第5章第1节 热力学第一定律.docx
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第5章第1节热力学第一定律
第1节 热力学第一定律
第2节 能量的转化与守恒
[目标定位]
1.掌握热力学第一定律,并会应用于解决相关问题.
2.理解能量守恒定律,知道能量守恒定律是自然界普遍遵从的基本规律.
3.知道第一类永动机不可能制成的原因.
一、热力学第一定律及应用
1.改变物体内能的两种方式:
和.
2.功、热量和内能改变的关系:
(1)如果物体与外界无热传递,外界对物体做功,物体的内能;物体对外做功,物体的内能.
(2)如果物体既不对外做功,外界也不对物体做功,则物体从外界吸收热量时,它的内能;物体向外放出热量时,它的内能
3.热力学第一定律:
(1)内容:
物体内能的增加量ΔU等于外界对物体与物体从外界之和.
(2)表达式:
ΔU=.
4.热力学第一定律的意义:
(1)内能的变化必然伴随有或
(2)一切涉及热现象的宏观过程中,能量可以发生或,此过程中总能量守恒.
二、第一类永动机
1.定义:
不消耗而能永远对外做功的机器.
2.热力学第一定律的另一表述:
第一类永动机是的.
三、能量守恒定律及其应用
1.内容:
能量既不会消失,也不会创生,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,而能量的总值
2.意义:
揭示了自然科学各个分支之间的普遍联系,是自然界内在的第一个有力证据.
3.应用:
(1)各种形式的能量可以转化,在转化过程中,自然界能量的
(2)能量在转化过程中总伴有的损失.
(3)除核能以外,人类利用的能量都来源于
一、热力学第一定律的理解和应用
1.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.
2.对公式ΔU、Q、W符号的规定:
名称
做功
热量
内能的改变
符号
W
Q
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
3.应用热力学第一定律解题的一般步骤:
(1)首先选定研究对象是哪个物体或哪个热力学系统.
(2)根据符号法则写出各已知量(W、Q、ΔU)的正、负.
(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.
【例1】 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?
借题发挥 应用热力学第一定律解题的一般步骤
(1)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)特别应注意的就是物理量的正、负号及其物理意义.
针对训练 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,则下列各式中正确的是( )
A.W=8×104J,ΔU=1.2×105J,Q=4×104J
B.W=8×104J,ΔU=-1.2×105J,Q=-2×105J
C.W=-8×104J,ΔU=1.2×105J,Q=2×104J
D.W=-8×104J,ΔU=-1.2×105J,Q=-4×104J
二、气体实验定律和热力学第一定律的结合
1.判断对气体做功正、负的方法:
(1)若气体体积增大,表明气体对外界做功,W<0.
(2)若气体体积变小,表明外界对气体做功,W>0.
2.几种常见的气体变化过程:
(1)绝热过程:
过程是绝热的,则Q=0,W=ΔU,外界对物体做功等于物体内能的增加.
(2)等容过程:
过程是不做功,则W=0,则Q=ΔU,物体吸收的热量等于物体内能的增加.
(3)等温过程:
在过程的始、末状态,物体的内能不变,即ΔU=0,则W+Q=0或W=-Q,表示吸收的热量全部用来做功或外界对气体所做的功全部转换为热量放出.
图5-1、2-1
【例2】 如图5-1、2-1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.
三、能量守恒定律
1.不同形式的能量之间可以相互转化
(1)各种运动形式都有对应的能,如机械运动对应机械能,分子热运动对应内能等.
(2)不同形式的能量之间可以相互转化,如“摩擦生热”机械能转化为内能,“电炉取热”电能转化为内能等.
2.能量守恒定律及意义
各种不同形式的能之间相互转化时保持总量不变.
意义:
一切物理过程都适用,比机械能守恒定律更普遍,是19世纪自然科学的三大发现之一.
3.第一类永动机是不可能制成的
不消耗能量能源源不断地对外做功的机器,叫第一类永动机,其前景是诱人的.
因为第一类永动机违背了能量守恒定律(或热力学第一定律),所以无一例外地归于失败.
图5-1、2-2
【例3】 如图5-1、2-2所示,直立容器内部被隔板隔开的A、B两部分气体,A的密度小,B的密度大,加热气体,并使两部分气体混合均匀,设此过程中气体吸热为Q,气体内能的增量为ΔU,则( )
A.ΔU=QB.ΔU C.ΔU>QD.无法比较 【例4】 第一类永动机是不可能制成的,这是因为第一类永动机( ) A.不符合机械能守恒定律 B.违背了能量转化与守恒定律 C.没有合理的设计方案 D.找不到合适的材料 热力学第一定律的理解和应用 1.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 2.一定量的气体从外界吸收了2.6×105J的热量,内能增加了4.2×105J. (1)是气体对外界做了功,还是外界对气体做了功? 做了多少焦耳的功? (2)如果气体吸收的热量仍为2.6×105J不变,但是内能增加了1.6×105J,计算结果W=-1.0×105J,是负值,怎样解释这个结果? (3)在热力学第一定律ΔU=W+Q中,W,Q和ΔU为正值、负值各代表什么物理意义? 能量守恒定律的理解和应用 3.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 气体实验定律和热力学第一定律的结合 4.如图5-1、2-3所示,导热材料制成的截面积相等,长度均为45cm的气缸A、B通过带有阀门的管道连接.初始时阀门关闭,厚度不计的光滑活塞C位于B内左侧,在A内充满压强pA=2.8×105Pa的理想气体,B内充满压强pB=1.4×105Pa的理想气体,忽略连接气缸的管道体积,室温不变,现打开阀门,求: 图5-1、2-3 (1)平衡后活塞向右移动的距离和B中气体的压强; (2)自打开阀门到平衡,B内气体是吸热还是放热(简要说明理由). (时间: 60分钟) 题组一 热力学第一定律的应用 1.关于物体内能的变化情况,下列说法中正确的是( ) A.吸热的物体,其内能一定增加 B.体积膨胀的物体,其内能一定减少 C.放热的物体,其内能也可能增加 D.绝热压缩的物体,其内能一定增加 2.下列过程可能发生的是( ) A.物体吸收热量,对外做功,同时内能增加 B.物体吸收热量,对外做功,同时内能减少 C.外界对物体做功,同时物体吸热,内能减少 D.外界对物体做功,同时物体放热,内能增加 3.如图5-1、2-4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800J,同时气体向外界放热200J,缸内气体的( ) A.温度升高,内能增加600J B.温度升高,内能减少200J C.温度降低,内能增加600J D.温度降低,内能减少200J 4.给旱区送水的消防车停于水平地面,在缓慢放水过程中,若车胎不漏气,胎内气体温度不变,不计分子间势能,则胎内气体( ) A.从外界吸热B.对外界做负功 C.分子平均动能减小D.内能增加 题组二 气体实验定律与热力学第一定律的结合 5.如图5-1、2-5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过程中,筒内空气体积减小,空气一定( ) 图5-1、2-5 A.从外界吸热B.内能增大 C.向外界放热D.内能减小 6.(2014·广东理综)用密封性好、充满气体的塑料袋包裹易碎品,如图5-1、2-6所示,充气袋四周被挤压时,假设袋内气体与外界无热交换,则袋内气体( ) 图5-1、2-6 A.体积减小,内能增大 B.体积减小,压强减小 C.对外界做负功,内能增大 D.对外界做正功,压强减小 7.如图5-1、2-7所示,一绝热容器被隔板K隔开成a,b两部分.已知a内有一定量的稀薄气体,b内为真空.抽开隔板K后,a内气体进入b,最终达到平衡状态.在此过程中( ) 图5-1、2-7 A.气体对外界做功,内能减少 B.气体不做功,内能不变 C.气体压强变小,温度降低 D.气体压强变小,温度不变 图5-1、2-8 8.如图5-1、2-8所示,a,b,c,d表示一定质量的理想气体状态变化过程中的四个状态,图中ad平行于横坐标轴,dc平行于纵坐标轴,ab的延长线过原点,以下说法正确的是( ) A.从状态d到c,气体不吸热也不放热 B.从状态c到b,气体放热 C.从状态a到d,气体对外做功 D.从状态b到a,气体吸热 题组三 能量转化与守恒定律 9.一颗子弹以某一水平速度击中了静止在光滑水平面上的木块,并从中穿出.对于这一过程,下列说法中正确的是( ) A.子弹减少的机械能等于木块增加的机械能 B.子弹减少的动能等于木块增加的动能 C.子弹减少的机械能等于木块增加的动能与木块增加的内能之和 D.子弹减少的动能等于木块增加的动能与子弹和木块增加的内能之和 10.汽车关闭发动机后,沿斜面匀速下滑的过程中( ) A.汽车的机械能守恒 B.汽车的动能和势能相互转化 C.汽车的机械能转化成内能,汽车的总能量减少 D.汽车的机械能逐渐转化为内能,汽车的总能量守恒 11.一物体获得一定初速度后,沿着一粗糙斜面上滑,在上滑过程中,物体和斜面组成的系统( ) A.机械能守恒B.总能量守恒 C.机械能和内能增加D.机械能减少,内能增加 题组四 综合应用 12.如图5-1、2-9所示,一定质量的理想气体从状态A先后经过等压、等容和等温过程完成一个循环,A、B、C状态参量如图所示,气体在状态A的温度为27℃,求: 图5-1、2-9 (1)气体在状态B的温度TB; (2)气体从A→B→C状态变化过程中与外界交换的总热量Q. 图5-1、2-10 13.如图5-1、2-10是用导热性能良好的材料制成的气体实验装置,开始时封闭的空气柱长度为22cm,现用竖直向下的外力F压缩气体,使封闭的空气柱长度为2cm,人对活塞做功100J,大气压强为p0=1×105Pa,不计活塞的重力.问: (1)若用足够长的时间缓慢压缩,求压缩后气体的压强多大? (2)若以适当的速度压缩气体,向外散失的热量为20J,则气体的内能增加多少? (活塞的横截面积S=1cm2) 参考答案 一、1.做功,热传递. 2. (1)增加;减小. (2)增加;减少. 3. (1)所做的功W,吸收的热量Q (2)W+Q. 4. (1)做功,热传递. (2)转移,转化 二、1.任何能量2.不可能实现. 三、1.转化,转移,保持不变.2.统一性 3. (1)总和不变. (2)内能(3太阳能. 【例1】 答案 5×104J 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. 针对训练 答案 B 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,B选项正确. 【例2】答案 (1)Q-0.1p0SL+0.1LG (2)1.1T0 解析 (1)密封气体的压强p=p0-(G/S) 密封气体对外做功W=pS×0.1L 由热力学第一定律ΔU=Q-W 得ΔU=Q-0.1p0SL+0.1LG (2)该过程是等压变化,由盖·吕萨克定律有 = 解得T=1.1T0 【例3】 答案 B 解析 因A部分气体密度小,B部分气体密度大,以整体气体为研究对象,开始时,气体的重心在中线以下,混合均匀后,气体的重心应在中线上,所以有重力做负功,使气体的重力势能增大,由能量守恒定律可知,吸收的热量Q有一部分增加气体的重力势能,另一部分增加内能.故正确答案为B. 【例4】答案 B 1.答案 C 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,内能也不一定增大,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;放出热量,同时对外做功,内能一定减少,D错误. 2.答案 见解析 解析 (1)根据ΔU=W+Q得W=ΔU-Q,将Q=2.6×105J,ΔU=4.2×105J代入式中得: W=1.6×105J>0,说明外界对气体做了1.6×105J的功. (2)如果吸收的热量Q=2.6×105J,内能增加了1.6×105J,即ΔU=1.6×105J,则W=-1.0×105J,说明气体对外界做功. (3)在公式ΔU=W+Q中,ΔU>0,物体内能增加;ΔU<0,物体内能减少.Q>0,物体吸热;Q<0,物体放热.W>0,外界对物体做功;W<0,物体对外界做功. 3.答案 D 解析 自由摆动的秋千摆动幅度减小,说明机械能在减少,减少的机械能等于克服阻力、摩擦力做的功,增加了内能. 4.答案 (1)15cm 2.1×105Pa (2)放热,理由见解析 解析 (1)活塞向右运动后,对A气体,有pALS=p(L+x)S 对B气体,有pBLS=p(L-x)S 得x=15cm p=2.1×105Pa (2)活塞C向右移动,对B中气体做功,而气体做等温变化,内能不变,由热力学第一定律可知B内气体放热. 1.答案 CD 解析 做功和传热都可以改变物体的内能,不能依据一种方式的变化就判断内能的变化. 2.答案 ABD 解析 当物体吸收的热量多于对外做的功时,物体的内能就增加,A正确;当物体吸收的热量少于对外做的功时,物体的内能就减少,B正确;外界对物体做功,同时物体吸热,则物体的内能必增加,C错误;当物体放出的热量少于外界对物体做的功时,物体的内能增加,D正确. 3.解析 对一定质量的气体,由热力学第一定律ΔU=W+Q可知,ΔU=800J+(-200J)=600J,ΔU为正表示内能增加了600J,对气体来说,分子间距较大,分子势能为零,内能等于所有分子动能的和,内能增加,气体分子的平均动能增加,温度升高,选项A正确. 4.答案 A 解析 胎内气体经历了一个温度不变、压强减小、体积增大的过程.温度不变,分子平均动能和内能不变.体积增大气体对外界做正功.根据热力学第一定律气体一定从外界吸热. 5.答案 C 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;热力学第一定律ΔU=W+Q,因为在这个过程中气体体积减小,外界对气体做了功,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. 6.答案 AC 解析 袋内气体与外界无热交换即Q=0,袋四周被挤压时,体积V减小,外界对气体做正功,根据热力学第一定律ΔU=W+Q,气体内能增大,则温度升高,由 =常数知压强增大,选项A、C正确,B、D错误. 7.答案 BD 解析 由于绝热容器中b部分内为真空,所以a部分内气体向b中扩散时,气体不做功,尽而可知W=0,Q=0,由热力学第一定律ΔU=W+Q知,ΔU=0,温度不变,而气体的体积增大,由玻意耳定律可知,气体的压强减小,故选项B、D正确. 8.答案 BCD 解析 从状态d到c,温度不变,理想气体内能不变,但是由于压强减小,所以体积增大,对外做功,还要保持内能不变,一定要吸收热量,故A错;气体从状态c到状态b是一个降压、降温过程,同时体积减小,外界对气体做功,而气体的内能还要减小(降温),就一定要伴随放热的过程,故B对;气体从状态a到状态d是一个等压、升温的过程,同时体积增大,所以气体要对外做功,C正确;气体从状态b到状态a是个等容变化过程,随压强的增大,气体的温度升高,内能增大,而在这个过程中气体的体积没有变化,就没有做功,气体内能的增大是因为气体吸热的结果,故D对. 9.解析 射穿木块的过程中,由于相互间摩擦力的作用使得子弹的动能减小,木块获得动能,同时产生热量,且系统产生的热量在数值上等于系统机械能的损失.A,B项没有考虑到系统增加的内能,C项中应考虑的是系统减少的机械能等于系统增加的内能.故正确答案为D. 10.解析 汽车能匀速下滑,一定受阻力作用,克服阻力做功,机械能转化为内能,一部分内能散发出去,汽车的总能量减少. 11.解析 物体沿斜面上滑的过程中,有摩擦力对物体做负功,所以物体的机械能减少,由能量转化和守恒定律知,内能应增加,能的总量不变. 题组四 综合应用 12.答案 (1)TB=600K (2)Q=2p0V0 解析 (1)A到B的过程是等压变化有 = 代入数据得TB=600K(327℃) (2)根据热力学第一定律有ΔU=Q+W 其中W=-2p0V0 解得Q=2p0V0(吸热) 13.答案 (1)1.1×106Pa (2)82J 解析 (1)设压缩后气体的压强为p,活塞的横截面积为S,l0=22cm,l=2cm,V0=l0S,V=lS,缓慢压缩,气体温度不变 由玻意耳定律得p0V0=pV 解出p=1.1×106Pa (2)大气压力对活塞做功W1=p0S(l0-l)=2J 人做功W2=100J 由热力学第一定律ΔU=W1+W2+Q Q=-20J 解出ΔU=82J
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