1能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)2熱力學(xué)第一定律第四章能量守恒與熱力學(xué)定律學(xué)習(xí)目標1.理解能量守恒定律，知道能量守恒是自然界普遍遵循的基本規(guī)律.2.知道第一類永動機是不可能實現(xiàn)的.3.知道做功和熱傳遞是改變內(nèi)能的兩種方式，理解這兩種方式對改變系統(tǒng)內(nèi)能是等效的.4.理解熱力學(xué)第一定律，能運用它解釋自然界的能量轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)移問題.內(nèi)容索引重點探究啟迪思維 探究重點達標檢測檢測評價 達標過關(guān)自主預(yù)習(xí)預(yù)習(xí)新知 夯實基礎(chǔ)自主預(yù)習(xí)自主預(yù)習(xí)一、能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)一、能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)1.常見的能量形式自然界中能量形式很多，常見的能量形式有：機械能、 、核能及太陽能等.各種形式的能在一定條件下，可以相互 ，且轉(zhuǎn)化過程中遵循一定規(guī)律.2.能量守恒定律的內(nèi)容能量既不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失，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，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中其 不變.內(nèi)能轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)移總量3.第一類永動機(1)定義：不需要任何動力和 ，卻能不斷地對外 的機器.(2)不可能制成的原因：違背了 .燃料做功能量守恒定律1.改變物體內(nèi)能的兩種方式： 和 .2.做功其他形式的能與 之間的 .外界對物體做功，物體的內(nèi)能 .物體對外界做功，物體的內(nèi)能 .3.熱傳遞不同物體之間或同一物體不同部分之間 的 .物體吸收熱量，內(nèi)能 .物體放出熱量，內(nèi)能 .4.做功和熱傳遞對物體內(nèi)能的改變是 的，但本質(zhì)不同.二、改變物體內(nèi)能的兩種方式二、改變物體內(nèi)能的兩種方式做功熱傳遞內(nèi)能轉(zhuǎn)化增加減少內(nèi)能轉(zhuǎn)移增加減少等效三、熱力學(xué)第一定律三、熱力學(xué)第一定律1.熱力學(xué)第一定律：功、熱量跟 改變之間的定量關(guān)系.2.熱力學(xué)第一定律的表達式：U .內(nèi)能QW1.判斷下列說法的正誤.(1)石子從空中落下，最后停止在地面上，說明機械能消失了.( )(2)能量既可以轉(zhuǎn)移又可以轉(zhuǎn)化，故能的總量是可以變化的.( )(3)熱量一定從內(nèi)能多的物體傳遞給內(nèi)能少的物體.( )(4)做功和熱傳遞都可改變物體的內(nèi)能，從效果上是等效的.( )(5)系統(tǒng)從外界吸收熱量5 J，內(nèi)能可能增加5 J.( )(6)系統(tǒng)內(nèi)能減少，一定是系統(tǒng)對外界做了功.( )即學(xué)即用即學(xué)即用答案2.各種方法使物體的內(nèi)能發(fā)生改變：a.電爐通電后發(fā)熱；b.一杯開水放在桌面上冷卻；c.陽光照射下冰塊融化；d.鋸木頭時，鋸片發(fā)燙；e.人坐在火爐旁取暖；f.用打氣筒給自行車打氣后，打氣筒變熱.其中屬于做功使物體內(nèi)能改變的是_；屬于熱傳遞使物體內(nèi)能改變的是_.答案adfbce重點探究重點探究1.圖1為有一種所謂“全自動”的機械手表，既不需要上發(fā)條，也不用任何電源，卻能不停地走下去.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？一、能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)導(dǎo)學(xué)探究導(dǎo)學(xué)探究答案答案這不是永動機.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.圖1答案2.觀察課本中的“幾種重要的能量形式及相互之間的轉(zhuǎn)化”圖，試著說明汽車把汽油的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機械能的過程.在這些能量轉(zhuǎn)化過程中，遵守的規(guī)律是什么？答案答案汽車通過燃燒汽油，把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，再通過發(fā)動機做功把內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能.能量守恒定律.答案知識深化知識深化1.能量的存在形式及相互轉(zhuǎn)化能量的存在形式及相互轉(zhuǎn)化(1)各種運動形式都有對應(yīng)的能：機械運動有機械能，分子的熱運動有內(nèi)能，還有諸如電磁輻射能、化學(xué)能、核能等.(2)各種形式的能可以相互轉(zhuǎn)化機械能中的動能和勢能可以相互轉(zhuǎn)化(如：自由落體運動).機械能可以與內(nèi)能相互轉(zhuǎn)化(如：摩擦生熱，消耗了機械能，通過做功的形式轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；熱機中的氣體推動活塞做功，把氣體內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能).其他形式的能也可以轉(zhuǎn)化為內(nèi)能(如：電流通過導(dǎo)體時，把電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；熾熱的燈絲發(fā)光，又把內(nèi)能轉(zhuǎn)化為光能；燃料燃燒時，把化學(xué)能轉(zhuǎn)化成內(nèi)能).2.對能量守恒定律的理解對能量守恒定律的理解(1)某種形式的能量減少，一定有其他形式的能量增加，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.能量守恒定律的意義：能量守恒定律的意義：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(zhuǎn)化為其他形式，或者從一個物體轉(zhuǎn)移到其他物體，而不能無中生有地創(chuàng)造能量.4.第一類永動機不可能制成：第一類永動機不可能制成：任何機器運轉(zhuǎn)時不可能無中生有地創(chuàng)造能量，即第一類永動機是不可能制造出來的.例例1(多選)一物體獲得一定初速度后，沿著一粗糙斜面上滑，在上滑過程中，物體和斜面組成的系統(tǒng) A.機械能守恒B.總能量守恒C.機械能和內(nèi)能增加D.機械能減少，內(nèi)能增加答案解析解析解析物體沿斜面上滑過程中，有摩擦力對物體做負功，所以物體的機械能減少.由能量守恒定律知，內(nèi)能應(yīng)增加，能量總量不變.利用能量守恒定律解決問題時，首先應(yīng)明確題目中涉及哪幾種形式的能量，其次分析哪種能量增加了，哪種能量減少了，確定研究的系統(tǒng)后，用能量守恒觀點求解.總結(jié)提升總結(jié)提升二、改變物體內(nèi)能的兩種方式答案1.(1)如圖2，小孩沿滑梯下滑時屁股通常會感到發(fā)熱，這是為什么？導(dǎo)學(xué)探究導(dǎo)學(xué)探究答案答案小孩沿滑梯下滑時克服摩擦力做功，內(nèi)能增加.(2)用鐵錘反復(fù)敲擊鐵棒，鐵棒的溫度會升高，把鐵棒放在碳火上燒，鐵棒的溫度也會升高，這說明了什么問題？答案答案說明做功和熱傳遞都能改變物體的內(nèi)能.圖22.在焦耳的許多實驗中，有兩個最具有代表性：一個實驗是讓重物下落帶動葉片攪拌容器中的水，引起水溫上升；另一個實驗是通過電流的熱效應(yīng)給水加熱.焦耳的這兩個實驗說明了什么問題？答案答案做功和熱傳遞對改變物體的內(nèi)能是等效的.答案知識深化知識深化1.功和內(nèi)能功和內(nèi)能(1)做功與內(nèi)能變化的關(guān)系做功改變物體內(nèi)能的過程是其他形式的能(如機械能)與內(nèi)能相互轉(zhuǎn)化的過程.在絕熱過程中，外界對物體做多少功，就有多少其他形式的能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，物體的內(nèi)能就增加多少.(2)功與內(nèi)能的區(qū)別功是過程量，內(nèi)能是狀態(tài)量.在絕熱過程中，做功一定能引起內(nèi)能的變化.物體的內(nèi)能大，并不意味著做功多.在絕熱過程中，只有內(nèi)能變化越大時，相應(yīng)地做功才越多.2.熱和內(nèi)能熱和內(nèi)能(1)在單純傳熱中，系統(tǒng)從外界吸收多少熱量，系統(tǒng)的內(nèi)能就增加多少；系統(tǒng)向外界放出多少熱量，系統(tǒng)的內(nèi)能就減少多少.即UU2U1Q.(2)傳熱改變物體內(nèi)能的過程是不同物體之間(或同一物體不同部分之間)內(nèi)能轉(zhuǎn)移的過程.3.熱量、功是過程量，內(nèi)能是狀態(tài)量熱量、功是過程量，內(nèi)能是狀態(tài)量內(nèi)能是由系統(tǒng)的狀態(tài)決定的，狀態(tài)確定，系統(tǒng)的內(nèi)能也隨之確定.要使系統(tǒng)的內(nèi)能發(fā)生變化，可以通過熱傳遞或做功兩種方式來完成.熱量是熱傳遞過程中的特征物理量，和功一樣，熱量只是反映物體在狀態(tài)變化過程中所遷移的能量，是用來衡量物體內(nèi)能變化的.有過程，才有變化，離開過程則毫無意義.就某一狀態(tài)而言，只有“內(nèi)能”，不能談到“熱量”或“功”.例例2(多選)關(guān)于物體內(nèi)能的變化情況，下列說法中正確的是 A.吸熱的物體，其內(nèi)能一定增加B.體積膨脹的物體，其內(nèi)能一定減少C.放熱的物體，其內(nèi)能也可能增加D.絕熱壓縮的氣體，其內(nèi)能一定增加答案解析解析解析做功和熱傳遞都能改變物體的內(nèi)能，不能依據(jù)一種方式的變化就判斷內(nèi)能的變化.例例3關(guān)于溫度、熱量、功和內(nèi)能，以下說法正確的是 A.同一物體溫度高時，含有的熱量多B.物體的內(nèi)能越大，含有的熱量就越多，溫度也越高C.外界對系統(tǒng)做功W，內(nèi)能必定增加D.發(fā)生熱傳遞的條件是兩物體之間存在溫度差解析解析熱量是物體間進行熱傳遞時內(nèi)能的轉(zhuǎn)移，不能說物體含有多少熱量，故A、B錯；由于做功和熱傳遞都可引起物體內(nèi)能的變化，只根據(jù)做功無法準確判斷物體內(nèi)能的變化，故C錯；物體間發(fā)生熱傳遞的條件是存在溫度差，故D對.答案解析溫度、內(nèi)能和熱量的區(qū)別與聯(lián)系溫度、內(nèi)能和熱量的區(qū)別與聯(lián)系1.內(nèi)能與熱量內(nèi)能是狀態(tài)量，可以說系統(tǒng)具有多少內(nèi)能而不能說傳遞多少內(nèi)能；熱量是過程量，不能說系統(tǒng)具有多少熱量，只能說傳遞了多少熱量.2.熱量與溫度熱量是系統(tǒng)的內(nèi)能變化的量度，而溫度是系統(tǒng)內(nèi)部大量分子做無規(guī)則運動的激烈程度的標志.雖然熱傳遞的前提是兩個系統(tǒng)之間要有溫度差，但是傳遞的是熱量，不是溫度.總結(jié)提升總結(jié)提升3.熱量與功熱量和功，都是系統(tǒng)內(nèi)能變化的量度，都是過程量，一定量的熱量與一定量的功相當，功是能量變化的量度，但它們之間有著本質(zhì)的區(qū)別.三、熱力學(xué)第一定律(1)如圖3所示，快速推動活塞對汽缸內(nèi)氣體做功10 J，氣體內(nèi)能改變了多少？若保持氣體體積不變，外界對汽缸傳遞10 J的熱量，氣體內(nèi)能改變了多少？導(dǎo)學(xué)探究導(dǎo)學(xué)探究答案答案都增加了10 J.答案圖3答案答案系統(tǒng)內(nèi)能的增量UQW.答案(2)一根金屬絲經(jīng)過某一物理過程，溫度升高了，除非事先知道，否則根本無法判定是通過做功的方法，還是使用了傳熱的方法使它的內(nèi)能增加.因為單純地對系統(tǒng)做功和單純地對系統(tǒng)傳熱都能改變系統(tǒng)的內(nèi)能.既然它們在改變系統(tǒng)內(nèi)能方面是等價的，那么當外界對系統(tǒng)做功為W，又對系統(tǒng)傳熱為Q時，系統(tǒng)內(nèi)能的增量U應(yīng)該是多少？知識深化知識深化1.對公式對公式UQW符號的規(guī)定符號的規(guī)定符號WQU體積減小，外界對熱力學(xué)系統(tǒng)做功熱力學(xué)系統(tǒng)吸收熱量內(nèi)能增加體積增大，熱力學(xué)系統(tǒng)對外界做功熱力學(xué)系統(tǒng)放出熱量內(nèi)能減少2.幾種特殊情況幾種特殊情況(1)絕熱過程：Q0，則UW，物體內(nèi)能的增加量等于外界對物體做的功.(2)等容過程：過程中不做功，即W0，則UQ，物體內(nèi)能的增加量等于物體從外界吸收的熱量.(3)等溫過程：過程的始末狀態(tài)物體的內(nèi)能不變，即U0，則WQ(或QW)，外界對物體做的功等于物體放出的熱量(或物體吸收的熱量等于物體對外界做的功).3.判斷是否做功的方法判斷是否做功的方法一般情況下看物體的體積是否變化.若物體體積增大，表明物體對外界做功，W0.特別提醒特別提醒熱力學(xué)第一定律是將單純的絕熱過程和單純的傳熱過程中內(nèi)能改變的定量表達推廣到一般情況，既有做功又有傳熱的過程，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.例例4一定量的氣體在某一過程中，外界對氣體做了8104 J的功，氣體的內(nèi)能減少了1.2105 J，則下列各式中正確的是 A.W8104 J，U1.2105 J，Q4104 JB.W8104 J，U1.2105 J，Q2105 JC.W8104 J，U1.2105 J，Q2104 JD.W8104 J，U1.2105 J，Q4104 J答案解析解析解析因為外界對氣體做功，W取正值，即W8104 J；內(nèi)能減少，U取負值，即U1.2105 J；根據(jù)熱力學(xué)第一定律UWQ，可知QUW1.2105 J8104 J2105 J，B選項正確.應(yīng)用熱力學(xué)第一定律解題的一般步驟應(yīng)用熱力學(xué)第一定律解題的一般步驟1.根據(jù)符號法則寫出各已知量(W、Q、U)的正負；2.根據(jù)方程UWQ求出未知量；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.總結(jié)提升總結(jié)提升針對訓(xùn)練針對訓(xùn)練空氣壓縮機在一次壓縮中，活塞對空氣做了2105 J的功，同時空氣的內(nèi)能增加了1.5105 J，這一過程中空氣向外界傳遞的熱量是多少？答案解析解析解析選擇被壓縮的空氣為研究對象，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.負號表示空氣向外釋放熱量，即空氣向外界傳遞的熱量為5104 J.答案答案5104 J四、氣體實驗定律和熱力學(xué)第一定律的綜合應(yīng)用如圖4所示，一定質(zhì)量的理想氣體由a狀態(tài)變化到b狀態(tài)，請在圖像基礎(chǔ)上思考以下問題：(1)在變化過程中是氣體對外做功，還是外界對氣體做功？導(dǎo)學(xué)探究導(dǎo)學(xué)探究答案答案由a狀態(tài)變化到b狀態(tài)，氣體體積變大，因此氣體對外界做功，即W0.由UWQ得Q0，即氣體吸熱，內(nèi)能增加.知識深化知識深化對于理想氣體，常把熱力學(xué)第一定律與氣體實驗定律結(jié)合起來分析其狀態(tài)變化規(guī)律，常見的分析思路如下：(1)利用體積的變化分析做功問題.氣體體積增大，氣體對外做功；氣體體積減小，外界對氣體做功.(2)利用溫度的變化分析理想氣體內(nèi)能的變化.一定質(zhì)量的理想氣體的內(nèi)能僅與溫度有關(guān)，溫度升高，內(nèi)能增加；溫度降低，內(nèi)能減小.(3)利用熱力學(xué)第一定律判斷是吸熱還是放熱.由熱力學(xué)第一定律UWQ，則QUW，若已知氣體的做功情況和內(nèi)能的變化情況，即可判斷氣體狀態(tài)變化是吸熱過程還是放熱過程.例例5(多選)如圖5所示，一定質(zhì)量的理想氣體從狀態(tài)a經(jīng)過等容過程ab到達狀態(tài)b，再經(jīng)過等溫過程bc到達狀態(tài)c，最后經(jīng)等壓過程ca回到初態(tài)a.下列說法正確的是 A.在過程ab中氣體的內(nèi)能增加B.在過程ca中外界對氣體做功C.在過程ab中氣體對外界做功D.在過程bc中氣體從外界吸收熱量E.在過程ca中氣體從外界吸收熱量答案解析圖5解析解析在過程ab中，體積不變，氣體對外界不做功，壓強增大，溫度升高，內(nèi)能增加，故選項A正確，C錯誤；在過程ca中，氣體的體積縮小，外界對氣體做功，壓強不變，溫度降低，內(nèi)能變小，氣體向外界放出熱量，故選項B正確，E錯誤；在過程bc中，溫度不變，內(nèi)能不變，體積增大，氣體對外界做功，由熱力學(xué)第一定律可知，氣體要從外界吸收熱量，故選項D正確.達標檢測達標檢測1.(能量守恒定律的理解和應(yīng)用能量守恒定律的理解和應(yīng)用)(多選)細繩一端固定在天花板上，另一端拴一質(zhì)量為m的小球，如圖6所示.使小球在豎直平面內(nèi)擺動，經(jīng)過一段時間后，小球停止擺動.下列說法中正確的是 A.小球機械能不守恒B.小球能量正在消失C.小球擺動過程中，只有動能和重力勢能在相互轉(zhuǎn)化D.總能量守恒，但小球的機械能減少答案1234解析圖6解析解析小球在豎直平面內(nèi)擺動，經(jīng)過一段時間后，小球停止擺動，說明機械能通過克服阻力做功不斷地轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，即機械能不守恒，故A正確；小球的機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，能量的種類變了，但能量不會消失，故B錯誤；小球長時間擺動過程中，重力勢能和動能相互轉(zhuǎn)化的同時，機械能不斷地轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，故擺動的幅度越來越小，但總能量守恒，故C錯誤，D正確.12342.(改變物體內(nèi)能的兩種方式改變物體內(nèi)能的兩種方式)關(guān)于溫度、內(nèi)能和熱量，下列說法中正確的是 A.物體的溫度升高時，一定吸收熱量B.物體沿斜面下滑時，內(nèi)能將增大C.物體沿斜面勻速下滑時，內(nèi)能可能增大D.內(nèi)能總是從高溫物體傳遞給低溫物體，當內(nèi)能相等時熱傳遞停止答案1234解析解析解析改變物體內(nèi)能的兩種方法：做功和熱傳遞.溫度升高，內(nèi)能增加，但不一定是吸收熱量，A錯誤；物體沿斜面下滑時，可能不受摩擦力，內(nèi)能可能不變，B錯誤；物體沿斜面勻速下滑時，物體克服摩擦力做功，摩擦生熱，內(nèi)能可能增大，C正確；熱傳遞的條件是物體間存在溫度差，熱量從溫度高的物體傳遞給溫度低的物體，溫度相同后熱傳遞停止，D錯誤.12343.(熱力學(xué)第一定律的理解和應(yīng)用熱力學(xué)第一定律的理解和應(yīng)用)一定質(zhì)量的理想氣體在某一過程中，從外界吸收熱量2.5104 J，氣體對外界做功1.0104 J，則該理想氣體的 A.溫度降低，密度增大B.溫度降低，密度減小C.溫度升高，密度增大D.溫度升高，密度減小答案1234解析解析解析由熱力學(xué)第一定律UWQ得：U1.0104 J2.5104 J1.5104 J，因此氣體的內(nèi)能增大，故溫度升高，又因氣體對外做功，體積增大，故密度減小.4.(氣體實驗定律和熱力學(xué)第一定律的綜合應(yīng)用氣體實驗定律和熱力學(xué)第一定律的綜合應(yīng)用)(多選)一定質(zhì)量的理想氣體從狀態(tài)A經(jīng)過狀態(tài)B變化到狀態(tài)C，其VT圖像如圖7所示.下列說法正確的有 A.AB的過程中，氣體對外界做功B.AB的過程中，氣體放出熱量C.BC的過程中，氣體壓強不變D.ABC的過程中，氣體內(nèi)能增加答案解析1234圖71234解析解析由VT圖像知，從A到B的過程中，氣體被等溫壓縮，外界對氣體做正功，氣體的內(nèi)能不變.由熱力學(xué)第一定律知，氣體放出熱量，A項錯誤，B項正確；從B到C的過程中氣體做等壓變化，溫度降低，氣體內(nèi)能減少，故C正確，D錯誤.