2019-2020年高中物理 第十章 热力学定律 第3讲 热力学第一定律 能量守恒定律学案 新人教版选修3-3.doc

2019-2020年高中物理 第十章 热力学定律 第3讲 热力学第一定律 能量守恒定律学案 新人教版选修3-3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一、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数学表达式：UQW.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不变2能量既不能凭空产生，也不能凭空消失，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，在转化和转移的过程中，能量的总量保持不变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能量的机器称为第一类永动机2第一类永动机由于违背了能量守恒定律，所以不可能制成一、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？答案5104 J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.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()AW8104 J，U1.2105 J，Q4104 JBW8104 J，U1.2105 J，Q2105 JCW8104 J，U1.2105 J，Q2104 JDW8104 J，U1.2105 J，Q4104 J答案B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()图1AUQ BUQ D无法比较答案B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.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，U02等容过程：体积不变，W03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；(2)最终的环境温度T.答案(1)Q0.1p0SL0.1LG(2)1.1T0解析(1)密封气体的压强pp0密封气体对外做功WpS0.1L由热力学第一定律UQW得UQ0.1p0SL0.1LG(2)该过程是等压变化，由盖吕萨克定律有解得T1.1T0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？(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？(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？答案见解析解析(1)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(2)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(3)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，U0，所以Q为负，即气体向外放热，故选项A错，C对正确答案为C.10如图4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，dc平行于纵坐标轴，ab的延长线过原点，以下说法正确的是()图4A从状态d到c，气体不吸热也不放热B从状态c到b，气体放热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BCD解析从状态d到c，温度不变，理想气体内能不变，但是由于压强减小，所以体积增大，对外做功，还要保持内能不变，一定要吸收热量，故A错；气体从状态c到状态b是一个降压、降温过程，同时体积减小，外界对气体做功，而气体的内能还要减小(降温)，就一定要伴随放热的过程，故B对；气体从状态a到状态d是一个等压、升温的过程，同时体积增大，所以气体要对外做功，C正确；气体从状态b到状态a是个等容变化过程，随压强的增大，气体的温度升高，内能增大，而在这个过程中气体的体积没有变化，就没有做功，气体内能的增大是因为气体吸热的结果，故D对题组四综合应用11如图5所示，一定质量的理想气体从状态A先后经过等压、等容和等温过程完成一个循环，A、B、C状态参量如图所示，气体在状态A的温度为27 ，求：图5(1)气体在状态B的温度TB；(2)气体从ABC状态变化过程中与外界交换的总热量Q.答案(1)600 K(或327)(2)2p0V0解析(1)A到B的过程是等压变化，有代入数据得TB600 K(或327 )(2)根据热力学第一定律有UQW其中W2p0V0解得Q2p0V0(吸热)12如图6所示，导热材料制成的截面积相等、长度均为45 cm的汽缸A、B通过带有阀门的管道连接初始时阀门关闭，厚度不计的光滑活塞C位于B内左侧，在A内充满压强pA2.8105 Pa的理想气体，B内充满压强pB1.4105 Pa的理想气体，忽略连接汽缸的管道体积，室温不变，现打开阀门，求：图6(1)平衡后活塞向右移动的距离和B中气体的压强；(2)自打开阀门到平衡，B内气体是吸热还是放热(简要说明理由)答案(1)15 cm2.1105 Pa(2)放热，理由见解析解析(1)活塞向右移动达到稳定后，对A气体，有pALSp(Lx)S对B气体，有pBLSp(Lx)S得x15 cmp2.1105 Pa(2)活塞C向右移动，对B中气体做功，而气体做等温变化，内能不变，由热力学第一定律可知B内气体放热13如图7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，现用竖直向下的外力F压缩气体，使封闭的空气柱长度为2 cm，人对活塞做功100 J，大气压强为p01105 Pa，不计活塞的重力问：图7(1)若用足够长的时间缓慢压缩，求压缩后气体的压强多大？(2)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S1 cm2)答案(1)1.1106 Pa(2)82 J解析(1)设压缩后气体的压强为p，活塞的横截面积为S，l022 cm，l2 cm，V0l0S，VlS，缓慢压缩，气体温度不变由玻意耳定律得p0V0pV解出p1.1106 Pa(2)大气压力对活塞做功W1p0S(l0l)2 J人做功W2100 J由热力学第一定律UW1W2QQ20 J解得U82 J