《热力学第一定律 能量守恒定律》课件

第三章热力学定律2

热力学第一定律3能量守恒定律学习目标学法与考法1．掌握热力学第一定律及其表达式(重难点)2．学会运用热力学第一定律解释自然界中能量的转化、转移问题(难点)3．理解能量守恒定律，知道能量守恒定律是自然界中普遍遵循的规律(重点)学法：①通过实验加深对热力学第一定律的理解．②通过实例知道ΔU、Q、W的正、负号的物理意义，会用表达式ΔU＝Q＋W解决问题考法：①考查热力学第一定律的理解和运用．②考查能量守恒定律的理解和运用．③考查热力学第一定律和气体状态方程的综合运用知识导图课前·

自主预习1．改变内能的两种方式是_______和__________．2．热力学第一定律(1)内容：一个热力学系统的内能变化量等于外界向它传递的________与外界对它所________的和．(2)表达式：ΔU＝__________.热力学第一定律做功热传递热量做功Q＋W物体从外界吸热，物体的内能一定增加吗？【答案】物体从外界吸热，物体的内能是否增加，还要看做功情况．下列对于热力学第一定律的理解，正确的是 (

)A．一定质量的气体膨胀对外做功100J，同时从外界吸收120J的热量，则它的内能增大20JB．物体从外界吸收热量，其内能一定增加；物体对外界做功，其内能一定减少C．物体吸收热量，其温度一定升高D．空调工作时消耗的电能与室内温度降低所放出的热量可以相等【答案】A【解析】气体膨胀对外做功100J，则W＝－100J，从外界吸收120J的热量，则Q＝120J，根据热力学第一定律知ΔU＝W＋Q＝－100J＋120J＝20J，A正确；根据热力学第一定律知ΔU＝W＋Q，可知物体从外界吸收热量，其内能不一定增加，物体对外界做功，其内能不一定减少，B错误；物体吸收热量的同时，如果对外界做功，温度不一定升高，C错误；空调工作时消耗的电能等于室内温度降低所放出的热量和电路产生的热量之和，D错误．1．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________为其他形式，或者从一个物体________到别的物体，在转化或转移的过程中，______________保持不变．(2)意义：①各种形式的能可以____________．②各种物理现象可以用________________联系在一起．能量守恒定律和永动机转化转移能量的总量相互转化能量守恒定律2．永动机不可能制成(1)第一类永动机：不需要任何动力或燃料，却能不断地__________的机器．(2)不可制成的原因：违背了___________定律．对外做功能量守恒运动的物体在阻力作用下会停下来，其机械能会凭空消失吗？【答案】运动的物体在阻力作用下会停下来，克服阻力做功，其机械能转化为内能．(多选)下列关于能量转化现象的说法中，正确的是 (

)A．用太阳灶烧水是光能转化为内能B．电灯发光是电能转化为光能C．核电站发电是电能转化为内能D．生石灰放入盛有凉水的烧杯里，水温升高是动能转化为内能【答案】AB【解析】A中是光能转化为内能，C中是核能转化为电能，D中是化学能转化为内能，A、B正确．课堂·

重难探究1．应用热力学第一定律解题的思路(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)分别找出题目中研究对象吸收或放出的热量；外界对研究对象所做的功或研究对象对外界所做的功；研究对象内能的增加量或减少量．(3)根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W列出方程进行求解．(4)特别注意物理量的正负号及其物理意义．热力学第一定律的应用2．公式ΔU＝W＋Q中符号的规定符号WQΔU＋外界对物体做功物体吸收热量内能增加－物体对外界做功物体放出热量内能减少3．几种特殊情况(1)若过程是绝热的，即Q＝0，则ΔU＝W，物体内能的增加量等于外界对物体做的功．(2)若过程中不做功，即W＝0，则ΔU＝Q，物体内能的增加量等于物体从外界吸收的热量．(3)若过程的始末状态物体的内能不变，即ΔU＝0，则W＝－Q(或Q＝－W)，外界对物体做的功等于物体放出的热量(或物体吸收的热量等于物体对外界做的功)．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，W<0.(2)若物体体积减小，表明外界对物体做功，W>0.例1一定质量的气体从外界吸收了4.2×105J的热量，同时气体对外做了6×105J的功，问：(1)物体的内能是增加还是减少？变化量是多少？(2)分子势能是增加还是减少？(3)分子的平均动能是增加还是减少？解：(1)气体从外界吸收的热量为Q＝4.2×105J，气体对外做功W＝－6×105J，热力学第一定律的应用由热力学第一定律ΔU＝W＋Q＝(－6×105J)＋(4.2×105J)＝－1.8×105J，ΔU为负，说明气体的内能减少了1.8×105J.(2)因为气体对外做功，所以气体的体积膨胀，分子间的距离增大了，分子力做负功，气体分子势能增加了．(3)因为气体内能减少，同时气体分子势能增加，所以气体分子的平均动能一定减少了．变式1电动打气筒的压缩机在一次压缩过程中，活塞对空气做了3.0×105J的功，同时空气的内能增加了5×104J，下列说法正确的是

(

)A．空气从外界吸收的热量是0.5×105JB．空气对外界放出的热量是2.5×105JC．空气从外界吸收的热量是3.5×105JD．空气对外界放出的热量是3.5×105J【答案】B【解析】活塞对空气做了3.0×105J的功，故W＝3.0×105J，空气的内能增加了5×104J，ΔU＝5×104J，根据热力学第一定律，有Q＝ΔU－W，解得Q＝ΔU－W＝－2.5×105J，即空气对外界放出的热量是2.5×105J，B正确，A、C、D错误．运用热力学第一定律时应注意的两点1．明确研究哪一部分气体和气体的哪一个状态变化过程．2．分清ΔU＝W＋Q中各物理量正、负号的意义．1．能量存在的形式及相互转化(1)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．(2)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．对能量守恒定律的理解及应用(3)某种形式的能减少，一定有其他形式的能增加，且减少量和增加量一定相等．(4)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．2．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，必须是只有重力或系统内的弹力做功；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．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．例2如图所示为冲击摆实验装置，一质量为m的子弹以v0射入质量为M的沙箱后与沙箱合为一体，共同摆起一定高度h，则整个过程中子弹和沙箱由于相互作用所产生的内能为多少？(不计空气阻力)能量守恒定律的理解及应用变式2如图所示，汽缸放置在水平地面上，质量为m的活塞将汽缸分成甲、乙两气室，两气室中均充有气体，汽缸、活塞是绝热的且不漏气．开始活塞被销钉固定，现将销钉拔掉，活塞最终静止在距原位置下方h处，设活塞移动前后甲气体内能的变化量为ΔE，不计气体重心改变的影响，下列说法正确的是

(

)A．ΔE＝mghB．ΔE＞mghC．ΔE＜mghD．以上三种情况均有可能【答案】B【解析】气体甲体积减小，外界对它做正功，其中包括mgh和乙气体分子对活塞的力做功W乙，且为正功，ΔE＝mgh＋W乙．利用能量守恒定律解题的方法在应用能量守恒定律处理问题时，首先要弄清系统有多少种能量相互转化，分析哪种形式的能量增加了，哪种形式的能量减少了；或者弄清哪个物体的能量增加，哪个物体的能量减少，增加量等于减少量．小练·

随堂巩固随堂检测1.一定质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,则根据热力学第一定律,下列各式中正确的是(

)A.W=8×104J,ΔU=1.2×105J,Q=4×104JB.W=8×104J,ΔU=-1.2×105J,Q=-2×105JC.W=-8×104J,ΔU=1.2×105J,Q=2×104JD.W=-8×104J,ΔU=-1.2×105J,Q=-4×104J答案

B解析

因为外界对气体做功,W取正值,即W=8×104

J;气体的内能减少,ΔU取负值,即ΔU=-1.2×105

J;根据热力学第一定律ΔU=W+Q,可知Q=ΔU-W=-1.2×105

J-8×104

J=-2×105

J,即B选项正确。2.一定质量的理想气体,从某一状态开始,经过一系列变化后又回到开始的状态,用W1表示外界对气体做的功,W2表示气体对外界做的功,Q1表示气体吸收的热量,Q2表示气体放出的热量,则在整个过程中一定有(

)A.Q1-Q2=W2-W1

B.Q1=Q2C.W1=W2

D.Q1>Q2答案

A解析

对一定质量的理想气体,经过一系列的状态变化后又回到原状态,表明整个过程中内能的变化为零,即通过做功和热传递引起的内能变化相互抵消,所以A选项正确。当然,若Q1=Q2,则必定有W1=W2;若Q1>Q2,则必定有W1<W2;若Q1<Q2,则必定有W1>W2,所以B、C、D三项都有可能但不一定,故选A。3.(多选)用密封性好、充满气体的塑料袋包裹易碎品,如图所示,充气袋四周被挤压时,假设袋内气体与外界无热交换,则袋内气体(

)A.体积减小,内能增大B.体积减小,压强减小C.对外界做负功,内能增大D.对外界做正功,压强减小答案

AC解析

实际气体在温度不太低、压强不太大时可看作理想气体。充气袋被挤压,气体体积减小,外界对气体做正功,则W>0,即气体对外界做负功,由于袋内气体与外界无热交换,即Q=0,根据热力学第一定律ΔU=W+Q知,内能增大,选项A、C正确;根据理想气体状态方程

=C可判断压强一定增大,选项B、D错误。4.(四川乐山模拟)绝热汽缸倒扣在水平地面上(汽缸顶部侧壁有一小口),缸内装有一电热丝,缸内有一光滑的绝热活塞,封闭一定质量的理想气体,活塞下吊着一重力为G的重物,活塞重力为G0,活塞的截面积为S,开始时封闭气柱的高为h,气体的温度为T1,大气压强为p0。现给电热丝缓慢加热,若气体吸收热量Q时,活塞下降了h,问:(1)气体的温度升高多少?(2)气体的内能增加多少?答案

(1)T1

(2)Q-(p0S-G-G0)h解析

(1)活塞下降的过程,气体发生的是等压膨胀

活塞向下运动的过程中,对外做功W=pSh=p0Sh-(G+G0)h根据热力学第一定律可知,气体的内能增加量为ΔU=Q-W=Q+(G+G0)h-p0Sh=Q-(p0S-G-G0)h。随堂检测1.“第一类永动机”是不可能制成的,这是因为它(

)A.不符合能量守恒定律B.做功产生的热量太少C.由于有摩擦、热损失等因素的存在D.找不到合适的材料和合理的设计方案答案

A解析

第一类永动机是指不消耗能量而且还能对外做功的机器,故违背了能量守恒定律。2.(多选)下列关于能量转化现象的说法中,正确的是(

)A.用太阳灶烧水是光能转化为内能B.风车发电是风的动能转化