高教版《技術(shù)物理 上冊》 6-7 熱力學(xué)定律教案

第第頁高教版《技術(shù)物理上冊》6-7熱力學(xué)定律教案6-7熱力學(xué)定律

一、教學(xué)目標(biāo)

1．理解熱力學(xué)第一定律及能量守恒定律。

2．掌握熱力學(xué)第一定律中各物理量取正、負(fù)號的規(guī)定及意義。

3．了解熱力學(xué)第二定律。

4．使學(xué)生會應(yīng)用熱力學(xué)第一定律計(jì)算簡單的熱、功和內(nèi)能的轉(zhuǎn)換問題。

5．應(yīng)用能量守恒的觀點(diǎn)來分析物理現(xiàn)象。

二、教學(xué)重點(diǎn)難點(diǎn)

重點(diǎn)：熱力學(xué)第一定律。

難點(diǎn)：正確選取熱力學(xué)第一定律中各物理量的正負(fù)號。（在教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生，不要死記硬背各物理量取正、負(fù)號的規(guī)定，要在理解的基礎(chǔ)上掌握它。）

三、教學(xué)器材

光盤。

四、教學(xué)建議

教法建議

講練法。

教學(xué)設(shè)計(jì)方案

（一）引入新課

復(fù)習(xí)提問：怎樣改變物體的熱力學(xué)能？

我們已經(jīng)知道，熱傳遞和做功是改變物體內(nèi)能的兩種方式。熱傳遞使物體的熱力學(xué)能變化時(shí)，熱力學(xué)能的變化用傳遞的熱量來量度；做功使物體的熱力學(xué)能變化時(shí)，熱力學(xué)能的變化用功的數(shù)值來量度。如果用表示熱力學(xué)能的變化，那么物體內(nèi)能的變化和功、熱量之間有怎樣的關(guān)系呢？這就是我們今天要學(xué)習(xí)的熱力學(xué)第一定律。

（二）引出課程內(nèi)容

例如，用砂輪磨刀具，刀具溫度升高，說明克服摩擦力做功，使物體的熱力學(xué)能增加。如果外力對物體做功全部用于改變物體的熱力學(xué)能，外力做多少功，物體的熱力學(xué)能就改變多少。如果用表示外界對物體做的功，用表示物體熱力學(xué)能的變化，那么有=。如果因外力對物體做功，使物體溫度升高，則會向周圍環(huán)境傳遞熱量，假設(shè)傳遞的熱量為，則

（1）

在火爐上燒水，水溫升高熱力學(xué)能增加。如果傳遞給物體的熱量為，物體內(nèi)能的變化量是，那么，=。如果考慮水溫升高時(shí)體積膨脹，對外做功，則

=–（2）

如果規(guī)定：物體從外界吸熱，取正值；物體向外放熱，取負(fù)值。物體對外做功，取正值；外界對物體做功，取負(fù)值。式（1）可寫成和式（2）一樣的形式。我們把式（2）變形得

=+

這一關(guān)系式就是我們今天要學(xué)習(xí)的熱力學(xué)第一定律。

1．熱力學(xué)第一定律

（1）熱力學(xué)第一定律：物體從外界吸收的熱量，等于物體熱力學(xué)能的改變量與物體對外所做功的總和。

（2）公式：=+

熱力學(xué)第一定律是熱、功和熱力學(xué)能之間變化的定量關(guān)系。力學(xué)中所講的機(jī)械能守恒定律是動能和勢能等機(jī)械能之間的相互轉(zhuǎn)換規(guī)律。熱力學(xué)第一定律是包括機(jī)械能和熱力學(xué)能在內(nèi)的能量轉(zhuǎn)化與守恒的規(guī)律。

由于我們有了上述的規(guī)定，才把物體從外界吸熱或向外界放熱、物體對外做功或外界對物體做功的情況下，物體熱力學(xué)能的變化與熱和功的關(guān)系用一個公式表示出來。如果>，則>0，物體內(nèi)能是增加的；如果0，WAB>0；故QAB=ΔU>0

：|膨脹，p一定，V↑，T↑；ΔU>0，WBC>0；故QBC=ΔU+WBC>0

：等體降壓，一定，p↓，T↓；ΔU<0，WCD=0；故QCD=ΔU<0

：等壓壓縮，p一定，V↓，T↓；ΔU<0，WDA<0；故QDA=ΔU+WDA<0

在上述整個過程中：

總吸收熱量

總釋放熱量Q2=|QCD|+|QDA|

對外做的總功

因?yàn)闅怏w經(jīng)一個循環(huán)后又回到原來狀態(tài)，所以整個過程中，

這是熱機(jī)從高溫處吸熱，向低溫處放熱，同時(shí)對外做功形的一般公式。

下面根據(jù)熱力學(xué)第一定律來研究理想氣體在絕熱過程中，及之間的變化關(guān)系。

2．能量守恒定律

通過力學(xué)的學(xué)習(xí)知道，機(jī)械能中的動能和勢能可以互相轉(zhuǎn)化。根據(jù)熱力學(xué)第一定律我們又認(rèn)識到機(jī)械能與熱力學(xué)能之間也可以互相轉(zhuǎn)化。不僅機(jī)械能，其他形式的能都可以和熱力學(xué)能互相轉(zhuǎn)化。例如，通過電流的導(dǎo)體溫度升高，電能轉(zhuǎn)化為熱力學(xué)能；燃料燃燒過程中，化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱力學(xué)能；熾熱的燈絲發(fā)光，熱力學(xué)能轉(zhuǎn)化為光能等。實(shí)際上，自然界中任何形式的能都可以在一定的條件下互相轉(zhuǎn)化。但無論能量如何轉(zhuǎn)化，總的能量都是守恒的。

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)化為別的形式，或從一個物體轉(zhuǎn)移到別的物體，而能量的總和保持不變。

能量守恒定律是自然界的一條普遍規(guī)律，是19世紀(jì)發(fā)現(xiàn)的重要規(guī)律之一。該定律自建立以來，被應(yīng)用到物理、化學(xué)、生物、天文、地質(zhì)以及各種工程技術(shù)中，發(fā)揮了重要的作用。熱力學(xué)第一定律告訴我們，在一切熱力學(xué)過程中能量一定守恒，不滿足能量守恒的過程都是不可能實(shí)現(xiàn)的。

提問：滿足能量守恒的過程是否一定能實(shí)現(xiàn)呢（許多事實(shí)給予的回答是：不一定!）

自然界的一切實(shí)際熱力學(xué)過程都是按一定方向進(jìn)行的，相反方向的逆過程則不可能自動進(jìn)行。

（教師舉例講解）兩個溫度不同的物體互相接觸，熱量總是自動地由高溫物體傳向低溫物體，最終使二者溫度相同而達(dá)到熱平衡。人們從未發(fā)現(xiàn)過熱量自動地由低溫物體傳給高溫物體，而使兩物體的溫差越來越大，盡管這樣的過程并不違反能量守恒定律。當(dāng)然，實(shí)際中也有熱量從低溫物體傳向高溫物體的情況。我們使用的電冰箱工作時(shí)就是不斷把熱量從低溫?zé)釒?冰箱內(nèi))傳向高溫?zé)釒?外界)的，但這些熱量不是自動地由低溫物體傳向高溫物體，而是由冰箱的制冷機(jī)通過做功才實(shí)現(xiàn)的。又如轉(zhuǎn)動著的飛輪，撤除動力后，由于軸處的摩擦而逐漸停下來，在這個過程中飛輪的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為軸和飛輪的熱力學(xué)能。相反，軸和飛輪自動地冷卻，讓其熱力學(xué)能轉(zhuǎn)化為飛輪的機(jī)械能而使飛輪轉(zhuǎn)起來的過程卻從來沒有發(fā)生過，盡管它也不違反熱力學(xué)第一定律。實(shí)際中，熱變功的過程是有的，如各種熱機(jī)就是使熱轉(zhuǎn)變?yōu)楣?，但在這一轉(zhuǎn)變過程中總有一部分熱量沒有轉(zhuǎn)化為功而散失到了外界，即引起了其他變化。再如兩種不同的氣體可以自發(fā)地進(jìn)人對方，最后成為一種均勻的混合氣體。相反，一種均勻的混合氣體絕不會自發(fā)地分開成為兩種氣體。當(dāng)然使用物理或化學(xué)等手段可以把混合氣體分開，但這必然要引起一些其他變化。

*3．自然過程的方向

自然界的一切實(shí)際熱力學(xué)過程都是按一定的方向進(jìn)行的，相反方向的逆過程則不可能自動進(jìn)行。

以上所列舉的幾個實(shí)際過程都是按一定方向進(jìn)行的，是不可逆的。相反方向的過程不能自動地發(fā)生；或者說，相反方向的過程可以發(fā)生，但必然會產(chǎn)生其他影響。物理學(xué)家們分析了大量的自然現(xiàn)象后，確立了自然界宏觀過程進(jìn)行方向的規(guī)律，即熱力學(xué)第二定律。由于各種實(shí)際過程的不可逆性是相互依存的，因此任何一個實(shí)際過程進(jìn)行方向的說明都可以作

為熱力學(xué)第二定律的表述。（教師介紹熱力學(xué)第二定律表述方式。）

*4.熱力學(xué)第二定律

(1）克勞修斯表述：熱量不能自動地從低溫物體傳向高溫物體。

(2）開爾文表述：不可能從單一熱源吸收熱量并把它全部用來做功，而不引起其他變化。

(3）熱力學(xué)第二定律還可表述為：第二類永動機(jī)是不可能的。

“永動機(jī)”問題的討論：有人設(shè)計(jì)了一臺“永動機(jī)”

如圖4所示。在水輪上方的水箱中裝入一定量的水，水流下時(shí)沖動水輪轉(zhuǎn)動。水輪通過皮帶傳動帶動抽水機(jī)不斷地把水從下方的水池中抽到上方的水箱中，這樣，水不停地循環(huán)，水輪機(jī)將永久地轉(zhuǎn)動下去。用能量守恒定律分

析這臺“永動機(jī)”能否永久地轉(zhuǎn)動下去。

由于輪和轉(zhuǎn)軸之間存在摩擦力，水輪轉(zhuǎn)動時(shí)要克服摩擦力做功，消耗動能，根據(jù)能量守恒定律，這臺“永動機(jī)”不能永久地轉(zhuǎn)動下去。

熱力學(xué)第一定律就是包括熱力學(xué)能在內(nèi)的、熱現(xiàn)象中的能量守恒定律。

（三）小結(jié)

本節(jié)學(xué)習(xí)了三個物理定律：圖4

1．熱力學(xué)第一定律；

2．能量守恒定律；

3．熱力學(xué)第二定律。

（四）作業(yè)布置

1．