人教版 (2019)选择性必修 第三册2 热力学第一定律导学案

这是一份人教版 (2019)选择性必修 第三册2 热力学第一定律导学案，共14页。
[学习目标] 1.理解热力学第一定律，并会运用于分析和计算.2.理解并会运用能量守恒定律.3.知道什么是第一类永动机及其不可能制成的原因．
一、热力学第一定律
1．改变内能的两种方式：做功与传热．两者对改变系统的内能是等价的．
2．热力学第一定律：一个热力学系统的内能变化量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和．
3．热力学第一定律的表达式：ΔU＝Q＋W.
4．热力学第一定律的应用：
(1)W的正负：外界对系统做功时，W取正值；系统对外界做功时，W取负值．(均选填“正”或“负”)
(2)Q的正负：外界对系统传递的热量Q取正值；系统向外界传递的热量Q取负值．(均选填“正”或“负”)
二、能量守恒定律
1．探索能量守恒的足迹
2．能量守恒定律
能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变．
3．永动机不可能制成
(1)第一类永动机：不需要任何动力或燃料，却能不断地对外做功的机器．
(2)第一类永动机由于违背了能量守恒定律，所以不可能制成．
1．判断下列说法的正误．
(1)外界对系统做功，系统的内能一定增加．( × )
(2)系统内能增加，一定是系统从外界吸收了热量．( × )
(3)系统内能减少，一定是系统对外界做了功．( × )
(4)违背能量守恒定律的过程是不可能发生的．( √ )
2．一定质量的气体从外界吸收了50 J的热量，同时对外做功100 J，则物体的内能________(填“增加”或“减少”)________ J.
答案 减少 50
一、热力学第一定律
导学探究
如图1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，汽缸向外界传递10 J的热量，气体内能改变了多少？若推动活塞对汽缸内气体做功10 J的同时，汽缸向外界传递10 J的热量，气体的内能改变了多少？
图1
答案 内能增加了10 J；减少了10 J；没改变．
知识深化
1．对公式ΔU＝Q＋W符号的规定
2.气体状态变化的几种特殊情况
(1)绝热过程：Q＝0，则ΔU＝W，系统内能的增加量(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：一定质量理想气体初、末状态的内能不变，即ΔU＝0，则W＝－Q(或Q＝－W)，外界对系统做的功等于系统放出的热量(或系统吸收的热量等于系统对外界做的功)．
3．判断气体是否做功的方法
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.
4．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放热情况、做功情况或内能变化情况．
(2021·江苏徐州高二期中)一定质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＝2×105 J
D．W＝－8×104 J，ΔU＝－1.2×105 J，Q＝－4×104 J
答案 B
解析 因为外界对气体做功，W取正值，即W＝8×104 J；气体内能减少，ΔU取负值，即ΔU＝－1.2×105 J；根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，可知Q＝ΔU－W＝－1.2×105 J－8×104 J＝－2×105 J，B选项正确．
(2020·济南市期中)如图2所示，内壁光滑的绝热汽缸固定在水平面上，其右端由于有挡板，厚度不计的绝热活塞不能离开汽缸，汽缸内封闭着一定质量的理想气体，活塞距汽缸右端的距离为0.2 m．现对封闭气体加热，活塞缓慢移动，一段时间后停止加热，此时封闭气体的压强变为2×105 Pa.已知活塞的横截面积为0.04 m2，外部大气压强为1×105 Pa，加热过程中封闭气体吸收的热量为2 000 J，则封闭气体的内能变化量为( )
图2
A．400 J B．1 200 J C．2 000 J D．2 800 J
答案 B
解析 由题意可知，气体先等压变化，到活塞运动到挡板处再发生等容变化，等压变化过程气体对外做功，做功为
W＝－p0Sx＝－1×105×0.04×0.2 J＝－800 J，
由热力学第一定律可知，封闭气体的内能变化量为
ΔU＝W＋Q＝(－800＋2 000) J＝1 200 J，
故B正确．
二、气体实验定律和热力学第一定律的综合应用
导学探究
如图3所示，一定质量的理想气体由a状态变化到b状态，ab与V轴平行，请在图像基础上思考以下问题：
图3
(1)在变化过程中是气体对外界做功，还是外界对气体做功？
(2)在变化过程中气体是吸热，还是向外放热？气体内能如何变化？
答案 (1)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W0.
由ΔU＝W＋Q得Q>0，即气体吸热，内能增加．
知识深化
热力学第一定律与理想气体状态方程结合问题的分析思路：
(1)利用体积的变化分析做功情况．气体体积增大，气体对外界做功；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ΔU＝W＋Q，则Q＝ΔU－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．
(2021·江苏无锡高二期末)一定质量的理想气体，状态从A→B→C→D→A的变化过程可用如图4所示的p－V图线描述，其中D→A为等温线，气体在状态A时温度为TA＝300 K，求：
图4
(1)气体在状态C时的温度TC；
(2)若气体在A→B过程中吸热1 000 J，则在A→B过程中气体内能如何变化？变化了多少？
答案 (1)375 K (2)气体内能增加 增加了400 J
解析 (1)D→A为等温线，则TD＝TA＝300 K
气体由C到D为等压变化，由盖－吕萨克定律得：
eq \f(VC,TC)＝eq \f(VD,TD)
得：TC＝eq \f(VCTD,VD)＝375 K；
(2)气体由A到B为等压变化，则W＝－pΔV＝－2×105×3×10－3 J＝－600 J，
由热力学第一定律得ΔU＝Q＋W＝1 000 J－600 J＝400 J，
则气体内能增加了400 J.
三、能量守恒定律 永动机不可能制成
导学探究
(1)在能量发生转化或转移时，能量的总量会减少吗？
(2)图5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？
图5
答案 (1)能量的总量不会减少．(2)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．
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．例如：利用电炉取暖或烧水，电能转化为内能；煤燃烧，化学能转化为内能；列车刹车后，轮子温度升高，机械能转化为内能．
2．能量守恒的两种表达
(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．第一类永动机不可能制成的原因分析
如果没有外界供给热量而对外做功，由ΔU＝W＋Q知，系统内能将减小．若想源源不断地做功，在无外界能量供给的情况下是不可能的．
(2021·河北邢台高二期中)下列说法中错误的是( )
A．能量守恒定律只适用于物体内能的变化
B．只要有能的转化和转移，就一定遵从能量守恒定律
C．能量守恒定律是人们认识自然和利用自然的有力武器
D．任何一种形式的能在转化为其他形式的能的过程中，消耗多少某种形式的能量，就能得到多少其他形式的能量，而能的总量保持不变
答案 A
解析 各种形式的能都可以相互转化，并不是只适用于物体内能的变化，且有能的转化和转移，就一定遵从能量守恒定律，A错误，B、C、D正确．
1．(热力学第一定律的理解)(2021·江苏省响水中学高二期末)下列说法正确的是( )
A．物体放出热量，其内能一定减少
B．物体对外做功，其内能一定减少
C．物体吸收热量，同时对外做功，其内能可能增加
D．物体放出热量，同时对外做功，其内能可能不变
答案 C
解析 物体放出热量，若外界对物体做的功大于放出的热量，内能可能增加，故A错误；物体对外做功，若同时从外界吸收的热量大于对外做的功，则内能增加，故B错误；物体吸收热量，Q>0，同时对外做功，WQB，C正确．
考点三 气体实验定律与热力学第一定律的综合应用
8．(2021·江苏扬州高二期中)如图5所示，一定质量的理想气体从状态A依次经过状态B、C和D后再回到状态A.其中，A→B和C→D为等温过程，B→C为等压过程，D→A为等容过程．关于该循环过程，下列说法正确的是( )
图5
A．A→B过程中，气体放出热量
B．C→D过程中，气体放出热量
C．B→C过程中，气体分子的平均动能减小
D．D→A过程中，气体内能增加
答案 A
解析 因为A→B为等温过程，压强变大，体积变小，故外界对气体做功，温度不变，则内能不变，根据热力学第一定律可知，气体一定放出热量，故A正确；C→D为等温过程，压强减小，体积增大，则气体对外做功，温度不变，则内能不变，根据热力学第一定律可知，气体一定吸收热量，故B错误；因为B→C为等压过程，由于体积增大，由盖－吕萨克定律可知，气体温度升高，内能增加，故气体分子的平均动能增大，故C错误；D→A为等容过程，由于压强减小，由查理定律可知，温度降低，则内能减少，故D错误．
9.如图6所示，一用锁钉锁定的导热活塞将导热汽缸分成体积相等的左右两室，开始时气体压强之比为5∶3；拔出锁钉后，活塞移动并最终保持稳定状态．外界温度恒定．则下列说法正确的是( )
图6
A．右室气体吸热
B．左室气体吸热
C．右室气体对左室气体做正功
D．左室气体分子平均速率变大
答案 B
解析 因为右室的压强小，拔出锁钉后，活塞向右移动，右室气体体积减小，外界对右室气体做功，而气体的温度不变，气体的内能不变，根据热力学第一定律，右室气体放出热量，A错误；因为左室的压强大，拔出锁钉后，活塞向右移动，左室气体体积增大，左室气体对外做功，而气体的温度不变，气体的内能不变，根据热力学第一定律，左室气体吸收热量，B正确；左室气体体积增大，右室气体体积减小，所以左室气体对右室气体做正功，C错误；左室气体温度不变，分子的平均动能不变，分子平均速率不变，D错误．
10．(2021·山东青岛高二期中)美丽的氢气球是很多小孩喜欢的玩具，将一个氢气球释放，它就会在空中持续上升，环境温度会降低，气球体积略微变大，若氢气球不漏气，下列说法正确的是( )
A．气体分子平均间距减小
B．气体的压强不会发生变化
C．外界将对氢气球内气体做正功
D．气体放出的热量小于内能的减少量
答案 D
解析 气球体积变大，气体的分子数不变，气体分子平均间距增大，故A错误；气球在上升的过程中，环境温度会降低，气球体积变大，由理想气体的状态方程eq \f(pV,T)＝C可知，气体压强减小，故B错误；气球体积变大，外界对气体做负功，故C错误；根据ΔU＝W＋Q，因温度降低则ΔU