第二節(jié)-能量守恒定律

一、熱力學(xué)第確定律假如物體從外界吸取熱量Q，則物體的熱力學(xué)能增加Q。假猶如時(shí)外界又對(duì)物體做功W，則物體的熱力學(xué)能又要增加W。則在整個(gè)過(guò)程之后，物體的熱力學(xué)能的增加量ΔE＝Q＋W這個(gè)公式可以理解為：物體熱力學(xué)能的增加等于外界向它傳遞的熱量與外界對(duì)它做的功的和。這就是熱力學(xué)第確定律。規(guī)定：物體從外界吸熱時(shí)，Q＞0；物體向外界放熱時(shí)，Q＜0。物體的熱力學(xué)能增加時(shí)，ΔE＞0；熱力學(xué)能削減時(shí)，ΔE＜0。外界對(duì)物體做功時(shí)，W＞0；物體對(duì)外界做功時(shí)，W＜0。[例題]確定質(zhì)量的氣體從外界吸取熱量2.6×105J，熱力學(xué)能增加4.2×105J，是氣體對(duì)外界做功，還是外界對(duì)氣體做功？做了多少功？分析已知物體吸取的熱量和熱力學(xué)能的變更量，要求這一過(guò)程中氣體做功的狀況，通過(guò)熱力學(xué)第確定律即可求解，然后依據(jù)做功數(shù)值的正負(fù)推斷氣體是對(duì)外做功，還是外界對(duì)氣體做功。一杯熱水，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間就會(huì)變成涼水，最終溫度與室溫相同。這個(gè)現(xiàn)象說(shuō)明，熱量總是自發(fā)地從高溫物體傳到低溫物體，高溫物體溫度下降，低溫物體溫度上升，最終，兩個(gè)物體溫度相等。從來(lái)沒(méi)有發(fā)生過(guò)這樣的現(xiàn)象：熱量自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體，使得低溫物體的溫度進(jìn)一步下降，高溫物體的溫度進(jìn)一步上升。解由熱力學(xué)第確定律公式ΔE＝Q＋W得

W＝ΔE－Q＝（4.2×105－2.6×105）

J＝1.6×105J

W＞0，表示外界對(duì)氣體做了功。即使在燥熱的夏天，電冰箱也可以實(shí)現(xiàn)熱量從低溫向高溫的傳遞，它是利用制冷劑的物態(tài)變更來(lái)實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程的。常用的制冷劑有氨、二氧化碳、乙烯、R12（氟利昂）、R134a（四氟乙烷）等。壓縮機(jī)是電冰箱的“心臟”，它消耗電能對(duì)來(lái)自蒸發(fā)器的制冷劑做功，將氣態(tài)制冷劑壓縮。依據(jù)熱力學(xué)第確定律，忽視熱傳遞，由于壓縮機(jī)對(duì)制冷劑做功，所以使制冷劑的熱力學(xué)能增加，變成高溫高壓的蒸汽（如p≈9.2×105Pa，t≈46℃）。電冰箱主要由壓縮機(jī)、冷凝器、毛細(xì)管、蒸發(fā)器四個(gè)部分組成，如右圖所示，除了蒸發(fā)器和部分毛細(xì)管裝在冷庫(kù)（冷凍室和冷藏室）內(nèi)部外，其他部件都裝在冷庫(kù)之外。這四個(gè)部分由管道連接，組成一個(gè)密閉的連通器系統(tǒng)，制冷劑作為工作物質(zhì)，由管道輸送，經(jīng)過(guò)這四個(gè)部分，完成工作循環(huán)。這種高溫高壓的制冷劑蒸汽來(lái)到冷凝器，由于制冷劑的溫度比外界空氣高，因此向空氣放熱，熱力學(xué)能削減，被冷卻而凝合成常溫高壓的液體（如p≈9.0×105Pa，t≈37℃）。通過(guò)了蒸發(fā)器的制冷劑全部蒸發(fā)變?yōu)闅怏w，再被吸入壓縮機(jī)，進(jìn)入下一個(gè)工作循環(huán)。這樣，只要壓縮機(jī)工作，制冷劑就會(huì)循環(huán)流淌，不斷地從冷庫(kù)吸取熱量，使冷庫(kù)保持相當(dāng)?shù)偷臏囟?。這些常溫高壓的液態(tài)制冷劑由干燥過(guò)濾器濾掉水分和雜質(zhì)，進(jìn)入毛細(xì)管。毛細(xì)管是內(nèi)徑為0.5～1mm、長(zhǎng)為2～4m的瘦長(zhǎng)銅管。通過(guò)毛細(xì)管的節(jié)流降壓，制冷劑變成低溫低壓的液體（如p≈1.5×105Pa，t≈－20℃）。進(jìn)入蒸發(fā)器時(shí)，低溫低壓的液態(tài)制冷劑在低壓條件下快速汽化，膨脹做功，熱力學(xué)能削減，溫度降到比冷庫(kù)的溫度還低（如p≈1.0×105Pa，t≈－30℃）。然后氣態(tài)制冷劑從冷庫(kù)吸取熱量，熱力學(xué)能增加。從整體上來(lái)諦視制冷劑的循環(huán)過(guò)程，其能量轉(zhuǎn)化滿足如下的關(guān)系：從低溫?zé)嵩矗ɡ鋷?kù)）吸取的熱量加上外界所做的功（壓縮機(jī)做功）等于向高溫?zé)嵩矗ㄍ饨缈諝猓┓懦龅臒崃俊?/p>

二、能量守恒定律自然界有各種不同形式的能，出了我們已經(jīng)學(xué)過(guò)的機(jī)械能、熱能等，還有電能、磁能、光能、核能、化學(xué)能等。運(yùn)動(dòng)物體的動(dòng)能和勢(shì)能是可以相互轉(zhuǎn)化的，熱力學(xué)能和機(jī)械能也是可以相互轉(zhuǎn)化的。其他形式的能也可以和熱力學(xué)能相互轉(zhuǎn)化。如：通電導(dǎo)線發(fā)熱，電能轉(zhuǎn)化為熱力學(xué)能；燃料燃燒生熱，化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱力學(xué)能；地?zé)岚l(fā)電，熱力學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能；等等。各種不同形式的能量的相互轉(zhuǎn)化，在自然界中每時(shí)每刻都在進(jìn)行著。太陽(yáng)把地面、水面、空氣曬熱，并使一部分水蒸發(fā)，變熱的空氣上升使空氣流淌而形成風(fēng)，太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成空氣的機(jī)械能；蒸發(fā)到高空的水汽，又以雨、雪的形式落下來(lái)，匯入江河流向海洋，太陽(yáng)能又轉(zhuǎn)化成水的機(jī)械能；太陽(yáng)能的一部分被植物葉子吸取，通過(guò)光合作用，生成各種有機(jī)化合物，太陽(yáng)能又轉(zhuǎn)化成植物的化學(xué)能；植物作為食物被動(dòng)物吃掉，植物的化學(xué)能又轉(zhuǎn)化為動(dòng)物的化學(xué)能；人們又以動(dòng)物、植物為食物，從中獲得了維持生命活動(dòng)的能量。古代的植物和動(dòng)物在地質(zhì)變遷中轉(zhuǎn)化成煤、石油、自然氣，成為現(xiàn)代生活、生產(chǎn)的主要能源；在水力發(fā)電站和火力發(fā)電站里，水的機(jī)械能和煤、石油、自然氣的化學(xué)能又轉(zhuǎn)化成電能；在工廠、農(nóng)村和住宅中，電能又通過(guò)各種用電器轉(zhuǎn)化成機(jī)械能、熱力學(xué)能和光能；等等。能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)憑空消逝，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為別的形式，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)程中其總量保持不變。這就是能量守恒定律。這是自然界中具有普遍意義的定律之一，也是各種自然現(xiàn)象都遵循的普遍規(guī)律。任何違反能量守恒定律的說(shuō)法，都被證明是錯(cuò)誤的。在19世紀(jì)中葉，邁爾（下左）、焦耳（下中）和亥姆霍茲（下右）等科學(xué)家經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的實(shí)驗(yàn)探索，共同確定了一個(gè)規(guī)律：不論空調(diào)器如何運(yùn)轉(zhuǎn)，它從低溫?zé)嵩次〉臒崃W(xué)能加上壓縮機(jī)所消耗的電能總等于向高溫?zé)嵩捶懦龅臒崃W(xué)能，即在整個(gè)能量轉(zhuǎn)化過(guò)程中，能的總量是守恒的。空調(diào)器的制冷系統(tǒng)跟電冰箱的制冷系統(tǒng)幾乎一樣，即由壓縮機(jī)、冷凝器、毛細(xì)管和蒸發(fā)器組成?？照{(diào)器將冷凝器置于窗外，將蒸發(fā)器置于窗內(nèi)。像電冰箱一樣，壓縮機(jī)工作時(shí)，制冷劑從室內(nèi)吸熱，向室外放熱，達(dá)到降低室內(nèi)溫度的目的。若想提高室內(nèi)溫度，則使制冷劑逆向循環(huán)，即讓壓縮后壓強(qiáng)較大、溫度較高的制冷劑流經(jīng)室內(nèi)熱交換器，使它在室內(nèi)完成冷凝、放熱，然后再經(jīng)毛細(xì)管節(jié)流降壓，在室外完成蒸發(fā)、吸熱。如此不斷循環(huán)可達(dá)到提高室內(nèi)溫度的目的。練習(xí)3-2

1．空氣壓縮機(jī)的活塞對(duì)空氣做了2×105J的功，同時(shí)空氣的熱力學(xué)能增加了1.5×105J，這時(shí)空氣與外界傳遞的熱量是多少？是吸熱還是放熱？答案：5×104J；放熱。2．生活中到處可見(jiàn)能量轉(zhuǎn)化的事例，試說(shuō)明下列實(shí)例中能量是怎樣轉(zhuǎn)化的？（1）一根火柴正在燃燒；（2）用太陽(yáng)灶將一壺水燒開(kāi)；（3）一臺(tái)正在運(yùn)轉(zhuǎn)中的電風(fēng)扇；（4）一個(gè)人用錘子敲打一根鐵條；（5）一個(gè)在地面上轉(zhuǎn)動(dòng)的陀螺，速度不斷減小；（6）一位同學(xué)撿起一塊石頭，向遠(yuǎn)處扔去；（7）一個(gè)蕩秋千的人搖擺幅度越來(lái)越小；（8）在水平馬路上行駛的汽車(chē)，發(fā)動(dòng)機(jī)熄火后，速度越來(lái)越小，最終停止；（9）子彈從槍中放射出去，射穿靶子，射入墻里；（10）用柴油水泵把水從井里抽上來(lái)澆地。精品課件！精品課件！答案：（1）火柴的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱力學(xué)能；（2）太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為水的熱力學(xué)能；（3）電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能和熱力學(xué)能；（4）人的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱力學(xué)能；