1、3 3熱力學第一定律熱力學第一定律能量守恒定律能量守恒定律讀一讀思一思辨一辨議一議一、熱力學第一定律閱讀教材第54頁“熱力學第一定律”部分,知道內能的改變有哪兩種方式,知道熱力學第一定律的內容和表達式。1.改變內能的方式有幾種?它們有什么區別和聯系?答案:改變內能的兩種方式:做功與熱傳遞。聯系:兩者在改變系統內能方面是等效的,一定數量的功與確定數量的熱相對應。區別:做功是內能與其他形式能量的相互轉化,而熱傳遞只是不同物體(或一個物體的不同部分)之間內能的轉移。2.熱力學第一定律的內容是什么?答案:一個熱力學系統的內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。3.熱力學第一定律的表達式:

2、U=Q+W讀一讀思一思辨一辨議一議二、能量守恒定律閱讀教材第54頁“能量守恒定律”部分,知道能量守恒定律的內容是什么,了解能量守恒定律的意義。1.內容:能量既不會憑空產生,也不會憑空消失,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別的物體,在轉化或轉移的過程中,能量的總量保持不變。2.意義(1)能量守恒定律告訴我們,各種形式的能量可以相互轉化。(2)各種互不相關的物理現象力學的、熱學的、電學的、磁學的、光學的、化學的、生物學的等可以用能量守恒定律聯系在一起。讀一讀思一思辨一辨議一議三、永動機不可能制成閱讀教材第5556頁“永動機不可能制成”部分,知道什么是第一類永動機,了解第一類永

3、動機不可能制成的原因。1.第一類永動機:人們設想中的不需要任何動力或燃料,卻能不斷地對外做功的機器。2.第一類永動機不可制成的原因:違背了能量守恒定律。讀一讀思一思辨一辨議一議1.思考辨析。(1)某個物體的能量減少,必然有其他物體的能量增加。 ()解析:能量在不同的物體間發生轉移,在轉移的過程中能量守恒。答案:(2)石子從空中落下,最后停止在地面上,說明機械能消失了。 ()解析:石子在下落過程中,機械能在轉化,但機械能并沒有消失,而是轉化成了其他形式的能量。答案:讀一讀思一思辨一辨議一議(3)自由擺動的秋千擺動的幅度越來越小,減少的機械能轉化為內能,但總能量守恒。 ()解析:秋千在擺動過程中,

4、機械能轉化為秋千和周圍空氣的內能,但總能量守恒。答案:(4)違背能量守恒定律的過程是一定不會發生的。 ()解析:能量守恒定律是自然界普遍遵守的法則,在所有能量轉化或轉移的過程中,總能量不變。答案:讀一讀思一思辨一辨議一議2.探究討論。(1)氣體膨脹對外做功120 J,同時從外界吸收100 J的熱量,它的內能的變化是多少?答案:根據熱力學第一定律U=W+Q=-120 J+100 J=-20 J,所以減小20 J。(2)下面的永動機能實現嗎?答案:不能,違反了能量守恒定律。讀一讀思一思辨一辨議一議(3)熱力學第一定律與能量守恒定律是什么關系?答案:能量守恒定律是各種形式的能相互轉化或轉移的過程,總

5、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。探究一探究二問題導引問題導引1.一個物體,它既沒有吸收熱量也沒有放出熱量,那么:(1)如果外界對物體做的功為W,則它的內能如何變化?變化了多少?(2)如果物體對外界做的功為W,則它的內能如何變化?變化了多少?要點提示要點提示(1)一個物體,如果它既沒有吸收熱量也沒有放出熱量,那么外界對它做功為W,它的內能就增加W;(2)物體對外界做功為W,它的內能就減少W。探究一探究二2.一個物體,外界既沒有對它做功,它也沒有對外界做功,那么:(1)如果物體從外界吸收熱量Q,它的內能

6、如何變化?變化了多少?(2)如果物體向外界放出熱量Q,它的內能如何變化?變化了多少?要點提示要點提示(1)如果外界既沒有對物體做功,物體也沒有對外界做功,那么物體從外界吸收熱量Q,它的內能就增加Q;(2)物體向外界放出熱量Q,它的內能就減少Q。3.如果某一過程中,物體跟外界同時發生了做功和熱傳遞,那么,該物體內能的變化U與熱量Q及做的功W之間又滿足怎樣的關系呢?要點提示要點提示U=W+Q。該式表示的是功、熱量跟內能改變之間的定量關系,在物理學中叫作熱力學第一定律。探究一探究二名師精講名師精講1.熱力學第一定律的意義熱力學第一定律不僅反映了做功和熱傳遞這兩種改變內能的過程是等效的,而且給出了內能

7、的變化量和做功與熱傳遞之間的定量關系。此定律是標量式,應用時熱量的單位應統一為國際單位制中的焦耳。2.熱力學第一定律的符號法則探究一探究二3.幾種特殊情況(1)若過程是絕熱的,則Q=0,W=U,外界對物體做的功等于物體內能的增加。(2)若過程中不做功,即W=0,則Q=U,物體吸收的熱量等于物體內能的增加。(3)若過程的始末狀態物體的內能不變,即U=0,則W+Q=0或W=-Q,外界對物體做的功等于物體放出的熱量。4.判斷外界是否對氣體做功的方法一般情況下外界對氣體做功與否,需看氣體的體積是否變化。(1)若氣體體積增大,表明氣體對外界做功,W0。探究一探究二典例剖析典例剖析【例題1】 導學號導學號

8、若將氣泡內的氣體視為理想氣體,氣泡從湖底緩慢上升到湖面的過程中,對外界做了0.6 J的功,(設湖水的溫度相等且保持不變)(1)氣泡上升過程中吸收的熱量是多少?(2)氣泡到達湖面后,由于太陽的照射,在溫度上升的過程中又對外界做了0.1 J的功,同時吸收了0.3 J的熱量,則此過程中,氣泡內氣體內能增加了多少?【思考問題】 湖水溫度不變,說明了什么?提示氣泡由湖底上升到水面過程中氣體內能不變。探究一探究二解析:(1)氣體溫度不變,內能不變,由熱力學第一定律U=Q+W,則Q=U-W=0-(-0.6 J)=0.6 J;(2)由熱力學第一定律得U=Q+W=0.3 J+(-0.1 J)=0.2 J,內能增

9、加0.2 J。答案:(1)0.6 J(2)0.2 J歸納總結歸納總結 應用熱力學第一定律解題的方法(1)首先應明確研究對象是哪個物體或者是哪個熱力學系統;(2)分別列出物體(或系統)吸收或放出的熱量,外界對物體(或系統)所做的功或物體(或系統)對外所做的功;(3)根據熱力學第一定律U=Q+W列出方程進行求解;(4)特別注意的就是物理量的正負號及其物理意義。探究一探究二變式訓練變式訓練1一定量的理想氣體在某一過程中,外界對氣體做了8104 J的功,氣體的內能減少了1.2105 J,則下列各式中正確的是()A.W=8104 J,U=1.2105 J,Q=4104 JB.W=8104 J,U=-1.

10、2105 J,Q=-2105 JC.W=-8104 J,U=1.2105 J,Q=2104 JD.W=-8104 J,U=1.2105 J,Q=-4104 J解析:由符號法則可知,外界對氣體做功W取正,氣體內能減少,U為負值,代入熱力學第一定律表達式得Q=-2105 J。故選項B正確。答案:B探究一探究二問題導引問題導引1.不耗油的汽車能不能制成,為什么?不消耗能量的汽車呢?要點提示要點提示前者能制成而后者不能制成。這是因為可以用太陽能、電能等能源代替石油能源制造出太陽能汽車、電動汽車等,但是不消耗任何能量的汽車不可能制成,因為它違背能量守恒定律。探究一探究二2.有一種所謂的“全自動”機械手表

11、,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?如果不是,維持表針走動的能量是從哪兒來的?要點提示要點提示這不是永動機。手表戴在手腕上,通過手臂的運動,機械手表獲得能量,供手表指針走動。若將此手表長時間放置不動,它就會停下來。探究一探究二名師精講名師精講1.能量的存在形式及相互轉化各種運動形式都有對應的能:機械運動有機械能,分子的熱運動有內能,還有諸如電磁能、化學能、原子能等。各種形式的能,通過某種力做功可以相互轉化。例如:利用電爐取暖或燒水,電能轉化為內能;煤燃燒,化學能轉化為內能;列車剎車后,輪子溫度升高,機械能轉化為內能等。2.能量守恒的條件與某種運動形式對應的能

12、是否守恒是有條件的。例如:物體的機械能守恒,必須是只有重力做功;而能量守恒定律是沒有條件的,它是一切自然現象都普遍遵守的基本規律。探究一探究二3.能量守恒定律的重要意義(1)找到了各種自然現象的公共量度能量,從而把各種自然現象用定量的規律聯系起來,揭示了自然規律的多樣性和統一性。(2)突破了人們關于物質運動的認識范圍,從本質上表明了各種運動形式之間相互轉化的可能性。能量守恒定律比機械能守恒定律更普遍,它是物理學中解決問題的重要思維方法。能量守恒定律與細胞學說、生物進化論并稱19世紀自然科學中三大發現,其重要意義由此可見。(3)具有重大實踐意義,即徹底粉碎了永動機的幻想。探究一探究二4.能量守恒

13、定律中的“轉化”和“轉移”(1)某種形式的能量減少,一定有其他形式的能量增加,且減少量和增加量一定相等。(2)某個物體的能量減少,一定存在其他物體的能量增加,且減少量和增加量一定相等。探究一探究二典例剖析典例剖析【例題2】 導學號導學號如圖所示為沖擊擺實驗裝置,一質量為m的子彈以v0射入質量為M的沙箱后與沙箱合為一體,共同擺起一定高度h,則整個過程中子彈和沙箱由于相互作用所產生的內能為多少?(不計空氣阻力)探究一探究二題后反思題后反思能量守恒定律的應用方法應用能量守恒定律解決問題時,首先應明確題目中涉及了哪幾種形式的能量,然后分析哪種形式的能量增加,哪種形式的能量減少,確定了研究的系統后,用能

14、量守恒的觀點即可求解。探究一探究二變式訓練變式訓練2如圖所示,一個質量為20 kg的絕熱汽缸豎直放置,絕熱活塞的質量為5 kg,處于靜止狀態時被封閉氣體的高度為50 cm,現在在活塞上方加一15 kg的物體,待穩定后,被封閉氣體的高度變為40 cm。求在這一過程中氣體的內能增加多少?(g取10 m/s2,忽略大氣壓力及摩擦阻力的影響)解析:由能量守恒定律可知,內能的增加等于活塞和物體重力勢能的減少,U=E=(M+m)gh=(15+5)10(50-40)10-2 J=20 J。答案:20 J123451.(公式U=W+Q的理解)在熱力學第一定律的表達式U=W+Q中,關于U、W、Q各個物理量的正、

15、負,下列說法正確的是()A.外界對物體做功時W為正,吸熱時Q為負,內能增加時U為正B.物體對外界做功時W為負,吸熱時Q為正,內能增加時U為負C.物體對外界做功時W為負,吸熱時Q為正,內能增加時U為正D.外界對物體做功時W為負,吸熱時Q為負,內能增加時U為負解析:根據公式U=W+Q中的符號法則知選項C正確。答案:C123452.(熱力學第一定律的應用)一定量的氣體膨脹對外做功100 J,同時對外放熱40 J,氣體內能的增量U是()A.60 JB.-60 JC.-140 JD.140 J解析:由熱力學第一定律得U=W+Q=-100 J-40 J=-140 J,C項正確。答案:C123453.(第一

16、類永動機)下列關于第一類永動機的說法正確的是()A.第一類永動機是不消耗任何能量卻能源源不斷地對外做功的機器B.第一類永動機不能制成的原因是違背了熱力學第一定律C.第一類永動機不能制成的原因是技術問題D.第一類永動機不能制成的原因是違背了能量守恒定律解析:第一類永動機是不消耗任何能量卻能源源不斷對外做功的機器,這是人們的美好愿望,但它違背了能量守恒定律,這也是它不能制成的原因。故A、D兩項正確,B、C兩項錯誤。答案:AD123454.(能量守恒定律的理解)下列對能量守恒定律的認識不正確的是()A.某種形式的能量減少,一定存在其他形式的能量增加B.某個物體的能量減少,必然有其他物體的能量增加C.不需要任何外界的動力而持續對外做功的機器永動機是不可能制成的D.石子從空中落下,最后停止在地面上,說明機械能消失了解析:選項A是指不同形式的能量間的轉化,轉化過程中能量是守恒的。選項B是指能量在不同的物體間發生轉移,轉移過程中能量是守恒的,這正好是能量守恒定律的兩個方面轉化與轉移。選項C中任何永動機都是不可能制成的,它違背了能量守恒定律。選項D中石子的機