3.2-3.3 热力学第一定律　能量守恒定律 课件（29张PPT）

(共29张PPT)
2 热力学第一定律　
3 能量守恒定律
第三章 热力学定律
学习目标
1.理解热力学第一定律，能应用热力学第一定律分析和解决实际问题。
2.了解人类探索能量守恒的历史过程。
3.理解能量守恒定律，知道能量守恒定律是自然界普遍遵从的基本规律。
4.知道什么是第一类永动机及其不可能制成的原因。
知识梳理
一、热力学第一定律
1.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 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 ，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 。
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 与外界对它所做的功的和。
3.热力学第一定律的表达式： 。
等价
转化
转移
传递的热量
ΔU=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 为其他形式，或者从一个物体 到别的物体，在转化或转移的过程中，能量的 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 。
(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 定律联系在一起。
三、永动机不可能制成
1.第一类永动机：不需要任何动力或燃料，却能不断地 的机器。
2.第一类永动机不可制成的原因：违背了 定律。
转化
转移
总量
转化
能量守恒
能量守恒
对外做功
判断
1．外界对热力学系统做功，W取正值；外界向热力学系统传递热量，Q取正值。( )
2．气体被压缩的过程中，外界对气体做功，则气体内能一定增加。 ( )
3．物体与外界不发生热交换，则物体的内能也可能变化。 ( )
4．各种能量之间可以转移或转化，但总量保持不变。 ( )
5．第一类永动机因违背能量守恒定律，所以不可能制成。 ( )
6．用太阳灶烧水是太阳能转化为内能。 ( )
7．石子从空中落下，最后静止在地面上，说明机械能消失了。 ( )

√
√
√
√

√
2.如图所示的汽缸，内部封闭有一定质量的理想气体。外力推动活塞P压缩气体，对汽缸内气体做功800 J，同时气体向外界放热200 J，则汽缸内气体的(　　)
A.温度升高，内能增加600 J
B.温度升高，内能减少200 J
C.温度降低，内能增加600 J
D.温度降低，内能减少200 J
解析：由热力学第一定律ΔU=W+Q，得ΔU=800 J+(-200 J)=600 J，一定质量的理想气体的内能大小只与温度有关，ΔU=600 J>0，故温度一定升高，A选项正确。
A
3.(多选)下面设想符合能量守恒定律的是(　 　)
A.利用永久磁铁间的作用力，造一台永远转动的机械
B.做一条船，利用太阳的能量逆水行舟
C.通过太阳照射飞机，使飞机不带燃料也能飞行
D.利用核动力，使地球离开太阳系
解析：利用磁场能可以使磁铁所具有的磁场能转化为动能，但由于摩擦力的不可避免性，动能最终转化为内能使转动停止，故A不符合;可利用光能的可转化性和电能的可收集性，使光能转化为船的动能或飞机的动能，实现逆水行舟或飞机不带燃料飞行，故B、C符合;利用反冲理论，以核力为能源，使地球获得足够大的速度，挣脱太阳引力的束缚而离开太阳系，故D符合。
BCD
4.空气压缩机在一次压缩中，活塞对空气做了2×105 J 的功，同时空气的内能增加了1.5×105 J，这一过程中空气向外界传递的热量是多少
解析：选择被压缩的空气为研究对象，根据热力学第一定律有ΔU=W+Q。
由题意可知W=2×105 J，ΔU=1.5×105 J，
代入上式得Q=ΔUW=1.5×105 J 2×105 J= 5×104 J。
负号表示空气向外释放热量，即空气向外界传递的热量为5×104 J。
答案：5×104 J
合作探究
一、对热力学第一定律的理解及应用
1.如图甲所示，该实验为做机械功改变系统内能的实验，该实验与外界没有热量交换，如果外界对系统做的功为W(物块重力所做的功)，则它的内能怎样改变 变化了多少
提示：一个系统，如果它既没有吸收热量也没有放出热量，那么外界对它做功W，则内能增加量为W。
2.如图乙所示为做电功改变系统内能的实验，该系统如果电阻发热量为Q，液体的内能怎样变化 变化了多少
提示：如果外界没有对系统做功，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ΔU与热量Q及做的功W之间又满足怎样的关系呢
提示：ΔU=W+Q。该式表示的是功、热量跟内能改变之间的定量关系，在物理学中叫作热力学第一定律。
1．热力学第一定律的意义
(1)热力学第一定律不仅反映了做功和传热这两种改变内能的方法是等价的，而且
给出了内能的变化量与做功和传热之间的定量关系。
(2)热力学第一定律将单纯的做功过程和单纯的传热过程中内能改变的定量表达
式推广到一般情况，既有做功又有传热的过程，其中ΔU表示内能改变的数量，W表示外界对系统所做的功，Q表示外界向系统传递的热量。
2．对ΔU＝W＋Q的理解
热力学第一定律将单纯的绝热过程和单纯的热传递过程中内能改变的定量表述推广到一般情况，既有做功又有热传递的过程，其中ΔU表示内能改变的数量，W表示做功的数量，Q表示外界与物体间传递的热量。
3．与热力学第一定律相匹配的符号法则
做功W 热量Q 内能的改变ΔU
取正值“＋” 外界对系统做功 系统从外界吸收热量 系统的内能增加
取负值“－” 系统对外界做功 系统向外界放出热量 系统的内能减少
4．判断是否做功的方法：
一般情况下外界对物体做功与否，需看物体的体积是否变化。
(1)若物体体积增大，表明物体对外界做功，W＜0。
(2)若物体体积减小，表明外界对物体做功，W＞0。
5.几种特殊情况：
(1)若过程是绝热的，即Q＝0，则ΔU＝W，物体内能的增加量等于外界对物体做的功。
(2)若过程中不做功，即W＝0，则ΔU＝Q，物体内能的增加量等于物体从外界吸收的热量。
(3)若过程的始末状态物体的内能不变，即ΔU＝0，则W＝－Q(或Q＝－W)，外界对物体做的功等于物体放出的热量(或物体吸收的热量等于物体对外界做的功)。
例1：一定质量的理想气体在某一过程中，从外界吸收热量2.5×104 J，气体对外界做功1.0×104 J，则该理想气体的(　　)
A．温度降低，密度增大
B．温度降低，密度减小
C．温度升高，密度增大
D．温度升高，密度减小
解析：由热力学第一定律得：ΔU＝Q＋W＝2.5×104 J－1.0×104 J＝1.5×104 J＞0，所以气体内能增大，温度升高；因气体对外做功，所以体积增大，密度小，D项正确．
D
例2：如图，一定质量的理想气体从状态a开始，经历状态b、c到达状态d，已知一定质量的理想气体的内能与温度满足U＝kT(k为常数)。该气体在状态a时温度为T0，求：
(1)气体在状态d时的温度；
(2)气体从状态a到达状态d过程从外界吸收的热量。
解析： (1)状态a与状态d压强相等，由：＝ 可得：Td＝3T0
(2)依题意可知：Ua＝kT0，Ud＝3kT0
由热力学第一定律，有：Ud－Ua＝Q＋W
气体增大对外做功：W＝－3p0(Vc－Vb)
联立可得：Q＝2kT0＋6p0V0
答案：(1) Td＝3T0 　(2) Q＝ 2kT0＋6p0V0
规律方法：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)对外界所做的功；
(3)根据热力学第一定律ΔU=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。
二、对能量守恒定律的理解
情境 “全自动”机械手表，既不需要上发条，也不用任何电源，却能不停地走下去。由此，有人设想了如图所示的新能源汽车。

1.“全自动”机械手表是不是一种永动机
2.图中所示的新能源汽车能实现吗
3.能量守恒定律与热力学第一定律是什么关系
提示：
1. 不是永动机。手表戴在手腕上，通过手臂的运动获得能量，供手表指针走动。若将此手表长时间放置不动，它就会停下来。
2. 不能实现。因为违反了能量守恒定律。
3. 能量守恒定律是自然界的普遍规律，各种形式的能相互转化或转移过程中总能量保持不变。热力学第一定律是物体内能与其他形式的能发生转化时的能量守恒定律，是能量守恒定律的具体体现。
1.能量的存在形式及相互转化
(1)各种运动形式都有对应的能:机械运动对应机械能，分子的热运动对应内能，还有诸如电磁能、化学能、原子能等。可见，在自然界中，不同的能量形式与不同的运动形式相对应。
(2)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。
2.能量守恒定律是没有条件的
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，必须是在只有重力做功或系统内弹力做功的情况下；而能量守恒是没有条件的，它是一切自然现象都遵守的基本规律。
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机械观念的范围，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。
(3)具有重大实践意义，即彻底粉碎了永动机的幻想。
4.第一类永动机失败的原因分析
如果没有外界热源供给热量，则有U2U1=W，就是说，如果系统内能减少，即U2例3 如图所示，密闭绝热容器内有一绝热的具有一定质量活塞，活塞的上部封闭着气体，下部为真空，活塞与器壁间的摩擦忽略不计。置于真空中的轻弹簧一端固定于容器的底部，另一端固定在活塞上，弹簧被压缩后用绳扎紧，此时弹簧的弹性势能为Ep(弹簧处在自然长度时的弹性势能为零)。现绳突然断开，弹簧推动活塞向上运动，经过多次往复运动后活塞静止，气体达到平衡状态。经过此过程(　　)
A．Ep全部转换为气体的内能
B．Ep一部分转换成活塞的重力势能，其余部分仍为弹簧的弹性势能
C．Ep全部转换成活塞的重力势能和气体的内能
D．Ep一部分转换成活塞的重力势能，一部分转换为气体的内能， 其余部分仍为弹簧的弹性势能
解析：当绳子突然断开时，活塞受弹簧的弹力F、活塞的重力G、封闭气体对活塞向下的压力F′共同作用，如图所示，其合力向上，经多次往复运动后活塞静止时， 活塞处于三力平衡状态，气体体积必减小，外力对气体做正功，由于绝热，气体的内能增加，而活塞最终的静止位置比初始位置高，其重力势能增加，最终弹力与另外两个力的合力平衡，弹簧仍有形变。设最终弹簧的弹性势能为Ep′，由能量守恒定律得Ep＝Ep′＋活塞增加的重力势能＋气体增加的内能，所以D选项正确。
答案：D
例4：如图所示，一演示用的“永动机”转轮由5根轻杆和转轴构成，轻杆的末端装有用形状记忆合金制成的叶片。轻推转轮后，进入热水的叶片因伸展而“划水”，推动转轮转动。离开热水后，叶片形状迅速恢复，转轮因此能较长时间转动。下列说法正确的是(　　)
A．转轮依靠自身惯性转动，不需要消耗外界能量
B．转轮转动所需能量来自形状记忆合金自身
C．转动的叶片不断搅动热水，水温升高
D．叶片在热水中吸收的热量一定大于在空气中释放的热量
解析：形状记忆合金进入水后受热形状发生改变而搅动热水，由能量守恒知能量来源于热水，故A、B、C错；由能量守恒知，叶片吸收的能量一部分转化成叶片的动能，一部分释放于空气中，故D对。
D
1.“第一类永动机”是不可能制成的，这是因为它(　　)
A.不符合热力学第一定律
B.做功产生的热量太少
C.由于有摩擦、热损失等因素的存在
D.找不到合适的材料和合理的设计方案
达标练习
A
2.如图所示，直立容器内部被隔板隔开的A、B两部分气体(A、B两部分体积等大)，A的密度小，B的密度大，加热气体，并取出隔板使两部分气体混合均匀，设此过程中气体吸热为Q，气体内能的增量为ΔU，则(　　)
A.ΔU = Q
B.ΔU < Q
C.ΔU > Q
D.无法比较
B
3.如图所示，汽缸内封闭一定质量的理想气体，活塞通过定滑轮与一重物m相连并处于静止状态，此时活塞到缸口的距离h=0.2 m，活塞面积S=10 cm2，封闭气体的压强p=5×104 Pa，现通过电热丝对缸内气体加热，使活塞缓慢上升直至缸口。在此过程中封闭气体吸收了Q=60 J的热量，假设汽缸壁和活塞都是绝热的，活塞质量及一切摩擦力不计，则在此过程中气体内能的增加量为(　　)
A.70 J
B.60 J
C.50 J
D.10 J
C
4.(多选)一定量的理想气体从状态a开始，经历三个过程ab、bc、ca回到原状态，其p T图象如图所示．下列判断正确的是( 　　)
A．过程ab中气体一定吸热
B．过程bc中气体既不吸热也不放热
C．过程ca中外界对气体所做的功等于气体所放的热
D．a、b和c三个状态中，状态a分子的平均动能最小
E．b和c两个状态中，容器壁单位面积单位时间内受到气体分子撞击的次数不同
ADE