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1、高中物理高中物理選修選修3-3魯科版魯科版第第5章熱力學(xué)定律章熱力學(xué)定律第第1節(jié)熱力學(xué)第一定律節(jié)熱力學(xué)第一定律第第2節(jié)能量的轉(zhuǎn)化與守恒節(jié)能量的轉(zhuǎn)化與守恒 目標(biāo)定位1.掌握熱力學(xué)第一定律，并會(huì)應(yīng)用于解決相關(guān)問(wèn)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(lèi)永動(dòng)機(jī)不可能制成的原因一、熱力學(xué)第一定律及應(yīng)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(wú)熱傳遞，外界對(duì)物體做功，物體的內(nèi)能 ；物體對(duì)外做功，物體的內(nèi)能 (2)如果物體既不對(duì)外做功，外界也不對(duì)物體做功，則物體從外界吸收熱量時(shí)，它的內(nèi)能 ；物體向外放出熱量時(shí)，它的內(nèi)能 做功做功

2、熱傳遞熱傳遞增加增加減小減小增加增加減少減少3熱力學(xué)第一定律：(1)內(nèi)容：物體內(nèi)能的增加量U等于外界對(duì)物體與物體從外界 之和(2)表達(dá)式：U .4熱力學(xué)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(guò)程中，能量可以發(fā)生 或 ，此過(guò)程中總能量守恒所做的功所做的功W吸收的熱量吸收的熱量QWQ做功做功熱傳遞熱傳遞轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)化二、第一類(lèi)永動(dòng)機(jī)1定義：不消耗 而能永遠(yuǎn)對(duì)外做功的機(jī)器2熱力學(xué)第一定律的另一表述：第一類(lèi)永動(dòng)機(jī)是的任何能量任何能量不可能實(shí)現(xiàn)不可能實(shí)現(xiàn)三、能量守恒定律及其應(yīng)用1內(nèi)容：能量既不會(huì)消失，也不會(huì)創(chuàng)生，它只能從一種形式 為另一種形式，或者從一個(gè)物體 到另一

3、個(gè)物體，而能量的總值 2意義：揭示了自然科學(xué)各個(gè)分支之間的普遍聯(lián)系，是自然界內(nèi)在 的第一個(gè)有力證據(jù)轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)移保持不變保持不變統(tǒng)一性統(tǒng)一性3應(yīng)用：(1)各種形式的能量可以轉(zhuǎn)化，在轉(zhuǎn)化過(guò)程中，自然界能量的 (2)能量在轉(zhuǎn)化過(guò)程中總伴有 的損失( 3 ) 除 核 能 以 外 ， 人 類(lèi) 利 用 的 能 量 都 來(lái) 源于 總和不變總和不變內(nèi)能內(nèi)能太陽(yáng)能太陽(yáng)能一、熱力學(xué)第一定律的理解和應(yīng)用1對(duì)UWQ的理解：熱力學(xué)第一定律將單純的絕熱過(guò)程和單純的熱傳遞過(guò)程推廣到一般情況，既有做功又有熱傳遞的過(guò)程，其中U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(duì)公式U、Q、W符號(hào)的規(guī)定：

4、名稱(chēng)名稱(chēng)做功做功熱量熱量?jī)?nèi)能的改變內(nèi)能的改變符號(hào)符號(hào)WQU取正值取正值“”外界對(duì)系外界對(duì)系統(tǒng)做功統(tǒng)做功系統(tǒng)從外界系統(tǒng)從外界吸收熱量吸收熱量系統(tǒng)的內(nèi)能系統(tǒng)的內(nèi)能增加增加取負(fù)值取負(fù)值“”系統(tǒng)對(duì)外系統(tǒng)對(duì)外界做功界做功系統(tǒng)向外界系統(tǒng)向外界放出熱量放出熱量系統(tǒng)的內(nèi)能系統(tǒng)的內(nèi)能減少減少3.應(yīng)用熱力學(xué)第一定律解題的一般步驟：(1)首先選定研究對(duì)象是哪個(gè)物體或哪個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)(2)根據(jù)符號(hào)法則寫(xiě)出各已知量(W、Q、U)的正、負(fù)(3)再根據(jù)未知量結(jié)果的正、負(fù)來(lái)確定吸熱、放熱情況或做功情況【例1】空氣壓縮機(jī)在一次壓縮中，活塞對(duì)空氣做了2105 J的功，同時(shí)空氣的內(nèi)能增加了1.5105 J，這一過(guò)程中空氣向外界傳遞的

5、熱量是多少？答案5104 J解析選擇被壓縮的空氣為研究對(duì)象，根據(jù)熱力學(xué)第一定律有UWQ.由題意可知W2105 J，U1.5105 J，代入上式得QUW1.5105 J2105 J5104 J.負(fù)號(hào)表示空氣向外釋放熱量，即空氣向外界傳遞的熱量為5104 J. 借題發(fā)揮應(yīng)用熱力學(xué)第一定律解題的一般步驟 (1)明確研究對(duì)象是哪個(gè)物體或者是哪個(gè)熱力學(xué)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(duì)物體或系統(tǒng)所做的功或物體或系統(tǒng)對(duì)外所做的功 (3)根據(jù)熱力學(xué)第一定律UQW列出方程進(jìn)行求解 (4)特別應(yīng)注意的就是物理量的正、負(fù)號(hào)及其物理意義針對(duì)訓(xùn)練一定量的氣體在某一過(guò)程中，外界對(duì)氣體做了8104 J

6、的功，氣體的內(nèi)能減少了1.2105 J，則下列各式中正確的是()AW8104 J，U1.2105 J，Q4104 JBW8104 J，U1.2105 J，Q2105 JCW8104 J，U1.2105 J，Q2104 JDW8104 J，U1.2105 J，Q4104 J答案B 解析因?yàn)橥饨鐚?duì)氣體做功，W取正值，即W8104 J；內(nèi)能減少，U取負(fù)值，即U1.2105 J；根據(jù)熱力學(xué)第一定律UWQ，可知QUW1.2105 J8104 J2105 J，B選項(xiàng)正確二、氣體實(shí)驗(yàn)定律和熱力學(xué)第一定律的結(jié)合1判斷對(duì)氣體做功正、負(fù)的方法：(1)若氣體體積增大，表明氣體對(duì)外界做功，W0.2幾種常見(jiàn)的氣體變化過(guò)

7、程：(1)絕熱過(guò)程：過(guò)程是絕熱的，則Q0，WU，外界對(duì)物體做功等于物體內(nèi)能的增加 (2)等容過(guò)程：過(guò)程是不做功，則W0，則QU，物體吸收的熱量等于物體內(nèi)能的增加 (3)等溫過(guò)程：在過(guò)程的始、末狀態(tài)，物體的內(nèi)能不變，即U0，則WQ0或WQ，表示吸收的熱量全部用來(lái)做功或外界對(duì)氣體所做的功全部轉(zhuǎn)換為熱量放出【例2】如圖51、21所示，倒懸的導(dǎo)熱汽缸中封閉著一定質(zhì)量的理想氣體，輕質(zhì)活塞可無(wú)摩擦地上下移動(dòng)，活塞的橫截面積為S，活塞的下面吊著一個(gè)重為G的物體，大氣壓強(qiáng)恒為p0，起初環(huán)境的熱力學(xué)溫度為T(mén)0時(shí)，活塞到汽缸底面的距離為L(zhǎng).當(dāng)環(huán)境溫度逐漸升高，導(dǎo)致活塞緩慢下降，該過(guò)程中活塞下降了0.1L，汽缸中的

8、氣體吸收的熱量為Q.求：(1)汽缸內(nèi)部氣體內(nèi)能的增量U；(2)最終的環(huán)境溫度T.答案(1)Q0.1p0SL0.1LG(2)1.1T0圖圖51、21三、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(yùn)動(dòng)形式都有對(duì)應(yīng)的能，如機(jī)械運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)機(jī)械能，分子熱運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)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(jī)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(shí)保持總量不變意義：一切物理過(guò)程都適用，比機(jī)械能守恒定律更普遍，是19世紀(jì)自然科學(xué)的三大發(fā)現(xiàn)之一3第一類(lèi)永動(dòng)機(jī)是不可能制成的不消耗能量能源源不斷地對(duì)外做功的機(jī)器，叫第一類(lèi)永動(dòng)機(jī)，其前景是

9、誘人的因?yàn)榈谝活?lèi)永動(dòng)機(jī)違背了能量守恒定律(或熱力學(xué)第一定律)，所以無(wú)一例外地歸于失敗【例3】如圖51、22所示，直立容器內(nèi)部被隔板隔開(kāi)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(shè)此過(guò)程中氣體吸熱為Q，氣體內(nèi)能的增量為U，則()AUQ BUQ D無(wú)法比較答案B圖圖51、22 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(duì)象，開(kāi)始時(shí)，氣體的重心在中線以下，混合均勻后，氣體的重心應(yīng)在中線上，所以有重力做負(fù)功，使氣體的重力勢(shì)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(shì)能，另一部分增加內(nèi)能故正確答案為B.【例4】第一類(lèi)永動(dòng)機(jī)是不可能制成的，這是因?yàn)榈谝活?lèi)永動(dòng)機(jī)()A不符合機(jī)械能守恒定律B違背了能量轉(zhuǎn)化與守恒定律C沒(méi)有合理的設(shè)計(jì)方案D找不到合適的材料答案B