第3講熱力學(xué)第一定律能量守恒定律 目標(biāo)定位1 理解熱力學(xué)第一定律 并掌握其表達(dá)式 2 能運(yùn)用熱力學(xué)第一定律解釋自然界能量的轉(zhuǎn)化 轉(zhuǎn)移問(wèn)題 3 理解能量守恒定律 知道能量守恒定律是自然界普遍遵從的基本規(guī)律 4 知道第一類(lèi)永動(dòng)機(jī)是不可能制成的 預(yù)習(xí)導(dǎo)學(xué)梳理 識(shí)記 點(diǎn)撥 1 內(nèi)容 一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)能增量等于外界向它傳遞的與外界對(duì)它所做的的和 2 數(shù)學(xué)表達(dá)式 U 一 熱力學(xué)第一定律 熱量 功 Q W 二 能量守恒定律 1 大量事實(shí)表明 各種形式的能量可以相互轉(zhuǎn)化 并且在轉(zhuǎn)化過(guò)程中總量保持 2 能量既不能憑空 也不能憑空 它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式 或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到別的物體 在轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的過(guò)程中 能量的總量 3 能量守恒定律是自然界中最普遍 最重要的規(guī)律之一 不變 產(chǎn)生 消失 保持不變 三 永動(dòng)機(jī)不可能制成 1 第一類(lèi)永動(dòng)機(jī) 人們把設(shè)想的不消耗的機(jī)器稱(chēng)為第一類(lèi)永動(dòng)機(jī) 2 第一類(lèi)永動(dòng)機(jī)由于違背了 所以不可能制成 能量 能量守恒定律 課堂講義理解 深化 探究 一 熱力學(xué)第一定律 1 對(duì)熱力學(xué)第一定律的理解 1 對(duì) U W Q的理解 做功和熱傳遞都可以改變內(nèi)能 如果系統(tǒng)跟外界同時(shí)發(fā)生做功和熱傳遞的過(guò)程 那么外界對(duì)系統(tǒng)所做的功W加上物體從外界吸收的熱量Q等于系統(tǒng)內(nèi)能的增加 U 即 U Q W 2 對(duì) U Q W符號(hào)的規(guī)定 功W 外界對(duì)系統(tǒng)做功 W 0 即W為正值 系統(tǒng)對(duì)外界做功 W0 系統(tǒng)放熱為負(fù) Q0 即 U為正值 系統(tǒng)內(nèi)能減少 U 0 即 U為負(fù)值 2 判斷是否做功的方法一般情況下外界對(duì)系統(tǒng)做功與否 需看系統(tǒng)的體積是否變化 1 若系統(tǒng)體積增大 表明系統(tǒng)對(duì)外界做功 W0 例1空氣壓縮機(jī)在一次壓縮中 活塞對(duì)空氣做了2 105J的功 同時(shí)空氣的內(nèi)能增加了1 5 105J 這一過(guò)程中空氣向外界傳遞的熱量是多少 解析選擇被壓縮的空氣為研究對(duì)象 根據(jù)熱力學(xué)第一定律有 U W Q 由題意可知W 2 105J U 1 5 105J 代入上式得Q U W 1 5 105J 2 105J 5 104J 負(fù)號(hào)表示空氣向外釋放熱量 即空氣向外界傳遞的熱量為5 104J 答案5 104J 借題發(fā)揮應(yīng)用熱力學(xué)第一定律解題的一般步驟 1 明確研究對(duì)象是哪個(gè)物體或者是哪個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng) 2 分別列出物體或系統(tǒng)吸收或放出的熱量 外界對(duì)物體或系統(tǒng)所做的功或物體或系統(tǒng)對(duì)外所做的功 3 根據(jù)熱力學(xué)第一定律 U Q W列出方程進(jìn)行求解 4 特別注意的是物理量的正負(fù)號(hào)及其物理意義 針對(duì)訓(xùn)練一定量的氣體在某一過(guò)程中 外界對(duì)氣體做了8 104J的功 氣體的內(nèi)能減少了1 2 105J 則下列各式中正確的是 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 解析因?yàn)橥饨鐚?duì)氣體做功 W取正值 即W 8 104J 內(nèi)能減少 U取負(fù)值 即 U 1 2 105J 根據(jù)熱力學(xué)第一定律 U W Q 可知Q U W 1 2 105J 8 104J 2 105J B選項(xiàng)正確 答案B 二 能量守恒定律 1 不同形式的能量之間可以相互轉(zhuǎn)化 1 各種運(yùn)動(dòng)形式都有對(duì)應(yīng)的能 如機(jī)械運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)機(jī)械能 分子熱運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)內(nèi)能等 2 不同形式的能量之間可以相互轉(zhuǎn)化 如 摩擦生熱 機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能 電爐取熱 電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能等 2 能量守恒定律及意義各種不同形式的能之間相互轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移時(shí)能量的總量保持不變 意義 一切物理過(guò)程都適用 比機(jī)械能守恒定律更普遍 是19世紀(jì)自然科學(xué)的三大發(fā)現(xiàn)之一 3 第一類(lèi)永動(dòng)機(jī)是不可能制成的 1 不消耗能量而能源源不斷地對(duì)外做功的機(jī)器 叫第一類(lèi)永動(dòng)機(jī) 因?yàn)榈谝活?lèi)永動(dòng)機(jī)違背了能量守恒定律 所以無(wú)一例外地歸于失敗 2 永動(dòng)機(jī)給我們的啟示人類(lèi)利用和改造自然時(shí) 必須遵循自然規(guī)律 例2如圖1所示 直立容器內(nèi)部被隔板隔開(kāi)的A B兩部分氣體 A的密度小 B的密度大 加熱氣體 并使兩部分氣體混合均勻 設(shè)此過(guò)程中氣體吸熱為Q 氣體內(nèi)能的增量為 U 則 A U QB UQD 無(wú)法比較 圖1 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(duì)象 開(kāi)始時(shí) 氣體的重心在中線(xiàn)以下 混合均勻后 氣體的重心應(yīng)在中線(xiàn)上 所以有重力做負(fù)功 使氣體的重力勢(shì)能增大 由能量守恒定律可知 吸收的熱量Q有一部分增加氣體的重力勢(shì)能 另一部分增加內(nèi)能 故正確答案為B 答案B 三 氣體實(shí)驗(yàn)定律和熱力學(xué)第一定律的綜合應(yīng)用 氣體實(shí)驗(yàn)定律和熱力學(xué)第一定律的結(jié)合點(diǎn)是溫度和體積 注意三種特殊過(guò)程的特點(diǎn) 1 等溫過(guò)程 內(nèi)能不變 U 02 等容過(guò)程 體積不變 W 03 絕熱過(guò)程 Q 0 例3如圖2所示 倒懸的導(dǎo)熱汽缸中封閉著一定質(zhì)量的理想氣體 輕質(zhì)活塞可無(wú)摩擦地上下移動(dòng) 活塞的橫截面積為S 活塞的下面吊著一個(gè)重為G的物體 大氣壓強(qiáng)恒為p0 起初環(huán)境的熱力學(xué)溫度為T(mén)0時(shí) 活塞到汽缸底面的距離為L(zhǎng) 當(dāng)環(huán)境溫度逐漸升高 導(dǎo)致活塞緩慢下降 該過(guò)程中活塞下降了0 1L 汽缸中的氣體吸收的熱量為Q 求 圖2 1 汽缸內(nèi)部氣體內(nèi)能的增量 U 密封氣體對(duì)外做功W pS 0 1L由熱力學(xué)第一定律 U Q W得 U Q 0 1p0SL 0 1LG 答案Q 0 1p0SL 0 1LG 2 最終的環(huán)境溫度T 解析該過(guò)程是等壓變化 由蓋 呂薩克定律有 解得T 1 1T0 答案1 1T0 對(duì)點(diǎn)練習(xí)鞏固 應(yīng)用 反饋 熱力學(xué)第一定律的理解和應(yīng)用 1 一定量的氣體從外界吸收了2 6 105J的熱量 內(nèi)能增加了4 2 105J 1 是氣體對(duì)外界做了功 還是外界對(duì)氣體做了功 做了多少焦耳的功 1 2 3 4 解析根據(jù) U W Q得W U Q 將Q 2 6 105J U 4 2 105J代入式中得 W 1 6 105J 0 說(shuō)明外界對(duì)氣體做了1 6 105J的功 答案見(jiàn)解析 2 如果氣體吸收的熱量仍為2 6 105J不變 但是內(nèi)能增加了1 6 105J 計(jì)算結(jié)果W 1 0 105J 是負(fù)值 怎樣解釋這個(gè)結(jié)果 1 2 3 4 解析如果吸收的熱量Q 2 6 105J 內(nèi)能增加了1 6 105J 即 U 1 6 105J 則W 1 0 105J 說(shuō)明氣體對(duì)外界做功 答案見(jiàn)解析 3 在熱力學(xué)第一定律 U W Q中 W Q和 U為正值 負(fù)值各代表什么物理意義 1 2 3 4 解析在公式 U W Q中 U 0 物體內(nèi)能增加 U0 物體吸熱 Q0 外界對(duì)物體做功 W 0 物體對(duì)外界做功 答案見(jiàn)解析 2 關(guān)于內(nèi)能的變化 以下說(shuō)法正確的是 A 物體吸收熱量 內(nèi)能一定增大B 物體對(duì)外做功 內(nèi)能一定減少C 物體吸收熱量 同時(shí)對(duì)外做功 內(nèi)能可能不變D 物體放出熱量 同時(shí)對(duì)外做功 內(nèi)能可能不變 1 2 3 4 解析根據(jù)熱力學(xué)第一定律 U W Q 物體內(nèi)能的變化與做功及熱傳遞兩個(gè)因素均有關(guān) 物體吸收熱量 內(nèi)能不一定增大 因?yàn)槲矬w可能同時(shí)對(duì)外做功 故內(nèi)能有可能不變或減少 A錯(cuò) 物體對(duì)外做功 還有可能吸收熱量 內(nèi)能可能不變或增大 B錯(cuò) C正確 放出熱量 同時(shí)對(duì)外做功 內(nèi)能一定減少 D錯(cuò)誤 答案C 1 2 3 4 能量守恒定律的理解和應(yīng)用 3 自由擺動(dòng)的秋千擺動(dòng)幅度越來(lái)越小 下列說(shuō)法正確的是 A 機(jī)械能守恒B 能量正在消失C 只有動(dòng)能和重力勢(shì)能的相互轉(zhuǎn)化D 減少的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能 但總能量守恒 1 2 3 4 解析自由擺動(dòng)的秋千擺動(dòng)幅度減小 說(shuō)明機(jī)械能在減少 減少的機(jī)械能等于克服阻力做的功 增加了內(nèi)能 1 2 3 4 答案D 氣體實(shí)驗(yàn)定律和熱力學(xué)第一定律的結(jié)合 4 如圖3所示 兩個(gè)截面積都為S的圓柱形容器 右邊容器高為H 上端封閉 左邊容器上端是一個(gè)可以在容器內(nèi)無(wú)摩擦滑動(dòng)的質(zhì)量為M的活塞 兩容器由裝有閥門(mén)的極細(xì)管道相連 容器 活塞和細(xì)管都是絕熱的 開(kāi)始時(shí)閥門(mén)關(guān)閉 左邊容器中裝有理想氣體 平衡時(shí)活塞到容器底的距離為H 右邊容 1 2 3 4 圖3 器內(nèi)為真空 現(xiàn)將閥門(mén)緩慢打開(kāi) 活塞便緩慢下降 直至系統(tǒng)達(dá)到新的平衡 此時(shí)理想氣體的溫度增加為