第3講熱力學第一定律能量守恒定律 目標定位1 理解熱力學第一定律 并掌握其表達式 2 能運用熱力學第一定律解釋自然界能量的轉化 轉移問題 3 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律 4 知道第一類永動機是不可能制成的 預習導學梳理 識記 點撥 1 內容 一個熱力學系統的內能增量等于外界向它傳遞的與外界對它所做的的和 2 數學表達式 U 一 熱力學第一定律 熱量 功 Q W 二 能量守恒定律 1 大量事實表明 各種形式的能量可以相互轉化 并且在轉化過程中總量保持 2 能量既不能憑空 也不能憑空 它只能從一種形式轉化為另一種形式 或者從一個物體轉移到別的物體 在轉化和轉移的過程中 能量的總量 3 能量守恒定律是自然界中最普遍 最重要的規律之一 不變 產生 消失 保持不變 三 永動機不可能制成 1 第一類永動機 人們把設想的不消耗的機器稱為第一類永動機 2 第一類永動機由于違背了 所以不可能制成 能量 能量守恒定律 課堂講義理解 深化 探究 一 熱力學第一定律 1 對熱力學第一定律的理解 1 對 U W Q的理解 做功和熱傳遞都可以改變內能 如果系統跟外界同時發生做功和熱傳遞的過程 那么外界對系統所做的功W加上物體從外界吸收的熱量Q等于系統內能的增加 U 即 U Q W 2 對 U Q W符號的規定 功W 外界對系統做功 W 0 即W為正值 系統對外界做功 W0 系統放熱為負 Q0 即 U為正值 系統內能減少 U 0 即 U為負值 2 判斷是否做功的方法一般情況下外界對系統做功與否 需看系統的體積是否變化 1 若系統體積增大 表明系統對外界做功 W0 例1空氣壓縮機在一次壓縮中 活塞對空氣做了2 105J的功 同時空氣的內能增加了1 5 105J 這一過程中空氣向外界傳遞的熱量是多少 解析選擇被壓縮的空氣為研究對象 根據熱力學第一定律有 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 負號表示空氣向外釋放熱量 即空氣向外界傳遞的熱量為5 104J 答案5 104J 借題發揮應用熱力學第一定律解題的一般步驟 1 明確研究對象是哪個物體或者是哪個熱力學系統 2 分別列出物體或系統吸收或放出的熱量 外界對物體或系統所做的功或物體或系統對外所做的功 3 根據熱力學第一定律 U Q W列出方程進行求解 4 特別注意的是物理量的正負號及其物理意義 針對訓練一定量的氣體在某一過程中 外界對氣體做了8 104J的功 氣體的內能減少了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 解析因為外界對氣體做功 W取正值 即W 8 104J 內能減少 U取負值 即 U 1 2 105J 根據熱力學第一定律 U W Q 可知Q U W 1 2 105J 8 104J 2 105J B選項正確 答案B 二 能量守恒定律 1 不同形式的能量之間可以相互轉化 1 各種運動形式都有對應的能 如機械運動對應機械能 分子熱運動對應內能等 2 不同形式的能量之間可以相互轉化 如 摩擦生熱 機械能轉化為內能 電爐取熱 電能轉化為內能等 2 能量守恒定律及意義各種不同形式的能之間相互轉化或轉移時能量的總量保持不變 意義 一切物理過程都適用 比機械能守恒定律更普遍 是19世紀自然科學的三大發現之一 3 第一類永動機是不可能制成的 1 不消耗能量而能源源不斷地對外做功的機器 叫第一類永動機 因為第一類永動機違背了能量守恒定律 所以無一例外地歸于失敗 2 永動機給我們的啟示人類利用和改造自然時 必須遵循自然規律 例2如圖1所示 直立容器內部被隔板隔開的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 設此過程中氣體吸熱為Q 氣體內能的增量為 U 則 A U QB UQD 無法比較 圖1 解析因A部分氣體密度小 B部分氣體密度大 以整體為研究對象 開始時 氣體的重心在中線以下 混合均勻后 氣體的重心應在中線上 所以有重力做負功 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 另一部分增加內能 故正確答案為B 答案B 三 氣體實驗定律和熱力學第一定律的綜合應用 氣體實驗定律和熱力學第一定律的結合點是溫度和體積 注意三種特殊過程的特點 1 等溫過程 內能不變 U 02 等容過程 體積不變 W 03 絕熱過程 Q 0 例3如圖2所示 倒懸的導熱汽缸中封閉著一定質量的理想氣體 輕質活塞可無摩擦地上下移動 活塞的橫截面積為S 活塞的下面吊著一個重為G的物體 大氣壓強恒為p0 起初環境的熱力學溫度為T0時 活塞到汽缸底面的距離為L 當環境溫度逐漸升高 導致活塞緩慢下降 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 圖2 1 汽缸內部氣體內能的增量 U 密封氣體對外做功W pS 0 1L由熱力學第一定律 U Q W得 U Q 0 1p0SL 0 1LG 答案Q 0 1p0SL 0 1LG 2 最終的環境溫度T 解析該過程是等壓變化 由蓋 呂薩克定律有 解得T 1 1T0 答案1 1T0 對點練習鞏固 應用 反饋 熱力學第一定律的理解和應用 1 一定量的氣體從外界吸收了2 6 105J的熱量 內能增加了4 2 105J 1 是氣體對外界做了功 還是外界對氣體做了功 做了多少焦耳的功 1 2 3 4 解析根據 U W Q得W U Q 將Q 2 6 105J U 4 2 105J代入式中得 W 1 6 105J 0 說明外界對氣體做了1 6 105J的功 答案見解析 2 如果氣體吸收的熱量仍為2 6 105J不變 但是內能增加了1 6 105J 計算結果W 1 0 105J 是負值 怎樣解釋這個結果 1 2 3 4 解析如果吸收的熱量Q 2 6 105J 內能增加了1 6 105J 即 U 1 6 105J 則W 1 0 105J 說明氣體對外界做功 答案見解析 3 在熱力學第一定律 U W Q中 W Q和 U為正值 負值各代表什么物理意義 1 2 3 4 解析在公式 U W Q中 U 0 物體內能增加 U0 物體吸熱 Q0 外界對物體做功 W 0 物體對外界做功 答案見解析 2 關于內能的變化 以下說法正確的是 A 物體吸收熱量 內能一定增大B 物體對外做功 內能一定減少C 物體吸收熱量 同時對外做功 內能可能不變D 物體放出熱量 同時對外做功 內能可能不變 1 2 3 4 解析根據熱力學第一定律 U W Q 物體內能的變化與做功及熱傳遞兩個因素均有關 物體吸收熱量 內能不一定增大 因為物體可能同時對外做功 故內能有可能不變或減少 A錯 物體對外做功 還有可能吸收熱量 內能可能不變或增大 B錯 C正確 放出熱量 同時對外做功 內能一定減少 D錯誤 答案C 1 2 3 4 能量守恒定律的理解和應用 3 自由擺動的秋千擺動幅度越來越小 下列說法正確的是 A 機械能守恒B 能量正在消失C 只有動能和重力勢能的相互轉化D 減少的機械能轉化為內能 但總能量守恒 1 2 3 4 解析自由擺動的秋千擺動幅度減小 說明機械能在減少 減少的機械能等于克服阻力做的功 增加了內能 1 2 3 4 答案D 氣體實驗定律和熱力學第一定律的結合 4 如圖3所示 兩個截面積都為S的圓柱形容器 右邊容器高為H 上端封閉 左邊容器上端是一個可以在容器內無摩擦滑動的質量為M的活塞 兩容器由裝有閥門的極細管道相連 容器 活塞和細管都是絕熱的 開始時閥門關閉 左邊容器中裝有理想氣體 平衡時活塞到容器底的距離為H 右邊容 1 2 3 4 圖3 器內為真空 現將閥門緩慢打開 活塞便緩慢下降 直至系統達到新的平衡 此時理想氣體的溫度增加為