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,,高中物理·選修3-3·魯科版,,,第5章 熱力學(xué)定律 第1節(jié) 熱力學(xué)第一定律 第2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,熱傳遞,增加,減小,增加,減少,3．熱力學(xué)第一定律： (1)內(nèi)容：物體內(nèi)能的增加量ΔU等于外界對(duì)物體 與物體從外界 之和． (2)表達(dá)式：ΔU＝ . 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(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：第一類永動(dòng)機(jī)是 的．,任何能量,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)移,保持不變,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，人類利用的能量都來(lái)源于 ．,總和不變,內(nèi)能,太陽(yáng)能,一、熱力學(xué)第一定律的理解和應(yīng)用 1．對(duì)ΔU＝W＋Q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(duì)公式ΔU、Q、W符號(hào)的規(guī)定：,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、ΔU)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2×105 J的功，同時(shí)空氣的內(nèi)能增加了1.5×105 J，這一過(guò)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(duì)象，根據(jù)熱力學(xué)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(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5×104 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ΔU＝Q＋W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?yàn)橥饨鐚?duì)氣體做功，W取正值，即W＝8×104 J；內(nèi)能減少，ΔU取負(fù)值，即ΔU＝－1.2×105 J；根據(jù)熱力學(xué)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(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)程： (1)絕熱過(guò)程：過(guò)程是絕熱的，則Q＝0，W＝ΔU，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(guò)程：在過(guò)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(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5－1、2－1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(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，叫第一類永動(dòng)機(jī)，其前景是誘人的． 因?yàn)榈谝活愑绖?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5－1、2－2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ΔU，則 ( ) A．ΔU＝Q B．ΔUQ D．無(wú)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(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】 第一類永動(dòng)機(jī)是不可能制成的，這是因?yàn)榈谝活愑绖?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,