《能量守恒定律及其应用》课件

《能量守恒定律及其应用》热力学第一定律做功和热传递是改变物体内能的两种方式，通过做功和热传递提供给一个物体多少能量，这个物体内能就改变多少，能量在转化和转移过程中守恒。ΔU=Q+W物理量符号意义符号意义W+外界对物体做正功－外界对物体做负功Q+物体吸收热量－物体放出热量ΔU+内能增加－内能减少物体内能增加量ΔU等于物体吸收的热量Q和外界对物体做的功W之和，即：物体对外界做功遂明国不识四时昼夜，有火树名遂木，屈盘万顷。后世有圣人，游日月之外，至於其国，息此树下。有鸟若鸮，啄树则灿然火出。圣人感焉，因用小枝钻火，号燧人。燧人钻木取火遂明国不识四时昼夜，有火树名遂木，屈盘万顷。后世有圣人，游日月之外，至於其国，息此树下。有鸟若鸮，啄树则灿然火出。圣人感焉，因用小枝钻火，号燧人。燧人钻木取火钻木取火，摩擦生热，引燃火绒。机械能内能做功不同形式的能量可以相互转化光能机械能内能电能化学能机械能内能工作中的内燃机不同形式的能量可以相互转化光能机械能内能电能化学能电热毯是一种接触式电暖器具，通电时即发出热量。电能内能不同形式的能量可以相互转化光能机械能内能电能化学能太阳能发电站光能电能不同形式的能量可以相互转化光能机械能内能电能化学能太阳灶烧水光能内能不同形式的能量可以相互转化光能机械能内能电能化学能工作中的白炽灯泡电能内能光能不同形式的能量可以相互转化光能机械能内能电能化学能木材燃烧化学能内能光能不同形式的能量可以相互转化光能机械能内能电能化学能【实践与拓展】找出家里涉及能量转化的装置，用它们的照片或示意图做成一张海报，在上面标出涉及的能量转化情况。能量在不同物体间转移滚烫的鸡蛋放入凉水中冷却帆船乘风航行能量守恒定律大量事实证明，各种形式的能量都可以相互转化，并且在转化过程中守恒。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其他形式，或者从一个物体转移到别的物体；在转化或转移的过程中其总量不变。说明：(1)某种形式的能减少，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)某一物体的能量减少，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。能量守恒定律大量事实证明，各种形式的能量都可以相互转化，并且在转化过程中守恒。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其他形式，或者从一个物体转移到别的物体；在转化或转移的过程中其总量不变。热力学第一定律实际上就是内能与其他形式的能量发生转化时的能量守恒定律。机械能守恒定律体现了特定条件下在机械能范畴的能量守恒。能量守恒定律的发现能量守恒定律是自然界中最为普遍的规律之一，把物理、化学、生物、地质等学科广泛地联系起来，使从事不同性质工作的科学工作者具有共同的语言。能量守恒思想不是一蹴而就的，在科学史上，人们真正以“能量”的观念来探索各种运动形式本质的过程却是非常曲折的。能量守恒定律的发现能量守恒定律的奠基人：德国医生迈耶(J.R.Mayer，1814-1978)、英国物理学家焦耳和德国科学家亥姆霍兹(H.Helmholtz,1821-1894)。能量守恒定律的发现德国医生迈耶通过比对不同地区人血颜色的差异，认识到食物中化学能与内能的等效性，即生物体内能量的输入和输出是平衡的。

另外，他还通过海水在暴风雨中较热的现象，猜想热与机械运动的等效性。

他在1841年和1842年连续写出“论‘自然力’（指能量）守恒”的论文，并推算了多少热与多少功相当。因此，迈耶是公认的第一个提出能量守恒思想的人。能量守恒定律的发现焦耳通过实验精确地测量了做功与传热之间的等价关系，在焦耳研究功与热等效性的许多实验中，有两个最具代表性。一个是让重物下落带动叶片搅拌容器中的水，引起水温上升；另一个是通过电流的热效应给水加热。焦耳的实验装置与焦耳实验原理相同的实验装置示意图能量守恒定律的发现【实验一】用绝热性能良好的材料制作容器，容器中安装着叶片组成的搅拌器。重物下落时带动叶片转动，搅拌容器中的水，水由于摩擦而温度上升。多次实验测量表明，尽管各次悬挂重物的质量不同，下落的高度也不一样，但只要重力所做的功相同，容器内水温上升的数值都是相同的，即系统状态的变化是相同的。焦耳的实验装置能量守恒定律的发现【实验二】让正在下降的重物带动发电机发电，电流通过浸在液体中的电阻丝，由电流的热效应给液体加热，使液体温度上升。多次实验结果表明，对于同一个绝热的系统，不管通过电阻丝的电流或大或小、通电时间或长或短，只要所做的电功相等，则系统温度上升的数值是相同的，即系统的状态就发生了同样的变化。与焦耳实验原理相同的实验装置示意图能量守恒定律的发现焦耳的这些实验表明，在各种不同的绝热过程中，如果使系统从状态1变为状态2，所需外界做功的数量是相同的。做功的数量只由过程始末两个状态1、2决定，而与做功的方式无关。焦耳的实验装置与焦耳实验原理相同的实验装置示意图能量守恒定律的发现德国科学家亥姆霍兹在不了解迈耶和焦耳研究的情况下，从永动机不可能制成这一事实出发，考察了自然界不同的“力”（指能量）之间的相互关系，提出了“张力”（即势能）与“活力”（即动能）的转化。他还分析了在电磁现象和生物机体中能量的守恒问题。能量守恒定律的发现能量守恒定律于1860年前后得到了科学界的普遍承认。1.全部自然科学和工程技术的基础；2.它是自然界的一条普遍规律；3.一切违背能量守恒定律的观点，都被实践证明是错误的；恩格斯把这一定律称为伟大的运动基本定律，并把它与细胞学说、生物进化论一起列为19世纪的三大发现。第一类永动机不可能制成历史上，人们曾幻想制造一种机器，它不需要任何动力或燃料却能不断对外做功，这种机器被称为第一类永动机。如图所示是一台“永动机”的构想图，其设计思想如下：在水轮上方的水箱内装入一定量的水，水流下时冲动水轮转动，水轮通过皮带带动抽水机不断地把水从下方的水池中抽到上方水箱中，这样，水不停的循环，水轮机将永久地转动下去，可能吗?不可能永久地转动下去!更不可能有额外的能量永久地对外做功。停止转动时，水都在下方的水池中。第一类永动机不可能制成历史上，人们曾幻想制造一种机器，它不需要任何动力或燃料却能不断对外做功，这种机器被称为第一类永动机。这表明，物体对外做功(W<0)是必须以减少内能(ΔU<0)为代价！由热力学第一定律可知，ΔU=Q+W如果物体不与外界进行热传递，Q=0，则有ΔU=W第一类永动机不可能制成历史上，人们曾幻想制造一种机器，它不需要任何动力或燃料却能不断对外做功，这种机器被称为第一类永动机。由热力学第一定律可知，ΔU=Q+W如果不消耗内能，ΔU=0，则有Q=-W这表明，物体必须从外界吸收热量(Q>0)，才能对外做功(W<0)。第一类永动机不可能制成历史上，人们曾幻想制造一种机器，它不需要任何动力或燃料却能不断对外做功，这种机器被称为第一类永动机。第一类永动机不可能制成!物体可能对外做功的条件：1.减少自身内能2.从外界吸收热量【思考与讨论】有一种所谓“全自动”机械手表，既不需要上发条，也不用任何电源，却能不停地走下去．这是不是一种永动机?如果不是，维持表针走动的能量是从哪里来的?你能设法验证吗?结论：这不是永动机；能量来源：手表戴在手腕上，通过手臂的运动，手表获得能量，供手表指针走动；验证方法：若将此手表长时间放置不动，会观察到表针停止转动。摇表器形形色色的永动机均以失败告终无一例外第一类永动机不可能制成第一类永动机不可能制成历史上，人们曾幻想制造一种机器，它不需要任何动力或燃料却能不断对外做功，这种机器被称为第一类永动机。制造永动机的千万次失败使人们的头脑冷静下来，开始在更深层次寻找失败的原因。1775年法国科学院宣布“不再审查有关永动机的一切设计”。这使得人们走出迷梦，去研究各种能量形式相互转化的规律，促成了能量守恒定律的建立。【例题1】一天，小程浏览到一则关于“节能电热水器”的广告，对于广告中提到的“用一小时热水仅耗一度电”的宣传产生了怀疑，如何验证这则广告的真实性?你能够利用所学知识进行判断吗?[水的比热容c约为4.2kJ/(kg·0C)]分析：根据能量守恒定律，如果单位时间内热水器提供的热量不足以提升水的温度至有热感，则可判断广告是虚假广告。解：根据广告，热水器一小时耗一度电，则电热水器功率P=1kW。每秒提供的电功W=1kJ。以一般热水器出水量为0.1L/s、水温提升100C计算，则每秒流出的水所需吸收的热量为Q=cmΔt=4.2×0.1×10kJ=4.2kJ。∵Q>W,∴该广告为虚假广告。【例题2】试说明下列现象中能量是怎样转化的。(1)在水平公路上行驶的汽车，发动机熄火之后，汽车速度越来越慢，最后停下来。(2)火药爆炸产生燃气，子弹在燃气的推动下从枪膛发射出去，射穿一钢板后速度迅速减慢。(3)用柴油机带动发电机发电，供给电动水泵抽水，把水从低处抽到高处