高中物理 热力学第一定律 能量的转化与守恒课件 鲁科版选修3-3.ppt

高中物理 选修3 3 鲁科版 第5章热力学定律第1节热力学第一定律第2节能量的转化与守恒 目标定位 1 掌握热力学第一定律 并会应用于解决相关问题 2 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 3 知道第一类永动机不可能制成的原因 一 热力学第一定律及应用1 改变物体内能的两种方式 和 2 功 热量和内能改变的关系 1 如果物体与外界无热传递 外界对物体做功 物体的内能 物体对外做功 物体的内能 2 如果物体既不对外做功 外界也不对物体做功 则物体从外界吸收热量时 它的内能 物体向外放出热量时 它的内能 做功 热传递 增加 减小 增加 减少 3 热力学第一定律 1 内容 物体内能的增加量 U等于外界对物体与物体从外界之和 2 表达式 U 4 热力学第一定律的意义 1 内能的变化必然伴随有或 2 一切涉及热现象的宏观过程中 能量可以发生或 此过程中总能量守恒 所做的功W 吸收的热量Q W Q 做功 热传递 转移 转化 二 第一类永动机1 定义 不消耗而能永远对外做功的机器 2 热力学第一定律的另一表述 第一类永动机是的 任何能量 不可能实现 三 能量守恒定律及其应用1 内容 能量既不会消失 也不会创生 它只能从一种形式为另一种形式 或者从一个物体到另一个物体 而能量的总值 2 意义 揭示了自然科学各个分支之间的普遍联系 是自然界内在的第一个有力证据 转化 转移 保持不变 统一性 3 应用 1 各种形式的能量可以转化 在转化过程中 自然界能量的 2 能量在转化过程中总伴有的损失 3 除核能以外 人类利用的能量都来源于 总和不变 内能 太阳能 一 热力学第一定律的理解和应用1 对 U W Q的理解 热力学第一定律将单纯的绝热过程和单纯的热传递过程推广到一般情况 既有做功又有热传递的过程 其中 U表示内能改变的数量 W表示做功的数量 Q表示外界与物体间传递的热量 2 对公式 U Q W符号的规定 3 应用热力学第一定律解题的一般步骤 1 首先选定研究对象是哪个物体或哪个热力学系统 2 根据符号法则写出各已知量 W Q U 的正 负 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 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 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 U 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 104J的功 气体的内能减少了1 2 105J 则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B 解析因为外界对气体做功 W取正值 即W 8 104J 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 B选项正确 二 气体实验定律和热力学第一定律的结合1 判断对气体做功正 负的方法 1 若气体体积增大 表明气体对外界做功 W0 2 几种常见的气体变化过程 1 绝热过程 过程是绝热的 则Q 0 W U 外界对物体做功等于物体内能的增加 2 等容过程 过程是不做功 则W 0 则Q U 物体吸收的热量等于物体内能的增加 3 等温过程 在过程的始 末状态 物体的内能不变 即 U 0 则W Q 0或W Q 表示吸收的热量全部用来做功或外界对气体所做的功全部转换为热量放出 例2 如图5 1 2 1所示 倒悬的导热汽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 活塞到汽缸底面的距离为L 当环境温度逐渐升高 导致活塞缓慢下降 该过程中活塞下降了0 1L 汽缸中的气体吸收的热量为Q 求 1 汽缸内部气体内能的增量 U 2 最终的环境温度T 答案 1 Q 0 1p0SL 0 1LG 2 1 1T0 图5 1 2 1 三 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 因为第一类永动机违背了能量守恒定律 或热力学第一定律 所以无一例外地归于失败 例3 如图5 1 2 2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 U 则 A U QB UQD 无法比较答案B 图5 1 2 2 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 例4 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 违背了能量转化与守恒定律C 没有合理的设计方案D 找不到合适的材料答案B