高中物理 10.3 热力学第一定律 能量守恒定律课件 新人教版选修33.ppt

3热力学第一定律能量守恒定律 1 理解热力学第一定律 并掌握其表达式 2 能运用热力学第一定律解释自然界能量的转化 转移问题 3 理解能量守恒定律 知道能量守恒定律是自然界普遍遵从的基本规律 4 知道第一类永动机是不可能制成的 一 热力学第一定律 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的和 数学表达式 u q w 热量 功 二 能量守恒定律 大量事实表明 各种形式的能量可以相互转化 并且在转化过程中总量保持 能量既不能凭空 也不能凭空 它只能从一种形式成另一种形式 或者从一个物体到别的物体 在转化和转移的过程中其总量 能量守恒定律是自然界中最普遍 最重要的规律之一 不变 产生 消失 转化 转移 保持不变 三 永动机不可能制成 第一类永动机 人们把设想的不消耗的机器称为第一类永动机 第一类永动机由于违背了 所以不可能制成 温馨提示能量守恒定律的发现 使人们进一步认识到 任何一部机器 只要对外做功 都要消耗能量 使能量从一种形式转化为另一种形式 不消耗能量 却可以源源不断地对外做功的机器 第一类永动机 是不可能制成的 能量 能量守恒定律 一 热力学第一定律 对热力学第一定律的理解 1 对 u w q的理解 做功和热传递都可以改变内能 如果物体跟外界同时发生做功和热传递的过程 那么外界对物体所做的功w加上物体从外界吸收的热量q等于物体内能的增加 u 即 u q w 2 对 u q w符号的规定 功w 外界对系统做功 w 0 即w为正值 系统对外界做功 w0 系统放热为负 q0 即 u为正值 系统内能减少 u 0 即 u为负值 改变内能的两种方式比较 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 w0 二 能量守恒定律的理解 能量的存在形式及相互转化各种运动形式都有对应的能 机械运动有机械能 分子的热运动有内能 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 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 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 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 应用热力学第一定律解题的思路与步骤 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 u q w列出方程进行求解 4 特别注意的就是物理量的正负号及其物理意义 特别提醒无论何种形式的机器只要违背热力学第一定律都是不可能成功的 也就是说 第一类永动机是永远不可能制造成功的 例1 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 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 u w q 由题意可知w 2 105j u 1 5 105j 代入上式得q u 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 热力学第一定律的理解和应用 借题发挥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 u 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 变式1 图10 3 1是密闭的气缸密封了一定质量的理想气体 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w q u得 u 800j 200j 600j 一定质量的理想气体的内能大小只与温度有关 u 0故温度升高 选a 答案a 图10 3 1 例2 如图10 3 2所示 一个小铁块沿半径为r 0 2m的半球内壁自上端由静止下滑 当滑至半球底部时 速度为1m s 设此过程中损失的机械能全部变为内能 并有40 被铁块吸收 已知铁的比热容c 0 46 103j kg 重力加速度g取10m s2 求铁块升高的温度 能量守恒定律的理解和应用 图10 3 2 变式2 如图10 3 3所示 a b是两个完全相同的铁球 a放在绝热板上 b用绝热绳悬挂 现只让它们吸收热量 当它们升高相同的温度时 它们所吸收的热量分别为qa qb 则 图10 3 3a qa qbb qaqbd 无法确定qa qb的大小 解析由热胀冷缩可知 a b两球体积增加 所以a球重心升高 克服重力做功 而b球重心降低 重力做正功 a b两球升高相同的温度 内能的增加相同 即 u相同 由热力学第一定律可知 qa u wa qb u wb 故qa qb 答案c 例3 2012 江苏单科 12a 3 如图10 3 4所示 一定质量的理想气体从状态a经等压过程到状态b 此过程中 气体压强p 1 0 105pa 吸收的热量q 7 0 102j 求此过程中气体内能的增量 热力学第一定律与气体实验定律的综合应用 图10 3 4 变式3 一定质量的理想气体的状态变化过程表示在如图10 3 5所示的p v图上 气体先由a状态沿双曲线经等温过程变化到b状态 再沿与横轴平行的直线变化到c状态 a c两点位于与纵轴平行的直线上 以下说法中正确的是 图10 3 5 a 由a状态至b状态过程中 气体放出热量 内能不变b 由b状态至c状态过程中 气体对外做功 内能增加 平均每个气体分子在单位时间内与器壁碰撞的次数不变c c状态与a状态相比 c状态分子平均距离较大 分子平均动能较大d b状态与a状态相比 b状态分子平均距离较小 分子平均