高中物理第十章热力学定律第3节热力学第一定律、能量守恒定律导学案新人教版选修3-31 5页

3　热力学第一定律　能量守恒定律内容要求热力学第一定律能够从能量守恒的观点理解热力学第一定律，能利用热力学第一定律分析计算有关问题。能量守恒定律理解能量守恒定律，知道能量守恒定律是自然界普遍遵从的基本规律，知道第一类永动机是不可能实现的。有一种全自动手表，既不需要上发条，也不用任何电池，却能不停地走下去，这是不是一种永动机？如果不是，你知道维持指针走动的能量是从哪里来的吗？你能设法验证吗？提示：全自动手表是通过一种机械装置把人体活动时的能量储存起来，连续地向外释放，所以它不是永动机。如果将这种手表长时间放在一个无振动的地方，不再有动能向弹性势能的积累，表就会停止走动。一、热力学第一定律1．改变内能的两种方式：____与______。(1)联系：两者在改变系统内能方面是____的。(2)区别：____是内能与其他形式能量的相互转化，而______只是不同物体(或一个物体的不同部分)之间内能的转移。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____与外界对它所做的____的和。(2)表达式：ΔU＝______。(3)W、Q、ΔU正负号的确定①W：外界对系统做功，W取____值；系统对外界做功，W取____值。②Q：系统从外界吸热，Q取____值；系统向外界放热，Q取____值。③ΔU：系统内能增加，ΔU取____值；系统内能减少，ΔU取____值。思考1：给旱区送水的消防车停于水平地面。在缓慢放水的过程中，若车胎不漏气且胎内气体温度不变，不计分子间的势能，试分析气体的吸放热情况。二、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____为另一种形式，或者从一个物体____到别的物体，在转化或转移的过程中，能量的____保持不变。2．意义(1)能量守恒定律告诉我们，各种形式的能量可以________。(2)各种互不相干的物理现象——力学的、热学的、电学的、磁学的、光学的、化学的、生物学的、地学的等可以用__________联系在一起。三、永动机不可能制成1．第一类永动机：人们设想中的不需要任何动力或燃料，却能不断________的机器。2．第一类永动机不可制成的原因：违背了________定律。思考2：不耗油的汽车能不能制成，为什么？不消耗能量的汽车呢？答案：一、1.做功　热传递　(1)等价　(2)做功　热传递2．(1)热量　功　(2)Q＋W　(3)①正　负　②正　负　③正　负思考1提示：由于车胎内气体温度不变，故气体分子的平均动能不变，内能不变。放水过程中气体体积增大，对外做功，由热力学第一定律可知，车胎内气体吸热。二、1.转化　转移　总量2．(1)相互转化　(2)能量守恒定律三、1.对外做功　2.能量守恒思考2提示：前者能制成而后者不能制成。这是因为可以用太阳能、电能等能源代替石油能源制造出太阳能汽车、电动汽车等，但是不消耗任何能量的汽车不可能制成，因为它违背了能量守恒定律。一、对热力学第一定律的理解1．热力学第一定律不仅反映了做功和热传递这两种改变内能过程是等效的，而且给出了内能的变化量和做功与热传递之间的定量关系。此定律是标量式，应用时热量的单位应统一为国际单位制中的焦耳。2．对表达式ΔU＝W＋Q中各量符号的规定做功W热量Q内能的改变ΔU取正值“＋”外界对系统做功系统从外界吸收热量系统的内能增加取负值“－”系统对外界做功系统向外界放出热量系统的内能减少3．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，即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)应用热力学第一定律时要明确研究的对象是哪个物体或者哪个热力学系统。(2)应用热力学第一定律计算时，要根据符号法则代入数据，对结果的正、负也同样依照规则来解释其意义。二、对能量守恒定律的理解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。2．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．能量守恒定律中的“转化”和“转移”(1)某种形式的能量减少，一定有其他形式的能量增加，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。(1)虽然功和能具有相同的单位，但两者是完全不同的两个概念，在能量守恒定律的表达式中，只存在能量，不存在功。(2)能量守恒定律是自然界中普遍遵循的一种规律，是无条件的，而机械能守恒定律是有条件的。类型一热力学第一定律的应用【例1】(2010·广东)如图是密闭的汽缸，外力推动活塞P压缩气体，对缸内理想气体做功800J，同时气体向外界放热200J。缸内气体的(　　)。A．温度升高，内能增加600JB．温度升高，内能减少200JC．温度降低，内能增加600JD．温度降低，内能增加200J点拨：熟练掌握热力学第一定律表达式中各物理量的符号是正确处理本题的关键。解析：由热力学第一定律：W＋Q＝ΔU得：ΔU＝800J＋(－200J)＝600J，一定质量的理想气体的内能大小只与温度有关，ΔU＝600J>0，故温度一定升高，A选项正确。答案：A题后反思：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。触类旁通：若使例题中的气体返回原来的状态，在此过程中放出了400J的热量，试分析是气体对外界做功，还是外界对气体做功？做了多少功？类型二对能量守恒定律的理解【例2】A、B两装置，均由一支一端封闭、一端开口且带有玻璃泡的管状容器和水银槽组成，除玻璃泡在管上的位置不同外，其他条件都相同。将两管抽成真空后，开口向下竖直插入水银槽中(插入过程没有空气进入管内)，水银柱上升至图示位置停止。假设这一过程水银与外界没有热交换，则下列说法中正确的是(　　)。 百度文库-让每个人平等地提升自我A．A中水银的内能增量大于B中水银的内能增量B．B中水银的内能增量大于A中水银的内能增量C．A和B中水银体积保持不变，故内能增量相同D．A和B中水银温度始终相同，故内能增量相同点拨：一个大气压支持的水银柱高是相同的，所以两管中水银等高。解析：大气压对水银槽内的水银做相同的功，因为玻璃管内吸进的水银一样多，所以水银槽内的液面下降相同的高度，A管重心高于B管，A管内水银重力势能大于B管的，根据能量的转化和守恒可知，A管内的内能增加得少，B管内的内能增加得多。答案：B题后反思：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，然后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。答案：触类旁通答案：气体对外界做功200J。1．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2．(2011·福建高考)一定量的理想气体在某一过程中，从外界吸收热量2.5×104J，气体对外界做功1.0×104J，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3．自由摆动的秋千摆动幅度越来越小，下列说法中正确的是(　　)。A．秋千的机械能守恒B．秋千的能量正在消失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4．下列关于第一类永动机的说法中正确的是(　　)。A．第一类永动机是不消耗任何能量却源源不断地对外做功的机械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．第一类永动机不能制成的原因是违背了能量守恒定律5(2011·南宁高二检测)爆米花酥脆可口、老少皆宜，是许多人喜爱的休闲零食。如图为高压爆米花的装置原理图，玉米在铁质的密闭容器内被加热，封闭气体被加热成高温高压气体，当打开容器盖后，“嘭”的一声，气体迅速膨胀，压强急剧减小，玉米粒就“爆炸”成了爆米花。设当地温度为t1＝27℃，大气压为p0，已知密闭容器打开前的气体压强达到4p0，取T＝t＋273K。试分析： (1)容器内的气体看做理想气体，求容器内气体的温度。(2)假定在一次打开的过程中，容器内气体膨胀对外界做功15kJ，并向外释放了20kJ的热量，容器内原有气体的内能如何变化？变化了多少？答案：1．ABD　当物体吸收的热量多于对外做的功时，物体的内能就增加，A项正确；当物体吸收的热量比对外做功的数值少时，物体的内能就减少，B项正确；外界对物体做功，同时物体吸热，则物体的内能必增加，C项错误；当物体放出的热量比外界对物体做功的数值少时，物体的内能增加，D项正确。2．D　由热力学第一定律ΔE＝W＋Q，Q＝2.5×104J，W＝－1.0×104J可知ΔE大于零，气体内能增加，温度升高，A、B项错误；气体对外做功，体积增大，密度减小，C项错误，D项正确。3．D　自由摆动的秋千摆动幅度减小，说明机械能在减少，减少的机械能克服阻力做功，增加了内能。4．AD　考查对第一类永动机的理解。5．解析：(1)根据查理定律：＝p1＝p0，T1＝300K，p2＝4p0整理得：T2＝1200K，t2＝927℃。(2)由热力学第一定律ΔU＝Q＋W得ΔU＝－20kJ－15kJ＝－35kJ故内能减少35kJ。答案：(1)927℃　(2)减少　35kJ