《（课改地区专用）2018-2019学年高考物理总复习 2.3 热力学第一定律 能量守恒定律学案》由会员分享，可在线阅读，更多相关《（课改地区专用）2018-2019学年高考物理总复习 2.3 热力学第一定律 能量守恒定律学案（17页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、2.3热力学第一定律能量守恒定律学习目标核心提炼1.理解热力学第一定律，并掌握其表达式。2个定律热力学第一定律和能量守恒定律1种机器第一类永动机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.改变内能的两种方法：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)数学表达式：UQW。思维拓展如图1所示，快速推动活塞对汽缸内气体做功10 J，气体内能改变了多少？若保持
2、气体体积不变，外界对汽缸传递10 J的热量，气体内能改变了多少？能否说明10 J的功等于10 J的热量？图1答案无论外界对气体做功10 J，还是外界给气体传递10 J的热量，气体内能都增加了10 J，说明做功和热传递在改变物体内能上是等效的。不能说10 J的功等于10 J的热量，因为功与热量具有本质区别。二、能量守恒定律永动机不可能制成1.能量守恒定律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.能量守恒定律的意义(1)各种形式的能可以相互转化。(2)各种物理现象可以用能量守恒定律联系在一起。3
3、.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。思考判断(1)系统从外界吸收热量5 J，内能可能增加5 J。()(2)用太阳灶烧水是太阳能转化为内能。()(3)能量既可以转移又可以转化，故能量的总量是可以变化的。()(4)违背能量守恒定律的过程是不可能发生的。()对热力学第一定律的理解要点归纳1.对公式UQW中U、Q、W符号的规定符号QWU物体吸收热量外界对物体做功内能增加物体放出热量物体对外界做功内能减少2.几种特殊情况(1)若过程是绝热的，即Q0，则UW，物体内能的增加量等于外界对物体做的功。(2
4、)若过程中不做功，即W0，则UQ，物体内能的增加量等于物体从外界吸收的热量。(3)若过程的始末状态物体的内能不变，即U0，则WQ(或QW)，外界对物体做的功等于物体放出的热量(或物体吸收的热量等于物体对外界做的功)。3.判断是否做功的方法一般情况下外界对物体做功与否，需看物体的体积是否变化。(1)若物体体积增大，表明物体对外界做功，W0。4.对热力学第一定律的进一步理解(1)热力学第一定律不仅反映了做功和传热这两种改变内能的方法是等效的，而且给出了内能的变化量与做功和传热之间的定量关系。此定律表达式是标量式，应用时各量的单位应统一为国际单位制中的焦耳。(2)热力学第一定律是将单纯的绝热过程和单
5、纯的传热过程中内能改变的定量表达推广到一般情况，既有做功又有传热的过程，其中U表示内能改变的数量，W表示做功的数量，Q表示外界与物体间传递的能量。精典示例例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热力学第一定律应用注意点(1)要明确研究的对象是哪个物体或者说是
6、哪个热力学系统。(2)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。针对训练1 (多选)如图2所示，水平放置的密封汽缸内的气体被一竖直隔板分隔为左右两部分，隔板可在汽缸内无摩擦滑动，右侧气体内有一电热丝。汽缸壁和隔板均绝热。初始时隔板静止，左右两边气体温度相等。现给电热丝提供一微弱电流，通电一段时间后切断电源。当缸内气体再次达到平衡时，与初始状态相比()图2A.右边气体温度升高，左边气体温度不变B.左右两边气体温度都升高C.左边气体压强增大D.右边气体内能的增加量等于电热丝放出的热量解析右边气体吸收热量后，温度升高，压强增大，隔板不再静止，向左
7、移动，右边气体对左边气体做功，由于隔板和汽缸均绝热，则左边气体的内能增加，温度升高，A错误；左边气体体积减小，温度升高，由C，可知压强增大，B、C均正确；右边气体对左边气体做了功，根据热力学第一定律UWQ，得右边气体内能的增加量小于电热丝放出的热量，D错误。答案BC对能量守恒定律的理解要点归纳1.能量的存在形式及相互转化(1)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，还有电磁能、化学能、原子能等。(2)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
8、对应的能是否守恒是有条件的例如，物体的机械能守恒，必须是只有重力或系统内的弹力做功；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.第一类永动机失败的原因分析：如果没有外界热源供给热量，则有U2U1W，就是说，如果系统内能减少，即U2U1，则W0，系统对外做功是要以内能减少为代价的。若想源源不断地做功，就必须使系统不断回到初始状态，在无外界能量供给的情况下是不可能的。精典示例例2 (多选)下列对能量守恒定律的认识正确的是()A.某种形式的能量减少，一定存在其他形式的能量增加B.某个物体的能量减少，必然有其他物体的能量增加C.不需要任何外界的动力而持续对外做功的机器第一类永动机
9、是不可能制成的D.石子从空中落下，最后停止在地面上，说明机械能消失了解析A选项是指不同形式的能量间的转化，转化过程中能量是守恒的；B选项是指能量在不同的物体间发生转移，转移过程中能量是守恒的，这正好是能量守恒定律的两个方面转化与转移。第一类永动机是不可能制成的，它违背了能量守恒定律。所以A、B、C正确；D选项中石子的机械能在变化，比如受空气阻力作用，机械能可能减少，但机械能并没有消失，能量守恒定律表明能量既不能创生，也不能消失，故D错误。答案ABC能量守恒定律的应用方法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，其次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
10、能量守恒观点求解。针对训练2 (多选)下面设想符合能量守恒定律的是()A.利用永久磁铁间的作用力，造一台永远转动的机械B.做一条船，利用流水的能量逆水行舟C.通过太阳照射飞机，即使飞机不带燃料也能飞行D.利用核动力，驾驶地球离开太阳系解析利用磁场能可以使磁铁所具有的磁场能转化为动能，但由于摩擦力的不可避免性，动能最终转化为内能使转动停止，故A错误；让船先静止在水中，设计一台水力发电机使船获得足够电能，然后把电能转化为船的动能使船逆水航行；同理可利用光能的可转化性和电能的可收集性，使光能转化为飞机的动能，实现飞机不带燃料也能飞行，故B、C正确；利用反冲理论，以核动力为能源，使地球获得足够大的能量
11、，挣脱太阳引力的束缚而离开太阳系，故D正确。答案BCD气体实验定律和热力学第一定律的综合应用要点归纳热力学第一定律与气体实验定律的结合量是气体的体积和温度，当温度变化时，气体的内能变化；当体积变化时，气体将伴随着做功，常见的分析思路如下：(1)利用体积的变化分析做功问题。气体体积增大，对外做功；气体体积减小，外界对气体做功。(2)利用温度的变化分析理想气体内能的变化。一定质量的理想气体的内能仅与温度有关，温度升高，内能增加；温度降低，内能减小。(3)利用热力学第一定律判断是吸热还是放热。由热力学第一定律UWQ，则QUW，若已知气体的做功情况和内能的变化情况，即可判断气体状态变化是吸热过程还是放
12、热过程。精典示例例3 如图3所示，体积为V、内壁光滑的圆柱形导热汽缸顶部有一质量和厚度均可忽略的活塞；汽缸内密封有温度为2.4T0、压强为1.2p0的理想气体。p0和T0分别为大气的压强和温度。已知气体内能U与温度T的关系为UaT，a为正的常量；容器内气体的所有变化过程都是缓慢的，求：图3(1)汽缸内气体与大气达到平衡时的体积V1；(2)在活塞下降过程中，汽缸内气体放出的热量Q。解析(1)在气体由压强p1.2p0下降到p0的过程中，气体体积不变，温度由T2.4T0变为T1，由查理定律得，解得T12T0。在气体温度由T1变为T0的过程中，体积由V减小到V1，气体压强不变，由盖吕萨克定律得，解得V
13、1V。也可以由理想气体状态方程即解得V1V(2)在活塞下降过程中，活塞对气体做功Wp0(VV1)在这一过程中，气体内能的减少量Ua(T1T0)由热力学第一定律得，汽缸内气体放出的热量QWU解得Qp0VaT0。答案(1)V(2)p0VaT0气体实验定律与热力学定律的综合问题的解题关键点1.分清气体的变化过程是求解问题的关键。2.理想气体体积变化对应着做功，等容过程W0；温度变化，内能一定变化，等温过程U0。3.绝热过程Q0。针对训练3 (多选)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
14、()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，气体吸热解析气体从状态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错误；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正确；气体从状态a到状态d是一个等压、升温的过程，内能增加，同时体积增大，所以气体要对外做功，所以要吸收热量，C正确；气体从状态b到状态a是一个等容变化过程，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正确。答案BCD1.(热力学第一定律的理解)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错误；物体对外做功，还有可能吸收热量，内能可能不变或增大，B错误，C正确；物体放出热量，同时对外做功，内能一定减少，D错误。答案C2.
