資源簡介

5.1 熱力學第一定律 素材
目標導航
1．知道熱力學第一定律的內容及其表達式
2．理解能量守恒定律的內容
3．了解第一類永動機不可能制成的原因
誘思導學
1.熱力學第一定律
（1）.一個熱力學系統的內能增量等于外界向它傳遞的熱量與外界對它所做的功的和。這個關系叫做熱力學第一定律。
其數學表達式為：ΔU=W+Q
（2）.與熱力學第一定律相匹配的符號法則
做功W
熱量Q
內能的改變ΔU
取正值“+”
外界對系統做功
系統從外界吸收熱量
系統的內能增加
取負值“－”
系統對外界做功
系統向外界放出熱量
系統的內能減少
（3）熱力學第一定律說明了做功和熱傳遞是系統內能改變的量度，沒有做功和熱傳遞就不可能實現能量的轉化或轉移，同時也進一步揭示了能量守恒定律。
（4）應用熱力學第一定律解題的一般步驟：
①根據符號法則寫出各已知量（W、Q、ΔU）的正、負；
②根據方程ΔU=W+Q求出未知量；
③再根據未知量結果的正、負來確定吸熱、放熱情況或做功情況。
2.能量守恒定律
⑴.自然界存在著多種不同形式的運動，每種運動對應著一種形式的能量。如機械運動對應機械能；分子熱運動對應內能；電磁運動對應電磁能。
⑵.不同形式的能量之間可以相互轉化。摩擦可以將機械能轉化為內能；熾熱電燈發光可以將電能轉化為光能。
⑶.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另一種形式，或者從一個物體轉移到別的物體，在轉化或轉移的過程中其總量不變。這就是能量守恒定律。
(4).熱力學第一定律、機械能守恒定律都是能量守恒定律的具體體現。
(5).能量守恒定律適用于任何物理現象和物理過程。
(6). 能量守恒定律的重要意義
第一，能量守恒定律是支配整個自然界運動、發展、變化的普遍規律，學習這個定律，不能滿足一般理解其內容，更重要的是，從能量形式的多樣化及其相互聯系，互相轉化的事實出發去認識物質世界的多樣性及其普遍聯系，并切實樹立能量既不會憑空產生，也不會憑空消失的觀點，作為以后學習和生產實踐中處理一切實際問題的基本指導思想之一。第二，宣告了第一類永動機的失敗。
3.第一類永動機不可能制成
任何機器運動時只能將能量從一種形式轉化為另一種形式，而不可能無中生有地創造能量，即第一類永動機是不可能制造出來的。
典例探究
例1.一定量的氣體在某一過程中，外界對氣體做了8×104J的功，氣體的內能減少了1.2×105J，則下列各式中正確的是 （ ）
A.W=8×104J，ΔU =1.2×105J ，Q=4×104J
B.W=8×104J，ΔU =－1.2×105J ，Q=－2×105J
C.W=－8×104J，ΔU =1.2×105J ，Q=2×104J
D.W=－8×104J，ΔU =－1.2×105J ，Q=－4×104J
解析：本題主要考查熱力學第一定律的應用。因為外界對氣體做功，W取正值，即W=8×104J；內能減少，ΔU取負值，即ΔU=－1.2×105J；根據ΔU=W+Q，可知Q=ΔU－W=－1.2×105－8×104=－2×105J，即B選項正確。
答案：B
友情提示：注意熱力學第一定律關系式中各物理量的符號法則。
例2.一定質量的氣體，在壓縮過程中外界對氣體做功300J，但這一過程中氣體的內能減少了300J，問氣體在此過程中是吸熱還是放熱？吸收（或放出）多少熱量？
解析：由題意可知，W=300J，ΔU=－300J，根據熱力學第一定律可得
Q=ΔU－W=－300J－300J=－600J
Q為負值表示氣體放熱，因此氣體放出600J的熱量。
友情提示：注意熱力學第一定律關系式中各物理量的符號法則及其物理意義。
例3. 一定質量的氣體從外界吸收了4.2×105J的熱量，同時氣體對外做了6×105J的功，問：
（1）物體的內能是增加還是減少？變化量是多少？
（2）分子勢能是增加還是減少？
（3）分子的平均動能是增加還是減少？
解析：（1）氣體從外界吸熱為：Q=4.2×105J
氣體對外做功：W=－6×105J
由熱力學第一定律：ΔU=W+Q=（－6×105）+（4.2×105J）=－1.8×105J
ΔU為負，說明氣體的內能減少了。所以，氣體內能減少了1.8×105J。
（2）因為氣體對外做功，所以氣體的體積膨脹，分子間的距離增大了，分子力做負功，氣體分子勢能增加了。
（3）因為氣體內能減少，同時氣體分子勢能增加，說明氣體分子的平均動能一定減少了。
友情提示：本題以熱力學第一定律關系式為起點，結合分子動理論中內能的定義，分析得出：①氣體對外做功，體積膨脹，分子間的距離增大了，分子力做負功，氣體分子勢能增加了②氣體內能減少，同時氣體分子勢能增加，說明氣體分子的平均動能一定減少了。
基礎訓練
1．關于物體內能的變化，以下說法正確的是 （ ）
A.物體吸熱，內能一定增大
B.物體對外做功，內能可能增大
C.物體吸收熱量，同時對外做功，內能可能不變
D.物體放出熱量，同時對外做功，內能可能不變
2．自由擺動的秋千擺動幅度越來越小，下列說法正確的是 （ ）
A.秋千的機械能守恒 B.秋千的能量正在消失
C.只有動能和重力勢能的相互轉化 D.減少的機械能轉化為內能，但總能量守恒
3．下列各物體在所經歷的過程中，內能增加的有 ( )
A.在光滑斜面上由靜止釋放而下滑的物體
B.水平飛行并射穿木塊的子彈
C.在絕熱的條件下被壓縮的氣體
D.在光滑水平面上運動的兩個小球，碰撞后以共同的速度運動
4．在熱力學第一定律的表達式ΔU=W+Q中關于ΔU、W、Q各個物理量的正、負，下列說法中正確的是 （ ）
A.外界對物體做功時W為正，吸熱時Q為負，內能增加時ΔU為正
B.物體對外界做功時W為負，吸熱時Q為正，內能增加時ΔU為負
C.物體對外界做功時W為負，吸熱時Q為正，內能增加時ΔU為正
D.外界對物體做功時W為負，吸熱時Q為負，內能增加時ΔU為負
5．對于在一個大氣壓下100℃的水變成100℃的水蒸氣的過程中，下列說法正確的是 （ ）
A.水的內能增加，對外界做功，一定是吸熱
B.水的內能不變，對外界做功，從外界吸熱
C.水的內能減少，對外界不做功，向外界放熱
D.水的內能增加，對外界做功，向外界放熱
6．為使一個與外界保持良好熱交換狀態的物體的內能能夠明顯變化，以下方法可行的是（　　　）
A.以較大的功率對物體做功　　　　B. 以較小的功率對物體做功　
C.該物體以較大的功率對外做功　　D. 該物體以較小的功率對外做功
7．圖10.3-1所示是一定質量的理想氣體從狀態A經B至C的P—圖線，則在此過程中（　　　）
A.氣體的內能改變
B.氣體的體積增大
C.氣體向外界放熱
D.氣體對外界做功 圖10.3-1
8．從10m高空由靜止開始下落的水滴，在下落的過程中，水滴重力勢能的40﹪轉化為水的內能使水的溫度升高，則水滴落下后溫度升高多少？[水的比熱容c=4.2×103J/（kg·℃）]
9．一個透熱良好的氣缸，缸壁浸在盛水的容器中，迅速下壓活塞，壓縮中對氣體做了2000J的功，穩定后使容器中2千克的水溫度升高了0.2℃，假設盛水容器絕熱。問：壓縮前后缸內氣體的內能變化了多少？
多維鏈接
1．有一種所謂“全自動”機械手表，既不需要上發條，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，你知道維持表針走動的能量是哪兒來的嗎？
提示：不是永動機。能量是通過擺動手臂對表內的轉輪做功而儲存的。
2．在一間隔熱很好的密閉房間里放一臺電冰箱，如果把冰箱門打開，開動一段時間后，房內溫度是降低還是升高？
提示：升高了。因為電冰箱消耗電能，產生電熱，使密閉房間內的空氣內能增加，房內溫度升高。
3．能的轉化和守恒定律的建立
　　能的轉化和守恒定律的建立，揭示了機械熱、電、化學等各種運動形式之間相互聯系并相互轉化的統一性，是物理學發展史上繼牛頓學將天體運動與地面物體運動的大綜合之后的第二次大綜合，恩格斯將這一偉大的運動基本定律稱為19世紀自然科學的三大發現之一，它不僅是自然科學的基礎，而且也給哲學上的不滅運動原理和自然界運動形式的統一性提供了可靠的科學論據。
4．關于太陽能的轉化21世紀教育網
太陽能輻射到地球表面，產生熱量和化學能，能量給地球以溫暖，推動地表水的循環和空氣的流動。
化學能被植物經過化學作用所利用，產生糖類及其其它有機物，成為生命活動的能源，一個活的生命體可以看作是一個利用太陽能以維持自身生命，并延續下一代的化學系統。太陽能有廣泛的應用，其輻射的直接利用基本上有以下四種方式：
(1).太陽能——內能轉換
　　這是目前技術最為成熟，成本最為低廉，因而應用最為廣泛的形式，其基本原理是將太陽輻射能收集起來，利用溫室效應來加熱物體而獲得內能，如地膜、大棚、溫室等，目前使用較多的太陽能收集裝置有兩種，一種是平板式集熱器，如太陽能熱水器等，另一種是聚集型集熱器，如反射式太陽灶、高溫太陽爐等。
(2).太陽能——電能轉換
太陽能與電能轉換有兩種方式，一種是利用太陽輻射能發電，一般是由太陽能集熱器將吸收的太陽能轉換成蒸汽，再驅動汽輪機發電，但這一過程效率較低并且成本高，沒有實用價值；另一種是太陽能與電能的轉換，是利用光電效應，將太陽輻射能直接轉化成電能。
(3).太陽能——化學能轉換
利用太陽輻射能可以轉化為化學鍵中的化學能，進而生成新物質，或利用其分解化學物質生成新物質。例如直接分解水制氫，是一種很有前途的光能與化學能的轉化方式。
(4).太陽能——生物質能的轉換
主要是通過地球上眾多的植物的光合作用，將太陽輻射能轉化為生物質能。生物能又叫綠色能源，是植物體燃燒放出的熱能。此外，葉綠素通過光合作用把二氧化碳和水轉化成碳水化合物和氧氣，這時太陽能轉化成儲存在植物內有機物的化學能。
[來源:21世紀教育網]
參考答案
1.解析：由熱力學第一定律易知B、C正確。21世紀教育網
答案：B、C
2.解析：由能的轉化和守恒定律及能量守恒定律，顯然D正確。
答案：D
3.解析：子彈在射穿木塊的過程中，摩擦生熱內能增加；在絕熱的條件下被壓縮的氣體，外界對氣體做功氣體內能增加；運動的兩個小球碰撞時損失的機械能轉化為內能，故B、C、D正確。
答案：B、C、D
4.解析：外界對物體做功時W為正，反之為負；吸熱時Q為正，反之為負；內能增加時ΔU為正，反之為負。故C正確。[來源:21世紀教育網]
答案：C
5.解析：在一個大氣壓下100℃的水變成100℃的水蒸氣的過程中，溫度不變但要吸收熱量，體積增大，對外做功；由于溫度不變，體積增大，所以分子的動能不變，分子勢能增加，內能增加。故A正確。
答案：A
6.解析：由熱力學第一定律和W＝Pt知，以較大的功率對物體做功就會使物體增加的內能大于物體由于熱交換減小的內能，從而使物體的內能能夠明顯增加；該物體以較大的功率對外做功就會使物體減小的內能大于物體由于熱交換增加的內能，從而使物體的內能能夠明顯減小。
答案：A.C
7.解析：由圖象可知該氣體發生的等溫變化，故氣體的內能不變，ΔU＝0；但氣體的體積在減小，故外界對氣體做功，W＞0；由熱力學第一定律ΔU＝W＋Q知，Q＞0，氣體放熱。故C正確。[來源:21世紀教育網]
答案：C
8.解析：由題意得：mghη=cmΔt　代入數值得：Δt＝0.01℃
答案：0.01℃
9.解析：活塞對氣體做功W=2000J，氣體向水放出熱量，其絕對值為：
∣Q∣=cmΔt=4.2×103×2×0.2J=1680J
由于壓縮中氣體向外界放熱，所以代入熱力學第一定律表達式時，Q取負號，內能變化為ΔU=W＋Q=2000J－1680J=320J
即氣體內能增加了320 J 。

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