高中物理选修3-3第十章第47讲 热力学定律 能量守恒.doc

第47讲　热力学定律　能量守恒
　考情 剖析　

(注：①考纲要求及变化中Ⅰ代表了解和认识，Ⅱ代表理解和应用；②命题难度中的A代表容易，B代表中等，C代表难)
考查内容
考纲要求
及变化
考查年份
考查形式
考查详情
考试层级
命题难度
热力学
第一定
律
Ⅰ

09年
填空
考查热力学第一定律公式ΔU＝Q＋W的应用

10年
填空
考查热力学第一定律公式ΔU＝Q＋W的应用

11年
选择
考查对第二类永动机的了解以及功能间的转化和转移

12年
计算
以理想气体等压变化为背景，考查热力学第一定律公式ΔU＝Q＋W的应用
重点
A或B

小结
及
预测
1.小结：热力学第一定律以选择题、填空题和计算题的形式进行考查，侧重考查对热力学第一定律的理解及对其公式的应用．
2．预测：此知识点每年均会考查1次，预测14年会考查．
3．复习建议：建议复习时重点掌握热力学第一定律的内容，注重ΔU＝Q＋W公式的应用

知识 整合　

1．(1)系统只由于外界对它做功而与外界交换能量，它不从外界________，也不向外界________，这样的过程叫做绝热过程．
(2)当系统从状态1经过绝热过程到达状态2时，内能的增加量ΔU＝U2－U1就等于________________，即________．当系统从状态1经过单纯的传热达到状态2，内能的增量ΔU＝U2－U1就等于________________，即________．
(3)改变物体内能的方式：________和________．从效果上看，两种方式是等效的．但是有本质的区别：______________，
________________.
2．(1)热力学第一定律：一个热力学系统的内能增量等于________，这个关系叫做热力学第一定律，数学表达式为________________．
(2)能量守恒定律：能量既不会________，也不会________，它只能从____________，或者从________________，在________的过程中其总量不变．
(3)对能量守恒定律的理解及应用
①自然界中能量的存在形式：物体运动具有动能、分子运动具有分子动能、电荷运动具有电能、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可以相互转化，且这一转化过程是通过做功来完成的．
③某种形式的能减少，一定有其他形式的能增加，且减少量和增加量一定相等．
④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相等．
⑤在利用能量守恒定律解题时，要注意先搞清楚过程中有几种形式的能在转化或转移，分析初、末状态，确定ΔE增、ΔE减各为多少，再由ΔE增＝ΔE减列式计算．
3．能源的利用
(1)存在能量耗散和________________．
(2)重视利用能源时对________________的影响．
(3)要开发新能源(如________、生物质能、风能、水流能等)

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热量与外界对它所做的功的和．
(2)表达式：W＋Q＝ΔU.
(3)W、Q、ΔU的“＋、－”号法则
物理量意义符号
W
Q
ΔU
＋
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

(4)三种特殊情况

解题方法：
运用热力学第一定律确定气体内能的变化，既要分析做功又要分析热传递，一般情况下，我们可以根据气体体积膨胀还是压缩来确定气体对外界做功还是外界对气体做功，而体积变化往往要根据状态参量之间的关系来确定．吸热、放热则不能根据温度的变化来确定，对于理想气体，可以直接根据温度的变化来确定内能的变化．吸、放热不能直接确定时，则要放在最后，根据热力学第一定律来确定，必须指出的是，一般来说系统对外界做功，表现出系统体积膨胀；外界对系统做功，系统体积则被压缩，但在某些特定条件下，例如气体自由膨胀(外界为真空时)，气体就没有克服外力做功．另外，在判断内能变化时，还必须结合物态变化以及能的转化与守恒来进行．
【典型例题1】 在温度均匀的液体中，一个小气泡由液体的底层缓慢地升到液面，上升过程中气泡的体积不断地增大，如将泡内气体看作理想气体，则气泡在浮起的过程中(　　)
　A．放出热量
B．吸收热量
C．不吸热也不放热
D．无法判断
温馨提示
解决有关热力学第一定律问题的思路：分析题干确定内能改变的方式(Q、W)→判断W、Q的符号→代入公式ΔU＝Q＋W→得出结论．
记录空间

【变式训练1】 一定质量的气体吸热膨胀，保持压强不变，关于此过程中的下列说法正确的是(　　)
A．气体的内能一定增加，吸收的热小于内能的增量
B．气体的内能一定减小，吸收的热大于内能的增量
C．气体的内能一定增加，吸收的热一定大于内能的增量
D．不能确定
【变式训练2】 对一定量的理想气体(不计分子势能)，下列看法正确的是(　　)
A．温度不变而压强增大，则气体对外做功
B．体积不变而压强减小，则内能增大
C．压强不变而内能增加，则气体吸热
D．分了热运动加剧而体积不变，则压强减小
【典型例题2】 如图所示，内壁光滑的圆柱形气缸竖直固定在水平地面上，气缸开口向上，用面积为0.01 m2的活塞密封了一定质量的空气，在活塞的上方竖直固定一支架，在支架的O点通过细线系一质量为m＝8 kg的小球，球心到O点的距离为L＝2 m．活塞与支架的总质量为M＝12 kg，已知当地的重力加速度g取10 m/s2，大气压强p0＝1.0×105 Pa，气缸和活塞都是绝热的．现将细线拉直到水平，稳定后由静止释放小球，当小球第一次运动到最低点时，小球的瞬时速度为v＝7 m/s，而活塞下降了h＝0.2 m，且恰好速度为零．求小球由静止释放到第一次运动到最低点的过程中气缸中的气体增加的内能ΔE.

温馨提示
此题作答时，应认真分析气缸内空气的受力情况，并注意题中条件如绝热，则无热传递．
记录空间

【变式训练3】 某汽车后备箱内安装有撑起箱盖的装置，它主要由气缸和活塞组成．开箱时，密闭于气缸内的压缩气体膨胀，将箱盖顶起，如图所示．在此过程中，若缸内气体与外界无热交换，忽略气体分子间相互作用，则缸内气体(　　)

A．对外做正功，分子的平均动能减小
B．对外做正功，内能增大
C．对外做负功，分子的平均动能增大
D．对外做负功，内能减小
随堂 演练　

1．一定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
2．对一定质量的理想气体，下列说法正确的是(　　)
A．在体积不断增大的过程中，气体一定对外界做功
B．在压强不断增大的过程中，外界一定对气体做功
C．在体积不断被压缩的过程中，内能一定增加
D．在与外界没有发生热交换的过程中，内能一定不变
3．在轮胎爆裂这一短暂过程中，关于轮胎内的气体，下列叙述正确的是(　　)
A．气体膨胀，温度不变
B．气体膨胀，温度升高
C．气体膨胀，温度降低
D．压强不变，内能增大
4．如图所示为某种椅子与其升降部分的结构示意图，M、N两筒密闭了一定质量的气体，M可沿N的内壁上下滑动，设筒内气体不与外界发生热交换，在M向下滑动的过程中(　　)
第4题图

A．外界对气体做功，气体内能增大
B．外界对气体做功，气体内能减小
C．气体对外界做功，气体内能增大
D．气体对外界做功，气体内能减小
5．如图是密闭的汽缸，外力推动活塞P压缩气体，对缸内气体做功800 J，同时气体向外界放热200 J，缸内气体的(　　)

第5题图
A．温度升高，内能增加600 J
B．温度升高，内能减少200 J
C．温度降低，内能增加600 J
D．温度降低，内能减少200 J
6．下列说法中正确的是(　　)
A．满足能量守恒定律的客观过程并不是都可以自发地进行的
B．一切宏观热力学过程都具有方向性
C．制冷系统将冰箱内温度较低的食品的热量传给外界较高温度的空气，这违反了“热量只能从温度较高的物体传到温度较低的物体”的规律
D．电冰箱从箱内温度较低的食品吸收的热量等于冰箱向外界空气释放的热量
7．如图所示的p－V图中，一定质量的理想气体由状态A经过ACB过程至状态B，气体对外做功280 J，吸收热量410 J；气体又从状态B经BDA过程回到状态A，这一过程中外界对气体做功200 J，求：
(1)ACB过程中气体的内能是增加还是减少，变化量是多少；
(2)BDA过程中气体是吸热还是放热，吸收或放出的热量是多少．

第7题图

8．如图所示，质量可忽略不计的活塞将一定质量的理想气体密封在汽缸中，开始时活塞距汽缸底高度h1＝0.40 m．现缓慢给气体加热，活塞上升到距离汽缸底h2＝0.60 m处，已知活塞面积S＝5.0×10－3 m2，大气压强p0＝1.0×105 Pa，不计活塞与汽缸之间的摩擦．给气体加热的过程中是，气体膨胀对外做功，同时吸收Q＝420 J的热量，则气增加的内能ΔU多大．

第8题图

第47讲　热力学定律
能量守恒
知识整合
基础自测
1．(1)吸热　放热　(2)外界对系统做的功W　ΔU＝W　外界向系统传递的热量Q　ΔU＝Q　(3)做功　热传递　做功是其他形式能与内能的转化　热传递是不同物体间内能的转移
　2.(1)外界对系统做的功与外界传递给系统的热量之和　ΔU＝W＋Q　(2)凭空产生　凭空消失　一种形式转化为另一种形式　一个物体转移到别的物体　转化或转移
　3.(1)品质下降　(2)环境　(3)太阳能
重点阐述
【典型例题1】 在温度均匀的液体中，一个小气泡由液体的底层缓慢地升到液面，上升过程中气泡的体积不断地增大，如将泡内气体看作理想气体，则气泡在浮起的过程中(　　)
　A．放出热量
B．吸收热量
C．不吸热也不放热
D．无法判断
【答案】　B　【解析】 由热力学第一定律ΔU＝Q＋W由小气泡不变增大外界对气体做负功，又因为是恒温液体中所以ΔU＝0，Q＞0应该吸收热量故选B.
变式训练1　C　【解析】 由理想气体状态方程＝c(常量)可知，当压强p不变，气体吸热膨胀即V增大时，气体的温度T一定增大，所以气体的内能一定增加，根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W可知，ΔU＞0，W＜0时，Q＝ΔU－W＞ΔU，所以气体吸收的热一定大于内能的增量．本题答案为C.
变式训练2　C　【解析】 一定质量的理想气体的内能只与温度有关，温度越高，内能越大，温度越低，内能越小；若温度不变而压强增大，气体做等温变化，由pV＝c(常量)可知，气体的体积减小，所以外界对气体做功，选项A错误；若体积不变而压强减小，气体做等容变化，根据＝c(常量)可知，温度减小，所以气体内能减小，选项B错误；若压强不变而内能增加，说明气体温度增加，又由＝c(常量)可知，气体体积增大，气体对外做了功，根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W及ΔU＞0，W＜0，可知Q＞0，即气体吸热，选项C正确；若分子热运动加剧而体积不变，说明气体温度升高，气体做等容变化，根据＝c(常量)可得．
【典型例题2】 如图所示，内壁光滑的圆柱形气缸竖直固定在水平地面上，气缸开口向上，用面积为0.01 m2的活塞密封了一定质量的空气，在活塞的上方竖直固定一支架，在支架的O点通过细线系一质量为m＝8 kg的小球，球心到O点的距离为L＝2 m．活塞与支架的总质量为M＝12 kg，已知当地的重力加速度g取10 m/s2，大气压强p0＝1.0×105 Pa，气缸和活塞都是绝热的．现将细线拉直到水平，稳定后由静止释放小球，当小球第一次运动到最低点时，小球的瞬时速度为v＝7 m/s，而活塞下降了h＝0.2 m，且恰好速度为零．求小球由静止释放到第一次运动到最低点的过程中气缸中的气体增加的内能ΔE.

【答案】　204J　【解析】　根据热力学第一定律可知ΔE＝W＋Q
　小球由静止释放到第一次运动到最低点的过程中外界对气体做的功：
　W＝p0Sh＋Mgh＋mg(L＋h)－mv2
　由于气缸是绝热的，所以有Q＝0
　可得气缸中气体增加的内能
　ΔE＝p0Sh＋Mgh＋mg(L＋h)－mv2
　代入数据得ΔE＝204J.
变式训练3　A　【解析】 缸内气体与外界无热交换，说明Q＝0，又根据缸内气体膨胀，所以是缸内气体对外做正功，W＜0，根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W可知，气体的内能ΔU＜0，即内能减小，所以气体温度减小，分子平均动能减小，显然，只有选项A正确．
随堂演练
　1.D　【解析】 理想气体的内能仅用温度来衡量，由热力学第一定律ΔU＝W＋Q可知，ΔU＝1.5×104J，即气体内能增加，故温度升高．因对外做功，体积膨胀，故密度减小．故选D.
　2.A　【解析】 当气体体积增大时，气体对外界做功，当气体体积减小时，外界对气体做功，故A选项正确；根据＝常数，p增大时，V不一定变化，故B选项错误；在V减小的过程中，可能向外界放热，根据ΔE＝W＋Q可知，内能不一定增大，故C选项错误；Q＝0的过程中，W不一定为0，故D选项错误．
　3.C　【解析】 气体膨胀，对外做功，短时间内无吸热，所以气体温度降低，C正确．
　4.A　【解析】 由热力学第一定律ΔU＝Q＋W，Q＝0，W＞0，ΔU＞0，选A.
　5.A　【解析】 由热力学第一定律知：由W＋Q＝ΔU得：ΔU＝800J＋(－200J)＝600J，B、D错，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，C错．
　6.AB　【解析】 由热力学第二定律可知不可能使热量由低温物体传到高温物体而不引起其他变化，所以A、B正确．
　7.(1)增加　130J　(2)放热　330J　【解析】 (1)ACB过程中W1＝－280J，Q1＝410J，由热力学第一定律得UB－UA＝W1＋Q1＝130J，故ACB过程中气体的内能增加了130J.(2)因为一定质量的理想气体的内能只与温度有关，BDA过程中气体内能的变化量UA－UB＝－130J，由题意知W2＝200J，由热力学第一定律得UA－UB＝W2＋Q2，代入数值解得　Q2＝－330J，即BDA过程中气体放出热量330J.
　8.320J　【解析】 外界对气体做功为：
W＝－p0(h2－h1)S＝－p0ΔV＝－100J，由热力学第一定律得：
ΔU＝W＋Q＝320J选修3－4