高中物理 熱力學(xué)第一定律 能量的轉(zhuǎn)化與守恒課件 魯科版選修3-3.ppt

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高中物理 選修3 3 魯科版 第5章熱力學(xué)定律第1節(jié)熱力學(xué)第一定律第2節(jié)能量的轉(zhuǎn)化與守恒 目標(biāo)定位 1 掌握熱力學(xué)第一定律 并會(huì)應(yīng)用于解決相關(guān)問題 2 理解能量守恒定律 知道能量守恒定律是自然界普遍遵從的基本規(guī)律 3 知道第一類永動(dòng)機(jī)不可能制成的原因 一 熱力學(xué)第一定律及應(yīng)用1 改變物體內(nèi)能的兩種方式 和 2 功 熱量和內(nèi)能改變的關(guān)系 1 如果物體與外界無熱傳遞 外界對(duì)物體做功 物體的內(nèi)能 物體對(duì)外做功 物體的內(nèi)能 2 如果物體既不對(duì)外做功 外界也不對(duì)物體做功 則物體從外界吸收熱量時(shí) 它的內(nèi)能 物體向外放出熱量時(shí) 它的內(nèi)能 做功 熱傳遞 增加 減小 增加 減少 3 熱力學(xué)第一定律 1 內(nèi)容 物體內(nèi)能的增加量 U等于外界對(duì)物體與物體從外界之和 2 表達(dá)式 U 4 熱力學(xué)第一定律的意義 1 內(nèi)能的變化必然伴隨有或 2 一切涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程中 能量可以發(fā)生或 此過程中總能量守恒 所做的功W 吸收的熱量Q W Q 做功 熱傳遞 轉(zhuǎn)移 轉(zhuǎn)化 二 第一類永動(dòng)機(jī)1 定義 不消耗而能永遠(yuǎn)對(duì)外做功的機(jī)器 2 熱力學(xué)第一定律的另一表述 第一類永動(dòng)機(jī)是的 任何能量 不可能實(shí)現(xiàn) 三 能量守恒定律及其應(yīng)用1 內(nèi)容 能量既不會(huì)消失 也不會(huì)創(chuàng)生 它只能從一種形式為另一種形式 或者從一個(gè)物體到另一個(gè)物體 而能量的總值 2 意義 揭示了自然科學(xué)各個(gè)分支之間的普遍聯(lián)系 是自然界內(nèi)在的第一個(gè)有力證據(jù) 轉(zhuǎn)化 轉(zhuǎn)移 保持不變 統(tǒng)一性 3 應(yīng)用 1 各種形式的能量可以轉(zhuǎn)化 在轉(zhuǎn)化過程中 自然界能量的 2 能量在轉(zhuǎn)化過程中總伴有的損失 3 除核能以外 人類利用的能量都來源于 總和不變 內(nèi)能 太陽能 一 熱力學(xué)第一定律的理解和應(yīng)用1 對(duì) U W Q的理解 熱力學(xué)第一定律將單純的絕熱過程和單純的熱傳遞過程推廣到一般情況 既有做功又有熱傳遞的過程 其中 U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 對(duì)公式 U Q W符號(hào)的規(guī)定 3 應(yīng)用熱力學(xué)第一定律解題的一般步驟 1 首先選定研究對(duì)象是哪個(gè)物體或哪個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng) 2 根據(jù)符號(hào)法則寫出各已知量 W Q U 的正 負(fù) 3 再根據(jù)未知量結(jié)果的正 負(fù)來確定吸熱 放熱情況或做功情況 例1 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 這一過程中空氣向外界傳遞的熱量是多少 答案5 104J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 借題發(fā)揮應(yīng)用熱力學(xué)第一定律解題的一般步驟 1 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 針對(duì)訓(xùn)練一定量的氣體在某一過程中 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答案B 解析因?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)熱力學(xué)第一定律 U W Q 可知Q U W 1 2 105J 8 104J 2 105J B選項(xiàng)正確 二 氣體實(shí)驗(yàn)定律和熱力學(xué)第一定律的結(jié)合1 判斷對(duì)氣體做功正 負(fù)的方法 1 若氣體體積增大 表明氣體對(duì)外界做功 W0 2 幾種常見的氣體變化過程 1 絕熱過程 過程是絕熱的 則Q 0 W U 外界對(duì)物體做功等于物體內(nèi)能的增加 2 等容過程 過程是不做功 則W 0 則Q U 物體吸收的熱量等于物體內(nèi)能的增加 3 等溫過程 在過程的始 末狀態(tài) 物體的內(nèi)能不變 即 U 0 則W Q 0或W Q 表示吸收的熱量全部用來做功或外界對(duì)氣體所做的功全部轉(zhuǎn)換為熱量放出 例2 如圖5 1 2 1所示 倒懸的導(dǎo)熱汽缸中封閉著一定質(zhì)量的理想氣體 輕質(zhì)活塞可無摩擦地上下移動(dòng) 活塞的橫截面積為S 活塞的下面吊著一個(gè)重為G的物體 大氣壓強(qiáng)恒為p0 起初環(huán)境的熱力學(xué)溫度為T0時(shí) 活塞到汽缸底面的距離為L 當(dāng)環(huán)境溫度逐漸升高 導(dǎo)致活塞緩慢下降 該過程中活塞下降了0 1L 汽缸中的氣體吸收的熱量為Q 求 1 汽缸內(nèi)部氣體內(nèi)能的增量 U 2 最終的環(huán)境溫度T 答案 1 Q 0 1p0SL 0 1LG 2 1 1T0 圖5 1 2 1 三 能量守恒定律1 不同形式的能量之間可以相互轉(zhuǎn)化 1 各種運(yùn)動(dòng)形式都有對(duì)應(yīng)的能 如機(jī)械運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)機(jī)械能 分子熱運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)內(nèi)能等 2 不同形式的能量之間可以相互轉(zhuǎn)化 如 摩擦生熱 機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能 電爐取熱 電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能等 2 能量守恒定律及意義各種不同形式的能之間相互轉(zhuǎn)化時(shí)保持總量不變 意義 一切物理過程都適用 比機(jī)械能守恒定律更普遍 是19世紀(jì)自然科學(xué)的三大發(fā)現(xiàn)之一 3 第一類永動(dòng)機(jī)是不可能制成的不消耗能量能源源不斷地對(duì)外做功的機(jī)器 叫第一類永動(dòng)機(jī) 其前景是誘人的 因?yàn)榈谝活愑绖?dòng)機(jī)違背了能量守恒定律 或熱力學(xué)第一定律 所以無一例外地歸于失敗 例3 如圖5 1 2 2所示 直立容器內(nèi)部被隔板隔開的A B兩部分氣體 A的密度小 B的密度大 加熱氣體 并使兩部分氣體混合均勻 設(shè)此過程中氣體吸熱為Q 氣體內(nèi)能的增量為 U 則 A U QB UQD 無法比較答案B 圖5 1 2 2 解析因A部分氣體密度小 B部分氣體密度大 以整體氣體為研究對(duì)象 開始時(shí) 氣體的重心在中線以下 混合均勻后 氣體的重心應(yīng)在中線上 所以有重力做負(fù)功 使氣體的重力勢能增大 由能量守恒定律可知 吸收的熱量Q有一部分增加氣體的重力勢能 另一部分增加內(nèi)能 故正確答案為B 例4 第一類永動(dòng)機(jī)是不可能制成的 這是因?yàn)榈谝活愑绖?dòng)機(jī) A 不符合機(jī)械能守恒定律B 違背了能量轉(zhuǎn)化與守恒定律C 沒有合理的設(shè)計(jì)方案D 找不到合適的材料答案B