資源簡介

2　熱力學第一定律
3　能量守恒定律
[學習目標]　
1.理解熱力學第一定律，并能運用熱力學第一定律分析和解決相關問題(重點)。
2.理解并會運用能量守恒定律解決實際問題(難點)。
3.知道什么是第一類永動機及其不可能制成的原因。
一、熱力學第一定律
汽缸內有一定質量的氣體，壓縮氣體的同時給汽缸加熱。那么，氣體內能的變化會比單一方式(做功或傳熱)更明顯。這是為什么呢？
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1．改變內能的兩種方式：______與________。兩者對改變系統(tǒng)的內能是__________。
2．熱力學第一定律：一個熱力學系統(tǒng)的內能變化量等于外界向它傳遞的________與外界對它______________的和。
3．熱力學第一定律的表達式：ΔU＝________。
4．熱力學第一定律的應用：
(1)ΔU的正負：當系統(tǒng)內能增加時，ΔU取______值，當系統(tǒng)內能減小時，ΔU取______值。(均選填“正”或“負”)
(2)W的正負：外界對系統(tǒng)做功時，W取______值；系統(tǒng)對外界做功時，W取______值。(均選填“正”或“負”)
(3)Q的正負：外界對系統(tǒng)傳遞熱量時，Q取______值；系統(tǒng)向外界傳遞熱量時，Q取______值。(均選填“正”或“負”)
如圖，在汽缸內活塞左邊封閉著一定質量的空氣，壓強與大氣壓相同。把汽缸和活塞固定，使汽缸內空氣升高一定的溫度，空氣吸收的熱量為Q1。如果讓活塞可以自由滑動(活塞與汽缸間無摩擦、不漏氣)，也使汽缸內空氣溫度升高相同溫度，其吸收的熱量為Q2。Q1和Q2哪個大些？為什么？
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例1　一個氣泡從恒溫水槽的底部緩慢向上浮起(不計氣泡內空氣分子的勢能)，則下列說法正確的是(　　)
A．氣泡對外做功，內能不變，同時放熱
B．氣泡對外做功，內能不變，同時吸熱
C．氣泡內能減少，同時放熱
D．氣泡內能不變，不吸熱也不放熱
判斷氣體是否做功的方法
(1)若氣體體積增大，表明氣體對外界做功，W<0；
(2)若氣體體積減小，表明外界對氣體做功，W>0。
例2　一定質量的氣體在某一過程中，外界對氣體做了8×104 J的功，氣體的內能減少了1.2×105 J，則下列各式正確的是(　　)
A．W＝8×104 J，ΔU＝1.2×105 J，Q＝4×104 J
B．W＝8×104 J，ΔU＝－1.2×105 J，Q＝－2×105 J
C．W＝－8×104 J，ΔU＝1.2×105 J，Q＝2×104 J
D．W＝－8×104 J，ΔU＝－1.2×105 J，Q＝－4×104 J
例3　如圖所示，內壁光滑的絕熱汽缸固定在水平面上，其右端由于有擋板，厚度不計的絕熱活塞不能離開汽缸，汽缸內封閉著一定質量的理想氣體，活塞距汽缸右端的距離為0.2 m。現(xiàn)對封閉氣體加熱，活塞緩慢移動，一段時間后停止加熱，此時封閉氣體的壓強變?yōu)?×
105 Pa。已知活塞的橫截面積為0.04 m2，外部大氣壓強為1×105 Pa，加熱過程中封閉氣體吸收的熱量為2 000 J，則封閉氣體的內能變化量為(　　)
A．400 J B．1 200 J
C．2 000 J D．2 800 J
應用熱力學第一定律解題的一般步驟
(1)根據(jù)符號法則寫出各已知量(W、Q、ΔU)的正負；
(2)根據(jù)ΔU＝W＋Q列方程求出未知量；
(3)再根據(jù)未知量結果的正負來確定吸放熱情況、做功情況或內能變化情況。
二、能量守恒定律
1．能量守恒定律
(1)內容：能量既不會憑空________，也不會憑空________，它只能從一種形式________為其他形式，或者從一個物體________到別的物體，在轉化或轉移的過程中，能量的總量____________。
(2)兩種表達
①某種形式的能減少，一定有其他形式的能增加，且減少量和增加量一定相等；
②某個物體的能量減少，一定存在其他物體的能量增加，且減少量和增加量一定相等。
2．永動機不可能制成
(1)第一類永動機：不需要任何動力或燃料，卻能不斷地____________的機器。
(2)第一類永動機由于違背了__________，所以不可能制成。
3．熱力學第一定律與能量守恒定律的比較
(1)能量守恒定律是各種形式的能相互轉化或轉移的過程，總能量保持不變，它包括各個領域，范圍廣泛。
(2)熱力學第一定律是物體內能與其他形式的能之間的相互轉化或轉移，是能量守恒定律在熱現(xiàn)象領域內的具體體現(xiàn)。
如圖為一種所謂“全自動”的機械手表，既不需要上發(fā)條，也不用任何電源，卻能不停地走下去。這是不是一種永動機？如果不是，維持表針走動的能量是從哪兒來的？
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(1)能量既可以轉移又可以轉化，故能的總量是可以變化的。(　　)
(2)違背能量守恒定律的過程是不可能發(fā)生的。(　　)
(3)運動的物體在阻力作用下會停下來，說明機械能憑空消失了。(　　)
(4)第一類永動機不能制成，因為它違背了能量守恒定律。(　　)
例4　有一種叫作“壓電陶瓷”的電子元件，當對它擠壓或拉伸時，它的兩端就會形成一定的電壓，這種現(xiàn)象稱為壓電效應。一種燃氣打火機，就是應用了該元件的壓電效應制成的。只要用大拇指壓一下打火機上的按鈕，壓電陶瓷片就會產生10～20 kV的高壓，形成火花放電，從而點燃可燃氣體。在上述過程中，壓電陶瓷片完成的能量轉化是(　　)
A．化學能轉化為電能
B．內能轉化為電能
C．化學能轉化為光能
D．機械能轉化為電能
例5　如圖所示，上端開口、粗細均勻的U形管的底部中間有一閥門，開始閥門關閉，兩管中的水面高度差為h。現(xiàn)將閥門打開，最終兩管水面相平，整個過程系統(tǒng)與外界沒有熱交換，則這一過程中(　　)
A．大氣壓做正功，重力做負功，水的內能不變
B．大氣壓不做功，重力做正功，水的內能增大
C．大氣壓不做功，重力做負功，水的內能增大
D．大氣壓做負功，重力做正功，水的內能不變
例6　某同學想要估測每秒鐘太陽輻射到地球表面上的能量，他用一個橫截面積為S＝
3.2 dm2的保溫圓筒，筒內裝有質量為m＝0.4 kg的水，讓太陽光垂直照射t＝3 min，水升高的溫度Δt＝2.2 ℃，已知水的比熱容c＝4.2×103 J/(kg· ℃)，地球半徑為R＝6 400 km，試估算出太陽向地球表面輻射能量的功率。(提示：Q＝cmΔt)
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2　熱力學第一定律
3　能量守恒定律
[學習目標]　1.理解熱力學第一定律，并能運用熱力學第一定律分析和解決相關問題(重點)。2.理解并會運用能量守恒定律解決實際問題(難點)。3.知道什么是第一類永動機及其不可能制成的原因。
一、熱力學第一定律
汽缸內有一定質量的氣體，壓縮氣體的同時給汽缸加熱。那么，氣體內能的變化會比單一方式(做功或傳熱)更明顯。這是為什么呢？
答案　給汽缸加熱，即向汽缸內傳熱，汽缸內氣體的內能會增加，壓縮氣體，外界對氣體做功，也會使汽缸內氣體的內能增加，所以兩種方式同時作用時，氣體內能的變化比單一方式更明顯。
1．改變內能的兩種方式：做功與傳熱。兩者對改變系統(tǒng)的內能是等價的。
2．熱力學第一定律：一個熱力學系統(tǒng)的內能變化量等于外界向它傳遞的熱量與外界對它所做的功的和。
3．熱力學第一定律的表達式：ΔU＝Q＋W。
4．熱力學第一定律的應用：
(1)ΔU的正負：當系統(tǒng)內能增加時，ΔU取正值，當系統(tǒng)內能減小時，ΔU取負值。(均選填“正”或“負”)
(2)W的正負：外界對系統(tǒng)做功時，W取正值；系統(tǒng)對外界做功時，W取負值。(均選填“正”或“負”)
(3)Q的正負：外界對系統(tǒng)傳遞熱量時，Q取正值；系統(tǒng)向外界傳遞熱量時，Q取負值。(均選填“正”或“負”)
如圖，在汽缸內活塞左邊封閉著一定質量的空氣，壓強與大氣壓相同。把汽缸和活塞固定，使汽缸內空氣升高一定的溫度，空氣吸收的熱量為Q1。如果讓活塞可以自由滑動(活塞與汽缸間無摩擦、不漏氣)，也使汽缸內空氣溫度升高相同溫度，其吸收的熱量為Q2。Q1和Q2哪個大些？為什么？
答案　活塞與汽缸都固定不動時，氣體的體積不變，沒有做功過程發(fā)生，氣體吸收的熱量Q1全部用于增加氣體的內能即為ΔU＝Q1，如果活塞可以自由滑動，溫度升高，氣體膨脹，會推動活塞向外運動，對外做功，當氣體升高相同溫度時，氣體內能的增加量與前一個過程是相同的，也是Q1，根據(jù)熱力學第一定律ΔU＝Q1＝W＋Q2，由于W<0，所以Q2>Q1。
例1　一個氣泡從恒溫水槽的底部緩慢向上浮起(不計氣泡內空氣分子的勢能)，則下列說法正確的是(　　)
A．氣泡對外做功，內能不變，同時放熱
B．氣泡對外做功，內能不變，同時吸熱
C．氣泡內能減少，同時放熱
D．氣泡內能不變，不吸熱也不放熱
答案　B
解析　在氣泡緩慢上升的過程中，氣泡外部的壓強逐漸減小，氣泡膨脹，對外做功，W<0，由于外部恒溫，且氣泡緩慢上升，故可以認為上升過程中氣泡內空氣的溫度始終等于外界溫度，內能不變，ΔU＝0，由ΔU＝W＋Q知，Q>0，故需從外界吸收熱量，且吸收的熱量等于對外界所做的功，故B正確。
判斷氣體是否做功的方法
(1)若氣體體積增大，表明氣體對外界做功，W<0；
(2)若氣體體積減小，表明外界對氣體做功，W>0。
例2　一定質量的氣體在某一過程中，外界對氣體做了8×104 J的功，氣體的內能減少了1.2×105 J，則下列各式正確的是(　　)
A．W＝8×104 J，ΔU＝1.2×105 J，Q＝4×104 J
B．W＝8×104 J，ΔU＝－1.2×105 J，Q＝－2×105 J
C．W＝－8×104 J，ΔU＝1.2×105 J，Q＝2×104 J
D．W＝－8×104 J，ΔU＝－1.2×105 J，Q＝－4×104 J
答案　B
解析　因為外界對氣體做功，W取正值，即W＝8×104 J；氣體內能減少，ΔU取負值，即ΔU＝－1.2×105 J；根據(jù)熱力學第一定律ΔU＝W＋Q，可知Q＝ΔU－W＝－1.2×105 J－8×104 J＝－2×105 J，B選項正確。
例3　如圖所示，內壁光滑的絕熱汽缸固定在水平面上，其右端由于有擋板，厚度不計的絕熱活塞不能離開汽缸，汽缸內封閉著一定質量的理想氣體，活塞距汽缸右端的距離為0.2 m。現(xiàn)對封閉氣體加熱，活塞緩慢移動，一段時間后停止加熱，此時封閉氣體的壓強變?yōu)?×105 Pa。已知活塞的橫截面積為0.04 m2，外部大氣壓強為1×105 Pa，加熱過程中封閉氣體吸收的熱量為2 000 J，則封閉氣體的內能變化量為(　　)
A．400 J B．1 200 J
C．2 000 J D．2 800 J
答案　B
解析　由題意可知，氣體先發(fā)生等壓變化，到活塞運動到擋板處再發(fā)生等容變化，等壓變化過程氣體對外做功，做功為W＝－p0Sx＝－1×105×0.04×0.2 J＝－800 J，由熱力學第一定律可知，封閉氣體的內能變化量為ΔU＝W＋Q＝(－800＋2 000) J＝1 200 J，故B正確。
應用熱力學第一定律解題的一般步驟
(1)根據(jù)符號法則寫出各已知量(W、Q、ΔU)的正負；
(2)根據(jù)ΔU＝W＋Q列方程求出未知量；
(3)再根據(jù)未知量結果的正負來確定吸放熱情況、做功情況或內能變化情況。
二、能量守恒定律
1．能量守恒定律
(1)內容：能量既不會憑空產生，也不會憑空消失，它只能從一種形式轉化為其他形式，或者從一個物體轉移到別的物體，在轉化或轉移的過程中，能量的總量保持不變。
(2)兩種表達
①某種形式的能減少，一定有其他形式的能增加，且減少量和增加量一定相等；
②某個物體的能量減少，一定存在其他物體的能量增加，且減少量和增加量一定相等。
2．永動機不可能制成
(1)第一類永動機：不需要任何動力或燃料，卻能不斷地對外做功的機器。
(2)第一類永動機由于違背了能量守恒定律，所以不可能制成。
3．熱力學第一定律與能量守恒定律的比較
(1)能量守恒定律是各種形式的能相互轉化或轉移的過程，總能量保持不變，它包括各個領域，范圍廣泛。
(2)熱力學第一定律是物體內能與其他形式的能之間的相互轉化或轉移，是能量守恒定律在熱現(xiàn)象領域內的具體體現(xiàn)。
如圖為一種所謂“全自動”的機械手表，既不需要上發(fā)條，也不用任何電源，卻能不停地走下去。這是不是一種永動機？如果不是，維持表針走動的能量是從哪兒來的？
答案　這不是永動機。手表戴在手腕上，通過手臂的運動，機械手表獲得能量，供手表指針走動。若將此手表長時間放置不動，它就會停下來。
(1)能量既可以轉移又可以轉化，故能的總量是可以變化的。(　×　)
(2)違背能量守恒定律的過程是不可能發(fā)生的。(　√　)
(3)運動的物體在阻力作用下會停下來，說明機械能憑空消失了。(　×　)
(4)第一類永動機不能制成，因為它違背了能量守恒定律。(　√　)
例4　有一種叫作“壓電陶瓷”的電子元件，當對它擠壓或拉伸時，它的兩端就會形成一定的電壓，這種現(xiàn)象稱為壓電效應。一種燃氣打火機，就是應用了該元件的壓電效應制成的。只要用大拇指壓一下打火機上的按鈕，壓電陶瓷片就會產生10～20 kV的高壓，形成火花放電，從而點燃可燃氣體。在上述過程中，壓電陶瓷片完成的能量轉化是(　　)
A．化學能轉化為電能
B．內能轉化為電能
C．化學能轉化為光能
D．機械能轉化為電能
答案　D
解析　根據(jù)題意用大拇指壓一下打火機上的按鈕，壓電陶瓷片就會產生10～20 kV的高壓，形成火花放電，從而點燃可燃氣體。轉化前要消耗機械能，轉化后得到了電能，即壓電陶瓷片完成的能量轉化是機械能轉化為電能，故選D。
例5　如圖所示，上端開口、粗細均勻的U形管的底部中間有一閥門，開始閥門關閉，兩管中的水面高度差為h。現(xiàn)將閥門打開，最終兩管水面相平，整個過程系統(tǒng)與外界沒有熱交換，則這一過程中(　　)
A．大氣壓做正功，重力做負功，水的內能不變
B．大氣壓不做功，重力做正功，水的內能增大
C．大氣壓不做功，重力做負功，水的內能增大
D．大氣壓做負功，重力做正功，水的內能不變
答案　B
解析　作用在水面上的大氣壓力不做功；水流動過程中重心下降，重力做正功，水的重力勢能減少，由能量守恒定律可知，減少的重力勢能最終轉化為內能，故水的內能增大，選項B正確，A、C、D錯誤。
例6　某同學想要估測每秒鐘太陽輻射到地球表面上的能量，他用一個橫截面積為S＝3.2 dm2的保溫圓筒，筒內裝有質量為m＝0.4 kg的水，讓太陽光垂直照射t＝3 min，水升高的溫度Δt＝2.2 ℃，已知水的比熱容c＝4.2×103 J/(kg· ℃)，地球半徑為R＝6 400 km，試估算出太陽向地球表面輻射能量的功率。(提示：Q＝cmΔt)
答案　8.3×1016 W
解析　太陽輻射到水中的能量Q＝cmΔt＝4.2×103×0.4×2.2 J≈3.7×103 J，則太陽在3 min內向地球表面輻射的能量Q總＝·πR2＝×3.14×(6 400×103)2 J≈1.49×1019 J，則輻射功率P＝＝ W≈8.3×1016 W。

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