2019-2020学年高中物理 第四章 能量守恒与热力学定律 第1节 能量守恒定律的发现 第2节 热

第1节能量守恒定律的发现第2节热力学第一定律第四章能量守恒与热力学定律1.理解能量守恒定律，会用能量守恒的观点分析解决有关问题．理解第一类永动机是不可能制成的原因．2．理解物体跟外界做功和热传递的过程及W、Q、ΔU的物理定义．3．理解热力学第一定律，并能运用热力学第一定律分析和计算有关问题．第四章能量守恒与热力学定律一、能量守恒定律的发现1．能量形式与能量转化(1)各种能量：自然界存在着多种不同形式的运动，每种运动对应着一种形式的能量．如机械运动对应__________；分子热运动对应__________；电磁运动对应__________．(2)各种能量之间可以互相转化：不同形式的能量之间可以相互转化．摩擦可以将__________转化为内能；炽热电灯发光可以将__________转化为光能．机械能内能电磁能机械能电能2．能量守恒定律发现的历史背景(1)蒸汽技术的发展：18世纪80年代，蒸汽机的发展和使用，证明了__________可以转化为__________，推动了热力学理论的发展．(2)各种基本运动形式之间普遍联系性的发现17世纪中叶：物理学家提出“运动量”守恒的思想．18世纪未到19世纪初：各种自然现象之间的普遍联系被发现，能的概念被引入．内能机械能(3)永动机研制的失败概念：一种不消耗能量却可源源不断__________的机器叫永动机，并称为第一类永动机．结果：无一例外地归于失败．原因：违背__________定律．3．能量守恒定律的发现与确立(1)能量守恒定律内容：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式_______为另一种形式，或者从一个物体________到另一个物体，在转化或转移的过程中其________不变．(2)意义①各种形式的能可以相互转化．②各种物理现象可以用能量守恒定律联系在一起．对外做功能量守恒转化转移总量二、热力学第一定律1．改变物体内能的两种方式：__________与__________．两者在改变系统内能方面是等效的．2．热力学第一定律(1)内容：如果物体跟外界同时发生做功和热传递的过程，那么外界对物体__________加上物体从外界____________________等于物体内能的增加．(2)数学表达式：____________________．做功热传递所做的功吸收的热量ΔU＝Q＋W对能量守恒定律的理解及应用1．与某种运动形式对应的能是否守恒是有条件的，例如，物体的机械能守恒，必须是只有重力做功；而能量守恒定律是没有条件的，它是一切自然界现象都遵守的基本规律．2．第一类永动机失败的原因分析如果没有外界热源供给热量，则有U2－U1＝W，就是说，如果系统内能减少，即U2＜U1，则W＜0，系统对外做功是要以内能减少为代价的，若想源源不断地做功，就必须使系统不断回到初始状态，在无外界能量供给的情况下，是不可能的．层出不穷的永动机设计方案，由于违背了能量守恒定律，无一例外地宣布失败，人类制造永动机的企图是没有任何成功希望的．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，现在在活塞上方加一15kg的物体，待稳定后，被封闭气体的高度变为40cm.求在这一过程中气体的内能增加了多少？(g取10m/s2，不考虑活塞的大气压力及摩擦阻力)[解析]由能的转化与守恒定律可知，内能的增加等于活塞和物体重力势能的减少，ΔU＝ΔE＝(M＋m)gh＝(15＋5)×10×(50－40)×10－2J＝20J.[答案]20J(1)绝热过程内能增加，则应为其他形式的能转化为内能．(2)绝热过程表示不吸热，也不放热；“导热性能良好且过程缓慢”表示此过程有热传递发生且及时充分，保持温度不变．1.(多选)下列对能量的转化和守恒定律的认识正确的是()A．某种形式的能量减少，一定存在其他形式能量的增加B．某个物体的能量减少，必然有其他物体的能量增加C．不需要任何外界的动力而持续对外做功的机器——永动机是不可能制成的D．石子从空中落下，最后停止在地面上，说明机械能消失了解析：选ABC.能量守恒定律是指能量的总量不变，但更重要的是指转化和转移过程中的守恒．在不同形式的能量间发生转化，在不同的物体间发生转移．不需要任何外界动力而持续对外做功的机器是违背能量守恒定律的，是永远不可能制成的．机械能转化成了其他形式的能量而不能消失，能量是不会消失的．功、热量和内能的区别与联系1．功和内能的关系(1)内能与内能变化的关系①物体的内能是指物体内所有分子的动能和势能之和．因此物体的内能是一个状态量．②当物体温度变化时，分子平均动能变化．物体体积变化时，分子势能发生变化，因此物体的内能变化只由初、末状态决定，与中间过程及方式无关．(2)做功与内能变化的关系①做功改变物体内能的过程是其他形式的能(如机械能)与内能相互转化的过程．②在绝热过程中，外界对物体做多少功，就有多少其他形式的能转化为内能，物体的内能就增加多少．(3)功和内能的区别①功是过程量，内能是状态量．②在绝热过程中，做功一定能引起内能的变化．③物体的内能大，并不意味着做功多．在绝热过程中，只有内能变化较大时，对应着做功较多．在绝热过程中，外界对系统做功，系统的内能增加，外界对系统做多少功，系统的内能就增加多少；系统对外界做功，系统的内能减少，系统对外界做多少功，系统的内能就减少多少.2．热量、功和内能之间的关系内能是由系统的状态决定的．状态确定了，系统的内能也就随之确定了．要使内能改变，可以通过做功和热传递两种方式来完成，功和热量都是过程量，两者对改变系统的内能是等效的，但做功是其他形式的能量转化为内能，功的多少是内能转化的量度，在绝热的过程中，对物体做了多少功，内能就增加多少；物体对外做了多少功，内能就减少多少．热传递是内能的转移，热量是内能转移的量度，在没有做功的情况下，物体吸收了多少热量，就增加多少内能，或放出了多少热量，就减少多少内能．有过程(做功或热传递)，才有变化(内能改变)，离开过程，功和热量将毫无意义．就某一状态而言，只有“内能”，根本不存在“功”和“热量”．因此不能说物体中含有“多少热量”或“多少功”．可以说物体很热，这指的是物体的温度很高．热传递改变物体内能的过程是物体间内能转移的过程．热传递使物体的内能发生变化时，内能改变的多少可用热量来量度．对于热量、功和内能三者的说法正确的是()A．热量、功、内能三者的物理意义相同B．热量、功都可以作为物体内能的量度C．热量、功、内能的单位不相同D．热量和功是由过程决定的，而内能是由物体状态决定的[解析]物体的内能是指物体所有分子的动能和分子势能的总和，而要改变物体的内能可以通过做功和热传递两种途径，这三者的物理意义不同，A项错．热量是表示在热传递过程中物体内能变化多少的物理量，而功也是用做功的方式来量度改变物体内能多少的物理量，B项错．三者单位都是焦耳，C项错．热量和功是过程量，内能是状态量，D项对．[答案]D区别热量、功和内能的技巧(1)就某一状态而言，只有“内能”，根本谈不上“热量”和“功”．(2)就某一过程而言，“内能”有变化，与“热量”“功”对应．(3)一个物体的内能无法计算，但物体的内能变化是可以计算的．2.(多选)关于热传递，下列说法正确的是()A．热传递中，热量一定从含热量多的物体传向含热量少的物体B．两个物体之间发生热传递的条件是它们之间有温度差C．在热传递中，热量一定从内能多的物体传向内能少的物体D．内能相等的两个物体相互接触时，也可能发生热传递解析：选BD.热量的概念只有在涉及能量的传递时才有意义，所以不能说物体含有多少热量，故A错；物体间发生热传递的必要条件是存在温度差，故B对；在热传递中，热量一定从温度高的物体传向温度低的物体，温度高的物体内能不一定多，故C错，D对．对热力学第一定律的理解及应用1．对ΔU＝W＋Q的理解：热力学第一定律是对单纯的绝热过程和单纯的热传递过程中内能改变的定量表达推广到一般情况，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符号的规定符号WQΔU＋外界对物体做功物体吸收热量内能增加－物体对外界做功物体放出热量内能减少命题视角1用热力学第一定律定性分析密闭有空气的薄塑料瓶因降温而变扁，此过程中瓶内空气(不计分子势能)()A．内能减小，外界对其做功B．内能减小，吸收热量C．内能增大，对外界做功D．内能增大，放出热量[解析]密闭有空气的薄塑料瓶降温说明气体的内能减小，薄塑料瓶变扁说明外界对气体做功；由热力学第一定律可知，气体在变化过程中放出热量，所以选项A正确．[答案]A命题视角2用热力学第一定律进行定量计算如图所示是密闭的汽缸，外力推动活塞P压缩气体，对缸内气体做功500J，同时气体向外界放热100J，缸内气体的()A．温度升高，内能增加400JB．温度升高，内能减少400JC．温度降低，内能增加600JD．温度降低，内能减少600J[解析]由热力学第一定律可得ΔU＝W＋Q＝500J＋(－100J)＝400J，即缸内气体内能增加400J，气体温度升高，故选项A对，B、C、D错．[答案]A应用热力学第一定律解决问题的关键(1)要明确研究的对象是哪个物体或者说是哪个热力学系统．(2)应用热力学第一定律计算时，要依照符号法则代入数据，对结果的正、负也同样依照符号法则来解释其意义．命题视角3热力学第一定律与气体实验定律的综合应用如图所示，A、B两点表示一定质量的某种理想气体的两个状态，当气体从状态A变化到状态B时()A．气体内能一定增加B．气体压强变大C．气体对外界做功D．气体对外界放热[思路点拨](1)一定质量理想气体的内能由温度决定．(2)由pV＝C判断压强变化．(3)根据体积变化判断做功情况．(4)由热力学第一定律判断吸热还是放热．[解析]由题图可知，理想气体的变化为等温膨胀，气体压强减小，故气体的内能不变，气体对外做功；由热力学第一定律可知，气体一定从外界吸收热量．综上可知，C对，A、B、D错．[答案]C3.如图所示，圆柱形容器内用活塞封闭一定质量的理想气体，已知容器横截面积为S，活塞重为G，大气压强为p0.若活塞固定，封闭气体温度升高1℃，需吸收的热量为Q1；若活塞不固定，仍使封闭气体温度升高1℃，需吸收的热量为Q2.不计一切摩擦，在活塞可自由移动时，封闭气体温度升高1℃，活塞上升的高度h应为多少？解析：活塞固定时，由热力学第一定律，气体增加的内能ΔU＝Q1活塞不固定时，设外界对气体做功为W，活塞上升的高度为h，则ΔU＝Q2＋W＝Q2－(P0Sh＋Gh)对活塞，由能量守恒定律得Gh＝W内－P0Sh联立可得：W＝－W内＝－(P0Sh＋Gh)故h＝Q2－Q1P0S＋G.答案：Q2－Q1P0S＋G