1、12.3 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.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。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： U Q W。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
2、体内能改变了多少？若保持气体体积不变，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，或者从一2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
3、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.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 U Q W 中 U、 Q、 W 符号的规定符号 Q W U 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
4、少2.几种特殊情况(1)若过程是绝热的，即 Q0，则 U W，物体内能的增加量等于外界对物体做的功。(2)若过程中不做功，即 W0，则 U Q，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 W Q(或 Q W)，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。34.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
5、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 U W Q。由题意可知 W210 5 J， U1.510 5 J，代入上式得Q U W1.510 5 J210
6、 5 J510 4 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 510 4 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
7、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4C.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pVT气体做了功，根据热力学第一定律 U W Q，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
8、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 U2 U1 W，就是说，如果系统内能减少，即 U20，要满足 U0，可能有各种情况： W0， Q0； W0， Q0； W0， Q0； W0， Q|Q|； W0， Q|W|。答案
9、BCD2.(多选)如图 1 所示，用绝热活塞把绝热容器隔成容积相同的两部分，先把活塞锁住，将质量和温度都相同的理想气体氢气和氧气分别充入容器的两部分，然后提起销子，使活塞可以无摩擦地滑动，当活塞平衡时( )图 1A.氢气的温度不变 B.氢气的压强减小C.氢气的体积增大 D.氧气的温度升高解析 氢气和氧气的质量虽然相同，但由于氢气的摩尔质量小，故氢气物质的量多，又因为初始状态下氢气和氧气体积和温度相同，所以氢气产生的压强大，当拔掉销子后，活塞将向氧气一方移动，这时氢气对外做功，又无热传递，由 U W Q 可知，氢气内能减少，温度降低，对氧气而言，外界对它做功，体积减小，由 U W Q，无热传递的
10、情况下，氧气内能增加，温度升高，压强增大。答案 BCD3.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12的功，增加了内能。答案 D4.下列说法正确的是( )A.随着科技的发展，永动机是可以制成的B.太阳照射到地球上的光能转化成了其他形式的能量，但照射到宇宙空间的能量都消失了C.“既要马儿跑，又要马儿不吃草”违背了能量转化和守恒定律，因而是不可能的D.有种“全自动”手表，不用上发条，也不用任何形式的电源，却
11、能一直走动，说明能量可以凭空产生解析 永动机是指不消耗或少消耗能量，而可以大量对外做功的装置，历史上曾出现过各式各样的所谓永动机的发明，结果都以失败告终，原因就是违背了能量转化和守恒定律，即使以后科技再发达，也要受自然规律的制约，所以永动机是永远不可能制成的，A 错误；太阳辐射大量的能量，地球只吸收了极小的一部分，就形成了风云雨雪，使万物生长，但辐射到星际空间的能量也没有消失，而是转化成了别的能量，B 错误；马和其他动物都要运动，必须消耗能量，动物的能量来源于食物中储存的化学能，C 正确；所谓“全自动”手表内部还是有能量转化装置的，一般是一个摆锤，当人戴着手表活动时，使摆锤不停摆动，给游丝弹簧
12、补充能量，才会维持手表的走动，如果把这种表放在桌面上静置两天，它一定会停摆的，D 错误。答案 C5.(多选)下列过程可能发生的是( )A.物体吸收热量，对外做功，同时内能增加B.物体吸收热量，对外做功，同时内能减少C.外界对物体做功，同时物体吸热，内能减少D.外界对物体做功，同时物体放热，内能增加解析 当物体吸收的热量多于对外做的功时，物体的内能就增加，A 正确；当物体吸收的热量少于对外做的功时，物体的内能就减少，B 正确；外界对物体做功，同时物体吸热，则物体的内能必增加，C 错误；当物体放出的热量少于外界对物体做的功时，物体的内能增加，D 正确。答案 ABD6.如图 2 所示是密闭的汽缸，外
13、力推动活塞 P 压缩气体，对缸内气体做功 800 J，同时气体向外界放热 200 J，缸内气体的( )13图 2A.温度升高，内能增加 600 JB.温度升高，内能减少 200 JC.温度降低，内能增加 600 JD.温度降低，内能减少 200 J解析 对一定质量的气体，由热力学第一定律 U W Q 可知， U800 J(200 J)600 J， U 为正表示内能增加了 600 J，对气体来说，分子间距较大，分子势能为零，内能等于所有分子动能的和，内能增加，气体分子的平均动能增加，温度升高，选项 A 正确。答案 A7.如图 3 所示为冲击摆实验装置，一飞行子弹射入沙箱后与沙箱合为一体，共同摆起
14、一定的高度，则下面有关能量的转化的说法中正确的是( )图 3A.子弹的动能转变成沙箱和子弹的内能B.子弹的动能转变成了沙箱和子弹的势能C.子弹的动能转变成了沙箱和子弹的动能D.子弹的动能一部分转变成沙箱和子弹的内能，另一部分转变成沙箱和子弹的势能解析 子弹在射入沙箱瞬间，要克服摩擦阻力做功，一部分动能转变成沙箱和子弹的内能，另一部分动能转变成沙箱和子弹的势能。答案 D8.(多选)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 4 所示。下列判断正确的是( )14图 4A.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
15、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解析 ab 过程为等容变化， W0，温度升高，内能增大， U0，由热力学第一定律 U W Q 知 Q0，吸热，A 正确； bc 过程为等温变化， U0，体积增大对外做功，W0，吸热，B 错误； ca 过程温度降低，内能减小， U0。由热力学第一定律 U W Q 得 QW，C 错误；温度为分子平均动能的唯一标志， TaQ D.无法确定解析 A、 B 两部分气体开始的合重心在中线以下，混合均匀后，合重心在中线上，所以系统的重力势能增大，根据能量守恒定律可得，吸收的热量应等于增加的重力势能与增
16、加的内能之和，即 Q Ep U，显然 Q U。答案 B10.如图 6 所示，一演示用的“永动机”转轮由 5 根轻杆和转轴构成，轻杆的末端装有形状记忆合金制成的叶片，轻推转轮后，进入热水的叶片因伸展而“划水” ，推动转轮转动。离15开热水后，叶片形状迅速恢复，转轮因此能较长时间转动。下列说法正确的是( )图 6A.转轮依靠自身惯性转动，不需要消耗外界能量B.转轮转动所需能量来自形状记忆合金自身C.转动的叶片不断搅动热水，水温升高D.叶片在热水中吸收的热量一定大于在空气中释放的热量解析 形状记忆合金从热水中吸收热量后，一部分能量在伸展划水时转化为水和转轮的动能，另一部分释放到空气中，根据能量守恒定
17、律可知只有 D 项正确。答案 D11.如图 7 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。图 7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 pS Mg p0S设气体初态温度为 T，活塞下降
18、的高度为 x，系统达到的新平衡，由盖吕萨克定律得 HST（ H x H） S1.4T解得 x H35又因系统绝热，即 Q0外界对气体做功为 W pSx根据热力学第一定律 U Q W16所以 U (Mg p0S)H35答案 (Mg p0S)H3512.如图 8 所示，在 A B 和 D A 的过程中，气体放出的热量分别为 4 J 和 20 J。在 B C和 C D 的过程中，气体吸收的热量分别为 20 J 和 12 J。求气体完成一次循环对外界所做的功。图 8解析 完成循环气体内能不变，即 U0，吸收的热量 Q(2012420)J8 J，由热力学第一定律 U Q W 得 W8 J，即气体对外做功
19、为 8 J。答案 8 J13.如图 9 所示，横截面积 S10 cm2的活塞，将一定质量的理想气体封闭在竖直放置的圆柱形导热汽缸内，开始活塞与汽缸底部距离 H30 cm。在活塞上放一重物，待整个系统稳定后。测得活塞与汽缸底部距离变为 h25 cm。已知外界大气压强始终为 p0110 5Pa，不计活塞质量及其与汽缸之间的摩擦，取 g10 m/s 2。求：图 9(1)所放重物的质量；(2)在此过程中被封闭气体与外界交换的热量。解析 (1)封闭气体发生等温变化气体初状态的压强为 p1110 5pa气体末状态的压强为 p2 p0 mgS根据玻意耳定律得 p1HS p2hS联立式解得 m2 kg(2)外界对气体做功 W( p0S mg)(H h)根据热力学第一定律知 U Q W017联立式解得 Q6 J，即放出 6 J 热量。答案 (1)2 kg (2)放出 6 J 热量
