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第3讲 热力学第一定律 能量守恒定律,目标定位 1.理解热力学第一定律，并掌握其表达式. 2.能运用热力学第一定律解释自然界能量的转化、转移问题. 3.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. 4.知道第一类永动机是不可能制成的.,预习导学 梳理识记点拨,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.数学表达式：U .,一、热力学第一定律,热量,功,QW,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 . 2.能量既不能凭空 ，也不能凭空 ，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，在转化和转移的过程中，能量的总量 . 3.能量守恒定律是自然界中最普遍、最重要的规律之一.,不变,产生,消失,保持不变,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. 2.第一类永动机由于违背了 ，所以不可能制成.,能量,能量守恒定律,课堂讲义 理解深化探究,一、热力学第一定律,1.对热力学第一定律的理解 (1)对UWQ的理解：做功和热传递都可以改变内能，如果系统跟外界同时发生做功和热传递的过程，那么外界对系统所做的功W加上物体从外界吸收的热量Q等于系统内能的增加U，即UQW.,(2)对U、Q、W符号的规定 功W：外界对系统做功，W0，即W为正值； 系统对外界做功，W0； 系统放热为负，Q0，即U为正值； 系统内能减少，U0，即U为负值.,2.判断是否做功的方法 一般情况下外界对系统做功与否，需看系统的体积是否变化. (1)若系统体积增大，表明系统对外界做功，W0.,例1 空气压缩机在一次压缩中，活塞对空气做了2105 J的功，同时空气的内能增加了1.5105 J，这一过程中空气向外界传递的热量是多少？,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UWQ. 由题意可知W2105 J，U1.5105 J，代入上式得 QUW1.5105 J2105 J5104 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5104 J.,答案 5104 J,借题发挥 应用热力学第一定律解题的一般步骤 (1)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UQW列出方程进行求解. (4)特别注意的是物理量的正负号及其物理意义.,针对训练 一定量的气体在某一过程中，外界对气体做了8104 J的功，气体的内能减少了1.2105 J，则下列各式中正确的是( ) A.W8104 J，U1.2105 J，Q4104 J B.W8104 J，U1.2105 J，Q2105 J C.W8104 J，U1.2105 J，Q2104 J D.W8104 J，U1.2105 J，Q4104 J,解析 因为外界对气体做功，W取正值，即W8104 J；内能减少，U取负值，即U1.2105 J；根据热力学第一定律UWQ，可知QUW1.2105 J8104 J2105 J，B选项正确. 答案 B,二、能量守恒定律,1.不同形式的能量之间可以相互转化 (1)各种运动形式都有对应的能，如机械运动对应机械能，分子热运动对应内能等. (2)不同形式的能量之间可以相互转化，如“摩擦生热”机械能转化为内能，“电炉取热”电能转化为内能等.,2.能量守恒定律及意义 各种不同形式的能之间相互转化或转移时能量的总量保持不变. 意义：一切物理过程都适用，比机械能守恒定律更普遍，是19世纪自然科学的三大发现之一.,3.第一类永动机是不可能制成的 (1)不消耗能量而能源源不断地对外做功的机器，叫第一类永动机.因为第一类永动机违背了能量守恒定律，所以无一例外地归于失败. (2)永动机给我们的启示 人类利用和改造自然时，必须遵循自然规律.,例2 如图1所示，直立容器内部被隔板隔开的A、B 两部分气体，A的密度小，B的密度大，加热气体， 并使两部分气体混合均匀，设此过程中气体吸热为Q， 气体内能的增量为U，则( ) A.UQ B.UQ D.无法比较,图1,解析 因A部分气体密度小，B部分气体密度大，以整体为研究对象，开始时，气体的重心在中线以下，混合均匀后，气体的重心应在中线上，所以有重力做负功，使气体的重力势能增大，由能量守恒定律可知，吸收的热量Q有一部分增加气体的重力势能，另一部分增加内能.故正确答案为B. 答案 B,三、气体实验定律和热力学第一定律的综合应用,气体实验定律和热力学第一定律的结合点是温度和体积.注意三种特殊过程的特点： 1.等温过程：内能不变，U0 2.等容过程：体积不变，W0 3.绝热过程：Q0,例3 如图2所示，倒悬的导热汽缸中封闭着一定质 量的理想气体，轻质活塞可无摩擦地上下移动，活 塞的横截面积为S，活塞的下面吊着一个重为G的物 体，大气压强恒为p0，起初环境的热力学温度为T0 时，活塞到汽缸底面的距离为L.当环境温度逐渐升高，导致活塞缓慢下降，该过程中活塞下降了0.1L，汽缸中的气体吸收的热量为Q.求：,图2,(1)汽缸内部气体内能的增量U；,密封气体对外做功WpS0.1L 由热力学第一定律UQW 得UQ0.1p0SL0.1LG,答案 Q0.1p0SL0.1LG,(2)最终的环境温度T.,解析 该过程是等压变化，由盖吕萨克定律有,解得T1.1T0,答案 1.1T0,对点练习 巩固应用反馈,热力学第一定律的理解和应用,1.一定量的气体从外界吸收了2.6105 J的热量，内能增加了4.2105 J. (1)是气体对外界做了功，还是外界对气体做了功？做了多少焦耳的功？,1,2,3,4,解析 根据UWQ得WUQ，将Q2.6105 J，U4.2105 J代入式中得：W1.6105 J0，说明外界对气体做了1.6105 J的功.,答案 见解析,(2)如果气体吸收的热量仍为2.6105 J不变，但是内能增加了1.6105 J，计算结果W1.0105 J，是负值，怎样解释这个结果？,1,2,3,4,解析 如果吸收的热量Q2.6105 J，内能增加了1.6105 J，即U1.6105 J，则W1.0105 J，说明气体对外界做功.,答案 见解析,(3)在热力学第一定律UWQ中，W、Q和U为正值、负值各代表什么物理意义？,1,2,3,4,解析 在公式UWQ中，U0，物体内能增加；U0，物体吸热；Q0，外界对物体做功；W0，物体对外界做功.,答案 见解析,2.关于内能的变化，以下说法正确的是( ) 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,1,2,3,4,解析 根据热力学第一定律UWQ，物体内能的变化与做功及热传递两个因素均有关，物体吸收热量，内能不一定增大，因为物体可能同时对外做功，故内能有可能不变或减少，A错； 物体对外做功，还有可能吸收热量，内能可能不变或增大，B错，C正确； 放出热量，同时对外做功，内能一定减少，D错误. 答案 C,1,2,3,4,能量守恒定律的理解和应用,3.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,1,2,3,4,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做的功，增加了内能.,1,2,3,4,答案 D,气体实验定律和热力学第一定律的结合,4.如图3所示，两个截面积都为S的圆柱形 容器，右边容器高为H，上端封闭，左边 容器上端是一个可以在容器内无摩擦滑动 的质量为M的活塞.两容器由装有阀门的极细管道相连，容器、活塞和细管都是绝热的.开始时阀门关闭，左边容器中装有理想气体，平衡时活塞到容器底的距离为H，右边容,1,2,3,4,图3,器内为真空.现将阀门缓慢打开，活塞便缓慢下降，直至系统达到新的平衡，此时理想气体的温度增加为原来的1.4倍，已知外界大气压强为p0，求此过程中气体内能的增加量.,1,2,3,4,解析 理想气体发生等压变化.设封闭气体压强为p，分析活塞受力有pSMgp0S 设气体初态温度为T，活塞下降的高度为x，系统达到新平衡，由盖吕萨克定律得,1,2,3,4,又因系统绝热，即Q0 外界对气体做功为WpSx 根据热力学第一定律UQW,1,2,3,4,
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