2019-2020学年高中物理 第10章 热力学定律 第3节 热力学第一定律 能量守恒定律课件 新人

第十章热力学定律第三节热力学第一定律能量守恒定律素养目标定位※※理解和掌握热力学第一定律表达式，并能用于分析有关问题并进行具体的计算※※理解和掌握能量守恒定律，明确定律的重要意义※了解第一类永动机及其不能制成的原因素养思维脉络1课前预习反馈2课内互动探究3核心素养提升4课内随堂达标5课后课时作业课前预习反馈1．改变内能的两种方式________和__________。2．热力学第一定律(1)内容：一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的________与外界对它所做的______的和。(2)表达式：________________知识点1热力学第一定律做功热传递热量功ΔU＝Q＋W知识点2能量守恒定律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________到别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量____________。2．意义(1)各种形式的能可以____________。(2)____________的物理现象可以用______________________联系在一起。转化转移保持不变相互转化互不相关能量转化和守恒定律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。对外做功知识点3永动机不可能制成能量守恒√辨析思考『判一判』(1)某个物体的能量减少，必然有其他物体的能量增加。()(2)石子从空中落下，最后停止在地面上，说明机械能消失了。()(3)能量既可以转移又可以转化，故能的总量是可以变化的。()(4)违背能量守恒定律的过程是不可能发生的。()(5)ΔU＝W＋Q。该式表示的是功、热量跟内能改变之间的定量关系，在物理学中叫做热力学第一定律。()××√√解析：用铁锤锻打铁器，铁器会发热，属于做功改变物体内能；用火对铁器加热，铁器从火中吸收热量，把铁器放在水中淬火，铁器向水中放热，所以加热和淬火属于热传递改变物体内能，故选项C正确。C『选一选』如图所示是古人锻造铁器的过程，关于改变物体内能的方式，下列说法正确的是()A．加热和锻打属于热传递，淬火属于做功B．加热属于热传递，锻打和淬火属于做功C．加热和淬火属于热传递，锻打属于做功D．加热和淬火属于做功，锻打属于热传递答案：不是永动机，手表戴在手上，手运动的能量一部分转化为手表的能量(动能)。『想一想』有一种所谓“全自动”机械手表，既不需要上发条，也不用任何电源，却能不停地走下去。这是不是一种永动机？如果不是，你知道维持表针走动的能量是从哪儿来的吗？课内互动探究如图所示，一定质量的理想气体由a状态变化到b状态，请在图象基础上思考以下问题：(1)在变化过程中气体对外做功，还是外界对气体做功？(2)在变化过程中气体吸热，还是向外放热？气体内能增加了，还是减少了？提示：(1)气体对外做功(2)吸热；内能增加探究一对热力学第一定律的理解11．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中内能改变的定量表述推广到一般情况，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．与热力学第一定律相匹配的符号法则做功W热量Q内能的改变ΔU取正值“＋”外界对系统做功系统从外界吸收热量系统的内能增加取负值“－”系统对外界做功系统向外界放出热量系统的内能减少3.几种特殊情况：(1)若过程是绝热的，即Q＝0，则ΔU＝W，物体内能的增加量等于外界对物体做的功。(2)若过程中不做功，即W＝0，则ΔU＝Q，物体内能的增加量等于物体从外界吸收的热量。(3)若过程的始末状态物体的内能不变，即ΔU＝0，则W＝－Q(或Q＝－W)，外界对物体做的功等于物体放出的热量(或物体吸收的热量等于物体对外界做的功)。特别提醒：(1)当做功和热传递同时发生时，物体的内能可能增加，也可能减小，还可能保持不变。(2)物体内能发生变化可能是由做功引起的，也可能是由热传递引起的，还可能是两者共同作用的结果。4．判断是否做功的方法：一般情况下外界对物体做功与否，需看物体的体积是否变化。(1)若物体体积增大，表明物体对外界做功，W＜0。(2)若物体体积减小，表明外界对物体做功，W＞0。(2018·云南师范大学附中高三检测)如图所示，一定质量的理想气体，由状态A沿直线AB过程变化到状态B，再由B沿直线BC过程变化到状态C，然后由C沿直线CA过程变化到状态A，在此循环过程中，下列说法正确的是_______(填正确答案标号)。A．在AB过程中，气体分子的平均速率先增大后减小B．在AB过程中，气体对外做的功大于气体吸收的热量C．在BC过程中，气体的内能增大D．在CA过程中，气体对外不做功E．经过ABCA一个循环过程，气体对外做的功等于从外界吸收的热量典例1ADE解题指导：根据理想气体状态方程判定各过程中体积和温度如何变化，结合热力学第一定律解答。解析：根据气态方程：pVT＝C可知：T与pV成正比，气体由状态A沿直线AB变化到状态B，由图看出，pV先增大后减小，则温度T先升高后降低，则分子平均动能先增大后减小，分子平均速率也先增大后减小，故A正确；根据理想气体状态方程得pAVATA＝pBVBTB，可得TA＝TB，所以由状态A到状态B，温度不变，内能增加ΔU＝0，从A到B体积变大，气体对外界做功，W0，根据热力学第一定律知ΔU＝W＋Q，知Q0，气体吸热且吸收的热量等于气体对外做的功，故B错误；在BC过程中，根据理想气体状态方程得：pBVBTB＝pCVCTC，可得TB＝4TC，所以气体的内能减小，故C错误；在C到A过程中体积不变，气体对外界不做功，故D正确；经过ABCA一个循环过程，气体的温度不变，内能不变，根据热力学第一定律，知ΔU＝W＋Q，气体对外做的功等于从外界吸收的热量，故E正确。所以ADE正确，BC错误。〔对点训练1〕如图是封闭的气缸，内部封闭有一定质量的理想气体。外力推动活塞P压缩气体，对汽缸内气体做功800J，同时气体向外界放热200J，则汽缸内气体的()A．温度升高，内能增加600JB．温度升高，内能减少200JC．温度降低，内能增加600JD．温度降低，内能减少200J解析：由热力学第一定律：ΔU＝W＋Q得ΔU＝800J＋(－200J)＝600J，一定质量的理想气体的内能大小只与温度有关，ΔU＝600J0，故温度一定升高，A选项正确。A请思考：(1)下面的永动机能实现吗？(2)热力学第一定律与能量守恒定律是什么关系？探究二对能量守恒定律的理解2提示：(1)不能，违反了能量守恒定律。(2)能量守恒定律是各种形式的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。1．能量的存在形式及相互转化各种运动形式都有对应的能：机械运动有机械能，分子的热运动有内能，还有诸如电磁能、化学能、原子能等。各种形式的能，通过做功可以相互转化，例如：利用电炉取暖或烧水，电能转化为内能；煤燃烧，化学能转化为内能；列车刹车后，轮子温度升高，机械能转化为内能2．守恒条件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。3．能量守恒定律的重要意义(1)找到了各种自然现象的公共量度——能量，从而把各种自然现象用能量规律联系起来，揭示了自然规律的多样性和统一性。(2)突破了人们关于物质运动的机械观念的范围，从本质上表明了各种运动形式之间相互转化的可能性。能量守恒定律比机械能守恒定律更普遍，它是物理学中解决问题的重要思维方法。能量守恒定律与电子的发现、达尔文的进化论并称19世纪自然科学中三大发现，其重要意义由此可见。(3)具有重大实践意义，即彻底粉碎了永动机的幻想。特别提醒：(1)能量守恒定律是一个自然界中普遍适用的规律，凡是遇到涉及能量的转化和转移问题时可优先考虑使用其解决。(2)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，密闭绝热容器内有一绝热的具有一定质量活塞，活塞的上部封闭着气体，下部为真空，活塞与器壁间的摩擦忽略不计。置于真空中的轻弹簧一端固定于容器的底部，另一端固定在活塞上，弹簧被压缩后用绳扎紧，此时弹簧的弹性势能为Ep(弹簧处在自然长度时的弹性势能为零)。现绳突然断开，弹簧推动活塞向上运动，经过多次往复运动后活塞静止，气体达到平衡状态。经过此过程()典例2DA．Ep全部转换为气体的内能B．Ep一部分转换成活塞的重力势能，其余部分仍为弹簧的弹性势能C．Ep全部转换成活塞的重力势能和气体的内能D．Ep一部分转换成活塞的重力势能，一部分转换为气体的内能，其余部分仍为弹簧的弹性势能解题指导：利用能量守恒定律解决问题时，首先应明确题目中涉及哪几种形式的能量，其次分析哪种能量增加了，哪种能量减少了，确定研究的系统后，用能量守恒的观点求解。解析：当绳子突然断开时，活塞受弹簧的弹力F、活塞的重力G、封闭气体对活塞向下的压力F′共同作用，如图所示，其合力向上，经多次往复运动后活塞静止时，活塞处于三力平衡状态，气体体积必减小，外力对气体做正功，由于绝热，气体的内能增加，而活塞最终的静止位置比初始位置高，其重力势能增加，最终弹力与另外两个力的合力平衡，弹簧仍有形变。设最终弹簧的弹性势能为Ep′，由能量守恒定律得Ep＝Ep′＋活塞增加的重力势能＋气体增加的内能，所以D选项正确。〔对点训练2〕(2018·苏州市高新区高二下学期期中)柴油在柴油机的气缸中燃烧，产生高温高压的气体，燃料的化学能转化为气体的内能，高温高压的气体推动活塞做功，气体的内能又转化为柴油机的机械能，燃烧相同的柴油，输出的机械能越多，柴油机越节能。有经验的柴油机维修师傅，不用任何仪器，只要将手伸到柴油机排气管附近，去感知一下尾气的温度，就能够判断出这台柴油机是否节能。真是“行家伸伸手，就知有没有”，关于尾气的温度跟柴油机是否节能之间的关系，下列说法中正确的是()A．尾气的温度越低，柴油机越节能B．尾气的温度越高，柴油机越节能C．尾气的温度高低与柴油机是否节能无关D．以上说法均不正确A解析：高温高压的燃气推动活塞向下运动，对活塞做功，燃气的内能大部分转化为活塞的机械能，在做功的过程中，内能转化为活塞的机械能越多，尾气的温度越低，柴油机越节能，故A正确，BCD错误。核心素养提升1．第一类永动机人们把设想中的不消耗能量的机械叫做第一类永动机，第一类永动机是不可能制成的。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U2U1，则W0，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。永动机不可能制成如图所示，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()案例DA．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解析：形状记忆合金进入水后受热形状发生改变而搅动热水，由能量守恒知能量来源于热水，故A、B、C错；由能量守恒知，叶片吸收的能量一部分转化成叶片的动能，一部分释放于空气中，故D对。