第5章-第1節(jié) 熱力學(xué)第一定律+第2節(jié) 能量的轉(zhuǎn)化與守恒

1、.第1節(jié)熱力學(xué)第一定律第2節(jié)能量的轉(zhuǎn)化與守恒學(xué) 習(xí) 目 標(biāo)知 識(shí) 脈 絡(luò)1.理解熱力學(xué)第一定律重點(diǎn)2會(huì)用UWQ解決一些簡(jiǎn)單問(wèn)題重點(diǎn)3知道第一類(lèi)永動(dòng)機(jī)不可能制成4理解能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)過(guò)程5理解能量的轉(zhuǎn)化與守恒定律，會(huì)用能量的觀(guān)點(diǎn)解釋自然現(xiàn)象難點(diǎn)熱 力 學(xué) 第 一 定 律1改變物體內(nèi)能的兩種方式做功和熱傳遞2物體內(nèi)能的改變1假如物體與外界無(wú)熱傳遞，假設(shè)外界對(duì)物體做功，那么物體的內(nèi)能增加；假設(shè)物體對(duì)外做功，物體的內(nèi)能減少2假如物體既不對(duì)外做功，外界也不對(duì)物體做功，那么物體吸收熱量時(shí)，它的內(nèi)能增加；物體放出熱量時(shí)，它的內(nèi)能減少3熱力學(xué)第一定律1內(nèi)容：物體內(nèi)能的增加量U，等于外界對(duì)物體所做的功W與物體

2、從外界吸收的熱量Q之和2表達(dá)式：UWQ4熱力學(xué)第一定律的定義1內(nèi)能的變化必然伴隨有做功或熱傳遞2一切涉及熱現(xiàn)象的宏觀(guān)過(guò)程中，能量可以發(fā)生轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)化，此過(guò)程中總能量守恒5第一類(lèi)永動(dòng)機(jī)1概念：不消耗任何能量而能永遠(yuǎn)對(duì)外做功的機(jī)器2結(jié)果1718世紀(jì)，人們提出了許多永動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方案，但都以失敗而告終3原因設(shè)想能量可以無(wú)中生有地創(chuàng)造出來(lái)，違背了熱力學(xué)第一定律4啟示人類(lèi)利用和改造自然時(shí)，必須遵循自然規(guī)律1熱量、功和內(nèi)能三者單位一樣，物理意義一樣×2熱量和功由過(guò)程決定，而內(nèi)能由物體狀態(tài)決定3系統(tǒng)內(nèi)能增加了100 J，可能是外界采用絕熱方式對(duì)系統(tǒng)做功100 J，也可能是外界單純地對(duì)系統(tǒng)傳熱100 J有

3、一種所謂的“全自動(dòng)機(jī)械手表，既不需要上發(fā)條，也不用任何電源，卻能不停地走下去這是不是一種永動(dòng)機(jī)呢？假如不是，你知道維持表針走動(dòng)的能量是哪兒來(lái)的嗎？圖5­1­1【提示】不是永動(dòng)機(jī)能量是通過(guò)擺動(dòng)手臂對(duì)表內(nèi)的轉(zhuǎn)輪做功而儲(chǔ)存的討論1：假設(shè)物體的內(nèi)能增加，一定是吸收了熱量嗎？【提示】不一定，因?yàn)樽龉蜔醾鬟f都能改變物體的內(nèi)能討論2：物體的內(nèi)能不變，能否說(shuō)明外界既沒(méi)有對(duì)物體做功，也沒(méi)有發(fā)生熱傳遞？【提示】不能可能是外界對(duì)物體做的功等于物體放出的熱量或物體吸收的熱量等于物體對(duì)外界做的功1對(duì)UWQ的理解熱力學(xué)第一定律將單純的絕熱過(guò)程和單純的熱傳遞過(guò)程推廣到一般情況，既有做功又有熱傳遞的過(guò)程

4、，其中U表示內(nèi)能改變的數(shù)量，W表示做功的數(shù)量，Q表示外界與物體間傳遞的熱量2對(duì)公式U、Q、W符號(hào)的規(guī)定符號(hào)WQU正號(hào)外界對(duì)物體做功物體吸收熱量?jī)?nèi)能增加負(fù)號(hào)物體對(duì)外界做功物體放出熱量?jī)?nèi)能減少3.應(yīng)用熱力學(xué)第一定律解題的一般步驟1首先選定研究對(duì)象是哪個(gè)物體或哪個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)2根據(jù)符號(hào)法那么寫(xiě)出各量W、Q、U的正、負(fù)3根據(jù)方程UWQ求出未知量4再根據(jù)未知量結(jié)果的正、負(fù)來(lái)確定吸熱、放熱情況或做功情況4.判斷氣體做功正、負(fù)的方法1假設(shè)氣體體積增大，說(shuō)明氣體對(duì)外界做功，W<0.2假設(shè)氣體體積變小，說(shuō)明外界對(duì)氣體做功，W>0.5.幾種常見(jiàn)的氣體變化過(guò)程1絕熱過(guò)程：過(guò)程是絕熱的，那么Q0，WU，外界

5、對(duì)氣體做的功等于氣體內(nèi)能的增加2等容過(guò)程：在該過(guò)程中氣體不做功，即W0，那么QU，氣體吸收的熱量等于氣體內(nèi)能的增加3等溫過(guò)程：在過(guò)程的始末狀態(tài)，氣體的內(nèi)能不變，即U0，那么WQ0或WQ，表示氣體吸收的熱量全部用來(lái)對(duì)外做功或外界對(duì)氣體所做的功全部轉(zhuǎn)換為熱量放出1以下過(guò)程，可能發(fā)生的是A物體吸收熱量，對(duì)外做功，同時(shí)內(nèi)能增加B物體吸收熱量，對(duì)外做功，同時(shí)內(nèi)能減少C外界對(duì)物體做功，同時(shí)物體吸熱，內(nèi)能減少D外界對(duì)物體做功，同時(shí)物體放熱，內(nèi)能增加E物體對(duì)外界做功，同時(shí)物體放熱，內(nèi)能增加【解析】根據(jù)熱力學(xué)第一定律UWQ，做功和熱傳遞都可以改變物體的內(nèi)能，故由此可確定A、B、D正確，C、E錯(cuò)誤【答案】ABD2

6、景頗族祖先創(chuàng)造的點(diǎn)火器如圖5­1­2所示，用牛角做套筒，木制推桿前端粘著艾絨，猛推推桿，艾絨即可點(diǎn)燃，對(duì)筒內(nèi)封閉的氣體，在此壓縮過(guò)程中 【導(dǎo)學(xué)號(hào)：30110061】圖5­1­2A氣體溫度升高，壓強(qiáng)不變B氣體溫度升高，壓強(qiáng)變大C氣體對(duì)外界做正功D外界對(duì)氣體做正功E氣體的內(nèi)能增加【解析】壓縮氣體時(shí)，外界對(duì)氣體做功，內(nèi)能增加，溫度升高，體積變小，壓強(qiáng)增大，所以B、D、E正確【答案】BDE3一定量的氣體內(nèi)能增加了3×105 J，1假設(shè)吸收了2×105 J的熱量，那么是氣體對(duì)外界做功，還是外界對(duì)氣體做功？做了多少焦耳的功？2假設(shè)氣體對(duì)外界做了4

7、×105 J的功，那么是氣體放熱還是從外界吸熱？放出或吸收的熱量是多少？【解析】1由熱力學(xué)第一定律UQW得WUQ3×105 J2×105 J1×105 J外界對(duì)氣體做功2由UQW得QUW3×105 J4×105 J7×105 J氣體從外界吸熱【答案】1外界對(duì)氣體做功1×105 J2氣體從外界吸熱7×105 J氣體狀態(tài)變化與物理量對(duì)應(yīng)方法1絕熱過(guò)程：氣體與外界沒(méi)有熱傳遞2導(dǎo)熱良好：氣體與外界有熱交換，且與外界溫度保持一樣3體積減小，外界對(duì)氣體做功；體積增大不是對(duì)真空膨脹，氣體對(duì)外界做功4溫度升高，理想氣體的

8、內(nèi)能增加；溫度降低，理想氣體的內(nèi)能減少能 量 的 轉(zhuǎn) 化 與 守 恒1能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)1邁爾的發(fā)現(xiàn)體力和體熱必定來(lái)源于食物中的化學(xué)能，內(nèi)能、化學(xué)能、機(jī)械能都是等價(jià)的，是可以互相轉(zhuǎn)化的，假如動(dòng)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焦耳的研究確定了電能向內(nèi)能轉(zhuǎn)化的定量關(guān)系用了近40年的時(shí)間，不懈地鉆研熱功轉(zhuǎn)換問(wèn)題，為能量守恒定律提供了無(wú)可置疑的證據(jù)3亥姆霍茲的奉獻(xiàn)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)反響等過(guò)程，提醒了它們之間的統(tǒng)一性2能量守恒定律1內(nèi)容能量既不會(huì)消失，也不會(huì)創(chuàng)生，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)移到另一個(gè)物體

9、，而能量的總值保持不變2意義提醒了自然科學(xué)各個(gè)分支之間的普遍聯(lián)絡(luò)，是自然界內(nèi)在統(tǒng)一性的第一個(gè)有力證據(jù)3應(yīng)用各種形式的能可以轉(zhuǎn)化但能量在轉(zhuǎn)化過(guò)程中總伴有內(nèi)能的損失各種互不相關(guān)的物理現(xiàn)象，可以用能量守恒定律聯(lián)絡(luò)在一起1某種形式的能量減少，一定存在其他形式的能量增加2某個(gè)物體的能量減少，必然有其他物體的能量增加3石子從空中落下，最后靜止在地面上，說(shuō)明能量消失了×焦耳對(duì)物質(zhì)運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系的研究方法與邁爾有什么不同？【提示】焦耳是采用嚴(yán)格的定量實(shí)驗(yàn)分析方法，邁爾研究的范圍比較廣泛，但他采用的是定性研究的方法討論1：能量守恒定律與機(jī)械能守恒定律的應(yīng)用條件有什么不同？【提示】能量轉(zhuǎn)化過(guò)程中能量總是

10、守恒的，而機(jī)械能守恒的條件是只有重力或系統(tǒng)內(nèi)的彈力做功討論2：為什么說(shuō)第一類(lèi)永動(dòng)機(jī)不能制成？【提示】因?yàn)榈谝活?lèi)永動(dòng)機(jī)違犯了能量守恒定律1對(duì)能量守恒定律的理解1各種形式的能在轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移過(guò)程中總量守恒無(wú)需任何條件，而某種或幾種形式的能的守恒是有條件的例如：物體的機(jī)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(fā)現(xiàn)，使人們進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到，任何一部機(jī)器，只要對(duì)外做功，都要消耗能量，都只能使能量從一種形式轉(zhuǎn)化為其他形式，或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到其他物體，而不能無(wú)中生有地創(chuàng)造能量不消耗能量，卻可以源源不斷地對(duì)外做功的機(jī)器第一類(lèi)永動(dòng)機(jī)是不可能制成的2第一類(lèi)永動(dòng)機(jī)失敗的原因分析：如果沒(méi)有外界熱源供給熱量，

11、那么有U2U1W，就是說(shuō)，假如系統(tǒng)內(nèi)能減少，即U2<U1，那么W<0，系統(tǒng)對(duì)外做功是要以?xún)?nèi)能減少為代價(jià)的假設(shè)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(wú)外界能量供給的情況下是不可能的4說(shuō)出以下過(guò)程中是什么能量轉(zhuǎn)化為內(nèi)能1物體沿粗糙斜面下滑_；2變壓器發(fā)熱_；3汽油機(jī)內(nèi)氣體燃燒后變成高溫氣體_；4車(chē)刀切下熾熱鐵屑_【解析】物體沿斜面下滑，抑制摩擦力做功，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；電流通過(guò)變壓器線(xiàn)圈發(fā)熱，電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；氣體燃料燃燒后變成高溫氣體，化學(xué)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；車(chē)刀切下熾熱的鐵屑，抑制摩擦力做功，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能【答案】1機(jī)械能內(nèi)能2電能內(nèi)能3化學(xué)能內(nèi)能4機(jī)械能內(nèi)能5風(fēng)沿程度方向以速度v垂直吹向一直徑為d的風(fēng)車(chē)葉輪，設(shè)空氣密度為，風(fēng)的動(dòng)能有50%轉(zhuǎn)化為風(fēng)車(chē)的動(dòng)能，風(fēng)車(chē)帶動(dòng)水車(chē)將水進(jìn)步h的高度，效率為80%.那么單位時(shí)間內(nèi)最多可提升的水的質(zhì)量為_(kāi). 【導(dǎo)學(xué)號(hào)：30110062】【解析】在時(shí)間t內(nèi)吹在風(fēng)車(chē)上的空氣的質(zhì)量為m1d2·vt·，風(fēng)的動(dòng)能Ekm1v2d2v3t.根據(jù)題意d2v3t