【物理】2019届二轮复习热力学第一定律学案（全国通用）

【物理】2019届二轮复习热力学第一定律学案（全国通用）

‎ 5.1　热力学第一定律 ‎ ‎1.知道做功、热量与内能变化的数量关系及其符号的意义.‎ ‎2.理解热力学第一定律.‎ ‎3.能运用热力学第一定律解释自然界能量的转化、转移问题.‎ ‎4.知道第一类永动机是不可能实现的,体会 学探索中的挫折和失败对 学发现的意义.‎ ‎1.热力学第一定律 ‎(1)内容:物体内能的增加量ΔU等于外界对它所做的　　　　与物体从外界吸收的　　　　　　之和. ‎ ‎(2)其数学表达式为:　　　　　　　　　　. ‎ ‎(3)与热力学第一定律相匹配的符号法则 符号 做功W 热量Q 内能的改变ΔU 取正值“+”‎ 外界对系统做功 系统从外界　　热量 ‎ 系统的内能　 　 ‎ 取负值“-”‎ 系统对外界做功 系统向外界　　热量 ‎ 系统的内能　 　 ‎ ‎　　(4)意义:热力学第一定律表明,在一切涉及热现象的宏观过程中,能量可以发生转移或转化,在转移或转化的过程中总能量　　　　　. ‎ ‎2.第一类永动机 ‎(1)第一类永动机:人们把设想中的不消耗任何　　　　而能永远对外　　　　　的机器叫做第一类永动机. ‎ ‎(2)第一类永动机不能制成的原因是违背了　　　　　　　　　定律. ‎ 主题1:热力学第一定律 情景:如图所示,铁匠师傅将烧红的铁块从火炉中取出,放在铁砧上锻打,同时铁块向周围散热.已知每分钟铁锤击打铁块20次,每次铁锤对锻件做功80 J.在锻打的5 min内,铁块向外界散热40000 J(设铁锤做功全部改变铁块的内能).‎ 问题:阅读教材第54页“热力学第一定律”部分,根据你对知识的理解,思考分析下面的问题.‎ ‎(1)情景所述过程中铁锤对铁块做功多少?取正值还是负值?‎ ‎(2)铁块向外界散热,热量为正值还是负值?‎ ‎(3)根据热力学定律求出铁块内能变化,说出结果正负的含义.‎ 主题2:生活中的热力学第一定律 情景:打开啤酒瓶也会遇到热力学第一定律的知识吗?请做这个实验,并注意观察.‎ 器材:啤酒,起子.‎ 取一瓶与室温相同的啤酒,用开瓶盖的起子将瓶盖迅速打开,你手上就会觉得有一股比室温稍低的冷气冒出,随之还有一些泡沫向外涌.‎ 问题:这里为什么会降温呢?若瓶盖慢慢打开,冒冷气的效果就不如迅速打开时的,你能说说为什么吗?‎ 主题3:第一类永动机 情景:文艺复兴时期意大利的达·芬奇早在15世纪曾设计过一种转轮,利用隔板的特殊形状,使一边重球滚到比另一边距离轮心远些的地方,本以为在两边重球的作用下会使轮子失去平衡而转动不息,但实验的结果却是否定的.他从许多类似的设计方案中认识到永动机的尝试是注定要失败的.‎ 问题:(1)设计者设想的能量转化过程是怎样的?‎ ‎(2)从平衡的角度说明达·芬奇永动机为什么不会“永动”.‎ ‎(3)你认为设计者哪部分设想不符合能量守恒定律?‎ 一、温度、热量和内能 例1　温度、热量和内能之间的区别是什么?‎ 变式训练1　下列各物体在所经历的过程中,内能一定增加的有(　　)‎ A.正在熔化的冰块 B.水平飞行并射穿木块的子弹 C.被压缩的气体 D.吸收了热量的气体 二、热力学第一定律表达式中符号的含义 例2　(1)一定量的气体从外界吸收了2.6×105 J的热量,内能增加了4.2×105 J,是气体对外界做了功,还是外界对气体做了功?做了多少功?‎ ‎(2)一定质量的气体,从外界吸收3.5×105 J的热量,同时气体对外界做功2.3×105 J,则气体的内能怎样变化?‎ 三、热力学第一定律与气体实验定律的综合应用 例3　如图所示 ,带有活塞的汽缸中封闭一定质量的理想气体(不计汽缸和活塞间的摩擦).将一个半导体热敏电阻R(随着温度的升高热敏电阻阻值减小)置于汽缸中,热敏电阻R与汽缸外的电源E和电流表组成闭合电路,汽缸和活塞具有良好的绝热性能.若发现电流表的示数增大,则以下判断正确的是(　　)‎ A.气体内能一定增大　　　B.气体体积一定增大学 ]‎ C.气体一定对外做功 D.气体压强一定减小 变式训练2　图示是一定质量的理想气体从状态A经B至C的p-图象,则在此过程中(　　)‎ A.气体的内能改变 B.气体的体积增大 C.气体向外界放热 D.气体对外界做功 ‎1.一定量的气体在某一过程中,外界对气体做了8×104 J的功,气体的内能减少了1.2×105 J,则下列各式中正确的是(　　)‎ 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 ‎2.第一类永动机是不可制成的,这是因为永动机(　　)‎ A.不符合机械能守恒定律 B.违背了热力学第一定律 D.制造永动机的技术不过关 D.无法解决机械摩擦问题 ‎3.一定质量的气体,在压缩过程中外界对气体做功300 J,但这一过程中气体的内能减少了300 J,问气体在此过程中是吸热还是放热?吸收(或放出)多少热量?‎ ‎ ]‎ ‎4.在墙壁与外界无热传递的封闭房间里,夏天为了降低室温,同时打开电冰箱和电风扇,两电器在工作较长时间后,房间内的气温将会怎样变化?并说明原因.‎ ‎ 5.1　热力学第一定律 学 ]‎ ‎1.知道做功、热量与内能变化的数量关系及其符号的意义.‎ ‎2.理解热力学第一定律.‎ ‎3.能运用热力学第一定律解释自然界能量的转化、转移问题.‎ ‎4.知道第一类永动机是不可能实现的,体会 学探索中的挫折和失败对 学发现的意义.‎ ‎1.重点难点 教学重点:会用ΔU=W+Q分析和计算问题.‎ 教学难点:热力学第一定律ΔU=W+Q中各物理量的意义及正负号的确定.‎ ‎2.高考前瞻 近几年新课标高考对本节内容主要考查做功与热传递对内能的影响,重点考查热力学第一定律与第二定律的综合应用能力,内能与机械能的关系等.‎ ‎3.教学建议 本节在复习做功和热传递是改变内能的两种方式的基础上,进一步明确了功、热量与内能变化之间的数量关系和符号的意义.将单纯绝热过程和单纯传热过程中系统内能变化的定量表达式推广到一般情况,也就是得出普遍适用的热力学第一定律,进而说明第一类永动机是不可能制成的,同时体会 学探索中的挫折和失败对 学发现的意义.‎ 参考答案: 学 ]‎ ‎1.(1)功(W)　热量(Q)　(2)ΔU=W+Q　(3)吸收　增加　放出　减少　(4)守恒 ‎2.(1)能量　做功　(2)热力学第一 ‎1.解答:(1)铁锤对铁块做功为W=20×80×5 J=8000 J.‎ 铁锤做正功,内能增加,功取正值.‎ ‎(2)铁块向外界散热,铁块的内能减少,所以热量为负值.‎ ‎(3)根据热力学第一定律ΔU=W+Q=8000 J+(-40000) J=-32000 J,结果为负值,说明过程中铁块的内能减少32000 J.‎ ‎2.解答:啤酒冒冷气的原因还是要从热力学第一定律来解释.瓶中原有CO2气体的压强就比外面的大气压高些,当开启瓶盖时,便要迅速膨胀,来不及与外界进行热交换.气体对外做功必然要以减少它的内能为代价,所以温度下降,出来的便是一股冷气.‎ ‎3.解答:(1)右边的小球下降,减小的重力势能一部分对外做功,一部分使左边小球升高,重力势能增加.‎ ‎(2)在永动机设计中,我们总可以找出一个平衡位置来,在这个位置上,各个力恰好相互抵消捧,不再有任何推动力使它运动.所有永动机必然会在这个平衡位置上静止下来,变成不动机.‎ ‎(3)要持续转动,必须保持系统的重力势能不变,即一段时间内右边的重力势能的减少等于左边的重力势能的增加.与此同时,转轮对外做功,消耗机械能,即能量增加了,违反了能量守恒定律,所以不可能成功.‎ 一、温度、热量和内能 例1　见解析 ‎【解析】温度与热量:温度是状态量,热量是过程量.当物体与外界没有做功过程,物体温度升高(或降低)时,要吸收(或放出)热量,同一物体,它的温度变化越大,吸收或放出的热量就越大,热量跟温度变化紧密关联,但热量跟温度没有直接的联系.即不存在着温度高,物体热量大的关系,温度高的物体含有热量多是错误的观点.‎ 温度与内能:温度是物体内部分子热运动的平均动能的标志.温度越高,物体分子热运动越激烈,分子平均动能越大,对一个确定的物体,其内能由温度和体积决定.在体积不变的情况下,物体的内能随温度的升高而增大.内能大的物体,其温度一定高的说法是错误的,因为决定内能的因素还有质量、分子势能.‎ 热量与内能:热量是热传递过程中物体内能改变的量度.在物体与外界没有做功时,物体吸收(或放出)多少热量,其内能就增加(或减少)多少.‎ ‎【点拨】正确认识温度、热量、内能三个概念是学习热力学的基础,温度是分子平均动能的标志,热量表示的是热传递过程中转移内能的多少,而内能则是物体内所有分子的动能与势能之和.‎ 变式训练1　AB ‎【解析】正在熔化的冰块温度不变但要吸收热量,内能增加,故A正确;射穿木块的子弹与木块摩擦,温度升高,内能增加,故B正确;由于不知道被压缩的气体是否发生热传递,无法确定其内能的变化情况,故C错误;同理,由于不知道吸收了热量的气体的做功情况,也无法确定其内能的变化情况,故D错误.‎ 二、热力学第一定律表达式中符号的含义 例2　(1)外界对气体做功1.6×105 J ‎(2)气体内能增加了1.2×105 J ‎【解析】(1)根据热力学第一定律表达式中的符号法则:Q=2.6×105 J,ΔU=4.2×105 J,由ΔU=W+Q,则W=ΔU-Q=4.2×105 J-2. 6×105 J=1.6×105 J,W>0,说明是外界对气体做了功.‎ ‎(2)Q=3.5×105 J,W=-2.3×105 J,则ΔU=Q+W=3.5×105 J+(-2.3×105)J=1.2×105 J,ΔU为正值,说明气体的内能增加1.2×105 J.‎ ‎【点拨】应用热力学第一定律时要注意:①明确研究对象;②分清正负号(包括功的正负、热量的正负、内能变化的正负).‎ 三、热力学第一定律与气体实验定律的综合应用 例3　ABC ‎【解析】本题为热学与电学综合问题.电流表示数增大,由闭合电路欧姆定律可知,热敏电阻阻值减小,气体温度升高,内能增大.由活塞的平衡可得p=p0+,气体压强不变.根据盖·吕萨克定律:V∝T,气体温度升高,气体的体积增大,对外界做功.综合上述分析可知A、B、C选项正确.‎ ‎【点拨】对于理想气体,常把热力学第一定律与理想气体状态方程结合起来分析其状态变化规律.常见的分析思路如下:‎ ‎⇔吸、放热的判断 变式训练2　C ‎【解析】由图象为一条过坐标原点的直线可知,理想气体从状态A经B至C的过程是等温变化,理想气体的内能只跟其温度有关,温度不变,内能就不变,故A错误;从A经B至C过程中增大,体积V减小,故B错误;由于此过程气体体积减小,外界压缩气体做功,同时气体内能不变,根据热力学第一定律知气体向外界放热,故C正确、D错误.‎ ‎　　一、热力学第一定律 ‎1.内容:物体的内能增加量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和.这个关系叫做热力学第一定律.‎ ‎2.其数学表达式为:ΔU=W+Q.‎ ‎3.热力学第一定律符号法则 符号 做功W 热量Q 内能的改变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 ‎　　4.意义 热力学第一定律说明了做功和热传递是系统内能改变的量度,同时也进一步表明:在一切涉及热现象的宏观过程中,能量可以发生转移或转化,在转移或转化的过程中总能量守恒.‎ ‎5.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、ΔU)的正负.‎ ‎②根据方程ΔU=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.‎ 二、第一类永动机不可能制成 ‎1.定义:不需要任何动力和能量,却能不断地对外做功的机器.‎ ‎2.任何机器只能将能量从一种形式转化为另一种形式,而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.‎ ‎1.B　【解析】本题主要考查热力学第一定律的应用.因为外界对气体做功,W取正值,即W=8×104 J;内能减少,ΔU取负值,即ΔU=-1.2×105 J;根据ΔU=W+Q,可知Q=ΔU-W=-1.2×105 J-8×104 J=-2×105 J,即B选项正确.‎ ‎2.B ‎3.放热　放出600 J的热量 ‎【解析】由题意可知, W=300 J,ΔU=-300 J,根据热力学第一定律可得Q=ΔU-W=-300 J-300 J=-600 J,Q为负值表示气体放热,因此气体放出600 J的热量. ]‎ ‎4.见解析 ‎【解析】电冰箱工作时只是把箱内的热量转移到箱外,起到对箱内降温的作用;电风扇的风扇转动带动空气流动,加快空气对流,不能起到降温作用.如把房间及其内的所有物品(包括冰箱和风扇)看做绝热系统,电冰箱、电风扇消耗的电能做功,电能最后都转化为内能,系统内能增大,因而房间内温度升高.‎ ‎　　(见活页《金太阳导学测评八》)‎ ‎　　(见《课程纲要》课程评价表格)‎