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第十章 热力学定律
第十章 热力学定律
做功
传热
等于
和
ΔU＝Q＋W
转化
转移
相互转化
对外做功
能量守恒
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第3节 热力学第一定律 能量守恒定律
1.理解热力学第一定律，掌握它的表达式并能进行有关计算． 2.理解能量守恒定律，会用能量守恒的观点分析、解决有关问题． 3.知道第一类永动机是不可能制成的．
一、热力学第一定律
1．改变内能的两种方式：做功和传热．
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．
1．(1)外界对系统做功，系统的内能一定增加. ( )
(2)系统内能增加，一定是系统从外界吸收热量．( )
(3)系统从外界吸收热量5 J，内能可能增加5 J．( )
(4)系统内能减少，一定是系统对外界做功．( )
提示：(1)× (2)× (3)√ (4)×
二、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．
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．(1)石子从空中落下，最后停止在地面上，说明机械能消失了．( )
(2)用太阳灶烧水是太阳能转化为内能．( )
提示：(1)× (2)√
三、永动机不可能制成
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．
第一类永动机不可能制成的原因：违背了能量守恒定律．
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，维持表针走动的能量是从哪儿来的？
提示：这不是永动机．是通过手臂的摆动获得能量．
热力学第一定律的理解和应用
1．对公式ΔU＝Q＋W中ΔU、Q、W符号的规定
符号 Q W ΔU
＋ 物体吸收热量 外界对物体做功 内能增加
－ 物体放出热量 物体对外界做功 内能减少
2.几种特殊情况
(1)若过程是绝热的，即Q＝0，则ΔU＝W，物体内能的增加量等于外界对物体做的功．
(2)若过程中不做功，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)若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.
命题视角1 用热力学第一定律定性分析
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．内能减小，外界对其做功
B．内能减小，吸收热量
C．内能增大，对外界做功
D．内能增大，放出热量
[解析] 密闭有空气的薄塑料瓶降温说明气体的内能减小，薄塑料瓶变扁说明外界对气体做功；由热力学第一定律可知，气体在变化过程中放出热量，所以选项A正确．
[答案] A
命题视角2 用热力学第一定律进行定量计算
如图所示是密闭的汽缸，外力推动活塞P压缩气体，对缸内气体做功500 J，同时气体向外界放热100 J，缸内气体的( )
A．温度升高，内能增加400 J
B．温度升高，内能减少400 J
C．温度降低，内能增加600 J
D．温度降低，内能减少600 J
[解析] 由热力学第一定律可得ΔU＝W＋Q＝500 J＋(－100 J)＝400 J，即缸内气体内能增加400 J，气体温度升高，故选项A对，B、C、D错．
[答案] A
应用热力学第一定律解决问题的关键
(1)要明确研究的对象是哪个物体或者说是哪个热力学系统．
(2)应用热力学第一定律计算时，要依照符号法则代入数据，对结果的正、负也同样依照符号法则来解释其意义．
命题视角3 热力学第一定律与气体实验定律的综合应用
如图所示，A、B两点表示一定质量的某种理想气体的两个状态，当气体从状态A变化到状态B时( )
A．气体内能一定增加
B．气体压强变大
C．气体对外界做功
D．气体对外界放热
[思路点拨] (1)一定质量理想气体的内能由温度决定．
(2)由pV＝C判断压强变化．
(3)根据体积变化判断做功情况．
(4)由热力学第一定律判断吸热还是放热．
[解析] 由题图可知，理想气体的变化为等温膨胀，气体压强减小，故气体的内能不变，气体对外做功；由热力学第一定律可知，气体一定从外界吸收热量．综上可知，C对，A、B、D错．
[答案] C
【通关练习】
1．下列说法正确的是( )
A．物体放出热量，其内能一定减小
B．物体对外做功，其内能一定减小
C．物体吸收热量，同时对外做功，其内能可能增加
D．物体放出热量，同时对外做功，其内能可能不变
解析：选C．根据热力学第一定律(公式ΔU＝Q＋W)可知，做功和热传递都可以改变物体的内能，当外界对物体做的功大于物体放出的热量或物体吸收的热量大于物体对外做的功时，物体的内能增加，选项A、B错误，选项C正确；物体放出热量同时对外做功，则Q＋W<0，内能减小，选项D错误．
2．如图，一定质量的理想气体，由状态a经过ab过程到达状态b或者经过ac过程到达状态c.设气体在状态b和状态c的温度分别为Tb和Tc，在过程ab和ac中吸收的热量分别为Qab和Qac，则( )
A．Tb>Tc，Qab>Qac B．Tb>Tc，QabC．Tb＝Tc，Qab>Qac D．Tb＝Tc，Qab解析：选C．由理想气体状态方程可知＝＝，即＝，得Tc＝Tb，则气体在b、c状态内能相等，因a到b和a到c的ΔU相同；而a到c过程中气体体积不变，W＝0，a到b过程中气体膨胀对外做功，W＜0，根据热力学第一定律：ΔU＝Q＋W可知a到b的吸热Qab大于a到c的吸热Qac，即Qab＞Qac.选项C正确．
3．(多选)一定量的理想气体从状态a开始，经历等温或等压过程ab、bc、cd、da回到原状态，其p－T图象如图所示，其中对角线ac的延长线过原点O.下列判断正确的是( )
A．气体在a、c两状态的体积相等
B．气体在状态a时的内能大于它在状态c时的内能
C．在过程cd中气体向外界放出的热量大于外界对气体做的功
D．在过程da中气体从外界吸收的热量小于气体对外界做的功
E．在过程bc中外界对气体做的功等于在过程da中气体对外界做的功
解析：选ABE.由＝k可知，p－T图象中过原点的一条倾斜的直线是等容线，A项正确；气体从状态c到状态d的过程温度不变，内能不变，从状态d到状态a的过程温度升高，内能增加，B项正确；由于过程cd中气体的内能不变，根据热力学第一定律可知，气体向外放出的热量等于外界对气体做的功，C项错误；在过程da中气体内能增加，气体从外界吸收的热量大于气体对外界做的功，D项错误；过程bc中，外界对气体做的功Wbc＝pb(Vb－Vc)＝pbVb－pcVc，过程da中气体对外界做的功Wda＝pd(Va－Vd)＝paVa－pdVd，由于pbVb＝paVa，pcVc＝pdVd，因此过程bc中外界对气体做的功与过程da中气体对外界做的功相等，E项正确．
能量守恒定律的理解和应用
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．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．第一类永动机失败的原因分析：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，就必须使系统不断回到初始状态，在无外界能量供给的情况下是不可能的．
如图所示，直立容器的内部有被隔板隔开的A、B两部分气体，A的密度小，B的密度大．抽去隔板，加热气体，使两部分气体均匀混合．设在此过程中气体吸热Q，气体内能的增量为ΔE，则( )
A．ΔE＝Q B．ΔEC．ΔE>Q D．ΔE＝0
[思路点拨] 先分析系统中哪些形式的能量发生变化，再由能量守恒定律判断．
[解析] 抽去隔板，加热气体，使两部分气体均匀分布，其重心升高，重力势能增加．由能量守恒定律知，增加的重力势能由内能转化而来，所以内能的增量小于吸收的热量，故选项B正确．
[答案] B
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，用能量守恒的观点求解．
如图所示，厚壁容器的一端通过胶塞插进一支灵敏温度计和一根气针，另一端有个用卡子卡住的可移动胶塞．用打气筒通过气针慢慢向容器内打气，使容器内的压强增大到一定程度，这时读出温度计示数．打开卡子，胶塞冲出容器口后( )
A．温度计示数变大，实验表明气体对外界做功，内能减少
B．温度计示数变大，实验表明外界对气体做功，内能增加
C．温度计示数变小，实验表明气体对外界做功，内能减少
D．温度计示数变小，实验表明外界对气体做功，内能增加
解析：选C.胶塞冲出容器口后，气体膨胀，对外做功，W<0，由于没时间进行热交换，由ΔU＝W可知内能减小．内能等于分子动能与势能之和，由于体积增大，势能增大，由此可知分子平均动能减小，所以温度降低，故C正确，A、B、D错误．
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