热力学第一定律能量守恒定律

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,分子因热运动而具有的能量,同温度下各个分子的分子动能,K,不同,分子动能的平均值仅和温度有关,分子动能,分子间因有相互作用力而具有的、由它们相对位置决定的能量,r,r,0,时,r,P,;,0,时,r,P,;,0,时，,P,最低,P,随物态的变化而变化,分子势能,物体内所有分子的,K,和,P,总和,物体的内能与温度和体积有关，,还和物体所含的分子数有关,。,物体内能,【,问题,】,：改变物体内能的方式有哪些？,返回,情景切入,（,3,）做功和热传递在改变内能效果上是等效的,做功和热传递的区别,（,1,）做功改变内能：实质上是其它形式的能和内能 之间转化,（,2,）热传递：实质上是各物体间内能的转移,内能与热量的区别,内能,是一个,状态量,，一个物体在不同的状态下有不同的内能,热量,是一个,过程量,，它表示由于热传递而引起的变化过程中转移的能量，即内能的改变量。,如果没有热传递，就没有热量可言，但此时仍有内能,1.,一个物体，它既没有吸收热量也没有放出热量，那么：,如果外界做的功为，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，则它的内能如何变化？变化了多少？,一个物体，如果它既没有吸收热量也没有放出热量，那么，外界对它做多少功，它的内能就增加多少；物体对外界做多少功，它的内能就减少多少,.,2.,一个物体，如果外界既没有对物体做功，物体也没有对外界做功，那么：,如果物体吸收热量，它的内能如何变化？变化了多少？,如果放出热量，它的内能如何变化？变化了多少？,如果外界既没有对物体做功，物体也没有对外界做功，那么物体吸收了多少热量，它的内能就增加多少，物体放出了多少热量，它的内能就减少多少,.,改变内能的两种方式,做功,热传递,对内,对外,吸热,放热,内能增加,内能增加,内能减少,内能减少,（外界对物体做功）,（物体对外界做功）,（物体从外界吸热）,（物体对外界放热）,热力学第一定律,能量守恒定律,高县台第一中学,运军国,学习目标,1.,理解热力学第一定律。,2.,学会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，知道能量守恒是自然界普遍遵从的基本规律。,4.,知道永动机是不可能制成的。,根据已学知识，带着下面问题仔细阅读课文包括插图、扉页脚批、思考与讨论及课后问题与练习、科学漫步等，回顾思考后回答问题：,1,、热力学第一定律主要用来解决什么物理问题？,2,、热力学第一定律的内容及表达式分别是什么？,3,、热力学第一定律表达式中各物理量符号及意义分别是什么？有什么作用或者好处？,4,、利用热力学第一定律解题的步骤及注意事项有哪些？,5,、判断内能改变的方法有那些？,6,、能量守恒定律的内容是什么？能量守恒定律的建立有什么意义？,7,、第一类永动机指的什么样的机械？,8,、第一类永动机不可能制成的原因是什么？,9,、热力学第一定律与能量守恒定律之间有什么关系？,【,引入,】,：既然做功和热传递都可以改变物体的内能，那么，,如果物体跟外界同时或连续逐次发生做功和热传递过程中，内能的变化,U,与热量及做的功之间又有什么关系呢？,下面我们就这个问题来进行探究,.,热力学第一定律,1,、文字表述：一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和这个关系叫做热力学第一定律,1,热力学第一定律,探究点,2,、表达式为：,U,Q,W,U,物体内能的增加量,W,外界对物体做的功,Q,物体吸收的热量,思考与讨论：,一定量的气体，膨胀过程中是外界对气体做功还是气体对外界做功？如果膨胀时做的功是,135J,，同时向外放热,85J,，气体的内能变化量是多少？内能是增加了还是减少了？,W=-135J,Q=-85J,U,W + Q,得：,U=-220J,0,分析：,请你通过这个例子总结,U,、,Q,、,W,几个量取正、负值的意义。,3,、定律中各量的正、负号及含义,物理量,符号,意义,符号,意义,W,+,外界对系统做功,系统对外界做功,Q,+,系统吸收热量,系统放出热量,U,+,内能增加,内能减少,记忆口诀：对内能的变化,U,是,“,增正减负,”,对传递的热量,Q,是,“,吸正放负,”,弄清定律中各量的正、负号对应含义的作用：,有两个作用和好处：,一是在读题翻译题意的过程中，可将文字语言准确的用物理符号、规律及数值等效表达出来，便于更好的弄清题目考查意图，选择更好的解题方法。,二是对解得的结果，根据结果中的符号，弄清结果的确切物理含义。,此外还有三种特殊情况，应注意其隐含条件：,（,1,）若过程是绝热的，则,Q=0,W=,U,，外界对物体做的功等于物体内能的改变。,（,2,）若过程中不做功，即,W=0,，则,Q=,U,，物体吸收的热量等于物体内能的改变。,（,3,）若过程的始末状态物体的内能不变，即,U=0,，则,W+Q=0,或,W=-Q,外界对物体做的功等于物体放出的热量。,说明：,热力学第一定律可以有不同的数学表达式，课本中的表达式：,U=Q+W,突出了做功与热传递是改变内能的两种不同的形式,，旨在说明人们可以通过做功和热传递的热量来量度系统内能的变化。,如果用,Q,表示物体吸收的热量，用,W,表示物体对外界所做的功，,U,表示物体内能的增加，则热力学第一定律表达式可以写成：,Q=,U+W,其含义是：系统从外界吸收的热量,Q,等于系统对外界做的功与系统内能增量之和,。这种表述从热机的效率角度考虑，外界传递给系统的热量，一部分用来增加系统的内能，另一部分就是系统对外做的功。,学以致用巩固形成,例,1,、,一定量的气体，从外界吸收热量,2.710,5,J,， 内能增加,4.310,5,J,。在这一过程中，,问：是气体对外界做了功，还是外界对气体做了功？做了多少焦耳的功？,如果气体吸收的热量仍为,2.610,5,J,不变，但是内能只增加了,1.610,5,J,，这一过程做功情况怎样？,解：,已知,Q=+2.710,5,J,U=+4.310,5,J,根据,U,W + Q,可得：,W=1.610,5,J,0,W,为正值，外界对气体做功，做了,1.610,5,J,的功。,解：同理,根据,U,W + Q,可得：,W =U,Q = 1.6 10,5,J,2.610,5,J=,1.010,5,J W,为负值，说明气体对外界做功（气体体积变大），做了,1.010,5,J,的功。,即时检测,1,一定量的气体膨胀对外做功,100J,，同时从外界吸收了,120J,的热量，它的内能的变化可能是,(,),A,减小,20J,B,增大,20J,C,减小,220J D,增大,220J,解析：,气体对外做功,W,100J,，吸收热量,Q,120J.,由热力学第一定律有,U,W,Q,100J,120J,20J.,U,0,，说明气体的内能增加,.,B,4,、影响内能大小的宏观因素和热力学第一定律在判断内能如何改变方面的区别与选取,影响内能大小的宏观因素有四个：即物体的质量、温度、体积和物态。可根据影响因素来比较两个物体内能的大小，也可以采用控制变量法来定性判断内能如何改变，如可以控制质量、体积和物体不变，由温度的升降来判断内能的增减。,改变内能两种方式和热力学第一定律从能量的角度来出发，不但可以定性分析判断内能如何改变，而且可以定量计算内能改变的多少。,两种途径都可以判断内能如何改变，在实际问题中究竟选哪一种方法来判断，,要根据题目已知的条件来决定，如题目同时提到吸放热及做功字眼优先考虑用热力学第一定律进行判断。,典例,:,某气体温度升高了（体积不变），可能的原因是（ ）,A.,气体一定吸收了热量,B.,气体可能放出了热量,C.,外界对气体做了功,D.,气体可能吸收了热量,解析：本题是影响物体内能大小的因素和改变物体内能两种方式的组合综合考查。考查的知识点有：（,1,）气体的内能仅由温度决定；（,2,）影响内能大小的因素：质量、物态、温度、体积；（,3,）热力学第一定律（,4,）判断外界对气体是否做功是通过气体体积变化来判断。解题方法是，先由影响气体内能大小的因素温度判断气体内能如何变化，然后由热力学第一定律判断做功和热传递。答案：气体温度升高，内能增大，体积不变外界对气体不做功，只有吸收热量。,2,能量守恒定律,探究点,【,讨论,1】,自然界中存在多种运动形式，每种运动形式都对应一种能量，请同学们讨论下列运动各对应的是什么能量？,机械运动,分子的热运动 电磁运动,【,问题,2】,这些不同的能量可以相互转化吗？举出日常生活中能量相互转化的例子吗？,【,问题,3】,物体从高处落下,子弹飞入木板中静止,它们原有的能量消失了吗？如果没有消失，那这些能量那里去了呢？,【,问题,4】,汽车启动加速,炉子上水壶里的水变最后热沸腾,是它们凭空产生了能量吗？如果不是，那这些能量从那里来的呢？,自然界存在着不同形式的能量。对应于不同的运动形式，能量也有不同的形式，如机械运动中有动能和势能，热运动中有内能等，它们分别以各种运动形式特定的状态参量来表示，当运动形式发生变化或运动量发生转移时，能量从一种形式转化为另一种形式，从一个系统传递给另一个系统，在转化和传递中总能量始终不变。,1,、内容：,大量的事实表明：能量既不会,凭空产生,，也不会,凭空消失,，它只能从一种形式,转化,为另一种形式，或者从一个物体,转移,到别的物体，在转化或转移的过程中其,总量不变,，这就是,能量守恒定律,能量守恒定律是一切自然现象都遵从的一条自然规律。它的确立,具有重大的理论意义，,一是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；二是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定量规律联系了起来；三是定律的确立，突破了人们关于物质运动的机械概念的范围，从本质上表明了各种物质运动形式之间相互转化的可能性，这样，能量转化定律就第一次在及其广阔的领域里把自然界中各种物质运动联系了起来。,能量守恒定律,2,、能量守恒定律的意义？,3,、 能量守恒定律与细胞学说、生物进化论一起列为,19,世纪的三大发现。,、是一个普遍适用的定律,4,、能量守恒定律的重要性,、将各种现象联系在一起,、指导着人们的生产、科研,、,19,世纪自然科学三大发现之一,5,、热力学第一定律与能量守恒定律,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。若热力学第一定律表达式的,U,不是只指系统的内能，而是表示系统所含的一切形式的能量（如机械能、内能、电磁能、化学能）时，,W,也表示各种形式的功（如机械的、电磁的、化学的功等），那么热力学第一定律就变成了普遍的能量守恒定律。二者的区别：能量守恒定律对宏观运动和微观现象均适用，而热力学第一定律只适用与热现象。,即时检测,2,返回,自由摆动的秋千摆动幅度越来越小，下列说法正确的是 （ ）,A.,秋千的机械能守恒,B.,秋千的能量正在消失,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：整个过程中只有机械能和内能之间的相互转化，根据能量守恒定律,D,答案正确。,D,例,2,：,水平马路上行驶的汽车，在发动机熄火后，速度越来越慢，最后停止。这一现象符合能的转化和守恒定律吗？如果符合，汽车失去的动能变成了什么？,分析：,汽车发动机熄火后，汽车要克服阻力做功，当所克服阻力做的功等于其熄火时的动能时，汽车即停止运动。在这一过程中，汽车克服阻力做的功要转变成地面、轮胎的内能，所以在这个过程中能量还是守恒的，是机械能转变成内能了。,3,永动机,探究点,【,引入,】,既然一切过程都遵从能量守恒，是否可以制造,如图的,这样一类装置,（它不需要任何动力或燃料，却能不断地对外做功）,并且加以利用？,第一类永动机：,不消耗任何能量，却可以源源不断地对外做功，这种机器叫永动机,.,人们把这种不消耗能量的永动机叫,第一类永动机,.,（不吃草的马）,动画：失败的永动机,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,U,2,U,1,W,，就是说，如果系统内能减少，即,U,2,U,1,，则,W,Q,2,点拨：,整个过程的内能不变，,E = 0,由热力学第一定律,E=W,总,+Q,总,=0,Q,总,= - W,总, Q,1,Q,2,=W,2,W,1,A,例题,5,、,如图所示,密闭绝热的具有一定质量的活塞,活塞的上部封闭着气体,下部为真空,活塞与器壁的摩擦忽略不计,置于真空中的轻弹簧的一端固定于理想气体容器的底部,.,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,E,P,(,弹簧处于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,气体达到平衡态,经过此过程,（ ）,A,E,P,全部转换为气体的内能,E,P,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,E,P,全部转换成活塞的重力势能和气体的内能,D,E,P,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,理想气体,D,一定质量的气体从外界吸收了,4.210,5,J,的热量，同时气体对外做了,610,5,J,的功，问：,(1),物体的内能是增加还是减少？变化量是多少？,(2),分子势能是增加还是减少？,(3),分子的平均动能是增加还是减少？,解析：,(1),气体从外界吸热为,Q,4.2,10,5,J,气体对外做功,W,6,10,5,J,由热力学第一定律,U,W,Q,(,6,10,5,J),(4.2,10,5,J),1.8,10,5,J,U,为负，说明气体的内能减少了,所以，气体内能减少了,1.8,10,5,J.,(2),因为气体对外做功，所以气体的体积膨胀，分子间的距离增大了，分子力做负功，气体分子势能增加了,(3),因为气体内能减少，同时气体分子势能增加，说明气体分子的平均动能一定减少了,答案：,(1),减少,1.8,10,5,J,(2),增加,(3),减少,一般研究常温常压气体时，往往忽略气体分子间作用力，对于一定质量的常温常压气体，下列过程可能发生的有,(,),A,气体膨胀对外做功，温度升高,B,气体吸热，温度降低,C,气体放热，温度升高,D,气体体积逐渐膨胀，同时向外放热，而气体温度升高,答案：,ABC,解析：,气体膨胀对外做功的过程中，,W,0,，由热力学第一定律,U,W,Q,知，只要,Q,W,0,即可，则,Q,0,，即气体从外界吸热,A,可能，,D,不可能气体吸热,Q,0,，温度降低，内能减小，,U,0,，由,U,W,Q,知，,W,0,，即该过程气体对外做功,B,过程可能发生，,C,过程也可能发生答案选,ABC.,有一个,10m,高的瀑布，水流在瀑布顶端时速度为,2m/s,，在瀑布底与岩石的撞击过程中，有,10%,的动能转化为水的内能，请问水的温度上升了多少摄氏度？,已知水的比热容为,4.210,3,J/(kg,),，,g,取,10m/s,2,答案：,2.410,3,点评：,搞清能量转化的物理情景及转化过程中的数量关系，从而由能量守恒定律来列方程求解,(2009,德州高二检测,),如图所示，一个质量为,20kg,的绝热汽缸竖直放置，绝热活塞的质量为,5kg,，处于静止状态时被封闭气体的高度为,50cm,，现在在活塞上方加一,15kg,的物体，待稳定后，被封闭气体的高度变为,40cm.,求在这一过程中气体的内能增加多少？,(,g,取,10m/s,2,，不考虑活塞的大气压力及摩擦阻力,),答案：,20J,解析：,由能的转化与守恒定律可知，内能的增加等于活塞和物体重力势能的减少，,U,E,(,M,m,),gh,(15,5),10,(50,40),10,2,20J.,约在,1670,年，英国赛斯特城的主教约翰,维尔金斯设计了一种磁力,“,永动机,”,，如图所示，在斜坡顶上放一块强有力的磁铁,M,，斜坡上端有一个小孔，斜面下有一个连接小孔直至底端的弯曲轨道，维尔金斯认为：如果在斜坡底放一个小铁球，那么由于磁铁的吸引，小铁球就会向上运动，当小球运动到小孔,P,处时，它就要掉下，再沿着斜面下的弯曲轨道返回斜坡底端,Q,，由于有速度而可以对外做功，然后又被磁铁吸回到上端，到小孔,P,处又掉下,请你分析一下，维尔金斯,“,永动机,”,能实现吗？,解析：,维尔金斯,“,永动机,”,不可能实现，因为它违背了能量守恒定律小球向上运动过程中，磁场力对小球做正功，使小球增加了机械能；但小球下落时，同样也受到了磁场力，而且磁场力做负功，这个负功与上升过程的正功相互抵消，可见维尔金斯,“,永动机,”,不可能源源不断地向外提供能量所以，维尔金斯,“,永动机,”,不可能实现,一位同学设计了一个自动工作的机器方案：把一根毛细管直立在水里，然后水能从低处上升到高处在低于高度,h,处把毛细管弯曲，在管口下方安装一个叶轮，利用从毛细管中滴出的水冲击叶轮，可使叶轮不停地转动,(,如图,),试评价论证这个设计方案,答案：,这个方案从表面上看似乎可行，实际上违背了能的转化和守恒定律，是不可能实现的因为这个方案如果能实现，就构成了可以不消耗能量而永远运动的机器,(,永动机,),大量的科学事实已证明，永动机是不可能制造成功的,在毛细管中的水，虽然能越过弯曲的管顶，但不会从管口流出,5,.,用热力学第一定律解释柴油机正常工作时压燃的原理,活塞压缩气体，活塞对气体做功，由于时间很短，散热可以不计，机械能转化为气体的内能，温度升高，达到柴油燃点，可“点燃”柴油。,