2017-2018学年高中物理 第三章 热力学基础 第二节 热力学第一定律 第三节 能量守恒定律 粤教版选修3-3(1)
,第三章,第二节热力学第一定律 第三节能量守恒定律,目标定位 1.理解热力学第一定律并会运用于分析和计算. 2.理解能量守恒定律，知道能量守恒是自然界普遍遵从的基本规律. 3.知道第一类永动机是不可能造成的.,内容索引,知识探究,题型探究,达标检测,知识探究,一、热力学第一定律,一根金属丝经过某一物理过程，温度升高了，除非事先知道，否则根本无法判定是经过做功的方法还是使用了热传递的方法使它的内能增加因为单纯地对系统做功和单纯地对系统传热都能改变系统的内能既然它们在改变系统内能方面是等效的，那么当外界对系统做功为W，又对系统传热为Q时，系统内能的增量U应该是多少？,答案,答案系统内能的增量UQW.,1.热力学第一定律：如果物体跟外界同时发生做功和热传递的过程，那么，物体内能的增加U就等于物体 和外界对物体 之和 2.热力学第一定律的表达式：UQW.,吸收的热量Q,做的功W,3.对公式UQW符号的规定,吸收,放出,增加,减少,4.三种特殊情况 (1)若过程是绝热的，即Q0，则WU，外界对物体做的功等于物体内能的增加 (2)若过程中外界没有对物体做功，即W0，则QU，物体吸收的热量等于物体内能的增加 (3)若过程的始末状态物体的内能不变，即U0，则WQ0或WQ，外界对物体做的功等于物体放出的热量,二、热力学第一定律应用举例,1.理想气体的内能与什么因素有关？,答案,答案由于理想气体忽略了分子间的作用力，即忽略了分子势能，所以理想气体的内能只跟气体的温度和物质的量有关，与气体的体积无关,2.你能应用热力学第一定律讨论理想气体在等压膨胀过程中的能量转换关系吗？,答案设一定质量的理想气体，保持压强不变，由(V1，T1)变为(V2，T2)，而且V1V2. 由盖吕萨克定律 及V1V2知T1T2. 因气体膨胀(V1V2)，则气体对外做功，W0. 因气体温度升高(T1T2)，则气体的内能增加U0. 由热力学第一定律UWQ可知QUW0.即系统由外界吸收热量，系统吸收的热量一部分用来增加内能，一部分转化为气体对外所做的功.,答案,1.等压过程中的能量转换 (1)等压膨胀：由于W0，U0，则QUW0，即气体吸收的热量一部分用来 ，另一部分转化为气体对外 . (2)等压压缩：由于W0，U0，则QUW0，即气体对外界放热，放出的热量等于外界对气体 与气体 之和.,增加内能,所做的功,所做的功,内能减小量,2.等容过程中的能量转换 (1)温度升高：由于U0，W0，则QU，即气体从外界吸收的热量全部用于增加气体的 . (2)温度降低，由于U0，W0，则QU，即气体向外界放出的热量等于气体 . 3.等温过程中的能量转化 (1)等温膨胀：由于W0，U0，则QW0，即气体从外界吸收的热量全部转换为气体对外 . (2)等温压缩：由于W0，U0，则QW0，即外界对气体所做的功全部转换为气体传给外界的 .,内能,内能的减少量,所做的功,热量,三、能量守恒定律,使热力学系统内能改变的方式是做功和热传递.做功的过程是其他形式的能转化为内能的过程，热传递是把其他物体的内能转移为系统的内能.在能量发生转化或转移时，能量的总量会减少吗？,答案能量的总量保持不变.,答案,1.能量守恒定律：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式 成为另一种形式，或者从一个物体 到别的物体；在转化和转移过程中其总量 . 2.对能量守恒定律的理解 (1)某种形式的能量减少，一定有其他形式的能量增加，且减少量和增加量一定 . (2)某个物体的能量减少，一定存在其他物体的能量增加，且减少量和增加量一定 .,转化,不变,相等,相等,转移,3.能量的存在形式及相互转化 各种运动形式都有对应的能：机械运动有机械能，分子的热运动有内能，还有诸如电磁能、化学能、原子能等.各种形式的能通过某种力做功可以相互转化. 4.第一类永动机 (1)定义：不需要任何动力或燃料却能不断 的机器. (2)不可能制成的原因：违背了能量守恒定律.,对外做功,热力学第一定律、机械能守恒定律是能量守恒定律的具体体现吗？,答案是,答案,题型探究,例1(多选)关于物体内能的变化情况，下列说法中正确的是,答案,解析,一、热力学第一定律,A.吸热的物体，其内能一定增加 B.体积膨胀的物体，其内能一定减少 C.放热的物体，其内能也可能增加 D.绝热压缩的气体，其内能一定增加,解析做功和热传递都能改变物体的内能，不能依据一种方式的变化就判断内能的变化.,例2空气压缩机在一次压缩中，活塞对空气做了2105 J的功，同时空气的内能增加了1.5105 J，这一过程中空气向外界传递的热量是多少？,答案5104 J,解析选择被压缩的空气为研究对象，根据热力学第一定律有UWQ. 由题意可知W2105 J，U1.5105 J，代入上式得： QUW1.5105 J2105 J5104 J. 负号表示空气向外释放热量，即空气向外界传递的热量为5104 J.,答案,解析,例3如图1所示，倒悬的导热气缸中封闭着一定质量的理想气体.轻质活塞可无摩擦地上下移动，活塞的横截面积为S，活塞的下面吊着一个重为G的物体，大气压强恒为p0.起初环境的热力学温度为T0时，活塞到气缸底面的距离为L.当环境温度逐渐升高，导致活塞缓慢下降，该过程中活塞下降了0.1L，气缸中的气体吸收的热量为Q.求：,二、热力学第一定律与气体实验定律的结合,图1,(1)气缸内部气体内能的增量U；,答案Q0.1p0SL0.1LG,解析密封气体的压强pp0(G/S) 密封气体对外做功WpS0.1L 由热力学第一定律得UQW 得UQ0.1p0SL0.1LG,答案,解析,(2)最终的环境温度T.,答案 1.1T0,解析 该过程是等压变化，由盖吕萨克定律有 解得T1.1T0,答案,解析,例4下列对能量守恒定律的认识错误的是,答案,解析,三、能量守恒定律,A.某种形式的能量减少，一定存在其他形式的能量增加 B.某个物体的能量减少，必然有其他物体的能量增加 C.不需要任何外界的动力而持续对外做功的机器第一类永动机是不 可能制成的 D.石子从空中落下，最后停止在地面上，说明机械能消失了,解析A选项是指不同形式的能量间的转化，转化过程中能量是守恒的. B选项是指能量在不同的物体间发生转移，转移过程中能量是守恒的，A、B选项正好是能量守恒定律的两个方面转化与转移. 第一类永动机是不可能制成的，它违背了能量守恒定律.所以A、B、C正确； D选项中石子的机械能减少，但机械能并没有消失，能量守恒定律表明能量既不能创生，也不能消失，故D错误.故选D项.,达标检测,1.(热力学第一定律)一定质量的气体在某一过程中，外界对气体做了8104 J的功，气体的内能减少了1.2105 J，则根据热力学第一定律，下列各式中正确的是,答案,解析,1,2,3,4,A.W8104 J，U1.2105 J，Q4104 J B.W8104 J，U1.2105 J，Q2105 J C.W8104 J，U1.2105 J，Q2104 J D.W8104 J，U1.2105 J，Q4104 J,解析因为外界对气体做功，W取正值，即W8104 J；内能减少，U取负值，即U1.2105 J； 根据热力学第一定律UWQ， 可知QUW1.2105 J8104 J2105 J，即B选项正确.,1,2,3,4,2.(热力学第一定律)如图2所示，某同学将空的薄金属筒开口向下压入水中.设水温均匀且恒定，筒内空气无泄漏，不计气体分子间的相互作用，则被淹没的金属筒在缓缓下降的过程中，筒内空气体积减小，且,答案,解析,1,2,3,4,图2,A.从外界吸热B.内能增大 C.向外界放热D.内能减少,解析本题考查气体性质和热力学第一定律，由于不计气体分子之间的相互作用，且整个过程缓慢进行，所以可看成温度不变，即气体内能不变，选项B、D均错. 根据热力学第一定律公式UWQ，因为在这个过程中气体体积减小，外界对气体做功，式中W取正号，U0，所以Q为负，即气体向外放热，故选项A错，C对. 正确答案为C.,1,2,3,4,3.(能量守恒定律)下面设想不符合能量守恒定律的是,答案,解析,1,2,3,4,A.利用永久磁铁间的作用力，造一台永远转动的机械 B.做一条没有动力系统的船，在水面上行驶 C.通过太阳照射飞机，即使飞机不带燃料也能飞行 D.利用核动力，驾驶地球离开太阳系,解析利用磁场能可以使磁铁所具有的磁场能转化为动能，但由于摩擦力的不可避免性，动能最终转化为内能使转动停止，故A不符合. 船能利用水流的能量行驶，飞机可利用光能的可转化性和电能的可收集性，使光能转化为飞机的动能，实现飞机不带燃料也能飞行，故B、C符合； 利用反冲理论，以核动力为能源，使地球获得足够大的能量，挣脱太阳引力的束缚而离开太阳系，故D符合. 故选A项.,1,2,3,4,4.(热力学第一定律与气体实验定律的综合应用)如图3是用导热性能良好的材料制成的气体实验装置，开始时封闭的气柱长度为22 cm，现用竖直向下的外力F压缩气体，使封闭的气柱长度变为2 cm，人对活塞做功100 J，大气压强为p01105 Pa，不计活塞的重力.问：,1,2,3,4,图3,(1)若用足够长的时间缓慢压缩，求压缩后气体的压强多大？,答案 1.1106 Pa,答案,解析,解析 设压缩后气体的压强为p，活塞的横截面积为S，l022 cm， l2 cm，V0l0S，VlS，缓慢压缩，气体温度不变 由玻意耳定律得p0V0pV 解出p1.1106 Pa,1,2,3,4,
