高中物理新課標(biāo)版人教版選修3-3精品：10.3《熱力學(xué)第一定律 能量守恒定律》

1、.1.2新課標(biāo)人教版課件系列高中物理選修選修3-33-3.310.3熱力學(xué)第一定律 能量守恒定律.4教學(xué)目標(biāo)教學(xué)目標(biāo)v（1）知道熱力學(xué)第一定律 ，理解能量守恒定律v（2）對(duì)熱力學(xué)第一定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式有簡(jiǎn)單認(rèn)識(shí)v（3）知道永動(dòng)機(jī)是不可能的.5本章內(nèi)容Contentschapter 15熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律first law of thermodynamics cycle Carnot cycle 循環(huán)過(guò)程循環(huán)過(guò)程 卡諾循環(huán)卡諾循環(huán)熱力學(xué)第一定律對(duì)理想氣體的應(yīng)用熱力學(xué)第一定律對(duì)理想氣體的應(yīng)用application of first law of thermodynamics to idea

2、l gas .6第一節(jié) 引言熱力學(xué)是研究物質(zhì)世界中有關(guān)熱現(xiàn)象的宏觀熱力學(xué)是研究物質(zhì)世界中有關(guān)熱現(xiàn)象的宏觀理論，它不涉及物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，而是將一物質(zhì)理論，它不涉及物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，而是將一物質(zhì)系統(tǒng)中大量粒子看作一個(gè)整體，研究系統(tǒng)所表現(xiàn)系統(tǒng)中大量粒子看作一個(gè)整體，研究系統(tǒng)所表現(xiàn)的各種宏觀性質(zhì)和規(guī)律。的各種宏觀性質(zhì)和規(guī)律。熱力學(xué)第一定律是熱力學(xué)的基本定律，是一個(gè)熱力學(xué)第一定律是熱力學(xué)的基本定律，是一個(gè)包括熱現(xiàn)象在內(nèi)的能量守恒與轉(zhuǎn)化的定律。包括熱現(xiàn)象在內(nèi)的能量守恒與轉(zhuǎn)化的定律。熱力學(xué)第一定律首先涉及到熱力學(xué)第一定律首先涉及到內(nèi)能內(nèi)能功功熱量熱量的基本概念的基本概念.7內(nèi)能廣義上的內(nèi)能，是指某物體系統(tǒng)由其

3、內(nèi)部狀態(tài)所決定的能量。某給定理想氣體系統(tǒng)的內(nèi)能，是組成該氣體系統(tǒng)的全部分子的動(dòng)能之和，其值為 ，由狀態(tài)參量決定，內(nèi)能 ，是狀態(tài)參量 的單值函數(shù)。真實(shí)氣體的內(nèi)能除了其全體分子的動(dòng)能外還包括分子之間的引力勢(shì)能。實(shí)驗(yàn)證明人，真實(shí)氣體的內(nèi)能，是狀態(tài)參量和 （或 ）的函數(shù)，即 或 ?？傊?，某給定氣體系統(tǒng)的內(nèi)能。只由該系統(tǒng)的狀態(tài)所決定，在熱力學(xué)中內(nèi)能是一個(gè)重要的狀態(tài)量。.8功氣體壓強(qiáng)活塞面積氣體系統(tǒng)體積變化過(guò)程所做的功（體積功）元功氣體膨脹 系統(tǒng)對(duì)外做正功氣體被壓縮 系統(tǒng)對(duì)外做負(fù)功與過(guò)程有關(guān)體積從 變到 系統(tǒng)所做的功 沿 a c b 過(guò)程的功沿 a d b 過(guò)程的功系統(tǒng)通過(guò)體積變化實(shí)現(xiàn)作功。熱力學(xué)中的功是

4、與系統(tǒng)始末狀態(tài)和過(guò)程都有關(guān)的一種過(guò)程量。.9熱量熱量是系統(tǒng)與外界僅由于溫度不同而傳遞的能量。外界質(zhì)量 M比熱 c吸收熱量 dQ Q溫度升高 dT T若改用摩爾熱容即1mol的物質(zhì)溫度升高1K時(shí)所吸收的熱量則的過(guò)程中所吸收的熱量系統(tǒng)由溫度 T1 變到溫度 T2系統(tǒng)吸收的熱量為正若計(jì)算結(jié)果 則表示系統(tǒng)放熱。熱量必須與過(guò)程相聯(lián)系，只有發(fā)生過(guò)程才有吸收或放出熱量可言。系統(tǒng)從某一狀態(tài)變到另一狀態(tài)，若其過(guò)程不同，則吸或放的熱量也會(huì)不同。故 熱量也是過(guò)程量.10實(shí)質(zhì)內(nèi)能內(nèi)能熱量熱量功功狀態(tài)量過(guò)程量過(guò)程量是構(gòu)成系統(tǒng)的全部分子的平均能量之和。是系統(tǒng)的宏觀有序機(jī)械運(yùn)動(dòng)與系統(tǒng)內(nèi)大量分子無(wú)規(guī)熱運(yùn)動(dòng)的相互轉(zhuǎn)化過(guò)程。是外

5、界物質(zhì)分子無(wú)規(guī)熱運(yùn)動(dòng)與系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)分子無(wú)規(guī)熱運(yùn)動(dòng)的相互轉(zhuǎn)化過(guò)程。內(nèi)能內(nèi)能 功功 熱量熱量 的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)單位都是 焦耳焦耳 （ J J ） .11熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律是包括熱現(xiàn)象在內(nèi)的能量守恒與轉(zhuǎn)化定律的一種表達(dá)形式。該定律的另一種通俗表述是：第一類永動(dòng)機(jī)是不可能造成的。 第一類永動(dòng)機(jī)是指能不斷對(duì)外作功而又不需消耗任何形式的能量、或消耗較少的能量卻能得到更多的機(jī)械功的機(jī)器。.12微過(guò)程表達(dá)式熱力學(xué)第一定律是包括熱現(xiàn)象在內(nèi)的能量守恒與轉(zhuǎn)化定律的一種表達(dá)形式。該定律的另一種通俗表述是：第一類永動(dòng)機(jī)是不可能造成的。 第一類永動(dòng)機(jī)是指能不斷對(duì)外作功而又不需消耗任何形式的能量、或消耗較少的能量卻能得到

6、更多的機(jī)械功的機(jī)器。對(duì)于一個(gè)無(wú)限小的過(guò)程，熱力學(xué)第一定律可寫成式中各量均為代數(shù)量，有正有負(fù)系統(tǒng)吸收熱量，或?yàn)檎?，放出熱量則為負(fù)系統(tǒng)內(nèi)能增加，或?yàn)檎?，?nèi)能減少則為負(fù)系統(tǒng)對(duì)外作功，或?yàn)檎饨鐚?duì)系統(tǒng)作功則為負(fù)式中各量的單位制必須統(tǒng)一。.13凡例 的過(guò)程中，系統(tǒng)內(nèi)能的變化及對(duì)外作的功。從b態(tài) 回到a態(tài) 系統(tǒng)從平衡態(tài)a 平衡態(tài)b,吸收熱量500J，對(duì)外作功400J；然后從b態(tài) 回到a態(tài)，向外放出熱量300J。 過(guò)程500400100(J)300200 過(guò)程100(J)100(J)外界向系統(tǒng)作功.14理想氣體的物態(tài)方程理想氣體的物態(tài)方程系統(tǒng)保持體積 不變過(guò)程方程常量理想氣體的內(nèi)能理想氣體的內(nèi)能等等V過(guò)程

7、系統(tǒng)吸收的熱量為其中稱為定體摩爾熱容本式也是計(jì)算的普遍式等體升壓過(guò)程所吸收的熱量等體升壓過(guò)程所吸收的熱量全部用于增加系統(tǒng)的內(nèi)能全部用于增加系統(tǒng)的內(nèi)能.15等壓過(guò)程理想氣體的物態(tài)方程理想氣體的物態(tài)方程系統(tǒng)保持壓強(qiáng) 不變過(guò)程方程常量理想氣體的內(nèi)能理想氣體的內(nèi)能故等壓膨脹過(guò)程所吸收的熱量等壓膨脹過(guò)程所吸收的熱量一部分用于增加系統(tǒng)的內(nèi)能一部分用于增加系統(tǒng)的內(nèi)能一部分用于對(duì)外界做功一部分用于對(duì)外界做功 常寫成其中稱為定壓摩爾熱容.16比熱容比定體定體摩爾熱容摩爾熱容 定壓定壓摩爾熱容摩爾熱容（1mol氣體在等體過(guò)程中溫度升高1K所吸收的熱量）（1mol氣體在等壓過(guò)程中溫度升高1K所吸收的熱量）理想氣體常

8、用式理想氣體常用式 熱力學(xué)中還常用到比熱容比的概念： 定壓摩爾熱容比熱容比比熱容比定體摩爾熱容理想氣體常用式（定壓、定體兩種比熱之比或定壓、定體兩種摩爾熱容之比）.17等體等壓例題全過(guò)程系統(tǒng)吸收量熱、對(duì)外作功及內(nèi)能變化1.75 10 (J)1.09 10 (J )2.84 10 (J)放熱內(nèi)能減少等體262.5 (K)等壓210 (K)1.75 10 (J)外界對(duì)系統(tǒng)作功.18等溫過(guò)程理想氣體的內(nèi)能理想氣體的內(nèi)能等溫過(guò)程氣體吸收的熱量全部轉(zhuǎn)化為對(duì)外作功。等溫過(guò)程氣體吸收的熱量全部轉(zhuǎn)化為對(duì)外作功。理想氣體的物態(tài)方程理想氣體的物態(tài)方程系統(tǒng)保持溫度 不變常量過(guò)程方程.19絕熱過(guò)程系統(tǒng)不與外界交換熱量

9、理想氣體的內(nèi)能理想氣體的內(nèi)能理想氣體的物態(tài)方程理想氣體的物態(tài)方程在絕熱過(guò)程中在絕熱過(guò)程中全靠消耗系統(tǒng)自身的內(nèi)能對(duì)外作功1mol 理想氣體絕熱功的大小為值也可由氣體的 值及初末態(tài)的 值求得.20絕熱過(guò)程方程理想氣體的物態(tài)方程理想氣體的物態(tài)方程絕熱過(guò)程方程對(duì)于絕熱過(guò)程無(wú)一恒定過(guò)程曲線形態(tài)理想氣體準(zhǔn)靜態(tài)絕熱過(guò)程及兩邊積分得即常量則常量由物態(tài)方程消去得常用的絕熱過(guò)程方程常量其它形式常量常量.21絕熱線絕熱線的斜率絕熱線的斜率絕熱過(guò)程方程絕熱過(guò)程方程常量其中絕熱線等溫線絕熱線較陡絕熱線較陡Q QT T等溫過(guò)程方程等溫過(guò)程方程等溫線的斜率等溫線的斜率常量Q QT T對(duì)同一除 共同因素外，還因消耗內(nèi)能， ，

10、絕熱線較陡的物理解釋：等溫膨脹等溫膨脹絕熱膨脹絕熱膨脹 不變，導(dǎo)致 的因素只是使.22等溫絕熱例題絕熱線等溫線20.8 J mol K1.4絕熱過(guò)程11.94 (K)3.76 10 (J)等溫過(guò)程5.74 10 (J).23等值及絕熱歸納理想氣體物態(tài)方程理想氣體物態(tài)方程過(guò)程過(guò)程方程常量常量常量常量或或或等體等壓等溫絕熱.24多方過(guò)程概念理想氣體物態(tài)方程等體、等壓、等溫狀態(tài)參量分別不變絕熱都變但過(guò)程量即或現(xiàn)在討論（多方）過(guò)程都變或 的普遍情況為常量（含零及非零）時(shí).25多方過(guò)程方程理想氣體的物態(tài)方程理想氣體的物態(tài)方程聯(lián)立消去令（常數(shù)）兩邊積分得常量得多方過(guò)程方程常量稱為多方指數(shù).26多方熱功算式

11、多方過(guò)程方程多方過(guò)程方程常量稱為多方指數(shù)稱為多方指數(shù)多方過(guò)程 系統(tǒng) 對(duì)外作功內(nèi)能變化吸收熱量等溫過(guò)程常量絕熱過(guò)程常量等壓過(guò)程等體過(guò)程可寫成 可以是非整數(shù)，給定一個(gè) 對(duì)應(yīng)著一個(gè)多方過(guò)程 等溫、絕熱、等壓、等體過(guò)程，是多方過(guò)程的特例介于等溫與絕熱之間的過(guò)程.27隨堂小議結(jié)束選擇結(jié)束選擇請(qǐng)?jiān)诜庞碃顟B(tài)下點(diǎn)擊你認(rèn)為是對(duì)的答案請(qǐng)?jiān)诜庞碃顟B(tài)下點(diǎn)擊你認(rèn)為是對(duì)的答案如圖，如圖，a、b為為 P P- -V V 圖中兩平衡態(tài)的代表點(diǎn)，且圖中兩平衡態(tài)的代表點(diǎn)，且 p pa a = = p pb b，則，則(1) Ea Eb(2) Aab 0(3) Qab 0(4) 以上結(jié)論都不對(duì)以上結(jié)論都不對(duì).28小議鏈接1結(jié)束選擇

12、結(jié)束選擇請(qǐng)?jiān)诜庞碃顟B(tài)下點(diǎn)擊你認(rèn)為是對(duì)的答案請(qǐng)?jiān)诜庞碃顟B(tài)下點(diǎn)擊你認(rèn)為是對(duì)的答案如圖，如圖，a、b為為 P P- -V V 圖中兩平衡態(tài)的代表點(diǎn)，且圖中兩平衡態(tài)的代表點(diǎn)，且 p pa a = = p pb b，則，則(1) Ea Eb(2) Aab 0(3) Qab 0(4) 以上結(jié)論都不對(duì)以上結(jié)論都不對(duì).29小議鏈接2結(jié)束選擇結(jié)束選擇請(qǐng)?jiān)诜庞碃顟B(tài)下點(diǎn)擊你認(rèn)為是對(duì)的答案請(qǐng)?jiān)诜庞碃顟B(tài)下點(diǎn)擊你認(rèn)為是對(duì)的答案如圖，如圖，a、b為為 P P- -V V 圖中兩平衡態(tài)的代表點(diǎn)，且圖中兩平衡態(tài)的代表點(diǎn)，且 p pa a = = p pb b，則，則(1) Ea Eb(2) Aab 0(3) Qab 0(4)

13、以上結(jié)論都不對(duì)以上結(jié)論都不對(duì).30小議鏈接3結(jié)束選擇結(jié)束選擇請(qǐng)?jiān)诜庞碃顟B(tài)下點(diǎn)擊你認(rèn)為是對(duì)的答案請(qǐng)?jiān)诜庞碃顟B(tài)下點(diǎn)擊你認(rèn)為是對(duì)的答案如圖，如圖，a、b為為 P P- -V V 圖中兩平衡態(tài)的代表點(diǎn)，且圖中兩平衡態(tài)的代表點(diǎn)，且 p pa a = = p pb b，則，則(1) Ea Eb(2) Aab 0(3) Qab 0(4) 以上結(jié)論都不對(duì)以上結(jié)論都不對(duì).31小議鏈接4結(jié)束選擇結(jié)束選擇請(qǐng)?jiān)诜庞碃顟B(tài)下點(diǎn)擊你認(rèn)為是對(duì)的答案請(qǐng)?jiān)诜庞碃顟B(tài)下點(diǎn)擊你認(rèn)為是對(duì)的答案如圖，如圖，a、b為為 P P- -V V 圖中兩平衡態(tài)的代表點(diǎn)，且圖中兩平衡態(tài)的代表點(diǎn)，且 p pa a = = p pb b，則，則(1) E

14、a Eb(2) Aab 0(3) Qab 0(4) 以上結(jié)論都不對(duì)以上結(jié)論都不對(duì).32循環(huán)過(guò)程15-3cycle Carnot cycle 將熱能不斷轉(zhuǎn)變?yōu)楣Φ难b置稱為熱機(jī)。 熱機(jī)中的工作物質(zhì)（工質(zhì)、系統(tǒng)）所進(jìn)行的熱力學(xué)過(guò)程都是循環(huán)過(guò)程。 系統(tǒng)從某一狀態(tài)出發(fā)經(jīng)歷系統(tǒng)從某一狀態(tài)出發(fā)經(jīng)歷一系列變化后又回到了原態(tài)的整個(gè)變化過(guò)程。一系列變化后又回到了原態(tài)的整個(gè)變化過(guò)程。循環(huán)過(guò)程循環(huán)過(guò)程內(nèi)能變化內(nèi)能變化準(zhǔn)靜態(tài)循環(huán)過(guò)程準(zhǔn)靜態(tài)循環(huán)過(guò)程循環(huán)曲線包圍面積循環(huán)曲線包圍面積代表系統(tǒng)作的凈功代表系統(tǒng)作的凈功凈順時(shí)針順時(shí)針 正循環(huán)正循環(huán) 熱機(jī)熱機(jī)凈系統(tǒng)對(duì)外作正功系統(tǒng)對(duì)外作正功逆時(shí)針逆時(shí)針 逆循環(huán)逆循環(huán) 致冷機(jī)致冷機(jī)凈外

15、界對(duì)系統(tǒng)作功外界對(duì)系統(tǒng)作功凈.33循環(huán)熱功轉(zhuǎn)換吸熱膨脹吸熱膨脹吸收熱量吸收熱量對(duì)外作功對(duì)外作功放熱壓縮放熱壓縮放出熱量放出熱量外界作功外界作功絕對(duì)值吸收的吸收的凈熱凈熱量量對(duì)外作的對(duì)外作的凈功凈功循環(huán)過(guò)程凈則.34循環(huán)效率熱機(jī)的循環(huán)效率熱機(jī)的循環(huán)效率工質(zhì)工質(zhì)對(duì)外作的對(duì)外作的凈功凈功工質(zhì)從工質(zhì)從高溫高溫?zé)嵩次盏臒崃繜嵩次盏臒崃抗べ|(zhì)從工質(zhì)從低溫低溫?zé)嵩次盏臒崃繜嵩次盏臒崃恐吕錂C(jī)的致冷系數(shù)致冷機(jī)的致冷系數(shù)外界外界對(duì)工質(zhì)作的對(duì)工質(zhì)作的凈功凈功.35卡諾循環(huán) 兩兩個(gè)個(gè)等等溫溫 兩個(gè)絕熱兩個(gè)絕熱 過(guò)程構(gòu)成的一種過(guò)程構(gòu)成的一種理想循環(huán)理想循環(huán)高溫?zé)嵩锤邷責(zé)嵩吹蜏責(zé)嵩吹蜏責(zé)嵩?36卡諾循環(huán)分析 兩兩個(gè)

16、個(gè)等等溫溫 兩個(gè)絕熱兩個(gè)絕熱 過(guò)程構(gòu)成的一種過(guò)程構(gòu)成的一種理想循環(huán)理想循環(huán)高溫?zé)嵩吹蜏責(zé)嵩唇^熱膨脹絕熱膨脹 過(guò)程方程過(guò)程方程絕熱壓縮絕熱壓縮 過(guò)程方程過(guò)程方程等溫壓縮等溫壓縮 放熱放熱量量等溫膨脹等溫膨脹 吸熱吸熱量量?jī)墒綄?duì)比兩式對(duì)比得得.37卡諾循環(huán)效率高溫?zé)嵩吹蜏責(zé)嵩椿仡櫻h(huán)效率和熱機(jī)效率的普遍定義高溫?zé)嵩礈囟?越高，低溫?zé)嵩礈囟?越低，卡諾循環(huán)效率就越大。.38卡諾逆循環(huán)致冷高溫?zé)嵩锤邷責(zé)嵩吹蜏責(zé)嵩吹蜏責(zé)嵩椿仡櫮嫜h(huán)效率和致冷機(jī)致冷系數(shù)的普遍定義 致冷系數(shù)隨著被致冷物體的溫度變化致冷系數(shù)隨著被致冷物體的溫度變化而變化。被致冷物體的溫度而變化。被致冷物體的溫度 越低，越低，則卡諾逆循環(huán)的致

17、冷系數(shù)越小。則卡諾逆循環(huán)的致冷系數(shù)越小。.39例題奧托循環(huán)吸 氣絕 熱壓 縮點(diǎn)火等體吸熱絕熱膨脹等體放熱 排 氣 應(yīng)用熱機(jī)效率的一般概念，應(yīng)用熱機(jī)效率的一般概念，導(dǎo)出四沖程火花塞點(diǎn)燃式氣油發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)出四沖程火花塞點(diǎn)燃式氣油發(fā)動(dòng)機(jī)的理想循環(huán)（奧托循環(huán)）效率的理想循環(huán)（奧托循環(huán)）效率奧托等體吸熱等體吸熱等體放熱等體放熱均為絕熱過(guò)程，有均為絕熱過(guò)程，有奧托奧托兩個(gè)絕熱兩個(gè)絕熱兩個(gè)兩個(gè)等體等體過(guò)程過(guò)程主體主體大 氣 壓.40隨堂練習(xí)1mol單原子理想氣體循環(huán)如圖單原子理想氣體循環(huán)如圖105pa10-3m-3循環(huán)一次的循環(huán)一次的證明證明TaTc = TbTd為吸熱過(guò)程為吸熱過(guò)程800 (J)面積面積100 (J)因因故故.41致冷例題卡諾致冷機(jī)使卡諾致冷機(jī)