3-2、3-3 热力学第一定律 能量守恒定律 课件

课件35张PPT。第三章——热力学基础第二讲　热力学第一定律
第三讲　能量守恒定律目标定位　
1.理解热力学第一定律，并掌握其表达式.
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.知道第一类永动机是不可能制成的.预习导学 梳理·识记·点拨 一、热力学第一定律
1.定律内容：一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的 与外界对它所做的 的和.
2.数学表达式：ΔU＝ .热量功Q＋W二、能量守恒定律
1.大量事实表明，各种形式的能量可以相互转化，并且在转化过程中总量保持 .
2.能量既不能凭空 ，也不能凭空 ，它只能从一种形式 成另一种形式，或者从一个物体 到别的物体，在转化和转移的过程中其总量 .
3.能量守恒定律是自然界中最普遍、最重要的规律之一.不变产生消失转化转移保持不变三、永动机不可能制成
1.第一类永动机：人们把设想的不需要任何动力或燃料却能不断对外做功的机器称为第一类永动机.
2.第一类永动机由于违背了 ，所以不可能制成.能量守恒定律课堂讲义 理解·深化·探究一、热力学第一定律
1.对热力学第一定律的理解
(1)对ΔU＝W＋Q的理解：做功和热传递都可以改变内能，如果系统跟外界同时发生做功和热传递的过程，那么外界对系统所做的功W加上物体从外界吸收的热量Q等于系统内能的增加ΔU，即ΔU＝Q＋W.(2)对ΔU、Q、W符号的规定
①功W：外界对系统做功，W>0，即W为正值；系统对外界做功，W<0，即W为负值.
②热量Q：系统吸热为正：Q>0；系统放热为负：Q<0.
③内能变化：系统内能增加，ΔU>0，即ΔU为正值；
系统内能减少，ΔU<0，即ΔU为负值.2.判断是否做功的方法
一般情况下外界对系统做功与否，需看系统的体积是否变化.
(1)若系统体积增大，表明系统对外界做功，W<0；
(2)若系统体积变小，表明外界对系统做功，W>0.例1　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＝ΔU－W＝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借题发挥　应用热力学第一定律解题的一般步骤
(1)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)特别应注意的就是物理量的正负号及其物理意义.针对训练　一定量的气体在某一过程中，外界对气体做了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　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；
根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，可知Q＝ΔU－W＝－1.2
×105 J－8×104 J＝－2×105 J，B选项正确.
答案　B二、能量守恒定律
1.不同形式的能量之间可以相互转化
(1)各种运动形式都有对应的能，如机械运动对应机械能，分子热运动对应内能等.
(2)不同形式的能量之间可以相互转化，如“摩擦生热”机械能转化为内能，“电炉取热”电能转化为内能等.2.能量守恒定律及意义
各种不同形式的能之间相互转化时保持总量不变.
意义：一切物理过程都适用，比机械能守恒定律更普遍，是19世纪自然科学的三大发现之一.3.第一类永动机是不可能制成的
(1)不消耗能量能源源不断地对外做功的机器，叫第一类永动机，其前景是诱人的.但因为第一类永动机违背了能量守恒定律，所以无一例外地归于失败.
(2)永动机给我们的启示
人类利用和改造自然时，必须遵循自然规律.例2　如图1所示，直立容器内部被隔板隔开的A、B两部分气体，A的密度小，B的密度大，加热气体，并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.ΔUC.ΔU>Q D.无法比较图1解析　因A部分气体密度小，B部分气体密度大，以整体气体为研究对象，开始时，气体的重心在中线以下，混合均匀后，气体的重心应在中线上，所以有重力做负功，使气体的重力势能增大，由能量守恒定律可知，吸收的热量Q有一部分增加气体的重力势能，另一部分增加内能.故正确答案为B.
答案　B例3　第一类永动机是不可能制成的，这是因为第一类永动机(　　)
A.不符合机械能守恒定律
B.违背了能量守恒定律
C.没有合理的设计方案
D.找不到合适的材料B三、气体实验定律和热力学第一定律的综合应用
气体实验定律和热力学第一定律的结合点是温度和体积.注意三种特殊过程的特点：
1.等温过程：内能不变，ΔU＝0
2.等容过程：体积不变，W＝0
3.绝热过程：Q＝0例4　如图2所示，倒悬的导热气缸中封闭着一定质量的理想气体，轻质活塞可无摩擦地上下移动，活塞的横截面积为S，活塞的下面吊着一个重为G的物体，大气压强恒为p0，起初环境的热力学温度为T0时，活塞到气缸底面的距离为L.当环境图2温度逐渐升高，导致活塞缓慢下降，该过程中活塞下降了0.1L，气缸中的气体吸收的热量为Q.求：(1)气缸内部气体内能的增量ΔU；密封气体对外做功W＝pS×0.1L
由热力学第一定律ΔU＝Q－W
得ΔU＝Q－0.1p0SL＋0.1LG
答案　Q－0.1p0SL＋0.1LG　(2)最终的环境温度T.答案　1.1T0对点练习 巩固·应用·反馈热力学第一定律的理解和应用
1.用密封性好、充满气体的塑料袋包裹易碎品，如图3所示，充气袋四周被挤压时，假设袋内气体与外界无热交换，则袋内气体(　　)A.体积减小，内能增大 B.体积减小，压强减小
C.对外界做负功，内能增大 D.对外界做正功，压强减小图3解析　充气袋被挤压时，体积减小，压强增大，同时外界对气体做功，又因为袋内气体与外界无热交换，故其内能增大，A、C选项正确.
答案　AC2.关于内能的变化，以下说法正确的是(　　)
A.物体吸收热量，内能一定增大
B.物体对外做功，内能一定减少
C.物体吸收热量，同时对外做功，内能可能不变
D.物体放出热量，同时对外做功，内能可能不变解析　根据热力学第一定律，ΔU＝W＋Q，物体内能的变化与做功及热传递两个因素均有关，物体吸收热量，内能也不一定增大，因为物体可能同时对外做功，故内能有可能不变或减少，A错；
物体对外做功，还有可能吸收热量、内能可能不变或增大，B错、C正确；放出热量，同时对外做功，内能一定减少，D错误.
答案　C能量守恒定律的理解和应用
3.自由摆动的秋千摆动幅度越来越小，下列说法正确的是(　)
A.机械能守恒
B.能量正在消失
C.只有动能和重力势能的相互转化
D.减少的机械能转化为内能，但总能量守恒解析　自由摆动的秋千摆动幅度减小，说明机械能在减少，减少的机械能等于克服阻力、摩擦力做的功，增加了内能.
答案　D气体实验定律和热力学第一定律的结合
4.如图4所示，两个截面积都为S的圆柱形容器，右边容器高为H，上端封闭，左边容器上端是一个可以在容器内无摩图4擦滑动的质量为M的活塞.两容器由装有阀门的极细管道相连，容器、活塞和细管都是绝热的.开始时阀门关闭，左边容器中装有理想气体，平衡时活塞到容器底的距离为H，右边容器内为真空.现将阀门缓慢打开，活塞便缓慢下降，直至系统达到新的平衡，此时理想气体的温度增加为原来的1.4倍，已知外界大气压强为p0，求此过程中气体内能的增加量.解析　理想气体发生等压变化.设封闭气体压强为p，分析活塞受力有pS＝Mg＋p0S
设气体初态温度为T，活塞下降的高度为x，又因系统绝热，即Q＝0
外界对气体做功为W＝p0Sx
根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W