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3热力学第一定律能量守恒定律学习目标素养提炼1.能够从能量守恒的观点理解热力学第一定律，会利用热力学第一定律分析有关问题．2．理解能量守恒定律，知道它是自然界普遍遵循的基本规律．3．会用能量守恒定律分析计算有关问题．4．知道什么是第一类永动机，以及知道第一类永动机不可能制成的原因.物理观念：热力学第一定律，能量守恒定律．科学思维：热力学第一定律在实际问题中的应用．科学探究：能量守恒定律的普适性.01课前自主梳理02课堂合作探究03课后巩固提升04课时跟踪训练一、热力学第一定律1．改变内能的两种方式：________与________．(1)联系：两者在改变系统内能方面是______的，一定数量的功与确定数量的热相对应．(2)区别：________是内能与其他形式能量的相互转化，而________只是不同物体(或一个物体的不同部分)之间内能的转移．做功热传递等价做功热传递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________与外界对它所做的______的和．(2)表达式：ΔU＝________.[判断辨析](1)功就是热，热就是功，二者完全相同．()(2)物体吸热内能一定增加，放热内能一定减小．()(3)外界对物体做功10J，同时吸收10J的热，则内能增加20J．()热量功Q＋W××√二、能量守恒定律1．内容：能量既不会凭空________，也不会凭空________，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，在转化或转移的过程中，能量的________保持不变．2．意义(1)各种形式的能可以__________．(2)各种互不相关的物理现象可以用______________联系在一起．产生消失转化转移总量相互转化能量守恒定律[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？提示：是．热力学第一定律、机械能守恒定律是能量守恒定律在不同形式的能相互转化时的具体体现．三、永动机不可能制成1．第一类永动机：人们设想中的不需要任何动力或燃料，却能不断地___________的机器．2．第一类永动机不可制成的原因：违背了___________定律．3．意义：正是历史上设计永动机的失败，才使后人的思考走上了正确的道路．对外做功能量守恒[思考]有一种全自动手表，既不需要上发条，也不用任何电池，却能不停地走下去，这是不是一种永动机呢？如果不是，你知道维持指针走动的能量是从哪儿来的吗？你能设法验证吗？提示：这不是永动机．手表戴在手腕上，通过手臂的运动，机械手表获得能量，供手表指针走动．若将此手表长时间放置不动，它就会停下来．要点一正确理解热力学第一定律[探究导入]如图所示，快速推动活塞对汽缸内气体做功10J，气体内能改变了多少？若保持气体体积不变，外界对汽缸传递10J的热量，气体内能改变了多少？提示：由热力学第一定律ΔU＝W＋Q可知，两个过程内能都增加10J.[探究归纳]1．对公式ΔU＝Q＋W中ΔU、Q、W符号的规定符号QWΔU＋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少2.几种特殊情况(1)绝热过程：Q＝0，则ΔU＝W，物体内能的增加量等于外界对物体做的功．(2)等容过程：过程中不做功，即W＝0，则ΔU＝Q，物体内能的增加量等于物体从外界吸收的热量．(3)等温过程：过程的始末状态物体的内能不变，即ΔU＝0，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)．(4)等压过程：等压膨胀W＝－pΔV；等压压缩W＝pΔV.3．判断是否做功的方法一般情况下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.(2)若物体体积减小，表明外界对物体做功，W0.[特别提醒]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ΔU表示内能的改变量，W表示做的功，Q表示外界与物体间传递的热量．[典例1]若将气泡内的气体视为理想气体，气泡从湖底缓慢上升到湖面的过程中，对外界做了0.6J的功，(设湖水的温度相等且保持不变)(1)气泡上升过程中吸收的热量是多少？(2)气泡到达湖面后，由于太阳的照射，在温度上升的过程中又对外界做了0.1J的功，同时吸收了0.3J的热量，则此过程中，气泡内气体内能增加了多少？[思路点拨](1)明确ΔU＝W＋Q中各量对应的符号．(2)一定质量理想气体的内能只与温度有关．[解析](1)气体温度不变，内能不变，由热力学第一定律ΔU＝Q＋W，则Q＝ΔU－W＝0－(－0.6J)＝0.6J；(2)由热力学第一定律得ΔU＝Q＋W＝0.3J＋(－0.1J)＝0.2J，内能增加0.2J.[答案](1)0.6J(2)0.2J应用热力学第一定律解题的一般步骤(1)根据符号法则写出各已知量(W、Q、ΔU)的正、负．(2)根据方程ΔU＝W＋Q求出未知量．(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．1.一定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＝2×105JD．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ΔU＝Q＋W，可得Q＝ΔU－W＝－1.2×105J－8×104J＝－2×105J，B正确．答案：B2．气体膨胀对外做功100J，同时从外界吸收了120J的热量，它的内能的变化是()A．减少20JB．增大20JC．减少220JD．增大220J解析：研究对象为气体，依符号规则，对外做功W＝－100J，吸收热量Q＝＋120J.由热力学第一定律有ΔU＝W＋Q＝－100J＋120J＝20J，ΔU＞0，说明气体的内能增加，故选项B正确．答案：B要点二对能量守恒定律的理解[探究导入]不耗油的汽车能不能制成，为什么？不消耗能量的汽车呢？提示：前者能制成而后者不能制成．这是因为可以用太阳能、电能等能源代替石油能源制造出太阳能汽车、电动汽车等，但是不消耗任何能量的汽车不可能制成，因为它违背能量守恒定律．[探究归纳]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，分子的热运动有内能，还有诸如电磁能、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U2U1，则W0，系统对外做功是要以内能减少为代价的．若想源源不断地做功，就必须使系统不断回到初始状态，在无外界能量供给的情况下是不可能的．[典例2]如图所示为冲击摆实验装置，一质量为m的子弹以v0射入质量为M的沙箱后与沙箱合为一体，共同摆起一定高度h，则整个过程中子弹和沙箱由于相互作用所产生的内能为多少？(不计空气阻力)[解析]子弹和沙箱相互作用的过程中，损失动能，产生内能，由能量守恒定律得ΔU＝12mv20－12(M＋m)v2①由于子弹和沙箱相互作用的时间极短，它们一起从最低点以v做圆周运动，满足机械能守恒，即12(M＋m)v2＝(M＋m)gh②由①②解得ΔU＝12mv20－(M＋m)gh.[答案]12mv20－(M＋m)gh能量守恒定律的应用方法利用能量守恒定律解决问题时，首先应明确题目中涉及哪几种形式的能量，其次分析哪种能量增加了，哪种能量减少了，确定研究的系统后，用能量守恒观点求解．3．(多选)下列对能量守恒定律的认识正确的是()A．某种形式的能量减少，一定存在其他形式的能量增加B．某个物体的能量减少，必然有其他物体的能量增加C．不需要任何外界的动力而持续对外做功的机器——第一类永动机是不可能制成的D．石子从空中落下，最后停止在地面上，说明机械能消失了解析：A选项是指不同形式的能量间的转化，转化过程中能量是守恒的；B选项是指能量在不同的物体间发生转移，转移过程中能量是守恒的，这正好是能量守恒定律的两个方面——转化与转移；第一类永动机是不可能制成的，它违背了能量守恒定律，所以A、B、C正确．D选项中石子的机械能在变化，比如受空气阻力作用，机械能可能减少，但机械能并没有消失，转化为其他形式的能，能量守恒定律表明能量既不能创生，也不能消失，故D错误．答案：ABC4．(多选)下面设想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错误；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行，故B、C正确；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正确．答案：BCD[要点分析]对于理想气体，常把热力学第一定律与理想气体状态方程结合起来分析其状态变化规律，常见的分析思路如下：(1)利用体积的变化分析做功问题，气体体积增大，对外做功；气体体积减小，外界对气体做功．(2)利用温度的变化分析理想气体内能的变化．一定质量的理想气体的内能仅与温度有关，温度升高，内能增加；温度降低，内能减小．气体实验定律和热力学第一定律的综合应用(3)利用热力学第一定律判断是吸热还是放热．由热力学第一定律ΔU＝W＋Q，则Q＝ΔU－W，若已知气体的做功情况和内能的变化情况，即可判断气体状态变化是吸热过程还是放热过程．5．如图所示，倒悬的导热汽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，活塞到汽缸底面的距离为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，汽缸中的气体吸收的热量为Q.求：(1)汽缸内部气体内能的增量ΔU；(2)最终的环境温度T.解析：(1)密封气体的压强p＝p0－GS密封气体对外做功大小W＝pS×0.1L由热力学第一定律得ΔU＝Q－0.1p0SL＋0.1LG.(2)该过程是等压变化，由盖—吕萨克定律有LST0＝L＋0.1LST解得T＝1.1T0.答案：(1)Q－0.1p0SL＋0.1LG(2)1.1T01．(热力学第一定律的理解和应用)关于内能的变化，以下说法正确的是()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，物体内能的变化与做功及热传递两个因素均有关，物体吸收热量，内能不一定增大，因为物体可能同时对外做功，故内能有可能不变或减少，A错；物体对外做功，还有可能吸收热量，内能可能不变或增大，B错，C正确；物体放出热量，同时对外做功，内能一定减少，D错误．答案：C2．(能量守恒定律的理解)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