資源簡介

(共29張PPT)
3.1　熱力學(xué)第一定律
3.2　能量的轉(zhuǎn)化與守恒
1.知道熱力學(xué)第一定律?！?br/>2.理解能量守恒定律，能用能量守恒的觀點解釋自然現(xiàn)象。
3.體會能量守恒定律是最基本、最普遍的自然規(guī)律之一。
學(xué)習(xí)目標(biāo)
一、功、熱量與內(nèi)能
1.內(nèi)能：任何一個熱力學(xué)系統(tǒng)都必定存在一個只依賴于系統(tǒng)自身狀態(tài)的物理量，這個物理量在兩個狀態(tài)間的差別與外界在絕熱過程中對系統(tǒng)所做的功相聯(lián)系。我們把它稱為系統(tǒng)的內(nèi)能。
做功
(外界對物體做功)
(物體對外界做功)
熱傳遞
內(nèi)能增加
內(nèi)能減少
2.改變內(nèi)能的方式有兩種
放熱
吸熱
對內(nèi)
對外
內(nèi)能增加
內(nèi)能減少
(物體從外界吸熱)
(物體對外界放熱)
3.熱力學(xué)第一定律
(1)內(nèi)容：一個熱力學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)能增量等于外界向它傳遞的熱量與外界對它所做的功的和。
(2)意義：熱力學(xué)第一定律反映了功、熱量跟系統(tǒng)內(nèi)能改變之間的定量關(guān)系。
(3)數(shù)學(xué)表達式： ΔU= Q +W
ΔU ：物體內(nèi)能的增加量
Q： 物體吸收的熱量
W： 外界對物體做的功
(4)符號法則
①外界對系統(tǒng)做功，W > 0，即W為正值；系統(tǒng)對外界做功 ，W < 0，即W為負值；
②外界對系統(tǒng)傳遞熱量，Q > 0，即Q為正值；系統(tǒng)對外界傳遞熱量，Q > 0，即Q為負值；
③系統(tǒng)內(nèi)能增加， U > 0，即 U為正值；系統(tǒng)內(nèi)能減少， U < 0，即 U為負值。
(5)應(yīng)用注意事項
①注意分清W、Q的正負號，以便準確判斷 U的正、負。
②幾種特殊情況
a.若過程絕熱，則Q=0， U=W。
b.若過程不做功，則W=0， U=Q。
c.若過程始、末狀態(tài)物體的內(nèi)能不變，即 U=0，則W+Q=0。
【特別提醒】
(1)當(dāng)做功和熱傳遞同時發(fā)生時，物體的內(nèi)能可能增加，也可能減小，還可能保持不變。
(2)物體內(nèi)能發(fā)生變化可能是由做功引起的，也可能是由熱傳遞引起的，還可能是兩者共同作用的結(jié)果。
(7)解題步驟
①明確研究對象
②明確W、Q的正負
③ 根據(jù)熱力學(xué)定律列方程求解
④注意各量的正負及其物理意義
(6)判斷氣體是否做功的方法
一般情況下外界對系統(tǒng)做功與否，需要看物體的體積是否變化。
①若系統(tǒng)體積增大，表明系統(tǒng)對外界做功，W ＜ 0；
②若系統(tǒng)體積減小，表明外界對系統(tǒng)做功，W ＞ 0。
例1 一定質(zhì)量的氣體從外界吸收了4.2×105 J的熱量，同時氣體對外做了6×105 J的功，問：
(1)物體的內(nèi)能是增加還是減少？變化量是多少？
(2)分子勢能是增加還是減少？
(3)分子的平均動能是增加還是減少？
解析：(1)氣體從外界吸熱為Q＝4.2×105 J，
氣體對外做功W＝－6×105 J
由熱力學(xué)第一定律
ΔU＝W＋Q＝(－6×105 J)＋(4.2×105 J)＝－1.8×105 J
ΔU為負，說明氣體的內(nèi)能減少了，所以氣體內(nèi)能減少了1.8×105 J
(2)因為氣體對外做功，所以氣體的體積膨脹，分子間的距離增大了，分子力做負功，氣體分子勢能增加了。
(3)因為氣體內(nèi)能減少，同時氣體分子勢能增加，說明氣體分子的平均動能一定減少了。
答案：(1)減少　1.8×105 J　(2)增加　(3)減少
二、第一類永動機
歷史上一種永動機的設(shè)計
為什么第一類永動機不可能制成？
從能量守恒的角度看：根據(jù)能量守恒定律，任何一部機器，只能使能量從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，而不能無中生有地制造能量，因此第一類永動機是不可能制成的。
從熱力學(xué)第一定律的角度看：如果沒有外界熱源供給熱量，則有U2-U1=W ，就是說，如果系統(tǒng)內(nèi)能減少，即U2＜U1，則W ＜0，系統(tǒng)對外做功是要以內(nèi)能減少為代價的，若想源源不斷地做功，就必須使系統(tǒng)不斷回到初始狀態(tài)，在無外界能量供給的情況下，是不可能的。
例2 下列說法正確的是 ( )
A. 隨著科技的發(fā)展，永動機是可以制成的
B. 太陽照射到地球上的光能轉(zhuǎn)化成了其他形式的能量，但照射到宇宙空間的能量都消失了
C.“既要馬兒跑，又要馬兒不吃草”違背了能量守恒定律，因而是不可能的
D. 有種“全自動”手表，不用上發(fā)條，也不用任何形式的電源，卻能一直走動，說明能量可以憑空產(chǎn)生
解析：無論科技多么發(fā)達，違背能量守恒的第一類永動機不可能制成，A錯。能量是不會憑空消失的，也不會憑空產(chǎn)生，它只會從一種形式轉(zhuǎn)化為另外一種形式，B、D錯誤，故C正確。
答案：C
三、能量的轉(zhuǎn)化與守恒
1. 人類對能量的認識
時間 科學(xué)家 研究成果
1798 年 倫福德 熱的本質(zhì)是運動
1820 年 奧斯特 電流的磁效應(yīng)
1821 年 賽貝克 溫差電現(xiàn)象
1831 年 法拉第 電磁感應(yīng)現(xiàn)象
1836 年 蓋斯 化學(xué)反應(yīng)放出的熱量與反應(yīng)步驟無關(guān)
1841 年 焦耳 電流的熱效應(yīng)
1842 年 邁爾 表述了能量守恒定律
1843 年 焦耳 測定做功與傳熱的關(guān)系
1847 年 亥姆霍茲 在理論上概括和總結(jié)能量守恒定律
2. 能量守恒觀念的形成
(1)德國醫(yī)生邁爾通過對比不同地區(qū)人血顏色的差異，認識到食物中化學(xué)能與內(nèi)能的等效性，即生物體內(nèi)能量的輸入和輸出是平衡的。另外，他還通過海水在暴風(fēng)雨中較熱的現(xiàn)象，猜想熱與機械運動的等效性。他在1841年和1842年連續(xù)寫出“論‘自然力’（指能量）”的論文，并推算了多少熱與多少功相當(dāng)。因此，邁爾是公認的第一個提出能量守恒思想的人。
(2)焦耳的實驗精確地測量了做功與傳熱之間的等價關(guān)系，從而為能量守恒定律奠定了牢固的實驗基礎(chǔ)，也為能量守恒的定量描述邁出了重要的一步。
(3)亥姆霍茲從理論上把力學(xué)中的能量守恒原理推廣到熱、光、電、磁、化學(xué)反應(yīng)等過程，揭示了它們之間的統(tǒng)一性。
3.能量守恒定律
(1)內(nèi)容：能量既不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或者從一個物體轉(zhuǎn)移到別的物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中，能量的總量保持不變。
機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能
內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能
電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能
(2)能量守恒定律的歷史意義
①能量的轉(zhuǎn)化和守恒定律是19世紀自然科學(xué)中三大發(fā)現(xiàn)之一（能量守恒定律與電子的發(fā)現(xiàn)、達爾文的進化論并稱19世紀自然科學(xué)中三大發(fā)現(xiàn)），也莊嚴宣告了永動機幻想的徹底破滅。
②能量守恒定律是認識自然、改造自然的有力武器，這個定律將廣泛的自然科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域聯(lián)系起來，使不同領(lǐng)域的科學(xué)工作者有一系列的共同語言。
(3)說明
①自然界存在著多種不同形式的運動，每種運動對應(yīng)著一種形式的能量。
機械運動——機械能
熱運動——內(nèi)能
電荷運動——電能
化學(xué)運動——化學(xué)能
生物運動——生物能
原子核內(nèi)部的運動——原子能
②不同形式的能量之間可以相互轉(zhuǎn)化。
③能量守恒定律適用于任何物理現(xiàn)象和物理過程。
例3 如圖所示，直立容器內(nèi)部被隔板隔開的A、B兩部分氣體(A、B兩部分體積等大)，A的密度小，B的密度大，加熱氣體，并取出隔板使兩部分氣體混合均勻，設(shè)此過程中氣體吸熱為Q，氣體內(nèi)能的增量為ΔU，則(　　)
A.ΔU = Q
B.ΔU < Q
C.ΔU > Q
D.無法比較
解析：因A部分氣體密度小，B部分氣體密度大，以整體為研究對象，開始時，氣體的重心在中線以下，混合均勻后，氣體的重心在中線上，所以有重力做負功，使氣體的重力勢能增大，由能量守恒定律可知，吸收的熱量Q有一部分轉(zhuǎn)化為氣體的重力勢能，另一部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。故正確答案為B。
答案：B
1.下列說法正確的是(　　)
A．物體放出熱量，其內(nèi)能一定減小
B．物體對外做功，其內(nèi)能一定減小
C．物體吸收熱量，同時對外做功，其內(nèi)能可能增加
D．物體放出熱量，同時對外做功，其內(nèi)能可能不變
隨堂檢測
解析：物體放出熱量，若外界對物體做功的數(shù)值大于放出的熱量，內(nèi)能可能增加，故A錯誤；物體對外做功，若同時從外界吸收的熱量大于做功的數(shù)值，則內(nèi)能增加，故B錯誤；物體吸收熱量，同時對外做功W，如二者相等，則內(nèi)能可能不變，若Q＞W(wǎng)，則內(nèi)能增加，若W＞Q，則內(nèi)能減少，故C正確；物體放出熱量，Q＜0，同時對外做功，W＜0，則ΔU＜0，故內(nèi)能一定減少，故D錯誤。
答案：C
2.圖為某種椅子與其升降部分的結(jié)構(gòu)示意圖，M、N兩筒間密閉了一定質(zhì)量的氣體，M可沿N的內(nèi)壁上下滑動，設(shè)筒內(nèi)氣體不與外界發(fā)生熱交換，在M向下滑動的過程中(　　)
A．外界對氣體做功，氣體內(nèi)能增大
B．外界對氣體做功，氣體內(nèi)能減小
C．氣體對外界做功，氣體內(nèi)能增大
D．氣體對外界做功，氣體內(nèi)能減小
解析：筒內(nèi)氣體不與外界發(fā)生熱交換，當(dāng)氣體體積變小時，則外界對氣體做功，外界對氣體做功使氣體的內(nèi)能增大，A正確。
答案：A
3.如圖所示是封閉的氣缸，內(nèi)部封閉有一定質(zhì)量的理想氣體．外力推動活塞P壓縮氣體，對汽缸內(nèi)氣體做功800 J，同時氣體向外界放熱200 J，則汽缸內(nèi)氣體的(　　)
A．溫度升高，內(nèi)能增加600 J
B．溫度升高，內(nèi)能減少200 J
C．溫度降低，內(nèi)能增加600 J
D．溫度降低，內(nèi)能減少200 J
解析：由熱力學(xué)第一定律：ΔU＝W＋Q得ΔU＝800 J＋(－200 J)＝600 J，一定質(zhì)量的理想氣體的內(nèi)能大小只與溫度有關(guān)，ΔU＝600 J>0，故溫度一定升高，A選項正確。
答案：A

展開更多......

收起↑