【物理】2018届一轮复习人教版13-11热力学第一定律学案 13页

专题13.11 热力学第一定律 课前预习 ● 自我检测 ‎1．关于物体内能的变化，以下说法中正确的是(　　)‎ A．物体吸收热量，内能一定增大 B．物体对外做功，内能一定减少 C．物体吸收热量，同时对外做功，内能可能不变 D．物体放出热量，同时对外做功，内能可能不变 ‎【答案】　C ‎2．一定质量的气体在某一过程中，外界对气体做了8×104 J的功，气体的内能减少了1.2×105 J，则根据热力学第一定律，下列各式中正确的是( )‎ A．W＝8×104 J，ΔU＝1.2×105 J，Q＝4×104 J B．W＝8×104 J，ΔU＝－1.2×105 J，Q＝－2×105 J C．W＝－8×104 J，ΔU＝1.2×105 J，Q＝2×104 J D．W＝－8×104 J，ΔU＝－1.2×105 J，Q＝－4×104 J ‎【答案】 B ‎【解析】　因为外界对气体做功，W取正值，即W＝8×104 J；内能减少，ΔU取负值，即ΔU＝－1.2×105 J；根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，可知Q＝ΔU－W＝－1.2×105 J－8×104 J＝－2×105 J，即B选项正确 ‎3．密闭有空气的薄塑料瓶因降温而变扁，此过程中瓶内空气(不计分子势能的变化)(　　)‎ A．内能增大，放出热量 B．内能减小，吸收热量 C．内能增大，对外界做功 D．内能减小，外界对其做功 ‎【答案】　D ‎【解析】　不计分子势能的变化时瓶内空气的内能只与其温度有关，温度降低时其内能减小．塑料瓶变扁时瓶内空气体积减小，外界对其做功．再由热力学第一定律知此过程中瓶内空气要放出热量，故只有选项D正确．‎ ‎4．一定质量的气体在保持压强恒等于1.0×105 Pa的状况下，体积从‎20 L膨胀到‎30 L，这一过程中气体从外界吸热4×103 J，则气体内能的变化为(　　)‎ A．增加了5×103 J B．减少了5×103 J C．增加了3×103 J D．减少了3×103 J ‎【答案】　C ‎5．如图所示为某种椅子与其升降部分的结构示意图，M，N两筒间密闭了一定质量的气体，M可沿N的内壁上下滑动．设筒内气体不与外界发生热交换，在M向下滑动的过程中 (　　)‎ A．外界对气体做功，气体内能增大 B．外界对气体做功，气体内能减小 C．气体对外界做功，气体内能增大 D．气体对外界做功，气体内能减小 ‎【答案】　A ‎【解析】　因为M，N内被封气体体积减小，所以外界对气体做功，又因气体与外界没有热交换即绝热过程，所以ΔU＝W，且ΔU>0，气体内能增加，A正确．‎ 课堂讲练 ● 典例分析 ‎【要点提炼】‎ 知识点一：热力学第一定律 ‎1．改变内能的两种方式 做功与热传递．两者在改变系统内能方面是等效的．‎ ‎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.‎ ‎3．热力学第一定律的几种典型应用 ‎(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量．‎ ‎(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量．‎ ‎(3)若过程中物体的始、末内能不变，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．‎ ‎【典例1】(1)空气压缩机在一次压缩过程中，活塞对汽缸中的气体做功为2.0×105 J，同时气体的内能增加了1.5×105 J．试问：此压缩过程中，气体__________(填“吸收”或“放出”)的热量等于________J.‎ ‎(2)若一定质量的理想气体分别按如图所示的三种不同过程变化，其中表示等压变化的是__________(填“A”、“B”或“C”)．该过程中气体的内能__________(填“增加”、“减少”或“不变”)． ‎ ‎【答案】　(1)放出　5×104　(2)C　增加 ‎【典例2】一定质量的气体从外界吸收了4.2×105 J的热量，同时气体对外做了6×105 J的功，问：‎ ‎(1)物体的内能是增加还是减少？变化量是多少？‎ ‎(2)分子势能是增加还是减少？‎ ‎(3)分子的平均动能是增加还是减少？‎ ‎【答案】　(1)减少　1.8×105 J　(2)增加　(3)减少 ‎【解析】　(1)气体从外界吸收的热量为Q＝4.2×105 J 气体对外做功W＝－6×105 J 由热力学第一定律ΔU＝W＋Q＝(－6×105 J)＋(4.2×105 J)＝－1.8×105 J ΔU为负，说明气体的内能减少了 所以，气体内能减少了1.8×105 J.‎ ‎(2)因为气体对外做功，所以气体的体积膨胀，分子间的距离增大了，分子力做负功，气体分子势能增加了．‎ ‎(3)因为气体内能减少，同时气体分子势能增加，所以气体分子的平均动能一定减少了．‎ ‎【总结反思】‎ 应用热力学第一定律解题的思路与步骤 ‎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．特别注意的就是物理量的正负号及其物理意义．‎ 知识点二：能量守恒定律及永动机不可能制成 ‎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．‎ ‎【典例3】．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 ‎【答案】　ABE ‎【典例4】．一定量的理想气体从状态a开始，经历三个过程ab、bc、ca回到原状态，其p T图象如图所示．下列判断正确的是(　　)‎ A．过程ab中气体一定吸热 B．过程bc中气体既不吸热也不放热 C．过程ca中外界对气体所做的功等于气体所放的热 D．a、b和c三个状态中，状态a分子的平均动能最小 E．b和c两个状态中，容器壁单位面积单位时间内受到气体分子撞击的次数不同 ‎【答案】　ADE ‎【总结反思】‎ 利用能量守恒定律解题的方法 在应用能量守恒定律处理问题时，首先要弄清系统有多少种能量相互转化，分析哪种形式的能量增加了，哪种形式的能量减少了；或者弄清哪个物体的能量增加，哪个物体的能量减少，增加量等于减少量．‎ 知识点三 功和内能 ‎(1)内能：任何一个热力学系统都必定存在一个只依赖于系统自身状态的物理量，这个物理量在两个状态间的差别与外界在绝热过程中对系统所做的功相联系．鉴于功是能量变化的量度，所以这个物理量必定是系统的一种能量，我们把它称为系统的内能．‎ ‎①在微观上由分子数、分子热运动的剧烈程度和相互作用力决定，宏观上体现为物体的温度和体积，因此物体的内能是一个状态量．‎ ‎②在系统不吸热也不放热的绝热过程中，状态发生的变化是由于做功造成的，伴随的能量转化是外界的能量与系统自身的能量发生了转化，系统自身的能量称为内能．‎ ‎③造成系统内能变化的量与做功方式无关，与做功的数量有关．‎ ‎④内能是状态量，由它的状态、温度、体积、质量决定．‎ ‎(2)功和内能：在绝热过程中，外界对系统做的功等于系统内能的增加量，即ΔU＝W.‎ ‎①做功与内能变化的关系：当系统从某一状态经过绝热过程达到另一状态时，内能的增加量ΔU就等于外界对系统所做的功W，用式子表示为：ΔU＝U2－U1＝W.‎ ‎②系统内能的改变量ΔU只与初、末状态的内能U1和U2有关，与做功的过程、方式无关．‎ ‎(3)功和内能的区别 ‎①功是过程量，内能是状态量．‎ ‎②在绝热过程中，做功一定能引起内能的变化．‎ ‎③物体的内能大，并不意味着做功多，在绝热过程中，只有变化较大时，对应着做功较多．‎ ‎【典例5】如图所示，柱形容器内封有一定质量的空气，质量为m的光滑活塞与容器都用良好的隔热材料制成．另有质量为M的物体从活塞上方的A点自由下落到活塞上，并随活塞一起到达最低点B而静止．在这一过程中，下述空气内能的改变量ΔU、外界对气体所做的功W与物体及活塞的重力势能的变化关系中不正确的是(　　)‎ A．Mgh＋mgΔh＝ΔU＋W B．ΔU＝W，W＝Mgh＋mgΔh C．ΔU＝W，WΔU ‎【答案】　ABD ‎【典例6】 如图所示，一定质量的理想气体密封在绝热(即与外界不发生热交换)容器中，容器内装有一可以活动的绝热活塞．今对活塞施以一竖直向下的压力F，使活塞缓慢向下移动一段距离后，气体的体积减小．若忽略活塞与容器壁间的摩擦，则被密封的气体的下列说法不正确的是(　　)‎ A．温度升高，压强增大，内能减少 B．温度降低，压强增大，内能减少 C．温度升高，压强增大，内能增加 D．温度降低，压强减小，内能增加 E．分子的平均动能增加，分子对器壁单位面积碰撞的冲力增大 ‎【答案】　ABD ‎【总结反思】‎ 分析绝热过程的方法 ‎1．在绝热的情况下，若外界对系统做正功，系统内能增加，ΔU为正值；若系统对外界做正功，系统内能减少，ΔU为负值．此过程做功的多少为内能转化多少的量度．‎ ‎2．在绝热过程中，内能和其他形式的能一样也是状态量，气体的初、末状态确定了，即在初、末状态的内能也相应地确定了，内能的变化ΔU也确定了．而功是能量转化的量度，所以ΔU＝W，即W为恒量，这也是判断绝热过程的一种方法．‎ 知识点四：热和内能 ‎1．热传递 ‎(1)条件：物体的温度不同．‎ ‎(2)定义：两个温度不同的物体相互接触时，温度高的物体要降温，温度低的物体要升温，‎ 热量从高温物体传到了低温物体．‎ ‎(3)热量从高温物体传递到低温物体，或从物体的高温部分传递到低温部分，叫做热传递．‎ ‎(4)热传递的三种方式：热传导、热对流和热辐射．‎ ‎(5)．热传递的实质 热传递实质上传递的是能量，结果是改变了系统的内能．传递能量的多少用热量来量度．‎ ‎(6)．传递的热量与内能改变的关系 ‎①在单纯热传递中，系统从外界吸收多少热量，系统的内能就增加多少．即Q吸＝ΔU.‎ ‎②在单纯热传递中，系统向外界放出多少热量，系统的内能就减少多少．即Q放＝－ΔU.‎ ‎(7)．热传递具有方向性 热量从高温物体传递到低温物体，或从物体的高温部分传递到低温部分，不会自发地从低温物体传递到高温物体或从物体的低温部分传递到高温部分．‎ ‎2．热和内能 ‎(1)热量：它是在单纯的传热过程中系统内能变化的量度．‎ ‎(2)表达式：ΔU＝Q.‎ ‎(3)热传递与做功在改变系统内能上的异同：①做功和热传递都能引起系统内能的改变．②做功时是内能与其他形式能的转化；热传递只是不同物体(或一个物体的不同部分)之间内能的转移．‎ ‎(4)．改变内能的两种方式的比较 比较项目 做功 热传递 内能变化 外界对物体做功，物体的内能增加；物体对外界做功，物体的内能减少 物体吸收热量，内能增加；物体放出热量，内能减少 物理实质 其他形式的能与内能之间的转化 不同物体间或同一物体不同部分之间内能的转移 相互联系 做一定量的功或传递一定量的热量在改变内能的效果上是相同的 ‎【典例7】．一铜块和一铁块，质量相等，铜块的温度T1比铁块的温度T2高，当它们接触在一起时，如果不和外界交换能量，则(　　)‎ A．从两者开始接触到热平衡的整个过程中，铜块内能的减少量等于铁块内能的增加量 B．在两者达到热平衡以前的任意一段时间内，铜块内能的减少量不等于铁块内能的增加量 C．在两者达到热平衡以前的任意一段时间内，铜块内能的减少量都等于铁块内能的增加量 D．达到热平衡时，铜块的温度比铁块的低 E．热平衡时，两者的温度相等 ‎【答案】　ACE ‎【典例8】．关于热量、功和内能的下列说法中正确的是(　　)‎ A．热量、功、内能三者的物理意义等同 B．热量、功都可以作为物体内能的量度 C．热量、功都可以作为物体内能变化的量度 D．热量、功、内能的单位相同 E．热量和功是由过程决定的，而内能是由物体状态决定的 ‎【答案】　CDE ‎【总结反思】‎ 热量和内能的理解要点 ‎1．热量的概念只有在涉及能量的传递时才有意义，因此不能说物体具有多少热量，只能说物体吸收或放出了多少热量．‎ ‎2．在系统与外界只发生热传递时，系统吸收多少热量，系统内能就增加多少；系统放出多少热量，系统内能就减少多少．‎ 课后巩固 ● 课时作业 ‎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，下列说法中不正确的是(　　)‎ A．外界对物体做功时W为正，吸热时Q为负，内能增加时ΔU为正 B．物体对外界做功时W为负，吸热时Q为正，内能增加时ΔU为负 C．物体对外界做功时W为负，吸热时Q为正，内能增加时ΔU为正 D．外界对物体做功时W为负，吸热时Q为负，内能增加时ΔU为负 E．外界对物体做功时W为正，吸热时Q为正，内能增加时ΔU为正 ‎【答案】　ABD ‎【解析】　根据公式ΔU＝W＋Q中的符号法则知选项C、E正确，故选A、B、D.‎ ‎2．如图所示，某同学将空的薄金属筒开口向下压入水中．设水温均匀且恒定，筒内空气无泄漏，不计气体分子间相互作用，则被淹没的金属筒在缓慢下降过程中，筒内空气体积减小，下列说法中正确的是(　　)‎ A．从外界吸热 B．向外界放热 C．分子势能不变 D．内能减小 E．内能不变 ‎【答案】　BCE ‎3．—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 ‎【答案】　BDE ‎【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．‎ ‎4．如图是密闭的汽缸，外力推动活塞P压缩气体，对汽缸内气体做功800 J，同时气体向外界放热200 J，汽缸内气体的下列说法不正确的是(　　)‎ A．温度升高，内能增加600 J B．温度升高，内能减少200 J C．温度降低，内能增加 600 J D．温度降低，内能减少200 J E．气体分子对器壁的压强增大 ‎【答案】　BCD ‎5．一定质量的气体，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？‎ ‎【答案】　(1)增加了160 J　(2)外界对气体做功80 J ‎【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.‎ ‎6．关于一定量的气体，下列叙述不正确的是(　　)‎ A．气体吸收的热量可以完全转化为功 B．气体体积增大时，其内能一定减小 C．气体从外界吸收热量，其内能一定增加 D．外界对气体做功，气体的内能一定增加 E．外界对气体做功，气体内能可能减少 ‎【答案】　BCD ‎【解析】　如果气体等温膨胀，则气体的内能不变，吸收的热量全部用来对外做功，A正确；当气体体积增大时，对外做功，若同时吸收热量．且吸收的热量大于或等于对外做功的数值时，内能不会减少，所以B错误；若气体吸收热量同时对外做功，其内能也不一定增加，C错误；若外界对气体做功的同时气体向外放出热量，且放出的热量多于外界对气体所做的功，则气体内能不但未增加反而减少，所以D错误，E正确，故选B、C、D. ‎ ‎7. 如图所示，绝热的容器内密闭一定质量的气体(不考虑分子间的作用力)，用电阻丝缓慢对其加热时，绝热活塞无摩擦地上升，下列说法正确的是(　　)‎ A．单位时间内气体分子对活塞碰撞的次数减少 B．电流对气体做功，气体对外做功，气体内能可能减少 C．电流对气体做功，气体对外做功，其内能一定增加 D．电流对气体做的功一定大于气体对外做功 E．电流对气体做的功一定等于气体对外做的功 ‎【答案】　ACD ‎8. 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？‎ 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) ‎ ‎【答案】　(1)1.1×106 Pa　(2)82 J ‎(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：‎ ΔU＝W1＋W2＋Q，将Q＝－20 J代入解得ΔU＝82 J.‎