物理选修3-3：第十章《热力学定律3热力学第一定律 能量守恒定律》课件

1、第十章第十章 热力学定律热力学定律3热力学第一定律能量守恒定律热力学第一定律能量守恒定律第十章第十章 热力学定律热力学定律第十章第十章 热力学定律热力学定律第十章第十章 热力学定律热力学定律第十章第十章 热力学定律热力学定律一、热力学第一定律一、热力学第一定律1定律内容：定律内容：一个热力学系统的内能增量等于外界向它传一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的递的 与外界对它所做的与外界对它所做的功功的和的和2数学表达式：数学表达式：U .热量热量QW第十章第十章 热力学定律热力学定律二、能量守恒定律二、能量守恒定律1能量守恒定律内容：能量守恒定律内容：能量既不会凭空产生，也不会凭空能量既不会

2、凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式消失，它只能从一种形式 为另一种形式，或者从一个物为另一种形式，或者从一个物体体 到别的物体，在转化或转移的过程中到别的物体，在转化或转移的过程中 保持保持不变不变2意义意义(1)各种形式的能可以各种形式的能可以 (2)各种物理现象可以用各种物理现象可以用 联系在一起联系在一起转化转化转移转移能量的总量能量的总量相互转化相互转化能量转化守恒定律能量转化守恒定律第十章第十章 热力学定律热力学定律三、永动机不可能制成三、永动机不可能制成1第一类永动机：第一类永动机：不需要任何动力或燃料，却能不断地不需要任何动力或燃料，却能不断地 的机器的机器2第一类永动机

3、不可能制成的原因：第一类永动机不可能制成的原因：违背了违背了 定定律律. 对外做功对外做功能量守恒能量守恒第十章第十章 热力学定律热力学定律第十章第十章 热力学定律热力学定律一、对热力学第一定律的理解一、对热力学第一定律的理解1热力学第一定律不仅反映了做功和热传递这两种改变内热力学第一定律不仅反映了做功和热传递这两种改变内能过程是等效的，而且给出了内能的变化量和做功与热传递之能过程是等效的，而且给出了内能的变化量和做功与热传递之间的定量关系此定律是标量式，应用时热量的单位应统一为间的定量关系此定律是标量式，应用时热量的单位应统一为国际单位制中的焦耳国际单位制中的焦耳2对公式对公式UQW符号的规

4、定符号的规定符号符号WQU外界对物体做功外界对物体做功物体吸收热量物体吸收热量内能增加内能增加物体对外界做功物体对外界做功物体放出热量物体放出热量内能减少内能减少第十章第十章 热力学定律热力学定律3.几种特殊情况几种特殊情况(1)若过程是绝热的，则若过程是绝热的，则Q0，WU，外界对物体做的功，外界对物体做的功等于物体内能的增加等于物体内能的增加(2)若过程中不做功，即若过程中不做功，即W0，则，则QU，物体吸收的热量，物体吸收的热量等于物体内能的增加等于物体内能的增加(3)若过程的始末状态物体的内能不变，即若过程的始末状态物体的内能不变，即U0，则，则WQ0或或WQ，外界对物体做的功等于物体

5、放出的热量，外界对物体做的功等于物体放出的热量第十章第十章 热力学定律热力学定律【特别提醒】【特别提醒】(1)应用热力学第一定律时要明确研究的对象应用热力学第一定律时要明确研究的对象是哪个物体或者是哪个热力学系统是哪个物体或者是哪个热力学系统(2)应用热力学第一定律计算时，要依照符号法则代入数应用热力学第一定律计算时，要依照符号法则代入数据对结果的正、负也同样依照规则来解释其意义据对结果的正、负也同样依照规则来解释其意义第十章第十章 热力学定律热力学定律 一定量的气体在某一过程中，外界对气体做了一定量的气体在某一过程中，外界对气体做了8104 J的功，气体的内能减少了的功，气体的内能减少了1.

6、2105 J，则下列各式中正，则下列各式中正确的是确的是()AW8104 J，U1.2105 J，Q4104 JBW8104 J，U1.2105 J，Q2105 JCW8104 J，U1.2105 J，Q2104 JDW8104 J，U1.2105 J，Q4104 J第十章第十章 热力学定律热力学定律解析：解析：本题主要考查热力学第一定律的应用，因为外界本题主要考查热力学第一定律的应用，因为外界对气体做功，对气体做功，W取正值，即取正值，即W8104 J；内能减少，；内能减少，U取负值，取负值，即即U1.2105 J；根据；根据UWQ，可知，可知QUW1.210581042105 J，即，即B

7、选项正确选项正确答案：答案：B第十章第十章 热力学定律热力学定律二、能量守恒定律的理解二、能量守恒定律的理解1能量的存在形式及相互转化能量的存在形式及相互转化各种运动形式都有对应的能：机械运动对应机械能，分子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、原子能等的热运动对应内能，还有诸如电磁能、化学能、原子能等各种形式的能，通过某种力做功可以相互转化，例如：利各种形式的能，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

8、械能转化为内能内能；列车刹车后，轮子温度升高，机械能转化为内能2与某种运动形式对应的能是否守恒是有条件的，例如，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，必须是只有重力做功；而能量守恒定律是物体的机械能守恒，必须是只有重力做功；而能量守恒定律是没有条件的，它是一切自然现象都遵守的基本规律没有条件的，它是一切自然现象都遵守的基本规律第十章第十章 热力学定律热力学定律3能量守恒定律的重要意义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找到了各种自然现象的公共量度能量，从而把各种能量，从而把各种自然现象用定量规律联系起来，揭示了自然规律的多样性和统自然现象用定量规

9、律联系起来，揭示了自然规律的多样性和统一性一性(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能量守恒定律与电子的发现、达尔文的进化论并称法能量守恒定律与电子的发现、达尔文的进化论并称19世纪世纪自然科学中三大发现，其重要意义由此可见自然科学中三大发现，其重要意义由此可见(3)具有重大实践意义，即彻底粉碎了永动机的幻想具有重大实践

10、意义，即彻底粉碎了永动机的幻想第十章第十章 热力学定律热力学定律4第一类永动机失败的原因分析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，则有如果没有外界热源供给热量，则有U2U1W，就是说，就是说，如果系统内能减少，即如果系统内能减少，即U2U1，则，则W0，系统对外做功是要以，系统对外做功是要以内能减少为代价的，若想源源不断地做功，就必须使系统不断内能减少为代价的，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，是不可能的回到初始状态，在无外界能量供给的情况下，是不可能的第十章第十章 热力学定律热力学定律下列对能量的转化和守恒定律的认识不正确的是下列对能量

11、的转化和守恒定律的认识不正确的是()A某种形式的能量减少，一定存在其他形式能量的增加某种形式的能量减少，一定存在其他形式能量的增加B某个物体的能量减少，必然有其他物体的能量增加某个物体的能量减少，必然有其他物体的能量增加C不需要任何外界的动力而持续对外做功的机器不需要任何外界的动力而持续对外做功的机器永动永动机是不可能制成的机是不可能制成的D石子从空中落下，最后停止在地面上，说明机械能消失石子从空中落下，最后停止在地面上，说明机械能消失了了第十章第十章 热力学定律热力学定律解析：解析：A选项是指不同形式的能量间的转化，转化过程中选项是指不同形式的能量间的转化，转化过程中能量是守恒的能量是守恒的

12、B选项是指能量在不同的物体间发生转移，转移选项是指能量在不同的物体间发生转移，转移过程中是守恒的这正好是能量守恒定律的两个方面过程中是守恒的这正好是能量守恒定律的两个方面转化转化与转移任何永动机都是不可能制成的，它违背了能量守恒守与转移任何永动机都是不可能制成的，它违背了能量守恒守律所以律所以A、B、C正确正确D选项中石子的机械能在变化，比如受选项中石子的机械能在变化，比如受空气阻力作用，机械能可能减少，但机械能并没有消失，能量空气阻力作用，机械能可能减少，但机械能并没有消失，能量守恒定律表明能量既不会创生，也不会消失，故守恒定律表明能量既不会创生，也不会消失，故D是错的是错的答案：答案：D第

13、十章第十章 热力学定律热力学定律 教材资料分析教材资料分析说一说说一说教材教材P56如图所示是历史上有名的一种永动机的设计从图上看，如图所示是历史上有名的一种永动机的设计从图上看，设计者为什么认为这个机器会永远运动下去？不用能量的概念，设计者为什么认为这个机器会永远运动下去？不用能量的概念，你能不能说明它不会永远运动下去？你能不能说明它不会永远运动下去？第十章第十章 热力学定律热力学定律【点拨】【点拨】这种永动机是在一个轮子的边缘等距地安装这种永动机是在一个轮子的边缘等距地安装12根活动短杆，杆端分别套上一个重球无论轮子转到什么位置，根活动短杆，杆端分别套上一个重球无论轮子转到什么位置，右边的

14、各个重球总比左边的各个重球离轴心更远一些设想，右边的各个重球总比左边的各个重球离轴心更远一些设想，右边更大的作用特别是右边甩过去的重球作用在离轴较远的距右边更大的作用特别是右边甩过去的重球作用在离轴较远的距离上，根据杠杆平衡原理可知，就会使轮子按照箭头所示的方离上，根据杠杆平衡原理可知，就会使轮子按照箭头所示的方向永不停息地旋转下去，至少转到轮轴磨坏时为止但是，实向永不停息地旋转下去，至少转到轮轴磨坏时为止但是，实际上轮子转动一两圈后就停了下来在这种永动机的设计中，际上轮子转动一两圈后就停了下来在这种永动机的设计中，我们总可以找到一个平衡位置，在这个位置上，各个力恰好相我们总可以找到一个平衡位

15、置，在这个位置上，各个力恰好相互抵消，不再有任何推动力使它运动，永动机必然会在这个平互抵消，不再有任何推动力使它运动，永动机必然会在这个平衡位置上静止下来，成为不动机衡位置上静止下来，成为不动机. 第十章第十章 热力学定律热力学定律第十章第十章 热力学定律热力学定律空气压缩机在一次压缩中，活塞对空气做了空气压缩机在一次压缩中，活塞对空气做了2105 J的功，同时空气的内能增加了的功，同时空气的内能增加了1.5105 J，这一过程中空气向外，这一过程中空气向外界传递的热量是多少？界传递的热量是多少？第十章第十章 热力学定律热力学定律解析：解析：选择被压缩的空气为研究对象，根据热力学第一选择被压缩

16、的空气为研究对象，根据热力学第一定律定律有有UWQ.由题意可知由题意可知W2105 J，U1.5105 J，代入上式得，代入上式得QUW1.5105 J2105 J5104 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负号表示空气向外释放热量，即空气向外界传递的热量为5104 J.答案：答案：5104 J第十章第十章 热力学定律热力学定律【反思总结】【反思总结】应用热力学第一定律解题的一般步骤应用热力学第一定律解题的一般步骤(1)首先应明确研究对象是哪个物体或者是哪个热力学系首先应明确研究对象是哪个物体或者是哪个热力学系统统(2)分别列出物体或系统吸收或放出的热量；外界对物体或分别列

17、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根据热力学第一定律UQW列出方程进行求解列出方程进行求解(4)特别应注意的就是物理量的正负号及其物理意义特别应注意的就是物理量的正负号及其物理意义第十章第十章 热力学定律热力学定律【跟踪发散】【跟踪发散】11：一定质量的气体，从状态：一定质量的气体，从状态A变化到状变化到状态态B的过程中，内能增加了的过程中，内能增加了160 J，下列是关于内能变化的可能，下列是关于内能变化的可能原因的说法，其中不可能的是原因的说法，其中不可能的是()A从从A到到B的绝热过程

18、中，外界对气体做功的绝热过程中，外界对气体做功160 JB从从A到到B的单纯传热过程中，外界对气体传递了的单纯传热过程中，外界对气体传递了160 J的的热量热量C从从A到到B的过程中吸热的过程中吸热280 J，并对外界做功，并对外界做功120 JD从从A到到B的过程中放热的过程中放热280 J，外界对气体做功，外界对气体做功120 J第十章第十章 热力学定律热力学定律解析：解析：由热力学第一定律由热力学第一定律UWQ可知，可知，A、B、C正正确，确，D错误错误答案：答案：D第十章第十章 热力学定律热力学定律2011山东卷山东卷36(2)气体温度计结构如图所示玻气体温度计结构如图所示玻璃测温泡璃

19、测温泡A内充有理想气体，通过细玻璃管内充有理想气体，通过细玻璃管B和水银压强计相和水银压强计相连开始时连开始时A处于冰水混合物中，左管处于冰水混合物中，左管C中水银面在中水银面在O点处，右点处，右管管D中水银面高出中水银面高出O点点h114 cm，后将，后将A放入待测恒温槽中，上放入待测恒温槽中，上下移动下移动D，使，使C中水银面仍在中水银面仍在O点处，测得点处，测得D中水银面高出中水银面高出O点点h244 cm.(已知外界大气压为已知外界大气压为1个标准大气压，个标准大气压，1标准大气压相当标准大气压相当于于76 cmHg)第十章第十章 热力学定律热力学定律(1)求恒温槽的温度求恒温槽的温度

20、(2)此过程此过程A内气体内能内气体内能_(填填“增大增大”或或“减小减小”)，气体不对外做功，气体将气体不对外做功，气体将_(填填“吸热吸热”或或“放热放热”)第十章第十章 热力学定律热力学定律答案：答案：(1)91 (2)增大吸热增大吸热第十章第十章 热力学定律热力学定律第十章第十章 热力学定律热力学定律【跟踪发散】【跟踪发散】21：带有活塞的汽缸内封闭一定量的理：带有活塞的汽缸内封闭一定量的理想气体，气体开始处于状态想气体，气体开始处于状态a，然后经过过程，然后经过过程ab到达状态到达状态b或经或经过过程过过程ac到达状态到达状态c，b、c状态温度相同，如状态温度相同，如VT图所示设气图

21、所示设气体在状态体在状态b和状态和状态c的压强分别为的压强分别为pb和和pc，在过程，在过程ab和和ac中吸收的中吸收的热量分别为热量分别为Qab和和Qac，则，则(填入选项前的字母，有填错的不得分填入选项前的字母，有填错的不得分)()Apbpc，QabQacBpbpc，QabQacCpbpc，QabQac Dpbpc，QabQac第十章第十章 热力学定律热力学定律解析：解析：一定量的理想气体内能只与温度有关，从状态一定量的理想气体内能只与温度有关，从状态a到到状态状态b，和到状态，和到状态c，两过程温度升高相同，即内能增加相同，两过程温度升高相同，即内能增加相同，但但b状态体积比状态体积比a

22、状态大，所以从状态大，所以从a状态到状态到b状态要对外界做功，状态要对外界做功，由热力学第一定律知由热力学第一定律知QabQac，由于，由于b、c状态温度相同，由玻意状态温度相同，由玻意耳定律，耳定律，pbpc，故，故C正确正确答案：答案：C第十章第十章 热力学定律热力学定律如图所示，一个质量为如图所示，一个质量为20 kg的绝热汽缸竖直放置，的绝热汽缸竖直放置，绝热活塞的质量为绝热活塞的质量为5 kg，处于静止状态时被封闭气体的高度为，处于静止状态时被封闭气体的高度为50 cm，现在活塞上方加一，现在活塞上方加一15 kg的物体，待稳定后，被封闭气体的的物体，待稳定后，被封闭气体的高度变为高

23、度变为40 cm.求在这一过程中气体的内能增加多少求在这一过程中气体的内能增加多少(g取取10 m/s2，不考虑活塞受到的大气压力及摩擦阻力，不考虑活塞受到的大气压力及摩擦阻力)第十章第十章 热力学定律热力学定律思路点拨：思路点拨：绝热过程绝热过程 外界对气体做功外界对气体做功 内能增加内能增加 UW解析：解析：由能量守恒定律可知，内能的增加等于活塞和物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，体重力势能的减少，UE(Mm)gh(155)10(5040)102 J20 J.答案：答案：20 J第十章第十章 热力学定律热力学定律【跟踪发散】【跟踪发散】31：水能不产生污染物，是

24、一种清洁能：水能不产生污染物，是一种清洁能源，位于美国和加拿大交界处的尼亚加拉瀑布流量可达每秒源，位于美国和加拿大交界处的尼亚加拉瀑布流量可达每秒6 000 m3，而且一年四季流量稳定，瀑布落差为，而且一年四季流量稳定，瀑布落差为50 m若利用这若利用这一资源发电，设其发电效率为一资源发电，设其发电效率为50%，估算发电机的输出功率，估算发电机的输出功率(g取取10 m/s2)第十章第十章 热力学定律热力学定律解析：解析：每秒流下的水的质量每秒流下的水的质量mV11036 000 kg6106 kg减少的机械能减少的机械能Emgh61061050 J3109 J设发电机的输出功率为设发电机的输

25、出功率为P，则由能量守恒定律可得，则由能量守恒定律可得EPt解得解得P310950% W1.5109 W.答案：答案：1.5109 W 第十章第十章 热力学定律热力学定律第十章第十章 热力学定律热力学定律1第一类永动机是不可能制成的，这是因为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不符合机械能守恒定律B违背了能量守恒定律违背了能量守恒定律C做功产生的热不符合热功当量做功产生的热不符合热功当量D找不到合适的材料和合理的设计方案找不到合适的材料和合理的设计方案 解析：解析：第一类永动机是指不需要消耗任何能量就能对外第一类永动机是指不需要消耗任何能量就能对外做功的机

26、器，因此第一类永动机不可能制成不是找不到合适的做功的机器，因此第一类永动机不可能制成不是找不到合适的材料和合理的设计方案的问题，而是它不符合自然界中的能量材料和合理的设计方案的问题，而是它不符合自然界中的能量守恒定律故正确答案为守恒定律故正确答案为B.答案：答案：B第十章第十章 热力学定律热力学定律2.图是密闭的气缸，外力推动活塞图是密闭的气缸，外力推动活塞P压缩气体，对缸内气体压缩气体，对缸内气体做功做功800 J，同时气体向外界放热，同时气体向外界放热200 J缸内气体的缸内气体的()A温度升高，内能增加温度升高，内能增加600 JB温度升高，内能减少温度升高，内能减少200 JC温度降低

27、，内能增加温度降低，内能增加600 JD温度降低，内能减少温度降低，内能减少200 J解析：解析：由热力学第一定律由热力学第一定律WQU，代入数据解得：，代入数据解得：U600 J，故气体内能增加，故气体内能增加600 J，同时可判定气体的温度一，同时可判定气体的温度一定升高，选定升高，选A.答案：答案：A第十章第十章 热力学定律热力学定律3(2011广东卷广东卷14)如图为某种椅子与其升降部分的结构示如图为某种椅子与其升降部分的结构示意图，意图，M、N两筒间密闭了一定质量的气体，两筒间密闭了一定质量的气体，M可沿可沿N的内壁上的内壁上下滑动，设筒内气体不与外界发生热交换，在下滑动，设筒内气体

28、不与外界发生热交换，在M向下滑动的过向下滑动的过程中程中()第十章第十章 热力学定律热力学定律A外界对气体做功，气体内能增大外界对气体做功，气体内能增大B外界对气体做功，气体内能减小外界对气体做功，气体内能减小C气体对外界做功，气体内能增大气体对外界做功，气体内能增大D气体对外界做功，气体内能减小气体对外界做功，气体内能减小解析：解析：M向下滑动的过程中，气体被压缩，外界对气体向下滑动的过程中，气体被压缩，外界对气体做功，又因为与外界没有热交换，所以气体内能增大做功，又因为与外界没有热交换，所以气体内能增大答案：答案：A第十章第十章 热力学定律热力学定律4如图所示，绝热汽缸中间用固定栓将可无摩

29、擦移动的导如图所示，绝热汽缸中间用固定栓将可无摩擦移动的导热隔板固定，隔板质量不计，左右两室中分别充有一定量的氢热隔板固定，隔板质量不计，左右两室中分别充有一定量的氢气和氧气气和氧气(视为理想气体视为理想气体)初始时，两室中气体的温度相等，氢初始时，两室中气体的温度相等，氢气的压强大于氧气的压强，松开固定栓直至系统重新达到平气的压强大于氧气的压强，松开固定栓直至系统重新达到平衡下列说法中正确的是衡下列说法中正确的是()第十章第十章 热力学定律热力学定律A初始时氢分子的平均动能大于氧分子的平均动能初始时氢分子的平均动能大于氧分子的平均动能B系统重新达到平衡时，氢气的内能比初始时的小系统重新达到平衡时，氢气的内能比初始时的小C松开固定栓直至系统重新达到平衡的过程中，有热量从松开固定栓直至系统重新达到平衡的过程中，有热量从氧气传递到氢气氧气传递到氢气D松开固定栓直至系统重新达到平衡的过程中，氧气的内松开固定栓直至系统重新达到平衡的过程中，氧气的内能先增大后减小能先