高中物理 第5章 热力学定律 第1节 热力学第一定律知识导航素材 鲁科版选修3-3（通用）

高中物理 第5章 热力学定律 第1节 热力学第一定律知识导航素材 鲁科版选修3-3（通用）

第1节 热力学第一定律 ‎ 思维激活 约在1670年,英国赛斯特城的主教约翰·维尔金斯设计了一种磁力“永动机”,如图511所示,在斜坡上放一块强有力的磁铁M,斜坡上端有一个小孔,斜面下有一个连接小孔直至底端的弯曲轨道.维尔金斯认为:如果在斜坡底放一个小铁球,那么由于磁铁的吸引力,小铁球就会向上运动,当小球运动到小孔P处时,它就要掉下,再沿着斜面下的弯曲轨道返回斜坡底端Q,由于有速度而可以对外做功,然后又被磁铁吸回到上端,到小孔P处又掉了……‎ 图5-1-1‎ 试分析维尔金斯“永动机”的工作原理,它能实现吗?‎ 提示：看上去这种“永动机”是很令人着迷的.在人类发展史上有无数的人致力于研究永动机.但无一例外,都失败了.这一节我们从研究功、热量和内能变化之间的定量关系入手,学习热力学第一定律和能量守恒定律,揭开永动机之谜.‎ 自主整理 一、热力学第一定律及其应用 ‎1.定律内容:一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的___________与外界对它所做的___________的和.‎ ‎2.数学表达式: _________________________________.‎ 二、永动机不可能制成 ‎1.第一类永动机:人们把设想中的不消耗___________而能永远对外做功的机器称第一类永动机.‎ ‎2.第一类永动机的设想由于违背了______________________,所以不可能制成.‎ 高手笔记 ‎1.研究对象 热力学第一定律研究的是功、热量跟内能的变化之间的定量关系.‎ ‎2.定律内容 当物体跟外界同时发生做功和热传递时,则外界对物体所做的功W加上物体从外界吸收的热量Q,等于物体内能的增加ΔU,即ΔU=W+Q.‎ 上式所表示的功、热量跟内能变化ΔU之间的定量关系,在物理学中叫做热力学第一定律.‎ ‎3.符号法则 在应用热力学第一定律解题时,一定要注意各量的符号规定:外界对物体做功,W取正值,物体对外界做功,W取负值;物体吸收热量,Q取正值,物体放出热量,Q取负值;物体内能增大,ΔU取正值,物体内能减小,ΔU取负值.‎ 名师解惑 ‎1.关于热力学第一定律的理解 剖析：(1)热力学第一定律不仅反映了做功和热传递这两种改变内能的方式是等效的，而且给出了内能的变化量和做功与热传递之间的定量关系.此定律是标量式,应用时热量的单位应统一为国际单位制中的焦耳.‎ ‎(2)对公式ΔU=Q+W符号的规定 符号 W Q ΔU ‎+‎ 外界对物体做功 物体吸收热量 内能增加 ‎-‎ 物体对外界做功 物体放出热量 内能减少 ‎(3)几种特殊情况 ‎①若过程是绝热的,则Q=0,W=ΔU,外界对物体做的功等于物体内能的增加.‎ ‎②若过程中不做功,即W=0,则Q=ΔU,物体吸收的热量等于物体内能的增加.‎ ‎③若过程的始末状态物体的内能不变,即ΔU=0,则W+Q=0或W=-Q,外界对物体做的功等于物体放出的热量.‎ ‎2.第一类永动机不能制成 剖析：大家也许听说过“永动机”,这是一种不需要任何能量,自己就能够做功干活,并且永远运动的机器.但是,这种“永动机”是否能制造出来呢?同永远找不到不吃草的好马一样,不需要能量而永远运动并且能够做功的永动机,也是不可能制造出来的.因为在自然界中物质的任何一种形式的能量,在一定条件下都能够用直接或间接的方式,转化成其他形式的能量,在转化中,总能量保持不变.这就是能量守恒和转化定律.用恩格斯的话来说,这是一条“绝对的自然规律”.‎ 讲练互动 ‎【例1】关于物体内能的变化,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,内能一定减小 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 解析：根据热力学第一定律ΔU=W+Q,物体内能的变化与外界对物体做功(或物体对外界做功)、物体从外界吸热(或向外界放热)两种因素有关,物体吸收热量,但有可能同时对外做功,故内能可能不变甚至减小,A项错.同理,物体对外做功的同时有可能吸热,故内能不一定减小,B项错.若物体吸收的热量与对外做功相等,则内能可能不变,C项正确.而物体放热与对外做功都是使物体内能减小,内能不可能不变,可知D项错.‎ 答案：C 绿色通道 一个物体具有多少内能是无法确定的,因而不具有实际应用的意义,真正有意义的是内能的变化,热力学第一定律ΔU=W+Q表示了功、热与内能变化之间的定量关系,当物体吸热或外界对物体做功时,物体的内能就会增大,并且增加的内能等于吸收的热量和做功数值之和.当物体放热或对外做功时,物体的内能就会减小,并且减小的内能等于放出的热量与对外做功之和.如果吸热的同时对外做功或外界对物体做功的同时放热,内能增大还是减小要由热量和功的具体数值而定.‎ 变式训练 ‎1．以下过程不可能发生的是（ ）‎ A.对物体做功,同时物体放热,物体的内能不变 B.对物体做功,同时物体吸热,物体的内能不变 C.物体对外做功,同时放热,物体的内能不变 D.物体对外做功,同时吸热,物体的内能不变 答案：BC ‎【例2】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 解析：根据热力学第一定律的符号法则,W=8×104 J,ΔU=-1.2×105 J,由ΔU=W+Q可求得:Q=-2.0×105 J,所以选项B正确.‎ 答案：B 绿色通道 ‎(1)应用热力学第一定律时要明确研究的对象是哪个物体或者是哪个热力学系统.‎ ‎(2)应用热力学第一定律计算时,要依照符号法则代入数据.对结果的正、负也同样依照规则来解释其意义.‎ 变式训练 ‎2.一定量的气体,膨胀过程中是外界对气体做功还是气体对外界做功?如果膨胀时做的功是135 J,同时向外放热85 J,气体内能的变化量是多少?内能是增加了还是减少了?‎ 解析：对气体来说,体积膨胀,气体对外做功,在热力学第一定律中W表示外界对气体做的功,故此时W为负.‎ 气体膨胀做的功为135 J,向外界放热85 J,此时W=-135 J,Q=-85‎ ‎ J,由热力学第一定律知:‎ ΔU=W+Q=-135 J-85 J=-220 J 即内能减少了220 J.‎ 答案：气体对外做功,内能减少了220 J.‎ ‎【例3】如图‎5-1-2‎所示,在气缸内活塞左边封闭着一定量的空气,压强和大气压相同.把气缸和活塞固定,使气缸内空气升高一定的温度,空气吸收的热量为Q1.如果让活塞可以自由滑动(活塞与气缸间无摩擦、不漏气),也使气缸内空气温度升高相同温度,其吸收的热量为Q2.‎ 图‎5-1-2‎ ‎(1)Q1和Q2哪个大些?‎ ‎(2)气体在等容下的比热容与在等压下的比热容为什么会有不同?‎ 解析：(1)把活塞和气缸固定,使空气升温,属于等容升温过程,W=0,空气内能的变化等于吸收的热量Q1,即ΔU=Q1.如果让活塞可以自由滑动,气缸内空气做等压升温变化,气体体积增加,气体对外界做功,W<0,由热力学第一定律知ΔU=Q2+W.由于空气升高相同的温度,两种情况中内能增量相同.则Q2=ΔU-W>Q1.‎ ‎(2)气体在定压升温过程中体积膨胀,对外界做功,而在定容升温过程中不需对外界做功,由Q2>Q1及Q=cmΔt可判定升高相同的温度,吸收热量多的比热容大.‎ 答案：(1)Q2 (2)见解析 绿色通道 ‎①在公式ΔU=Q+W中,系统对外界做功,W<0;外界对系统做功,W>0.‎ ‎②比热容不同,是由于升高相同温度的情况下吸收热量不同造成的.‎ 变式训练 ‎3.如图‎5-1-3‎所示,固定容器及可动活塞P都是绝热的,中间有一导热的固定隔板B,B的两边分别盛有气体甲和乙.现将活塞P缓慢地向B移动一小段距离,已知气体的温度随其内能的增加而升高,则在移动P的过程中（ ）‎ 图‎5-1-3‎ A.外力对乙做功,甲的内能不变 B.外力对乙做功,乙的内能不变 C.乙传递热量给甲,乙的内能增加 D.乙的内能增加,甲的内能不变 解析：以乙中气体为研究对象,外力对乙中气体做功,内能增大,因而气体的温度随其内能增大而升高,B是固定的导热隔板,通过热传递,乙传递热量给甲,甲的内能增大,固定容器及可动活塞都绝热,以系统为研究对象,由热力学第一定律,ΔU=W+Q得Q=0,W为正值,ΔU增大,故C选项正确.‎ 答案：C 体验探究 ‎【问题】 做压缩空气引火实验时,难度较高,应注意什么?‎ 导思：能否较好地完成该实验应从以下几个方面考虑:容器的密封性,管内空气中氧气的多少.脱脂棉数量的多少,压缩过程的快慢.‎ 探究:1.密封性要好，主要是活塞与管壁的密封，当把活塞从管内拉出时，感到阻力比较大，且当活塞离开管口的瞬间能听到“嘭”的响声，这种情况可以密封较好，实验时应在活塞上涂少许蓖麻油，起密封和润滑作用.‎ ‎2.管内保持足够的氧气，实验时可用尖嘴吹风球，向管内注入新鲜空气.‎ ‎3.所用燃料燃点低，普通棉花难以压燃，实验中要用硝化棉，硝化棉可以自制，取浓硝酸和浓硫酸，按体积比1∶2先后倒入烧杯内混合，使其温度保持在‎30 ℃‎左右，将脱脂棉浸入混合酸内15分钟左右，取出棉花用清水反复冲洗，直至没有酸性，挤干后放在阴暗处晾干，保存时应放在密封瓶内，保持干燥.‎ 探究结论：密封性要好；管内保持足够的氧气；所用燃料燃点低.‎ 教材链接 教材P79《讨论与交流》‎ 如果用Q表示物体吸收的热量,W表示物体对外所做的功,ΔU表示物体内能的增加量,热力学第一定律也可以写成Q=ΔU+W.‎ 这个表达式的物理意义是什么?请与同学讨论交流.‎ 答：Q=ΔU+W的含义是:系统从外界吸收的热量Q等于系统对外界做的功与系统内能增量之和.‎ 教材P81《讨论与交流》‎ 图‎5-1-4‎是历史上曾经出现的几种永动机的设计方案,其中(a)是想利用短杆上的重球对转轴产生的力矩,使轮子不停地转动;(b)是想利用像灯芯那样的棉线把水吸到高处,再流下冲击轮子的叶片,使轮子不停地转动;(c)是想利用重物在水中受浮力作用而上升,带动轮子不停地转动.‎ 请仔细分析这些永动机的设想,指出它们不可能实现的原因,并与同学讨论交流.‎ 图‎5-1-4‎ 几种永动机的设想 答:因为它们都违背了热力学第一定律.‎