高中物理人教版选修3-3课件：10.3热力学第一定律 能量守恒定律

3．热力学第一定律　能量守恒定律\n\n\n\n一、热力学第一定律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功的和．2．数学表达式：ΔU＝.热量Q＋W\n二、能量守恒定律1．能量守恒定律内容：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式为另一种形式，或者从一个物体到别的物体，在转化或转移的过程中保持不变．2．意义(1)各种形式的能可以．(2)各种物理现象可以用联系在一起．转化转移能量的总量相互转化能量转化守恒定律\n三、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，却能不断地的机器．2．第一类永动机不可能制成的原因：违背了定律.对外做功能量守恒\n\n一、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过程是等效的，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WQΔU＋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\n3.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．\n【特别提醒】(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．\n一定量的气体在某一过程中，外界对气体做了8×104J的功，气体的内能减少了1.2×105J，则下列各式中正确的是()A．W＝8×104J，ΔU＝1.2×105J，Q＝4×104JB．W＝8×104J，ΔU＝－1.2×105J，Q＝－2×105JC．W＝－8×104J，ΔU＝1.2×105J，Q＝2×104JD．W＝－8×104J，ΔU＝－1.2×105J，Q＝－4×104J\n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＝8×104J；内能减少，ΔU取负值，即ΔU＝－1.2×105J；根据ΔU＝W＋Q，可知Q＝ΔU－W＝－1.2×105－8×104＝－2×105J，即B选项正确．答案：B\n二、能量守恒定律的理解1．能量的存在形式及相互转化各种运动形式都有对应的能：机械运动对应机械能，分子的热运动对应内能，还有诸如电磁能、化学能、原子能等．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．与某种运动形式对应的能是否守恒是有条件的，例如，物体的机械能守恒，必须是只有重力做功；而能量守恒定律是没有条件的，它是一切自然现象都遵守的基本规律．\n3．能量守恒定律的重要意义(1)找到了各种自然现象的公共量度——能量，从而把各种自然现象用定量规律联系起来，揭示了自然规律的多样性和统一性．(2)突破了人们关于物质运动的机械观念的范围，从本质上表明了各种运动形式之间相互转化的可能性．能量守恒定律比机械能守恒定律更普遍，它是物理学中解决问题的重要思维方法．能量守恒定律与电子的发现、达尔文的进化论并称19世纪自然科学中三大发现，其重要意义由此可见．(3)具有重大实践意义，即彻底粉碎了永动机的幻想．\n4．第一类永动机失败的原因分析如果没有外界热源供给热量，则有U2－U1＝W，就是说，如果系统内能减少，即U2＜U1，则W＜0，系统对外做功是要以内能减少为代价的，若想源源不断地做功，就必须使系统不断回到初始状态，在无外界能量供给的情况下，是不可能的．\n下列对能量的转化和守恒定律的认识不正确的是()A．某种形式的能量减少，一定存在其他形式能量的增加B．某个物体的能量减少，必然有其他物体的能量增加C．不需要任何外界的动力而持续对外做功的机器——永动机是不可能制成的D．石子从空中落下，最后停止在地面上，说明机械能消失了\n解析：A选项是指不同形式的能量间的转化，转化过程中能量是守恒的．B选项是指能量在不同的物体间发生转移，转移过程中是守恒的．这正好是能量守恒定律的两个方面——转化与转移．任何永动机都是不可能制成的，它违背了能量守恒守律．所以A、B、C正确．D选项中石子的机械能在变化，比如受空气阻力作用，机械能可能减少，但机械能并没有消失，能量守恒定律表明能量既不会创生，也不会消失，故D是错的．答案：D\n◎教材资料分析〔说一说〕——教材P56如图所示是历史上有名的一种永动机的设计．从图上看，设计者为什么认为这个机器会永远运动下去？不用能量的概念，你能不能说明它不会永远运动下去？\n【点拨】这种永动机是在一个轮子的边缘等距地安装12根活动短杆，杆端分别套上一个重球．无论轮子转到什么位置，右边的各个重球总比左边的各个重球离轴心更远一些．设想，右边更大的作用特别是右边甩过去的重球作用在离轴较远的距离上，根据杠杆平衡原理可知，就会使轮子按照箭头所示的方向永不停息地旋转下去，至少转到轮轴磨坏时为止．但是，实际上轮子转动一两圈后就停了下来．在这种永动机的设计中，我们总可以找到一个平衡位置，在这个位置上，各个力恰好相互抵消，不再有任何推动力使它运动，永动机必然会在这个平衡位置上静止下来，成为不动机.\n\n空气压缩机在一次压缩中，活塞对空气做了2×105J的功，同时空气的内能增加了1.5×105J，这一过程中空气向外界传递的热量是多少？\n解析：选择被压缩的空气为研究对象，根据热力学第一定律有ΔU＝W＋Q.由题意可知W＝2×105J，ΔU＝1.5×105J，代入上式得Q＝ΔU－W＝1.5×105J－2×105J＝－5×104J.负号表示空气向外释放热量，即空气向外界传递的热量为5×104J.答案：5×104J\n【反思总结】应用热力学第一定律解题的一般步骤(1)首先应明确研究对象是哪个物体或者是哪个热力学系统．(2)分别列出物体或系统吸收或放出的热量；外界对物体或系统所做的功或物体或系统对外所做的功．(3)根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W列出方程进行求解．(4)特别应注意的就是物理量的正负号及其物理意义．\n【跟踪发散】1－1：一定质量的气体，从状态A变化到状态B的过程中，内能增加了160J，下列是关于内能变化的可能原因的说法，其中不可能的是()A．从A到B的绝热过程中，外界对气体做功160JB．从A到B的单纯传热过程中，外界对气体传递了160J的热量C．从A到B的过程中吸热280J，并对外界做功120JD．从A到B的过程中放热280J，外界对气体做功120J\n解析：由热力学第一定律ΔU＝W＋Q可知，A、B、C正确，D错误．答案：D\n[2011·山东卷·36(2)]气体温度计结构如图所示．玻璃测温泡A内充有理想气体，通过细玻璃管B和水银压强计相连．开始时A处于冰水混合物中，左管C中水银面在O点处，右管D中水银面高出O点h1＝14cm，后将A放入待测恒温槽中，上下移动D，使C中水银面仍在O点处，测得D中水银面高出O点h2＝44cm.(已知外界大气压为1个标准大气压，1标准大气压相当于76cmHg)\n(1)求恒温槽的温度．(2)此过程A内气体内能________(填“增大”或“减小”)，气体不对外做功，气体将________(填“吸热”或“放热”)．\n答案：(1)91℃(2)增大　吸热\n\n【跟踪发散】2－1：带有活塞的汽缸内封闭一定量的理想气体，气体开始处于状态a，然后经过过程ab到达状态b或经过过程ac到达状态c，b、c状态温度相同，如V－T图所示．设气体在状态b和状态c的压强分别为pb和pc，在过程ab和ac中吸收的热量分别为Qab和Qac，则(填入选项前的字母，有填错的不得分)()A．pb＞pc，Qab＞QacB．pb＞pc，Qab＜QacC．pb＜pc，Qab＞QacD．pb＜pc，Qab＜Qac\n解析：一定量的理想气体内能只与温度有关，从状态a到状态b，和到状态c，两过程温度升高相同，即内能增加相同，但b状态体积比a状态大，所以从a状态到b状态要对外界做功，由热力学第一定律知Qab＞Qac，由于b、c状态温度相同，由玻意耳定律，pb＜pc，故C正确．答案：C\n如图所示，一个质量为20kg的绝热汽缸竖直放置，绝热活塞的质量为5kg，处于静止状态时被封闭气体的高度为50cm，现在活塞上方加一15kg的物体，待稳定后，被封闭气体的高度变为40cm.求在这一过程中气体的内能增加多少．(g取10m/s2，不考虑活塞受到的大气压力及摩擦阻力)\n思路点拨：绝热过程→外界对气体做功→内能增加→ΔU＝W解析：由能量守恒定律可知，内能的增加等于活塞和物体重力势能的减少，ΔU＝ΔE＝(M＋m)gh＝(15＋5)×10×(50－40)×10－2J＝20J.答案：20J\n【跟踪发散】3－1：水能不产生污染物，是一种清洁能源，位于美国和加拿大交界处的尼亚加拉瀑布流量可达每秒6000m3，而且一年四季流量稳定，瀑布落差为50m．若利用这一资源发电，设其发电效率为50%，估算发电机的输出功率．(g取10m/s2)\n解析：每秒流下的水的质量m＝ρV＝1×103×6000kg＝6×106kg减少的机械能E＝mgh＝6×106×10×50J＝3×109J设发电机的输出功率为P，则由能量守恒定律可得Eη＝Pt解得P＝3×109×50%W＝1.5×109W.答案：1.5×109W\n\n1．第一类永动机是不可能制成的，这是因为永动机()A．不符合机械能守恒定律B．违背了能量守恒定律C．做功产生的热不符合热功当量D．找不到合适的材料和合理的设计方案解析：第一类永动机是指不需要消耗任何能量就能对外做功的机器，因此第一类永动机不可能制成不是找不到合适的材料和合理的设计方案的问题，而是它不符合自然界中的能量守恒定律．故正确答案为B.答案：B\n2.图是密闭的气缸，外力推动活塞P压缩气体，对缸内气体做功800J，同时气体向外界放热200J．缸内气体的()A．温度升高，内能增加600JB．温度升高，内能减少200JC．温度降低，内能增加600JD．温度降低，内能减少200J解析：由热力学第一定律W＋Q＝ΔU，代入数据解得：ΔU＝＋600J，故气体内能增加600J，同时可判定气体的温度一定升高，选A.答案：A\n3．(2011·广东卷·14)如图为某种椅子与其升降部分的结构示意图，M、N两筒间密闭了一定质量的气体，M可沿N的内壁上下滑动，设筒内气体不与外界发生热交换，在M向下滑动的过程中()\nA．外界对气体做功，气体内能增大B．外界对气体做功，气体内能减小C．气体对外界做功，气体内能增大D．气体对外界做功，气体内能减小解析：M向下滑动的过程中，气体被压缩，外界对气体做功，又因为与外界没有热交换，所以气体内能增大．答案：A\n4．如图所示，绝热汽缸中间用固定栓将可无摩擦移动的导热隔板固定，隔板质量不计，左右两室中分别充有一定量的氢气和氧气(视为理想气体)．初始时，两室中气体的温度相等，氢气的压强大于氧气的压强，松开固定栓直至系统重新达到平衡．下列说法中正确的是()\nA．初始时氢分子的平均动能大于氧分子的平均动能B．系统重新达到平衡时，氢气的内能比初始时的小C．松开固定栓直至系统重新达到平衡的过程中，有热量从氧气传递到氢气D．松开固定栓直至系统重新达到平衡的过程中，氧气的内能先增大后减小\n解析：温度是分子平均动能大小的标志，初始时，氢气和氧气的温度相同，分子平均动能相同，A错误；汽缸绝热，气体与汽缸外部没有传热，汽缸内气体的内能不会变化，B错误；在刚松开固定拴时氢气膨胀，对氧气做功，氢气内能减小，温度降低，氧气内能增加，温度升高，由于隔板是导热的，热量从氧气传到氢气，直至温度相同，氧气的内能又减小，C、D正确．答案：CD\n5．对一定质量的气体，下列说法中正确的是()A．温度升高，压强一定增大B．温度升高，分子热运动的平均动能一定增大C．压强增大，体积一定减小D．吸收热量，可能使分子热运动加剧、气体体积增大\n答案：BD\n6．(2010·江苏卷)在将空气压缩装入气瓶的过程中，温度保持不变，外界做了24kJ的功．现潜水员背着该气瓶缓慢地潜入海底，若在此过程中，瓶中空气的质量保持不变，且放出了5kJ的热量．在上述两个过程中，空气的内能共减小______kJ，空气______(选填“吸收”或“放出”)的总热量为________kJ.解析：由热力学第一定律ΔU＝W＋Q知气体放热Q1＝24kJ但内能不变，第二过程放热Q2＝5kJ，两过程内能减少5kJ，两过程共放出热量Q＝Q1＋Q2＝29kJ答案：5放出