物理3-3人教版10.3《熱力學(xué)第一定律 能量守恒定律 》課件1

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歡迎進(jìn)入物理課堂 3 熱力學(xué)第一定律能量守恒定律 一 熱力學(xué)第一定律1 定律內(nèi)容 一個(gè)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(duì)它所做的功的和 2 數(shù)學(xué)表達(dá)式 U 熱量 Q W 二 能量守恒定律1 能量守恒定律內(nèi)容 能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生 也不會(huì)憑空消失 它只能從一種形式為另一種形式 或者從一個(gè)物體到別的物體 在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過(guò)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 能量轉(zhuǎn)化守恒定律 三 永動(dòng)機(jī)不可能制成1 第一類永動(dòng)機(jī) 不需要任何動(dòng)力或燃料 卻能不斷地的機(jī)器 2 第一類永動(dòng)機(jī)不可能制成的原因 違背了定律 對(duì)外做功 能量守恒 一 對(duì)熱力學(xué)第一定律的理解1 熱力學(xué)第一定律不僅反映了做功和熱傳遞這兩種改變內(nèi)能過(guò)程是等效的 而且給出了內(nèi)能的變化量和做功與熱傳遞之間的定量關(guān)系 此定律是標(biāo)量式 應(yīng)用時(shí)熱量的單位應(yīng)統(tǒng)一為國(guó)際單位制中的焦耳 2 對(duì)公式 U Q W符號(hào)的規(guī)定 3 幾種特殊情況 1 若過(guò)程是絕熱的 則Q 0 W U 外界對(duì)物體做的功等于物體內(nèi)能的增加 2 若過(guò)程中不做功 即W 0 則Q U 物體吸收的熱量等于物體內(nèi)能的增加 3 若過(guò)程的始末狀態(tài)物體的內(nèi)能不變 即 U 0 則W Q 0或W Q 外界對(duì)物體做的功等于物體放出的熱量 特別提醒 1 應(yīng)用熱力學(xué)第一定律時(shí)要明確研究的對(duì)象是哪個(gè)物體或者是哪個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng) 2 應(yīng)用熱力學(xué)第一定律計(jì)算時(shí) 要依照符號(hào)法則代入數(shù)據(jù) 對(duì)結(jié)果的正 負(fù)也同樣依照規(guī)則來(lái)解釋其意義 一定量的氣體在某一過(guò)程中 外界對(duì)氣體做了8 104J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 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(xué)第一定律的應(yīng)用 因?yàn)橥饨鐚?duì)氣體做功 W取正值 即W 8 104J 內(nèi)能減少 U取負(fù)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(xiàng)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(zhuǎn)化各種運(yùn)動(dòng)形式都有對(duì)應(yīng)的能 機(jī)械運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)機(jī)械能 分子的熱運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)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(guò)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(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能 2 與某種運(yùn)動(dòng)形式對(duì)應(yīng)的能是否守恒是有條件的 例如 物體的機(jī)械能守恒 必須是只有重力做功 而能量守恒定律是沒(méi)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(lái) 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(yùn)動(dòng)的機(jī)械觀念的范圍 從本質(zhì)上表明了各種運(yùn)動(dòng)形式之間相互轉(zhuǎn)化的可能性 能量守恒定律比機(jī)械能守恒定律更普遍 它是物理學(xué)中解決問(wèn)題的重要思維方法 能量守恒定律與電子的發(fā)現(xiàn) 達(dá)爾文的進(jìn)化論并稱19世紀(jì)自然科學(xué)中三大發(fā)現(xiàn) 其重要意義由此可見(jiàn) 3 具有重大實(shí)踐意義 即徹底粉碎了永動(dòng)機(jī)的幻想 4 第一類永動(dòng)機(jī)失敗的原因分析如果沒(méi)有外界熱源供給熱量 則有U2 U1 W 就是說(shuō) 如果系統(tǒng)內(nèi)能減少 即U2 U1 則W 0 系統(tǒng)對(duì)外做功是要以內(nèi)能減少為代價(jià)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(wú)外界能量供給的情況下 是不可能的 下列對(duì)能量的轉(zhuǎn)化和守恒定律的認(rèn)識(shí)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(gè)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(dòng)力而持續(xù)對(duì)外做功的機(jī)器 永動(dòng)機(jī)是不可能制成的D 石子從空中落下 最后停止在地面上 說(shuō)明機(jī)械能消失了 解析 A選項(xiàng)是指不同形式的能量間的轉(zhuǎn)化 轉(zhuǎn)化過(guò)程中能量是守恒的 B選項(xiàng)是指能量在不同的物體間發(fā)生轉(zhuǎn)移 轉(zhuǎn)移過(guò)程中是守恒的 這正好是能量守恒定律的兩個(gè)方面 轉(zhuǎn)化與轉(zhuǎn)移 任何永動(dòng)機(jī)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(xiàng)中石子的機(jī)械能在變化 比如受空氣阻力作用 機(jī)械能可能減少 但機(jī)械能并沒(méi)有消失 能量守恒定律表明能量既不會(huì)創(chuàng)生 也不會(huì)消失 故D是錯(cuò)的 答案 D 教材資料分析 說(shuō)一說(shuō) 教材P56如圖所示是歷史上有名的一種永動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì) 從圖上看 設(shè)計(jì)者為什么認(rèn)為這個(gè)機(jī)器會(huì)永遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)下去 不用能量的概念 你能不能說(shuō)明它不會(huì)永遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)下去 點(diǎn)撥 這種永動(dòng)機(jī)是在一個(gè)輪子的邊緣等距地安裝12根活動(dòng)短桿 桿端分別套上一個(gè)重球 無(wú)論輪子轉(zhuǎn)到什么位置 右邊的各個(gè)重球總比左邊的各個(gè)重球離軸心更遠(yuǎn)一些 設(shè)想 右邊更大的作用特別是右邊甩過(guò)去的重球作用在離軸較遠(yuǎn)的距離上 根據(jù)杠桿平衡原理可知 就會(huì)使輪子按照箭頭所示的方向永不停息地旋轉(zhuǎn)下去 至少轉(zhuǎn)到輪軸磨壞時(shí)為止 但是 實(shí)際上輪子轉(zhuǎn)動(dòng)一兩圈后就停了下來(lái) 在這種永動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)中 我們總可以找到一個(gè)平衡位置 在這個(gè)位置上 各個(gè)力恰好相互抵消 不再有任何推動(dòng)力使它運(yùn)動(dòng) 永動(dòng)機(jī)必然會(huì)在這個(gè)平衡位置上靜止下來(lái) 成為不動(dòng)機(jī) 空氣壓縮機(jī)在一次壓縮中 活塞對(duì)空氣做了2 105J的功 同時(shí)空氣的內(nèi)能增加了1 5 105J 這一過(guò)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(duì)象 根據(jù)熱力學(xué)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(fù)號(hào)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(jié) 應(yīng)用熱力學(xué)第一定律解題的一般步驟 1 首先應(yīng)明確研究對(duì)象是哪個(gè)物體或者是哪個(gè)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(duì)物體或系統(tǒng)所做的功或物體或系統(tǒng)對(duì)外所做的功 3 根據(jù)熱力學(xué)第一定律 U Q W列出方程進(jìn)行求解 4 特別應(yīng)注意的就是物理量的正負(fù)號(hào)及其物理意義 跟蹤發(fā)散 1 1 一定質(zhì)量的氣體 從狀態(tài)A變化到狀態(tài)B的過(guò)程中 內(nèi)能增加了160J 下列是關(guān)于內(nèi)能變化的可能原因的說(shuō)法 其中不可能的是 A 從A到B的絕熱過(guò)程中 外界對(duì)氣體做功160JB 從A到B的單純傳熱過(guò)程中 外界對(duì)氣體傳遞了160J的熱量C 從A到B的過(guò)程中吸熱280J 并對(duì)外界做功120JD 從A到B的過(guò)程中放熱280J 外界對(duì)氣體做功120J 解析 由熱力學(xué)第一定律 U W Q可知 A B C正確 D錯(cuò)誤 答案 D 2011 山東卷 36 2 氣體溫度計(jì)結(jié)構(gòu)如圖所示 玻璃測(cè)溫泡A內(nèi)充有理想氣體 通過(guò)細(xì)玻璃管B和水銀壓強(qiáng)計(jì)相連 開(kāi)始時(shí)A處于冰水混合物中 左管C中水銀面在O點(diǎn)處 右管D中水銀面高出O點(diǎn)h1 14cm 后將A放入待測(cè)恒溫槽中 上下移動(dòng)D 使C中水銀面仍在O點(diǎn)處 測(cè)得D中水銀面高出O點(diǎn)h2 44cm 已知外界大氣壓為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓 1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓相當(dāng)于76cmHg 1 求恒溫槽的溫度 2 此過(guò)程A內(nèi)氣體內(nèi)能 填 增大 或 減小 氣體不對(duì)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(nèi)封閉一定量的理想氣體 氣體開(kāi)始處于狀態(tài)a 然后經(jīng)過(guò)過(guò)程ab到達(dá)狀態(tài)b或經(jīng)過(guò)過(guò)程ac到達(dá)狀態(tài)c b c狀態(tài)溫度相同 如V T圖所示 設(shè)氣體在狀態(tài)b和狀態(tài)c的壓強(qiáng)分別為pb和pc 在過(guò)程ab和ac中吸收的熱量分別為Qab和Qac 則 填入選項(xiàng)前的字母 有填錯(cuò)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(nèi)能只與溫度有關(guān) 從狀態(tài)a到狀態(tài)b 和到狀態(tài)c 兩過(guò)程溫度升高相同 即內(nèi)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(duì)外界做功 由熱力學(xué)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(gè)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(shí)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(guò)程中氣體的內(nèi)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(diǎn)撥 絕熱過(guò)程 外界對(duì)氣體做功 內(nèi)能增加 U W解析 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(shì)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(guó)和加拿大交界處的尼亞加拉瀑布流量可達(dá)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(shè)其發(fā)電效率為50 估算發(fā)電機(jī)的輸出功率 g取10m s2 解析 每秒流下的水的質(zhì)量m V 1 103 6000kg 6 106kg減少的機(jī)械能E mgh 6 106 10 50J 3 109J設(shè)發(fā)電機(jī)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(dòng)機(jī)是不可能制成的 這是因?yàn)橛绖?dòng)機(jī) A 不符合機(jī)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(dāng)量D 找不到合適的材料和合理的設(shè)計(jì)方案解析 第一類永動(dòng)機(jī)是指不需要消耗任何能量就能對(duì)外做功的機(jī)器 因此第一類永動(dòng)機(jī)不可能制成不是找不到合適的材料和合理的設(shè)計(jì)方案的問(wèn)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(dòng)活塞P壓縮氣體 對(duì)缸內(nèi)氣體做功800J 同時(shí)氣體向外界放熱200J 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200J解析 由熱力學(xué)第一定律W Q U 代入數(shù)據(jù)解得 U 600J 故氣體內(nèi)能增加600J 同時(shí)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(jié)構(gòu)示意圖 M N兩筒間密閉了一定質(zhì)量的氣體 M可沿N的內(nèi)壁上下滑動(dòng) 設(shè)筒內(nèi)氣體不與外界發(fā)生熱交換 在M向下滑動(dòng)的過(guò)程中 A 外界對(duì)氣體做功 氣體內(nèi)能增大B 外界對(duì)氣體做功 氣體內(nèi)能減小C 氣體對(duì)外界做功 氣體內(nèi)能增大D 氣體對(duì)外界做功 氣體內(nèi)能減小解析 M向下滑動(dòng)的過(guò)程中 氣體被壓縮 外界對(duì)氣體做功 又因?yàn)榕c外界沒(méi)有熱交換 所以氣體內(nèi)能增大 答案 A 4 如圖所示 絕熱汽缸中間用固定栓將可無(wú)摩擦移動(dòng)的導(dǎo)熱隔板固定 隔板質(zhì)量不計(jì) 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(shí) 兩室中氣體的溫度相等 氫氣的壓強(qiáng)大于氧氣的壓強(qiáng) 松開(kāi)固定栓直至系統(tǒng)重新達(dá)到平衡 下列說(shuō)法中正確的是 A 初始時(shí)氫分子的平均動(dòng)能大于氧分子的平均動(dòng)能B 系統(tǒng)重新達(dá)到平衡時(shí) 氫氣的內(nèi)能比初始時(shí)的小C 松開(kāi)固定栓直至系統(tǒng)重新達(dá)到平衡的過(guò)程中 有熱量從氧氣傳遞到氫氣D 松開(kāi)固定栓直至系統(tǒng)重新達(dá)到平衡的過(guò)程中 氧氣的內(nèi)能先增大后減小 解析 溫度是分子平均動(dòng)能大小的標(biāo)志 初始時(shí) 氫氣和氧氣的溫度相同 分子平均動(dòng)能相同 A錯(cuò)誤 汽缸絕熱 氣體與汽缸外部沒(méi)有傳熱 汽缸內(nèi)氣體的內(nèi)能不會(huì)變化 B錯(cuò)誤 在剛松開(kāi)固定拴時(shí)氫氣膨脹 對(duì)氧氣做功 氫氣內(nèi)能減小 溫度降低 氧氣內(nèi)能增加 溫度升高 由于隔板是導(dǎo)熱的 熱量從氧氣傳到氫氣 直至溫度相同 氧氣的內(nèi)能又減小 C D正確 答案 CD 5 對(duì)一定質(zhì)量的氣體 下列說(shuō)法中正確的是 A 溫度升高 壓強(qiáng)一定增大B 溫度升高 分子熱運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能一定增大C 壓強(qiáng)增大 體積一定減小D 吸收熱量 可能使分子熱運(yùn)動(dòng)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(guò)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(guò)程中 瓶中空氣的質(zhì)量保持不變 且放出了5kJ的熱量 在上述兩個(gè)過(guò)程中 空氣的內(nèi)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(xué)第一定律 U W Q知?dú)怏w放熱Q1 24kJ但內(nèi)能不變 第二過(guò)程放熱Q2 5kJ 兩過(guò)程內(nèi)能減少5kJ 兩過(guò)程共放出熱量Q Q1 Q2 29kJ答案 5放出 同學(xué)們 來(lái)學(xué)校和回家的路上要注意安全 同學(xué)們 來(lái)學(xué)校和回家的路上要注意安全