5.1热力学第一定律-5.2能量的转化与守恒 学案（2020年鲁科版高中物理选修3-3）

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1、第1节热力学第一定律第2节能量的转化与守恒目标定位1.掌握热力学第一定律，并会应用于解决相关问题.2.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.3.知道第一类永动机不可能制成的原因.一、热力学第一定律及其应用1.改变物体内能的两种方式：做功和热传递.2.功、热量和内能改变的关系：(1)如果物体与外界无热传递，外界对物体做功，物体的内能增加；物体对外做功，物体的内能减少.(2)如果物体既不对外做功，外界也不对物体做功，则物体从外界吸收热量时，它的内能增加；物体向外放出热量时，它的内能减少.3.热力学第一定律：(1)内容：物体内能的增加量U等于外界对物体所做的功W与物体从外界吸

2、收的热量Q之和.(2)表达式：UWQ.4.热力学第一定律的意义：(1)内能的变化必然伴随有做功或热传递.(2)一切涉及热现象的宏观过程中，能量可以发生转移或转化，此过程中总能量守恒.二、第一类永动机1.定义：不消耗任何能量而能永远对外做功的机器.2.热力学第一定律的另一表述：第一类永动机是不可能实现的.三、能量守恒定律及其应用1.内容：能量既不会消失，也不会创生，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另一个物体，而能量的总值保持不变.2.意义：揭示了自然科学各个分支之间的普遍联系，是自然界内在统一性的第一个有力证据.3.应用：(1)各种形式的能量可以转化，在转化过程中，自然界能

3、量的总和不变.(2)能量转化过程中总伴有内能的损失.(3)除核能以外，人类利用的能量都来源于太阳.一、热力学第一定律的理解和应用1.对UWQ的理解热力学第一定律将单纯的绝热过程和单纯的热传递过程推广到一般情况，既有做功又有热传递的过程，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热量.2.对公式U、Q、W符号的规定名称做功热量内能的改变符号WQU取正值“”外界对系统做功系统从外界吸收热量系统的内能增加取负值“”系统对外界做功系统向外界放出热量系统的内能减少3.应用热力学第一定律解题的一般步骤(1)首先选定研究对象是哪个物体或哪个热力学系统.(2)根据符号法则写出各已知量

4、(W、Q、U)的正、负.(3)再根据未知量结果的正、负来确定吸热、放热情况或做功情况.【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释放热量还是从外界吸收热量，传递的热量是多少？答案释放热量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

5、)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)特别应注意的就是物理量的正、负号及其物理意义.针对训练1一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 JB.W8104 J，U1.2105 J，Q2105 JC.W8104 J，U1.2105 J，Q2104 JD.W8104 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；

6、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，选项B正确.二、气体实验定律和热力学第一定律的结合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.1.判断对气体做功正、负的方法(1)若气体体积增大，表明气体对外界做功，W0.2.几种常见的气体变化过程(1)绝热过程：过程是绝热的，则Q0，WU，外界对物体做功等于物体内能的增加.(2)等容过程：过程是不做功的，则W0，则QU，物体吸收的热量等于物体内能的增加.(3)等温过程：在过程的始、末状态，物体的内能不

7、变，即U0，则WQ0或WQ，表示吸收的热量全部用来做功或外界对气体所做的功全部转换为热量放出.【例2】如图1所示，倒悬的导热气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，活塞到气缸底面的距离为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，气缸中的气体吸收的热量为Q.求：图1(1)气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UQ

8、W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针对训练2(2019辽宁六校联考)一定质量的理想气体，从状态A变化到状态B，再变化到状态C，其状态变化过程的pV 图象如图2所示，已知气体处于状态A时的温度为300 K，则下列判断正确的是()图2A.气体处于状态B时的温度为900 KB.气体处于状态C时的温度为300 KC.从状态A变化到状态C过程气体内能一直增大D.从状态A变化到状态B过程气体放热E.从状态B变化到状态C过程气体放热答案ABE解析由题知TA300 K，AB过程为等压变化，则根据，解得TBTA300 K900 K，故A正确；BC过程为等容变

9、化，则有，得TCTB900 K300 K，故B正确；从状态A变化到状态C的过程，气体的温度先升高后降低，则气体的内能先增大后减小，故C错误；由AB气体的温度升高，内能增大，体积增大，气体对外做功，由热力学第一定律UWQ知，气体吸热，故D错误；BC过程气体的体积不变，不做功，温度降低，气体的内能减小，由热力学第一定律UWQ知，气体放热，故E正确.三、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

10、同形式的能之间相互转化时保持总量不变.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不消耗任何能量而能永远对外做功的机器，叫第一类永动机，其前景是诱人的.因为第一类永动机违背了能量守恒定律(或热力学第一定律)，所以无一例外地归于失败.【例3】如图3所示，直立容器内部被隔板隔开的A、B两部分气体，A部分的密度小，B部分的密度大，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3A.UQ B.UQ 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，以整体气体为研究对象，开始时，气体的

11、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，选项B正确.【例4】在如图4所示的柱形容器内封有一定质量的密闭气体.光滑活塞C(质量为m)与容器用良好的隔热材料制成.另有质量为M的物体从活塞上方的A点自由下落到活塞上，并随活塞一起到达最低点B而静止.在这一过程中，密闭气体内能的改变量U、外界对密闭气体所做的功W与物体和活塞的重力势能的变化关系是()图4A.MghmghUWB.UW，WMghmghC.UW，WMghmghD.UW，WMghmgh答案C解析因活塞和容器用良好的隔热

12、材料制成，容器内的密闭气体与外界无热交换，Q0，所以UW；但由于物体和活塞碰撞时损失一部分机械能，因此有WMghmgh，故选项C正确；虽然W0，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；Wpa，即过程中气体的压强逐渐增大，选项A错误；由于过程中气体体积增大，所以过程中气体对外做功，选项B正确；过程中气体体积不变，气体对外做功为零，温度降低，内能减小，根据热力学第一定律，过程中气体放出热量

13、，选项C错误；由于状态c、d的温度相等，理想气体的内能只与温度有关，可知状态c、d的内能相等，选项D正确；由理想气体状态方程并结合题图可知，状态d的压强比状态b的压强小，选项E正确.5.如图6所示，导热材料制成的截面积相等，长度均为45 cm 的气缸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，忽略连接气缸的管道体积，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)活塞向右运动后，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.