能量的守恒與耗散

第二章

《能量的守恒與耗散》2.1《能量守恒定律》教學(xué)目標(biāo)

知識(shí)與能力：1、掌握功的概念及變力做功的計(jì)算方法。2、掌握保守力的特征及勢(shì)能的概念，并會(huì)計(jì)算各種勢(shì)能。3、掌握質(zhì)點(diǎn)和質(zhì)點(diǎn)系的功能轉(zhuǎn)換關(guān)系，并能靈活運(yùn)用解決有關(guān)問(wèn)題。4、掌握機(jī)械能守恒定律及其適用條件。5、理解勢(shì)能曲線及其基本特征。能量可以將自然界中各種不同的運(yùn)動(dòng)聯(lián)系在一起，并且可以互相轉(zhuǎn)換。能量守恒定律一、恒力的功：動(dòng)能和功該守恒量的變化與功聯(lián)系在一起。能量守恒定律一、恒力的功：二、變力的功：能量守恒定律[例題]一物體在外力F=3x+2（SI）作用下，從x=0移動(dòng)到x=4m處，求該力對(duì)物體所做的功。能量守恒定律解：這是一維變力做功的問(wèn)題四、動(dòng)能定理：能量守恒定律三、功率：[例題]一個(gè)外力作用在m=3kg的物體上，其運(yùn)動(dòng)方程為x=3t-4t2+t3（SI）求最初4秒內(nèi)該力對(duì)物體所做的功。能量守恒定律四種基本力均為保守力，摩擦力為非保守力，而摩擦力屬于電磁力，為什么不是保守力？①摩擦力是一種嚴(yán)格的宏觀現(xiàn)象，而宏觀現(xiàn)象中是不考慮微觀上的原子或分子的內(nèi)能變化；②摩擦力是由于動(dòng)量被遷移給原子或分子而產(chǎn)生，宏觀上的動(dòng)能變成了微觀上分子、原子的內(nèi)能。③摩擦力是耗散力，但非保守力不一定是耗散力能量守恒定律二、勢(shì)能：（位置函數(shù)）

保守力所做的功等于勢(shì)能增量的負(fù)值分析重力勢(shì)能及彈性勢(shì)能能量守恒定律勢(shì)能的基本性質(zhì)：①勢(shì)能屬于系統(tǒng)（是一種相互作用能）；②大小上只有相對(duì)意義，主要是其變化值；③勢(shì)能是位置的能量，動(dòng)能是運(yùn)動(dòng)的能量，兩者之間可以相互轉(zhuǎn)換；④只有保守力作功，才有勢(shì)能。能量守恒定律二、能量守恒定律：能量既不能產(chǎn)生，也不能消滅，它只能從一種形式轉(zhuǎn)換到另一種形式，但總能量是守恒的。能量守恒定律能量守恒定律分析書(shū)上例3一維勢(shì)能曲線

可以定性地分析各種運(yùn)動(dòng)的特征2.2《熱力學(xué)第一定律》?分子因熱運(yùn)動(dòng)而具有的能量?同溫度下各個(gè)分子的分子動(dòng)能ＥK不同?分子動(dòng)能的平均值僅和溫度有關(guān)分子動(dòng)能?分子間因有相互作用力而具有的、由它們相對(duì)位置決定的能量?

r＜r0時(shí),r↓→ＥP↑;ｒ＞ｒ0時(shí),r↑→ＥP↑;ｒ＝ｒ0時(shí)，ＥP最低?ＥP隨物態(tài)的變化而變化分子勢(shì)能?物體內(nèi)所有分子的ＥK和ＥP總和?物體的內(nèi)能與溫度和體積有關(guān)，還和物體所含的分子數(shù)有關(guān)。物體內(nèi)能1、下列說(shuō)法正確嗎?A、物體所有分子的動(dòng)能的總和=物體的動(dòng)能B、速度快的分子比速度慢的分子溫度高C、溫度高物體中的分子運(yùn)動(dòng)速度大于溫度低的物體中的分子運(yùn)動(dòng)速度.10Kg500C水分子的平均動(dòng)能____1Kg500C水分子平均動(dòng)能10Kg500C水的內(nèi)能_____1Kg500C的水的內(nèi)能等于大于改變內(nèi)能的兩種方式做功熱傳遞對(duì)內(nèi)對(duì)外吸熱放熱內(nèi)能增加內(nèi)能增加內(nèi)能減少內(nèi)能減少（外界對(duì)物體做功）（物體對(duì)外界做功）（物體從外界吸熱）（物體對(duì)外界放熱）（3）做功和熱傳遞在改變內(nèi)能效果上是等效的做功和熱傳遞的區(qū)別（1）做功改變內(nèi)能：實(shí)質(zhì)上是其它形式的能和內(nèi)能之間轉(zhuǎn)化（2）熱傳遞：實(shí)質(zhì)上是各物體間內(nèi)能的轉(zhuǎn)移2、關(guān)于物體內(nèi)能，下列說(shuō)法中正確的是:A、手感到冷時(shí)，搓搓手就會(huì)感到暖些，這是利用做功來(lái)改變物體內(nèi)能B、將物體舉高或使它們的速度增大，是利用作功來(lái)使物體內(nèi)能增大C、陽(yáng)光照曬衣服，衣服的溫度升高，是利用熱傳遞來(lái)改變物體內(nèi)能的D、用打氣筒打氣，筒內(nèi)氣體變熱，是利用熱傳遞來(lái)改變物體的內(nèi)能（A，C）10Kg1000C水的內(nèi)能_____10Kg1000C的水蒸氣的內(nèi)能10Kg00C水的內(nèi)能_____10Kg00C的冰的內(nèi)能小于大于對(duì)于物態(tài)發(fā)生變化的過(guò)程，由吸熱或放熱來(lái)分析物體內(nèi)能的增減是一種很簡(jiǎn)便的判斷方法.分子勢(shì)能？熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律△U=W+Q外界對(duì)物體做功（對(duì)內(nèi)）W為正物體對(duì)外界做功（對(duì)外）W為負(fù)物體從外界吸熱（吸熱）Q為正物體對(duì)外界放熱（放熱）Q為負(fù)能量守恒定律能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為別的形式，或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到別的物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過(guò)程中其總量不變。第一類永動(dòng)機(jī)不消耗能量的機(jī)器第一類永動(dòng)機(jī)不可能制成改變內(nèi)能的兩種方式做功熱傳遞對(duì)內(nèi)對(duì)外吸熱放熱內(nèi)能增加內(nèi)能增加內(nèi)能減少內(nèi)能減少（W為正值）（W為負(fù)值）（Q為正值）（Q為負(fù)值）2.3《熱機(jī)的

工作原理》教學(xué)目標(biāo)1、蒸汽機(jī)的工作原理工作物質(zhì)：水蒸氣能量變化：化學(xué)能→內(nèi)能→機(jī)械能２、內(nèi)燃機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)３、制冷機(jī)一、蒸汽機(jī)蒸汽機(jī)的出現(xiàn)曾引起了18世紀(jì)的工業(yè)革命。紐可門(mén)瓦特蒸汽機(jī)的改良者19世紀(jì)末，隨著電力應(yīng)用的興起，蒸汽機(jī)曾一度作為電站中的主要?jiǎng)恿C(jī)械。1900年，美國(guó)紐約曾有單機(jī)功率達(dá)五兆瓦的蒸汽機(jī)電站。1829年創(chuàng)造了“火箭”號(hào)蒸汽機(jī)車(chē)，該機(jī)車(chē)拖帶一節(jié)載有30位乘客的車(chē)廂，時(shí)速達(dá)46公里/時(shí)，引起了各國(guó)的重視，開(kāi)創(chuàng)了鐵路時(shí)代。至1807年，美國(guó)的富爾頓制成了第一艘實(shí)用的明輪推進(jìn)的蒸汽機(jī)船“克萊蒙脫”號(hào)。直到20世紀(jì)初，它仍然是世界上最重要的原動(dòng)機(jī)，后來(lái)才逐漸讓位于內(nèi)燃機(jī)和汽輪機(jī)等。自18世紀(jì)晚期起，蒸汽機(jī)不僅在采礦業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，在冶煉、紡織、機(jī)器制造等行業(yè)中也都獲得迅速推廣。17世紀(jì)蒸汽提水機(jī)1、蒸汽機(jī)的工作原理鍋爐中的水受熱變成水蒸氣,水蒸氣經(jīng)管道進(jìn)入汽室,通過(guò)滑動(dòng)閥控制,蒸汽輪流著從兩汽路進(jìn)入汽缸,驅(qū)動(dòng)活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng),對(duì)外做功.2、工作物質(zhì)：水蒸氣3、能量變化：化學(xué)能→內(nèi)能→機(jī)械能二、內(nèi)燃機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)1、燃料在汽缸內(nèi)燃燒，直接利用汽缸內(nèi)生成的高溫高壓氣體推動(dòng)活塞做功，這樣的熱機(jī)叫做內(nèi)燃機(jī)。2、汽油機(jī)、柴油機(jī)等都是內(nèi)燃機(jī)吸氣和壓縮沖程：空氣進(jìn)入汽缸，并受到壓縮。汽油機(jī)在吸氣沖程吸入的的是汽油與空氣的混合物，在壓縮沖程結(jié)束時(shí)由電火花點(diǎn)火。做功沖程：汽油燃燒后形成高溫高壓氣體，推動(dòng)活塞做功。這一過(guò)程中燃?xì)獾臏囟认陆?，壓?qiáng)減小。排氣沖程：做功之后，飛輪由于慣性繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)活塞把汽缸中的廢氣排出，為下一個(gè)循環(huán)的進(jìn)氣沖程做準(zhǔn)備。汽油機(jī)柴油機(jī)柴油機(jī)不靠電火花點(diǎn)火。壓縮沖程之后噴入柴油，柴油在高溫壓縮空氣中可以自燃。三、制冷機(jī)高溫?zé)釒?kù)低溫?zé)釒?kù)W動(dòng)力機(jī)高溫?zé)釒?kù)低溫?zé)釒?kù)W制冷機(jī)工作原理制冷機(jī)的壓縮機(jī)在電動(dòng)機(jī)等的帶動(dòng)下做功，將蒸氣狀的制冷劑壓入冷凝器（散熱器），制冷劑在冷凝器液化，放出熱量；液態(tài)的制冷劑進(jìn)入蒸發(fā)區(qū)后，通過(guò)很細(xì)的管道后膨脹、汽化，這個(gè)過(guò)程中冷庫(kù)的溫度降低。其后再次進(jìn)入壓縮機(jī)，準(zhǔn)備下一次循環(huán)過(guò)程。2.4《熱力學(xué)第二定律》教學(xué)目標(biāo)

知識(shí)與能力：1、了解某些熱學(xué)過(guò)程的方向性；2、了解什么是第二類永動(dòng)機(jī)，為什么第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成；3、了解熱力學(xué)第二定律的兩種表述，理解熱力學(xué)第二定律的物理實(shí)質(zhì)；4、知道什么是能量耗散。教學(xué)重點(diǎn)：1、熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)，定律的兩種不同表述；2、知道什么是第二類永動(dòng)機(jī)，以及它不能制成的原因教學(xué)難點(diǎn)：熱力學(xué)第二定律的物理實(shí)質(zhì)教具：擴(kuò)散裝置請(qǐng)回答：熱力學(xué)第一定律的文字?jǐn)⑹龊蛿?shù)學(xué)表達(dá)式？復(fù)習(xí)提問(wèn)：內(nèi)容：外界對(duì)物體所做的功W加上物體從外界吸收的熱量Q等于物體內(nèi)能的變化ΔU。數(shù)學(xué)表達(dá)式：ΔU=W+Q2.請(qǐng)回答：能量守恒定律的文字?jǐn)⑹?？?jī)?nèi)容：能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為別的形式，或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到別的物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過(guò)程中其總量不變。設(shè)問(wèn)：地球上有大量的海水，它的總量約為1.4×1018t，只要這些海水的溫度降低0.1℃，就能放出5.8×1023J的熱量，這相當(dāng)于1800萬(wàn)個(gè)功率為100萬(wàn)千瓦的核電站一年的發(fā)電量。為什么人們利用這種“新能源”呢？回答熱超導(dǎo)的方向性高溫物體熱量低溫物體指沒(méi)有任何外界的影響或者幫助1、現(xiàn)象：熱量會(huì)自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體，不會(huì)自發(fā)地從低溫物體傳給高溫物體。2、疑問(wèn)：電冰箱內(nèi)的溫度比外界低，為什么能夠不斷的把箱內(nèi)的熱量傳給外界的空氣？問(wèn)題分析3、歸納總結(jié)熱傳導(dǎo)的過(guò)程是有方向性的。歸納總結(jié)：第二類永動(dòng)機(jī)1、現(xiàn)象：運(yùn)動(dòng)的物體由于克服摩擦力做功，這個(gè)過(guò)程中，物體的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成為內(nèi)能，使物體和地面的溫度升高。2、有人設(shè)想：發(fā)明一種熱機(jī)，用它把物體和地面所產(chǎn)生的熱量都吸收過(guò)來(lái)，將內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，使因摩擦停止的物體重新運(yùn)動(dòng)起來(lái)，而不引起其他變化。簡(jiǎn)單分析自然界中沒(méi)有這樣的現(xiàn)象，一個(gè)放在水平地面上的物體，靠降低溫度，可以把內(nèi)能自發(fā)地轉(zhuǎn)化成為動(dòng)能，使這個(gè)物體運(yùn)動(dòng)起來(lái)。雖然這種設(shè)想并不違背能量守恒定律，但是我們卻不能制出這種熱機(jī)。分析3、熱機(jī)：（1）熱機(jī)的效率：η=W/Q1=W/W+Q2〈1（2）熱機(jī)不能把它得到的全部?jī)?nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。4、第二永類動(dòng)機(jī)：從單一熱源吸收熱量，全部用來(lái)做功而不引起其它變化的熱機(jī)。此類熱機(jī)不可能制成。5、結(jié)論：第二永類動(dòng)機(jī)不可能制成表示機(jī)械能和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化過(guò)程具有方向性。盡管機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化成內(nèi)能，內(nèi)能卻不能全部轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，同時(shí)不引起其它變化。熱力學(xué)第二定律物理過(guò)程具有方法性定律內(nèi)容熱力學(xué)第二定律揭示了大量分子參與的客觀過(guò)程的方向性。局限性：熱力學(xué)第二定律不適用于少量分子，也不能把它推廣到無(wú)限的宇宙。舉例： 混合氣體不能自發(fā)分開(kāi)氣體不能自發(fā)散開(kāi)形成真空熱超導(dǎo)具有方向性定律內(nèi)容：兩種表述：克勞修斯表述(1850年)：不可能使熱量自發(fā)地從低溫物體傳遞到高溫物體，而不引起其他變化。（熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳遞到高溫物體。）開(kāi)爾文表述(1851年)：不可能從單一熱源吸收熱量并把它全部用來(lái)做功，而不引起其他變化?；蛘哒f(shuō)第二永類動(dòng)機(jī)不可能制成。（熱量不能完全變成功，功可完全變成內(nèi)能。）