第三章 热力学定律\n2．热力学第一定律3．能量守恒定律\n课前预习反馈课内互动探究课堂达标检测目标体系构建核心素养提升\n目标体系构建\n【学习目标】1．能以系统为研究对象，用综合分析的方法推导出热力学第一定律。2．能运用热力学第一定律解释和计算能量的转化、转移问题。3．理解能量守恒定律，知道第一类永动机是不可能实现的。\n【思维脉络】\n课前预习反馈\n1．改变内能的两种方式做功与________。两者在改变系统内能方面是__________。2．热力学第一定律(1)内容：一个热力学系统的内能变化量等于外界向它传递的______与外界对它____________的和。(2)表达式：________________。注意：热力学第一定律的数学表达式也适用于物体对外界做功、向外界传热和内能减少的情况。传热知识点1热力学第一定律等价的热量所做的功ΔU＝Q＋W\n1．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________为其他形式，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各种形式的能可以相互________。②各种互不相关的物理现象可以用____________定律联系在一起。产生知识点2能量守恒定律消失转化转移总量转化能量守恒\n1．永动机：不需要任何动力或燃料，却能不断地____________的机器。2．永动机不可能制成的原因：违背了____________定律。3．意义：正是历史上设计永动机的________，才使后人的思考走上了正确的道路。对外做功知识点3永动机不可能制成能量守恒失败\n思考辨析『判一判』(1)某个物体的能量减少，必然有其他物体的能量增加。()(2)石子从空中落下，最后停止在地面上，说明机械能消失了。()(3)能量既可以转移又可以转化，故能的总量是可以变化的。()(4)违背能量守恒定律的过程是不可能发生的。()(5)ΔU＝W＋Q。该式表示的是功、热量跟内能改变之间的定量关系，在物理学中叫作热力学第一定律。()√××√√\n『选一选』如图所示是古人锻造铁器的过程，关于改变物体内能的方式，下列说法正确的是()A．加热和锻打属于热传递，淬火属于做功B．加热属于热传递，锻打和淬火属于做功C．加热和淬火属于热传递，锻打属于做功D．加热和淬火属于做功，锻打属于热传递C\n解析：用铁锤锻打铁器，铁器会发热，属于做功改变物体内能；用火对铁器加热，铁器从火中吸收热量，把铁器放在水中淬火，铁器向水中放热，所以加热和淬火属于热传递改变物体内能，故选项C正确。\n『想一想』有一种所谓“全自动”机械手表，既不需要上发条，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？答案：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(动能)。\n课内互动探究\n探究对热力学第一定律的理解情景导入(1)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？\n(2)一根金属丝经过某一物理过程，温度升高了，除非事先知道，否则根本无法判定是通过做功的方法，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价的，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？提示：(1)都增加10J。(2)系统内能的增量ΔU＝Q＋W。\n1．对ΔU＝W＋Q的理解热力学第一定律将单纯的绝热过程和单纯的热传递过程中内能改变的定量表述推广到一般情况，既有做功又有热传递的过程，其中ΔU表示内能改变的数量，W表示做功的数量，Q表示外界与物体间传递的热量。要点提炼\n2．与热力学第一定律相匹配的符号法则做功W热量Q内能的改变ΔU取正值“＋”外界对系统做功系统从外界吸收热量系统的内能增加取负值“－”系统对外界做功系统向外界放出热量系统的内能减少\n3．几种特殊情况(1)若过程是绝热的，即Q＝0，则ΔU＝W，物体内能的增加量等于外界对物体做的功。(2)若过程中不做功，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)若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)。\n4．判断是否做功的方法一般情况下外界对物体做功与否，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)若物体体积减小，表明外界对物体做功，W＞0。\n(1)当做功和热传递同时发生时，物体的内能可能增加，也可能减小，还可能保持不变。(2)物体内能发生变化可能是由做功引起的，也可能是由热传递引起的，还可能是两者共同作用的结果。特别提醒\n(2020·北京高三模拟卷1)如图，一定质量的理想气体从状态a开始，经历状态b、c到达状态d，已知一定质量的理想气体的内能与温度满足U＝kT(k为常数)。该气体在状态a时温度为T0，求：典例1典例剖析①气体在状态d时的温度；②气体从状态a到达状态d过程从外界吸收的热量。\n解题指导：①由a到d气体发生等压变化，由盖－吕萨克定律可以求出气体的温度；②求出气体由a到d做的功，然后应用热力学第一定律求出从外界吸收的热量。答案：①Td＝3T0②Q＝2kT0＋6p0V0\n1．如图是封闭的气缸，内部封闭有一定质量的理想气体。外力推动活塞P压缩气体，对汽缸内气体做功800J，同时气体向外界放热200J，则汽缸内气体的()A．温度升高，内能增加600JB．温度升高，内能减少200JC．温度降低，内能增加600JD．温度降低，内能减少200J对点训练A\n解析：由热力学第一定律：ΔU＝W＋Q得ΔU＝800J＋(－200J)＝600J，一定质量的理想气体的内能大小只与温度有关，ΔU＝600J＞0，故温度一定升高，A选项正确。方法总结：应用热力学第一定律解题的思路与步骤(1)首先应明确研究对象是哪个物体或者是哪个热力学系统。(2)分别列出物体(或系统)吸收或放出的热量；外界对物体(或系统)所做的功或物体(或系统)对外所做的功。(3)根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W列出方程进行求解。(4)特别注意物理量的正负号及其物理意义。\n探究对能量守恒定律的理解情景导入请思考：(1)下面的永动机能实现吗？(2)热力学第一定律与能量守恒定律是什么关系？\n提示：(1)不能，违反了能量守恒定律。(2)能量守恒定律是各种形式的能相互转化或转移的过程，总能量保持不变，它包括各个领域，其范围广泛。热力学第一定律是物体内能与其他形式的能之间的相互转化或转移，是能量守恒定律的具体体现。\n1．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，机械能转化为内能要点提炼\n2．守恒条件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，必须是只有重力做功；而能量守恒定律是没有条件的，它是一切自然界现象都遵守的基本规律。\n3．能量守恒定律的重要意义(1)找到了各种自然现象的公共量度——能量，从而把各种自然现象用能量规律联系起来，揭示了自然规律的多样性和统一性。(2)突破了人们关于物质运动的机械观念的范围，从本质上表明了各种运动形式之间相互转化的可能性。能量守恒定律比机械能守恒定律更普遍，它是物理学中解决问题的重要思维方法。能量守恒定律与电子的发现、达尔文的进化论并称19世纪自然科学中三大发现，其重要意义由此可见。(3)具有重大实践意义，即彻底粉碎了永动机的幻想。\n(1)能量守恒定律是一个自然界中普遍适用的规律，凡是遇到涉及能量的转化和转移问题时可优先考虑使用其解决。(2)层出不穷的永动机设计方案，由于违背了能量守恒定律，无一例外地宣布失败，人类制造永动机的企图是没有任何成功希望的。特别提醒\n如图所示，密闭绝热容器内有一绝热的具有一定质量活塞，活塞的上部封闭着气体，下部为真空，活塞与器壁间的摩擦忽略不计。置于真空中的轻弹簧一端固定于容器的底部，另一端固定在活塞上，弹簧被压缩后用绳扎紧，此时弹簧的弹性势能为Ep(弹簧处在自然长度时的弹性势能为零)。典例2典例剖析\n现绳突然断开，弹簧推动活塞向上运动，经过多次往复运动后活塞静止，气体达到平衡状态。经过此过程()A．Ep全部转换为气体的内能B．Ep一部分转换成活塞的重力势能，其余部分仍为弹簧的弹性势能C．Ep全部转换成活塞的重力势能和气体的内能D．Ep一部分转换成活塞的重力势能，一部分转换为气体的内能，其余部分仍为弹簧的弹性势能D\n解题指导：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。\n解析：当绳子突然断开时，活塞受弹簧的弹力F、活塞的重力G、封闭气体对活塞向下的压力F′共同作用，如图所示，其合力向上，经多次往复运动后活塞静止时，活塞处于三力平衡状态，气体体积必减小，外力对气体做正功，由于绝热，气体的内能增加，而活塞最终的静止位置比初始位置高，其重力势能增加，最终弹力与另外两个力的合力平衡，弹簧仍有形变。设最终弹簧的弹性势能为Ep′，由能量守恒定律得Ep＝Ep′＋活塞增加的重力势能＋气体增加的内能，所以D选项正确。\n2．柴油在柴油机的气缸中燃烧，产生高温高压的气体，燃料的化学能转化为气体的内能，高温高压的气体推动活塞做功，气体的内能又转化为柴油机的机械能，燃烧相同的柴油，输出的机械能越多，柴油机越节能。有经验的柴油机维修师傅，不用任何仪器，只要将手伸到柴油机排气管附近，去感知一下尾气的温度，就能够判断出这台柴油机是否节能。对点训练\n真是“行家伸伸手，就知有没有”，关于尾气的温度跟柴油机是否节能之间的关系，下列说法中正确的是()A．尾气的温度越低，柴油机越节能B．尾气的温度越高，柴油机越节能C．尾气的温度高低与柴油机是否节能无关D．以上说法均不正确解析：高温高压的燃气推动活塞向下运动，对活塞做功，燃气的内能大部分转化为活塞的机械能，在做功的过程中，内能转化为活塞的机械能越多，尾气的温度越低，柴油机越节能，故A正确，BCD错误。A\n核心素养提升\n永动机不可能制成1．第一类永动机人们把设想中的不消耗能量的机械叫作第一类永动机，第一类永动机是不可能制成的。2．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U2＜U1，则W＜0，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。\n如图所示，一演示用的“永动机”转轮由5根轻杆和转轴构成，轻杆的末端装有用形状记忆合金制成的叶片。轻推转轮后，进入热水的叶片因伸展而“划水”，推动转轮转动。离开热水后，叶片形状迅速恢复，转轮因此能较长时间转动。案例\n下列说法正确的是()A．转轮依靠自身惯性转动，不需要消耗外界能量B．转轮转动所需能量来自形状记忆合金自身C．转动的叶片不断搅动热水，水温升高D．叶片在热水中吸收的热量一定大于在空气中释放的热量解析：形状记忆合金进入水后受热形状发生改变而搅动热水，由能量守恒知能量来源于热水，故A、B、C错；由能量守恒知，叶片吸收的能量一部分转化成叶片的动能，一部分释放于空气中，故D对。D\n课堂达标检测\n1．(2020·北京市高三学业水平等级考)如图所示，一定质量的理想气体从状态a变化到状态b，其过程如p－V图中从a到b的直线所示。在此过程中()A．气体温度一直降低B．气体内能一直减小C．气体一直对外做功D．气体一直向外界放热C\n\n2．(2021·江苏省新沂市润新学校高三下学期月考)如图所示，绝热容器中封闭一定质量的理想气体，现通过电热丝缓慢加热，当气体吸收热量Q时，活塞恰好缓慢上移H，已知活塞横截面积为S，重量忽略不计，大气压强为p0，求封闭气体内能增加量。答案：Q－p0SH解析：加热过程中气体做等压变化，封闭气体压强为p＝p0，气体对外做功为W＝p0SH由热力学第一定律知内能的增加量为ΔU＝Q－W＝Q－p0SH\n3．(2021·重庆一中高二下学期期中)如图所示，一定质量的理想气体经历了A→B→C→D→A的循环，该过程每个状态都视为平衡态，各状态参数如图所示。A状态的压强为pA＝1.2×105Pa，求：(1)B状态的温度TB；(2)C状态压强pC；(3)完成一个循环，气体与外界热交换的热量是多少？是吸热还是放热？答案：(1)600K(2)3×105Pa(3)180J放热\n\n(3)理想气体从A状态到B状态的过程中，外界对气体做功W1＝－pA(VA－VB)解得：W1＝－120J；气体从B状态到C状态过程中，体积不变，外界对气体做功为零；从C状态到D状态的过程中，外界对气体做功W2＝pC(VC－VD)，解得W2＝300J；从D状态到A状态过程中，体积不变，外界对气体做功为零；\n一次循环过程中外界对气体所做的总功W＝W1＋W2＝180J理想气体从A状态完成一次循环，回到A状态，始末温度不变，所以内能不变根据热力第一定律ΔU＝W＋Q，解得Q＝－180J故完成一个循环，气体对外界放热180J。
