熱力學(xué)第一定律+4.2能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)歷程

4 1熱力學(xué)第一定律42能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)歷程學(xué) 習(xí) 目 標(biāo)知 識 脈 絡(luò)1.掌握功與內(nèi)能的關(guān)系，掌握熱量和內(nèi)能的關(guān)系 (重點 )2正確認識做功和熱傳遞在改變內(nèi)能上是等效的，但本質(zhì)是不同的3知道熱力學(xué)第一定律的內(nèi)容、公式，并能用其解決問題 (重點、難點 )4了解第一類永動機及其不可能制成的原因5知道能量守恒定律發(fā)現(xiàn)的過程，體會自然界的統(tǒng)一性 (重點 )6理解能量守恒定律的內(nèi)涵及外延，并解釋自然現(xiàn)象 (重點、難點 )熱力學(xué)第一定律 先填空 1做功和內(nèi)能的改變(1)絕熱過程系統(tǒng)跟外界之間不發(fā)生熱交換， 這時系統(tǒng)經(jīng)歷的過程叫做絕熱過程(2)關(guān)系式UU2 U1W.第 1頁2熱傳遞和內(nèi)能的改變(1)熱傳遞的三種方式傳導(dǎo)、對流、輻射(2)關(guān)系式UU2 U1Q.3熱力學(xué)第一定律(1)改變物體內(nèi)能的兩種方式做功和熱傳遞(2)物體內(nèi)能的改變?nèi)绻矬w與外界無熱傳遞， 若外界對物體做功， 則物體的內(nèi)能增加； 若物體對外做功，物體的內(nèi)能減少如果物體既不對外做功， 外界也不對物體做功， 則物體吸收熱量時， 它的內(nèi)能增加；物體放出熱量時，它的內(nèi)能減少(3)熱力學(xué)第一定律內(nèi)容：物體內(nèi)能的增加量 U，等于外界對物體所做的功 W 與物體從外界吸收的熱量 Q 之和表達式：U WQ.符號規(guī)則：物體從外界吸收熱量，外界對物體做功，則 Q0，W0；反之 Q0，W0；若 U0 表示物體內(nèi)能增加， U 0 表示物體內(nèi)能減小意義：一個物體內(nèi)能增加， 必定有其他物體對它做功， 或向它傳遞熱量與此同時，對此物體做功或向它傳熱的其他物體要減少等量的能量， 而系統(tǒng)的總能量保持不變 在一切涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程中， 能量可以發(fā)生轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)化， 在轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)化過程中總能量守恒 再判斷 1在絕熱過程中，外界對系統(tǒng)做多少功，內(nèi)能就能增加多少( )2熱量一定從內(nèi)能多的物體傳遞給內(nèi)能少的物體()3做功和熱傳遞在改變物體內(nèi)能上是等效的( ) 后思考 給旱區(qū)送水的消防車停于水平地面在緩慢放水的過程中， 若車胎不漏氣且胎內(nèi)氣體溫度不變， 不計分子間的勢能， 試分析氣體的吸、 放熱情況第 2頁圖 4-1-1【提示】由于車胎內(nèi)氣體溫度不變，故氣體分子的平均動能不變，內(nèi)能不變放水過程中氣體體積增大，對外做功 ，由熱力學(xué)第一定律可知 ，車胎內(nèi)氣體吸熱1改變內(nèi)能的兩種方式的比較(1)等效的理解等效是指做功和熱傳遞在改變物體內(nèi)能上可以取得相同的效果 兩種方式均可以改變物體的內(nèi)能， 如果我們不知道系統(tǒng)所經(jīng)歷的具體過程時， 僅從內(nèi)能的改變上無法區(qū)分系統(tǒng)所采用的是做功， 還是熱傳遞方式使其內(nèi)能發(fā)生變化的 所以做功和熱傳遞是等效的(2)兩種方式的區(qū)別比較項做功熱傳遞目外界對物體做功，物體的內(nèi)能變內(nèi)能增加物體吸收熱量，內(nèi)能增加化物體對外界做功，物體的物體放出熱量，內(nèi)能減少內(nèi)能減少物理實其他形式的能與內(nèi)能之間不同物體間或同一物體不同質(zhì)的轉(zhuǎn)化部分之間內(nèi)能的轉(zhuǎn)移相互聯(lián)做一定量的功或傳遞一定量的熱在改變內(nèi)能的效果上是系相同的(3)內(nèi)能及內(nèi)能的變化內(nèi)能是狀態(tài)量，物體的內(nèi)能對應(yīng)物體所處的狀態(tài)內(nèi)能的變化是過程量， 通過做功和熱傳遞可以改變物體的內(nèi)能，即做功和熱傳遞都是過程量(4)內(nèi)能、熱量、功的區(qū)別就某一狀態(tài)而言， 只有“內(nèi)能”， 根本不存在什么“熱量”和“功”，因第 3頁此，不能說一個系統(tǒng)中含有“多少熱量”或“多少功”一個物體內(nèi)能的多少是無法測量的，但物體內(nèi)能的變化是可以測量的2.對熱力學(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)系此定律應(yīng)用時各量的單位應(yīng)統(tǒng)一(2)對公式U Q W 符號的規(guī)定符號WQU外界對物體做功物體吸收熱量內(nèi)能增加物體對外界做功物體放出熱量內(nèi)能減少(3)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若物體體積增大，表明物體對外界做功，W0；若物體體積變小，表明外界對物體做功，W0.3熱力學(xué)第一定律的應(yīng)用應(yīng)注意的問題(1)在應(yīng)用過程中應(yīng)特別分清W、Q 的正負號，以便準(zhǔn)確地判斷U 的正、負(2)幾種特殊情況：若過程是絕熱的，則Q 0，WU，外界對物體做的功等于物體內(nèi)能的增加若過程中不做功，即W 0，則 Q U，物體吸收的熱量等于物體內(nèi)能的增加若過程的始末狀態(tài)物體的內(nèi)能不變，即U 0，則 WQ 0 或 W Q，外界對物體做的功等于物體放出的熱量4第一類永動機的特點不消耗任何能量而能永遠對外做功的機器5第一類永動機不可能制成一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的過程， 能量一定守恒 第一類永動機本質(zhì)上都是認為能第 4頁量能夠無中生有地創(chuàng)造出來，這違背了熱力學(xué)第一定律，因而是不可能實現(xiàn)的1關(guān)于物體的內(nèi)能和熱量，下列說法中正確的有()A質(zhì)量相等的熱水和冷水相比較， 熱水的內(nèi)能比冷水的內(nèi)能多B溫度高的物體其熱量必定多，內(nèi)能必定大C在熱傳遞過程中，內(nèi)能大的物體其內(nèi)能將減小，內(nèi)能小的物體其內(nèi)能將增大，直到兩物體的內(nèi)能相等D在熱傳遞過程中，熱量從高溫物體傳遞到低溫物體，直到兩物體的溫度相同為止E熱量是熱傳遞過程中內(nèi)能轉(zhuǎn)移的量度【解析】物體的內(nèi)能由溫度 、體積及物體的質(zhì)量決定，不是只由溫度決定 ，故 A 對、B 錯；在熱傳遞過程中 ，熱量由高溫物體傳給低溫物體 ，而與物體的內(nèi)能大小無關(guān) ，所以完全有可能是內(nèi)能大的物體內(nèi)能繼續(xù)增大 ，內(nèi)能小的物體內(nèi)能繼續(xù)減小 ，故 C 項錯、D 項對；關(guān)于熱量的論述 ，E 項是正確的 【答案】ADE2下列過程，可能發(fā)生的是()【導(dǎo)學(xué)號： 35500040】A物體吸收熱量，對外做功，同時內(nèi)能增加B物體吸收熱量，對外做功，同時內(nèi)能減少C外界對物體做功，同時物體吸熱，內(nèi)能減少D外界對物體做功，同時物體放熱，內(nèi)能增加E物體對外界做功，同時物體放熱，內(nèi)能增加【解析】根據(jù)熱力學(xué)第一定律UW Q，做功和熱傳遞都可以改變物體的內(nèi)能 ，故由此可確定 A 、B、D 正確， C、E 錯誤 【答案】ABD3一定質(zhì)量的氣體從外界吸收了4.2105 J 的熱量，同時氣體對外做了6105 J 的功，問：(1)物體的內(nèi)能是增加還是減少？變化量是多少？第 5頁(2)分子勢能是增加還是減少？(3)分子的平均動能是增加還是減少？【解析】(1)氣體從外界吸收的熱量為Q4.2105 J氣體對外做功 W 6 105 J由熱力學(xué)第一定律UWQ (6105 J) (4.2105 J) 1.8105 JU 為負，說明氣體的內(nèi)能減少了所以，氣體內(nèi)能減少了 1.8105 J.(2)因為氣體對外做功 ，所以氣體的體積膨脹 ，分子間的距離增大了 ，分子力做負功 ，氣體分子勢能增加了 (3)因為氣體內(nèi)能減少 ，同時氣體分子勢能增加，所以氣體分子的平均動能一定減少了 【答案】(1)減少1.8105 J(2)增加(3)減少氣體狀態(tài)變化與物理量對應(yīng)方法(1)絕熱過程：氣體與外界沒有熱傳遞(2)導(dǎo)熱良好：氣體與外界有熱交換，且與外界溫度保持相同 (3)體積減小 ，外界對氣體做功；體積增大(不是對真空膨脹 )，氣體對外界做功(4)溫度升高 ，理想氣體的內(nèi)能增加；溫度降低，理想氣體的內(nèi)能減少 能量守恒定律第 6頁 先填空 1漫長的發(fā)現(xiàn)之路(1)1800 年，意大利科學(xué)家伏打發(fā)明“伏打電堆”，實現(xiàn)了化學(xué)運動與電運動之間的轉(zhuǎn)化(2)1820 年，丹麥物理學(xué)家奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)，揭示了電與磁之間的聯(lián)系(3)1821 年，法拉第制成了“電磁旋轉(zhuǎn)器”，實現(xiàn)了電運動和機械運動之間的轉(zhuǎn)化(4)邁爾觀點：體力和體熱必定來源于食物中的化學(xué)能，內(nèi)能、化學(xué)能、機械能都是等價的，是可以相互轉(zhuǎn)化的，如果動物體的能量輸入與支出是平衡的，那么，所有這些形式的能在量上必定是守恒的(5)焦耳的研究確定了電能向內(nèi)能轉(zhuǎn)化的定量關(guān)系用了近 40 年的時間，不懈地鉆研熱功轉(zhuǎn)換問題，為能量守恒定律提供了無可置疑的證據(jù)(6)亥姆霍茲的貢獻從理論上把力學(xué)中的能量守恒原理推廣到熱、光、電、磁、化學(xué)反應(yīng)等過程，揭示了它們之間的統(tǒng)一性2能量守恒定律及其應(yīng)用(1)內(nèi)容能量既不能憑空產(chǎn)生， 也不能憑空消失， 它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或者從一個系統(tǒng) (物體 )轉(zhuǎn)移到另一個系統(tǒng) (物體 )，在轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的過程中其總量不變(2)意義揭示了自然科學(xué)各個分支之間的普遍聯(lián)系，是自然界內(nèi)在統(tǒng)一性的第一個有力證據(jù)(3)應(yīng)用各種形式的能可以相互轉(zhuǎn)化但能量轉(zhuǎn)化過程中總伴有內(nèi)能的損失各種互不相關(guān)的物理現(xiàn)象， 可以用能量守恒定律聯(lián)系在一起 再判斷 第 7頁自由擺動的秋千擺動幅度越來越小，減少的機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能， 但總能量守恒 ( ) 后思考 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， 維持表針走動的能量是從哪兒來的？圖 4-1-2【提示】這不是永動機 手表戴在手腕上 ，通過手臂的運動 ，機械手表獲得能量，供手表指針走動 若將此手表長時間放置不動，它就會停下來 1自然界中能量的存在形式物體運動具有機械能、 分子熱運動具有內(nèi)能、 電荷具有電能、 原子核內(nèi)部的運動具有原子能等，可見，在自然界中不同的能量形式與不同的運動形式相對應(yīng)2不同形式能量之間的轉(zhuǎn)化“摩擦生熱”是通過克服摩擦做功將機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能； 水壺中的水沸騰時水蒸汽對壺蓋做功將壺蓋頂起， 表明內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能； 電流通過電熱絲做功可將電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能， 汽缸內(nèi)燃油燃燒釋放的內(nèi)能通過燃氣推動活塞做功而轉(zhuǎn)化為機械能等這些實例說明了不同形式的能量之間可以相互轉(zhuǎn)化， 且這一轉(zhuǎn)化過程是通過做功來完成的3太陽能的轉(zhuǎn)化【說明】自然界中各種形式的能量可以相互轉(zhuǎn)化，說明不同的運動形式也可以相互轉(zhuǎn)化 4對能量守恒定律的理解(1)某種形式的能減少，一定有其他形式的能增加，且減少量和增加量一定相等(2)某個物體的能量減少，一定存在其他物體的能量增加，且減少量和增加量一定相等(3)各種形式的能在轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移過程中總量守恒無需任何條件，而某種或幾種形式的能的守恒是有條件的 例如，物體的機械能守恒，必須是只有重力做功第 8頁(4)意義：能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)，使人們進一步認識到，任何一部機器，只要對外做功， 都要消耗能量， 都只能使能量從一種形式轉(zhuǎn)化為其他形式，或者從一個物體轉(zhuǎn)移到其他物體， 而不能無中生有地創(chuàng)造能量不消耗能量， 卻可以源源不斷地對外做功的機器(第一類永動機 )是不可能制成的4下列對能量的轉(zhuǎn)化和守恒定律的認識正確的是()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 第一類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E汽車剎車而停止，汽車的動能消失了【解析】A 選項是指不同形式的能量間的轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移過程中能量是守恒的這正好是能量守恒定律的兩個方面 轉(zhuǎn)化與轉(zhuǎn)移 第一類永動機是不可能制成的，因為它違背了能量守恒定律 ，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、E 是錯誤的 【答案】ABC5說出下列過程中是什么能量轉(zhuǎn)化為內(nèi)能(1)物體沿粗糙斜面下滑；(2)變壓器發(fā)熱；(3)汽油機內(nèi)氣體燃燒后變成高溫氣體；(4)車刀切下熾熱鐵屑【解析】物體沿斜面下滑 ，克服摩擦力做功 ，機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；電流通過變壓器線圈發(fā)熱 ，電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；氣體 (燃料 )燃燒后變成高溫氣體 ，化學(xué)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；車刀切下熾熱的鐵屑，克服摩擦力做功 ，機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能 第 9頁【答案】(1)機械能 內(nèi)能(2)電能 內(nèi)能(3)化學(xué)能 內(nèi)能(4)機械能 內(nèi)能應(yīng)用能量守恒定律的思路方法(1)能量守恒的核心是總能量不變，因此在應(yīng)用能量守恒定律時應(yīng)首先分清系統(tǒng)中哪些能量在相互轉(zhuǎn)化，是通過哪些力做功實現(xiàn)的，這些能量分別屬于哪些物體，然后再尋找合適的守恒方程式(2)在應(yīng)用能量守恒定律分析問題時，應(yīng)明確兩點：哪種形式的能量減少 ，哪種形式的能量增加 第 10 頁