高中物理第十章熱力學定律第3節(jié)熱力學第一定律能量守恒定律課件新人教版選修3-

第十章熱力學定律第三節(jié)熱力學第一定律能量守恒定律【素養(yǎng)目標定位】※※理解和掌握熱力學第一定律表達式，并能用于分析有關(guān)問題并進行具體的計算※※理解和掌握能量守恒定律，明確定律的重要意義※了解第一類永動機及其不能制成的原因【素養(yǎng)思維脈絡】課前預習反饋知識點11．改變內(nèi)能的兩種方式________和__________。2．熱力學第一定律(1)內(nèi)容：一個熱力學系統(tǒng)的內(nèi)能增量等于外界向它傳遞的________與外界對它所做的______的和。(2)表達式：____________熱力學第一定律做功

熱傳遞

熱量

功

ΔU＝Q＋W

知識點21．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，能量的總量____________。2．意義(1)各種形式的能可以____________。(2)____________的物理現(xiàn)象可以用______________________聯(lián)系在一起。能量守恒定律轉(zhuǎn)化

轉(zhuǎn)移

保持不變

相互轉(zhuǎn)化

互不相關(guān)

能量轉(zhuǎn)化和守恒定律

知識點31．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。永動機不可能制成對外做功

能量守恒

『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)能量既可以轉(zhuǎn)移又可以轉(zhuǎn)化，故能的總量是可以變化的。 (

)(4)違背能量守恒定律的過程是不可能發(fā)生的。 (

)(5)ΔU＝W＋Q。該式表示的是功、熱量跟內(nèi)能改變之間的定量關(guān)系，在物理學中叫作熱力學第一定律。 (

)√××√√辨析思考『選一選』如圖所示是古人鍛造鐵器的過程，關(guān)于改變物體內(nèi)能的方式，下列說法正確的是(

)A．加熱和鍛打?qū)儆跓醾鬟f，淬火屬于做功B．加熱屬于熱傳遞，鍛打和淬火屬于做功C．加熱和淬火屬于熱傳遞，鍛打?qū)儆谧龉．加熱和淬火屬于做功，鍛打?qū)儆跓醾鬟f解析：用鐵錘鍛打鐵器，鐵器會發(fā)熱，屬于做功改變物體內(nèi)能；用火對鐵器加熱，鐵器從火中吸收熱量，把鐵器放在水中淬火，鐵器向水中放熱，所以加熱和淬火屬于熱傳遞改變物體內(nèi)能，故選項C正確。C

『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，你知道維持表針走動的能量是從哪兒來的嗎？答案：不是永動機，手表戴在手上，手運動的能量一部分轉(zhuǎn)化為手表的能量(動能)。課內(nèi)互動探究對熱力學第一定律的理解探究一

思考討論1如圖所示，一定質(zhì)量的理想氣體由a狀態(tài)變化到b狀態(tài)，請在圖象基礎(chǔ)上思考以下問題：(1)在變化過程中氣體對外做功，還是外界對氣體做功？(2)在變化過程中氣體吸熱，還是向外放熱？氣體內(nèi)能增加了，還是減少了？提示：(1)氣體對外做功(2)吸熱；內(nèi)能增加歸納總結(jié)1．對ΔU＝W＋Q的理解熱力學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ΔU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．與熱力學第一定律相匹配的符號法則做功W熱量Q內(nèi)能的改變ΔU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)向外界放出熱量系統(tǒng)的內(nèi)能減少3.幾種特殊情況：(1)若過程是絕熱的，即Q＝0，則ΔU＝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ΔU＝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ΔU＝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)。4．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(1)當做功和熱傳遞同時發(fā)生時，物體的內(nèi)能可能增加，也可能減小，還可能保持不變。(2)物體內(nèi)能發(fā)生變化可能是由做功引起的，也可能是由熱傳遞引起的，還可能是兩者共同作用的結(jié)果。典例1典例剖析 (2020·北京高三模擬卷1)如圖，一定質(zhì)量的理想氣體從狀態(tài)a開始，經(jīng)歷狀態(tài)b、c到達狀態(tài)d，已知一定質(zhì)量的理想氣體的內(nèi)能與溫度滿足U＝kT(k為常數(shù))。該氣體在狀態(tài)a時溫度為T0，求：①氣體在狀態(tài)d時的溫度；②氣體從狀態(tài)a到達狀態(tài)d過程從外界吸收的熱量。解題指導：①由a到d氣體發(fā)生等壓變化，由蓋呂薩克定律可以求出氣體的溫度；②求出氣體由a到d做的功，然后應用熱力學第一定律求出從外界吸收的熱量。對點訓練1．如圖是封閉的氣缸，內(nèi)部封閉有一定質(zhì)量的理想氣體。外力推動活塞P壓縮氣體，對汽缸內(nèi)氣體做功800J，同時氣體向外界放熱200J，則汽缸內(nèi)氣體的(

)A．溫度升高，內(nèi)能增加600JB．溫度升高，內(nèi)能減少200JC．溫度降低，內(nèi)能增加600JD．溫度降低，內(nèi)能減少200JA

解析：由熱力學第一定律：ΔU＝W＋Q得ΔU＝800J＋(－200J)＝600J，一定質(zhì)量的理想氣體的內(nèi)能大小只與溫度有關(guān)，ΔU＝600J>0，故溫度一定升高，A選項正確。對能量守恒定律的理解探究二

思考討論2請思考：(1)下面的永動機能實現(xiàn)嗎？(2)熱力學第一定律與能量守恒定律是什么關(guān)系？提示：(1)不能，違反了能量守恒定律。(2)能量守恒定律是各種形式的能相互轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程，總能量保持不變，它包括各個領(lǐng)域，其范圍廣泛。熱力學第一定律是物體內(nèi)能與其他形式的能之間的相互轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移，是能量守恒定律的具體體現(xiàn)。歸納總結(jié)1．能量的存在形式及相互轉(zhuǎn)化各種運動形式都有對應的能：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、化學能、原子能等。各種形式的能，通過做功可以相互轉(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．守恒條件與某種運動形式對應的能是否守恒是有條件的，例如，物體的機械能守恒，必須是只有重力做功；而能量守恒定律是沒有條件的，它是一切自然界現(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)象用能量規(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更普遍，它是物理學中解決問題的重要思維方法。能量守恒定律與電子的發(fā)現(xiàn)、達爾文的進化論并稱19世紀自然科學中三大發(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。特別提醒(1)能量守恒定律是一個自然界中普遍適用的規(guī)律，凡是遇到涉及能量的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移問題時可優(yōu)先考慮使用其解決。(2)層出不窮的永動機設計方案，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。典例剖析

如圖所示，密閉絕熱容器內(nèi)有一絕熱的具有一定質(zhì)量活塞，活塞的上部封閉著氣體，下部為真空，活塞與器壁間的摩擦忽略不計。置于真空中的輕彈簧一端固定于容器的底部，另一端固定在活塞上，彈簧被壓縮后用繩扎緊，此時彈簧的彈性勢能為Ep(彈簧處在自然長度時的彈性勢能為零)。現(xiàn)繩突然斷開，彈簧推動活塞向上運動，經(jīng)過多次往復運動后活塞靜止，氣體達到平衡狀態(tài)。經(jīng)過此過程(

)典例2A．Ep全部轉(zhuǎn)換為氣體的內(nèi)能B．Ep一部分轉(zhuǎn)換成活塞的重力勢能，其余部分仍為彈簧的彈性勢能C．Ep全部轉(zhuǎn)換成活塞的重力勢能和氣體的內(nèi)能D．Ep一部分轉(zhuǎn)換成活塞的重力勢能，一部分轉(zhuǎn)換為氣體的內(nèi)能，其余部分仍為彈簧的彈性勢能解題指導：利用能量守恒定律解決問題時，首先應明確題目中涉及哪幾種形式的能量，其次分析哪種能量增加了，哪種能量減少了，確定研究的系統(tǒng)后，用能量守恒的觀點求解。答案：D解析：當繩子突然斷開時，活塞受彈簧的彈力F、活塞的重力G、封閉氣體對活塞向下的壓力F′共同作用，如圖所示，其合力向上，經(jīng)多次往復運動后活塞靜止時，活塞處于三力平衡狀態(tài)，氣體體積必減小，外力對氣體做正功，由于絕熱，氣體的內(nèi)能增加，而活塞最終的靜止位置比初始位置高，其重力勢能增加，最終彈力與另外兩個力的合力平衡，彈簧仍有形變。設最終彈簧的彈性勢能為Ep′，由能量守恒定律得Ep＝Ep′＋活塞增加的重力勢能＋氣體增加的內(nèi)能，所以D選項正確。對點訓練2.柴油在柴油機的氣缸中燃燒，產(chǎn)生高溫高壓的氣體，燃料的化學能轉(zhuǎn)化為氣體的內(nèi)能，高溫高壓的氣體推動活塞做功，氣體的內(nèi)能又轉(zhuǎn)化為柴油機的機械能，燃燒相同的柴油，輸出的機械能越多，柴油機越節(jié)能。有經(jīng)驗的柴油機維修師傅，不用任何儀器，只要將手伸到柴油機排氣管附近，去感知一下尾氣的溫度，就能夠判斷出這臺柴油機是否節(jié)能。真是“行家伸伸手，就知有沒有”，關(guān)于尾氣的溫度跟柴油機是否節(jié)能之間的關(guān)系，下列說法中正確的是(

)A．尾氣的溫度越低，柴油機越節(jié)能B．尾氣的溫度越高，柴油機越節(jié)能C．尾氣的溫度高低與柴油機是否節(jié)能無關(guān)D．以上說法均不正確A

解析：高溫高壓的燃氣推動活塞向下運動，對活塞做功，燃氣的內(nèi)能大部分轉(zhuǎn)化為活塞的機械能，在做功的過程中，內(nèi)能轉(zhuǎn)化為活塞的機械能越多，尾氣的溫度越低，柴油機越節(jié)能，故A正確，BCD錯誤。核心素養(yǎng)提升1．第一類永動機人們把設想中的不消耗能量的機械叫作第一類永動機，第一類永動機是不可能制成的。2．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。永動機不可能制成

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，轉(zhuǎn)輪因此能