2019-2020年高中物理 第十章 熱力學(xué)定律 第3講 熱力學(xué)第一定律 能量守恒定律學(xué)案 新人教版選修3-3.doc

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2019-2020年高中物理 第十章 熱力學(xué)定律 第3講 熱力學(xué)第一定律 能量守恒定律學(xué)案 新人教版選修3-3目標(biāo)定位1.理解熱力學(xué)第一定律，并掌握其表達(dá)式.2.能運(yùn)用熱力學(xué)第一定律解釋自然界能量的轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)移問(wèn)題.3.理解能量守恒定律，知道能量守恒定律是自然界普遍遵從的基本規(guī)律.4.知道第一類(lèi)永動(dòng)機(jī)是不可能制成的一、熱力學(xué)第一定律1內(nèi)容：一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)能增量等于外界向它傳遞的熱量與外界對(duì)它所做的功的和2數(shù)學(xué)表達(dá)式：UQW.二、能量守恒定律1大量事實(shí)表明，各種形式的能量可以相互轉(zhuǎn)化，并且在轉(zhuǎn)化過(guò)程中總量保持不變2能量既不能憑空產(chǎn)生，也不能憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到別的物體，在轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的過(guò)程中，能量的總量保持不變3能量守恒定律是自然界中最普遍、最重要的規(guī)律之一三、永動(dòng)機(jī)不可能制成1第一類(lèi)永動(dòng)機(jī)：人們把設(shè)想的不消耗能量的機(jī)器稱為第一類(lèi)永動(dòng)機(jī)2第一類(lèi)永動(dòng)機(jī)由于違背了能量守恒定律，所以不可能制成一、熱力學(xué)第一定律1對(duì)熱力學(xué)第一定律的理解(1)對(duì)UWQ的理解：做功和熱傳遞都可以改變內(nèi)能，如果系統(tǒng)跟外界同時(shí)發(fā)生做功和熱傳遞的過(guò)程，那么外界對(duì)系統(tǒng)所做的功W加上物體從外界吸收的熱量Q等于系統(tǒng)內(nèi)能的增加U，即UQW.(2)對(duì)U、Q、W符號(hào)的規(guī)定功W：外界對(duì)系統(tǒng)做功，W0，即W為正值；系統(tǒng)對(duì)外界做功，W0；系統(tǒng)放熱為負(fù)，Q0，即U為正值；系統(tǒng)內(nèi)能減少，U0，即U為負(fù)值2判斷是否做功的方法一般情況下外界對(duì)系統(tǒng)做功與否，需看系統(tǒng)的體積是否變化(1)若系統(tǒng)體積增大，表明系統(tǒng)對(duì)外界做功，W0.例1空氣壓縮機(jī)在一次壓縮中，活塞對(duì)空氣做了2105 J的功，同時(shí)空氣的內(nèi)能增加了1.5105 J，這一過(guò)程中空氣向外界傳遞的熱量是多少？答案5104 J解析選擇被壓縮的空氣為研究對(duì)象，根據(jù)熱力學(xué)第一定律有UWQ.由題意可知W2105 J，U1.5105 J，代入上式得QUW1.5105 J2105 J5104 J.負(fù)號(hào)表示空氣向外釋放熱量，即空氣向外界傳遞的熱量為5104 J.借題發(fā)揮應(yīng)用熱力學(xué)第一定律解題的一般步驟(1)明確研究對(duì)象是哪個(gè)物體或者是哪個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)(2)分別列出物體或系統(tǒng)吸收或放出的熱量；外界對(duì)物體或系統(tǒng)所做的功或物體或系統(tǒng)對(duì)外所做的功(3)根據(jù)熱力學(xué)第一定律UQW列出方程進(jìn)行求解(4)特別注意的是物理量的正負(fù)號(hào)及其物理意義針對(duì)訓(xùn)練一定量的氣體在某一過(guò)程中，外界對(duì)氣體做了8104 J的功，氣體的內(nèi)能減少了1.2105 J，則下列各式中正確的是()AW8104 J，U1.2105 J，Q4104 JBW8104 J，U1.2105 J，Q2105 JCW8104 J，U1.2105 J，Q2104 JDW8104 J，U1.2105 J，Q4104 J答案B解析因?yàn)橥饨鐚?duì)氣體做功，W取正值，即W8104 J；內(nèi)能減少，U取負(fù)值，即U1.2105 J；根據(jù)熱力學(xué)第一定律UWQ，可知QUW1.2105 J8104 J2105 J，B選項(xiàng)正確二、能量守恒定律1不同形式的能量之間可以相互轉(zhuǎn)化(1)各種運(yùn)動(dòng)形式都有對(duì)應(yīng)的能，如機(jī)械運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)機(jī)械能，分子熱運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)內(nèi)能等(2)不同形式的能量之間可以相互轉(zhuǎn)化，如“摩擦生熱”機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，“電爐取熱”電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能等2能量守恒定律及意義各種不同形式的能之間相互轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移時(shí)能量的總量保持不變意義：一切物理過(guò)程都適用，比機(jī)械能守恒定律更普遍，是19世紀(jì)自然科學(xué)的三大發(fā)現(xiàn)之一3第一類(lèi)永動(dòng)機(jī)是不可能制成的(1)不消耗能量而能源源不斷地對(duì)外做功的機(jī)器，叫第一類(lèi)永動(dòng)機(jī)因?yàn)榈谝活?lèi)永動(dòng)機(jī)違背了能量守恒定律，所以無(wú)一例外地歸于失敗(2)永動(dòng)機(jī)給我們的啟示人類(lèi)利用和改造自然時(shí)，必須遵循自然規(guī)律例2如圖1所示，直立容器內(nèi)部被隔板隔開(kāi)的A、B兩部分氣體，A的密度小，B的密度大，加熱氣體，并使兩部分氣體混合均勻，設(shè)此過(guò)程中氣體吸熱為Q，氣體內(nèi)能的增量為U，則()圖1AUQ BUQ D無(wú)法比較答案B解析因A部分氣體密度小，B部分氣體密度大，以整體為研究對(duì)象，開(kāi)始時(shí)，氣體的重心在中線以下，混合均勻后，氣體的重心應(yīng)在中線上，所以有重力做負(fù)功，使氣體的重力勢(shì)能增大，由能量守恒定律可知，吸收的熱量Q有一部分增加氣體的重力勢(shì)能，另一部分增加內(nèi)能故正確答案為B.三、氣體實(shí)驗(yàn)定律和熱力學(xué)第一定律的綜合應(yīng)用氣體實(shí)驗(yàn)定律和熱力學(xué)第一定律的結(jié)合點(diǎn)是溫度和體積注意三種特殊過(guò)程的特點(diǎn)：1等溫過(guò)程：內(nèi)能不變，U02等容過(guò)程：體積不變，W03絕熱過(guò)程：Q0例3如圖2所示，倒懸的導(dǎo)熱汽缸中封閉著一定質(zhì)量的理想氣體，輕質(zhì)活塞可無(wú)摩擦地上下移動(dòng)，活塞的橫截面積為S，活塞的下面吊著一個(gè)重為G的物體，大氣壓強(qiáng)恒為p0，起初環(huán)境的熱力學(xué)溫度為T(mén)0時(shí)，活塞到汽缸底面的距離為L(zhǎng).當(dāng)環(huán)境溫度逐漸升高，導(dǎo)致活塞緩慢下降，該過(guò)程中活塞下降了0.1L，汽缸中的氣體吸收的熱量為Q.求：圖2(1)汽缸內(nèi)部氣體內(nèi)能的增量U；(2)最終的環(huán)境溫度T.答案(1)Q0.1p0SL0.1LG(2)1.1T0解析(1)密封氣體的壓強(qiáng)pp0密封氣體對(duì)外做功WpS0.1L由熱力學(xué)第一定律UQW得UQ0.1p0SL0.1LG(2)該過(guò)程是等壓變化，由蓋呂薩克定律有解得T1.1T0熱力學(xué)第一定律的理解和應(yīng)用1一定量的氣體從外界吸收了2.6105 J的熱量，內(nèi)能增加了4.2105 J.(1)是氣體對(duì)外界做了功，還是外界對(duì)氣體做了功？做了多少焦耳的功？(2)如果氣體吸收的熱量仍為2.6105 J不變，但是內(nèi)能增加了1.6105 J，計(jì)算結(jié)果W1.0105 J，是負(fù)值，怎樣解釋這個(gè)結(jié)果？(3)在熱力學(xué)第一定律UWQ中，W、Q和U為正值、負(fù)值各代表什么物理意義？答案見(jiàn)解析解析(1)根據(jù)UWQ得WUQ，將Q2.6105 J，U4.2105 J代入式中得：W1.6105 J0，說(shuō)明外界對(duì)氣體做了1.6105 J的功(2)如果吸收的熱量Q2.6105 J，內(nèi)能增加了1.6105 J，即U1.6105 J，則W1.0105 J，說(shuō)明氣體對(duì)外界做功(3)在公式UWQ中，U0，物體內(nèi)能增加；U0，物體吸熱；Q0，外界對(duì)物體做功；W0，U0，所以Q為負(fù)，即氣體向外放熱，故選項(xiàng)A錯(cuò)，C對(duì)正確答案為C.10如圖4所示，a、b、c、d表示一定質(zhì)量的理想氣體狀態(tài)變化過(guò)程中的四個(gè)狀態(tài)，圖中ad平行于橫坐標(biāo)軸，dc平行于縱坐標(biāo)軸，ab的延長(zhǎng)線過(guò)原點(diǎn)，以下說(shuō)法正確的是()圖4A從狀態(tài)d到c，氣體不吸熱也不放熱B從狀態(tài)c到b，氣體放熱C從狀態(tài)a到d，氣體對(duì)外做功D從狀態(tài)b到a，氣體吸熱答案BCD解析從狀態(tài)d到c，溫度不變，理想氣體內(nèi)能不變，但是由于壓強(qiáng)減小，所以體積增大，對(duì)外做功，還要保持內(nèi)能不變，一定要吸收熱量，故A錯(cuò)；氣體從狀態(tài)c到狀態(tài)b是一個(gè)降壓、降溫過(guò)程，同時(shí)體積減小，外界對(duì)氣體做功，而氣體的內(nèi)能還要減小(降溫)，就一定要伴隨放熱的過(guò)程，故B對(duì)；氣體從狀態(tài)a到狀態(tài)d是一個(gè)等壓、升溫的過(guò)程，同時(shí)體積增大，所以氣體要對(duì)外做功，C正確；氣體從狀態(tài)b到狀態(tài)a是個(gè)等容變化過(guò)程，隨壓強(qiáng)的增大，氣體的溫度升高，內(nèi)能增大，而在這個(gè)過(guò)程中氣體的體積沒(méi)有變化，就沒(méi)有做功，氣體內(nèi)能的增大是因?yàn)闅怏w吸熱的結(jié)果，故D對(duì)題組四綜合應(yīng)用11如圖5所示，一定質(zhì)量的理想氣體從狀態(tài)A先后經(jīng)過(guò)等壓、等容和等溫過(guò)程完成一個(gè)循環(huán)，A、B、C狀態(tài)參量如圖所示，氣體在狀態(tài)A的溫度為27 ，求：圖5(1)氣體在狀態(tài)B的溫度TB；(2)氣體從ABC狀態(tài)變化過(guò)程中與外界交換的總熱量Q.答案(1)600 K(或327)(2)2p0V0解析(1)A到B的過(guò)程是等壓變化，有代入數(shù)據(jù)得TB600 K(或327 )(2)根據(jù)熱力學(xué)第一定律有UQW其中W2p0V0解得Q2p0V0(吸熱)12如圖6所示，導(dǎo)熱材料制成的截面積相等、長(zhǎng)度均為45 cm的汽缸A、B通過(guò)帶有閥門(mén)的管道連接初始時(shí)閥門(mén)關(guān)閉，厚度不計(jì)的光滑活塞C位于B內(nèi)左側(cè)，在A內(nèi)充滿壓強(qiáng)pA2.8105 Pa的理想氣體，B內(nèi)充滿壓強(qiáng)pB1.4105 Pa的理想氣體，忽略連接汽缸的管道體積，室溫不變，現(xiàn)打開(kāi)閥門(mén)，求：圖6(1)平衡后活塞向右移動(dòng)的距離和B中氣體的壓強(qiáng)；(2)自打開(kāi)閥門(mén)到平衡，B內(nèi)氣體是吸熱還是放熱(簡(jiǎn)要說(shuō)明理由)答案(1)15 cm2.1105 Pa(2)放熱，理由見(jiàn)解析解析(1)活塞向右移動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定后，對(duì)A氣體，有pALSp(Lx)S對(duì)B氣體，有pBLSp(Lx)S得x15 cmp2.1105 Pa(2)活塞C向右移動(dòng)，對(duì)B中氣體做功，而氣體做等溫變化，內(nèi)能不變，由熱力學(xué)第一定律可知B內(nèi)氣體放熱13如圖7是用導(dǎo)熱性能良好的材料制成的氣體實(shí)驗(yàn)裝置，開(kāi)始時(shí)封閉的空氣柱長(zhǎng)度為22 cm，現(xiàn)用豎直向下的外力F壓縮氣體，使封閉的空氣柱長(zhǎng)度為2 cm，人對(duì)活塞做功100 J，大氣壓強(qiáng)為p01105 Pa，不計(jì)活塞的重力問(wèn)：圖7(1)若用足夠長(zhǎng)的時(shí)間緩慢壓縮，求壓縮后氣體的壓強(qiáng)多大？(2)若以適當(dāng)?shù)乃俣葔嚎s氣體，向外散失的熱量為20 J，則氣體的內(nèi)能增加多少？(活塞的橫截面積S1 cm2)答案(1)1.1106 Pa(2)82 J解析(1)設(shè)壓縮后氣體的壓強(qiáng)為p，活塞的橫截面積為S，l022 cm，l2 cm，V0l0S，VlS，緩慢壓縮，氣體溫度不變由玻意耳定律得p0V0pV解出p1.1106 Pa(2)大氣壓力對(duì)活塞做功W1p0S(l0l)2 J人做功W2100 J由熱力學(xué)第一定律UW1W2QQ20 J解得U82 J