高中物理 10.3 熱力學第一定律 能量守恒定律 新人教選修33

..........1.對熱力學第一定律的理解(1)對ΔU=W+Q的理解：熱力學第一定律將單純的絕熱過程和單純的熱傳遞過程中內(nèi)能改變的定量表述推廣到一般情況，既有做功又有熱傳遞的過程，其中ΔU表示內(nèi)能改變的數(shù)量，W表示做功的數(shù)量，Q表示外界與物體間傳遞的熱量..(2)對公式中ΔU、Q、W符號的規(guī)定.內(nèi)能ΔU的符號理解記憶，增加取正號減少取負號，然后利用單純絕熱過程理解W的符號.ΔU=W.內(nèi)能增加，當然要外界對物體做功時取正號.再利用單純的熱傳遞過程理解Q的符號.ΔU=Q，內(nèi)能增加，當然要吸熱，故吸收熱量時取正號..2.改變內(nèi)能的兩種方式比較.3.判斷是否做功的方法一般情況下外界對物體做功與否，需看物體的體積是否變化.(1)若物體體積增大，表明物體對外界做功，W＜0;(2)若物體體積變小，表明外界對物體做功，W＞0..【典例1】(2011·江蘇高考)(1)如圖所示，一演示用的“永動機”轉(zhuǎn)輪由5根輕桿和轉(zhuǎn)軸構(gòu)成，輕桿的末端裝有用形狀記憶合金制成的葉片.輕推轉(zhuǎn)輪后，進入熱水的葉片因伸展而“劃水”，推動轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動.離開熱水后，葉片形狀迅速恢復，轉(zhuǎn)輪因此能較長時間轉(zhuǎn)動.下列說法正確的是()A.轉(zhuǎn)輪依靠自身慣性轉(zhuǎn)動，不需要消耗外界能量B.轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動所需能量來自形狀記憶合金自身C.轉(zhuǎn)動的葉片不斷攪動熱水，水溫升高D.葉片在熱水中吸收的熱量一定大于在空氣中釋放的熱量.(2)如圖所示，內(nèi)壁光滑的氣缸水平放置，一定質(zhì)量的理想氣體被活塞密封在氣缸內(nèi)，外界大氣壓強為p0.現(xiàn)對氣缸緩慢加熱，氣體吸收熱量Q后，體積由V1增大為V2，則在此過程中，氣體分子平均動能________(選填“增大”、“不變”或“減小”)，氣體內(nèi)能變化了________..【解題指導】解答本題時注意理解以下兩點：(1)永動機轉(zhuǎn)動時能量的來源；(2)理想氣體內(nèi)能大小因素.【標準解答】(1)該永動機葉片進入水中，吸收熱量而伸展劃水，推動轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動，離開水面后向空氣中放熱，葉片形狀迅速恢復，所以轉(zhuǎn)動的能量來自熱水，由于不斷向空氣釋放熱量，所以水溫逐漸降低，A、B、C錯，D對.(2)氣體做等壓變化，體積變大，溫度升高，平均動能增大，內(nèi)能的變化為ΔU=Q-p0(V2-V1).答案：(1)D(2)增大Q-p0(V2-V1).【變式訓練】(2011·福建高考)一定量的理想氣體在某一過程中，從外界吸收熱量2.5×104J，氣體對外界做功1.0×104J，則該理想氣體的()A.溫度降低，密度增大B.溫度降低，密度減小C.溫度升高，密度增大D.溫度升高，密度減小【解析】選D.由熱力學第一定律ΔE=W+Q，Q=2.5×104J，W=-1.0×104J可知ΔE大于零，氣體內(nèi)能增加，溫度升高，A、B錯；氣體對外做功，體積增大，密度減小，C錯，D對..【變式備選】密閉有空氣的薄塑料瓶因降溫而變扁，此過程中瓶內(nèi)空氣(不計分子勢能)()A.內(nèi)能增加，放出熱量B.內(nèi)能減少，吸收熱量C.內(nèi)能增加，對外界做功D.內(nèi)能減少，外界對其做功.【解析】選D.由題意可知瓶內(nèi)氣體溫度降低，分子的平均動能減小.因不計分子的勢能，所以氣體的內(nèi)能減少，故A、C選項均錯.由塑料瓶的幾何特點可知在變扁的過程中體積變小，所以是外界對氣體做功，故D選項正確.根據(jù)熱力學第一定律ΔU=W+Q可知ΔU<0，W>0，所以Q<0，即氣體放出了熱量，故B選項錯誤...1.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，例如：利用電爐取暖或燒水，電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；煤燃燒，化學能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；列車剎車后，輪子溫度升高，機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能.2.與某種運動形式對應(yīng)的能是否守恒是有條件的，例如，物體的機械能守恒，必須是只有重力或彈力做功；而能量守恒定律是沒有條件的，它是一切自然現(xiàn)象都遵守的基本規(guī)律..3.能量守恒定律的重要意義(1)找到了各種自然現(xiàn)象的公共量度——能量，從而把各種自然現(xiàn)象用定量規(guī)律聯(lián)系起來，揭示了自然規(guī)律的多樣性和統(tǒng)一性.(2)突破了人們關(guān)于物質(zhì)運動的機械觀念的范圍，從本質(zhì)上表明了各種運動形式之間相互轉(zhuǎn)化的可能性.能量守恒定律比機械能守恒定律應(yīng)用更普遍，它是物理學中解決問題的重要思維方法.能量守恒定律與細胞學說、達爾文的進化論并稱19世紀自然科學中的三大發(fā)現(xiàn)，其重要意義由此可見.(3)具有重大實踐意義，即徹底粉碎了永動機的幻想..4.第一類永動機失敗的原因分析如果沒有外界熱源供給熱量，則有U2-U1=W，就是說，如果系統(tǒng)內(nèi)能減少，即U2<U1，則W<0，系統(tǒng)對外做功是要以內(nèi)能減少為代價的，若想源源不斷地做功，就必須使系統(tǒng)不斷回到初始狀態(tài)，在無外界能量供給的情況下是不可能的..5.應(yīng)用熱力學第一定律解題的思路與步驟(1)首先應(yīng)明確研究對象是哪個物體或者是哪個熱力學系統(tǒng).(2)分別列出物體(或系統(tǒng))吸收或放出的熱量；外界對物體(或系統(tǒng))所做的功或物體(或系統(tǒng))對外界所做的功.(3)根據(jù)熱力學第一定律ΔU=Q+W列出方程進行求解.(4)特別注意的就是物理量的正負號及其物理意義..層出不窮的第一類永動機設(shè)計方案，由于違背了能量守恒定律，無一例外地宣布失敗，人類制造永動機的企圖是沒有任何成功希望的..【典例2】如圖所示，一個質(zhì)量為20kg的絕熱汽缸豎直放置，絕熱活塞的質(zhì)量為5kg，處于靜止狀態(tài)時被封閉氣體的高度為50cm,現(xiàn)在在活塞上方加一15kg的物體，待穩(wěn)定后，被封閉氣體的高度變?yōu)?0cm.求在這一過程中氣體的內(nèi)能增加多少？(g取10m/s2，不考慮活塞的大氣壓力及摩擦阻力).【解題指導】解答本題可按以下思路進行思考：【標準解答】由能量守恒定律可知，內(nèi)能的增加等于活塞和物體重力勢能的減少，ΔU=ΔE=(M+m)gh=(15+5)×10×(50-40)×10-2J=20J.答案：20J.【規(guī)律方法】(1)絕熱過程表示不吸熱、也不放熱；“導熱性能良好且過程緩慢”表示此過程有熱傳遞發(fā)生且及時充分，保持溫度不變.(2)用“能量”觀點解題方便、快捷..【變式訓練】(2011·廣東高考)如圖為某種椅子與其升降部分的結(jié)構(gòu)示意圖，M、N兩筒間密閉了一定質(zhì)量的氣體，M可沿N的內(nèi)壁上下滑動，設(shè)筒內(nèi)氣體不與外界發(fā)生熱交換，在M向下滑動的過程中().A.外界對氣體做功，氣體內(nèi)能增大B.外界對氣體做功，氣體內(nèi)能減小C.氣體對外界做功，氣體內(nèi)能增大D.氣體對外界做功，氣體內(nèi)能減小【解析】選A.M向下滑動的過程中，氣體體積減小，故外界對氣體做功，由熱力學第一定律知，Q=0，內(nèi)能的改變?nèi)Q于做功，因外界對氣體做功，故氣體的內(nèi)能增大，A正確，B、C、D錯誤..【典例3】(2010·全國高考)如圖，一絕熱容器被隔板K隔開a、b兩部分.已知a內(nèi)有一定量的稀薄氣體，b內(nèi)為真空.抽開隔板K后，a內(nèi)氣體進入b，最終達到平衡狀態(tài).在此過程中().A.氣體對外界做功，內(nèi)能減少B.氣體不做功，內(nèi)能不變C.氣體壓強變小，溫度降低D.氣體壓強變小，溫度不變【解題指導】解答本題時可按以下思路分析：.【標準解答】選B、D.抽開隔板K后，a內(nèi)的稀薄氣體進入真空b內(nèi)，a內(nèi)的稀薄氣體做功W=0，絕熱容器不與外界發(fā)生熱傳遞，則Q=0，根據(jù)熱力學第一定律：ΔU＝W+Q,可得ΔU=0,則內(nèi)能不變，故A錯誤，B正確；稀薄氣體可看做理想氣體，內(nèi)能僅由溫度決定，由于ΔU＝0，則氣體溫度不變.根據(jù)玻意耳定律，氣體體積變大，則壓強變小，故C錯誤，D正確.

.一、選擇題1.“第一類永動機”是不可能制成的，這是因為()A.它不符合機械能守恒定律B.它違背了能的轉(zhuǎn)化和守恒定律C.它做功產(chǎn)生的熱不符合熱功當量D.暫時找不到合理的設(shè)計方案和理想材料【解析】選B.第一類永動機不可能制成的原因是違背了能的轉(zhuǎn)化和守恒定律，故B項正確..2.(2011·大綱版全國卷)關(guān)于一定量的氣體，下列敘述正確的是()A.氣體吸收的熱量可以完全轉(zhuǎn)化為功B.氣體體積增大時，其內(nèi)能一定減少C．氣體從外界吸收熱量，其內(nèi)能一定增加D．外界對氣體做功，氣體內(nèi)能可能減少.【解析】選A、D.如果氣體等溫膨脹，則氣體的內(nèi)能不變，吸收的熱量全部用來對外做功，A正確；當氣體體積增大時，對外做功，若同時吸收熱量，且吸收的熱量大于或等于對外做功的數(shù)值時，內(nèi)能不會減少，所以B錯誤；若氣體吸收熱量同時對外做功，其內(nèi)能也不一定增加，C錯誤；若外界對氣體做功同時氣體向外放出熱量，且放出的熱量多于外界對氣體所做的功，則氣體內(nèi)能減少，所以D正確．.3.下列關(guān)于做功和熱傳遞的說法中正確的是()A.做功和熱傳遞的實質(zhì)是相同的B.做功和熱傳遞在改變物體內(nèi)能上是等效的C.做功和熱傳遞是對同一過程中的兩種說法D.做功和熱傳遞是不可能同時發(fā)生的【解析】選B.做功和熱傳遞在改變物體內(nèi)能上是等效的，但本質(zhì)不同，做功是將其他形式的能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能或?qū)?nèi)能轉(zhuǎn)化為其他形式的能；熱傳遞是將一個物體的內(nèi)能傳遞給另一個物體或內(nèi)能在同一物體的不同部分之間進行傳遞，且做功和熱傳遞可以同時進行，故正確選項為B..4.一定質(zhì)量的氣體膨脹做功100J，同時吸熱30J，則氣體內(nèi)能的增量為()A.130JB.70JC.-70JD.-130J【解析】選C.氣體膨脹做功W=-100J，吸收熱量Q=30J，由熱力學第一定律有：ΔU=W+Q=-100J+30J=-70J..5.一定質(zhì)量的氣體在某一過程中，外界對氣體做了8×104J的功，氣體的內(nèi)能減少了1.2×105J，則下列各式中正確的是()A.W=8×104J，ΔU=1.2×105J，Q=4×104JB.W=8×104J，ΔU=-1.2×105J，Q=-2×105JC.W=-8×104J，ΔU=1.2×105J，Q=2×105JD.W=-8×104J，ΔU=-1.2×105J，Q=-4×104J【解析】選B.根據(jù)熱力學第一定律的符號法則，W=8×104J，ΔU=-1.2×105J，由ΔU=W+Q可求得：Q=-2.0×105J，所以選項B正確..【方法技巧】符號規(guī)則對于熱力學第一定律的應(yīng)用，要特別注意,公式中各量的符號規(guī)則，能確定正負號的直接在數(shù)值前代入符號計算即可,對于不能確定符號的可先采取假設(shè)正值的方法來處理，若計算結(jié)果是正值，就是規(guī)定正值的情況，若計算結(jié)果為負值就是正值的相反情況..6.自由擺動的秋千擺動幅度越來越小，下列說法正確的是()A.機械能守恒B.能量正在消失C.只有動能和重力勢能的相互轉(zhuǎn)化D.減少的機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，但總能量守恒【解析】選D.自由擺動的秋千擺動幅度越來越小，說明機械能在減少，故A項錯誤，C項錯誤，而減少的機械能通過摩擦轉(zhuǎn)化成了內(nèi)能，故B項錯誤，D項正確..7.下列對能量的轉(zhuǎn)化和守恒定律的認識不正確的是()A.某種形式的能量減少，一定存在其他形式能量的增加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——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】選D.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)生轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移過程中能量是守恒的.這正好是能量守恒定律的兩個方面——轉(zhuǎn)化與轉(zhuǎn)移.任何永動機都是不可能制成的，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在變化，比如受空氣阻力作用，機械能可能減少，但機械能并沒有消失，能量守恒定律表明能量既不會創(chuàng)生，也不會消失.故D是錯的..8.(2011·冀州高二檢測)一物理實驗愛好者開展探究性課外活動研究氣體壓強、體積、溫度三量間的變化關(guān)系.導熱良好的汽缸開口向下，內(nèi)有理想氣體(即分子勢能可忽略的氣體)，汽缸固定不動，缸內(nèi)活塞可自由滑動且不漏氣.一溫度計通過缸底小孔插入缸內(nèi)，插口處密封良好，活塞下掛一個沙桶，沙桶裝滿沙子時，活塞恰好靜止.現(xiàn)給沙桶底部鉆一個小洞，細沙慢慢漏出，外部環(huán)境溫度恒定，則().A.繩的拉力對沙桶做正功，所以氣體對外界做功B.外界對氣體做功，溫度計示數(shù)不變C.氣體體積減小，同時從外界吸熱D.外界對氣體做功，溫度計示數(shù)增加【解析】選B.汽缸導熱良好，細沙慢慢漏出，故活塞緩慢上升，有足夠的時間與外界進行熱交換，故溫度不變，而壓強變大.由理想氣體狀態(tài)方程可得體積減小，外界對氣體做功，而內(nèi)能又不變，故向外界放熱，B項正確..二、非選擇題9.(2011·杭州高二檢測)水能不產(chǎn)生污染物，是一種清潔能源，位于美國和加拿大交界處的尼亞加拉瀑布流量可達每秒6000m3，而且是一年四季流量穩(wěn)定，瀑布落差50m，若利用這一資源發(fā)電，設(shè)其效率為50%，估算發(fā)電機的輸出功率.(g取10m/s2).【解析】每秒鐘流下的水的質(zhì)量為：m=ρV=1×103×6000kg=6×106kg,每秒鐘水減少的機械能為：E=mgh=6×106×10×50J=3×109J,設(shè)發(fā)電機的輸出功率為P,則由能量守恒定律可得：Eη=P×1s,解得：P=3×109×50%W=1.5×109W.答案：1.5×109W.10.(2011·南寧高二檢測)爆米花酥脆可口、老少皆宜，是許多人喜愛的休閑零食，如圖為高壓爆米花的裝置原理圖，玉米在鐵質(zhì)的密閉容器內(nèi)被加熱，封閉氣體被加熱成高溫高壓氣體，當打開容器蓋后，“嘭”的一聲氣體迅速膨脹，壓強急劇減小，玉米粒就“爆炸”成了爆米花.設(shè)當?shù)販囟葹閠1=27℃,大氣壓為p0，已知密閉容器打開前的氣體壓強達到4p0.試分析：.(1)容器內(nèi)的氣體看做理想氣體，求容器內(nèi)氣體的溫度.(2)假定在一次打開的過程中，容器內(nèi)氣體膨脹對外界做功15kJ，并向外釋放了20kJ的熱量，容器內(nèi)原有氣體的內(nèi)能如何變化？變化了多少？【解析】(1)根據(jù)查理定律：p1=p0,T1=300K,p2=4p0.整理得：T2=1200K,t2=927℃.(2)由熱力學第一定律ΔU=Q+W,得ΔU＝-20kJ-15kJ=-35kJ，故內(nèi)能減少35kJ.答案：(1)927℃(2)減少35kJ.Thankyou!..9、靜夜四無鄰，荒居舊業(yè)貧。。2023/2/32023/2/3Friday,February3,202310、雨中黃葉樹，燈下白頭人。。2023/2/32023/2/32023/2/32/3/20234:23:10PM11、以我獨沈久，愧君相見頻。。2023/2/32023/2/32023/2/3Feb-2303-Feb-2312、故人江海別，幾度隔山川。。2023/2/32023/2/32023/2/3Friday,February3,202313、乍見翻疑夢，相悲各問年。。2023/2/32023/2/32023/2/32023/2/32/3/202314、他鄉(xiāng)生白發(fā)，舊國見青山。。03二月20232023/2/32023/2/32023/2/315、比不了得就不比，得不到的就不要。。。二月232023/2/32023/2/32023/2/32/3/202316、行動出成果，工作出財富。。2023/2/32023/2/303February202317、做前，能夠環(huán)視四周；做時，你只能或者最好沿著以腳為起點的射線向前。。2023/2/32023/2/32023/2/32023/2/39、沒有失敗，只有暫時停止成功！。2023/2/32023/2/3Friday,February3,202310、很多事情努力了未必有結(jié)果，但是不努力卻什么改變也沒有。。2023/2/32023/2/32023/2/32/3/20234:23:10PM11、成功就是日復一日那一點點小小努力的積累。。2023/2/32023/2/32023/2/3Feb-2303-Feb-2312、世間成事，不求其絕對圓滿，留一份不足，可得無限完美。。2023/2/32023/2/32023/2/3Friday,February3,202313、不知香積寺，數(shù)里入云峰。。2023/2/32023/2/32023/2/32023/2/32/3/202314、意志堅強的人能把世界放在手中像泥塊一樣任意揉捏。03二月20232023/2/32023/2/32023/2/315、楚塞三湘接，荊門九派通。。。二月232023/2/32023/2/32023/2/32/3/202316、少年十五二十時，步行奪得胡馬騎。。2023/2/32023/2/303Feb