《熱力學第一定律+4.2能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)歷程》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《熱力學第一定律+4.2能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)歷程（10頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、 4． 1 熱力學第一定律 4．2 能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)歷程 學 習 目 標 知 識 脈 絡 1.掌握功與內(nèi)能的關系，掌握熱量和內(nèi)能 的關系． (重點 ) 2．正確認識做功和熱傳遞在改變內(nèi)能上是 等效的，但本質(zhì)是不同的． 3．知道熱力學第一定律的內(nèi)容、公式，并 能用其解決問題． (重點、難點 ) 4．了解第一類永動機及其不可能制成的原 因． 5．知道能量守恒定律發(fā)現(xiàn)的過程， 體會自 然界的統(tǒng)一性． (重點 ) 6．

2、理解能量守恒定律的內(nèi)涵及外延， 并解 釋自然現(xiàn)象． (重點、難點 ) 熱力學第一定律 [ 先填空 ] 1．做功和內(nèi)能的改變 (1)絕熱過程 系統(tǒng)跟外界之間不發(fā)生熱交換， 這時系統(tǒng)經(jīng)歷的過程叫做絕熱過程． (2)關系式 U＝U2－ U1＝W. 第 1 頁 2．熱傳遞和內(nèi)能的改變 (1)熱傳遞的三種方式 傳導、對流、輻射． (2)關系式 U＝U2－ U1＝Q. 3．熱力學第一定律 (1)改變物體內(nèi)能的兩種方式 做功和熱傳遞． (2)物體內(nèi)能的改變

3、 ①如果物體與外界無熱傳遞， 若外界對物體做功， 則物體的內(nèi)能增加； 若物體對外做功，物體的內(nèi)能減少． ②如果物體既不對外做功， 外界也不對物體做功， 則物體吸收熱量時， 它的內(nèi)能增加；物體放出熱量時，它的內(nèi)能減少． (3)熱力學第一定律 ①內(nèi)容：物體內(nèi)能的增加量 U，等于外界對物體所做的功 W 與物體從外界吸收的熱量 Q 之和． ②表達式： U＝ W＋Q. ③符號規(guī)則：物體從外界吸收熱量，外界對物體做功，則 Q＞0，W＞0；反之 Q＜0，W＜0；若 U＞0 表示物體內(nèi)能增加， U＜ 0 表示物體內(nèi)能減小． ④意義：一個物體內(nèi)能增加， 必定有其他物體對它做功

4、， 或向它傳遞熱量．與此同時，對此物體做功或向它傳熱的其他物體要減少等量的能量， 而系統(tǒng)的總能量保持不變． 在一切涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程中， 能量可以發(fā)生轉移或轉化， 在轉移或轉化過程中總能量守恒． [ 再判斷 ] 1．在絕熱過程中，外界對系統(tǒng)做多少功，內(nèi)能就能增加多少． (√ ) 2．熱量一定從內(nèi)能多的物體傳遞給內(nèi)能少的物體． () 3．做功和熱傳遞在改變物體內(nèi)能上是等效的． (√ ) [ 后思考 ] 給旱區(qū)送水的消防車停于水平地面． 在緩慢放水的過程中， 若車胎不漏氣且 胎內(nèi)氣體溫度不變， 不計分子間的勢能， 試分析氣體的吸、 放熱情況．

5、第 2 頁 圖 4-1-1 【提示】 由于車胎內(nèi)氣體溫度不變 ，故氣體分子的平均動能不變 ，內(nèi)能不 變．放水過程中氣體體積增大 ，對外做功 ，由熱力學第一定律可知 ，車胎內(nèi)氣體 吸熱． 1．改變內(nèi)能的兩種方式的比較 (1)等效的理解 等效是指做功和熱傳遞在改變物體內(nèi)能上可以取得相同的效果． 兩種方式均可以改變物體的內(nèi)能， 如果我們不知道系統(tǒng)所經(jīng)歷的具體過程時， 僅從內(nèi)能的改變上無法區(qū)分系統(tǒng)所采用的是做功， 還是熱傳遞方式使其內(nèi)能發(fā)生變化的． 所以做功和熱傳遞是等效的． (2)兩種方式的區(qū)別 比較項 做功

6、 熱傳遞 目 外界對物體做功，物體的 內(nèi)能變 內(nèi)能增加 物體吸收熱量，內(nèi)能增加 化 物體對外界做功，物體的 物體放出熱量，內(nèi)能減少 內(nèi)能減少 物理實 其他形式的能與內(nèi)能之間 不同物體間或同一物體不同 質(zhì) 的轉化 部分之間內(nèi)能的轉移 相互聯(lián) 做一定量的功或傳遞一定量的熱在改變內(nèi)能的效果上是 系 相同的 (3)內(nèi)能及內(nèi)能的變化 ①內(nèi)能是狀態(tài)量，物體的內(nèi)能對應物體所處的狀態(tài)． ②內(nèi)能的變化是過程量， 通過做功和熱傳遞可以改變物體的內(nèi)能， 即做功和 熱傳遞都是過程量． (4)內(nèi)能、熱量、功的區(qū)別

7、 ①就某一狀態(tài)而言， 只有“內(nèi)能”， 根本不存在什么“熱量”和“功”， 因 第 3 頁 此，不能說一個系統(tǒng)中含有“多少熱量”或“多少功”． ②一個物體內(nèi)能的多少是無法測量的，但物體內(nèi)能的變化是可以測量的． 2.對熱力學第一定律的理解 (1)熱力學第一定律不僅反映了做功和熱傳遞這兩種改變內(nèi)能過程是等效 的，而且給出了內(nèi)能的變化量和做功與熱傳遞之間的定量關系． 此定律應用時各 量的單位應統(tǒng)一． (2)對公式 U＝ Q＋ W 符號的規(guī)定 符號 W Q U ＋ 外界對物體做功 物體吸收熱量 內(nèi)能增加

8、 － 物體對外界做功 物體放出熱量 內(nèi)能減少 (3)判斷是否做功的方法 一般情況下外界對物體做功與否， 需看物體的體積是否變化． ①若物體體積增大，表明物體對外界做功， W＜0； ②若物體體積變小，表明外界對物體做功， W＞0. 3．熱力學第一定律的應用應注意的問題 (1)在應用過程中應特別分清 W、Q 的正負號，以便準確地判斷 U 的正、負． (2)幾種特殊情況： ①若過程是絕熱的，則 Q＝ 0，W＝ U，外界對物體做的功等于物體內(nèi)能的 增加． ②若過程中不做功，即 W＝ 0，則 Q＝ U，物體吸收的熱

9、量等于物體內(nèi)能的 增加． ③若過程的始末狀態(tài)物體的內(nèi)能不變， 即 U＝ 0，則 W＋Q＝ 0 或 W＝－ Q， 外界對物體做的功等于物體放出的熱量． 4．第一類永動機的特點 不消耗任何能量而能永遠對外做功的機器． 5．第一類永動機不可能制成 一切與熱現(xiàn)象有關的過程， 能量一定守恒． 第一類永動機本質(zhì)上都是認為能 第 4 頁 量能夠無中生有地創(chuàng)造出來， 這違背了熱力學第一定律， 因而是不可能實現(xiàn)的． 1．關于物體的內(nèi)能和熱量，下列說法中正確的有 ( ) A．質(zhì)量相等的熱水和冷水相比較， 熱水的內(nèi)能比冷水的

10、內(nèi)能多 B．溫度高的物體其熱量必定多，內(nèi)能必定大 C．在熱傳遞過程中，內(nèi)能大的物體其內(nèi)能將減小，內(nèi)能小的物體其內(nèi)能將 增大，直到兩物體的內(nèi)能相等 D．在熱傳遞過程中，熱量從高溫物體傳遞到低溫物體，直到兩物體的溫度 相同為止 E．熱量是熱傳遞過程中內(nèi)能轉移的量度 【解析】 物體的內(nèi)能由溫度 、體積及物體的質(zhì)量決定 ，不是只由溫度決定 ， 故 A 對、B 錯；在熱傳遞過程中 ，熱量由高溫物體傳給低溫物體 ，而與物體的內(nèi)能大小無關 ，所以完全有可能是內(nèi)能大的物體內(nèi)能繼續(xù)增大 ，內(nèi)能小的物體內(nèi) 能繼續(xù)減小 ，故 C 項錯、D 項對；關于

11、熱量的論述 ，E 項是正確的 ． 【答案】 ADE 2．下列過程，可能發(fā)生的是 ( ) 【導學號： 35500040】 A．物體吸收熱量，對外做功，同時內(nèi)能增加 B．物體吸收熱量，對外做功，同時內(nèi)能減少 C．外界對物體做功，同時物體吸熱，內(nèi)能減少 D．外界對物體做功，同時物體放熱，內(nèi)能增加 E．物體對外界做功，同時物體放熱，內(nèi)能增加 【解析】 根據(jù)熱力學第一定律 U＝W＋ Q，做功和熱傳遞都可以改變物 體的內(nèi)能 ，故由此可確定 A 、B、D 正確， C、E 錯誤 ． 【答案】 ABD 3．一定質(zhì)量

12、的氣體從外界吸收了 4.2105 J 的熱量，同時氣體對外做了 6105 J 的功，問： (1)物體的內(nèi)能是增加還是減少？變化量是多少？ 第 5 頁 (2)分子勢能是增加還是減少？ (3)分子的平均動能是增加還是減少？ 【解析】 (1)氣體從外界吸收的熱量為 Q＝4.2105 J 氣體對外做功 W＝－ 6 105 J 由熱力學第一定律 U＝W＋Q＝ (－6105 J)＋ (4.2105 J) ＝－ 1.8105 J U 為負，說明氣體的內(nèi)能減少了所以，氣體內(nèi)能減少

13、了 1.8105 J. (2)因為氣體對外做功 ，所以氣體的體積膨脹 ，分子間的距離增大了 ，分子 力做負功 ，氣體分子勢能增加了 ． (3)因為氣體內(nèi)能減少 ，同時氣體分子勢能增加 ，所以氣體分子的平均動能 一定減少了 ． 【答案】 (1)減少 1.8105 J (2)增加 (3)減少 氣體狀態(tài)變化與物理量對應方法 (1)絕熱過程：氣體與外界沒有熱傳遞 ． (2)導熱良好：氣體與外界有熱交換 ，且與外界溫度保持相同 ． (3)體積減小 ，外界對氣體做功；體積增大 (不是對真空膨脹 )，氣體

14、對外界做 功． (4)溫度升高 ，理想氣體的內(nèi)能增加；溫度降低 ，理想氣體的內(nèi)能減少 ． 能量守恒定律 第 6 頁 [ 先填空 ] 1．漫長的發(fā)現(xiàn)之路 (1)1800 年，意大利科學家伏打發(fā)明“伏打電堆”，實現(xiàn)了化學運動與電運 動之間的轉化． (2)1820 年，丹麥物理學家奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應，揭示了電與磁之間 的聯(lián)系． (3)1821 年，法拉第制成了“電磁旋轉器”，實現(xiàn)了電運動和機械運動之間 的轉化． (4)邁爾觀點：體力和體熱必定來源于食物中的化學能

15、，內(nèi)能、化學能、機 械能都是等價的，是可以相互轉化的，如果動物體的能量輸入與支出是平衡的， 那么，所有這些形式的能在量上必定是守恒的． (5)焦耳的研究 ①確定了電能向內(nèi)能轉化的定量關系． ②用了近 40 年的時間，不懈地鉆研熱功轉換問題，為能量守恒定律提供了 無可置疑的證據(jù)． (6)亥姆霍茲的貢獻 從理論上把力學中的能量守恒原理推廣到熱、 光、電、磁、化學反應等過程， 揭示了它們之間的統(tǒng)一性． 2．能量守恒定律及其應用 (1)內(nèi)容 能量既不能憑空產(chǎn)生， 也不能憑空消失， 它只能從一種形式轉化為另一種形式，或者從一個系統(tǒng)

16、(物體 )轉移到另一個系統(tǒng) (物體 )，在轉化和轉移的過程中其總量不變． (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)在統(tǒng)一性的第一個有 力證據(jù)． (3)應用 ①各種形式的能可以相互轉化． 但能量轉化過程中總伴有內(nèi)能的損失． ②各種互不相關的物理現(xiàn)象， 可以用能量守恒定律聯(lián)系在一起． [ 再判斷 ] 第 7 頁 自由擺動的秋千擺動幅度越來越小， 減少的機械能轉化為內(nèi)能， 但總能量守 恒． (√ ) [ 后思考 ] 有一種所謂“全自動”機械手表， 既不需要上發(fā)條， 也不用任何電源， 卻能

17、不停地走下去． 這是不是一種永動機？如果不是， 維持表針走動的能量是從哪兒來的？ 圖 4-1-2 【提示】 這不是永動機 ．手表戴在手腕上 ，通過手臂的運動 ，機械手表獲 得能量，供手表指針走動 ．若將此手表長時間放置不動 ，它就會停下來 ． 1．自然界中能量的存在形式 物體運動具有機械能、 分子熱運動具有內(nèi)能、 電荷具有電能、 原子核內(nèi)部的運動具有原子能等，可見，在自然界中不同的能量形式與不同的運動形式相對應． 2．不同形式能量之間的轉化 “摩擦生熱”是通過克服摩擦做功將機械能轉化為內(nèi)能； 水壺中的水沸騰時水蒸汽對壺蓋做功將壺蓋頂起，

18、 表明內(nèi)能轉化為機械能； 電流通過電熱絲做功可將電能轉化為內(nèi)能， 汽缸內(nèi)燃油燃燒釋放的內(nèi)能通過燃氣推動活塞做功而轉化為機械能等．這些實例說明了不同形式的能量之間可以相互轉化， 且這一轉化過程是通過做功來完成的． 3．太陽能的轉化 【說明】 自然界中各種形式的能量可以相互轉化 ，說明不同的運動形式也 可以相互轉化 ． 4．對能量守恒定律的理解 (1)某種形式的能減少，一定有其他形式的能增加，且減少量和增加量一定 相等． (2)某個物體的能量減少，一定存在其他物體的能量增加，且減少量和增加 量一定相等． (3)各種形式的能在轉化

19、和轉移過程中總量守恒無需任何條件，而某種或幾 種形式的能的守恒是有條件的． 例如，物體的機械能守恒，必須是只有重力做功． 第 8 頁 (4)意義：能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)，使人們進一步認識到，任何一部機器，只 要對外做功， 都要消耗能量， 都只能使能量從一種形式轉化為其他形式， 或者從 一個物體轉移到其他物體， 而不能無中生有地創(chuàng)造能量． 不消耗能量， 卻可以源 源不斷地對外做功的機器 (第一類永動機 )是不可能制成的． 4．下列對能量的轉化和守恒定律的認識正確的是 ( ) A．某種形式的能量減少，一定存在其他形式能量的增加

20、 B．某個物體的能量減少，必然有其他物體的能量增加 C．不需要任何外界的動力而持續(xù)對外做功的機器 —— 第一類永動機是不可 能制成的 D．石子從空中落下，最后停止在地面上，說明機械能消失了 E．汽車剎車而停止，汽車的動能消失了 【解析】 A 選項是指不同形式的能量間的轉化 ，轉化過程中能量是守恒的 ， B 選項是指能量在不同的物體間發(fā)生轉移 ，轉移過程中能量是守恒的 ．這正好是 能量守恒定律的兩個方面 —— 轉化與轉移 ．第一類永動機是不可能制成的 ，因為 它違背了能量守恒定律 ，所以 A 、B、C 正確； D 選項中石

21、子的機械能在變化 ， 比如受空氣阻力作用 ，機械能可能減少 ，但機械能并沒有消失 ，能量守恒定律表 明能量既不會創(chuàng)生 ，也不會消失 ，故 D、E 是錯誤的 ． 【答案】 ABC 5．說出下列過程中是什么能量轉化為內(nèi)能． (1)物體沿粗糙斜面下滑 ； (2)變壓器發(fā)熱 ； (3)汽油機內(nèi)氣體燃燒后變成高溫氣體 ； (4)車刀切下熾熱鐵屑 ． 【解析】 物體沿斜面下滑 ，克服摩擦力做功 ，機械能轉化為內(nèi)能；電流通 過變壓器線圈發(fā)熱 ，電能轉化為內(nèi)能；氣體 (燃料 )燃燒后變成高溫氣體 ，化學能 轉化

22、為內(nèi)能；車刀切下熾熱的鐵屑 ，克服摩擦力做功 ，機械能轉化為內(nèi)能 ． 第 9 頁 【答案】 (1)機械能 —— 內(nèi)能 (2)電能 —— 內(nèi)能 (3)化學能 —— 內(nèi)能 (4)機械能 —— 內(nèi)能 應用能量守恒定律的思路方法 (1)能量守恒的核心是總能量不變 ，因此在應用能量守恒定律時應首先分清 系統(tǒng)中哪些能量在相互轉化 ，是通過哪些力做功實現(xiàn)的 ，這些能量分別屬于哪些 物體，然后再尋找合適的守恒方程式 ． (2)在應用能量守恒定律分析問題時 ，應明確兩點： ①哪種形式的能量減少 ，哪種形式的能量增加 ． 第 10 頁