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学案2热力学第一定律学案3能量守恒定律[学习目标定位]1.理解热力学第一定律及其符号规定.2.能运用热力学第一定律讨论理想气体等压、等容和等温过程的能量转换关系.3.理解能量守恒定律，知道能量守恒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造成的．本学案栏目开关知识·储备区学习·探究区自我·检测区1．改变物体内能的两种方式：和．两者在改变系统内能方面是的．2．物体的内能是物体内部所有分子做热运动的和的总和，物体的内能跟物体的、和物质的量有关．做功热传递等效动能分子势能温度体积本学案栏目开关知识·储备区学习·探究区自我·检测区3．热力学第一定律：如果物体跟外界同时发生做功和热传递的过程，那么，物体内能的增加ΔU就等于物体和外界对物体之和．即ΔU＝.4．理想气体的特点(1)理想气体的微观模型：忽略了分子之间的作用力，忽略了分子势能，所以理想气体的内能等于分子热运动动能的总和．(2)理想气体的内能只跟温度和物质的量有关，与体积无关．5．能量守恒定律：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式为另一种形式，或者从一个物体到别的物体；在转化和转移过程中其总量．6．第一类永动机：不需要任何动力或燃料，却能不断地的机器．吸收的热量Q做的功WQ＋W转化转移不变对外做功本学案栏目开关知识·储备区学习·探究区自我·检测区7．第一类永动机不可能制成的原因：违背了定律.能量守恒本学案栏目开关知识·储备区学习·探究区自我·检测区一、热力学第一定律[问题设计]一根金属丝经过某一物理过程，温度升高了，除非事先知道，否则根本不能判定是经过对它做功的方法，还是使用了传热的方法使它的内能增加．因为单纯地对系统做功和单纯地对系统传热都能改变系统的内能．既然它们在改变系统内能方面是等效的，那么当外界对系统做功为W，又对系统传热为Q时，系统内能的增量ΔU应该是多少？答案系统内能的增量ΔU＝Q＋W.本学案栏目开关知识·储备区学习·探究区自我·检测区[要点提炼]1．热力学第一定律的表达式：ΔU＝Q＋W.2．对公式ΔU＝Q＋W符号的规定符号WQΔU＋外界对热力学系统做功热力学系统热量内能－热力学系统对外界做功热力学系统热量内能吸收增加减少放出本学案栏目开关知识·储备区学习·探究区自我·检测区3.三种特殊情况(1)若过程是绝热的，即Q＝0，则W＝ΔU，外界对物体做的功等于物体内能的增加．(2)若过程中不做功，即W＝0，则Q＝ΔU，物体吸收的热量等于物体内能的增加．(3)若过程的始末状态物体的内能不变，即ΔU＝0，则W＋Q＝0或W＝－Q，外界对物体做的功等于物体放出的热量．本学案栏目开关知识·储备区学习·探究区自我·检测区二、热力学第一定律应用举例[问题设计]你能应用热力学第一定律讨论理想气体在等压膨胀过程的能量转换关系吗？答案设一定质量的理想气体，保持压强不变，由(V1，T1)变为(V2，T2)，而且V1＜V2.由盖·吕萨克定律V1T1＝V2T2及V1＜V2知T1＜T2.因气体膨胀(V1＜V2)，则气体对外做功，W＜0.因气体温度升高(T1＜T2)，则气体的内能增加ΔU＞0.由热力学第一定律ΔU＝W＋Q可知Q＝ΔU－W＞0.即系统由外界吸收热量，系统吸收的热量一部分用来增加内能，一部分转化为气体对外所做的功．本学案栏目开关知识·储备区学习·探究区自我·检测区[要点提炼]1．等压过程中的能量转换(1)等压膨胀：由于W＜0，ΔU＞0，则Q＝ΔU－W＞0，即气体吸收的热量一部分用来，另一部分转化为气体对外．(2)等压压缩：由于W＞0，ΔU＜0，则Q＝ΔU－W＜0，即气体对外界放热，放出的热量等于外界对气体与气体之和．2．等容过程中的能量转换(1)温度升高：由于ΔU＞0，W＝0，则Q＝ΔU，即气体从外界吸收的热量全部用于增加气体的．增加内能所做的功所做的功内能减小量内能本学案栏目开关知识·储备区学习·探究区自我·检测区(2)温度降低，由于ΔU＜0，W＝0，则Q＝ΔU，即气体向外界放出的热量等于气体．3．等温过程中的能量转化(1)等温膨胀：由于W＜0，ΔU＝0，则Q＝－W＞0，即气体从外界吸收的热量全部转换为气体对外．(2)等温压缩：由于W＞0，ΔU＝0，则Q＝－W＜0，即外界对气体所做的功全部转换为气体传给外界的．内能的减少量所做的功热量本学案栏目开关知识·储备区学习·探究区自我·检测区三、能量守恒定律[问题设计]使热力学系统内能改变的方式是做功和热传递．做功的过程是其他形式的能转化为内能的过程，热传递是把其他物体的内能转移为系统的内能．在能量发生转化或转移时，能量的总量会减少吗？答案能量的总量保持不变．本学案栏目开关知识·储备区学习·探究区自我·检测区[要点提炼]1．对能量守恒定律的理解(1)某种形式的能量减少，一定有其他形式的能量增加，且减少量和增加量一定．(2)某个物体的能量减少，一定存在其他物体的能量增加，且减少量和增加量一定．2．能量的存在形式及相互转化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，还有诸如电磁能、化学能、原子能等．各种形式的能通过某种力做功可以相互转化．3．第一类永动机违背了．相等相等能量守恒定律本学案栏目开关知识·储备区学习·探究区自我·检测区[延伸思考]热力学第一定律、机械能守恒定律是能量守恒定律的具体体现吗？答案是本学案栏目开关知识·储备区学习·探究区自我·检测区例1(单选)如图1所示，某同学将空的薄金属筒开口向下压入水中．设水温均匀且恒定，筒内空气无泄漏，不计气体分子间的相互作用，则被淹没的金属筒在缓缓下降的过程中，筒内空气体积减小，且()A．从外界吸热B．内能增大C．向外界放热D．内能减少图1本学案栏目开关知识·储备区学习·探究区自我·检测区解析本题考查气体性质和热力学第一定律，由于不计气体分子之间的相互作用，且整个过程缓慢进行，所以可看成温度不变，即气体内能不变，选项B、D均错．根据热力学第一定律公式ΔU＝W＋Q，因为在这个过程中气体体积减小，外界对气体做功，式中W取正号，ΔU＝0，所以Q为负，即气体向外放热，故选项A错，C对．正确答案为C.答案C本学案栏目开关知识·储备区学习·探究区自我·检测区针对训练1(单选)一定质量的气体在某一过程中，外界对气体做了8×104J的功，气体的内能减少了1.2×105J，则下列各式中正确的是()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＝2×104JD．W＝－8×104J，ΔU＝－1.2×105J，Q＝－4×104J解析因为外界对气体做功，W取正值，即W＝8×104J；内能减少，ΔU取负值，即ΔU＝－1.2×105J；根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，可知Q＝ΔU－W＝－1.2×105J－8×104J＝－2×105J，即B选项正确．B本学案栏目开关知识·储备区学习·探究区自我·检测区例2(单选)如图2所示，直立容器内部有被隔板隔开的A、B两部分气体，A的密度小，B的密度大，抽去隔板，加热气体使两部分气体均匀混合，设在此过程中气体吸热Q，气体的内能增加为ΔU，则()图2A．ΔU＝QB．ΔUQC．ΔUQD．无法比较B解析解题的关键是弄清参与转化和转移的各种能量中哪些增加、哪些减少．A、B两部分气体开始时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加的内能之和，即Q＝ΔEp＋ΔU，显然QΔU.本学案栏目开关知识·储备区学习·探究区自我·检测区针对训练2一铁球从高H处由静止落到地面上，反弹速率是落地速率的一半，设撞击所转化的内能全部使铁球温度升高，则铁球的温度升高多少？(设铁的比热容为c，各物理量取国际制单位)解析设铁球落到地面时的速率为v，由v2＝2gH得落地时速率v＝2gH则铁球在与地面撞击时损失的动能ΔEk＝12mv2－12m(v2)2＝38mv2＝38m·2gH＝34mgH本学案栏目开关知识·储备区学习·探究区自我·检测区由能量守恒定律得，损失的动能全部转化为铁球的内能则ΔU＝ΔEk＝34mgH＝Q由Q＝cmΔt得Δt＝Qcm＝34mgHcm＝3gH4c即铁球温度升高3gH4c.答案3gH4c本学案栏目开关知识·储备区学习·探究区自我·检测区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不符合．例3(单选)下面设想不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A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，故B、C符合；设计一种利用反冲理论，以核动力为能源，使地球获得足够大的能量，挣脱太阳引力的束缚而离开太阳系，故D符合．本学案栏目开关知识·储备区学习·探究区自我·检测区ΔU＝Q＋W本学案栏目开关知识·储备区学习·探究区自我·检测区1．(单选)关于物体内能的变化，以下说法中正确的是()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ΔU＝W＋Q，物体内能的变化与外界对物体做功(或物体对外界做功)和物体从外界吸热(或向外界放热)两种因素有关．物体吸收热量，但有可能同时对外做功，故内能有可能不变甚至减小，故A错；本学案栏目开关知识·储备区学习·探究区自我·检测区同理，物体对外做功的同时有可能吸热，故内能不一定减少，B错；若物体吸收的热量与对外做的功相等，则内能可能不变，C正确；放热与对外做功都是使物体内能减少，故D错．答案C本学案栏目开关知识·储备区学习·探究区自我·检测区2．(单选)景颇族的祖先发明的点火器如图3所示，用牛角做套筒，木制推杆前端粘着艾绒，猛推推杆，艾绒即可点燃．对筒内封闭的气体，在此压缩过程中()A．气体温度升高，压强不变B．气体温度升高，压强变大C．气体对外界做正功，气体内能增加D．外界对气体做正功，气体内能减少图3本学案栏目开关知识·储备区学习·探究区自我·检测区解析由于套筒内封闭着一定质量的气体，当猛推推杆时推杆迅速压缩气体，外界对气体做正功．由于这一过程进行得很快，可以看成是一个近似的绝热过程，即整个系统来不及向外界传递热量．根据热力学第一定律，这时外力做的功只能用来增加气体的内能．这就使气体分子的运动加剧，引起气体分子平均动能增加，气体温度升高，所以艾绒即可点燃．由于被封闭的气体质量不变，温度升高，而体积变小，则由气体状态方程知压强变大．故B选项正确，其他选项都错．答案B本学案栏目开关知识·储备区学习·探究区自我·检测区3．(单选)一定质量的理想气体在某一过程中，从外界吸收热量2.5×104J，气体对外界做功1.0×104J，则该理想气体的()A．温度降低，密度增大B．温度降低，密度减小C．温度升高，密度增大D．温度升高，密度减小D解析由热力学第一定律ΔU＝W＋Q得：ΔU＝－1.0×104J＋2.5×104J＝1.5×104J，因此气体的内能增大，故温度升高，又因气体对外做功，体积增大，故密度减小．本学案栏目开关知识·储备区学习·探究区自我·检测区4．空气压缩机在一次压缩中，活塞对空气做了2×105J的功，同时空气的内能增加了1.5×105J，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ΔU＝W＋Q.由题意可知W＝2×105J，ΔU＝1.5×105J，代入上式得：Q＝ΔU－W＝1.5×105J－2×105J＝－5×104J.负号表示空气向外释放热量，即空气向外界传递的热量为5×104J．答案5×104J本学