高中物理 51.2 热力学第一定律 能量的转换与守恒同步课件 鲁科版选修33.ppt

第1节热力学第一定律 第2节能量的转化与守恒 1 应用 会用表达式 u w q分析和计算问题 会用能量转化和守恒的观点分析物理现象2 理解 从能量转化的观点理解热力学第一定律3 认识 热力学第一定律的内容 公式 第一类永动机违背能量守恒定律 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 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 热量 q w 不变 产生 消失 转化 转移 保持不变 功 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 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 w 0 即w为负值 一 热力学第一定律 对热力学第一定律的理解 热量q 系统吸热为正 q 0 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 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 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 判断是否做功的方法 二 能量守恒定律的理解 能量的存在形式及相互转化 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 必须是只有弹力或重力做功 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 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 能量守恒定律的重要意义 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 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 第一类永动机失败的原因分析 应用热力学第一定律解题的思路与步骤 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 5 105 2 105 j 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 例1 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 图5 1 2 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 变式1 解析由w q u得 u 800 200 j 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5 1 2 1 如图5 1 2 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 例2 能量守恒定律的理解和应用 图5 1 2 2 答案1 3 10 3 借题发挥做功可以实现不同形式的能量之间相互转化 热传递可以实现内能的转移 在转化或转移的过程中能量的总和保持不变 如图5 1 2 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 变式2 图5 1 2 3 a 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 如图5 1 2 4所示 a b两点表示一定质量的某种理想气体的两个状态 当气体自状态a变化到状态b时 a 体积必然变大b 有可能经过体积减小的过程c 外界必然对气体做正功d 气体必然从外界吸热 例3 能的转化与守恒的综合应用 图5 1 2 4 解析本题是气体状态变化 图象与热力学第一定律结合的综合分析题 连接oa ob得到两条等容线 故有vb va 所以a正确 由于没有限制自状态a变化到状态b的过程 所以可先减小气体的体积再增大气体的体积到b状态 故b正确 因为气体体积增大 所以是气体对外做功 c错误 因为气体对外界做功 而气体的温度又升高 内能增大 由热力学第一定律知气体一定从外界吸热 d正确 答案abd 一定质量的理想气体的状态变化过程表示在如图5 1 2 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 变式3 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 图5 1 2 5 解析由a到b的过程是等温过程 所以内能不发生变化 气体体积减小 所以外界对气体做功 气体放出热量 由b到c的过程中 是等压变化 体积增大 温度升高 内能增加 而体积增大 所以气体对外界做功 应该吸收热量 因为压强不变 但是气体分子热运动变得剧烈 故分子在单位时间内与器壁的碰撞次数改变 答案ad 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 分子平均动能相等 2011 山东烟台 关于内能的变化 以下说法正确的是 a 物体吸收热量 内能一定增大b 物体对外做功 内能一定减少c 物体吸收热量 同时对外做功 内能可能不变d 物体放出热量 同时对外做功 内能可能不变 热力学第一定律的理解和应用 1 解析根据热力学第一定律 u w q 物体内能的变化与做功及热传递两个因素均有关 物体吸收热量 内能也不一定增大 因为物体可能同时对外做功 故内能有可能不变或减少 a错 物体对外做功 还有可能吸收热量 内能可能不变或增大 b错 c正确 放出热量 同时对外做功 内能一定减少 d错误 答案c 若将气泡内的气体视为理想气体 气泡从湖底上升到湖面的过程中 对外界做了0 6j的功 则此过程中气泡 填 吸收 或 放出 的热量是 j 气泡到达湖面后 温度上升的过程中 又对外界做了0 1j的功 同时吸收了0 3j的热量 则此过程中 气泡内气体内能增加了 j 解析将气体视为理想气体时 其内能只与温度有关 气泡上升过程中温度不变 u 0 对外做功 w 0 6j 由 u q w有q u w 0 6j 0 即需从外界吸收0 6j的热量 气泡到达湖面后 由 u q w得 u 0 3 0 1 j 0 2j 答案吸收0 60 2 2 自由摆动的秋千摆动幅度越来越小 下列说法正确的是 a 机械能守恒b 能量正在消失c 只有动能和重力势能的相互转化d 减少的机械能转化为内能 但总能量守恒解析自由摆动的秋千摆动幅度减小 说明机械能在减少 减少的机械能等于克服阻力 摩擦力做的功增加了内能 答案d 能量守恒定律的理解和应用 3 如图5 1 2 6所示为冲击摆实验装置 一飞行子弹射入沙箱后