第1節熱力學第一定律第2節能量的轉化與守恒學習目標：1.[科學思維]理解熱力學第一定律．2.[科學思維]會用ΔU＝W＋Q解決相關問題．3.[科學態度與責任]知道第一類永動機不可能制成．4.[科學態度與責任]了解能量守恒定律的發現過程．5.[科學思維]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．一、功、熱量與內能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．二、第一類永動機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．三、能量的轉化與守恒1．能量守恒定律的發現(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．(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．2．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．思考判斷(正確的打“√”，錯誤的打“×”)(1)熱量、功和內能三者單位相同，物理意義相同． (×)(2)熱量和功由過程決定，而內能由物體狀態決定． (√)(3)系統內能增加了100J，可能是外界采用絕熱方式對系統做功100J，也可能是外界單純地對系統傳熱100J． (√)(4)某種形式的能量減少，一定存在其他形式的能量增加． (√)(5)某個物體的能量減少，必然有其他物體的能量增加． (√)(6)石子從空中落下，最后靜止在地面上，說明能量消失了． (×)2．下列說法正確的是()A．物體放出熱量，其內能一定減小B．物體對外做功，其內能一定減小C．物體吸收熱量，同時對外做功，其內能可能增加D．物體放出熱量，同時對外做功，其內能可能不變C[物體放出熱量，若外界對物體做功的數值大于放出的熱量，內能可能增加，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值，則內能增加，故B錯誤；物體吸收熱量，同時對外做功W，如二者相等，則內能可能不變，若Q＞W，則內能增加，若W＞Q，則內能減少，故C正確；物體放出熱量，Q＜0，同時對外做功，W＜0，則ΔU＜0，故內能一定減少，故D錯誤．]3．圖為某種椅子與其升降部分的結構示意圖，M、N兩筒間密閉了一定質量的氣體，M可沿N的內壁上下滑動，設筒內氣體不與外界發生熱交換，在M向下滑動的過程中()A．外界對氣體做功，氣體內能增大B．外界對氣體做功，氣體內能減小C．氣體對外界做功，氣體內能增大D．氣體對外界做功，氣體內能減小A[筒內氣體不與外界發生熱交換，當氣體體積變小時，則外界對氣體做功，外界對氣體做功使氣體的內能增大，A正確．]功、熱傳遞、內能之間的變化關系“火”不但可以用來取暖，還可以用來加熱食物，“火”把人類帶入了文明的殿堂．我們的祖先很早就發明了“鉆木取火”的用具，使人們不再僅僅依靠自然的“恩賜”而得到“火”．你知道“鉆木取火”的道理嗎？提示：做功可以改變物體的內能，“鉆木取火”就是通過外力做功，機械能轉化為內能．木材內能增加，溫度達到著火點而燃燒．1．做功與內能的變化的關系(1)做功改變物體內能的過程是其他形式的能(如機械能)與內能相互轉化的過程．(2)在絕熱過程中，外界對物體做多少功，就有多少其他形式的能轉化為內能，物體的內能就增加多少；物體對外界做多少功，就有多少內能轉化為其他形式的能，物體的內能就減少多少．2．熱傳遞與內能變化的關系(1)在單純傳熱中，系統從外界吸收多少熱量，系統的內能就增加多少；系統向外界放出多少熱量，系統的內能就減少多少．即ΔU＝U2－U1＝Q．(2)傳熱改變物體內能的過程是不同物體之間(或同一物體不同部分之間)內能轉移的過程．3．改變內能兩種方式的比較比較項目做功熱傳遞內能變化外界對物體做功，物體的內能增加；物體對外界做功，物體的內能減少物體吸收熱量，內能增加；物體放出熱量，內能減少物理實質其他形式的能與內能之間的轉化不同物體間或同一物體不同部分之間內能的轉移相互聯系做一定量的功或傳遞一定量的熱量在改變內能的效果上是相同的【例1】如圖所示，在紫銅管內滴入乙醚，蓋緊管塞．用手拉住繩子兩端迅速往復拉動，管塞會被沖開．管塞被沖開前()A．外界對管內氣體做功，氣體內能增大B．管內氣體對外界做功，氣體內能減小C．管內氣體內能不變，壓強變大D．管內氣體內能增大，壓強變大D[克服繩與金屬管間的摩擦做功，使管壁內能增大，溫度升高．通過熱傳遞，乙醚的內能增大，溫度升高，直至沸騰，管塞會被沖開．管塞被沖開前管內氣體內能增大，壓強變大．選項D正確．]做功改變物體內能的一種方法是改變物體內部的分子的平均動能，即改變溫度；另一種方法是通過做功改變物體的體積從而改變內能的大小.不過要注意的是氣體的體積減小時分子勢能不一定增加.[跟進訓練]1．關于熱傳遞，下列說法正確的是()A．熱傳遞的實質是溫度的傳遞B．物體間存在著溫度差，才能發生熱傳遞C．熱傳遞可以在任何情況下進行D．物體內能發生改變，一定是吸收或放出了熱量B[熱傳遞實質上是內能在兩物體間或同一物體各部分間發生轉移，故A錯誤；熱傳遞發生的條件是物體間存在著溫度差，高溫物體放出熱量，低溫物體吸收熱量，若兩物體溫度相同，它們之間便不會發生熱傳遞，故B正確，C錯誤；物體吸收或放出熱量，內能會發生變化，但內能變化不一定是熱傳遞引起的，還可以用做功的方式改變物體的內能，故D錯誤．]熱力學第一定律如圖所示，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．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WQΔU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．4．判斷氣體做功正、負的方法(1)若氣體體積增大，表明氣體對外界做功，W<0．(2)若氣體體積變小，表明外界對氣體做功，W>0．5．幾種常見的氣體變化過程(1)絕熱過程：過程是絕熱的，則Q＝0，W＝ΔU，外界對氣體做的功等于氣體內能的增加．(2)等容過程：在該過程中氣體不做功，即W＝0，則Q＝ΔU，氣體吸收的熱量等于氣體內能的增加．(3)等溫過程：在過程的始末狀態，氣體的內能不變，即ΔU＝0，則W＋Q＝0或W＝－Q，表示氣體吸收的熱量全部用來對外做功或外界對氣體所做的功全部轉換為熱量放出．【例2】(1)一定量的氣體從外界吸收了2.6×105J的熱量，內能增加了4.2×105J，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3.5×105J的熱量，同時氣體對外界做功2.3×105J，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＝2.6×105J，ΔU＝4.2×105J．由ΔU＝W＋Q，則W＝ΔU－Q＝4.2×105J－2.6×105J＝1.6×105J．W＞0，說明是外界對氣體做了功．(2)Q＝3.5×105J，W＝－2.3×105J，則ΔU＝Q＋W＝1.2×105J，ΔU為正值，說明氣體的內能增加1.2×105J．[答案](1)外界對氣體做功1.6×105J(2)增加了1.2×105J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．[跟進訓練]2．如圖所示是封閉的氣缸，內部封閉有一定質量的理想氣體．外力推動活塞P壓縮氣體，對汽缸內氣體做功800J，同時氣體向外界放熱200J，則汽缸內氣體的()A．溫度升高，內能增加600JB．溫度升高，內能減少200JC．溫度降低，內能增加600JD．溫度降低，內能減少200JA[由熱力學第一定律：ΔU＝W＋Q得ΔU＝800J＋(－200J)＝600J，一定質量的理想氣體的內能大小只與溫度有關，ΔU＝600J>0，故溫度一定升高，A選項正確．]能量的轉化與守恒(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？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<U1，則W<0，系統對外做功是要以內能減少為代價的．若想源源不斷地做功，就必須使系統不斷回到初始狀態，在無外界能量供給的情況下是不可能的．【例3】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6000m3，而且一年四季流量穩定，瀑布落差50m．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10m/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＝1×103×6000kg＝6×106kg．每秒鐘水減少的機械能為：E＝mgh＝6×106×10×50J＝3×109J．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＝1.5×109W．[答案]1.5×109W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．[跟進訓練]3．風沿水平方向以速度v垂直吹向一直徑為d的風車葉輪，設空氣密度為ρ，風的動能有50%轉化為風車的動能，風車帶動水車將水提高h的高度，效率為80%．則單位時間內最多可提升的水的質量為__________．[解析]在時間t內吹在風車上的空氣的質量為m1＝eq\f(1,4)πd2·vt·ρ，風的動能Ek＝eq\f(1,2)m1v2＝eq\f(1,8)πd2v3tρ．根據題意eq\f(1,8)πd2v3tρ×50%×80%＝mgh，則eq\f(m,t)＝eq\f(πd2ρv3,20gh)．[答案]eq\f(πd2ρv3,20gh)1．第一類永動機是不可能制成的，這是因為()A．不符合機械能守恒定律B．做功產生的熱量不符合熱功當量C．違背了熱力學第一定律D．找不到合適的材料和合理的設計方案C[第一類永動機違背了熱力學第一定律，所以是不可能制成的．故選項C正確．]2．一定量的氣體吸收熱量，體積膨脹并對外做功，則此過程的末態與初態相比()A．氣體內能一定增加B．氣體內能一定減少C．氣體內能一定不變D．氣體內能的增減不能確定D[由熱力學第一定律Δ