高考物理 10.3 熱力學(xué)第一定律 能量守恒定律課件 新人教版選修33.ppt

3熱力學(xué)第一定律能量守恒定律 1 理解熱力學(xué)第一定律 并掌握其表達式 2 能運用熱力學(xué)第一定律解釋自然界能量的轉(zhuǎn)化 轉(zhuǎn)移問題 3 理解能量守恒定律 知道能量守恒是自然界普遍遵從的基本規(guī)律 4 知道第一類永動機是不可能制成的 重點 1 熱力學(xué)第一定律的定性分析和定量計算 2 能量守恒定律的理解和綜合應(yīng)用 難點 1 熱力學(xué)第一定律的應(yīng)用 2 第一類永動機的理解 一 熱力學(xué)第一定律1 改變內(nèi)能的兩種方式 與 兩者在改變系統(tǒng)內(nèi)能方面是 2 熱力學(xué)第一定律 1 內(nèi)容 一個熱力學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)能增量等于外界向它傳遞的 與外界對它所 的和 2 數(shù)學(xué)表達式 u 做功 熱傳遞 等效的 熱量 做的功 q w 想一想 快速推動活塞對汽缸內(nèi)氣體做功10j 氣體內(nèi)能改變了多少 若保持氣體體積不變 外界對汽缸傳遞10j的熱量 氣體內(nèi)能改變了多少 能否說明10j的功等于10j的熱量 提示 無論外界對氣體做功10j 還是外界給氣體傳遞10j的熱量 氣體內(nèi)能都增加了10j 說明做功和熱傳遞在改變物體內(nèi)能上是等效的 不能說10j的功等于10j的熱量 因為功與熱量具有本質(zhì)區(qū)別 二 能量守恒定律1 能量守恒定律內(nèi)容 能量既不會憑空產(chǎn)生 也不會憑空消失 它只能從一種形式 為另一種形式 或者從一個物體 到別的物體 在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中 保持不變 2 意義 1 各種形式的能可以 2 各種物理現(xiàn)象可以用 聯(lián)系在一起 轉(zhuǎn)化 轉(zhuǎn)移 能量的總量 相互轉(zhuǎn)化 能量守恒定律 判一判 1 某個物體的能量減少 必然有其他物體的能量增加 2 石子從空中落下 最后停止在地面上 說明機械能消失了 3 自由擺動的秋千擺動幅度越來越小 減少的機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能 但總能量守恒 提示 1 能量在不同的物體間發(fā)生轉(zhuǎn)移 在轉(zhuǎn)移的過程中能量守恒 1 正確 2 石子下落過程中 機械能在轉(zhuǎn)化 比如受到空氣阻力作用 機械能減小 但機械能并沒有消失 而是轉(zhuǎn)化成了其他形式的能量 2 錯 3 自由擺動的秋千擺動幅度越來越小 是由于機械能轉(zhuǎn)化為秋千和周圍空氣的內(nèi)能 但總能量守恒 3 正確 三 永動機不可能制成1 第一類永動機 不需要任何動力或燃料 卻能不斷地 的機器 2 第一類永動機不可能制成的原因 違背了 定律 對外 做功 能量守恒 想一想 有一種所謂 全自動 機械手表 既不需要上發(fā)條 也不用任何電源 卻能不停地走下去 這是不是一種永動機 如果不是 維持表針走動的能量是從哪兒來的 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 熱力學(xué)第一定律 探究導(dǎo)引 一汽缸豎直放在水平地面上 加上重物壓縮活塞做功 穩(wěn)定后重物做功為20j 同時汽缸向外界放出熱量12j 則汽缸內(nèi)氣體的內(nèi)能增加 結(jié)合以上情景 思考如下問題 1 外界對物體做功 物體的內(nèi)能一定增加嗎 2 物體向外界傳遞熱量 它的內(nèi)能是否一定減少呢 要點整合 1 對熱力學(xué)第一定律的理解 1 對 u w q的理解 熱力學(xué)第一定律將單純的絕熱過程和單純的熱傳遞過程中內(nèi)能改變的定量表述推廣到一般情況 既有做功又有熱傳遞的過程 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 對公式中 u q w符號的規(guī)定 外界對物體做功 物體吸收熱量 內(nèi)能增加 內(nèi)能減少 物體放出熱量 物體對外界做功 2 幾種特殊情況 1 若過程是絕熱的 即q 0 則 u w 物體內(nèi)能的增加量等于外界對物體做的功 2 若過程中不做功 即w 0 則 u q 物體內(nèi)能的增加量等于物體從外界吸收的熱量 3 若過程的始末狀態(tài)物體的內(nèi)能不變 即 u 0 則w q 或q w 外界對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外界做的功 3 判斷是否做功的方法一般情況下外界對物體做功與否 需看物體的體積是否變化 1 若物體體積增大 表明物體對外界做功 w 0 2 若物體體積減小 表明外界對物體做功 w 0 特別提醒 內(nèi)能 u的符號理解記憶 增加取正號減少取負號 然后利用單純的絕熱過程理解w的符號 u w 內(nèi)能增加 當(dāng)然要外界對物體做功 故外界對物體做功時取正號 再利用單純的熱傳遞過程理解q的符號 u q 內(nèi)能增加 當(dāng)然要吸熱 故吸收熱量時取正號 典例1 2011 江蘇高考 1 如圖所示 一演示用的 永動機 轉(zhuǎn)輪由5根輕桿和轉(zhuǎn)軸構(gòu)成 輕桿的末端裝有用形狀記憶合金制成的葉片 輕推轉(zhuǎn)輪后 進入熱水的葉片因伸展而 劃水 推動轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動 離開熱水后 葉片形狀迅速恢復(fù) 轉(zhuǎn)輪因此能較長時間轉(zhuǎn)動 下列說法正確的是 a 轉(zhuǎn)輪依靠自身慣性轉(zhuǎn)動 不需要消耗外界能量b 轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動所需能量來自形狀記憶合金自身c 轉(zhuǎn)動的葉片不斷攪動熱水 水溫升高d 葉片在熱水中吸收的熱量一定大于在空氣中釋放的熱量 2 如圖所示 內(nèi)壁光滑的汽缸水平放置 一定質(zhì)量的理想氣體被活塞密封在汽缸內(nèi) 外界大氣壓強為p0 現(xiàn)對汽缸緩慢加熱 氣體吸收熱量q后 體積由v1增大為v2 則在此過程中 氣體分子平均動能 選填 增大 不變 或 減小 氣體內(nèi)能變化了 思路點撥 解答本題時注意理解以下兩點 關(guān)鍵點 1 永動機 轉(zhuǎn)動時能量的來源 2 理想氣體內(nèi)能大小因素 規(guī)范解答 1 該 永動機 葉片進入熱水中 吸收熱量而伸展劃水 推動轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動 離開水面后向空氣中放熱 葉片形狀迅速恢復(fù) 所以轉(zhuǎn)動的能量來自熱水 由于不斷向空氣釋放熱量 所以水溫逐漸降低 a b c錯 d對 2 氣體做等壓變化 體積變大 溫度升高 平均動能增大 內(nèi)能的變化為 u q p0 v2 v1 答案 1 d 2 增大q p0 v2 v1 變式訓(xùn)練 2012 廣東高考 景頗族的祖先發(fā)明的點火器如圖所示 用牛角做套筒 木制推桿前端粘著艾絨 猛推推桿 艾絨即可點燃 對筒內(nèi)封閉的氣體 在此壓縮過程中 a 氣體溫度升高 壓強不變b 氣體溫度升高 壓強變大c 氣體對外界做正功 氣體內(nèi)能增加d 外界對氣體做正功 氣體內(nèi)能減少 解析 選b 由于套筒內(nèi)封閉著一定質(zhì)量的氣體 當(dāng)猛推推桿時 推桿迅速壓縮氣體 外界對氣體做正功 由于這一過程進行得很快 可以看成是一個近似的絕熱過程 即整個系統(tǒng)來不及向外界傳遞熱量 根據(jù)熱力學(xué)第一定律 這時外力做的功只能用來增加氣體的內(nèi)能 這就使氣體分子的運動加劇 引起氣體分子平均動能增加 氣體溫度升高 所以艾絨即刻被點燃 由于被封閉的氣體質(zhì)量不變 溫度升高 而體積變小 則由氣體狀態(tài)方程可知壓強變大 故b選項正確 其他選項都錯 變式備選 如圖所示是一定質(zhì)量的理想氣體從狀態(tài)a經(jīng)b至c的圖線 則在此過程中 a 氣體的內(nèi)能改變b 氣體的體積增大c 氣體向外界放熱d 氣體對外界做功 解析 選c 由圖象可知該氣體發(fā)生等溫變化 故氣體的內(nèi)能不變 u 0 但氣體的體積在減小 故外界對氣體做功 w 0 由熱力學(xué)第一定律 u w q知 q 0 氣體放熱 故c正確 對能量守恒定律的理解 探究導(dǎo)引 在能源日益短缺的今天 有同學(xué)設(shè)計了這樣的設(shè)備 如圖為風(fēng)力發(fā)電機 發(fā)出的電供給電風(fēng)扇 電風(fēng)扇把風(fēng)吹到發(fā)電機上發(fā)電 循環(huán)往復(fù) 不需要消耗其他能量風(fēng)扇就可以一直工作下去 1 設(shè)計者認為此設(shè)備一直工作下去的理由是什么 2 試著用能量守恒觀點說明此設(shè)備能否一直工作下去 3 怎樣理解能量守恒定律中的 轉(zhuǎn)化 和 轉(zhuǎn)移 要點整合 1 能量的存在形式及相互轉(zhuǎn)化各種運動形式都有對應(yīng)的能 機械運動有機械能 分子的熱運動有內(nèi)能 還有諸如電磁能 化學(xué)能 原子能等 各種形式的能 通過某種力做功可以相互轉(zhuǎn)化 例如 利用電爐取暖或燒水 電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能 煤燃燒 化學(xué)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能 列車剎車后 輪子溫度升高 機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能 2 與某種運動形式對應(yīng)的能是否守恒是有條件的 例如 物體的機械能守恒 必須是只有重力或彈力做功 而能量守恒定律是沒有條件的 它是一切自然現(xiàn)象都遵守的基本規(guī)律 3 能量守恒定律的重要意義 1 找到了各種自然現(xiàn)象的公共量度 能量 從而把各種自然現(xiàn)象用定量規(guī)律聯(lián)系起來 揭示了自然規(guī)律的多樣性和統(tǒng)一性 2 突破了人們關(guān)于物質(zhì)運動的機械觀念的范圍 從本質(zhì)上表明了各種運動形式之間相互轉(zhuǎn)化的可能性 能量守恒定律比機械能守恒定律應(yīng)用更普遍 它是物理學(xué)中解決問題的重要思維方法 能量守恒定律與細胞學(xué)說 達爾文的進化論并稱19世紀(jì)自然科學(xué)中的三大發(fā)現(xiàn) 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 4 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(tǒng)內(nèi)能減少 即u2 u1 則w 0 系統(tǒng)對外做功是要以內(nèi)能減少為代價的 若想源源不斷地做功 就必須使系統(tǒng)不斷回到初始狀態(tài) 在無外界能量供給的情況下是不可能的 5 應(yīng)用熱力學(xué)第一定律解題的思路與步驟 1 首先應(yīng)明確研究對象是哪個物體或者是哪個熱力學(xué)系統(tǒng) 2 分別列出物體 或系統(tǒng) 吸收或放出的熱量 外界對物體 或系統(tǒng) 所做的功或物體 或系統(tǒng) 對外界所做的功 3 根據(jù)熱力學(xué)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 特別提醒 層出不窮的第一類永動機設(shè)計方案 由于違背了能量守恒定律 無一例外地宣布失敗 人類制造永動機的企圖是沒有任何成功希望的 典例2 如圖所示 一個質(zhì)量為20kg的絕熱汽缸豎直放置 絕熱活塞的質(zhì)量為5kg 處于靜止?fàn)顟B(tài)時被封閉氣體的高度為50cm 現(xiàn)在在活塞上方加一15kg的物體 待穩(wěn)定后 被封閉氣體的高度變?yōu)?0cm 求在這一過程中氣體的內(nèi)能增加多少 g取10m s2 不考慮活塞的大氣壓力及摩擦阻力 思路點撥 解答本題可按以下思路進行思考 絕熱過程 內(nèi)能增加 某種能量減少 規(guī)范解答 由能量守恒定律可知 內(nèi)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 2j 20j 答案 20j 總結(jié)提升 應(yīng)用 能量守恒定律 的規(guī)律方法 1 絕熱過程表示不吸熱也不放熱 導(dǎo)熱性能良好且過程緩慢 表示此過程有熱傳遞發(fā)生且及時充分 保持溫度不變 2 用 能量 觀點解題方便 快捷 變式訓(xùn)練 在一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下 水在沸騰時 1g的水由液態(tài)變成同溫度的水汽 其體積由1 043cm3變?yōu)?676cm3 已知水的汽化熱為2263 8j g 求 1 體積膨脹時氣體對外界做的功w 2 氣體吸收的熱量q 3 氣體增加的內(nèi)能 u 解析 取1g水為研究對象 把大氣視為外界 1g沸騰的水變成同溫度的水汽需要吸收熱量 同時由于體積膨脹 系統(tǒng)要對外做功 1 氣體在等壓 大氣壓 下膨脹做功 w p v2 v1 1 013 105 1676 1 043 10 6j 169 7j 2 氣體吸熱 q ml 1 2263 8j 2263 8j 3 根據(jù)熱力學(xué)第一定律 u w q 2263 8j 169 7j 2094 1j答案 1 169 7j 2 2263 8j 3 2094 1j 溫馨提示 關(guān)于熱力學(xué)第一定律的考查 在近幾年的高考選做題中會經(jīng)常涉及 考查形式以選擇題為主 經(jīng)常與氣體實驗定律結(jié)合 題目難度適中 典例 如圖 一絕熱容器被隔板k隔開a b兩部分 已知a內(nèi)有一定量的稀薄氣體 b內(nèi)為真空 抽開隔板k后 a內(nèi)氣體進入b 最終達到平衡狀態(tài) 在此過程中 a 氣體對外界做功 內(nèi)能減少b 氣體不做功 內(nèi)能不變c 氣體壓強變小 溫度降低d 氣體壓強變小 溫度不變 思路點撥 解答本題時可按以下思路分析 規(guī)范解答 選b d 抽開隔板k后 a內(nèi)的稀薄氣體進入真空b內(nèi) a內(nèi)的稀薄氣體做功w 0 絕熱容器不與外界發(fā)生熱傳遞 則q 0 根據(jù)熱力學(xué)第一定律 u w q 可得 u 0 則內(nèi)能不變 故a錯誤 b正確 稀薄氣體可看做理想氣體 內(nèi)能僅由溫度決定 由于 u 0 則氣體溫度不變 根據(jù)玻意耳定律 氣體體積變大 則壓強變小 故c錯誤 d正確 熱力學(xué)第一定律的應(yīng)用應(yīng)用熱力學(xué)第一定律時應(yīng)挖掘題目中的隱含條件 如 1 絕熱 意味著系統(tǒng)與外界無熱交換 q 0 2 緩慢 移動活塞 此處緩慢意味著系統(tǒng)與系統(tǒng)或者系統(tǒng)與外界充分達到熱平衡 另外結(jié)合系統(tǒng) 體積 的變化 判斷是外界對系統(tǒng)做功還是系統(tǒng)對外界做功 最后需明確 對氣體如果未加特別說明 溫度升高 氣體內(nèi)能增加 溫度降低 氣體內(nèi)能減少 案例展示 如圖所示 固定容器及可動活塞p都是絕熱的 中間有一導(dǎo)熱的固定隔板b b的兩邊分別盛有氣體甲和氣體乙 現(xiàn)將活塞p緩慢地向b移動一段距離 已知氣體的溫度隨其內(nèi)能的增加而升高 則在移動p的過程中 a 外力對乙做功 甲的內(nèi)能增加b 外力對乙做功 乙的內(nèi)能不變c 乙傳遞熱量給甲 乙