第4章 4.1　熱力學(xué)第一定律+4.2　能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)歷程

1、.41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(shí) 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(diǎn)2正確認(rèn)識(shí)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(diǎn)、難點(diǎn)4理解第一類永動(dòng)機(jī)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(huì)自然界的統(tǒng)一性重點(diǎn)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(diǎn)、難點(diǎn)熱力學(xué)第一定律 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(shí)系統(tǒng)經(jīng)歷的過程叫做絕熱過程2關(guān)系式UU2U1W.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UU2U1Q.3熱力學(xué)第一定

2、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)能的改變假如物體與外界無熱傳遞，假設(shè)外界對物體做功，那么物體的內(nèi)能增加；假設(shè)物體對外做功，物體的內(nèi)能減少假如物體既不對外做功，外界也不對物體做功，那么物體吸收熱量時(shí)，它的內(nèi)能增加；物體放出熱量時(shí)，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(dá)式：UWQ.符號規(guī)那么：物體從外界吸收熱量，外界對物體做功，那么Q0，W0；反之Q0，W0；假設(shè)U0表示物體內(nèi)能增加，U0表示物體內(nèi)能減小意義：一個(gè)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(shí)，對此物體做功或向它傳熱的其他物體要減少

3、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)能上是等效的給旱區(qū)送水的消防車停于程度地面在緩慢放水的過程中，假設(shè)車胎不漏氣且胎內(nèi)氣體溫度不變，不計(jì)分子間的勢能，試分析氣體的吸、放熱情況圖4­1­1【提示】由于車胎內(nèi)氣體溫度不變，故氣體分子的平均動(dòng)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

4、做功和熱傳遞在改變物體內(nèi)能上可以獲得一樣的效果兩種方式均可以改變物體的內(nèi)能，假如我們不知道系統(tǒng)所經(jīng)歷的詳細(xì)過程時(shí)，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)別比較工程做功熱傳遞內(nèi)能變化外界對物體做功，物體的內(nèi)能增加物體對外界做功，物體的內(nèi)能減少物體吸收熱量，內(nèi)能增加物體放出熱量，內(nèi)能減少物理本質(zhì)其他形式的能與內(nèi)能之間的轉(zhuǎn)化不同物體間或同一物體不同部分之間內(nèi)能的轉(zhuǎn)移互相聯(lián)絡(luò)做一定量的功或傳遞一定量的熱在改變內(nèi)能的效果上是一樣的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

5、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，因此，不能說一個(gè)系統(tǒng)中含有“多少熱量或“多少功一個(gè)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(shí)各量的單位應(yīng)統(tǒng)一2對公式UQW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假設(shè)物體體積增大，說明物體對外界

6、做功，W0；假設(shè)物體體積變小，說明外界對物體做功，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(fù)號，以便準(zhǔn)確地判斷U的正、負(fù)2幾種特殊情況：假設(shè)過程是絕熱的，那么Q0，WU，外界對物體做的功等于物體內(nèi)能的增加假設(shè)過程中不做功，即W0，那么QU，物體吸收的熱量等于物體內(nèi)能的增加假設(shè)過程的始末狀態(tài)物體的內(nèi)能不變，即U0，那么WQ0或WQ，外界對物體做的功等于物體放出的熱量4第一類永動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)不消耗任何能量而能永遠(yuǎn)對外做功的機(jī)器5第一類永動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)本質(zhì)上都是認(rèn)為能量可以無中生有地創(chuàng)造出來，這違犯了熱力學(xué)第一定律，因此是

7、不可能實(shí)現(xiàn)的1關(guān)于物體的內(nèi)能和熱量，以下說法中正確的有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，直到兩物體的溫度一樣為止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(cuò)；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(xiàng)錯(cuò)、D項(xiàng)對；關(guān)于熱量的闡述，E項(xiàng)是正

8、確的【答案】ADE2以下過程，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(shí)內(nèi)能增加B物體吸收熱量，對外做功，同時(shí)內(nèi)能減少C外界對物體做功，同時(shí)物體吸熱，內(nèi)能減少D外界對物體做功，同時(shí)物體放熱，內(nèi)能增加E物體對外界做功，同時(shí)物體放熱，內(nèi)能增加【解析】根據(jù)熱力學(xué)第一定律UWQ，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(cuò)誤【答案】ABD3一定質(zhì)量的氣體從外界吸收了4.2×105 J的熱量，同時(shí)氣體對外做了6×105 J的功，問：1物體的內(nèi)能是增加還是減少？變化量是多少？2分子勢能是增加還是減少？3分子的平均動(dòng)能是增加還是減少？

9、【解析】1氣體從外界吸收的熱量為Q4.2×105 J氣體對外做功W6×105 J由熱力學(xué)第一定律UWQ6×105 J4.2×105 J1.8×105 JU為負(fù)，說明氣體的內(nèi)能減少了所以，氣體內(nèi)能減少了1.8×105 J.2因?yàn)闅怏w對外做功，所以氣體的體積膨脹，分子間的間隔 增大了，分子力做負(fù)功，氣體分子勢能增加了3因?yàn)闅怏w內(nèi)能減少，同時(shí)氣體分子勢能增加，所以氣體分子的平均動(dòng)能一定減少了【答案】1減少1.8×105 J2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

10、界溫度保持一樣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 1漫長的發(fā)現(xiàn)之路11800年，意大利科學(xué)家伏打創(chuàng)造“伏打電堆，實(shí)現(xiàn)了化學(xué)運(yùn)動(dòng)與電運(yùn)動(dòng)之間的轉(zhuǎn)化21820年，丹麥物理學(xué)家奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)，提醒了電與磁之間的聯(lián)絡(luò)31821年，法拉第制成了“電磁旋轉(zhuǎn)器，實(shí)現(xiàn)了電運(yùn)動(dòng)和機(jī)械運(yùn)動(dòng)之間的轉(zhuǎn)化4邁爾觀點(diǎn)：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(jī)械能都是等價(jià)的，是可以互相轉(zhuǎn)化的，假如動(dòng)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

11、的定量關(guān)系用了近40年的時(shí)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亥姆霍茲的奉獻(xiàn)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)反響等過程，提醒了它們之間的統(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(gè)系統(tǒng)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)系統(tǒng)物體，在轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的過程中其總量不變2意義提醒了自然科學(xué)各個(gè)分支之間的普遍聯(lián)絡(luò)，是自然界內(nèi)在統(tǒng)一性的第一個(gè)有力證據(jù)3應(yīng)用各種形式的能可以互相轉(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)絡(luò)在一起自由擺動(dòng)的秋千擺動(dòng)幅度越來越小，減少的機(jī)械能轉(zhuǎn)

12、化為內(nèi)能，但總能量守恒有一種所謂“全自動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)？假如不是，維持表針走動(dòng)的能量是從哪兒來的？圖4­1­2【提示】這不是永動(dòng)機(jī)手表戴在手腕上，通過手臂的運(yùn)動(dòng)，機(jī)械手表獲得能量，供手表指針走動(dòng)假設(shè)將此手表長時(shí)間放置不動(dòng)，它就會(huì)停下來1自然界中能量的存在形式物體運(yùn)動(dòng)具有機(jī)械能、分子熱運(yùn)動(dòng)具有內(nèi)能、電荷具有電能、原子核內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)形式相對應(yīng)2不同形式能量之間的轉(zhuǎn)化“摩擦生熱是通過抑制摩擦做功將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；水壺中的水沸騰時(shí)水蒸汽對壺蓋做功將壺蓋頂起，說明內(nèi)能

13、轉(zhuǎn)化為機(jī)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?xì)馔苿?dòng)活塞做功而轉(zhuǎn)化為機(jī)械能等這些實(shí)例說明了不同形式的能量之間可以互相轉(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互相轉(zhuǎn)化，說明不同的運(yùn)動(dòng)形式也可以互相轉(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(gè)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(jī)械能守恒，必須是只有重力做功4意義：能量守恒定律的發(fā)

14、現(xiàn)，使人們進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到，任何一部機(jī)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(gè)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(jī)器第一類永動(dòng)機(jī)是不可能制成的4以下對能量的轉(zhuǎn)化和守恒定律的認(rèn)識(shí)正確的選項(xiàng)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(gè)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(dòng)力而持續(xù)對外做功的機(jī)器第一類永動(dòng)機(jī)是不可能制成的D石子從空中落下，最后停頓在地面上，說明機(jī)械能消失了E汽車剎車而停頓，汽車的動(dòng)能消失了【解析】A選項(xiàng)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(xiàng)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(gè)方面轉(zhuǎn)化與轉(zhuǎn)移第一類永動(dòng)機(jī)是不可能制成的，因?yàn)樗`犯了能量守恒定律，所以A、B、C正確；D選項(xiàng)中石子的機(jī)械能在變化，比方受空氣阻力作用，機(jī)械能可能減少，但機(jī)械能并沒有消失，能量守恒定律說明能量既不會(huì)創(chuàng)生，也不會(huì)消失，故D、E是錯(cuò)誤的【答案】ABC5說出以下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(jī)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，抑制摩擦力做功，機(jī)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)