高中物理 第十章 热力学定律 第3讲 热力学第一定律 能量守恒定律课件 新人教版选修33.ppt

第3讲热力学第一定律能量守恒定律 目标定位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 预习导学梳理 识记 点拨 1 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 2 数学表达式 u 一 热力学第一定律 热量 功 q w 二 能量守恒定律 1 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 2 能量既不能凭空 也不能凭空 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 在转化和转移的过程中 能量的总量 3 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 保持不变 三 永动机不可能制成 1 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 2 第一类永动机由于违背了 所以不可能制成 能量 能量守恒定律 课堂讲义理解 深化 探究 一 热力学第一定律 1 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 如果系统跟外界同时发生做功和热传递的过程 那么外界对系统所做的功w加上物体从外界吸收的热量q等于系统内能的增加 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 2 判断是否做功的方法一般情况下外界对系统做功与否 需看系统的体积是否变化 1 若系统体积增大 表明系统对外界做功 w0 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 借题发挥应用热力学第一定律解题的一般步骤 1 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 特别注意的是物理量的正负号及其物理意义 针对训练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 u 1 2 105j q 4 104jb w 8 104j u 1 2 105j q 2 105jc w 8 104j u 1 2 105j q 2 104jd w 8 104j u 1 2 105j q 4 104j 解析因为外界对气体做功 w取正值 即w 8 104j 内能减少 u取负值 即 u 1 2 105j 根据热力学第一定律 u w q 可知q u w 1 2 105j 8 104j 2 105j b选项正确 答案b 二 能量守恒定律 1 不同形式的能量之间可以相互转化 1 各种运动形式都有对应的能 如机械运动对应机械能 分子热运动对应内能等 2 不同形式的能量之间可以相互转化 如 摩擦生热 机械能转化为内能 电炉取热 电能转化为内能等 2 能量守恒定律及意义各种不同形式的能之间相互转化或转移时能量的总量保持不变 意义 一切物理过程都适用 比机械能守恒定律更普遍 是19世纪自然科学的三大发现之一 3 第一类永动机是不可能制成的 1 不消耗能量而能源源不断地对外做功的机器 叫第一类永动机 因为第一类永动机违背了能量守恒定律 所以无一例外地归于失败 2 永动机给我们的启示人类利用和改造自然时 必须遵循自然规律 例2如图1所示 直立容器内部被隔板隔开的a b两部分气体 a的密度小 b的密度大 加热气体 并使两部分气体混合均匀 设此过程中气体吸热为q 气体内能的增量为 u 则 a u qb uqd 无法比较 图1 解析因a部分气体密度小 b部分气体密度大 以整体为研究对象 开始时 气体的重心在中线以下 混合均匀后 气体的重心应在中线上 所以有重力做负功 使气体的重力势能增大 由能量守恒定律可知 吸收的热量q有一部分增加气体的重力势能 另一部分增加内能 故正确答案为b 答案b 三 气体实验定律和热力学第一定律的综合应用 气体实验定律和热力学第一定律的结合点是温度和体积 注意三种特殊过程的特点 1 等温过程 内能不变 u 02 等容过程 体积不变 w 03 绝热过程 q 0 例3如图2所示 倒悬的导热汽缸中封闭着一定质量的理想气体 轻质活塞可无摩擦地上下移动 活塞的横截面积为s 活塞的下面吊着一个重为g的物体 大气压强恒为p0 起初环境的热力学温度为t0时 活塞到汽缸底面的距离为l 当环境温度逐渐升高 导致活塞缓慢下降 该过程中活塞下降了0 1l 汽缸中的气体吸收的热量为q 求 图2 1 汽缸内部气体内能的增量 u 密封气体对外做功w ps 0 1l由热力学第一定律 u q w得 u q 0 1p0sl 0 1lg 答案q 0 1p0sl 0 1lg 2 最终的环境温度t 解析该过程是等压变化 由盖 吕萨克定律有 解得t 1 1t0 答案1 1t0 对点练习巩固 应用 反馈 热力学第一定律的理解和应用 1 一定量的气体从外界吸收了2 6 105j的热量 内能增加了4 2 105j 1 是气体对外界做了功 还是外界对气体做了功 做了多少焦耳的功 1 2 3 4 解析根据 u w q得w u q 将q 2 6 105j u 4 2 105j代入式中得 w 1 6 105j 0 说明外界对气体做了1 6 105j的功 答案见解析 2 如果气体吸收的热量仍为2 6 105j不变 但是内能增加了1 6 105j 计算结果w 1 0 105j 是负值 怎样解释这个结果 1 2 3 4 解析如果吸收的热量q 2 6 105j 内能增加了1 6 105j 即 u 1 6 105j 则w 1 0 105j 说明气体对外界做功 答案见解析 3 在热力学第一定律 u w q中 w q和 u为正值 负值各代表什么物理意义 1 2 3 4 解析在公式 u w q中 u 0 物体内能增加 u0 物体吸热 q0 外界对物体做功 w 0 物体对外界做功 答案见解析 2 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 1 2 3 4 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 1 2 3 4 能量守恒定律的理解和应用 3 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 1 2 3 4 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做的功 增加了内能 1 2 3 4 答案d 气体实验定律和热力学第一定律的结合 4 如图3所示 两个截面积都为s的圆柱形容器 右边容器高为h 上端封闭 左边容器上端是一个可以在容器内无摩擦滑动的质量为m的活塞 两容器由装有阀门的极细管道相连 容器 活塞和细管都是绝热的 开始时阀门关闭 左边容器中装有理想气体 平衡时活塞到容器底的距离为h 右边容 1 2 3 4 图3 器内为真空 现将阀门缓慢打开 活塞便缓慢下降 直至系统达到新的平衡 此时理想气体的温度增加为