高中物理教科版选修3-3热力学第一定律学案

这是一份高中物理教科版选修3-3热力学第一定律学案，共13页。
知识点一 热力学第一定律
如图所示，大口玻璃瓶内有一些水，水的上方有水蒸气，向瓶内打气，当瓶塞跳出时，观察瓶内的变化。
观察瓶塞跳出时瓶内的变化
我们研究的是瓶塞跳出的过程，而研究的对象即“系统”是什么？在瓶塞跳出的过程中，是外界在对系统做功还是系统在对外界做功？这个过程中系统的内能有什么变化？你从什么现象推断出它的内能发生了变化？
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1.绝热过程
系统与外界之间没有________的交换，只是通过外界________的方式与外界交换能量的过程。
2.功和内能
(1)在热力学系统的绝热过程中，系统内能的增加量ΔU________外界对系统所做的功W，即________。
(2)如果系统对外界做功，这时W取负值，ΔU也为负值，表示内能________。
3.热和内能
(1)在外界没有对系统做功的过程中，系统内能的增加量ΔU________系统从外界所吸收的热量Q，即________。
(2)如果系统向外界放热，这时Q取负值，ΔU也为负值，表示内能减少。
4.热力学第一定律
(1)内容：在系统跟外界同时发生做功和热传递的过程中，系统内能的增加量ΔU等于系统从外界吸收的________与外界对系统所做的功W________。
(2)表达式：ΔU＝________。
5.第一类永动机不可能制成
(1)第一类永动机：不需要任何动力和燃料，能持续不断地________的机器。
(2)第一类永动机由于违背了______________，所以不可能制成。
【思考】
1.热传递是热量从内能多的物体传递给内能少的物体吗？
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2.如果用Q表示系统吸收的热量，用W表示物体对外界所做的功，ΔU表示物体内能的增加量，那么第一定律可以表达为Q＝ΔU＋W。这个表达式的物理意义是什么呢？
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角度1 功与内能
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，外界对物体做功，则W＞0，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；物体对外界做功，则W＜0，物体对外界做多少功，就有多少内能转化为其他形式的能，物体的内能就减少多少。
2.功与内能的区别
(1)功是过程量，内能是状态量。
(2)物体的内能大，并不意味着做功多。
例1 (多选)如图为焦耳实验装置图，用绝热性能良好的材料将容器包好，重物下落带动叶片搅拌容器里的水，引起水温升高。关于这个实验，下列说法正确的是( )
A.这个装置可测定热功关系
B.做功增加了水的热量
C.做功增加了水的内能
D.功和热量是完全等价的，无区别
听课笔记______________________________________________________
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(1)外界对某一系统做功时系统的内能不一定增加，还要看该系统有没有向外放热，以及向外放热的多少。
(2)在绝热过程中，做功一定能引起内能的变化。
训练1 (多选)某汽车后备箱内安装有撑起箱盖的装置，它主要由汽缸和活塞组成。开箱时，密闭于汽缸内的压缩气体膨胀，将箱盖顶起，如图所示。在此过程中，若缸内气体与外界无热量交换，忽略气体分子间的相互作用，则缸内气体( )
A.对外做正功，分子的平均动能减少
B.对外做正功，内能增大
C.对外做负功，分子的平均动能增加
D.对外做正功，内能减小
角度2 热和内能
1.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，可以通过热传递和做功两种方式来完成。
2.热量是热传递过程中的特征物理量，热量只是反映物体在状态变化过程中所转移的能量，是用来衡量物体内能变化的，有过程，才有变化，离开过程，毫无意义。
3.对某一状态而言，只有“内能”，不存在“热量”和“功”。不能说一个系统中含有多少热量。
例2 关于物体的内能和热量，下列说法中正确的有( )
A.热水的内能比冷水的内能多
B.温度高的物体其热量必定多，内能必定大
C.在热传递过程中，内能大的物体其内能将减小，内能小的物体其内能将增大，直到两物体的内能相等
D.在热传递过程中，热量从高温物体传递到低温物体，直到两物体的温度相同为止
听课笔记______________________________________________________
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总结提升 改变内能的两种方式的比较
训练2 (多选)在外界不做功的情况下，物体的内能增加了50 J，下列说法正确的是( )
A.一定是物体放出了50 J的热量
B.一定是物体吸收了50 J的热量
C.一定是物体的分子动能增加了50 J
D.物体分子的平均动能可能不变
角度3 热力学第一定律
1.对热力学第一定律的理解
(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过程是等价的，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。
(2)应用时各量的单位应统一为国际单位焦耳。
2.公式ΔU＝Q＋W中符号的规定
3.气体状态变化的几种特殊情况
(1)绝热过程：Q＝0，则ΔU＝W，系统内能的增加(或减少)量等于外界对系统(或系统对外界)做的功。
(2)等容过程：W＝0，则ΔU＝Q，系统内能的增加量(或减少量)等于系统从外界吸收(或系统向外界放出)的热量。
(3)等温过程：一定质量理想气体的内能不变，即ΔU＝0，则W＝－Q(或Q＝－W)，外界对系统做的功等于系统向外界放出的热量(或系统从外界吸收的热量等于系统对外界做的功)。
例3 (教材P57自我评价T3改编)一定质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。
(1)是气体对外界做了功，还是外界对气体做了功？做了多少焦耳的功？
(2)如果气体吸收的热量仍为2.6×105 J不变，但是内能增加了1.6×105 J，计算结果W＝－1.0×105 J，是负值，怎样解释这个结果？
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1.判断气体是否做功及做功正负的方法
一般情况下看气体的体积是否变化。
(1)若气体体积增大，表明气体对外界做功，W0。
2.应用热力学第一定律解题的一般步骤
(1)根据符号法则写出已知量(W、Q，ΔU)的正负。
(2)根据ΔU＝Q＋W列方程求出未知量。
(3)再根据未知量结果的正、负，判断W、Q、ΔU的变化情况。
训练3 如图，内壁光滑的汽缸竖直放置在水平桌面上，汽缸内封闭一定质量的气体。气体从状态A(活塞在A处)变为状态B(活塞在B处)时，气体吸收热量280 J，并对外做功120 J。
(1)气体的内能改变了多少？是增加还是减少？
(2)某人在上一问的基础上又接着提了后一个问题，说：“有人使气体从上一问的B状态再回到A状态，即回到原来A状态时的体积和温度，气体放出的热量是150 J，那么返回过程中气体对外做的功又是多少？”请你对后一个问题进行评价。
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知识点二 能量守恒定律
(1)在能量发生转化或转移时，能量的总量会减少吗？
(2)图为一种所谓“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？
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1.能量守恒定律
(1)内容：能量既不会凭空________，也不会凭空________，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，能量的总量________。
(2)运用范围：能量守恒定律不仅适用于低速、宏观的情形，也适用于高速、微观世界，是最基本、最普遍的自然规律之一。
(3)热力学第一定律就是内能与其他形式能量发生转化时的能量守恒定律。
2.能量守恒的两种表达
(1)某种形式的能减少，一定有其他形式的能增加，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.能量的存在形式及相互转化
(1)自然界中的一切物质都具有能量。例如，机械运动有机械能，分子的热运动有内能，还有电磁能、化学能、核能等。
(2)各种形式的能，通过某种力做功可以相互转化。
4.节约能源
(1)可持续发展，是指既满足当代人的需求，又不对后代人满足其自身需求的能力构成危害的发展。能源问题在人类可持续发展中占有重要的位置。
(2)可持续发展战略的基本思想包括三点：一是鼓励________，但要改变“高投入、高消耗、高污染”的生产模式和消费模式；二是利用科学技术及社会力量节约资源(含能源)，大力发展资源的循环使用；三是利用科学技术，寻找新能源及开拓新的资源。
(3)节约资源的原因：从宏观角度来看，人类使用能源的过程中能的总量是不变的，但能的品质降低了，能量从便于利用的形式变为不便于利用的形式。
【思考】 在下面几个实例中，能量之间是怎样转化的？
(1)在水平公路上行驶的汽车。发动机熄火后，速度越来越小，最后停止。
(2)在阻尼振动中。单摆的振幅越来越小，最后停下来。
(3)在电磁感应中，线框在磁场中转动，线框会发热。
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例4 (多选)下列关于能量转化现象的说法中，正确的是( )
A.用太阳灶烧水是太阳能转化为内能
B.电灯发光是电能转化为光能
C.核电站发电是电能转化为内能
D.生石灰放入盛有凉水的烧杯里，水温升高是动能转化为内能
听课笔记______________________________________________________
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训练4 在一个密闭绝热的房间里，有一电冰箱正在工作，如果打开电冰箱的门，过一段时间后房间的温度会( )
A.降低 B.不变
C.升高 D.无法判断
随堂对点自测
1.(热力学第一定律的理解和应用)如图是封闭的汽缸，内部封闭有一定质量的理想气体。外力推动活塞P压缩气体，对汽缸内气体做功800 J，同时气体向外界放热200 J，则汽缸内气体的( )
A.温度升高，内能增加600 J
B.温度升高，内能减少200 J
C.温度降低，内能增加600 J
D.温度降低，内能减少200 J
2.(热力学第一定律的理解和应用)(2023·天津卷，2)如图是爬山所带的氧气瓶，爬高过程中，氧气瓶里的气体体积和质量均不变，温度降低，则气体( )
A.对外做功 B.内能减少
C.吸收热量 D.压强不变
3.(能量守恒定律的理解和应用)(多选)如图所示，小朋友坐在滑梯上匀速下滑，在这个过程中( )
A.小朋友的机械能逐渐转化为系统的内能，总能量不变
B.因为能量是守恒的，小朋友的机械能大小不变
C.系统内能是通过热传递改变的
D.由于摩擦，小朋友滑过的滑梯温度升高，分子的平均动能增加，但不是其中每一个分子的动能都增加
1 热力学第一定律
2 能量守恒定律
知识点一
导学 提示 当瓶塞跳出时，我们会发现瓶内的瓶口处有“白雾”产生。
我们所选的研究对象是瓶内水面上方的水蒸气；在瓶塞跳出的过程中，是系统膨胀对外界做功；在这个过程中系统的内能减少；瓶内的瓶口处的“白雾”实际上是瓶内的水蒸气液化形成的无数小液滴，水蒸气液化过程中内能减少。
知识梳理
1.热量 做功 2.(1)等于 ΔU＝W (2)减少 3.(1)等于 ΔU＝Q
4.(1)热量Q 之和 (2)Q＋W 5.(1)对外做功 (2)热力学第一定律
[思考]
1.提示 不是。热传递是热量从高温物体传向低温物体，并非从内能多的物体传向内能少的物体。
2.提示 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，与ΔU＝Q＋W相比，这种表述是从热机的效率角度考虑，外界传递给系统的热量，一部分用来增加系统的内能，另一部分系统用来对外界做功。
例1 AC [该实验测定做功和内能变化的关系，A正确；该实验是绝热过程，没有传热，改变内能的方式是做功，C正确；做功表示能量的转化，而热量表示传热中内能的转移，二者有区别，B、D错误。]
训练1 AD [气体膨胀对外做正功，又因为气体与外界无热量交换，故气体内能减少，B、C错误，D正确；因忽略气体分子间的相互作用，没有分子势能，所以分子平均动能减少，A正确。]
例2 D [物体的内能由温度、体积及物体的质量(物质的量)决定，不是只由温度决定，故A、B错误；在热传递过程中，热量由高温物体传给低温物体，直至两物体的温度相同，而与物体的内能大小无关，故C错误，D正确。]
训练2 BD [在外界不做功的情况下，内能的改变量等于传递的热量，内能增加50 J，一定是物体吸收了50 J的热量，故A错误，B正确；物体内能包括所有分子的动能和势能，内能由分子数、分子平均动能、分子势能共同决定，所以内能增加了50 J并不一定是分子动能增加了50 J，物体分子的平均动能有可能不变，这时吸收的50 J热量全部用来增加分子势能，故C错误，D正确。]
例3 (1)外界对气体做了1.6×105 J的功 (2)说明气体对外界做功
解析 (1)由热力学第一定律ΔU＝Q＋W
得W＝ΔU－Q＝4.2×105 J－2.6×105 J＝1.6×105 J
W＞0，说明外界对气体做功，且做了1.6×105 J的功。
(2)如果吸收的热量Q＝2.6×105 J，内能ΔU增加了1.6×105 J，计算结果为W＝－1.0×105 J，说明气体对外界做功。
训练3 (1)160 J，增加 (2)见解析
解析 (1)根据热力学第一定律可知，汽缸内封闭气体的内能变化量为ΔU＝Q＋W＝280 J＋(－120) J＝160 J
即内能增加了160 J。
(2)若气体从B状态又返回A状态，则气体的内能变化量为
ΔU′＝－ΔU＝－160 J
根据热力学第一定律可知，气体由B状态返回A状态的过程中有ΔU′＝Q′＋W′
则W′＝ΔU′－Q′＝－160 J－(－150) J＝－10 J
即气体从B状态返回A状态过程中，对外做的功为10 J。
但从B状态到A状态，气体体积减小，应该外界对气体做功，显然与实际情况不符，故该问题题设有误，该过程不能发生。
知识点二
导学 提示 (1)能量的总量不会减少。
(2)不是。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。
知识梳理
1.(1)产生 消失 转化 转移 保持不变 4.(2)经济增长
[思考]
提示 (1)汽车的能量转化：汽车通过克服阻力做功将机械能转化为内能。
(2)单摆的能量转化：单摆通过克服阻力做功将机械能转化为内能。
(3)电磁感应线框中的能量转化：先将线框的机械能转化为线框中的电能，电流流过线框，又将电能转化为内能。
例4 AB [用太阳灶烧水是太阳能转化为内能，A正确；电灯发光是消耗电能，转化为光能，B正确；核电站发电是核能转化为电能，C错误；生石灰放入凉水中，水温升高是化学能转化为内能，D错误。]
训练4 C [冰箱只是把冰箱内的热量移到外面，但在密闭绝热的房间中，冰箱门打开，冰箱在不工作时，整个房间内的热量是不变的，而在工作时有电在做功，产生焦耳热，电能转化为内能，根据能量守恒定律可知室内温度升高了，故C正确。]
随堂对点自测
1.A [由热力学第一定律ΔU＝Q＋W，得内能的改变量ΔU＝－200 J＋800 J＝600 J，一定质量的理想气体的内能大小只与温度有关，ΔU＝600 J＞0，故温度一定升高，选项A正确。]
2.B [爬高过程中，气体的体积保持不变，则气体对外不做功，A错误；爬高过程中，气体温度降低，则气体的内能减少，B正确；根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W可知，W＝0，ΔU＜0，则Q