高中物理 第十章 热力学定律 3 热力学第一定律 能量守恒定律课件 新人教版选修

3 热力学第一定律 能量守恒定律 1.能够从能量守恒的观点理解热力学第一定律,会利用热力学第 一定律分析计算有关问题。 2.理解能量守恒定律,知道它是自然界普遍遵从的基本规律,知道 什么是第一类永动机及其不可能制成的原因。 一二三 一、热力学第一定律 1.改变内能的两种方式:做功与热传递。 (1)联系:两者在改变系统内能方面是等价的。 (2)区别:做功是内能与其他形式能量的相互转化,而热传递只是 不同物体(或一个物体的不同部分)之间内能的转移。 2.热力学第一定律 (1)内容:一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的热量 与外界对它所做的功的和。 一二三 (2)表达式:U=Q+W。 (3)W、Q、U正负号的确定 W:外界对系统做功,W取正值;系统对外界做功,W取负值。 Q:系统从外界吸热,Q取正值;系统向外界放热,Q取负值。 U:系统内能增加,U取正值;系统内能减少,U取负值。 一二三 二、能量守恒定律 1.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 转化为另一种形式,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。 2.意义 (1)能量守恒定律告诉我们,各种形式的能量可以相互转化。 (2)各种互不相干的物理现象力学的、热学的、电学的、磁 学的、光学的、化学的、生物学的、地学的等可以用能量守恒定 律联系在一起。 一二三 三、永动机不可能制成 1.第一类永动机:人们设想中的不需要任何动力或燃料,却能不断 对外做功的机器。 2.第一类永动机不可制成的原因:违背了能量守恒定律。 3.意义:正是历史上设计永动机的失败,才使后人的思考走上了正 路。 一二三 一、对热力学第一定律的理解 1.热力学第一定律的意义 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。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。 3.几种特殊情况 (1)若过程是绝热的,即Q=0,则W=U,外界对物体做的功等于物 体内能的增量; (2)若过程中不做功,即W=0,则Q=U,物体从外界吸收的热量等 于物体内能的增量; (3)若过程的始末状态物体的内能不变,即U=0,则W+Q=0或W=- Q,外界对物体做的功等于物体向外界放出的热量。 4.判断是否做功的方法 一般情况下外界对物体做功与否,需看物体的体积是否变化。 (1)若物体体积增大,表明物体对外界做功(气体自由膨胀时例外 ),W0。 5.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、U)的正负; (2)根据方程U=W+Q求出未知量; (3)再根据未知量结果的正负来确定吸热、放热情况或做功情况 。 二、对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.能量守恒的条件 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。 3.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认识范围,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 细胞学说、生物进化论并称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。 4.能量守恒定律中的“转化”和“转移” (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。 温馨提示(1)虽然功和能具有相同的单位,但两者是完全不同的两 个概念,在能量守恒定律的表达式中,只存在能量,不存在功。 (2)能量守恒定律是自然界中普遍遵循的一种规律,是无条件的, 而机械能守恒定律是有条件的。 类型一类型二 类型一类型二 点拨:熟练掌握热力学第一定律及相应的符号法则是正确处理本 题的关键。 解析:由热力学第一定律U=W+Q 得U=800 J+(-200 J)=600 J,一定质量的理想气体的内能大小只 与温度有关,U=600 J0,故温度一定升高,选项A正确。 答案:A 类型一类型二 题后反思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,也同样依照符号法则来解释其意义。 类型一类型二 触类旁通若使例1中的气体返回原来的状态,在此过程中放出了400 J的热量,试分析是气体对外界做功,还是外界对气体做功?做了多少 功? 答案:气体对外界做功200 J。 类型一类型二 对能量守恒定律的理解 【例2】 A、B两装置,均由一支一端封闭、一端开口且带有玻 璃泡的管状容器和水银槽组成,除玻璃泡在管上的位置不同外,其 他条件都相同。将两管抽成真空后,开口向下竖直插入水银槽中( 插入过程没有空气进入管内),水银柱上升至图示位置停止。假设 这一过程水银与外界没有热交换,则下列说法正确的是( ) 类型一类型二 A.A中水银的内能增量大于B中水银的内能增量 B.B中水银的内能增量大于A中水银的内能增量 C.A和B中水银体积保持不变,故内能增量相同 D.A和B中水银温度始终相同,故内能增量相同 类型一类型二 点拨:一个大气压支持的水银柱高是相同的,所以两管中水银等 高。 解析:因为玻璃管内吸进的水银一样多,水银槽内液面下降相同 的高度,所以大气压对水银槽内的水银做的功相同。A管重心高于 B管,A管内水银重力势能大于B管