（課改地區(qū)專用）2018-2019學年高考物理總復習 2.3 熱力學第一定律 能量守恒定律學案.doc

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2.3　熱力學第一定律　能量守恒定律 學習目標 核心提煉 1.理解熱力學第一定律，并掌握其表達式。 2個定律——熱力學第一定律和能量守恒定律 1種機器——第一類永動機 2.能運用熱力學第一定律解釋自然界能量的轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)移問題。 3.理解能量守恒定律，知道能量守恒定律是自然界普遍遵從的基本規(guī)律。 4.知道第一類永動機是不可能制成的。 一、熱力學第一定律 1.改變內(nèi)能的兩種方法：做功與熱傳遞。兩者在改變系統(tǒng)內(nèi)能方面是等效的。 2.熱力學第一定律 (1)內(nèi)容：一個熱力學系統(tǒng)的內(nèi)能增量等于外界向它傳遞的熱量與外界對它所做的功的和。 (2)數(shù)學表達式：ΔU＝Q＋W。 思維拓展 如圖1所示，快速推動活塞對汽缸內(nèi)氣體做功10 J，氣體內(nèi)能改變了多少？若保持氣體體積不變，外界對汽缸傳遞10 J的熱量，氣體內(nèi)能改變了多少？能否說明10 J的功等于10 J的熱量？ 圖1 答案　無論外界對氣體做功10 J，還是外界給氣體傳遞10 J的熱量，氣體內(nèi)能都增加了10 J，說明做功和熱傳遞在改變物體內(nèi)能上是等效的。不能說10 J的功等于10 J的熱量，因為功與熱量具有本質(zhì)區(qū)別。 二、能量守恒定律　永動機不可能制成 1.能量守恒定律 能量既不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或者從一個物體轉(zhuǎn)移到別的物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中，能量的總量保持不變。 2.能量守恒定律的意義 (1)各種形式的能可以相互轉(zhuǎn)化。 (2)各種物理現(xiàn)象可以用能量守恒定律聯(lián)系在一起。 3.永動機不可能制成 (1)第一類永動機：人們把設想的不消耗能量的機器稱為第一類永動機。 (2)第一類永動機由于違背了能量守恒定律，所以不可能制成。 思考判斷 (1)系統(tǒng)從外界吸收熱量5 J，內(nèi)能可能增加5 J。(√) (2)用太陽灶燒水是太陽能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。(√) (3)能量既可以轉(zhuǎn)移又可以轉(zhuǎn)化，故能量的總量是可以變化的。() (4)違背能量守恒定律的過程是不可能發(fā)生的。(√) 　對熱力學第一定律的理解 [要點歸納]　 1.對公式ΔU＝Q＋W中ΔU、Q、W符號的規(guī)定 符號 Q W ΔU ＋ 物體吸收熱量 外界對物體做功 內(nèi)能增加 － 物體放出熱量 物體對外界做功 內(nèi)能減少 2.幾種特殊情況 (1)若過程是絕熱的，即Q＝0，則ΔU＝W，物體內(nèi)能的增加量等于外界對物體做的功。 (2)若過程中不做功，即W＝0，則ΔU＝Q，物體內(nèi)能的增加量等于物體從外界吸收的熱量。 (3)若過程的始末狀態(tài)物體的內(nèi)能不變，即ΔU＝0，則W＝－Q(或Q＝－W)，外界對物體做的功等于物體放出的熱量(或物體吸收的熱量等于物體對外界做的功)。 3.判斷是否做功的方法 一般情況下外界對物體做功與否，需看物體的體積是否變化。 (1)若物體體積增大，表明物體對外界做功，W<0。 (2)若物體體積減小，表明外界對物體做功，W>0。 4.對熱力學第一定律的進一步理解 (1)熱力學第一定律不僅反映了做功和傳熱這兩種改變內(nèi)能的方法是等效的，而且給出了內(nèi)能的變化量與做功和傳熱之間的定量關(guān)系。此定律表達式是標量式，應用時各量的單位應統(tǒng)一為國際單位制中的焦耳。 (2)熱力學第一定律是將單純的絕熱過程和單純的傳熱過程中內(nèi)能改變的定量表達推廣到一般情況，既有做功又有傳熱的過程，其中ΔU表示內(nèi)能改變的數(shù)量，W表示做功的數(shù)量，Q表示外界與物體間傳遞的能量。 [精典示例] [例1] 空氣壓縮機在一次壓縮中，活塞對空氣做了2105 J的功，同時空氣的內(nèi)能增加了1.5105 J，這一過程中空氣向外界傳遞的熱量是多少？ 解析　選擇被壓縮的空氣為研究對象，根據(jù)熱力學第一定律有ΔU＝W＋Q。 由題意可知W＝2105 J，ΔU＝1.5105 J，代入上式得 Q＝ΔU－W＝1.5105 J－2105 J＝－5104 J。 負號表示空氣向外釋放熱量，即空氣向外界傳遞的熱量為5104 J。 答案　5104 J 熱力學第一定律應用注意點 (1)要明確研究的對象是哪個物體或者說是哪個熱力學系統(tǒng)。 (2)應用熱力學第一定律計算時，要依照符號法則代入數(shù)據(jù)。對結(jié)果的正、負也同樣依照符號法則來解釋其意義。 [針對訓練1] (多選)如圖2所示，水平放置的密封汽缸內(nèi)的氣體被一豎直隔板分隔為左右兩部分，隔板可在汽缸內(nèi)無摩擦滑動，右側(cè)氣體內(nèi)有一電熱絲。汽缸壁和隔板均絕熱。初始時隔板靜止，左右兩邊氣體溫度相等?，F(xiàn)給電熱絲提供一微弱電流，通電一段時間后切斷電源。當缸內(nèi)氣體再次達到平衡時，與初始狀態(tài)相比(　　) 圖2 A.右邊氣體溫度升高，左邊氣體溫度不變 B.左右兩邊氣體溫度都升高 C.左邊氣體壓強增大 D.右邊氣體內(nèi)能的增加量等于電熱絲放出的熱量 解析　右邊氣體吸收熱量后，溫度升高，壓強增大，隔板不再靜止，向左移動，右邊氣體對左邊氣體做功，由于隔板和汽缸均絕熱，則左邊氣體的內(nèi)能增加，溫度升高，A錯誤；左邊氣體體積減小，溫度升高，由＝C，可知壓強增大，B、C均正確；右邊氣體對左邊氣體做了功，根據(jù)熱力學第一定律ΔU＝W＋Q，得右邊氣體內(nèi)能的增加量小于電熱絲放出的熱量，D錯誤。 答案　BC 　對能量守恒定律的理解 [要點歸納]　 1.能量的存在形式及相互轉(zhuǎn)化 (1)各種運動形式都有對應的能：機械運動有機械能，分子的熱運動有內(nèi)能，還有電磁能、化學能、原子能等。 (2)各種形式的能，通過某種力做功可以相互轉(zhuǎn)化。例如，利用電爐取暖或燒水，電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；煤燃燒，化學能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；列車剎車后，輪子溫度升高，機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。 2.與某種運動形式對應的能是否守恒是有條件的 例如，物體的機械能守恒，必須是只有重力或系統(tǒng)內(nèi)的彈力做功；而能量守恒定律是沒有條件的，它是一切自然現(xiàn)象都遵守的基本規(guī)律。 3.第一類永動機失敗的原因分析：如果沒有外界熱源供給熱量，則有U2－U1＝W，就是說，如果系統(tǒng)內(nèi)能減少，即U20，要滿足ΔU>0，可能有各種情況：①W>0，Q＝0；②W＝0，Q>0；③W>0，Q>0；④W>0，Q<0，W>|Q|；⑤W<0，Q>0，Q>|W|。 答案　BCD 2.(多選)如圖1所示，用絕熱活塞把絕熱容器隔成容積相同的兩部分，先把活塞鎖住，將質(zhì)量和溫度都相同的理想氣體氫氣和氧氣分別充入容器的兩部分，然后提起銷子，使活塞可以無摩擦地滑動，當活塞平衡時(　　) 圖1 A.氫氣的溫度不變 B.氫氣的壓強減小 C.氫氣的體積增大 D.氧氣的溫度升高 解析　氫氣和氧氣的質(zhì)量雖然相同，但由于氫氣的摩爾質(zhì)量小，故氫氣物質(zhì)的量多，又因為初始狀態(tài)下氫氣和氧氣體積和溫度相同，所以氫氣產(chǎn)生的壓強大，當拔掉銷子后，活塞將向氧氣一方移動，這時氫氣對外做功，又無熱傳遞，由ΔU＝W＋Q可知，氫氣內(nèi)能減少，溫度降低，對氧氣而言，外界對它做功，體積減小，由ΔU＝W＋Q，無熱傳遞的情況下，氧氣內(nèi)能增加，溫度升高，壓強增大。 答案　BCD 3.自由擺動的秋千擺動幅度越來越小，下列說法正確的是(　　) A.機械能守恒 B.能量正在消失 C.只有動能和重力勢能的相互轉(zhuǎn)化 D.減少的機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，但總能量守恒 解析　自由擺動的秋千擺動幅度減小，說明機械能在減少，減少的機械能等于克服阻力做的功，增加了內(nèi)能。 答案　D 4.下列說法正確的是(　　) A.隨著科技的發(fā)展，永動機是可以制成的 B.太陽照射到地球上的光能轉(zhuǎn)化成了其他形式的能量，但照射到宇宙空間的能量都消失了 C.“既要馬兒跑，又要馬兒不吃草”違背了能量轉(zhuǎn)化和守恒定律，因而是不可能的 D.有種“全自動”手表，不用上發(fā)條，也不用任何形式的電源，卻能一直走動，說明能量可以憑空產(chǎn)生 解析　永動機是指不消耗或少消耗能量，而可以大量對外做功的裝置，歷史上曾出現(xiàn)過各式各樣的所謂永動機的發(fā)明，結(jié)果都以失敗告終，原因就是違背了能量轉(zhuǎn)化和守恒定律，即使以后科技再發(fā)達，也要受自然規(guī)律的制約，所以永動機是永遠不可能制成的，A錯誤；太陽輻射大量的能量，地球只吸收了極小的一部分，就形成了風云雨雪，使萬物生長，但輻射到星際空間的能量也沒有消失，而是轉(zhuǎn)化成了別的能量，B錯誤；馬和其他動物都要運動，必須消耗能量，動物的能量來源于食物中儲存的化學能，C正確；所謂“全自動”手表內(nèi)部還是有能量轉(zhuǎn)化裝置的，一般是一個擺錘，當人戴著手表活動時，使擺錘不停擺動，給游絲彈簧補充能量，才會維持手表的走動，如果把這種表放在桌面上靜置兩天，它一定會停擺的，D錯誤。 答案　C 5.(多選)下列過程可能發(fā)生的是(　　) A.物體吸收熱量，對外做功，同時內(nèi)能增加 B.物體吸收熱量，對外做功，同時內(nèi)能減少 C.外界對物體做功，同時物體吸熱，內(nèi)能減少 D.外界對物體做功，同時物體放熱，內(nèi)能增加 解析　當物體吸收的熱量多于對外做的功時，物體的內(nèi)能就增加，A正確；當物體吸收的熱量少于對外做的功時，物體的內(nèi)能就減少，B正確；外界對物體做功，同時物體吸熱，則物體的內(nèi)能必增加，C錯誤；當物體放出的熱量少于外界對物體做的功時，物體的內(nèi)能增加，D正確。 答案　ABD 6.如圖2所示是密閉的汽缸，外力推動活塞P壓縮氣體，對缸內(nèi)氣體做功800 J，同時氣體向外界放熱200 J，缸內(nèi)氣體的(　　) 圖2 A.溫度升高，內(nèi)能增加600 J B.溫度升高，內(nèi)能減少200 J C.溫度降低，內(nèi)能增加600 J D.溫度降低，內(nèi)能減少200 J 解析　對一定質(zhì)量的氣體，由熱力學第一定律ΔU＝W＋Q可知，ΔU＝800 J＋ (－200 J)＝600 J，ΔU為正表示內(nèi)能增加了600 J，對氣體來說，分子間距較大，分子勢能為零，內(nèi)能等于所有分子動能的和，內(nèi)能增加，氣體分子的平均動能增加，溫度升高，選項A正確。 答案　A 7.如圖3所示為沖擊擺實驗裝置，一飛行子彈射入沙箱后與沙箱合為一體，共同擺起一定的高度，則下面有關(guān)能量的轉(zhuǎn)化的說法中正確的是(　　) 圖3 A.子彈的動能轉(zhuǎn)變成沙箱和子彈的內(nèi)能 B.子彈的動能轉(zhuǎn)變成了沙箱和子彈的勢能 C.子彈的動能轉(zhuǎn)變成了沙箱和子彈的動能 D.子彈的動能一部分轉(zhuǎn)變成沙箱和子彈的內(nèi)能，另一部分轉(zhuǎn)變成沙箱和子彈的勢能 解析　子彈在射入沙箱瞬間，要克服摩擦阻力做功，一部分動能轉(zhuǎn)變成沙箱和子彈的內(nèi)能，另一部分動能轉(zhuǎn)變成沙箱和子彈的勢能。 答案　D 8.(多選)一定量的理想氣體從狀態(tài)a開始，經(jīng)歷三個過程ab、bc、ca回到原狀態(tài)，其p－T圖象如圖4所示。下列判斷正確的是(　　) 圖4 A.過程ab中氣體一定吸熱 B.過程bc中氣體既不吸熱也不放熱 C.過程ca中外界對氣體所做的功等于氣體所放的熱 D.a、b和c三個狀態(tài)中，狀態(tài)a分子的平均動能最小 解析　ab過程為等容變化，W＝0，溫度升高，內(nèi)能增大，ΔU>0，由熱力學第一定律ΔU＝W＋Q知Q>0，吸熱，A正確；bc過程為等溫變化，ΔU＝0，體積增大對外做功，W<0，由ΔU＝W＋Q得Q>0，吸熱，B錯誤；ca過程溫度降低，內(nèi)能減小，ΔU<0，體積減小，外界對氣體做功，W>0。由熱力學第一定律ΔU＝W＋Q得Q<0，且|Q|>W，C錯誤；溫度為分子平均動能的唯一標志，TaQ D.無法確定 解析　A、B兩部分氣體開始的合重心在中線以下，混合均勻后，合重心在中線上，所以系統(tǒng)的重力勢能增大，根據(jù)能量守恒定律可得，吸收的熱量應等于增加的重力勢能與增加的內(nèi)能之和，即Q＝ΔEp＋ΔU，顯然Q>ΔU。 答案　B 10.如圖6所示，一演示用的“永動機”轉(zhuǎn)輪由5根輕桿和轉(zhuǎn)軸構(gòu)成，輕桿的末端裝有形狀記憶合金制成的葉片，輕推轉(zhuǎn)輪后，進入熱水的葉片因伸展而“劃水”，推動轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動。離開熱水后，葉片形狀迅速恢復，轉(zhuǎn)輪因此能較長時間轉(zhuǎn)動。下列說法正確的是(　　) 圖6 A.轉(zhuǎn)輪依靠自身慣性轉(zhuǎn)動，不需要消耗外界能量 B.轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動所需能量來自形狀記憶合金自身 C.轉(zhuǎn)動的葉片不斷攪動熱水，水溫升高 D.葉片在熱水中吸收的熱量一定大于在空氣中釋放的熱量 解析　形狀記憶合金從熱水中吸收熱量后，一部分能量在伸展劃水時轉(zhuǎn)化為水和轉(zhuǎn)輪的動能，另一部分釋放到空氣中，根據(jù)能量守恒定律可知只有D項正確。 答案　D 11.如圖7所示，兩個截面積都為S的圓柱形容器，右邊容器高為H，上端封閉，左邊容器上端是一個可以在容器內(nèi)無摩擦滑動的質(zhì)量為M的活塞。兩容器由裝有閥門的極細管道相連，容器、活塞和細管都是絕熱的。開始時閥門關(guān)閉，左邊容器中裝有理想氣體，平衡時活塞到容器底的距離為H，右邊容器內(nèi)為真空?，F(xiàn)將閥門緩慢打開，活塞便緩慢下降，直至系統(tǒng)達到新的平衡，此時理想氣體的溫度增加為原來的1.4倍，已知外界大氣壓強為p0，求此過程中氣體內(nèi)能的增加量。 圖7 解析　理想氣體發(fā)生等壓變化。設封閉氣體壓強為p，分析活塞受力有pS＝Mg＋p0S 設氣體初態(tài)溫度為T，活塞下降的高度為x，系統(tǒng)達到的新平衡，由蓋—呂薩克定律得＝ 解得x＝H 又因系統(tǒng)絕熱，即Q＝0 外界對氣體做功為W＝pSx 根據(jù)熱力學第一定律ΔU＝Q＋W 所以ΔU＝(Mg＋p0S)H 答案　(Mg＋p0S)H 12.如圖8所示，在A→B和D→A的過程中，氣體放出的熱量分別為4 J和20 J。在B→C和C→D的過程中，氣體吸收的熱量分別為20 J和12 J。求氣體完成一次循環(huán)對外界所做的功。 圖8 解析　完成循環(huán)氣體內(nèi)能不變，即ΔU＝0，吸收的熱量Q＝(20＋12－4－20)J＝8 J，由熱力學第一定律ΔU＝Q＋W得W＝－8 J，即氣體對外做功為8 J。 答案　8 J 13.如圖9所示，橫截面積S＝10 cm2的活塞，將一定質(zhì)量的理想氣體封閉在豎直放置的圓柱形導熱汽缸內(nèi)，開始活塞與汽缸底部距離H＝30 cm。在活塞上放一重物，待整個系統(tǒng)穩(wěn)定后。測得活塞與汽缸底部距離變?yōu)閔＝25 cm。已知外界大氣壓強始終為p0＝1105Pa，不計活塞質(zhì)量及其與汽缸之間的摩擦，取g＝10 m/s2。求： 圖9 (1)所放重物的質(zhì)量； (2)在此過程中被封閉氣體與外界交換的熱量。 解析　(1)封閉氣體發(fā)生等溫變化 氣體初狀態(tài)的壓強為p1＝1105pa① 氣體末狀態(tài)的壓強為p2＝p0＋② 根據(jù)玻意耳定律得p1HS＝p2hS③ 聯(lián)立①②③式解得m＝2 kg (2)外界對氣體做功W＝(p0S＋mg)(H－h(huán))④ 根據(jù)熱力學第一定律知ΔU＝Q＋W＝0⑤ 聯(lián)立④⑤式解得Q＝－6 J，即放出6 J熱量。 答案　(1)2 kg　(2)放出6 J熱量