資源簡介

(共22張PPT)
3.2　熱力學第一定律
3.3　能量守恒定律
1.理解熱力學第一定律，會用ΔU＝W＋Q解決相關問題．　　
2.解能量守恒定律的發現過程．　
3.理解能量的轉化與守恒定律，會用能量的觀點解釋自然現象．
學習目標
知識點一　熱力學第一定律
1．改變物體內能的兩種方式：做功和熱傳遞．
2．物體內能的改變
(1)如果物體與外界無熱傳遞，若外界對物體做功，則物體的內能增加；若物體對外做功，物體的內能減少．
(2)如果物體既不對外做功，外界也不對物體做功，則物體吸收熱量時，它的內能增加；物體放出熱量時，它的內能減少．
3．熱力學第一定律
(1)內容：物體內能的增加量ΔU等于外界對物體所做的功W與物體從外界吸收的熱量Q之和．
(2)表達式：ΔU＝W＋Q．
4．熱力學第一定律的意義
(1)內能的變化必然伴隨有做功或熱傳遞．
(2)一切涉及熱現象的宏觀過程中，能量可以發生轉移或轉化，此過程中總能量守恒．
1.邁爾的發現
體力和體熱必定來源于食物中的化學能，內能、化學能、機械能都是等價的，是可以相互轉化的，如果動物體的能量輸入與支出是平衡的，那么，所有這些形式的能在量上必定是守恒的．
2.焦耳的研究
(1)確定了電能向內能轉化的定量關系．
(2)用了近40年的時間，不懈地鉆研熱功轉換問題，為能量守恒定律提供了無可置疑的證據．
知識點二　能量守恒定律
(3)亥姆霍茲的貢獻
從理論上把力學中的能量守恒原理推廣到熱、光、電、磁、化學反應等過程，揭示了它們之間的統一性．
4.能量守恒定律
(1)內容：能量既不會消失，也不會創生，它只能從一種形式轉化為另一種形式，或者從一個物體轉移到另一個物體，而能量的總值保持不變．
(2)意義：揭示了自然科學各個分支之間的普遍聯系，是自然界內在統一性的第一個有力證據．
(3)應用
①各種形式的能可以轉化，但能量在轉化過程中總伴有內能的損失．
②各種互不相關的物理現象，可以用能量守恒定律聯系在一起．
1．概念：不消耗任何能量而能永遠對外做功的機器．
2．結果：17～18世紀，人們提出了許多永動機設計方案，但都以失敗而告終．
3．原因：設想能量能夠無中生有地創造出來，違背了熱力學第一定律．
4．啟示：人類利用和改造自然時，必須遵循自然規律．
知識點三　永動機不可能制成
[情景導學]
如圖所示，一定質量的理想氣體由a狀態變化到b狀態，請在圖象基礎上思考以下問題：
(1)在變化過程中氣體對外做功，還是外界對氣體做功？
(2)在變化過程中氣體吸熱，還是向外放熱？氣體內能增加了，還是減少了？
提示：(1)氣體對外做功．(2)吸熱；內能增加．
考點探究一 熱力學第一定律
1．對ΔU＝W＋Q的理解
熱力學第一定律將單純的絕熱過程和單純的熱傳遞過程推廣到一般情況，既有做功又有熱傳遞的過程，其中ΔU表示內能改變的數量，W表示做功的數量，Q表示外界與物體間傳遞的熱量．
2．對公式ΔU、Q、W符號的規定
W Q ΔU
正號 外界對物體做功 物體吸收熱量 內能增加
負號 物體對外界做功 物體放出熱量 內能減少
3．應用熱力學第一定律解題的一般步驟
(1)首先選定研究對象是哪個物體或哪個熱力學系統．
(2)根據符號法則寫出各已知量(W、Q、ΔU)的正、負．
(3)根據方程ΔU＝W＋Q求出未知量．
(4)再根據未知量結果的正、負來確定吸熱、放熱情況或做功情況．
【例1】 (1)一定量的氣體從外界吸收了2.6×105 J 的熱量，內能增加了4.2×105 J，是氣體對外界做功，還是外界對氣體做功？做了多少功？
(2)一定質量的氣體，從外界吸收3.5×105 J的熱量，同時氣體對外界做功2.3×105 J，則氣體的內能怎樣變化？
解析：(1)根據熱力學第一定律表達式中的符號法則，知Q＝2.6×105 J，ΔU＝4.2×105 J．由ΔU＝W＋Q，
則W＝ΔU－Q＝4.2×105 J－2.6×105 J＝1.6×105 J．
W＞0，說明是外界對氣體做了功．
(2)Q＝3.5×105 J，W＝－2.3×105 J，
則ΔU＝Q＋W＝1.2×105 J，
ΔU為正值，說明氣體的內能增加1.2×105 J．
答案：(1)外界對氣體做功　1.6×105 J　(2)增加了1.2×105 J
規律方法——氣體狀態變化與物理量對應方法
(1)絕熱過程：氣體與外界沒有熱交換．
(2)導熱良好：氣體與外界有熱交換，且與外界溫度保持相同．
(3)體積減小，外界對氣體做功；體積增大(不是對真空膨脹)，氣體對外界做功．
(4)溫度升高，理想氣體的內能增加；溫度降低，理想氣體的內能減少．
[情景導學]
(1)有一種所謂的“全自動”機械手表，既不需要上發條，也不用任何電源，卻能不停地走下去．這是不是一種永動機呢？如果不是，你知道維持表針走動的能量是哪兒來的嗎？
(2)熱力學第一定律與能量守恒定律是什么關系？
考點探究二 能量守恒定律
提示：(1)不是永動機．能量是通過擺動手臂對表內的轉輪做功而儲存的．
(2)能量守恒定律是各種形式的能相互轉化或轉移的過程，總能量保持不變，它包括各個領域，其范圍廣泛．熱力學第一定律是物體內能與其他形式的能之間的相互轉化或轉移，是能量守恒定律的具體體現．
1．對能量守恒定律的理解
(1)各種形式的能在轉化和轉移過程中總量守恒無須任何條件，而某種或幾種形式的能的守恒是有條件的．例如：物體的機械能守恒，必須是只有重力或彈力做功．
(2)意義：能量守恒定律的發現，使人們進一步認識到，任何一部機器，只要對外做功，都要消耗能量，都只能使能量從一種形式轉化為其他形式，或者從一個物體轉移到其他物體，而不能無中生有地創造能量．不消耗能量，卻可以源源不斷地對外做功的機器(第一類永動機)是不可能制成的．
2．第一類永動機失敗的原因分析：如果沒有外界熱源供給熱量，則有U2－U1＝W，就是說，如果系統內能減少，即U2【例2】水能不產生污染物，是一種清潔能源．某瀑布的流量可達每秒6 000 m3，而且一年四季流量穩定，瀑布落差50 m．若利用這一資源發電，設其效率為50%，估算發電機的輸出功率．(g取10 m/s2)
解析：水力發電的基本原理是水的機械能轉化為電能．
每秒鐘流下的水的質量為：
m＝ρV＝1×103×6 000 kg＝6×106 kg．
每秒鐘水減少的機械能為：
E＝mgh＝6×106×10×50 J＝3×109 J．
設發電機的輸出功率為P，則由能量守恒定律可得：
Eη＝Pt．
解得：P＝3×109×50%W＝1.5×109 W．
答案：1.5×109 W
規律方法——應用能量守恒定律的思路方法
(1)能量守恒的核心是總能量不變，因此在應用能量守恒定律時應首先分清系統中哪些能量在相互轉化，是通過哪些力做功實現的，這些能量分別屬于哪些物體，然后再尋找合適的守恒方程式．
(2)在應用能量守恒定律分析問題時，應明確兩點：
①哪種形式的能量減少，哪種形式的能量增加．
②哪個物體的能量減少，哪個物體的能量增加．

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