高中物理新課標(biāo)版人教版選修3-3精品：10.3《熱力學(xué)第一定律 能量守恒定律》

1、.1.2新課標(biāo)人教版課件系列高中物理選修選修3-33-3.310.3熱力學(xué)第一定律 能量守恒定律.4教學(xué)目標(biāo)教學(xué)目標(biāo)v（1）知道熱力學(xué)第一定律 ，理解能量守恒定律v（2）對熱力學(xué)第一定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式有簡單認(rèn)識v（3）知道永動機(jī)是不可能的.5本章內(nèi)容Contentschapter 15熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律first law of thermodynamics cycle Carnot cycle 循環(huán)過程循環(huán)過程 卡諾循環(huán)卡諾循環(huán)熱力學(xué)第一定律對理想氣體的應(yīng)用熱力學(xué)第一定律對理想氣體的應(yīng)用application of first law of thermodynamics to idea

2、l gas .6第一節(jié) 引言熱力學(xué)是研究物質(zhì)世界中有關(guān)熱現(xiàn)象的宏觀熱力學(xué)是研究物質(zhì)世界中有關(guān)熱現(xiàn)象的宏觀理論，它不涉及物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，而是將一物質(zhì)理論，它不涉及物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，而是將一物質(zhì)系統(tǒng)中大量粒子看作一個整體，研究系統(tǒng)所表現(xiàn)系統(tǒng)中大量粒子看作一個整體，研究系統(tǒng)所表現(xiàn)的各種宏觀性質(zhì)和規(guī)律。的各種宏觀性質(zhì)和規(guī)律。熱力學(xué)第一定律是熱力學(xué)的基本定律，是一個熱力學(xué)第一定律是熱力學(xué)的基本定律，是一個包括熱現(xiàn)象在內(nèi)的能量守恒與轉(zhuǎn)化的定律。包括熱現(xiàn)象在內(nèi)的能量守恒與轉(zhuǎn)化的定律。熱力學(xué)第一定律首先涉及到熱力學(xué)第一定律首先涉及到內(nèi)能內(nèi)能功功熱量熱量的基本概念的基本概念.7內(nèi)能廣義上的內(nèi)能，是指某物體系統(tǒng)由其

3、內(nèi)部狀態(tài)所決定的能量。某給定理想氣體系統(tǒng)的內(nèi)能，是組成該氣體系統(tǒng)的全部分子的動能之和，其值為 ，由狀態(tài)參量決定，內(nèi)能 ，是狀態(tài)參量 的單值函數(shù)。真實(shí)氣體的內(nèi)能除了其全體分子的動能外還包括分子之間的引力勢能。實(shí)驗(yàn)證明人，真實(shí)氣體的內(nèi)能，是狀態(tài)參量和 （或 ）的函數(shù)，即 或 ?？傊?，某給定氣體系統(tǒng)的內(nèi)能。只由該系統(tǒng)的狀態(tài)所決定，在熱力學(xué)中內(nèi)能是一個重要的狀態(tài)量。.8功氣體壓強(qiáng)活塞面積氣體系統(tǒng)體積變化過程所做的功（體積功）元功氣體膨脹 系統(tǒng)對外做正功氣體被壓縮 系統(tǒng)對外做負(fù)功與過程有關(guān)體積從 變到 系統(tǒng)所做的功 沿 a c b 過程的功沿 a d b 過程的功系統(tǒng)通過體積變化實(shí)現(xiàn)作功。熱力學(xué)中的功是

4、與系統(tǒng)始末狀態(tài)和過程都有關(guān)的一種過程量。.9熱量熱量是系統(tǒng)與外界僅由于溫度不同而傳遞的能量。外界質(zhì)量 M比熱 c吸收熱量 dQ Q溫度升高 dT T若改用摩爾熱容即1mol的物質(zhì)溫度升高1K時所吸收的熱量則的過程中所吸收的熱量系統(tǒng)由溫度 T1 變到溫度 T2系統(tǒng)吸收的熱量為正若計(jì)算結(jié)果 則表示系統(tǒng)放熱。熱量必須與過程相聯(lián)系，只有發(fā)生過程才有吸收或放出熱量可言。系統(tǒng)從某一狀態(tài)變到另一狀態(tài)，若其過程不同，則吸或放的熱量也會不同。故 熱量也是過程量.10實(shí)質(zhì)內(nèi)能內(nèi)能熱量熱量功功狀態(tài)量過程量過程量是構(gòu)成系統(tǒng)的全部分子的平均能量之和。是系統(tǒng)的宏觀有序機(jī)械運(yùn)動與系統(tǒng)內(nèi)大量分子無規(guī)熱運(yùn)動的相互轉(zhuǎn)化過程。是外

5、界物質(zhì)分子無規(guī)熱運(yùn)動與系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)分子無規(guī)熱運(yùn)動的相互轉(zhuǎn)化過程。內(nèi)能內(nèi)能 功功 熱量熱量 的國際標(biāo)準(zhǔn)單位都是 焦耳焦耳 （ J J ） .11熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律是包括熱現(xiàn)象在內(nèi)的能量守恒與轉(zhuǎn)化定律的一種表達(dá)形式。該定律的另一種通俗表述是：第一類永動機(jī)是不可能造成的。 第一類永動機(jī)是指能不斷對外作功而又不需消耗任何形式的能量、或消耗較少的能量卻能得到更多的機(jī)械功的機(jī)器。.12微過程表達(dá)式熱力學(xué)第一定律是包括熱現(xiàn)象在內(nèi)的能量守恒與轉(zhuǎn)化定律的一種表達(dá)形式。該定律的另一種通俗表述是：第一類永動機(jī)是不可能造成的。 第一類永動機(jī)是指能不斷對外作功而又不需消耗任何形式的能量、或消耗較少的能量卻能得到

6、更多的機(jī)械功的機(jī)器。對于一個無限小的過程，熱力學(xué)第一定律可寫成式中各量均為代數(shù)量，有正有負(fù)系統(tǒng)吸收熱量，或?yàn)檎?，放出熱量則為負(fù)系統(tǒng)內(nèi)能增加，或?yàn)檎?，?nèi)能減少則為負(fù)系統(tǒng)對外作功，或?yàn)檎?，外界對系統(tǒng)作功則為負(fù)式中各量的單位制必須統(tǒng)一。.13凡例 的過程中，系統(tǒng)內(nèi)能的變化及對外作的功。從b態(tài) 回到a態(tài) 系統(tǒng)從平衡態(tài)a 平衡態(tài)b,吸收熱量500J，對外作功400J；然后從b態(tài) 回到a態(tài)，向外放出熱量300J。 過程500400100(J)300200 過程100(J)100(J)外界向系統(tǒng)作功.14理想氣體的物態(tài)方程理想氣體的物態(tài)方程系統(tǒng)保持體積 不變過程方程常量理想氣體的內(nèi)能理想氣體的內(nèi)能等等V過程

7、系統(tǒng)吸收的熱量為其中稱為定體摩爾熱容本式也是計(jì)算的普遍式等體升壓過程所吸收的熱量等體升壓過程所吸收的熱量全部用于增加系統(tǒng)的內(nèi)能全部用于增加系統(tǒng)的內(nèi)能.15等壓過程理想氣體的物態(tài)方程理想氣體的物態(tài)方程系統(tǒng)保持壓強(qiáng) 不變過程方程常量理想氣體的內(nèi)能理想氣體的內(nèi)能故等壓膨脹過程所吸收的熱量等壓膨脹過程所吸收的熱量一部分用于增加系統(tǒng)的內(nèi)能一部分用于增加系統(tǒng)的內(nèi)能一部分用于對外界做功一部分用于對外界做功 常寫成其中稱為定壓摩爾熱容.16比熱容比定體定體摩爾熱容摩爾熱容 定壓定壓摩爾熱容摩爾熱容（1mol氣體在等體過程中溫度升高1K所吸收的熱量）（1mol氣體在等壓過程中溫度升高1K所吸收的熱量）理想氣體常

8、用式理想氣體常用式 熱力學(xué)中還常用到比熱容比的概念： 定壓摩爾熱容比熱容比比熱容比定體摩爾熱容理想氣體常用式（定壓、定體兩種比熱之比或定壓、定體兩種摩爾熱容之比）.17等體等壓例題全過程系統(tǒng)吸收量熱、對外作功及內(nèi)能變化1.75 10 (J)1.09 10 (J )2.84 10 (J)放熱內(nèi)能減少等體262.5 (K)等壓210 (K)1.75 10 (J)外界對系統(tǒng)作功.18等溫過程理想氣體的內(nèi)能理想氣體的內(nèi)能等溫過程氣體吸收的熱量全部轉(zhuǎn)化為對外作功。等溫過程氣體吸收的熱量全部轉(zhuǎn)化為對外作功。理想氣體的物態(tài)方程理想氣體的物態(tài)方程系統(tǒng)保持溫度 不變常量過程方程.19絕熱過程系統(tǒng)不與外界交換熱量

9、理想氣體的內(nèi)能理想氣體的內(nèi)能理想氣體的物態(tài)方程理想氣體的物態(tài)方程在絕熱過程中在絕熱過程中全靠消耗系統(tǒng)自身的內(nèi)能對外作功1mol 理想氣體絕熱功的大小為值也可由氣體的 值及初末態(tài)的 值求得.20絕熱過程方程理想氣體的物態(tài)方程理想氣體的物態(tài)方程絕熱過程方程對于絕熱過程無一恒定過程曲線形態(tài)理想氣體準(zhǔn)靜態(tài)絕熱過程及兩邊積分得即常量則常量由物態(tài)方程消去得常用的絕熱過程方程常量其它形式常量常量.21絕熱線絕熱線的斜率絕熱線的斜率絕熱過程方程絕熱過程方程常量其中絕熱線等溫線絕熱線較陡絕熱線較陡Q QT T等溫過程方程等溫過程方程等溫線的斜率等溫線的斜率常量Q QT T對同一除 共同因素外，還因消耗內(nèi)能， ，

10、絕熱線較陡的物理解釋：等溫膨脹等溫膨脹絕熱膨脹絕熱膨脹 不變，導(dǎo)致 的因素只是使.22等溫絕熱例題絕熱線等溫線20.8 J mol K1.4絕熱過程11.94 (K)3.76 10 (J)等溫過程5.74 10 (J).23等值及絕熱歸納理想氣體物態(tài)方程理想氣體物態(tài)方程過程過程方程常量常量常量常量或或或等體等壓等溫絕熱.24多方過程概念理想氣體物態(tài)方程等體、等壓、等溫狀態(tài)參量分別不變絕熱都變但過程量即或現(xiàn)在討論（多方）過程都變或 的普遍情況為常量（含零及非零）時.25多方過程方程理想氣體的物態(tài)方程理想氣體的物態(tài)方程聯(lián)立消去令（常數(shù)）兩邊積分得常量得多方過程方程常量稱為多方指數(shù).26多方熱功算式

11、多方過程方程多方過程方程常量稱為多方指數(shù)稱為多方指數(shù)多方過程 系統(tǒng) 對外作功內(nèi)能變化吸收熱量等溫過程常量絕熱過程常量等壓過程等體過程可寫成 可以是非整數(shù)，給定一個 對應(yīng)著一個多方過程 等溫、絕熱、等壓、等體過程，是多方過程的特例介于等溫與絕熱之間的過程.27隨堂小議結(jié)束選擇結(jié)束選擇請?jiān)诜庞碃顟B(tài)下點(diǎn)擊你認(rèn)為是對的答案請?jiān)诜庞碃顟B(tài)下點(diǎn)擊你認(rèn)為是對的答案如圖，如圖，a、b為為 P P- -V V 圖中兩平衡態(tài)的代表點(diǎn)，且圖中兩平衡態(tài)的代表點(diǎn)，且 p pa a = = p pb b，則，則(1) Ea Eb(2) Aab 0(3) Qab 0(4) 以上結(jié)論都不對以上結(jié)論都不對.28小議鏈接1結(jié)束選擇

12、結(jié)束選擇請?jiān)诜庞碃顟B(tài)下點(diǎn)擊你認(rèn)為是對的答案請?jiān)诜庞碃顟B(tài)下點(diǎn)擊你認(rèn)為是對的答案如圖，如圖，a、b為為 P P- -V V 圖中兩平衡態(tài)的代表點(diǎn)，且圖中兩平衡態(tài)的代表點(diǎn)，且 p pa a = = p pb b，則，則(1) Ea Eb(2) Aab 0(3) Qab 0(4) 以上結(jié)論都不對以上結(jié)論都不對.29小議鏈接2結(jié)束選擇結(jié)束選擇請?jiān)诜庞碃顟B(tài)下點(diǎn)擊你認(rèn)為是對的答案請?jiān)诜庞碃顟B(tài)下點(diǎn)擊你認(rèn)為是對的答案如圖，如圖，a、b為為 P P- -V V 圖中兩平衡態(tài)的代表點(diǎn)，且圖中兩平衡態(tài)的代表點(diǎn)，且 p pa a = = p pb b，則，則(1) Ea Eb(2) Aab 0(3) Qab 0(4)

13、以上結(jié)論都不對以上結(jié)論都不對.30小議鏈接3結(jié)束選擇結(jié)束選擇請?jiān)诜庞碃顟B(tài)下點(diǎn)擊你認(rèn)為是對的答案請?jiān)诜庞碃顟B(tài)下點(diǎn)擊你認(rèn)為是對的答案如圖，如圖，a、b為為 P P- -V V 圖中兩平衡態(tài)的代表點(diǎn)，且圖中兩平衡態(tài)的代表點(diǎn)，且 p pa a = = p pb b，則，則(1) Ea Eb(2) Aab 0(3) Qab 0(4) 以上結(jié)論都不對以上結(jié)論都不對.31小議鏈接4結(jié)束選擇結(jié)束選擇請?jiān)诜庞碃顟B(tài)下點(diǎn)擊你認(rèn)為是對的答案請?jiān)诜庞碃顟B(tài)下點(diǎn)擊你認(rèn)為是對的答案如圖，如圖，a、b為為 P P- -V V 圖中兩平衡態(tài)的代表點(diǎn)，且圖中兩平衡態(tài)的代表點(diǎn)，且 p pa a = = p pb b，則，則(1) E

14、a Eb(2) Aab 0(3) Qab 0(4) 以上結(jié)論都不對以上結(jié)論都不對.32循環(huán)過程15-3cycle Carnot cycle 將熱能不斷轉(zhuǎn)變?yōu)楣Φ难b置稱為熱機(jī)。 熱機(jī)中的工作物質(zhì)（工質(zhì)、系統(tǒng)）所進(jìn)行的熱力學(xué)過程都是循環(huán)過程。 系統(tǒng)從某一狀態(tài)出發(fā)經(jīng)歷系統(tǒng)從某一狀態(tài)出發(fā)經(jīng)歷一系列變化后又回到了原態(tài)的整個變化過程。一系列變化后又回到了原態(tài)的整個變化過程。循環(huán)過程循環(huán)過程內(nèi)能變化內(nèi)能變化準(zhǔn)靜態(tài)循環(huán)過程準(zhǔn)靜態(tài)循環(huán)過程循環(huán)曲線包圍面積循環(huán)曲線包圍面積代表系統(tǒng)作的凈功代表系統(tǒng)作的凈功凈順時針順時針 正循環(huán)正循環(huán) 熱機(jī)熱機(jī)凈系統(tǒng)對外作正功系統(tǒng)對外作正功逆時針逆時針 逆循環(huán)逆循環(huán) 致冷機(jī)致冷機(jī)凈外

15、界對系統(tǒng)作功外界對系統(tǒng)作功凈.33循環(huán)熱功轉(zhuǎn)換吸熱膨脹吸熱膨脹吸收熱量吸收熱量對外作功對外作功放熱壓縮放熱壓縮放出熱量放出熱量外界作功外界作功絕對值吸收的吸收的凈熱凈熱量量對外作的對外作的凈功凈功循環(huán)過程凈則.34循環(huán)效率熱機(jī)的循環(huán)效率熱機(jī)的循環(huán)效率工質(zhì)工質(zhì)對外作的對外作的凈功凈功工質(zhì)從工質(zhì)從高溫高溫?zé)嵩次盏臒崃繜嵩次盏臒崃抗べ|(zhì)從工質(zhì)從低溫低溫?zé)嵩次盏臒崃繜嵩次盏臒崃恐吕錂C(jī)的致冷系數(shù)致冷機(jī)的致冷系數(shù)外界外界對工質(zhì)作的對工質(zhì)作的凈功凈功.35卡諾循環(huán) 兩兩個個等等溫溫 兩個絕熱兩個絕熱 過程構(gòu)成的一種過程構(gòu)成的一種理想循環(huán)理想循環(huán)高溫?zé)嵩锤邷責(zé)嵩吹蜏責(zé)嵩吹蜏責(zé)嵩?36卡諾循環(huán)分析 兩兩個

16、個等等溫溫 兩個絕熱兩個絕熱 過程構(gòu)成的一種過程構(gòu)成的一種理想循環(huán)理想循環(huán)高溫?zé)嵩吹蜏責(zé)嵩唇^熱膨脹絕熱膨脹 過程方程過程方程絕熱壓縮絕熱壓縮 過程方程過程方程等溫壓縮等溫壓縮 放熱放熱量量等溫膨脹等溫膨脹 吸熱吸熱量量兩式對比兩式對比得得.37卡諾循環(huán)效率高溫?zé)嵩吹蜏責(zé)嵩椿仡櫻h(huán)效率和熱機(jī)效率的普遍定義高溫?zé)嵩礈囟?越高，低溫?zé)嵩礈囟?越低，卡諾循環(huán)效率就越大。.38卡諾逆循環(huán)致冷高溫?zé)嵩锤邷責(zé)嵩吹蜏責(zé)嵩吹蜏責(zé)嵩椿仡櫮嫜h(huán)效率和致冷機(jī)致冷系數(shù)的普遍定義 致冷系數(shù)隨著被致冷物體的溫度變化致冷系數(shù)隨著被致冷物體的溫度變化而變化。被致冷物體的溫度而變化。被致冷物體的溫度 越低，越低，則卡諾逆循環(huán)的致

17、冷系數(shù)越小。則卡諾逆循環(huán)的致冷系數(shù)越小。.39例題奧托循環(huán)吸 氣絕 熱壓 縮點(diǎn)火等體吸熱絕熱膨脹等體放熱 排 氣 應(yīng)用熱機(jī)效率的一般概念，應(yīng)用熱機(jī)效率的一般概念，導(dǎo)出四沖程火花塞點(diǎn)燃式氣油發(fā)動機(jī)導(dǎo)出四沖程火花塞點(diǎn)燃式氣油發(fā)動機(jī)的理想循環(huán)（奧托循環(huán)）效率的理想循環(huán)（奧托循環(huán)）效率奧托等體吸熱等體吸熱等體放熱等體放熱均為絕熱過程，有均為絕熱過程，有奧托奧托兩個絕熱兩個絕熱兩個兩個等體等體過程過程主體主體大 氣 壓.40隨堂練習(xí)1mol單原子理想氣體循環(huán)如圖單原子理想氣體循環(huán)如圖105pa10-3m-3循環(huán)一次的循環(huán)一次的證明證明TaTc = TbTd為吸熱過程為吸熱過程800 (J)面積面積100 (J)因因故故.41致冷例題卡諾致冷機(jī)使卡諾致冷機(jī)