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1、3 3热力学第一定律热力学第一定律能量守恒定律能量守恒定律一、热力学第一定律1.改变内能的方式,它们的区别和联系:改变内能的两种方式:做功与热传递。联系:两者在改变系统内能方面是等效的,一定数量的功与确定数量的热相对应。区别:做功是内能与其他形式能量的相互转化,而热传递只是不同物体(或一个物体的不同部分)之间内能的转移。2.热力学第一定律的内容:一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和。3.热力学第一定律的表达式:U=Q+W二、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,它只能从一种形式转化为另一种形式,或者从一个物体转移到别的物体,在转化或转移的过程
2、中,能量的总量保持不变。2.意义(1)能量守恒定律告诉我们,各种形式的能量可以相互转化。(2)各种互不相关的物理现象力学的、热学的、电学的、磁学的、光学的、化学的、生物学的等可以用能量守恒定律联系在一起。三、永动机不可能制成阅读教材第5556页“永动机不可能制成”部分,知道什么是第一类永动机,了解第一类永动机不可能制成的原因。1.第一类永动机:人们设想中的不需要任何动力或燃料,却能不断地对外做功的机器。2.第一类永动机不可制成的原因:违背了能量守恒定律。自我检测1.判断正误,对的画“”,错的画“”。(1)某个物体的能量减少,必然有其他物体的能量增加。()解析:能量在不同的物体间发生转移,在转移
3、的过程中能量守恒。答案:(2)石子从空中落下,最后停止在地面上,说明机械能消失了。()解析:石子在下落过程中,机械能在转化,但机械能并没有消失,而是转化成了其他形式的能量。答案:(3)自由摆动的秋千摆动的幅度越来越小,减少的机械能转化为内能,但总能量守恒。()解析:秋千在摆动过程中,机械能转化为秋千和周围空气的内能,但总能量守恒。答案:(4)违背能量守恒定律的过程是一定不会发生的。()解析:能量守恒定律是自然界普遍遵守的定律,在所有能量转化或转移的过程中,总能量不变。答案:2.探究讨论。(1)气体膨胀对外做功120J,同时从外界吸收100J的热量,它的内能的变化是多少?答案:根据热力学第一定律
4、U=W+Q=-120J+100J=-20J,所以减小20J。(2)下面的永动机能实现吗?答案:不能,违反了能量守恒定律。(3)热力学第一定律与能量守恒定律是什么关系?答案:能量守恒定律是各种形式的能相互转化或转移的过程,总能量保持不变,它包括各个领域,其范围广泛。热力学第一定律是物体内能与其他形式的能之间的相互转化或转移,是能量守恒定律的具体体现。探究一探究二热力学第一定律热力学第一定律问题探究问题探究1.如图甲所示,该实验为做机械功改变系统状态的焦耳实验,该实验是一个与外界没有热量交换的实验,如果外界对物体做的功为W(物块重力所做的功),则它的内能怎样改变?变化了多少?要点提示一个物体,如果
5、它既没有吸收热量也没有放出热量,那么外界对它做功为W,内能增加量为W。探究一探究二2.如图乙所示为做电功改变系统状态的实验,该系统没有外界对其做功,如果电流对液体做的功(电阻发热)为Q,它的内能怎样变化?变化了多少?要点提示如果外界没有对系统做功,当物体从外界吸收热量Q,则内能的增加量为Q。3.如果某一过程中,物体跟外界同时发生了做功和热传递,那么,该物体内能的变化U与热量Q及做的功W之间又满足怎样的关系呢?要点提示U=W+Q。该式表示的是功、热量跟内能改变之间的定量关系,在物理学中叫做热力学第一定律。探究一探究二知识归纳知识归纳1.热力学第一定律的意义热力学第一定律不仅反映了做功和热传递这两
6、种改变内能的过程是等效的,而且给出了内能的变化量和做功与热传递之间的定量关系。此定律是标量式,应用时热量的单位应统一为国际单位制中的焦耳。2.热力学第一定律的符号法则探究一探究二3.几种特殊情况(1)若过程是绝热的,则Q=0,W=U,外界对物体做的功等于物体内能的增加。(2)若过程中不做功,即W=0,则Q=U,物体吸收的热量等于物体内能的增加。(3)若过程的始末状态物体的内能不变,即U=0,则W+Q=0或W=-Q,外界对物体做的功等于物体放出的热量。4.判断外界是否对气体做功的方法一般情况下外界对气体做功与否,需看气体的体积是否变化。(1)若气体体积增大,表明气体对外界做功,W0。探究一探究二
7、典例剖析典例剖析【例题1】若将气泡内的气体视为理想气体,气泡从湖底缓慢上升到湖面的过程中,对外界做了0.6J的功,(设湖水的温度相等且保持不变)(1)气泡上升过程中吸收的热量是多少?(2)气泡到达湖面后,由于太阳的照射,在温度上升的过程中又对外界做了0.1J的功,同时吸收了0.3J的热量,则此过程中,气泡内气体内能增加了多少?【思考问题】湖水温度不变,说明了什么?提示气泡由湖底上升到水面过程中气体内能不变。探究一探究二解析:(1)气体温度不变,内能不变,由热力学第一定律U=Q+W,则Q=U-W=0-(-0.6J)=0.6J;(2)由热力学第一定律得U=Q+W=0.3J+(-0.1J)=0.2J
8、,内能增加0.2J。答案:(1)0.6J(2)0.2J 应用热力学第一定律解题的方法(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)分别列出物体(或系统)吸收或放出的热量,外界对物体(或系统)所做的功或物体(或系统)对外所做的功;(3)根据热力学第一定律U=Q+W列出方程进行求解;(4)特别注意的就是物理量的正负号及其物理意义。探究一探究二变式训练变式训练1一定质量的气体,在从一个状态变化到另一个状态的过程中,吸收热量280J,并对外做功120J,试问:(1)这些气体的内能发生了怎样的变化?(2)如果这些气体又返回到原来的状态,并放出了240J热量,那么在返回的过程中是气体对外界
9、做功,还是外界对气体做功?做功多少?解析:(1)由热力学第一定律得:U=W+Q=280J-120J=160J,内能增加了160J。(2)U=-U=-160J,Q=-240J,由热力学第一定律得:W=U-Q=-160J-(-240J)=80J,即外界对气体做了80J的功。答案:(1)内能增加了160J(2)外界对气体做功80J探究一探究二能量守恒定律能量守恒定律问题探究问题探究1.不耗油的汽车能不能制成,为什么?不消耗能量的汽车呢?要点提示前者能制成而后者不能制成。这是因为可以用太阳能、电能等能源代替石油能源制造出太阳能汽车、电动汽车等,但是不消耗任何能量的汽车不可能制成,因为它违背能量守恒定律
10、。探究一探究二2.如图所示是18世纪人们发明的各种不同形式的“永动机”,现在这些“永动机”只能在博物馆中看到了,警示人们不要再做这方面的工作,试分析“永动机”不能成功的原因?要点提示永动机违背了能量守恒定律。探究一探究二知识归纳知识归纳1.能量的存在形式及相互转化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。各种形式的能,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,机械能转化为内能等。2.能量守恒的条件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
11、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普遍遵守的基本规律。探究一探究二3.能量守恒定律的重要意义(1)找到了各种自然现象的公共量度能量,从而把各种自然现象用能量的规律联系起来,揭示了自然规律的多样性和统一性。(2)突破了人们关于物质运动的认识范围,从本质上表明了各种运动形式之间相互转化的可能性。能量守恒定律比机械能守恒定律更普遍,它是物理学中解决问题的重要思维方法。能量守恒定律与细胞学说、生物进化论并称19世纪自然科学中三大发现,由此可见其重要意义。(3)具有重大实践意义,即彻底粉碎了永动机的幻想。探究一探究二4.能量守恒定律中的“转化”和“转移”(1)某种形式的能量减少,一定
12、有其他形式的能量增加,且减少量和增加量一定相等。(2)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。探究一探究二典例剖析典例剖析【例题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)探究一探究二 能量守恒定律的应用方法应用能量守恒定律解决问题时,首先应明确题目中涉及了哪几种形式的能量,然后分析哪种形式的能量增加,哪种形式的能量减少,确定了研究的系统后,用能量守恒的观点即可求解。探究一探究二变式训练变式训练2一定质量的理想气体由状态a沿ab
13、c变化到状态c,吸收了340J的热量,并对外做功120J。若该气体由状态a沿adc变化到状态c时,对外做功40J,则这一过程中气体(选填“吸收”或“放出”)J热量。探究一探究二解析:对该理想气体由状态a沿abc变化到状态c,由热力学第一定律可得:U=Q+W=340J-120J=220J,即从a状态到c状态,理想气体的内能增加了220J;若该气体由状态a沿adc变化到状态c时,对外做功40J,此过程理想气体的内能增加还是220J,所以可以判定此过程是吸收热量,再根据热力学第一定律可得:U=Q+W,得Q=U-W=220J+40J=260J。答案:吸收260J123451.在热力学第一定律的表达式U
14、=W+Q中,关于U、W、Q各个物理量的正、负,下列说法正确的是()A.外界对物体做功时W为正,吸热时Q为负,内能增加时U为正B.物体对外界做功时W为负,吸热时Q为正,内能增加时U为负C.物体对外界做功时W为负,吸热时Q为正,内能增加时U为正D.外界对物体做功时W为负,吸热时Q为负,内能增加时U为负解析:根据公式U=W+Q中的符号法则知选项C正确。答案:C123452.一定量的气体膨胀对外做功100J,同时对外放热40J,气体内能的增量U是()A.60JB.-60JC.-140JD.140J解析:由热力学第一定律得U=W+Q=-100J-40J=-140J,C项正确。答案:C123453.第一类
15、永动机是不可能制成的,这是因为()A.不符合机械能守恒定律B.做功产生的热量不符合热功当量C.违背了能量守恒定律D.找不到合适的材料和合理的设计方案解析:第一类永动机违背了能量守恒定律,所以是不可能制成的。故选项C正确。答案:C123454.下列对能量守恒定律的认识不正确的是()A.某种形式的能量减少,一定存在其他形式的能量增加B.某个物体的能量减少,必然有其他物体的能量增加C.不需要任何外界的动力而持续对外做功的机器永动机是不可能制成的D.石子从空中落下,最后停止在地面上,说明机械能消失了解析:选项A是指不同形式的能量间的转化,转化过程中能量是守恒的。选项B是指能量在不同的物体间发生转移,转
16、移过程中能量是守恒的,这正好是能量守恒定律的两个方面转化与转移。选项C中任何永动机都是不可能制成的,它违背了能量守恒定律。选项D中石子的机械能在变化,比如受空气阻力作用,机械能可能减少,但机械能并没有消失,只是转化成了其他形式的能量。答案:D123455.喷雾器内有10L水,上部封闭有1atm的空气2L。关闭喷雾阀门,用打气筒向喷雾器内再充入1atm的空气3L(设外界环境温度一定,空气可看作理想气体)。(1)当水面上方气体温度与外界温度相等时,求气体压强,并从微观上解释气体压强变化的原因。(2)打开喷雾阀门,喷雾过程中封闭气体可以看成等温膨胀,此过程气体是吸热还是放热?简要说明理由。12345解析:(1)设气体初态压强为p1,体积为V1;末态压强为p2,体积为V2,由玻意耳定律p1V1=p2V2代入数据得p2=2.5atm微观解释:温度不变,分子平均动能不变,单位体积内分子数增加,所以压强增加。(2)吸热。气体对外做功而内能不变,根据热力学第一定律可知气体吸热。答案:(1)2.5atm(2)吸热
