選修熱力學(xué)第一定律教案

1、第 3 節(jié)熱力學(xué)第一定律目標(biāo)導(dǎo)航1知道熱力學(xué)第一定律的內(nèi)容及其表達式2理解能量守恒定律的內(nèi)容3了解第一類永動機不可能制成的原因誘思導(dǎo)學(xué)1. 熱力學(xué)第一定律（1） . 一個熱力學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)能增量等于外界向它傳遞的熱量與外界對它所做的功的和。這個關(guān)系叫做熱力學(xué)第一定律。其數(shù)學(xué)表達式為：u=w+q（2）. 與熱力學(xué)第一定律相匹配的符號法則做功 w熱量 q內(nèi)能的改變 u取正值“+”外界對系統(tǒng)做功系統(tǒng)從外界吸收熱量系統(tǒng)的內(nèi)能增加取負值系統(tǒng)對外界做功系統(tǒng)向外界放出系統(tǒng)的內(nèi)能減少“”熱量（3）熱力學(xué)第一定律說明了做功和熱傳遞是系統(tǒng)內(nèi)能改變的量度，沒有做功和熱傳遞就不可能實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移，同時也進一步揭示了

2、能量守恒定律。（4）應(yīng)用熱力學(xué)第一定律解題的一般步驟：根據(jù)符號法則寫出各已知量（w 、q、 u）的正、負；根據(jù)方程 u=w+q 求出未知量；再根據(jù)未知量結(jié)果的正、負來確定吸熱、放熱情況或做功情況。2. 能量守恒定律. 自然界存在著多種不同形式的運動，每種運動對應(yīng)著一種形式的能量。如機械運動對應(yīng)機械能；分子熱運動對應(yīng)內(nèi)能；電磁運動對應(yīng)電磁能。. 不同形式的能量之間可以相互轉(zhuǎn)化。摩擦可以將機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；熾熱電燈發(fā)光可以將電能轉(zhuǎn)化為光能。. 能量既不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或者從一個物體轉(zhuǎn)移到別的物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中其總量不變。這就是能量守恒定律。(4

3、). 熱力學(xué)第一定律、機械能守恒定律都是能量守恒定律的具體體現(xiàn)。(5). 能量守恒定律適用于任何物理現(xiàn)象和物理過程。(6). 能量守恒定律的重要意義第一，能量守恒定律是支配整個自然界運動、發(fā)展、變化的普遍規(guī)律，學(xué)習(xí)這個定律，不能滿足一般理解其內(nèi)容，更重要的是，從能量形式的多樣化及其相互聯(lián)系，互相轉(zhuǎn)化的事實出發(fā)去認識物質(zhì)世界的多樣性及其普遍聯(lián)系，并切實樹立能量既不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失的觀點，作為以后學(xué)習(xí)和生產(chǎn)實踐中處理一切實際問題的基本指導(dǎo)思想之一。第二，宣告了第一類永動機的失敗。3. 第一類永動機不可能制成任何機器運動時只能將能量從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，而不可能無中生有地創(chuàng)造能量，即

4、第一類永動機是不可能制造出來的。典例探究例 1. 一定量的氣體在某一過程中，外界對氣體做了8104j 的功，氣體的內(nèi)能減少了 1.2 105j，則下列各式中正確的是（）a.w=8 104j， u =1.2 105j ，q=4 104j b.w=8 104j， u =1.2 105j ，q= 2105j c.w= 8104j， u =1.2 105j ，q=2 104j d.w= 8104j， u =1.2 105j ，q= 4104j解析：本題主要考查熱力學(xué)第一定律的應(yīng)用。因為外界對氣體做功，w取正值，即 w=8 104j；內(nèi)能減少， u取負值，即 u= 1.2 105j；根據(jù) u=w+q，可

5、知 q=u w= 1.2 1058104=2105j，即 b選項正確。答案： b友情提示 ：注意熱力學(xué)第一定律關(guān)系式中各物理量的符號法則。例 2. 一定質(zhì)量的氣體，在壓縮過程中外界對氣體做功300j，但這一過程中氣體的內(nèi)能減少了300j， 問氣體在此過程中是吸熱還是放熱？吸收（或放出）多少熱量？解析：由題意可知，w=300j ， u=300j，根據(jù)熱力學(xué)第一定律可得q= uw= 300j300j=600jq為負值表示氣體放熱，因此氣體放出600j 的熱量。友情提示 ：注意熱力學(xué)第一定律關(guān)系式中各物理量的符號法則及其物理意義。例 3. 一定質(zhì)量的氣體從外界吸收了4.2 105j 的熱量，同時氣體

6、對外做了6105j 的功，問：（1）物體的內(nèi)能是增加還是減少？變化量是多少？（2）分子勢能是增加還是減少？（3）分子的平均動能是增加還是減少？解析：（ 1）氣體從外界吸熱為：q=4.2105j氣體對外做功： w= 6105j由熱力學(xué)第一定律：u=w+q=（ 6105）+（4.2 105j）=1.8105ju為負，說明氣體的內(nèi)能減少了。所以，氣體內(nèi)能減少了1.8105j。（2）因為氣體對外做功，所以氣體的體積膨脹，分子間的距離增大了，分子力做負功，氣體分子勢能增加了。（3）因為氣體內(nèi)能減少，同時氣體分子勢能增加，說明氣體分子的平均動能一定減少了。友情提示： 本題以熱力學(xué)第一定律關(guān)系式為起點，結(jié)合

7、分子動理論中內(nèi)能的定義，分析得出：氣體對外做功，體積膨脹，分子間的距離增大了，分子力做負功，氣體分子勢能增加了氣體內(nèi)能減少，同時氣體分子勢能增加，說明氣體分子的平均動能一定減少了。課后問題與練習(xí)點擊1. 解析 ：由熱力學(xué)第一定律u=w+q 有u=900j-210j=690j2. 解析：(1) 一定質(zhì)量的封閉氣體可以看作是理想氣體，由理想氣體的狀態(tài)方程和熱力學(xué)第一定律可知： 兩種情況下內(nèi)能的變化u是相同的，即 u=q1， 但 u=q2-w ，所以 q2q1。(2) 比熱容是指單位質(zhì)量的某種物質(zhì)溫度每升高1 攝氏度所吸收的熱量。 由于等容過程中，溫度升高，系統(tǒng)所吸收的熱全部用來增加內(nèi)能，而等壓過程

8、中，所吸收的熱除增加內(nèi)能外，還要多吸收一點熱用來對外膨脹做功，所以氣體等壓下的比熱容恒大于等容下的比熱容。3. 解：設(shè)在陽光直射時地面上每平方米每分鐘接受的太陽能量為q由能量守恒定律得：qst=cm t則 q= cm tst代入數(shù)值得： q=4.2104j4解：由能量守恒定律得：mgh=cm tt=ghc代入 g=10m/s2,h=3 20m=60m,c= 4.2103j/kg t=0.14 5解：要使奶牛的內(nèi)能不變，1h 提供的熱量e= cmt= 4.2 1034003.5j=5.88 106j故每天提供的熱量e =24e=1.4 108j 6解：物體吸收的能量一部分轉(zhuǎn)化為物體的內(nèi)能，使物體

9、的內(nèi)能增加，同時另一部分因物體膨脹要對外界做功。基礎(chǔ)訓(xùn)練1關(guān)于物體內(nèi)能的變化，以下說法正確的是（）a. 物體吸熱，內(nèi)能一定增大b. 物體對外做功，內(nèi)能可能增大c.物體吸收熱量，同時對外做功，內(nèi)能可能不變d.物體放出熱量，同時對外做功，內(nèi)能可能不變2自由擺動的秋千擺動幅度越來越小，下列說法正確的是（）a. 秋千的機械能守恒 b.秋千的能量正在消失c.只有動能和重力勢能的相互轉(zhuǎn)化 d.減少的機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，但總能量守恒3下列各物體在所經(jīng)歷的過程中，內(nèi)能增加的有 ( )a. 在光滑斜面上由靜止釋放而下滑的物體b. 水平飛行并射穿木塊的子彈c.在絕熱的條件下被壓縮的氣體d.在光滑水平面上運動的兩個小

10、球，碰撞后以共同的速度運動4在熱力學(xué)第一定律的表達式u=w+q 中關(guān)于 u、w 、q各個物理量的正、負，下列說法中正確的是（）a. 外界對物體做功時w為正，吸熱時q為負，內(nèi)能增加時u為正b. 物體對外界做功時w為負，吸熱時q為正，內(nèi)能增加時u為負c.物體對外界做功時w為負，吸熱時q為正，內(nèi)能增加時u為正d.外界對物體做功時w為負，吸熱時q為負，內(nèi)能增加時u為負5對于在一個大氣壓下100的水變成 100的水蒸氣的過程中，下列說法正確的是（）a. 水的內(nèi)能增加，對外界做功，一定是吸熱b. 水的內(nèi)能不變，對外界做功，從外界吸熱c.水的內(nèi)能減少，對外界不做功，向外界放熱d.水的內(nèi)能增加，對外界做功，向

11、外界放熱6為使一個與外界保持良好熱交換狀態(tài)的物體的內(nèi)能能夠明顯變化，以下方法可行的是（）a. 以較大的功率對物體做功b. . 以較小的功率對物體做功c.該物體以較大的功率對外做功d. 該物體以較小的功率對外做功7圖 10.3-1 所示是一定質(zhì)量的理想氣體從狀態(tài)a 經(jīng) b至 c的 p1v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.氣體對外界做功圖 10.3-18從 10m高空由靜止開始下落的水滴，在下落的過程中，水滴重力勢能的40轉(zhuǎn)化為水的內(nèi)能使水的溫度升高，則水滴落下后溫度升高多少？ 水的比熱容 c=4.2103j/ （kg） 9一個透熱良好的氣缸，缸

12、壁浸在盛水的容器中，迅速下壓活塞，壓縮中對氣體做了 2000j 的功，穩(wěn)定后使容器中2 千克的水溫度升高了0.2 ，假設(shè)盛水容器絕熱。問：壓縮前后缸內(nèi)氣體的內(nèi)能變化了多少？多維鏈接1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，你知道維持表針走動的能量是哪兒來的嗎？提示：不是永動機。能量是通過擺動手臂對表內(nèi)的轉(zhuǎn)輪做功而儲存的。2在一間隔熱很好的密閉房間里放一臺電冰箱，如果把冰箱門打開，開動一段時間后，房內(nèi)溫度是降低還是升高？提示：升高了。 因為電冰箱消耗電能， 產(chǎn)生電熱， 使密閉房間內(nèi)的空氣內(nèi)能增加，房內(nèi)溫度升高。3能的轉(zhuǎn)化和守恒

13、定律的建立能的轉(zhuǎn)化和守恒定律的建立，揭示了機械熱、電、化學(xué)等各種運動形式之間相互聯(lián)系并相互轉(zhuǎn)化的統(tǒng)一性，是物理學(xué)發(fā)展史上繼牛頓學(xué)將天體運動與地面物體運動的大綜合之后的第二次大綜合，恩格斯將這一偉大的運動基本定律稱為19 世紀自然科學(xué)的三大發(fā)現(xiàn)之一，它不僅是自然科學(xué)的基礎(chǔ)，而且也給哲學(xué)上的不滅運動原理和自然界運動形式的統(tǒng)一性提供了可靠的科學(xué)論據(jù)。4關(guān)于太陽能的轉(zhuǎn)化太陽能輻射到地球表面，產(chǎn)生熱量和化學(xué)能，能量給地球以溫暖，推動地表水的循環(huán)和空氣的流動?；瘜W(xué)能被植物經(jīng)過化學(xué)作用所利用，產(chǎn)生糖類及其其它有機物，成為生命活動的能源，一個活的生命體可以看作是一個利用太陽能以維持自身生命，并延續(xù)下一代的化學(xué)

14、系統(tǒng)。太陽能有廣泛的應(yīng)用，其輻射的直接利用基本上有以下四種方式：(1). 太陽能內(nèi)能轉(zhuǎn)換這是目前技術(shù)最為成熟，成本最為低廉，因而應(yīng)用最為廣泛的形式，其基本原理是將太陽輻射能收集起來，利用溫室效應(yīng)來加熱物體而獲得內(nèi)能，如地膜、大棚、溫室等，目前使用較多的太陽能收集裝置有兩種，一種是平板式集熱器，如太陽能熱水器等，另一種是聚集型集熱器，如反射式太陽灶、高溫太陽爐等。(2). 太陽能電能轉(zhuǎn)換太陽能與電能轉(zhuǎn)換有兩種方式，一種是利用太陽輻射能發(fā)電，一般是由太陽能集熱器將吸收的太陽能轉(zhuǎn)換成蒸汽，再驅(qū)動汽輪機發(fā)電，但這一過程效率較低并且成本高，沒有實用價值；另一種是太陽能與電能的轉(zhuǎn)換，是利用光電效應(yīng)，將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)化成電能。(3). 太陽能化學(xué)能轉(zhuǎn)換利用太陽輻射能可以轉(zhuǎn)化為化學(xué)鍵中的化學(xué)能，進而生成新物質(zhì)， 或利用其分解化學(xué)物質(zhì)生成新物質(zhì)。例如直接分解水制氫，是一種很有前途的光能與化學(xué)能的轉(zhuǎn)化方式。(4). 太陽能生物質(zhì)能的轉(zhuǎn)換主要是通過地球上眾多的植物的光合作用，將太陽輻射能轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)能。生物能又叫綠色能