鲁科版物理选修3-3课件：热力学第一定律-能量的转化与守恒

• 针对训练 一定量的气体在某一过程中，外界对气体 做了8×104 J的功，气体的内能减少了1.2×105 J，则 下列各式中正确的是( ) • A．W＝8×104 J，ΔU＝1.2×105 J，Q＝4×104 J • B．W＝8×104 J，ΔU＝－1.2×105 J，Q＝－2×105 J • C．W＝－8×104 J，ΔU＝1.2×105 J，Q＝2×104 J D．W＝－8×104 J，ΔU＝－1.2×105 J，Q＝－4×104 J • 答案 B
• 3．第一类永动机是不可能制成的 • 不 消耗能量能源源不断地对外做功的机器， 叫第一类永动机，其前景是诱人的． • 因为第一类永动机违背了能量守恒定律 (或 热 力 学 第 一 定 律 ) ， 所 以 无 一 例 外 地 归 于失 败．
• 【例3】 如图5－1、2－2所示，直立容器 • 内部被隔板隔开的A、B两部分气体，A • 的密度小，B的密度大，加热气体，并 • 使两部分气体混合均匀，设此过程中气 体吸热为Q，气体内能的增量为ΔU，则 • A．ΔU＝Q B．ΔU<Q • C．ΔU>Q D．无法比较 • 答案 B
• 借题发挥 应用热力学第一定律解题的一般步骤 • (1)明确研究对象是哪个物体或者是哪个热力学系统． • (2)分别列出物体或系统吸收或放出的热量；外界对物体 或系统所做的功或物体或系统对外所做的功． • (3)根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W列出方程进行求解． • (4)特别应注意的就是物理量的正、负号及其物理意义．
• 二、第一类永动机 • 1．定义：不消耗 任何能量 而能永远对外做功的机 器． • 2．热力学第一定律的另一表述：第一类永动机是 • 不可能实现 的．
• 三、能量守恒定律及其应用 • 1 ． 内容： 能 量既不会消失，也不会创生，它 只能从一种形式 转化 为另一种形式，或者从一 个物体 转移 到另一个物体，而能量的总 值 保持不变 ． • 2 ． 意义： 揭 示了自然科学各个分支之间的普 遍联系，是自然界内在统一性 的第一个有力证 据．
• • •
解析
(1)密封气体的压强 p＝p0－(G/S)
密封气体对外做功 W＝pS×0.1L 由热力学第一定律 ΔU＝Q－W 得 ΔU＝Q－0.1p0SL＋0.1LG (2)该过程是等压变化，由盖· 吕萨克定律有 LS L＋0.1LS ＝ T T0 解得 T＝1.1T0
• 三、能量守恒定律 • 1．不同形式的能量之间可以相互转化 • (1) 各 种运动形式都有对应的能，如机械运 动对应机械能，分子热运动对应内能等． • (2) 不同形式的能量之间可以相互转化，如 “摩擦生热”机械能转化为内能，“电炉取热” 电能转化为内能等． • 2．能量守恒定律及意义 • 各 种不同形式的能之间相互转化时保持总 量不变． • 意义：一切物理过程都适用，比机械能守 恒定律更普遍，是19世纪自然科学的三大发现 之一．
• • • • • • •
3．热力学第一定律： (1)内容：物体内能的增加量ΔU等于外界对物体 吸收的热量Q 所做的功W 与 物体从外界 之和． (2)表达式：ΔU＝ W＋Q . 4．热力学第一定律的意义： (1)内能的变化必然伴随有 做功 或 热传递 ． (2)一切涉及热现象的宏观过程中，能量可以 发生 转移 或 转化 ，此过程中总能量守恒．
•
• • • •
热汽缸中封闭着一定质量的理想气体，
轻质活塞可无摩擦地上下移动，活塞的 横截面积为S，活塞的下面吊着一个重 为G的物体，大气压强恒为p0，起初环
图5－1、2－1
境的热力学温度为T0时，活塞到汽缸底面的距离为L.当环境 温度逐渐升高，导致活塞缓慢下降，该过程中活塞下降了 0.1L， 汽缸中的气体吸收的热量为Q.求： (1)汽缸内部气体内能的增量ΔU； (2)最终的环境温度T. 答案 (1)Q－0.1p0SL＋0.1LG (2)1.1T0
• 【例 1】 空 气压缩机在一次压缩中，活塞对 空气做了2×105 J的功，同时空气的内能增加 了 1.5×105 J ，这一过程中空气向外界传递的 热量是多少？ • 答案 5×104 J • 解析 选择被压缩的空气为研究对象，根 据热力学第一定律有ΔU＝W＋Q. • 由题意可知W＝2×105 J，ΔU＝1.5×105 J， 代入上式得 • Q ＝ ΔU － W ＝ 1.5×105 J － 2×105 J ＝ － 5×104 J. • 负号表示空气向外释放热量，即空气向外 界传递的热量为5×104 J.
• 解析 因为外界对气体做功，W取正值，即W ＝8×104 J；内能减少，ΔU取负值，即ΔU＝－ 1.2×105 J；根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q， 可知Q＝ΔU－W＝－1.2×105 J－8×104 J＝－ 2×105 J，B选项正确．
• 二、气体实验定律和热力学第一定律的结合 • 1．判断对气体做功正、负的方法： • (1) 若 气体体积增大 ，表明气体对外界做功， W<0. • (2) 若气体体积变小 ，表明外界对气体做功， W>0. • 2．几种常见的气体变化过程： • (1)绝热过程：过程是绝热的，则Q＝0，W＝ΔU， 外界对物体做功等于物体内能的增加．
图5－1、2－2
• 解析 因A部分气体密度小，B部分气体密度大， 以整体气体为研究对象，开始时，气体的重心 在中线以下，混合均匀后，气体的重心应在中 线上，所以有重力做负功，使气体的重力势能 增大，由能量守恒定律可知，吸收的热量Q有 一部分增加气体的重力势能，另一部分增加内 能．故正确答案为B.
• 【例4】 第一类永动机是不可能制成的， 这是因为第一类永动机( ) • A．不符合机械能守恒定律 • B．违背了能量转化与守恒定律 • C．没有合理的设计方案 • D．找不到合适的材料 • 答案 B
• 3．应用： • (1) 各 种形式的能量可以转化，在转化过程 中，自然界能量的 总和不变 ． • (2)能量在转化过程中总伴有内能 的损失． • (3) 除核能以外，人类利用的能量都来源 于 太阳能 ．
• 一、热力学第一定律的理解和应用 • 1 ． 对 ΔU ＝ W ＋ Q 的理解： 热 力学第一定律将 单纯的绝热过程和单纯的热传递过程推广到一 般情况，既有做功又有热传递的过程，其中 ΔU表示内能改变的数量，W表示做功的数量， Q表示外界与物体间传递的热量．
• 2．对公式ΔU、Q、W符号的规定：
名称 符号 取正值“＋” 做功 W 热量 Q 内能的改变 ΔU 系统的内能 增加 系统的内能 减少
外界对系 系统从外界 统做功 吸收热量
取负值“－”
系统对外 系统向外界 界做功 放出热量
• 3.应用热力学第一定律解题的一般步骤： • (1) 首 先选定研究对象是哪个物体或哪个热力学 系统． • (2)根据符号法则写出各已知量 (W、Q、ΔU)的正、 负． • (3) 再根据未知量结果的正、负来确定吸热、放 热情况或做功情况．
高中物理· 选修3-3· 鲁科版
第5章
第1节 第2节
热力学定律
热力学第一定律 能量的转化与守恒
• 学习目标： • 1.掌握热力学第一定律，并会应用于解 决相关问题 • 2.理解能量守恒定律，知道能量守恒定 律是自然界普遍遵从的基本规律． • 3.知道第一类永动机不可能制成的原 因．
• 一、热力学第一定律及应用 • 1．改变物体内能的两种方式：做功 和 热传递 ． • 2．功、热量和内能改变的关系： • (1) 如 果物体与外界无热传递，外界对物体做功， 增加 物体的内能 ；物体对外做功，物体的内 能 减小 ． • (2) 如果物体既不对外做功，外界也不对物体做 功，则物体从外界吸收热量时，它的内能 增加 ；物 体向外放出热量时，它的内能 减少 ．
• (2)等容过程：过程是不做功，则W＝0，则Q＝ ΔU，物体吸收的热量等于物体内能的增加． • (3)等温过程：在过程的始、末状态，物体的内 能不变，即 ΔU ＝ 0 ，则 W ＋ Q ＝ 0 或 W ＝－ Q ， 表示吸收的热量全部用来做功或外界对气体所 做的功全部转换为热量放出．
ห้องสมุดไป่ตู้
• 【例2】 如图5－1、2－1所示，倒悬的导