热力学第一定律-能量守恒定律课件-新人教版选修

3热力学第一定律能量守恒定律1课时目标·导航1课时目标·导航4分层达标·训练4分层达标·训练2课前感知·预习2课前感知·预习3课堂导学·探究3课堂导学·探究1．理解热力学第一定律并会应用于实际。2．能运用热力学第一定律解释自然界能量的转化、转移问题。3．理解能量守恒定律及其应用，知道能量守恒定律是自然界普遍遵从的基本规律。4．知道第一类永动机是不可能制成的。重点：1．热力学第一定律的表达式及其应用。2．能量守恒定律及其应用。难点：1．热力学第一定律的意义。2．热力学第一定律表达式中各符号的意义。一、热力学第一定律1．功和热：改变系统的状态，_____和_______这两种方法是等效的，即一定数量的功与确定数量的热相对应。2．热力学第一定律：（1）内容：一个热力学系统的内能_____等于外界向它传递的_____与外界对它所做的___的和。(2）表达式：________。做功热传递增量热量功ΔU=Q+W二、能量守恒定律1．能量守恒定律：(1)内容：能量既不会凭空_____，也不会凭空_____，它只能从一种形式_____为另一种形式，或者从一个物体_____到别的物体，在转化或转移的过程中，能量的_____保持不变。(2）意义:①各种形式的能可以相互_____。②各种互不相关的物理现象可以用_________定律联系在一起。产生消失转化转移总量转化能量守恒2．第一类永动机不可能制成：(1)第一类永动机：不需要任何动力或燃料，却能不断地_________的机器。(2)第一类永动机不可能制成的原因：违背了_________定律。(3)意义：正是历史上设计永动机的失败，才使后人的思考走上了正确的道路。对外做功能量守恒【判一判】（1）做功和热传递这两种方法在改变物体的内能上是等效的。()（2）各种形式的能可以相互转化。()（3）功与能可以相互转化。()（4）第一类永动机不违反能的转化和守恒定律。()提示：（1）做功和热传递能改变物体的内能，且等效，故（1）对。（2）各种不同形式的能可以相互转化，故（2）对。（3）各种形式的能可以相互转化,功是能量转化的量度，功与能量不能相互转化，故（3）错。（4）第一类永动机违反能的转化和守恒定律，故（4）错。探究热力学第一定律1．一个物体，它既没有吸收热量也没有放出热量，那么：（1）如果外界对物体做的功为W，则它的内能如何变化？变化了多少？（2）如果物体对外界做的功为W，则它的内能如何变化？变化了多少？提示：（1）一个物体，如果它既没有吸收热量也没有放出热量，那么，外界对它做功为W，它的内能就增加W；（2）物体对外界做功为W，它的内能就减少W。点拨：物体既没有吸收热量，也没有放出热量，表示物体与外界所组成系统的热力学过程是一个绝热过程。2.一个物体，如果外界既没有对物体做功，物体也没有对外界做功，那么：（1）如果物体从外界吸收热量Q，它的内能如何变化？变化了多少？（2）如果物体向外界放出热量Q，它的内能如何变化？变化了多少？提示：（1）如果外界既没有对物体做功，物体也没有对外界做功，那么物体从外界吸收热量Q，它的内能就增加Q；（2）物体向外界放出热量Q，它的内能就减少Q。3.热力学第一定律的数学表达式适用于物体对外做功和向外界散热的情况吗？应用热力学第一定律解题时应注意什么？提示：热力学第一定律的数学表达式适用于物体对外做功和向外界散热的情况，解题时应注意符号法则，即：符号WQΔU+-外界对物体做功物体吸热内能增加物体对外界做功物体放热内能减小【误区警示】区别公式ΔU=Q+W中各物理量的正负是一个难点，为此教师应讲明：凡是外界对物体做功或物体从外界吸热，物体内能增加，W、Q、ΔU均为正，否则均为负。【知识点拨】热力学第一定律应用时的几种特殊情况（1）绝热做功过程中，Q=0,ΔU=W。(2)若过程中不做功，只有热传递，则W=0，ΔU=Q。(3)若某一过程中内能不变，则：W=-Q。【探究归纳】热力学第一定律符号法则(1)外界对物体做功，W取正值，W＞0。(2)物体对外界做功，W取负值，W＜0。(3)物体吸收热量，Q取正值，Q＞0。(4)物体放出热量，Q取负值，Q＜0。(5)物体内能增加，ΔU取正值，ΔU＞0。(6)物体内能减少，ΔU取负值，ΔU＜0。【典例1】如图所示，用绝热活塞把绝热容器隔成容积相同的两部分，先把活塞锁住，将质量和温度都相同的理想气体氢气和氧气分别充入容器的两部分，然后提起销子，使活塞可以无摩擦地滑动，当活塞平衡时()A.氢气的温度不变B.氢气的压强减小C.氢气的体积增大D.氧气的温度升高【思路点拨】求解此题应注意以下四点(1)内能的变化用ΔU＝Q+W来求。(2)注意W和Q的符号法则。(3)绝热物体之间无热传递。(4)一定质量的理想气体的内能与温度有关，温度越高，内能越大。【解析】选B、C、D。氢气和氧气的质量虽然相同，但由于氢气的摩尔质量小，故氢气的物质的量多，因为体积和温度相同，所以氢气产生的压强大，活塞将向氧气一方移动。当拔掉销子后，由于氢气的物质的量多，压强大，会推动活塞向O2一方移动，这时H2体积膨胀，压强减小，B、C正确；H2对外做功，即W＜0，又无热传递，即Q=0，由ΔU=Q+W可知，ΔU＜0,即H2内能减少，温度降低,A错误;对O2而言，体积减小，外界对它做功，即W＞0,由ΔU=Q+W可知，在无热传递的情况下，ΔU＞0,O2内能增加，温度升高，D正确。能量守恒定律1.热力学第一定律与能量守恒定律是什么关系？提示：能量守恒定律是各种形式能相互转化或转移的过程，总能量保持不变。它包括各个领域，其范围广泛,热力学第一定律是物体内能与其他形式的能之间的相互转化或转移，是能量守恒定律的具体体现。【误区警示】利用能量的观点处理物理问题是我们常用的思维方法，有学生认为热力学第一定律与能量守恒定律无关。为此教师应讲明热力学第一定律是能量守恒定律的一种表现形式，与能量守恒定律相关。2.什么是第一类永动机？它能实现吗？提示：不消耗任何能量，却可以源源不断地对外做功的机器叫做第一类永动机；第一类永动机不能实现，因为第一类永动机违反了能量守恒定律。【知识点拨】第一类永动机不可能制成同永远找不到不吃草料却是一匹好马的马一样，不需要能量而永远运动并且能够做功的永动机，也是不可能制造出来的。因为在自然界中物质的任何一种形式的能量，在一定条件下都能够用直接或间接的方式，转化成其他形式的能量，在转化的过程中，总能量保持不变。这就是能量守恒和转化定律。用恩格斯的话来说，这是一条“绝对的自然规律”。【探究归纳】1.热力学第一定律与能量守恒定律密切相关，是能量守恒定律的具体体现。2.第一类永动机违背能量守恒定律，不能制成。【典例2】（2011·江苏高考）（1）如图所示，一演示用的“永动机”转轮由5根轻杆和转轴构成，轻杆的末端装有用形状记忆合金制成的叶片。轻推转轮后，进入热水的叶片因伸展而“划水”，推动转轮转动。离开热水后，叶片形状迅速恢复，转轮因此能较长时间转动。下列说法正确的是()A.转轮依靠自身惯性转动，不需要消耗外界能量B.转轮转动所需能量来自形状记忆合金自身C.转动的叶片不断搅动热水，水温升高D.叶片在热水中吸收的热量一定大于在空气中释放的热量（2）如图所示，内壁光滑的汽缸水平放置，一定质量的理想气体被活塞密封在汽缸内，外界大气压强为p0。现对汽缸缓慢加热，气体吸收热量Q后，体积由V1增大到V2，则在此过程中，气体分子平均动能__________（选填“增大”、“不变”或“减小”），气体内能变化了______________。【思路点拨】解答本题时注意以下三点(1)永动机转动时能量的来源。(2)影响气体内能大小的因素。(3)理想气体做等压变化时，外界对气体所做的功的计算方法。【解析】（1）该永动机叶片进入水中，吸收热量而伸展划水，推动转轮转动，离开水面后向空气中放热，叶片形状迅速恢复，所以转动的能量来自热水，由于不断向空气释放热量，所以水温逐渐降低，A、B、C错，D对。（2）气体做等压变化，体积变大，温度升高，平均动能增大，内能的变化为ΔU=Q-p0(V2-V1)。答案：(1)D(2)增大Q-p0(V2-V1)【知识点拨】理想气体的内能（1）决定因素：气体的分子数（或物质的量）与温度。（2）影响因素：做功和热传递。（3）内能与温度的关系：一定质量的理想气体，温度升高，内能增加；温度降低，内能减小。【温馨提示】热力学第一定律与能量守恒定律密切相关，应用热力学第一定律时，有时要联系能量守恒定律，这应引起我们足够的重视。【典例】如图所示，一个质量为20kg的绝热汽缸竖直放置，绝热活塞的质量为5kg，处于静止状态时被封闭气体的高度为50cm，现在在活塞上方加一个质量为15kg的物体。待稳定后，被封闭气体的高度变为40cm，若大气压对气体做功为12J，求在这一过程中气体的内能变化了多少？（g取10m/s2，不考虑摩擦力）。考查内容热力学第一定律与能量守恒定律的联系【思路点拨】解答本题时注意以下两点：（1）热力学第一定律的表达式及其符号正负的规定。（2）能量的转化问题及其满足的规律。【解析】由热力学第一定律及能量守恒得：汽缸、活塞绝热Q=0，大气、活塞和物体的重力对气体做功，等于气体内能的增加量，即ΔU=W+（M+m）gh=12J+(15+5)×10×(0.5-0.4)J=32J答案：增加了32J。