2015版高中物理人教版选修3-3讲义：10.3　热力学第一定律　能量守恒定律

课时10.3　热力学第一定律　能量守恒定律
1.理解热力学第一定律。
2.能运用热力学第一定律解释自然界能量的转化、转移问题。
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.通过对能量守恒定律的学习,认识自然规律的多样性和统一性。
5.知道第一类永动机是不可能制成的。
重点难点:会用ΔU=W+Q分析和解决问题,会运用能量守恒定律解决有关问题。热力学第一定律ΔU=W+Q中各物理量的意义及正负号的确定。
教学建议:本节教学中要明确,在单纯绝热过 ( http: / / www.21cnjy.com )程和单纯传热过程中系统状态发生改变时,只要始末状态确定了,做功的数量或者传热的数量就是确定的,一定数量的功与确定数量的热相对应。在从热力学第一定律到普遍的能量守恒定律的教学中要指出:能量守恒定律的确立,说明了不同运动形式在相
互转化中有量的共同性。将单纯绝热过程和单纯 ( http: / / www.21cnjy.com )传热过程中系统内能变化的定量表达式推广到一般情况,也就是得出普遍适用的热力学第一定律。热力学第一定律是能量守恒定律在热现象范围内的具体体现,进而说明第一类永动机是不可能制成的。
导入新课:图中左边为风力发电机,发出的电供给右边的电风扇,电风扇把风吹到发电机上发电,循环往复,不需要消耗其他能量风扇就可以一直工作下去。
在能源短缺的现在, 这是多么美好的愿望啊!同学们,这种愿望能实现吗
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1.热力学第一定律
(1)改变内能的两种方式:①做功和②热传递。
(2)热力学第一定律
①内容:一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的③热量与外界对它所做的④功的和。
②表达式:⑤ΔU=Q+W。
2.能量守恒定律
(1)内容:能量既不会凭空产生,也不会凭空 ( http: / / www.21cnjy.com )消失,它只能从一种形式⑥转化为另一种形式,或者从一个物体⑦转移到别的物体,在转化或转移的过程中,能量的总量⑧保持不变。
(2)意义
①各种形式的能可以互相⑨转化。
②⑩互不相关的物理现象可以用能量转化和守恒定律联系在一起。
　　3.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,却能不断地对外做功的机器。
(2)第一类永动机不可能制成的原因:违背了能量守恒定律。
1.快速推动活塞对汽缸内气 ( http: / / www.21cnjy.com )体做功10 J,气体内能改变了多少 若保持气体体积不变,外界对汽缸传递10 J 的热量,气体内能改变了多少 能否说明10 J的功等于10 J的热量
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解答:两种情况下气体内能都改变了10 ( http: / / www.21cnjy.com )J,说明做功和热传递在改变物体内能上是等效的,不能说10 J的功等于10 J的热量,因为功与热量具有本质区别。
2.有一种所谓的“全自动”机械手表 ( http: / / www.21cnjy.com ),既不需要上发条,也不用任何电源,却能不停地走下去。这是不是一种永动机 如果不是,维持表针走动的能量是从哪儿来的。
解答:这不是永动机。手表戴在手腕上,通过手臂的运动,机械手表获得能量,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。
3.判断下列说法是否正确。
(1)某个物体的能量减少,必然有其他物体的能量增加。
(2)石子从空中落下,最后停止在地面上,说明机械能消失了。
　　(3)自由摆动的秋千摆动幅度越来越小,减少的机械能转化为内能,但总能量守恒。
解答:(1)能量在不同的物体间发生转移,在转移的过程中能量守恒,(1)正确。
(2)石子下落过程中,机械能在转化,比如受到空气阻力作用,机械能减小,但机械能并没有消失,而是转化成了其他形式的能量,(2)错。
(3)自由摆动的秋千摆动幅度越来越小,是由于机械能转化为秋千和周围空气的内能,但总能量守恒,(3)正确。
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主题1:热力学第一定律
问题:阅读课本“热力学第一定律”标题下的内容,回答下列问题。
(1)做功和热传递怎样改变物体的内能
(2)一个物体,它既没有吸收热量, ( http: / / www.21cnjy.com )也没有放出热量,那么:如果外界对物体做的功为W,则它的内能如何变化 变化了多少 如果物体对外界做的功为W,则它的内能如何变化 变化了多少
(3)一个物体,如果外界没有对物体做功,物体 ( http: / / www.21cnjy.com )也没有对外界做功,那么:如果物体从外界吸收热量Q,它的内能如何变化 变化了多少 如果物体向外界放出热量Q,它的内能如何变化 变化了多少
(4)如果物体在跟外界同时发生做功和热传递的过程中,内能的变化ΔU与热量Q及做的功W之间又有什么关系呢
解答:(1)做功的过程是其他形式的能跟内能的转化;热传递是内能的转移。
(2)一个物体,它既没有吸收热量,也没有放出热量,那么:如果外界对它做的功为W,它的内能就增加W;如果物体对外界做的功为W,它的内能就减小W。
(3)如果外界没有对物体做 ( http: / / www.21cnjy.com )功,物体也没有对外界做功,那么:如果物体从外界吸收热量Q,它的内能就增加Q;如果物体向外界放出热量Q,它的内能就减小Q。
(4)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。
知识链接: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。
主题2:能量守恒定律、永动机不可能制成
问题:阅读课本“能量守恒定律”和“永动机不可能制成”标题下的内容,回答下列问题。
(1)能量可以由一种形式转化为另一种形式,也可以从一个物体转移到另一个物体,能量在转化或转移的过程中遵循什么规律
(2)为什么说能量转化和守恒定律使不同领域的科学工作者有了一系列的共同语言
(3)什么是第一类永动机 第一类永动机违反了什么规律
解答:(1)能量在转化或转移的过程中遵循能量守恒定律。
(2)能量转化和守恒定律把原来人们认为互不相关的各种现象联系在一起,把表面上完全不同的各类运动统一在一个自然规律中。
(3)不消耗任何能量,却可以源源不断地对外做功,人们把这种不消耗能量的机器叫作第一类永动机。第一类永动机违反了能量守恒定律。
知识链接:如果没有外界热 ( http: / / www.21cnjy.com )源供给热量,则有U2-U1=W,就是说,如果要对外做功,即W<0,则U2( http: / / www.21cnjy.com )
1.(考查热力学第一定律的应用)在某一 ( http: / / www.21cnjy.com )过程中,外界对一定量的气体做了8×104 J的功,气体的内能减少了1.2×105 J,则下列各式中正确的是(　　)。
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】本题主要考查热力学第一定律的应 ( http: / / www.21cnjy.com )用。因为外界对气体做功,W取正值,即W=8×104 J;内能减少,ΔU取负值,即ΔU=-1.2×105 J;根据ΔU=W+Q,可知Q=ΔU-W=(-1.2×105-8×104) J=-2×105 J,即B选项正确。
【答案】B
　　【点评】关于内能ΔU符号的确定 ( http: / / www.21cnjy.com ),增加取正号,减少取负号。单纯的绝热过程,ΔU=W,若要使内能增加,当然要外界对物体做功,故外界对物体做功时取正号。单纯的热传递过程,ΔU=Q,若要使内能增加,当然要吸热,故吸收热量时取正号。
2.(考查能量守恒定律)汽车关闭发动机后恰能沿斜坡匀速下滑,在这过程中(　　)。
A.汽车的机械能守恒
B.汽车的动能和势能相互转化
C.机械能转化为内能,总能量守恒
D.机械能和内能之间没有转化
【解析】汽车沿斜坡匀速下滑,克服阻力做功,其动能不变、重力势能减小,即减少的机械能转化为内能,所以C选项正确。
【答案】C
　　【点评】与某种运动形式对应的能是否守 ( http: / / www.21cnjy.com )恒是有条件的,例如,物体的机械能守恒,必须是只有重力或弹簧弹力做功;而能量守恒定律是没有条件的,它是一切自然界现象都遵守的基本规律。
3.(考查第一类永动机)第一类永动机是不可能制成的,这是因为永动机(　　)。
A.不符合机械能守恒定律
B.违背了能量转化和守恒定律
C.制造永动机的技术不过关
D.无法解决机械摩擦问题
【答案】B
　　【点评】层出不穷的永动机设计方案,由于违背了能量守恒定律,无一例外地宣布失败,人类想成功制造永动机是没有任何希望的。
4.(考查热力学第一定律的综合应用) ( http: / / www.21cnjy.com )一定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ΔU=W+Q, ( http: / / www.21cnjy.com )Q=2.5×104 J,W=-1.0×104 J,可知ΔU大于零,气体内能增加,温度升高,A、B错;气体对外做功,体积增大,密度减小,C错,D对。
【答案】D
　　【点评】一定质量的理想气体的内能与温度有关,温度越高,内能越大。
拓展一:对热力学第一定律的理解及应用
1.(1)有空气的密闭薄塑料瓶因降温而变扁,关于此过程中瓶内空气(不计分子势能)的说法正确的是(　　)。
A.内能增大,放出热量
B.内能减小,吸收热量
C.内能增大,对外界做功
D.内能减小,外界对其做功
(2)一定质量的气体,在从一个状态Ⅰ变化到另一个状态Ⅱ的过程中,吸收热量280 J,并对外做功120 J,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原来的状态,并放出了240 J热量,那么在返回的过程中是气体对外界做功,还是外界对气体做功 做功多少
【分析】求解此题应注意以下三点:(1)内能的变化用ΔU=W+Q来求;(2)根据ΔU的正负判断内能的增减;(3)注意W和Q的符号。
【解析】(1)不计分子势能,空 ( http: / / www.21cnjy.com )气内能由温度决定,随温度降低而减小,A、C均错误;薄塑料瓶因降温而变扁,空气体积减小,外界压缩空气做功,D正确;空气内能减小,外界对空气做功,根据能量守恒定律可知空气向外界放热,B错误。
(2)①由热力学第一定律可得:ΔU=W+Q=-120 J+280 J=160 J
气体的内能增加了160 J。
②由于气体的内能仅与状态有关,所以气体 ( http: / / www.21cnjy.com )从状态Ⅱ回到状态Ⅰ的过程中内能的变化应等于从状态Ⅰ到状态Ⅱ的过程中内能的变化,则从状态Ⅱ到状态Ⅰ内能应减少160 J
即ΔU'=-160 J,又Q'=-240 J,根据热力学第一定律得:ΔU'=W'+Q'
所以W'=ΔU'-Q'=-160 J-(-240 J)=80 J,即外界对气体做功80 J。
【答案】(1)D　(2) ①增加了160 J　②外界对气体做功　80 J
【点拨】(1)判断物体内能变化的方法
①当做功和热传递两种过程同时发生时,内能的变化就要用热力学第一定律进行综合分析。
②判断做功情况要看气体的体积:体积增大(不是对真空膨胀),气体对外做功,W为负;体积缩小,外界对气体做功,W为正。
③在与外界绝热或气体体积迅速变化的过程中,不发生热传递,此时Q=0。
④导热良好,气体与外界有热交换,且保持与外界温度相同。
⑤如果研究对象是理想气体,则由于理想气体没有分子势能,所以当它的内能变化时,主要体现在分子动能的变化上,从宏观上看就是温度发生了变化。
(2)对公式ΔU=W+Q符号的规定
①W:外界对物体做功时,W>0;物体对外界做功时,W<0。
②Q:吸热时,Q>0;放热时,Q<0。
③ΔU:内能增加时,ΔU>0;内能减少时,ΔU<0。
拓展二:能量守恒定律的理解与应用
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2.如图所示,一个质量为20 kg的绝热汽 ( http: / / www.21cnjy.com )缸竖直放置,绝热活塞的质量为5 kg,处于静止状态时被封闭气体的高度为50 cm,现在在活塞上方加一15 kg的物体,待稳定后,被封闭气体的高度变为40 cm。求在这一过程中气体内能的增加量。(g取10 m/s2,不考虑大气压力及活塞的摩擦阻力)
【分析】解答本题可按以下思路进行思考:
绝热过程内能增加某种能量的减少
【解析】由能量守恒定律可知,内能的增加等于活塞和物体重力势能的减少
ΔU=ΔE=(M+m)gh=(15+5)×10×(50-40)×10-2 J=20 J。
【答案】20 J
【点拨】对能量守恒定律的理解:
(1)不同形式的能量之间可以相互转化,且这一转化过程是通过做功来完成的。
　　(2)某种形式的能减少,一定有其他形式的能增加,且减少量和增加量一定相等。
(3)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。
(4)在利用能量转化与守恒定 ( http: / / www.21cnjy.com )律解题时,要注意先搞清楚过程中有几种形式的能在转化或转移,分析初、末状态,确定ΔE增、ΔE减各为多少,再由ΔE增=ΔE减列式计算。
拓展三:综合应用
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甲
3.(1)如图甲所示,一演示用的“永动 ( http: / / www.21cnjy.com )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
乙
(2)如图乙所示,内壁光滑的汽缸水平放 ( http: / / www.21cnjy.com )置,一定质量的理想气体被活塞密封在汽缸内,外界大气压强为p0,现对汽缸缓慢加热,气体吸收热量Q后,体积由V1增大为V2,则在此过程中,气体分子平均动能　　　　(选填“增大”“不变”或“减小”),气体内能变化了　　　。
【分析】解答本题时注意以下两点:(1)“永动机”转动时能量的来源;(2)理想气体内能大小的决定因素。
【解析】(1)形状记忆合金进入水后受热形 ( http: / / www.21cnjy.com )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,一部分释放到空气中,故D对。
(2)由理想气体状态方程知,气体温度升高,所以平均动能增大
ΔU=Q+W=Q-p0S0d=Q-p0(V2-V1)。
【答案】(1)D　(2)增大　Q-p0(V2-V1)
【点拨】层出不穷的永动机设计方案,由于违背了能量守恒定律,无一例外地宣布失败,人类想要制造出永动机是没有任何希望的。
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热力学第一定律、能量守恒定律