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第三章热力学基础第二节热力学第一定律第三节能量守恒定律第三章热力学基础1.理解热力学第一定律的内容及物理意义．2.会用热力学第一定律分析、解释有关的物理问题．3．理解能量守恒定律及其重要意义．4.知道第一类永动机不可能制成的原因．一、热力学第一定律1．改变内能的方式：_______和_________．2．功和内能的关系：若物体不存在热传递，当______对它做功时，它的内能_______，关系式为W＝________；若物体对外做功，则W＜0，ΔU＜0，表明内能_______．做功热传递外界增加ΔU减少3．热传递和内能的关系：若物体既不对外做功，外界对物体也不做功，当物体从外界吸收热量Q时，它的内能_______．关系式为Q＝_______；若物体向外放出热量，则Q＜0，ΔU＜0，表明内能_______．4．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______的热量Q和______________做的功W之和．增加ΔU减少吸收外界对物体1．如果一个物体从外界吸收了热量，它的温度一定升高吗？提示：不一定，影响物体内能的因素有做功和热传递，如果物体在吸收热量的同时又对外做功，物体的温度有可能升高、不变或降低．二、热力学第一定律应用举例1．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___________，所以理想气体的内能等于分子热运动的______总和．(2)理想气体的内能只跟______和物质的量有关，与体积_______．分子势能动能温度无关2．热力学第一定律对理想气体应用分析(1)等压过程：理想气体在等压膨胀过程中从外界_______热量，一部分用来_______气体内能，另一部分用来对外做功；在等压压缩过程中，向外界_______热量，_______的热量等于外界对气体做的功与气体内能减少量之和．吸收增加放出放出(2)等容过程：理想气体在等容过程中，从外界吸收的热量等于气体内能的_______，向外界放出的热量等于气体内能的_______．(3)等温过程：理想气体在等温过程中，从外界吸收的热量_______对外界做的功，向外界放出的热量_______外界对气体做的功．增加减少等于等于2．对于一个绝热过程，外界对物体做功20J，物体内能改变了多少？对于一个无做功的过程，若外界对物体传递20J的热量，物体内能改变了多少？能否说20J的功等于20J的热量？提示：无论外界对物体做功20J，还是外界给物体传递20J的热量，物体内能都增加20J，说明做功和热传递对改变内能是等效的，但不能说20J的功等于20J的热量，因为功与热量具有本质区别．三、能量守恒定律1．大量事实证明各种形式的能都可以相互转化，并且在转化过程中_______．2．能量守恒定律：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_______到另一个物体；在转化和转移的过程中其总量______．3．能量守恒定律是自然界最普遍、最重要的规律之一．它和细胞学说、达尔文的生物进化论一起称为19世纪自然科学的三大发现．守恒产生消失转化转移不变四、第一类永动机是不可能造成的1．第一类永动机：不需要任何_______或______却能不断对外______的机器．2．第一类永动机的设想由于违背了_______________，所以不可能制成．动力燃料做功能量守恒定律3．有一种“全自动”机械手表，即不需要上发条，也不用任何电源，却能不停地走下去．这是不是一种永动机？如果不是，你知道维持表针走动的能量是从哪儿来的吗？提示：不是永动机，手表戴在手上，手运动的能量一部分转化为手表的能量．对热力学第一定律的理解1．热力学第一定律不仅反映了做功和热传递这两种改变内能的过程是等效的，而且给出了内能的变化量和做功与热传递之间的定量关系，此定律应用时各量的单位应统一．2．公式ΔU＝Q＋W中的有关问题符号WQΔU＋外界对物体做功物体吸收热量内能增加－物体对外界做功物体放出热量内能减少一般情况下外界对物体做不做功，需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，W＜0.(2)若物体体积变小，外界对物体做功，W＞0.3．几种特殊情况(1)若过程是绝热的，则Q＝0，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.命题视角1用热力学第一定律定性分析密闭有空气的薄塑料瓶因降温而变扁，此过程中瓶内空气(不计分子势能)()A．内能减小，外界对其做功B．内能减小，吸收热量C．内能增大，对外界做功D．内能增大，放出热量[解析]密闭有空气的薄塑料瓶降温说明气体的内能减小，薄塑料瓶变扁说明外界对气体做功；由热力学第一定律可知，气体在变化过程中放出热量，所以选项A正确．[答案]A命题视角2用热力学第一定律进行定量计算如图所示是密闭的汽缸，外力推动活塞P压缩气体，对缸内气体做功500J，同时气体向外界放热100J，缸内气体的()A．温度升高，内能增加400JB．温度升高，内能减少400JC．温度降低，内能增加600JD．温度降低，内能减少600J[解析]由热力学第一定律可得ΔU＝W＋Q＝500J＋(－100J)＝400J，即缸内气体内能增加400J，气体温度升高，故选项A对，B、C、D错．[答案]A应用热力学第一定律解决问题的关键(1)要明确研究的对象是哪个物体或者说是哪个热力学系统．(2)应用热力学第一定律计算时，要依照符号法则代入数据，对结果的正、负也同样依照符号法则来解释其意义．命题视角3热力学第一定律与气体实验定律的综合应用如图所示，A、B两点表示一定质量的某种理想气体的两个状态，当气体从状态A变化到状态B时()A．气体内能一定增加B．气体压强变大C．气体对外界做功D．气体对外界放热[思路点拨](1)一定质量理想气体的内能由温度决定．(2)由pV＝C判断压强变化．(3)根据体积变化判断做功情况．(4)由热力学第一定律判断吸热还是放热．[解析]由题图可知，理想气体的变化为等温膨胀，气体压强减小，故气体的内能不变，气体对外做功；由热力学第一定律可知，气体一定从外界吸收热量．综上可知，C对，A、B、D错．[答案]C【通关练习】1．下列说法正确的是()A．物体放出热量，其内能一定减小B．物体对外做功，其内能一定减小C．物体吸收热量，同时对外做功，其内能可能增加D．物体放出热量，同时对外做功，其内能可能不变解析：选C.根据热力学第一定律(公式ΔU＝Q＋W)可知，做功和热传递都可以改变物体的内能，当外界对物体做的功大于物体放出的热量或物体吸收的热量大于物体对外做的功时，物体的内能增加，选项A、B错误，选项C正确；物体放出热量同时对外做功，则Q＋W0，内能减小，选项D错误．2.如图，一定质量的理想气体，由状态a经过ab过程到达状态b或者经过ac过程到达状态c.设气体在状态b和状态c的温度分别为Tb和Tc，在过程ab和ac中吸收的热量分别为Qab和Qac，则()A．TbTc，QabQacB．TbTc，QabQacC．Tb＝Tc，QabQacD．Tb＝Tc，QabQac解析：选C.由理想气体状态方程可知paVaTa＝pcVcTc＝pbVbTb，即2p0·V0Tc＝p0·2V0Tb，得Tc＝Tb，则气体在b、c状态内能相等，因a到b和a到c的ΔU相同；而a到c过程中气体体积不变，W＝0，a到b过程中气体膨胀对外做功，W＜0，根据热力学第一定律：ΔU＝Q＋W可知a到b的吸热Qab大于a到c的吸热Qac，即Qab＞Qac.选项C正确．能量守恒定律的理解与应用1．不同形式的能量之间的转化(1)自然界中能量的存在形式：物体运动具有机械能、分子热运动具有内能、电荷具有电能、原子核内部的运动具有原子能等，可见，在自然界中不同的能量形式与不同的运动形式相对应．(2)不同形式的能量之间的转化：“摩擦生热”是通过克服摩擦力做功将机械能转化为内能；水壶中的水沸腾时水蒸气对壶盖做功将壶盖顶起，表明内能转化为机械能；电流通过电热丝做功可将电能转化为内能；汽缸内燃油燃烧释放的内能通过燃气推动活塞做功而转化为机械能等．这些实例说明了不同形式的能量之间可以相互转化，且这一转化过程是通过做功来完成的．2．能量守恒定律的应用(1)能量守恒定律是支配整个自然界运动、发展、变化的普遍规律，热力学第一定律、机械能守恒定律都是能量守恒定律的具体体现．(2)能量守恒定律适用于任何物理现象和物理过程．(3)用能量守恒定律解题的方法①首先分析有哪几种形式的能在参与转化．分别列出增加的能量与减少的能量的表达式．②利用ΔE增＝ΔE减列式求解．如图所示，直立容器的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，气体内能的增量为ΔE，则()A．ΔE＝QB．ΔEQC．ΔEQD．ΔE＝0[思路点拨]先分析系统中哪些形式的能量发生变化，再由能量守恒定律判断．[解析]抽去隔板，加热气体，使两部分气体均匀分布，其重心升高，重力势能增加．由能量守恒定律知，增加的重力势能由内能转化而来，所以内能的增量小于吸收的热量，故选项B正确．[答案]B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，用能量守恒的观点求解．如图，容器A、B各有一个可以自由移动的轻活塞，活塞下面是水，上面是大气，大气压恒定．A、B的底部由带阀门K的管道相连，整个装置与外界绝热．原先A中水面比B中的高，打开阀门，使A中的水逐渐向B中流动，最后达到平衡．在这个过程中()A．大气压对水不做功，水的内能减少B．水克服大气压做功，水的内能减少C．大气压对水不做功，水的内能不变D．大气压对水不做功，水的内能增加解析：选D.打开阀门K，使A中的水逐渐流向B中，最后水面持平，A中水面下降hA，B中水面上升hB，相当于A中SAhA体积的水移到B中，且SAhA＝SBhB，这部分水的重心降低，重力对水做正功，重力势能减小了．大气压力做功情况是大气压对A容器中的水做正功，对B容器中的水做负功．所以，大气压力对水做的总功为p0SAhA－p0SBhB，由于SAhA＝SBhB，所以大气压对水做的总功为零，又由于系统绝热，与外界没有热交换，只有水重力做功，重力势能转化为内能，故选项D正确．