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- 2021-04-17 发布
1
能量守恒定律的
发现
2
热力学第一定律
[
考纲下载
]
1.
理解能量守恒定律，知道能量守恒是自然界普遍遵循的基本规律
.
2
.
知道第一类永动机是不可能实现的
.
3
.
知道做功和热传递是改变内能的两种方式，理解这两种方式对改变系统内能是等效的
.
4
.
理解热力学第一定律，能运用它解释自然界的能量转化、转移问题
.
一、能量守恒定律的发现
1.
常见的能量形式
自然界中能量形式很多，常见的能量形式有：机械能
、
、
核能及太阳能等
.
各种形式的能在一定条件下，可以
相互
，
且转化过程中遵循一定规律
.
2.
能量守恒定律的内容
能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，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，在转化或转移的过程中
其
不变
.
内能
转化
转化
转移
总量
3.
第一类永动机
(1)
定义：不需要任何动力
和
，
却能不断地
对外
的
机器
.
(2)
不可能制成的原因：违背
了
.
燃料
做功
能量守恒定律
1.
改变物体内能的两种方式
：
和
.
2.
做功
——
其他形式的能
与
之间的
.
外界对物体做功，物体的
内能
.
物体对外界做功，物体的
内能
.
3.
热传递
——
不同物体之间或同一物体不同部分
之间
的
.
物体吸收热量，
内能
.
物体放出热量，
内能
.
4.
做功和热传递对物体内能的改变
是
的
，但本质不同
.
二、改变物体内能的两种方式
做功
热传递
内能
转化
增加
减少
内能
转移
增加
减少
等效
三、热力学第一定律
1.
热力学第一定律：功、热量
跟
改变
之间的定量关系
.
2.
热力学第一定律的表达式：
Δ
U
＝
.
内能
Q
＋
W
1.
判断下列说法的正误
.
(1)
石子从空中落下，最后停止在地面上，说明机械能消失了
.( )
(2)
能量既可以转移又可以转化，故能的总量是可以变化的
.( )
(3)
热量一定从内能多的物体传递给内能少的物体
.( )
(4)
做功和热传递都可改变物体的内能，从效果上是等效的
.( )
(5)
系统从外界吸收热量
5 J
，内能可能增加
5 J
.( )
(6)
系统内能减少，一定是系统对外界做了功
.( )
[
即学即用
]
答案
×
×
×
√
√
×
2.
各种方法使物体的内能发生改变：
a.
电炉通电后发热；
b.
一杯开水放在桌面上冷却；
c.
阳光照射下冰块融化；
d.
锯木头时，锯片发烫；
e.
人坐在火炉旁取暖；
f.
用打气筒给自行车打气后，打气筒变热
.
其中属于做功使物体内能改变的是
_____
；属于热传递使物体内能改变的是
____.
答案
adf
bce
重点探究
1
.
图
1
为
有一种所谓
“
全自动
”
的机械手表，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，维持表针走动的能量是从哪儿来的？
一、能量守恒定律的发现
[
导学探究
]
答案
这不是永动机
.
手表戴在手腕上，通过手臂的运动，机械手表获得能量，供手表指针走动
.
若将此手表长时间放置不动，它就会停下来
.
图
1
答案
2.
观察课本中的
“
几种重要的能量形式及相互之间的转化
”
图，试着说明汽车把汽油的化学能转化为机械能的过程
.
在这些能量转化过程中，遵守的规律是什么？
答案
汽车通过燃烧汽油，把化学能转化为内能，再通过发动机做功把内能转化为机械能
.
能量守恒定律
.
答案
[
知识深化
]
1.
能量的存在形式及相互转化
(1)
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，还有诸如电磁辐射能、化学能、核能等
.
(2)
各种形式的能可以相互转化
①
机械能中的动能和势能可以相互转化
(
如：自由落体运动
).
②
机械能可以与内能相互转化
(
如：摩擦生热，消耗了机械能，通过做功的形式转化为内能；热机中的气体推动活塞做功，把气体内能转化为机械能
).
③
其他形式的能也可以转化为内能
(
如：电流通过导体时，把电能转化为内能；炽热的灯丝发光，又把内能转化为光能；燃料燃烧时，把化学能转化成内能
).
2.
对能量守恒定律的理解
(1)
某种形式的能量减少，一定有其他形式的能量增加，且减少量和增加量一定相等
.
(2)
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
.
3.
能量守恒定律的意义：
能量守恒定律的发现，使人们进一步认识到，任何一部机器，只要对外做功，都要消耗能量，都只能使能量从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到其他物体，而不能无中生有地创造能量
.
4.
第一类永动机不可能制成：
任何机器运转时不可能无中生有地创造能量，即第一类永动机是不可能制造出来的
.
例
1
(
多选
)
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
答案
解析
√
√
解析
物体沿斜面上滑过程中，有摩擦力对物体做负功，所以物体的机械能减少
.
由能量守恒定律知，内能应增加，能量总量不变
.
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，用能量守恒观点求解
.
总结提升
二、改变物体内能的两种方式
答案
1.(1)
如图
2
，小孩沿滑梯下滑时屁股通常会感到发热，这是为什么？
[
导学探究
]
答案
小孩沿滑梯下滑时克服摩擦力做功，内能增加
.
(2)
用铁锤反复敲击铁棒，铁棒的温度会升高，把铁棒放在碳火上烧，铁棒的温度也会升高，这说明了什么问题？
答案
说明做功和热传递都能改变物体的内能
.
图
2
2.
在焦耳的许多实验中，有两个最具有代表性：一个实验是让重物下落带动叶片搅拌容器中的水，引起水温上升；另一个实验是通过电流的热效应给水加热
.
焦耳的这两个实验说明了什么问题？
答案
做功和热传递对改变物体的内能是等效的
.
答案
[
知识深化
]
1.
功和内能
(1)
做功与内能变化的关系
①
做功改变物体内能的过程是其他形式的能
(
如机械能
)
与内能相互转化的过程
.
②
在绝热过程中，外界对物体做多少功，就有多少其他形式的能转化为内能，物体的内能就增加多少
.
(2)
功与内能的区别
①
功是过程量，内能是状态量
.
②
在绝热过程中，做功一定能引起内能的变化
.
③
物体的内能大，并不意味着做功多
.
在绝热过程中，只有内能变化越大时，相应地做功才越多
.
2.
热和内能
(1)
在单纯传热中，系统从外界吸收多少热量，系统的内能就增加多少；系统向外界放出多少热量，系统的内能就减少多少
.
即
Δ
U
＝
U
2
－
U
1
＝
Q
.
(2)
传热改变物体内能的过程是不同物体之间
(
或同一物体不同部分之间
)
内能转移的过程
.
3.
热量、功是过程量，内能是状态量
内能是由系统的状态决定的，状态确定，系统的内能也随之确定
.
要使系统的内能发生变化，可以通过热传递或做功两种方式来完成
.
热量是热传
递过程中的特征物理量，和功一样，热量只是反映物体在状态变化过程中所迁移的能量，是用来衡量物体内能变化的
.
有过程，才有变化，离开过程则毫无意义
.
就某一状态而言，只有
“
内能
”
，不能谈到
“
热量
”
或
“
功
”
.
例
2
(
多选
)
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.
绝热压缩的气体，其内能一定增加
答案
解析
√
√
解析
做功和热传递都能改变物体的内能，不能依据一种方式的变化就判断内能的变化
.
例
3
关于温度、热量、功和内能，以下说法正确的是
A.
同一物体温度高时，含有的热量多
B.
物体的内能越大，含有的热量就越多，温度也越高
C.
外界对系统做功
W
，内能必定增加
D.
发生热传递的条件是两物体之间存在温度差
√
解析
热量是物体间进行热传递时内能的转移，不能说物体含有多少热量，故
A
、
B
错
；
由于
做功和热传递都可引起物体内能的变化，只根据做功无法准确判断物体内能的变化，故
C
错
；
物体
间发生热传递的条件是存在温度差，故
D
对
.
答案
解析
温度、内能和热量的区别与联系
1.
内能与热量
内能是状态量，可以说系统具有多少内能而不能说传递多少内能；热量是过程量，不能说系统具有多少热量，只能说传递了多少热量
.
2.
热量与温度
热量是系统的内能变化的量度，而温度是系统内部大量分子做无规则运动的激烈程度的标志
.
虽然热传递的前提是两个系统之间要有温度差，但是传递的是热量，不是温度
.
总结提升
3.
热量与功
热量和功，都是系统内能变化的量度，都是过程量，一定量的热量与一定量的功相当，功是能量变化的量度，但它们之间有着本质的区别
.
三、热力学第一定律
(1)
如图
3
所示，快速推动活塞对汽缸内气体做功
10 J
，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
10 J
的热量，气体内能改变了多少？
[
导学探究
]
答案
都增加了
10 J.
答案
图
3
答案
系统内能的增量
Δ
U
＝
Q
＋
W
.
答案
(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
Δ
U
应该是多少？
[
知识深化
]
1.
对公式
Δ
U
＝
Q
＋
W
符号的规定
符号
W
Q
Δ
U
＋
体积减小，外界对热力学系统做功
热力学系统吸收热量
内能增加
－
体积增大，热力学系统对外界做功
热力学系统放出热量
内能减少
2.
几种特殊情况
(1)
绝热过程：
Q
＝
0
，则
Δ
U
＝
W
，物体内能的增加量等于外界对物体做的功
.
(2)
等容过程：过程中不做功，即
W
＝
0
，则
Δ
U
＝
Q
，物体内能的增加量等于物体从外界吸收的热量
.
(3)
等温过程：过程的始末状态物体的内能不变，即
Δ
U
＝
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
).
3.
判断是否做功的方法
一般情况下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.
特别提醒
热力学第一定律是将单纯的绝热过程和单纯的传热过程中内能改变的定量表达推广到一般情况，既有做功又有传热的过程，其中
Δ
U
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
.
例
4
一定量的气体在某一过程中，外界对气体做了
8
×
10
4
J
的功，气体的内能减少了
1.2
×
10
5
J
，则下列各式中正确的是
A.
W
＝
8
×
10
4
J
，
Δ
U
＝
1.2
×
10
5
J
，
Q
＝
4
×
10
4
J
B.
W
＝
8
×
10
4
J
，
Δ
U
＝－
1.2
×
10
5
J
，
Q
＝－
2
×
10
5
J
C.
W
＝－
8
×
10
4
J
，
Δ
U
＝
1.2
×
10
5
J
，
Q
＝
2
×
10
4
J
D.
W
＝－
8
×
10
4
J
，
Δ
U
＝－
1.2
×
10
5
J
，
Q
＝－
4
×
10
4
J
答案
解析
√
解析
因为外界对气体做功，
W
取正值，即
W
＝
8
×
10
4
J
；内能减少，
Δ
U
取负值，即
Δ
U
＝－
1.2
×
10
5
J
；根据热力学第一定律
Δ
U
＝
W
＋
Q
，可知
Q
＝
Δ
U
－
W
＝－
1.2
×
10
5
J
－
8
×
10
4
J
＝－
2
×
10
5
J
，
B
选项正确
.
应用热力学第一定律解题的一般步骤
1.
根据符号法则写出各已知量
(
W
、
Q
、
Δ
U
)
的正负；
2.
根据方程
Δ
U
＝
W
＋
Q
求出未知量；
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
.
总结提升
针对训练
空气压缩机在一次压缩中，活塞对空气做了
2
×
10
5
J
的功，同时空气的内能增加了
1.5
×
10
5
J
，这一过程中空气向外界传递的热量是多少？
答案
解析
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
Δ
U
＝
W
＋
Q
.
由题意可知
W
＝
2
×
10
5
J
，
Δ
U
＝
1.5
×
10
5
J
，代入上式得
Q
＝
Δ
U
－
W
＝
1.5
×
10
5
J
－
2
×
10
5
J
＝－
5
×
10
4
J.
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
×
10
4
J.
答案
5
×
10
4
J
四、气体实验定律和热力学第一定律的综合应用
如图
4
所示，一定质量的理想气体由
a
状态变化到
b
状态，请在图像基础上思考以下问题
：
(1)
在变化过程中是气体对外做功，还是外界对气体做功
？
[
导学探究
]
答案
由
a
状态变化到
b
状态，气体体积变大，因此气体对外界做功，即
W
<0.
答案
图
4
(2)
在变化过程中气体吸热，还是向外放热？气体内能增加了，还是减少了？
答案
由
p
－
V
图像知从
a
状态变化到
b
状态，温度升高，故
Δ
U
>0.
由
Δ
U
＝
W
＋
Q
得
Q
>0
，即气体吸热，内能增加
.
[
知识深化
]
对于理想气体，常把热力学第一定律与气体实验定律结合起来分析其状态变化规律，常见的分析思路如下：
(1)
利用体积的变化分析做功问题
.
气体体积增大，气体
对外做功；气体体积减小，外界对气体做功
.
(2)
利用温度的变化分析理想气体内能的变化
.
一定质量的理想气体的内能仅与温度有关，温度升高，内能增加；温度降低，内能减小
.
(3)
利用热力学第一定律判断是吸热还是放热
.
由热力学第一定律
Δ
U
＝
W
＋
Q
，则
Q
＝
Δ
U
－
W
，若已知气体的做功情况和内能的变化情况，即可判断气体状态变化是吸热过程还是放热过程
.
例
5
(
多选
)
如图
5
所示，一定质量的理想气体从状态
a
经过等容过程
ab
到达状态
b
，再经过等温过程
bc
到达状态
c
，最后经等压过程
ca
回到初态
a
.
下列说法正确的是
A.
在过程
ab
中气体的内能增加
B.
在过程
ca
中外界对气体做功
C.
在过程
ab
中气体对外界做功
D.
在过程
bc
中气体从外界吸收热量
E.
在过程
ca
中气体从外界吸收
热量
答案
解析
√
图
5
√
√
解析
在过程
ab
中，体积不变，气体对外界不做功，压强增大，温度升高，内能增加，故选项
A
正确，
C
错误
；
在
过程
ca
中，气体的体积缩小，外界对气体做功，压强不变，温度降低，内能变小，气体向外界放出热量，故选项
B
正确，
E
错误
；
在
过程
bc
中，温度不变，内能不变，体积增大，气体对外界做功，由热力学第一定律可知，气体要从外界吸收热量，故选项
D
正确
.
达标检测
1.
(
能量守恒定律的理解和应用
)
(
多选
)
细绳一端固定在天花板上，另一端拴一质量为
m
的小球，如图
6
所示
.
使小球在竖直平面内摆动，经过一段时间后，小球停止摆动
.
下列说法中正确的是
A.
小球机械能不守恒
B.
小球能量正在消失
C.
小球摆动过程中，只有动能和重力势能在相互转化
D.
总能量守恒，但小球的机械能
减少
答案
√
1
2
3
4
解析
图
6
√
解析
小球在竖直平面内摆动，经过一段时间后，小球停止摆动，说明机械能通过克服阻力做功不断地转化为内能，即机械能不守恒，故
A
正确
；
小球
的机械能转化为内能，能量的种类变了，但能量不会消失，故
B
错误
；
小球
长时间摆动过程中，重力势能和动能相互转化的同时，机械能不断地转化为内能，故摆动的幅度越来越小，但总能量守恒，故
C
错误，
D
正确
.
1
2
3
4
2.
(
改变物体内能的两种方式
)
关于温度、内能和热量，下列说法中正确的是
A.
物体的温度升高时，一定吸收热量
B.
物体沿斜面下滑时，内能将增大
C.
物体沿斜面匀速下滑时，内能可能增大
D.
内能总是从高温物体传递给低温物体，当内能相等时热传递停止
答案
1
2
3
4
√
解析
解析
改变物体内能的两种方法：做功和热传递
.
温度升高，内能增加，但不一定是吸收热量，
A
错误
；
物体
沿斜面下滑时，可能不受摩擦力，内能可能不变，
B
错误
；
物体
沿斜面匀速下滑时，物体克服摩擦力做功，摩擦生热，内能可能增大，
C
正确
；
热
传递的条件是物体间存在温度差，热量从温度高的物体传递给温度低的物体，温度相同后热传递停止，
D
错误
.
1
2
3
4
3.
(
热力学第一定律的理解和应用
)
一定质量的理想气体在某一过程中，
从外界吸收热量
2.5
×
10
4
J
，气体对外界做功
1.0
×
10
4
J
，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
答案
1
2
3
4
解析
√
解析
由热力学第一定律
Δ
U
＝
W
＋
Q
得：
Δ
U
＝－
1.0
×
10
4
J
＋
2.5
×
10
4
J
＝
1.5
×
10
4
J
，因此气体的内能增大，故温度升高，又因气体对外做功，体积增大，故密度减小
.
4.
(
气体实验定律和热力学第一定律的综合应用
)
(
多选
)
一定质量的理想气体从状态
A
经过状态
B
变化到状态
C
，其
V
－
T
图像如图
7
所示
.
下列说法正确的有
A.
A
→
B
的过程中，气体对外界做功
B.
A
→
B
的过程中，气体放出热量
C.
B
→
C
的过程中，气体压强不变
D.
A
→
B
→
C
的过程中，气体内能
增加
答案
解析
1
2
3
4
√
√
图
7
1
2
3
4
解析
由
V
－
T
图像知，从
A
到
B
的过程中，气体被等温压缩，外界对气体做正功，气体的内能不变
.
由热力学第一定律知，气体放出热量，
A
项错误，
B
项正确
；
从
B
到
C
的过程中气体做等压变化，温度降低，气体内能减少，故
C
正确，
D
错误
.