[72143]物理選修33、第三章2、3熱力學(xué)第一定律能量守恒定律分析

1、第三章熱力學(xué)基礎(chǔ)一、熱力學(xué)第一定律 問題設(shè)計一根金屬絲經(jīng)過某一物理過程，溫度升高了，除非事先知道，否則根本無法判定是經(jīng)過做功的方法還是使用了熱傳遞的方法使它的內(nèi)能增加.因為單純地對系統(tǒng)做功和單純地對系統(tǒng)傳熱都能改變系統(tǒng)的內(nèi)能.既然它們在改變系統(tǒng)內(nèi)能方面是等效的，那么當(dāng)外界對系統(tǒng)做功為W，又對系統(tǒng)傳熱為Q時，系統(tǒng)內(nèi)能的增量U應(yīng)該是多少？答案系統(tǒng)內(nèi)能的增量UQW.知識探究要點提煉1.熱力學(xué)第一定律：如果物體跟外界同時發(fā)生做功和熱傳遞的過程，那么，物體內(nèi)能的增加U就等于物體 和外界對物體 之和.2.熱力學(xué)第一定律的表達式：UQW.吸收的熱量Q做的功W3.對公式UQW符號的規(guī)定符號WQU外界對熱力學(xué)系

2、統(tǒng)做功熱力學(xué)系統(tǒng)熱量內(nèi)能熱力學(xué)系統(tǒng)對外界做功熱力學(xué)系統(tǒng)熱量內(nèi)能吸收增加放出減少4.三種特殊情況(1)若過程是絕熱的，即Q0，則WU，外界對物體做的功等于物體內(nèi)能的增加.(2)若過程中外界沒有對物體做功，即W0，則QU，物體吸收的熱量等于物體內(nèi)能的增加.(3)若過程的始末狀態(tài)物體的內(nèi)能不變，即U0，則WQ0或WQ，外界對物體做的功等于物體放出的熱量.二、熱力學(xué)第一定律應(yīng)用舉例 問題設(shè)計1.理想氣體的內(nèi)能與什么因素有關(guān)？答案由于理想氣體忽略了分子間的作用力，即忽略了分子勢能，所以理想氣體的內(nèi)能只跟氣體的溫度和物質(zhì)的量有關(guān)，與氣體的體積無關(guān).2.你能應(yīng)用熱力學(xué)第一定律討論理想氣體在等壓膨脹過程中的能

3、量轉(zhuǎn)換關(guān)系嗎？答案設(shè)一定質(zhì)量的理想氣體，保持壓強不變，由(V1，T1)變?yōu)?V2，T2)，而且V1V2.因氣體膨脹(V1V2)，則氣體對外做功，W0.因氣體溫度升高(T1T2)，則氣體的內(nèi)能增加U0.由熱力學(xué)第一定律UWQ可知QUW0.即系統(tǒng)由外界吸收熱量，系統(tǒng)吸收的熱量一部分用來增加內(nèi)能，一部分轉(zhuǎn)化為氣體對外所做的功.要點提煉1.等壓過程中的能量轉(zhuǎn)換(1)等壓膨脹：由于W0，U0，則QUW0，即氣體吸收的熱量一部分用來 ，另一部分轉(zhuǎn)化為氣體對外 .(2)等壓壓縮：由于W0，U0，則QUW0，即氣體對外界放熱，放出的熱量等于外界對氣體 與氣體 之和.增加內(nèi)能所做的功所做的功內(nèi)能減小量2.等容過

4、程中的能量轉(zhuǎn)換(1)溫度升高：由于U0，W0，則QU，即氣體從外界吸收的熱量全部用于增加氣體的 .(2)溫度降低，由于U0，W0，則QU，即氣體向外界放出的熱量等于氣體 .內(nèi)能內(nèi)能的減少量3.等溫過程中的能量轉(zhuǎn)化(1)等溫膨脹：由于W0，U0，則QW0，即氣體從外界吸收的熱量全部轉(zhuǎn)換為氣體對外 .(2)等溫壓縮：由于W0，U0，則QW0，即外界對氣體所做的功全部轉(zhuǎn)換為氣體傳給外界的 .所做的功熱量三、能量守恒定律 問題設(shè)計使熱力學(xué)系統(tǒng)內(nèi)能改變的方式是做功和熱傳遞.做功的過程是其他形式的能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的過程，熱傳遞是把其他物體的內(nèi)能轉(zhuǎn)移為系統(tǒng)的內(nèi)能.在能量發(fā)生轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移時，能量的總量會減少嗎？答案

5、能量的總量保持不變.要點提煉1.能量守恒定律：能量既不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化成為另一種形式，或者從一個物體到別的物體；在轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移過程中其總量 .2.對能量守恒定律的理解(1)某種形式的能量減少，一定有其他形式的能量增加，且減少量和增加量一定 .(2)某個物體的能量減少，一定存在其他物體的能量增加，且減少量和增加量一定 .轉(zhuǎn)移不變相等相等3.能量的存在形式及相互轉(zhuǎn)化各種運動形式都有對應(yīng)的能：機械運動有機械能，分子的熱運動有內(nèi)能，還有諸如電磁能、化學(xué)能、原子能等.各種形式的能通過某種力做功可以相互轉(zhuǎn)化.4.第一類永動機(1)定義：不需要任何動力或燃料卻能不斷 的機器.(

6、2)不可能制成的原因：違背了能量守恒定律.對外做功延伸思考熱力學(xué)第一定律、機械能守恒定律是能量守恒定律的具體體現(xiàn)嗎？答案是典例精析一、熱力學(xué)第一定律例1 關(guān)于物體內(nèi)能的變化情況，下列說法中正確的是()A.吸熱的物體，其內(nèi)能一定增加B.體積膨脹的物體，其內(nèi)能一定減少C.放熱的物體，其內(nèi)能也可能增加D.絕熱壓縮的氣體，其內(nèi)能一定增加解析做功和熱傳遞都能改變物體的內(nèi)能，不能依據(jù)一種方式的變化就判斷內(nèi)能的變化.答案CD例2 空氣壓縮機在一次壓縮中，活塞對空氣做了2105 J的功，同時空氣的內(nèi)能增加了1.5105 J，這一過程中空氣向外界傳遞的熱量是多少？解析選擇被壓縮的空氣為研究對象，根據(jù)熱力學(xué)第一定

7、律有UWQ.由題意可知W2105 J，U1.5105 J，代入上式得：QUW1.5105 J2105 J5104 J.負(fù)號表示空氣向外釋放熱量，即空氣向外界傳遞的熱量為5104 J.答案5104 J二、熱力學(xué)第一定律與氣體實驗定律的結(jié)合例3 如圖1所示，倒懸的導(dǎo)熱氣缸中封閉著一定質(zhì)量的理想氣體.輕質(zhì)活塞可無摩擦地上下移動，活塞的橫截面積為S，活塞的下面吊著一個重為G的物體，大氣壓強恒為p0.起初環(huán)境的熱力學(xué)溫度為T0時，活塞到氣缸底面的距離為L.當(dāng)環(huán)境溫度逐漸升高，導(dǎo)致活塞緩慢下降，該過程中活塞下降了0.1L，氣缸中的氣體吸收的熱量為Q.求：圖1(1)氣缸內(nèi)部氣體內(nèi)能的增量U；解析密封氣體的壓

8、強pp0(G/S)密封氣體對外做功WpS0.1L由熱力學(xué)第一定律得UQW得UQ0.1p0SL0.1LG答案Q0.1p0SL0.1LG(2)最終的環(huán)境溫度T.解析該過程是等壓變化，由蓋呂薩克定律有解得T1.1T0答案1.1T0三、能量守恒定律例4 下列對能量守恒定律的認(rèn)識錯誤的是()A.某種形式的能量減少，一定存在其他形式的能量增加B.某個物體的能量減少，必然有其他物體的能量增加C.不需要任何外界的動力而持續(xù)對外做功的機器第一類 永動機是不可能制成的D.石子從空中落下，最后停止在地面上，說明機械能消失了解析A選項是指不同形式的能量間的轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化過程中能量是守恒的.B選項是指能量在不同的物體間發(fā)生

9、轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移過程中能量是守恒的，A、B選項正好是能量守恒定律的兩個方面轉(zhuǎn)化與轉(zhuǎn)移.第一類永動機是不可能制成的，它違背了能量守恒定律.所以A、B、C正確；D選項中石子的機械能減少，但機械能并沒有消失，能量守恒定律表明能量既不能創(chuàng)生，也不能消失，故D錯誤.故選D項. 答案D課堂要點小結(jié)自我檢測1.(熱力學(xué)第一定律)一定質(zhì)量的氣體在某一過程中，外界對氣體做了8104 J的功，氣體的內(nèi)能減少了1.2105 J，則根據(jù)熱力學(xué)第一定律，下列各式中正確的是()A.W8104 J，U1.2105 J，Q4104 JB.W8104 J，U1.2105 J，Q2105 JC.W8104 J，U1.2105 J，Q2

10、104 JD.W8104 J，U1.2105 J，Q4104 J解析因為外界對氣體做功，W取正值，即W8104 J；內(nèi)能減少，U取負(fù)值，即U1.2105 J；根據(jù)熱力學(xué)第一定律UWQ，可知QUW1.2105 J8104 J2105 J，即B選項正確.答案B2.(熱力學(xué)第一定律)如圖2所示，某同學(xué)將空的薄金屬筒開口向下壓入水中.設(shè)水溫均勻且恒定，筒內(nèi)空氣無泄漏，不計氣體分子間的相互作用，則被淹沒的金屬筒在緩緩下降的過程中，筒內(nèi)空氣體積減小，且()A.從外界吸熱B.內(nèi)能增大C.向外界放熱D.內(nèi)能減少圖2解析本題考查氣體性質(zhì)和熱力學(xué)第一定律，由于不計氣體分子之間的相互作用，且整個過程緩慢進行，所以可

11、看成溫度不變，即氣體內(nèi)能不變，選項B、D均錯.根據(jù)熱力學(xué)第一定律公式UWQ，因為在這個過程中氣體體積減小，外界對氣體做功，式中W取正號，U0，所以Q為負(fù)，即氣體向外放熱，故選項A錯，C對.正確答案為C.答案C3.(能量守恒定律)下面設(shè)想不符合能量守恒定律的是()A.利用永久磁鐵間的作用力，造一臺永遠轉(zhuǎn)動的機械B.做一條沒有動力系統(tǒng)的船，在水面上行駛C.通過太陽照射飛機，即使飛機不帶燃料也能飛行D.利用核動力，駕駛地球離開太陽系解析利用磁場能可以使磁鐵所具有的磁場能轉(zhuǎn)化為動能，但由于摩擦力的不可避免性，動能最終轉(zhuǎn)化為內(nèi)能使轉(zhuǎn)動停止，故A不符合.船能利用水流的能量行駛，飛機可利用光能的可轉(zhuǎn)化性和電能的可收集性，使光能轉(zhuǎn)化為飛機的動能，實現(xiàn)飛機不帶燃料也能飛行，故B、C符合；利用反沖理論，以核動力為能源，使地球獲得足夠大的能量，掙脫太陽引力的束縛而離開太陽系，故D符合.故選A項.答案A4.(熱力學(xué)第一定律與氣體實驗定律的綜合應(yīng)用)如圖3是用導(dǎo)熱性能良好的材料制成的氣體實驗裝置，開始時封閉的氣柱長度為22 cm，現(xiàn)用豎直向下的外力F壓縮氣體，使封閉的氣柱長度變?yōu)? cm，人對活塞做功100 J，大氣壓強為p01105 Pa，不計活塞的重力.問：圖3(1)若用足夠長的時間緩慢壓縮，求壓縮后氣體的壓強多大？解析設(shè)壓縮后氣體的壓強為p，活塞的橫截面積為S，l022