第十章 3
基础达标
1．某系统的初状态具有内能1
J，在外界对它做0.5
J的功后，它放出0.2
J的热量，系统在这个过程中内能的增量是( )
A．0.7
J
B．0.3
J
C．0.66
J
D．－0.34
J
【答案】B
解析：因W＝0.5
J，Q＝－0.2
J，由热力学第一定律ΔU＝W＋Q可知，ΔU＝0.3
J．
2．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
解析：自由摆动的秋千摆动幅度减小，说明机械能在减少，减少的机械能等于克服阻力、摩擦力做的功，增加了内能．
3．(多选)(2018双鸭山模拟)根据热力学第一定律，下列说法正确的是( )
A．电冰箱的工作过程表明，热量可以从低温物体向高温物体传递
B．空调机在制冷过程中，从室内吸收的热量少于向室外放出的热量
C．科技的进步可以使内燃机成为单一热源的热机
D．对能源的过度消耗将使自然界的能量不断减少，形成能源危机
【答案】AB
解析：热量可以从低温物体向高温物体传递，但要引起其他变化，A正确；空调机在制冷过程中，从室内吸收的热量少于向室外放出的热量，因为电能也部分转化为热能，B正确；不可能从单一热源吸热全部用来对外做功而不引起其他变化，C错误；对能源的过度消耗将形成能源危机，但自然界的总能量守恒，D错误；故选AB．
4．(多选)下列说法中正确的是( )
A．气体的温度升高时，并非所有分子的速率都增大
B．盛有气体的容器做减速运动时，容器中气体的内能随之减小
C．理想气体在等容变化过程中，气体对外不做功，气体的内能不变
D．一定质量的理想气体经等温压缩后，其压强一定增大
【答案】AD
解析：气体的温度升高，分子热运动的平均速率增大，并非所有分子的速率都增大，故A正确．气体的内能为所有分子的平均动能和势能之和，与机械运动无关，故B错误．由热力学第一定律ΔU＝W＋Q，当W＝0时不能确定ΔU＝0，故C错误．一定质量的理想气体经等温压缩后，由玻意耳定律知，气体压强一定增大，故D正确．
5．(多选)关于物体的内能，下列说法中正确的是( )
A．外界对物体做功，物体的内能不一定增加
B．不通过做功的过程，内能也可以从一个物体传递到另一个物体
C．不发生热传递，物体内能总保持不变
D．外力对物体做1
J的功，物体就一定增加1
J的内能
【答案】AB
解析：物体的内能改变的物理过程有两种：一个是做功；另一个是热传递．可以利用其中的一种过程来改变物体的内能，也可以通过两种过程共同来改变物体的内能．
6．(多选)关于物体的内能，下列说法中正确的是( )
A．相同质量的两种物体，升高相同的温度，内能增量一定相同
B．一定量0
℃的水结成0
℃的冰，内能一定减少
C．一定量气体克服外界压力膨胀，但不吸热也不放热，内能一定减少
D．一定量气体吸收热量而保持体积不变，内能可能减少
【答案】BC
解析：内能的改变不仅仅决定于温度的变化，还与物体的比热、质量、体积等因素有关．在无热传递的情况下，气体膨胀对外做功，内能一定减少．气体体积不变，即意味着气体不对外界做功，外界也不对气体做功，吸收热量，内能一定会增加．
能力提升
7．一定质量的理想气体，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＝W1－W2
C．W1＝W2
D．Q1＝Q2
【答案】A
解析：气体初、末状态相同，内能相同，由热力学第一定律知ΔW＋ΔQ＝0，即W2－W1＝Q1－Q2，故选项A正确．
8．(多选)(2018茂名模拟)4只充满理想气体的相同气球平放在木板上，气球上放一轻质塑料板．将一重物放在轻质塑料板中间位置(球内气体温度视为不变)，则球内气体( )
A．压强变大，体积变小
B．压强变小，体积变大
C．内能不变，从外界吸热
D．内能不变，对外界放热
【答案】AD
解析：将一重物放在轻质塑料板中间位置的过程中，球内气体压强增大，根据气体状态方程＝C得体积减小．体积减小，外界对气体做功，温度不变，则内能不变，根据势力学第一定律知气体放热．
9．(多选)如图所示，a、b、c、d表示一定质量的理想气体状态变化过程中的四个状态，图中ad平行于横坐标轴，ab的延长线过原点，dc平行于纵轴．以下说法正确的是( )
A．从状态d到c，气体不吸热也不放热
B．从状态c到b，气体吸热
C．从状态a到d，气体对外做功
D．从状态b到a，气体吸热
【答案】CD
解析：从状态d到c，温度不变，气压减小，根据理想气体状态方程＝C知体积增加，体积增加说明对外做功，温度不变说明内能不变，根据热力学第一定律公式ΔU＝W＋Q知气体吸收热量，故A错误；从状态c到b，由＝C及T减小知气体体积减小，外界对气体做功，温度降低，内能减小，根据热力学第一定律知气体放热，故B错误；从状态a到d，气压不变，温度升高，根据理想气体状态方程＝C，故体积增加，温度升高说明内能增加，体积增加说明对外做功，根据热力学第一定律公式ΔU＝W＋Q，故气体吸收热量，故C正确；从状态b到a，ab的延长线过原点，是等容变化，温度升高说明内能增加，体积不变说明气体不做功，根据热力学第一定律公式ΔU＝W＋Q，气体吸收热量，故D正确．
10．关于气体的内能，下列说法正确的是________．
A．质量和温度都相同的气体，内能一定相同
B．气体温度不变，整体运动速度越大，其内能越大
C．气体被压缩时，内能可能不变
D．一定量的某种理想气体的内能只与温度有关
E．一定量的某种理想气体在等压膨胀过程中，内能一定增加
【答案】CDE
解析：质量和温度都相同的气体，虽然分子平均动能相同，但是可能是不同的气体，则其摩尔质量不同，即分子个数不同，所以内能不一定相同，A错误；宏观运动和微观运动没有关系，所以宏观运动动能大，内能不一定大，B错误；根据＝C可知如果等温压缩，则内能不变，等压膨胀，温度升高，内能一定增大，C、E正确；理想气体的分子势能为零，所以理想气体的内能等于分子动能，而分子动能和温度有关，D正确．
11．(2019延安名校模拟)如图所示，在竖直放置的圆柱形容器内用质量为m的活塞密封一部分气体，活塞与容器壁间能无摩擦滑动，容器的横截面积为S.开始时气体的温度为T0，活塞与容器底的距离为h0.将整个装置放在大气压恒为p0的空气中后，当气体从外界吸收热量Q，活塞缓慢上升d后再次平衡．求：
(1)外界空气的温度是多少？
(2)在此过程中密闭气体的内能增加了多少？
【答案】(1)T0 (2)Q－(mg＋p0S)d
解析：(1)取密闭气体为研究对象，活塞上升过程为等压变化
由盖—吕萨克定律得＝
解得外界的空气温度为T＝T0．
(2)活塞上升的过程，密闭气体克服大气压力和活塞的重力做功，所以外界对气体做的功
W＝－(mg＋p0S)d
根据热力学第一定律得密闭气体增加的内能
ΔU＝Q＋W＝Q－(mg＋p0S)d．
12．(2019徐州名校模拟)如图所示，一圆柱形绝热汽缸竖直放置，通过绝热活塞封闭着一定质量的理想气体．活塞的质量为m，横截面积为S，与容器底部相距h，此时封闭气体的温度为T1.现通过电热丝缓慢加热气体，当气体吸收热量Q时，气体温度上升到T2.已知大气压强为p0，重力加速度为g，不计活塞与汽缸的摩擦，求：
(1)活塞上升的高度；
(2)加热过程中气体内能的增加量．
【答案】(1)h (3)Q－(p0S＋mg)h
解析：(1)设温度为T2时活塞与容器底部相距h2.因为气体做等压变化，由盖—吕萨克定律有
＝
活塞上升了Δh＝h2－h＝h．
(2)气体对外做功为
W＝pS·Δh＝·S·h
＝(p0S＋mg)h
由热力学第一定律可知
ΔU＝Q－W＝Q－(p0S＋mg)h．(共27张PPT)
3 热力学第一定律 能量守恒定律
我们知道做功和热传递是改变物体内能的两种方式．那么这两种方式同时作用于物体时，物体的内能如何变化呢？能量在转化和传递过程中又有什么规律可循呢？让我们来探究这方面的知识吧！
一、热力学第一定律
1．定律内容：一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的________与外界对它所做的____的和．
【答案】热量 功
2．数学表达式：ΔU＝________.
【答案】Q＋W
二、能量守恒定律
1．大量事实表明，各种形式的能量可以相互转化，并且在转化过程中总量保持________．
【答案】不变
2．能量既不能凭空_______，也不能凭空_______，它只能从一种形式_______成另一种形式，或者从一个物体_______到别的物体，在转化和转移的过程中其总量________．
【答案】产生 消失 转化 转移 保持不变
3．能量守恒定律是自然界中最普遍、最重要的规律之一．
三、永动机不可能制成
1．第一类永动机：人们把设想的不消耗________的机器称为第一类永动机．
【答案】能量
2．第一类永动机由于违背了________________，所以不可能制成．
【答案】能量守恒定律
1．对热力学第一定律的理解
对ΔU＝W＋Q的理解：热力学第一定律是对单纯的绝热过程和单纯的热传递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．
对热力学第一定律的理解和应用
2．对公式ΔU＝W＋Q符号的规定
(1)外界对系统做功，W＞0，即W为正值．
(2)系统对外界做功，W＜0，即W为负值．
(3)系统从外界吸收热量，Q＞0，即Q为正值．
(4)系统向外界放出热量，Q＜0，即Q为负值．
(5)系统内能增加，ΔU＞0，即ΔU为正值．
(6)系统内能减少，ΔU＜0，即ΔU为负值．
3．热力学第一定律的应用要注意的问题
(1)在应用过程中应特别注意W、Q的正负号，以便准确地判断ΔU的正、负．
(2)几种特殊情况
①若过程是绝热的，即Q＝0，则W＝ΔU，外界对物体做的功等于物体内能的增加．
②若过程中不做功，即W＝0，则Q＝ΔU，物体吸收的热量等于物体内能的增加．
③若过程的始末状态物体的内能不变，即ΔU＝0，则W＋Q＝0
或W＝－Q，外界对物体做的功等于物体放出的热量．
1．(2015重庆卷)某驾驶员发现中午时车胎内的气压高于清晨时的，且车胎体积增大．若这段时间胎内气体质量不变且可视为理想气体，那么( )
A．外界对胎内气体做功，气体内能减小
B．外界对胎内气体做功，气体内能增大
C．胎内气体对外界做功，内能减小
D．胎内气体对外界做功，内能增大
【答案】D
【解析】对车胎内的理想气体分析知，体积增大则气体对外做功，内能只有分子动能，而分子动能的标志为温度，故中午温度升高，内能增大，故选D．
1．能量的存在形式及相互转化
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，还有诸如电磁能、化学能、原子能等．
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．
如何理解能量转化与守恒定律
2．能量守恒的条件
与某种运动形式对应的能是否守恒是有条件的，例如，物体的机械能守恒，必须是只有重力做功；而能量守恒定律是没有条件的，它是一切自然界现象都遵守的基本规律．
3．能量守恒定律的重要意义
(1)找到了各种自然现象的公共量度——能量，从而把各种自然现象用定量规律联系起来，揭示了自然规律的多样性和统一性．
(2)突破了人们关于物质运动的机械观念的范围，从本质上表明了各种运动形式之间相互转化的可能性．能量守恒定律比机械能守恒定律更普遍，它是物理学中解决问题的重要思维方法．能量守恒定律与电子的发现、达尔文的进化论并称19世纪自然科学中三大发现，其重要意义由此可见．
(3)具有重大实践意义，即彻底粉碎了永动机的幻想．
4．第一类永动机失败的原因分析
如果没有外界热源供给热量，则有U2－U1＝W，就是说，如果系统内能减少，即U2温馨提示：层出不穷的永动机设计方案，由于违背了能量守恒定律，无一例外地宣布失败，人类制造永动机的企图是没有任何成功希望的．
2．汽车关闭发动机后，沿斜面匀速下滑的过程中( )
A．汽车的机械能守恒
B．汽车的动能和势能相互转化
C．汽车的机械能转化成内能，汽车的总能量减少
D．汽车的机械能逐渐转化为内能，汽车的总能量守恒
【答案】C
【解析】汽车能匀速下滑，一定受阻力作用，克服阻力做功，机械能转化为内能，一部分内能散发出去，汽车的总能量减少．
例1 空气压缩机在一次压缩中，活塞对空气做了2×105
J的功，同时空气的内能增加了1.5×105
J，这一过程中空气向外界传递的热量是多少？
热力学第一定律的理解和应用
解析：选择被压缩的空气为研究对象，根据热力学第一定律有ΔU＝W＋Q.
由题意可知W＝2×105
J，ΔU＝1.5×105
J，代入上式得：Q＝ΔU－W＝1.5×105
J－2×105
J＝－5×104
J.
负号表示空气向外释放热量，即空气向外界传递的热量为
5×104
J.
答案：5×104
J
反思领悟：应用热力学第一定律解题的一般步骤
(1)首先应明确研究对象是哪个物体或者是哪个热力学系统．
(2)分别列出物体或系统吸收或放出的热量；外界对物体或系统所做的功或物体或系统对外所做的功．
(3)根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W列出方程进行求解．
(4)特别应注意的就是物理量的正负号及其物理意义．
1．(2019凉州名校期末)一定质量的理想气体(分子力不计)，体积由V膨胀到V′.如果通过压强不变的过程实现，对外做功大小为W1，传递热量的值为Q1，内能变化为ΔU1；如果通过温度不变的过程来实现，对外做功大小为W2，传递热量的值为Q2，内能变化为ΔU2，则( )
A．W1>W2，Q1ΔU2
B．W1>W2，Q1>Q2，ΔU1>ΔU2
C．W1ΔU2
D．W1＝W2，Q1>Q2，ΔU1>ΔU2
【答案】B
例2 水能不产生污染物，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量可达每秒6
000
m3，而且一年四季流量稳定，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．(g取10
m/s2)
能量守恒定律的应用
解析：每秒流下的水的质量为m＝ρV＝1×103×6
000
kg＝6×106
kg
减少的机械能为E＝mgh＝6×106×10×50
J＝3×109
J
设发电机的输出功率为P，则由能量守恒定律可得Eη＝Pt
解得P＝3×109×50%
W＝1.5×109
W.
答案：1.5×109
W
反思领悟：有关能量守恒定律的问题，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．
2．如图所示，A、B是两个完全相同的铁球，A放在绝热板上，B用绝热绳悬挂，现只让它们吸收热量，当它们升高相同的温度时，它们所吸收的热量分别为QA、QB，则( )
A．QA＝QB
B．QAC．QA>QB
D．无法确定QA、QB的大小
【答案】C
【解析】由热胀冷缩可知，A、B两球体积增加，所以A球重心升高，克服重力做功，而B球重心降低，重力做正功，A、B两球升高相同的温度，内能的增加相同，即ΔU相同，由热力学第一定律可知：QA＝ΔU＋WA；QB＝ΔU－WB，故QA>QB．
