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,,高中物理·選修3-3·魯科版,,,第5章 熱力學定律 第1節(jié) 熱力學第一定律 第2節(jié) 能量的轉(zhuǎn)化與守恒,[目標定位] 1.掌握熱力學第一定律，并會應用于解決相關(guān)問題． 2.理解能量守恒定律，知道能量守恒定律是自然界普遍遵從的基本規(guī)律． 3.知道第一類永動機不可能制成的原因．,一、熱力學第一定律及應用 1．改變物體內(nèi)能的兩種方式： 和 ． 2．功、熱量和內(nèi)能改變的關(guān)系： (1)如果物體與外界無熱傳遞，外界對物體做功，物體的內(nèi)能 ；物體對外做功，物體的內(nèi)能 ． (2)如果物體既不對外做功，外界也不對物體做功，則物體從外界吸收熱量時，它的內(nèi)能 ；物體向外放出熱量時，它的內(nèi)能 ．,做功,熱傳遞,增加,減小,增加,減少,3．熱力學第一定律： (1)內(nèi)容：物體內(nèi)能的增加量ΔU等于外界對物體 與物體從外界 之和． (2)表達式：ΔU＝ . 4．熱力學第一定律的意義： (1)內(nèi)能的變化必然伴隨有 或 ． (2)一切涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程中，能量可以發(fā)生 或 ，此過程中總能量守恒．,所做的功W,,吸收的熱量Q,W＋Q,做功,熱傳遞,轉(zhuǎn)移,轉(zhuǎn)化,二、第一類永動機 1．定義：不消耗 而能永遠對外做功的機器． 2．熱力學第一定律的另一表述：第一類永動機是 的．,任何能量,不可能實現(xiàn),,三、能量守恒定律及其應用 1．內(nèi)容：能量既不會消失，也不會創(chuàng)生，它只能從一種形式 為另一種形式，或者從一個物體 到另一個物體，而能量的總值 ． 2．意義：揭示了自然科學各個分支之間的普遍聯(lián)系，是自然界內(nèi)在 的第一個有力證據(jù)．,轉(zhuǎn)化,轉(zhuǎn)移,保持不變,統(tǒng)一性,3．應用： (1)各種形式的能量可以轉(zhuǎn)化，在轉(zhuǎn)化過程中，自然界能量的 ． (2)能量在轉(zhuǎn)化過程中總伴有 的損失． (3)除核能以外，人類利用的能量都來源于 ．,總和不變,內(nèi)能,太陽能,一、熱力學第一定律的理解和應用 1．對ΔU＝W＋Q的理解：熱力學第一定律將單純的絕熱過程和單純的熱傳遞過程推廣到一般情況，既有做功又有熱傳遞的過程，其中ΔU表示內(nèi)能改變的數(shù)量，W表示做功的數(shù)量，Q表示外界與物體間傳遞的熱量．,2．對公式ΔU、Q、W符號的規(guī)定：,3.應用熱力學第一定律解題的一般步驟： (1)首先選定研究對象是哪個物體或哪個熱力學系統(tǒng)． (2)根據(jù)符號法則寫出各已知量(W、Q、ΔU)的正、負． (3)再根據(jù)未知量結(jié)果的正、負來確定吸熱、放熱情況或做功情況．,【例1】 空氣壓縮機在一次壓縮中，活塞對空氣做了2×105 J的功，同時空氣的內(nèi)能增加了1.5×105 J，這一過程中空氣向外界傳遞的熱量是多少？ 答案 5×104 J 解析 選擇被壓縮的空氣為研究對象，根據(jù)熱力學第一定律有ΔU＝W＋Q. 由題意可知W＝2×105 J，ΔU＝1.5×105 J，代入上式得 Q＝ΔU－W＝1.5×105 J－2×105 J＝－5×104 J. 負號表示空氣向外釋放熱量，即空氣向外界傳遞的熱量為5×104 J.,借題發(fā)揮 應用熱力學第一定律解題的一般步驟 (1)明確研究對象是哪個物體或者是哪個熱力學系統(tǒng)． (2)分別列出物體或系統(tǒng)吸收或放出的熱量；外界對物體或系統(tǒng)所做的功或物體或系統(tǒng)對外所做的功． (3)根據(jù)熱力學第一定律ΔU＝Q＋W列出方程進行求解． (4)特別應注意的就是物理量的正、負號及其物理意義．,針對訓練 一定量的氣體在某一過程中，外界對氣體做了8×104 J的功，氣體的內(nèi)能減少了1.2×105 J，則下列各式中正確的是 ( ) A．W＝8×104 J，ΔU＝1.2×105 J，Q＝4×104 J B．W＝8×104 J，ΔU＝－1.2×105 J，Q＝－2×105 J C．W＝－8×104 J，ΔU＝1.2×105 J，Q＝2×104 J D．W＝－8×104 J，ΔU＝－1.2×105 J，Q＝－4×104 J 答案 B,解析 因為外界對氣體做功，W取正值，即W＝8×104 J；內(nèi)能減少，ΔU取負值，即ΔU＝－1.2×105 J；根據(jù)熱力學第一定律ΔU＝W＋Q，可知Q＝ΔU－W＝－1.2×105 J－8×104 J＝－2×105 J，B選項正確．,二、氣體實驗定律和熱力學第一定律的結(jié)合 1．判斷對氣體做功正、負的方法： (1)若氣體體積增大，表明氣體對外界做功，W0. 2．幾種常見的氣體變化過程： (1)絕熱過程：過程是絕熱的，則Q＝0，W＝ΔU，外界對物體做功等于物體內(nèi)能的增加．,(2)等容過程：過程是不做功，則W＝0，則Q＝ΔU，物體吸收的熱量等于物體內(nèi)能的增加． (3)等溫過程：在過程的始、末狀態(tài)，物體的內(nèi)能不變，即ΔU＝0，則W＋Q＝0或W＝－Q，表示吸收的熱量全部用來做功或外界對氣體所做的功全部轉(zhuǎn)換為熱量放出．,【例2】 如圖5－1、2－1所示，倒懸的導 熱汽缸中封閉著一定質(zhì)量的理想氣體， 輕質(zhì)活塞可無摩擦地上下移動，活塞的 橫截面積為S，活塞的下面吊著一個重 為G的物體，大氣壓強恒為p0，起初環(huán) 境的熱力學溫度為T0時，活塞到汽缸底面的距離為L.當環(huán)境溫度逐漸升高，導致活塞緩慢下降，該過程中活塞下降了0.1L，汽缸中的氣體吸收的熱量為Q.求： (1)汽缸內(nèi)部氣體內(nèi)能的增量ΔU； (2)最終的環(huán)境溫度T. 答案 (1)Q－0.1p0SL＋0.1LG (2)1.1T0,圖5－1、2－1,三、能量守恒定律 1．不同形式的能量之間可以相互轉(zhuǎn)化 (1)各種運動形式都有對應的能，如機械運動對應機械能，分子熱運動對應內(nèi)能等． (2)不同形式的能量之間可以相互轉(zhuǎn)化，如“摩擦生熱”機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，“電爐取熱”電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能等． 2．能量守恒定律及意義 各種不同形式的能之間相互轉(zhuǎn)化時保持總量不變． 意義：一切物理過程都適用，比機械能守恒定律更普遍，是19世紀自然科學的三大發(fā)現(xiàn)之一．,3．第一類永動機是不可能制成的 不消耗能量能源源不斷地對外做功的機器，叫第一類永動機，其前景是誘人的． 因為第一類永動機違背了能量守恒定律(或熱力學第一定律)，所以無一例外地歸于失?。?【例3】 如圖5－1、2－2所示，直立容器 內(nèi)部被隔板隔開的A、B兩部分氣體，A 的密度小，B的密度大，加熱氣體，并 使兩部分氣體混合均勻，設此過程中氣體吸熱為Q，氣體內(nèi)能的增量為ΔU，則 ( ) A．ΔU＝Q B．ΔUQ D．無法比較 答案 B,圖5－1、2－2,解析 因A部分氣體密度小，B部分氣體密度大，以整體氣體為研究對象，開始時，氣體的重心在中線以下，混合均勻后，氣體的重心應在中線上，所以有重力做負功，使氣體的重力勢能增大，由能量守恒定律可知，吸收的熱量Q有一部分增加氣體的重力勢能，另一部分增加內(nèi)能．故正確答案為B.,【例4】 第一類永動機是不可能制成的，這是因為第一類永動機 ( ) A．不符合機械能守恒定律 B．違背了能量轉(zhuǎn)化與守恒定律 C．沒有合理的設計方案 D．找不到合適的材料 答案 B,