高中物理 第十章 热力学定律 3 热力学第一定律 能量守恒定律课件 新人教版选修33.ppt

第十章 3热力学第一定律能量守恒定律 学习目标1 理解热力学第一定律 并会运用于分析和计算 2 理解并会运用能量守恒定律 3 知道什么是第一类永动机及其不可能制成的原因 内容索引 知识探究 题型探究 达标检测 知识探究 一 热力学第一定律 1 如图1所示 快速推动活塞对汽缸内气体做功10j 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10j的热量 气体内能改变了多少 答案 图1 答案都增加了10j 2 一根金属丝经过某一物理过程 温度升高了 除非事先知道 否则根本无法判定是通过做功的方法 还是使用了传热的方法使它的内能增加 因为单纯地对系统做功和单纯地对系统传热都能改变系统的内能 既然它们在改变系统内能方面是等价的 那么当外界对系统做功为w 又对系统传热为q时 系统内能的增量 u应该是多少 答案系统内能的增量 u q w 答案 1 改变内能的两种方式 与 两者在改变系统内能方面是等价的 2 热力学第一定律 一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的 与外界对它所的和 3 热力学第一定律的表达式 u 做功 热传递 热量 做的功 q w 二 能量守恒定律 1 使热力学系统内能改变的方式有做功和热传递 做功的过程是其他形式的能转化为内能的过程 热传递是把其他物体的内能转移为系统的内能 在能量发生转化或转移时 能量的总量会减少吗 答案能量的总量不会减少 答案 2 有一种所谓 全自动 的机械手表 既不需要上发条 也不用任何电源 却能不停地走下去 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 答案这不是永动机 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 答案 1 能量守恒定律能量既不会凭空 也不会凭空 它只能从一种形式为另一种形式 或者从一个物体到别的物体 在转化或转移的过程中 能量的总量 2 能量守恒定律的意义 各种形式的能可以 各种物理现象可以用联系在一起 产生 消失 转化 转移 保持不变 相互转化 能量守恒定律 3 永动机不可能制成 第一类永动机 人们把设想的不消耗的机器称为第一类永动机 第一类永动机由于违背了 所以不可能制成 能量 能量守恒定律 题型探究 一 对热力学第一定律的理解 例1空气压缩机在一次压缩中 活塞对空气做了2 105j的功 同时空气的内能增加了1 5 105j 这一过程中空气向外界传递的热量是多少 答案 解析 答案5 104j 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 u w q 由题意可知w 2 105j u 1 5 105j 代入上式得q u w 1 5 105j 2 105j 5 104j 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 104j 应用热力学第一定律解题的一般步骤 1 根据符号法则写出各已知量 w q u 的正负 2 根据方程 u w q求出未知量 3 再根据未知量结果的正负来确定吸热 放热情况或做功情况 针对训练一定质量的理想气体 从某一状态开始 经过一系列变化后又回到开始的状态 用w1表示外界对气体做的功 w2表示气体对外界做的功 q1表示气体吸收的热量 q2表示气体放出的热量 则在整个过程中一定有a q1 q2 w2 w1b q1 q2c w1 w2d q1 q2 答案 解析 解析对一定质量的理想气体 经过一系列的状态变化后又回到原状态 表明整个过程中内能的变化为零 即通过做功和热传递引起的内能变化相互抵消 所以a选项正确 当然 若q1 q2 则必定有w1 w2 若q1 q2 则必定有w1 w2 若q1 q2 则必定有w1 w2 所以b c d三项都有可能但不一定 故选a 二 能量守恒定律的理解和应用 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 机械运动有机械能 分子的热运动有内能 还有电磁能 化学能 原子能等 2 各种形式的能 通过某种力做功可以相互转化 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 能量守恒的两种表达 1 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 2 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 3 第一类永动机不可能制成的原因分析如果没有外界供给热量而对外做功 由 u w q知 系统内能将减小 若想源源不断地做功 就必须使系统不断回到初始状态 在无外界能量供给的情况下是不可能的 a u qb uqd 无法比较 例2如图2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 u 则 答案 解析 图2 解析因a部分气体密度小 b部分气体密度大 以整体为研究对象 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 利用能量守恒定律解决问题时 首先应明确题目中涉及哪几种形式的能量 其次分析哪种能量增加了 哪种能量减少了 确定研究的系统后 用能量守恒观点求解 三 气体实验定律和热力学第一定律的综合应用 对于理想气体 常把热力学第一定律与理想气体状态方程结合起来分析其状态变化规律 常见的分析思路如下 1 利用体积的变化分析做功问题 气体体积增大 对外做功 气体体积减小 外界对气体做功 2 利用温度的变化分析理想气体内能的变化 一定质量的理想气体的内能仅与温度有关 温度升高 内能增加 温度降低 内能减小 3 利用热力学第一定律判断是吸热还是放热 由热力学第一定律 u w q 则q u w 若已知气体的做功情况和内能的变化情况 即可判断气体状态变化是吸热过程还是放热过程 a 气体内能一定增加b 气体压强变大c 气体对外界做功d 气体对外界放热 例3如图3所示 a b两点表示一定质量的某种理想气体的两个状态 当气体从状态a变化到状态b时 解析由图可知 理想气体的变化为等温膨胀 故气体压强减小 内能不变 气体对外做功 由热力学第一定律可知 气体一定从外界吸收热量 综上可知 c对 a b d错 解析 答案 图3 1 气体内能的减少量 u 例4如图4所示 一轻活塞将体积为v 温度为2t0的理想气体 密封在内壁光滑的圆柱形导热汽缸内 已知大气压强为p0 大气温度为t0 气体内能u与温度t的关系为u at a为正的常数 在汽缸内气体温度缓慢降为t0的过程中 求 答案at0 图4 解析由题意可知气体内能u与温度t的关系为u at 所以开始时气体的内能 u1 a 2t0末状态 u0 at0 内能的减小量 u u1 u0 at0 解析 答案 2 气体放出的热量q 解析设温度降低后的体积为v 解析 答案 达标检测 1 热力学第一定律 一定质量的气体在某一过程中 外界对气体做了8 104j的功 气体的内能减少了1 2 105j 则根据热力学第一定律 下列各式中正确的是a w 8 104j u 1 2 105j q 4 104jb w 8 104j u 1 2 105j q 2 105jc w 8 104j u 1 2 105j q 2 104jd w 8 104j u 1 2 105j q 4 104j 答案 解析 1 2 3 解析因为外界对气体做功 w取正值 即w 8 104j 气体的内能减少 u取负值 即 u 1 2 105j 根据热力学第一定律 u w q 可知q u w 1 2 105j 8 104j 2 105j 即b选项正确 1 2 3 2 能量守恒定律 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 利用流水的能量逆水行舟c 通过太阳照射飞机 即使飞机不带燃料也能飞行d 利用核动力 驾驶地球离开太阳系 答案 解析 1 2 3 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 让船先静止在水中 设计一台水力发电机使船获得足够电能 然后把电能转化为船的动能使船逆水航行 同理可利用光能的可转化性和电能的可收集性 使光能转化为飞机的动能 实现飞机不带燃料也能飞行 故b c符合 利用反冲理论 以核动力为能源 使地球获得足够大的能量 挣脱太阳引力的束缚而离开太阳系 故d符合 1 2 3 a 从外界吸热b 内能增大c 向外界放热d 内能减小 3 热力学第一定律 如图5所示 某同学将空的薄金属筒开口向下压入水中 设水温均匀且恒定 筒内空气无泄漏 不计气体分子间的相互作