物理3-3人教版10.3《熱力學第一定律 能量守恒定律 》課件1

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歡迎進入物理課堂 3 熱力學第一定律能量守恒定律 一 熱力學第一定律1 定律內容 一個熱力學系統(tǒng)的內能增量等于外界向它傳遞的與外界對它所做的功的和 2 數(shù)學表達式 U 熱量 Q W 二 能量守恒定律1 能量守恒定律內容 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 在轉化或轉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 轉化 轉移 能量的總量 相互轉化 能量轉化守恒定律 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 一 對熱力學第一定律的理解1 熱力學第一定律不僅反映了做功和熱傳遞這兩種改變內能過程是等效的 而且給出了內能的變化量和做功與熱傳遞之間的定量關系 此定律是標量式 應用時熱量的單位應統(tǒng)一為國際單位制中的焦耳 2 對公式 U Q W符號的規(guī)定 3 幾種特殊情況 1 若過程是絕熱的 則Q 0 W U 外界對物體做的功等于物體內能的增加 2 若過程中不做功 即W 0 則Q U 物體吸收的熱量等于物體內能的增加 3 若過程的始末狀態(tài)物體的內能不變 即 U 0 則W Q 0或W Q 外界對物體做的功等于物體放出的熱量 特別提醒 1 應用熱力學第一定律時要明確研究的對象是哪個物體或者是哪個熱力學系統(tǒng) 2 應用熱力學第一定律計算時 要依照符號法則代入數(shù)據(jù) 對結果的正 負也同樣依照規(guī)則來解釋其意義 一定量的氣體在某一過程中 外界對氣體做了8 104J的功 氣體的內能減少了1 2 105J 則下列各式中正確的是 A W 8 104J U 1 2 105J Q 4 104JB W 8 104J U 1 2 105J Q 2 105JC W 8 104J U 1 2 105J Q 2 104JD W 8 104J U 1 2 105J Q 4 104J 解析 本題主要考查熱力學第一定律的應用 因為外界對氣體做功 W取正值 即W 8 104J 內能減少 U取負值 即 U 1 2 105J 根據(jù) U W Q 可知Q U W 1 2 105 8 104 2 105J 即B選項正確 答案 B 二 能量守恒定律的理解1 能量的存在形式及相互轉化各種運動形式都有對應的能 機械運動對應機械能 分子的熱運動對應內能 還有諸如電磁能 化學能 原子能等 各種形式的能 通過某種力做功可以相互轉化 例如 利用電爐取暖或燒水 電能轉化為內能 煤燃燒 化學能轉化為內能 列車剎車后 輪子溫度升高 機械能轉化為內能 2 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 突破了人們關于物質運動的機械觀念的范圍 從本質上表明了各種運動形式之間相互轉化的可能性 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 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)內能減少 即U2 U1 則W 0 系統(tǒng)對外做功是要以內能減少為代價的 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 下列對能量的轉化和守恒定律的認識不正確的是 A 某種形式的能量減少 一定存在其他形式能量的增加B 某個物體的能量減少 必然有其他物體的能量增加C 不需要任何外界的動力而持續(xù)對外做功的機器 永動機是不可能制成的D 石子從空中落下 最后停止在地面上 說明機械能消失了 解析 A選項是指不同形式的能量間的轉化 轉化過程中能量是守恒的 B選項是指能量在不同的物體間發(fā)生轉移 轉移過程中是守恒的 這正好是能量守恒定律的兩個方面 轉化與轉移 任何永動機都是不可能制成的 它違背了能量守恒守律 所以A B C正確 D選項中石子的機械能在變化 比如受空氣阻力作用 機械能可能減少 但機械能并沒有消失 能量守恒定律表明能量既不會創(chuàng)生 也不會消失 故D是錯的 答案 D 教材資料分析 說一說 教材P56如圖所示是歷史上有名的一種永動機的設計 從圖上看 設計者為什么認為這個機器會永遠運動下去 不用能量的概念 你能不能說明它不會永遠運動下去 點撥 這種永動機是在一個輪子的邊緣等距地安裝12根活動短桿 桿端分別套上一個重球 無論輪子轉到什么位置 右邊的各個重球總比左邊的各個重球離軸心更遠一些 設想 右邊更大的作用特別是右邊甩過去的重球作用在離軸較遠的距離上 根據(jù)杠桿平衡原理可知 就會使輪子按照箭頭所示的方向永不停息地旋轉下去 至少轉到輪軸磨壞時為止 但是 實際上輪子轉動一兩圈后就停了下來 在這種永動機的設計中 我們總可以找到一個平衡位置 在這個位置上 各個力恰好相互抵消 不再有任何推動力使它運動 永動機必然會在這個平衡位置上靜止下來 成為不動機 空氣壓縮機在一次壓縮中 活塞對空氣做了2 105J的功 同時空氣的內能增加了1 5 105J 這一過程中空氣向外界傳遞的熱量是多少 解析 選擇被壓縮的空氣為研究對象 根據(jù)熱力學第一定律有 U W Q 由題意可知W 2 105J U 1 5 105J 代入上式得Q U W 1 5 105J 2 105J 5 104J 負號表示空氣向外釋放熱量 即空氣向外界傳遞的熱量為5 104J 答案 5 104J 反思總結 應用熱力學第一定律解題的一般步驟 1 首先應明確研究對象是哪個物體或者是哪個熱力學系統(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)對外所做的功 3 根據(jù)熱力學第一定律 U Q W列出方程進行求解 4 特別應注意的就是物理量的正負號及其物理意義 跟蹤發(fā)散 1 1 一定質量的氣體 從狀態(tài)A變化到狀態(tài)B的過程中 內能增加了160J 下列是關于內能變化的可能原因的說法 其中不可能的是 A 從A到B的絕熱過程中 外界對氣體做功160JB 從A到B的單純傳熱過程中 外界對氣體傳遞了160J的熱量C 從A到B的過程中吸熱280J 并對外界做功120JD 從A到B的過程中放熱280J 外界對氣體做功120J 解析 由熱力學第一定律 U W Q可知 A B C正確 D錯誤 答案 D 2011 山東卷 36 2 氣體溫度計結構如圖所示 玻璃測溫泡A內充有理想氣體 通過細玻璃管B和水銀壓強計相連 開始時A處于冰水混合物中 左管C中水銀面在O點處 右管D中水銀面高出O點h1 14cm 后將A放入待測恒溫槽中 上下移動D 使C中水銀面仍在O點處 測得D中水銀面高出O點h2 44cm 已知外界大氣壓為1個標準大氣壓 1標準大氣壓相當于76cmHg 1 求恒溫槽的溫度 2 此過程A內氣體內能 填 增大 或 減小 氣體不對外做功 氣體將 填 吸熱 或 放熱 答案 1 91 2 增大吸熱 跟蹤發(fā)散 2 1 帶有活塞的汽缸內封閉一定量的理想氣體 氣體開始處于狀態(tài)a 然后經(jīng)過過程ab到達狀態(tài)b或經(jīng)過過程ac到達狀態(tài)c b c狀態(tài)溫度相同 如V T圖所示 設氣體在狀態(tài)b和狀態(tài)c的壓強分別為pb和pc 在過程ab和ac中吸收的熱量分別為Qab和Qac 則 填入選項前的字母 有填錯的不得分 A pb pc Qab QacB pb pc Qab QacC pb pc Qab QacD pb pc Qab Qac 解析 一定量的理想氣體內能只與溫度有關 從狀態(tài)a到狀態(tài)b 和到狀態(tài)c 兩過程溫度升高相同 即內能增加相同 但b狀態(tài)體積比a狀態(tài)大 所以從a狀態(tài)到b狀態(tài)要對外界做功 由熱力學第一定律知Qab Qac 由于b c狀態(tài)溫度相同 由玻意耳定律 pb pc 故C正確 答案 C 如圖所示 一個質量為20kg的絕熱汽缸豎直放置 絕熱活塞的質量為5kg 處于靜止狀態(tài)時被封閉氣體的高度為50cm 現(xiàn)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能增加多少 g取10m s2 不考慮活塞受到的大氣壓力及摩擦阻力 思路點撥 絕熱過程 外界對氣體做功 內能增加 U W解析 由能量守恒定律可知 內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 跟蹤發(fā)散 3 1 水能不產(chǎn)生污染物 是一種清潔能源 位于美國和加拿大交界處的尼亞加拉瀑布流量可達每秒6000m3 而且一年四季流量穩(wěn)定 瀑布落差為50m 若利用這一資源發(fā)電 設其發(fā)電效率為50 估算發(fā)電機的輸出功率 g取10m s2 解析 每秒流下的水的質量m V 1 103 6000kg 6 106kg減少的機械能E mgh 6 106 10 50J 3 109J設發(fā)電機的輸出功率為P 則由能量守恒定律可得E Pt解得P 3 109 50 W 1 5 109W 答案 1 5 109W 1 第一類永動機是不可能制成的 這是因為永動機 A 不符合機械能守恒定律B 違背了能量守恒定律C 做功產(chǎn)生的熱不符合熱功當量D 找不到合適的材料和合理的設計方案解析 第一類永動機是指不需要消耗任何能量就能對外做功的機器 因此第一類永動機不可能制成不是找不到合適的材料和合理的設計方案的問題 而是它不符合自然界中的能量守恒定律 故正確答案為B 答案 B 2 圖是密閉的氣缸 外力推動活塞P壓縮氣體 對缸內氣體做功800J 同時氣體向外界放熱200J 缸內氣體的 A 溫度升高 內能增加600JB 溫度升高 內能減少200JC 溫度降低 內能增加600JD 溫度降低 內能減少200J解析 由熱力學第一定律W Q U 代入數(shù)據(jù)解得 U 600J 故氣體內能增加600J 同時可判定氣體的溫度一定升高 選A 答案 A 3 2011 廣東卷 14 如圖為某種椅子與其升降部分的結構示意圖 M N兩筒間密閉了一定質量的氣體 M可沿N的內壁上下滑動 設筒內氣體不與外界發(fā)生熱交換 在M向下滑動的過程中 A 外界對氣體做功 氣體內能增大B 外界對氣體做功 氣體內能減小C 氣體對外界做功 氣體內能增大D 氣體對外界做功 氣體內能減小解析 M向下滑動的過程中 氣體被壓縮 外界對氣體做功 又因為與外界沒有熱交換 所以氣體內能增大 答案 A 4 如圖所示 絕熱汽缸中間用固定栓將可無摩擦移動的導熱隔板固定 隔板質量不計 左右兩室中分別充有一定量的氫氣和氧氣 視為理想氣體 初始時 兩室中氣體的溫度相等 氫氣的壓強大于氧氣的壓強 松開固定栓直至系統(tǒng)重新達到平衡 下列說法中正確的是 A 初始時氫分子的平均動能大于氧分子的平均動能B 系統(tǒng)重新達到平衡時 氫氣的內能比初始時的小C 松開固定栓直至系統(tǒng)重新達到平衡的過程中 有熱量從氧氣傳遞到氫氣D 松開固定栓直至系統(tǒng)重新達到平衡的過程中 氧氣的內能先增大后減小 解析 溫度是分子平均動能大小的標志 初始時 氫氣和氧氣的溫度相同 分子平均動能相同 A錯誤 汽缸絕熱 氣體與汽缸外部沒有傳熱 汽缸內氣體的內能不會變化 B錯誤 在剛松開固定拴時氫氣膨脹 對氧氣做功 氫氣內能減小 溫度降低 氧氣內能增加 溫度升高 由于隔板是導熱的 熱量從氧氣傳到氫氣 直至溫度相同 氧氣的內能又減小 C D正確 答案 CD 5 對一定質量的氣體 下列說法中正確的是 A 溫度升高 壓強一定增大B 溫度升高 分子熱運動的平均動能一定增大C 壓強增大 體積一定減小D 吸收熱量 可能使分子熱運動加劇 氣體體積增大 答案 BD 6 2010 江蘇卷 在將空氣壓縮裝入氣瓶的過程中 溫度保持不變 外界做了24kJ的功 現(xiàn)潛水員背著該氣瓶緩慢地潛入海底 若在此過程中 瓶中空氣的質量保持不變 且放出了5kJ的熱量 在上述兩個過程中 空氣的內能共減小 kJ 空氣 選填 吸收 或 放出 的總熱量為 kJ 解析 由熱力學第一定律 U W Q知氣體放熱Q1 24kJ但內能不變 第二過程放熱Q2 5kJ 兩過程內能減少5kJ 兩過程共放出熱量Q Q1 Q2 29kJ答案 5放出 同學們 來學校和回家的路上要注意安全 同學們 來學校和回家的路上要注意安全