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第3講 熱力學第一定律 能量守恒定律,目標定位 1.理解熱力學第一定律，并掌握其表達式. 2.能運用熱力學第一定律解釋自然界能量的轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)移問題. 3.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. 4.知道第一類永動機是不可能制成的.,預習導學 梳理·識記·點撥,1.內(nèi)容：一個熱力學系統(tǒng)的內(nèi)能增量等于外界向它傳遞的 與外界對它所做的 的和. 2.數(shù)學表達式：ΔU＝ .,一、熱力學第一定律,熱量,功,Q＋W,二、能量守恒定律,1.大量事實表明，各種形式的能量可以相互轉(zhuǎn)化，并且在轉(zhuǎn)化過程中總量保持 . 2.能量既不能憑空 ，也不能憑空 ，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或者從一個物體轉(zhuǎn)移到別的物體，在轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的過程中，能量的總量 . 3.能量守恒定律是自然界中最普遍、最重要的規(guī)律之一.,不變,產(chǎn)生,消失,保持不變,三、永動機不可能制成,1.第一類永動機：人們把設(shè)想的不消耗 的機器稱為第一類永動機. 2.第一類永動機由于違背了 ，所以不可能制成.,能量,能量守恒定律,課堂講義 理解·深化·探究,一、熱力學第一定律,,1.對熱力學第一定律的理解 (1)對ΔU＝W＋Q的理解：做功和熱傳遞都可以改變內(nèi)能，如果系統(tǒng)跟外界同時發(fā)生做功和熱傳遞的過程，那么外界對系統(tǒng)所做的功W加上物體從外界吸收的熱量Q等于系統(tǒng)內(nèi)能的增加ΔU，即ΔU＝Q＋W.,(2)對ΔU、Q、W符號的規(guī)定 ①功W：外界對系統(tǒng)做功，W0，即W為正值； 系統(tǒng)對外界做功，W0； 系統(tǒng)放熱為負，Q0，即ΔU為正值； 系統(tǒng)內(nèi)能減少，ΔU0，即ΔU為負值.,2.判斷是否做功的方法 一般情況下外界對系統(tǒng)做功與否，需看系統(tǒng)的體積是否變化. (1)若系統(tǒng)體積增大，表明系統(tǒng)對外界做功，W0.,例1 空氣壓縮機在一次壓縮中，活塞對空氣做了2×105 J的功，同時空氣的內(nèi)能增加了1.5×105 J，這一過程中空氣向外界傳遞的熱量是多少？,解析 選擇被壓縮的空氣為研究對象，根據(jù)熱力學第一定律有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.,負號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.,答案 5×104 J,借題發(fā)揮 應用熱力學第一定律解題的一般步驟 (1)明確研究對象是哪個物體或者是哪個熱力學系統(tǒng). (2)分別列出物體或系統(tǒng)吸收或放出的熱量；外界對物體或系統(tǒng)所做的功或物體或系統(tǒng)對外所做的功. (3)根據(jù)熱力學第一定律ΔU＝Q＋W列出方程進行求解. (4)特別注意的是物理量的正負號及其物理意義.,針對訓練 一定量的氣體在某一過程中，外界對氣體做了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,解析 因為外界對氣體做功，W取正值，即W＝8×104 J；內(nèi)能減少，ΔU取負值，即ΔU＝－1.2×105 J；根據(jù)熱力學第一定律ΔU＝W＋Q，可知Q＝ΔU－W＝－1.2×105 J－8×104 J＝－2×105 J，B選項正確. 答案 B,二、能量守恒定律,1.不同形式的能量之間可以相互轉(zhuǎn)化 (1)各種運動形式都有對應的能，如機械運動對應機械能，分子熱運動對應內(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)化或轉(zhuǎn)移時能量的總量保持不變. 意義：一切物理過程都適用，比機械能守恒定律更普遍，是19世紀自然科學的三大發(fā)現(xiàn)之一.,3.第一類永動機是不可能制成的 (1)不消耗能量而能源源不斷地對外做功的機器，叫第一類永動機.因為第一類永動機違背了能量守恒定律，所以無一例外地歸于失敗. (2)永動機給我們的啟示 人類利用和改造自然時，必須遵循自然規(guī)律.,例2 如圖1所示，直立容器內(nèi)部被隔板隔開的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.無法比較,圖1,解析 因A部分氣體密度小，B部分氣體密度大，以整體為研究對象，開始時，氣體的重心在中線以下，混合均勻后，氣體的重心應在中線上，所以有重力做負功，使氣體的重力勢能增大，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能，另一部分增加內(nèi)能.故正確答案為B. 答案 B,三、氣體實驗定律和熱力學第一定律的綜合應用,氣體實驗定律和熱力學第一定律的結(jié)合點是溫度和體積.注意三種特殊過程的特點： 1.等溫過程：內(nèi)能不變，ΔU＝0 2.等容過程：體積不變，W＝0 3.絕熱過程：Q＝0,例3 如圖2所示，倒懸的導熱汽缸中封閉著一定質(zhì) 量的理想氣體，輕質(zhì)活塞可無摩擦地上下移動，活 塞的橫截面積為S，活塞的下面吊著一個重為G的物 體，大氣壓強恒為p0，起初環(huán)境的熱力學溫度為T0 時，活塞到汽缸底面的距離為L.當環(huán)境溫度逐漸升高，導致活塞緩慢下降，該過程中活塞下降了0.1L，汽缸中的氣體吸收的熱量為Q.求：,圖2,(1)汽缸內(nèi)部氣體內(nèi)能的增量ΔU；,密封氣體對外做功W＝pS×0.1L 由熱力學第一定律ΔU＝Q－W 得ΔU＝Q－0.1p0SL＋0.1LG,答案 Q－0.1p0SL＋0.1LG,(2)最終的環(huán)境溫度T.,解析 該過程是等壓變化，由蓋—呂薩克定律有,解得T＝1.1T0,答案 1.1T0,對點練習 鞏固·應用·反饋,熱力學第一定律的理解和應用,,,1.一定量的氣體從外界吸收了2.6×105 J的熱量，內(nèi)能增加了4.2×105 J. (1)是氣體對外界做了功，還是外界對氣體做了功？做了多少焦耳的功？,1,2,3,4,解析 根據(jù)ΔU＝W＋Q得W＝ΔU－Q，將Q＝2.6×105 J，ΔU＝4.2×105 J代入式中得：W＝1.6×105 J0，說明外界對氣體做了1.6×105 J的功.,答案 見解析,(2)如果氣體吸收的熱量仍為2.6×105 J不變，但是內(nèi)能增加了1.6×105 J，計算結(jié)果W＝－1.0×105 J，是負值，怎樣解釋這個結(jié)果？,1,2,3,4,解析 如果吸收的熱量Q＝2.6×105 J，內(nèi)能增加了1.6×105 J，即ΔU＝1.6×105 J，則W＝－1.0×105 J，說明氣體對外界做功.,答案 見解析,(3)在熱力學第一定律ΔU＝W＋Q中，W、Q和ΔU為正值、負值各代表什么物理意義？,1,2,3,4,解析 在公式ΔU＝W＋Q中，ΔU0，物體內(nèi)能增加；ΔU0，物體吸熱；Q0，外界對物體做功；W0，物體對外界做功.,答案 見解析,2.關(guān)于內(nèi)能的變化，以下說法正確的是( ) A.物體吸收熱量，內(nèi)能一定增大 B.物體對外做功，內(nèi)能一定減少 C.物體吸收熱量，同時對外做功，內(nèi)能可能不變 D.物體放出熱量，同時對外做功，內(nèi)能可能不變,1,2,3,4,解析 根據(jù)熱力學第一定律ΔU＝W＋Q，物體內(nèi)能的變化與做功及熱傳遞兩個因素均有關(guān)，物體吸收熱量，內(nèi)能不一定增大，因為物體可能同時對外做功，故內(nèi)能有可能不變或減少，A錯； 物體對外做功，還有可能吸收熱量，內(nèi)能可能不變或增大，B錯，C正確； 放出熱量，同時對外做功，內(nèi)能一定減少，D錯誤. 答案 C,1,2,3,4,能量守恒定律的理解和應用,3.自由擺動的秋千擺動幅度越來越小，下列說法正確的是( ) A.機械能守恒 B.能量正在消失 C.只有動能和重力勢能的相互轉(zhuǎn)化 D.減少的機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，但總能量守恒,1,2,3,4,解析 自由擺動的秋千擺動幅度減小，說明機械能在減少，減少的機械能等于克服阻力做的功，增加了內(nèi)能.,1,2,3,4,答案 D,氣體實驗定律和熱力學第一定律的結(jié)合,4.如圖3所示，兩個截面積都為S的圓柱形 容器，右邊容器高為H，上端封閉，左邊 容器上端是一個可以在容器內(nèi)無摩擦滑動 的質(zhì)量為M的活塞.兩容器由裝有閥門的極細管道相連，容器、活塞和細管都是絕熱的.開始時閥門關(guān)閉，左邊容器中裝有理想氣體，平衡時活塞到容器底的距離為H，右邊容,1,2,3,4,圖3,器內(nèi)為真空.現(xiàn)將閥門緩慢打開，活塞便緩慢下降，直至系統(tǒng)達到新的平衡，此時理想氣體的溫度增加為原來的1.4倍，已知外界大氣壓強為p0，求此過程中氣體內(nèi)能的增加量.,1,2,3,4,解析 理想氣體發(fā)生等壓變化.設(shè)封閉氣體壓強為p，分析活塞受力有pS＝Mg＋p0S 設(shè)氣體初態(tài)溫度為T，活塞下降的高度為x，系統(tǒng)達到新平衡，由蓋—呂薩克定律得,1,2,3,4,又因系統(tǒng)絕熱，即Q＝0 外界對氣體做功為W＝pSx 根據(jù)熱力學第一定律ΔU＝Q＋W,1,2,3,4,