
【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.
【答案】 (1)1.1×106 Pa (2)82 J
